Полупроводниковые чувствительные элементы высокотемпературных датчиков абсолютного давления Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.3.032

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДАТЧИКОВ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ Баринов И.Н., к.т.н.

При финансовой поддержке в форме гранта Президента РФ для государственной поддержки

молодых российский ученых-кандидатов наук МК-472.2011.8.

Описываются некоторые аспекты анодной сварки в качестве метода создания полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления, позволяющие оптимизировать весь процесс в целом, а также конструкция чувствительного элемента, позволяющая поддерживать заданную долговременную стабильность степени вакуума в вакуумной полости элемента.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: АНОДНАЯ СВАРКА, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ

Some aspects of anodic bonding as fabrication method of semiconductor sensor elements for absolute pressure transducers are viewed. It optimizes the fabrication method in all. The new construction of sensor elements is describes. It allows keeping long trickle life in the vacuum cavity.

KEY WORDS: ANODIC WELDING, SENSING ELEMENT, PRESSURE SENSOR, LONG-TERM STABILITY

Большинство полупроводниковых чувствительных элементов (ПЧЭ) датчиков абсолютного давления конструктивно содержит кремниевый кристалл со сформированной измерительной схемой и стеклянную подложку, между которыми находится вакуумная полость опорного давления [1]. Основной проблемой, возникающей при создании такого ПЧЭ, является обеспечение долговременной стабильности степени вакуума в полости не хуже 1 • 10-7 мм.рт.ст. Термин «анодная сварка» используется для соединения деталей элементов датчиков в электрическом поле. Такое соединение осуществляется как между стеклянной и кремниевой, так и между кремниевыми пластинами. В последнем случае необходимо напыление тонкого слоя стекла на поверхность пластины. Преимуществами анодного соединения перед методами «прямого сращивания» являются более низкие

температура проведения процесса, остаточное напряжение, требования к качеству поверхностей соединяемых деталей.

Рассмотрим некоторые количественные аспекты анодной сварки.

1. Преимущество использования точечного катода перед плоским катодом

заключается в том, что электростатическое давление обусловлено конечной

проводимостью стекла, и процесс соединения начинается под катодом, а затем

радиально распространяется по всей пластине. Границу соединения можно

визуально наблюдать через стекло, а скорость ее распространения равна [3]:

dV _ 1

dt pC (l + ln (R / a))’

где p - проводимость стекла; С - емкость на единицу площади границы раздела «металл-стекло»; a - радиус точечного катода. Для стандартных значений p=10 Ом-см, С=8,85-10-9 Ф/см2, а=2,5Э0-4 см скорость распространения V=1,2 см/с при радиусе пластин R=1 см.

2. При использовании непроводящего стекла давление соединения равно:

P _ P

eGD0

e D + e D

VеG^0^ c'0^yG J

2

где

P

eRL

2 D2

электростатическое давление при наличии проводящего стекла; D0

и Dg - толщины воздушного зазора и стекла соответственно; sG и є0 -соответствующие диэлектрические константы.

Из формулы видно, что давление уменьшается при увеличении толщины непроводящего стекла.

3. При использовании проводящего стекла давление равно:

P_

2R2eG

где DP - толщина поляризованной области.

Для соответствующих значений параметров P~P0, то есть электростатическое давление, которое могло бы быть получено, если бы стекло было металлом.

4. Наличие поверхностной неровности значительно уменьшает эффективность электростатического давления. Это зависит от размеров поверхностного несовершенства. В случае наличия царапин электростатическое давление приблизительно равно:

P=P0

Do

2h

2

где 2h - полная амплитуда поверхностной неровности, в соответствии с рисунком

4 [2].

Рисунок 4 - Г еометрия поверхности пластин Величины b и h составляют значения от 0,025 мм и 1 нм для «коротких волн» до 0,25 мм и 10 нм для «длинных волн» искривления соответственно.

В случае синусоидального профиля поверхности:

P = 2P0

5. С целью получения силы, достаточной для деформации материалов сварки и их тