CC BY
748Микроэлектронные датчики физических величин
на основе МЭМС-технологий
Сергей КОЗИН Александр ФЕДУЛОВ Валерий ПАУТКИН Илья БАРИНОВ, к. т. н.
В статье приводятся примеры реализации разработанных в ОАО «НИИФИ» конструктивно-технологических решений (КТР) объемных кремниевых мик-роэлектромеханических структур (МЭМС). МЭМС необходимы при создании широкой номенклатуры микроэлектронных датчиков физических величин для ракетно-космической техники и общепромышленного применения.
введение
Стремительное развитие технологии микроэлектроники открывает широкие возможности оснащения современных изделий ракетно-космической, авиационной и гражданской техники новыми датчиками физических величин. Эти датчики являются основными элементами информационноизмерительных систем на различных этапах эксплуатации, отличающихся воздействием широкого диапазона температур, ионизирующих излучений и жестких электромагнитных помех. В связи с этим постоянно растут требования к устройствам сбора информации — датчикам и преобразователям физических величин.
Современный датчик должен иметь малые габариты и массу, высокую чувствительность, хорошую температурную стабильность и возможность предоставления выходной информации в цифровом виде. Используемые в настоящее время системы измерения физических величин базируются в основном на устаревших конструктивно-технологических решениях: потенциометрических, металлопленочных и фольговых тензорезисторах из сплавов металлов, применение которых ограничивает возможности улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик и обеспечения работоспособности в экстремальных условиях. В то же время в технике
Таблица. Типы микроэлектронных датчиков
широко применяются новые поколения датчиков физических величин, разработанных фирмами Kulite, Honeywell, Omega (США), Auxitrol (Франция), Druck (Великобритания) и др. на основе современных достижений микроэлектроники и микросистемотехники.
Перечисленные зарубежные фирмы для обеспечения высоких характеристик своих датчиков в качестве базовых технических решений применяют интегральный кремниевый чувствительный элемент с тен-зосхемой, выполненной на основе структуры «кремний - диэлектрик - кремний» [1], а также сверхтонких кремниевых и диэлектрических мембран, встроенных в датчики схем компенсации и обработки сигналов, интегральной микрообработки и микросборки объемных кремниево-стеклянных структур.
В ОАО «НИИФИ» накоплен богатый опыт по созданию микроэлектронных датчиков физических величин для ракетно-космической, авиационной техники и общепромышленного применения. В основу данных разработок заложены КТР объемных кремниевых микроэлектромеханических структур (МЭМС).
Типы микроэлектронных датчиков, созданных по МЭМС-технологиям, представлены в таблице.
Далее остановимся более подробно на технических решениях чувствительных элементов некоторых типов датчиков.
Тензорезистивные датчики избыточного давления
Основой чувствительного элемента датчика типа ДДЭ-060 является круглый плоский кремниевый кристалл, содержащий как интегральные тензорезисторы мостовой схемы, так и не воспринимающий давление терморезистор схемы компенсации ухода чувствительности. Кристалл сформирован по планарной технологии и закреплен в металлическом корпусе с помощью ситаллоцемента. На основе аналогичного решения созданы датчики для измерения давления до 300 МПа, когда толщина кремниевого кристалла составляет 700 мкм.
В основе датчика типа ДДЭ-097 — двухслойный кремниево-стеклянный элемент, сформированный анодным соединением и закрепленный в керамическом корпусе.
Микромеханическая структура чувствительного элемента датчика типа ДДЭ-082 представляет собой кремниево-стеклянный узел. В нем стеклянное основание с вплавленной металлической трубкой с помощью анодной посадки герметично соединено с планарной поверхностью кристалла через адгезионное кольцо из поликристаллического кремния, нанесенного на кристалл поверх высоколегированных коммутационных шин из р+-кремния, соединяющих тензорезисторы, находящиеся на мембране, и контактные площадки, находящиеся на периферии кристалла (рис. 1) [3].
МЭМС-датчики Типы датчиков Диапазоны измерений Габариты, масса
Избыточного давления, тензорезистивные ДДЭ-060, ДДЭ-073, ДДЭ-074, ДДЭ-081, ДДЭ-082, ДДЭ-084, ДДЭ-090, ДДЭ-096, ДДЭ-097, ДДЭ-114, ДДЭ-115, ДДЭ-116, ДДЭ-117, ДХП-096 0,01-300 МПа 03,5-36 мм, 5-130 г
Абсолютного давления, тензорезистивные ДАЭ-099, ДАЭ-100, ДАЭ-101, ДАЭ-102, ДАЭ-103, ДАЭ-104 Па М 0 t» 1- ,01 0, 016 мм, 20-50 г
Абсолютного давления, емкостные ЧЭ Э-024.001 0,05-1 МПа 5x5 мм
Линейного ускорения, тензорезистивные АЛЭ-037, АВЭ-001, АВЭ-002, АВЭ-003, АВЭ-004 ±(500-100 000) м/с2 24x24x8 мм, 100 г
Линейного ускорения, емкостные АЛЕ-049, АЛЕ-050, АЛЕ-056, АЛЕ-057, АЛЕ-058, АЛЕ-060 ±(5,6-1200) м/с2 35x35x22 мм, 75 г
Угловой скорости (гироскоп), емкостные МВГ-11.039 100-1000°/с 5x10 мм, 5 г
Частоты вращения, гальваномагнитные на магнитодиоде [2] Вт 1855, ОМ-005, ОМ-006 60-40 000 об./мин 012 мм, 100 г
Деформации, тензорезистивные ЕВ ±3000 мкм/м 5x5x0,05 мм
З 2
Рис. 2. Структура чувствительного элемента датчика: 1 — мембрана; 2 — утолщенное периферийное основание; 3 — концентраторы механических напряжений; 4 — тензорезисторы
Особенность датчика типа ДДЭ-116 — в его миниатюрности. Чувствительный элемент содержит профилированный кремниевый кристалл толщиной 100 мкм и диаметром 2,5 мм с мембраной, состоящей из утолщенного периферийного основания и профиля с концентраторами механических напряжений, представляющими собой сочетание утонченных участков и жестких центров (рис. 2).
Кремниевый кристалл соединен с помощью анодной посадки со стеклянным основанием (рис. 3).
Основные этапы изготовления кристалла датчика типа ДДЭ-116 [4]:
• формирование профилированной заготовки методом травления (пластина кремния с утоненной до 100 мкм центральной частью);
• формирование профилированной мембраны кристалла методом анизотропного травления;
• формирование термо- и тензорезисторов схемы методами диффузии и ионного легирования;
• плазмохимическое травление кремния во фторосодержащей среде до разделения пластины на круглые кристаллы с использованием защитной маски.
Тензорезистивные датчики абсолютного давления
В основе конструкции датчиков данного типа лежат чувствительные элементы, представляющие собой профилированный кристалл, соеди-
ненный со стеклянным основанием. При этом образуется герметичная вакуумированная полость опорного давления. Технология изготовления чувствительного элемента датчика абсолютного давления предусматривает групповое анодное соединение профилированной кремниевой и стеклянной пластин в вакууме с последующим разделением алмазными дисками на отдельные чувствительные элементы. Благодаря использованию групповой технологии удалось достичь минимальных размеров этих чувствительных элементов: до 1x1 мм (рис. 4).
Проведение анодного соединения возможно в условиях атмосферного давления, так же, как и в условиях вакуума.
Для реализации процесса анодного соединения необходимо удовлетворить следующие условия:
• Стекло должно обладать умеренными проводящими свойствами для обеспечения возникновения области объемного заряда.
• Температура должна быть достаточной для обеспечения точки размягчения.
• Металлическая оснастка не должна инжектировать носители заряда внутрь стекла.
• Шероховатость поверхности пластин должна иметь среднеквадратическое значение не более 1 мкм, а сама поверхность должна быть химически чистой.
• Пленка двуокиси кремния должна быть тоньше, чем 200 нм.
• Температурные коэффициенты материалов, подвергающихся анодной сварке, должны быть адекватны друг другу в пределах температурного диапазона проведения процесса.
Рассмотрим конструкцию чувствительного элемента, позволяющую поддерживать заданную долговременную стабильность степени вакуума в его полости.
Недостатком существующих чувствительных элементов датчиков абсолютного дав-
Рис. 4. Чувствительный элемент датчика абсолютного
давления с габаритами 1x1 мм
ления является невозможность достижения степени вакуума в вакуумированной полости выше, чем 1x10-2 мм рт. ст. Это происходит вследствие сопровождающего процесс анодной сварки поджатия полированных поверхностей стекла и кремния в местах соприкосновения подложки и пластины, что способствует образованию вакуум-плотного барьера, не позволяющего обеспечить требуемую степень вакуума и ограничивающего возможности повышения чувствительности и расширения температурного диапазона преобразователя.
В процессе откачки газовой среды из рабочей камеры экспериментальным путем установлено, что после достижения в вакуумиро-ванной полости преобразователя давления 1 х 10-2 мм рт. ст. уменьшение значения давления в рабочей камере до 1x10-8 мм рт. ст. и увеличение времени выдержки преобразователя в ней, по крайней мере, до 4 часов не приводят к изменению давления внутри вакуумированной полости (рис. 5).
Образование вакуум-плотного барьера объясняется уменьшением зазора между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной до значения, когда размер молекул
Р, мм рт. ст. 1 А А А А А А
5х10-7-
1х10-6-
5х10-6-
ІХІ0"5-
5х10-5-
1x10-*-
5х10-4-
1х10“3-
5х10-3- - , т т 2Т
1x10-2-
5х10-2-
1x1О-1-
5x1О-1- * І І І І І І І І І І І I 7? I
І І І І І І І І І І І I 55 I
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 240 Т, мин
Рис. 5. Давление в рабочей камере (1) и вакуумированной полости (2) как функция времени
рис. 6. Конструкция чувствительного элемента датчиков абсолютного давления: 1 — кремниевая пластина; 2 — стеклянная пластина; 3 — тензорезистивная схема; 4 — локальные выступы; 5 — вакуумная полость; 6 — площадь соединения; 7 — зазор; 8 — зона соединения
газовой среды в вакуумированной полости преобразователя становится больше, чем зазор. В этом случае давление в полости преобразователя определяется оставшимися молекулами газовой среды. Как уже было сказано, при откачке воздуха это значение составляет 1х10-2 мм рт. ст.
В процессе последующей анодной сварки, проводящейся при нагреве и механическом поджатии деталей, подключении к ним электрического потенциала 300-1000 В (положительный потенциал подается на кремниевую пластину), между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой образуются связь типа ковалентной с энергией от 500 до 5000 кДж/моль. При этом сохраняется давление в вакуумированной полости преобразователя не ниже 1 х 10-2 мм рт. ст., что является неприемлемым для создания преобразователей давления на диапазоны измерения менее 1 х 10-2 мм рт. ст., а также создания преобразователей с широким температурным диапазоном. (При изменении температуры наличие остаточных молекул газовой среды, из-за ее температурного расширения в ваку-умированной полости, вызовет прогиб мембраны со стороны, обратной измеряемому давлению, а значит, и воздействие на мостовую схему, что приведет к появлению дополнительной погрешности.) С целью исключения данного недостатка разработана конструкция чувствительного элемента датчиков абсолютного давления, представленная на рис. 6.
Особенностью чувствительного элемента является наличие локальных выступов 4 в пределах площади соединения кремниевой и стеклянной пластин. Данное решение позволяет путем исключения вакуум-плотно-го барьера достичь в вакуумированной полости степени вакуума до 1х 10-8 мм рт. ст., то есть равной ее значению в рабочей камере. В процессе анодной сварки, благодаря прикладываемому электрическому потенциалу, образуется адгезионная сила F, которая пропорциональна поверхностной плотности за-
рядов двойного слоя и оценивается как сила притяжения обкладок заряженного плоского микроконденсатора [5]:
F = 2па25,
где 5 — площадь контактирующих поверхностей, а — удельный (на единицу площади) заряд обкладок двойного слоя, образующегося на этой площади. То есть для создания силы на единицу площади (квадратный метр) порядка 105...106 Па (достаточного для физического контакта), необходим потенциал вполне конкретного порогового значения. Например, экспериментально установлено, что для закрытия щели, образованной локальными выступами объемом 1 мкм3 (то есть имеющими размеры 1х1х1 мкм), между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной площадью, в 10 раз превышающей общую площадь выступов, потенциал будет составлять значение 500 В, а время его воздействия на структуру — 4 мин. При этом между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой образуется связь типа ковалентной с энергией от 500 до 5000 кДж/моль, а зона соединения между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой практически равна по своим линейным размерам площади соединения (рис. 6).
Таким образом, наличие локальных выступов, сформированных на поверхности кремниевой пластины или стеклянной подложки в пределах площади их соединения, позволяет после проведения процесса анодной сварки достигать степени вакуума в вакуумируемой полости, равной степени вакуума в рабочей камере, вплоть до 1х 10-8 мм рт. ст., за счет создания зазора, большего, чем размер молекул газовой среды внутри вакуумированной полости между соединяемыми деталями, и исключения вакуум-плотного барьера. Такое техническое решение в перспективе позволит создавать преобразователи давления с широким температурным диапазоном на диапазоны измерения до 1х 10-8 мм рт. ст.
Емкостной акселерометр линейных ускорений
Основные этапы технологии изготовления чувствительного элемента акселерометра АЛЕ-049(050) (рис. 7) и его модификаций АЛЕ-056, АЛЕ-057, АЛЕ-058, АЛЕ-060 следующие:
• формирование двусторонним размерным травлением трехрельефной структуры кристалла (с величиной зазора 5 мкм);
• формирование металлизированных стеклянных плат;
• электростатическое соединение структуры «стекло - кремний - стекло» в едином цикле изготовления.
датчик угловой скорости (гироскоп)
Гироскоп представляет собой конструкцию, включающую в себя (рис. 8):
• Инерциальную механическую плату чувствительного элемента, выполненную размерным травлением из монокристалличес-кого кремния и содержащую две подвижные, подвешенные на консолях платы, являющиеся обкладками емкостных датчиков силы и положения. Для повышения чувствительности центральная плата содержит двусторонний вольфрамовый груз, присоединенный к кремнию диффузионной сваркой.
Рис. 8. Чувствительный элемент датчика угловой скорости
• Стеклянную плату-основание, содержащую выполненные по технологии напыления и фотолитографии пленочные алюминиевые емкостные обкладки датчиков силы и положения и коммутационные шины, а также глухое отверстие для перемещения массы.
• Измерительный блок, содержащий сцентрированные по обкладкам емкостей датчиков механическую плату и плату-основание, которые соединены между собой методом электростатического соединения кремния и стекла.
В настоящее время изготовлены и испытаны экспериментальные образцы гироэлементов, ведутся работы по их доводке и практическому использованию [6].
Заключение
В результате проведенных работ по созданию микроэлектронных датчиков физических величин на основе МЭМС-технологий кремниевых микроэлектромеханических систем разработаны и освоены новые специальные технологические процессы:
• формирование прецизионным прямым травлением кремния многорельефных структур чувствительных элементов с минимальными размерами высоты рельефа до 2 мкм;
• ориентированное травление кремния в обеспечении формирования структурных элементов чувствительных элементов с вертикальными стенками;
плазмохимическое травление кремния для профилирования и разделения кристаллов;
формирование прецизионным травлением кремния Х-образных элементов (консолей) в структуре чувствительного элемента; формирование методами гальванопластики технологических и конструкционных узлов чувствительных элементов; формирование методами легирования примеси и «стоп»-травления кремния элементов толщиной до 10 мкм с точностью ±0,5 мкм; создание кремниевых тензорезисторов толщиной 3-5 мкм на основе высоколегированных кремниевых слоев с одновременным формированием над тензо-резисторами пленки двуокиси кремния, обеспечивающей их защиту от влияния окружающей среды;
соединение кремниевых тензорезисто-ров с гибкой диэлектрической основой с применением клеев, обеспечивающего их групповое формирование; формирование встроенного в кремниевые тензорезисторы на основе высоколегированных слоев интегрального терморезистора из пленки поликристаллического кремния, имеющего противоположный по знаку температурный коэффициент сопротивления по сравнению с тензорезисторами и обеспечивающего температурную компенсацию и расширение функциональных возможностей в части измерения температур; формирование структуры чувствительного элемента (мембрана - диэлектрик - тензо-резисторы), имеющей низкие механические напряжения в рабочем диапазоне температур в обеспечении минимальных изменений начального выходного сигнала; формирование многослойных кремниевостеклянных структур методом электростатического соединения; интегральная сборка чувствительного элемента с вакуумированными до 1х 10-5 мм рт. ст. областями с обеспечением электрических гермовыводов из данных областей; групповое электростатическое соединение стеклокремниевых пластин с последующим разделением алмазными дисками на отдельные чувствительные элементы.
Дальнейшие работы по созданию микроэлектронных датчиков физических величин на основе МЭМС-технологий для ракетнокосмической техники и общепромышленного применения направлены на достижение следующих основных характеристик:
• для акселерометров:
- диапазон измеряемых линейных ускорений — 10-10 000 м/с2;
- основная погрешность — 0,01-0,1 м/с2;
• для датчиков угловой скорости:
- диапазон измеряемых угловых скоростей — 10-10 000 °/с;
- основная погрешность — 0,01 °/с;
• для датчиков давления:
- максимальная рабочая температура — 600 °С;
- температурный уход чувствительности начального выходного сигнала — 0,010,05 %/°С;
- долговременный дрейф основной погрешности — не более 0,1%/год;
- возможность работы в агрессивных средах в диапазоне давления 5-10 МПа;
- наличие двуполярной гальваноразвязки тензосхемы;
- максимальная частота измеряемого переменного давления — 50 кГц;
- минимальный диаметр датчика — 3 мм;
• для миниатюрных датчиков деформации:
- коэффициент тензочувствительности — 10-50;
- наличие встроенного в чувствительный элемент измерителя температуры. ■
Литература
1. Баринов И. Н. Полупроводниковые тензоре-зистивные датчики давления на основе КНД-структуры // Компоненты и технологии. 2009.
№ 5.
2. Баринов И. Н. Конструкция и некоторые результаты исследований магнитодиодов при воздействии температур широкого диапазона // Компоненты и технологии. 2009. № 1.
3. Патент RU 1459550.
4. Патент RU 2111576.
5. Дерягин Б. В., Кротова Н. А., Смилга В. П. Адгезия твердых тел. М.: Наука, 1973.
6. Патент RU 2207658.
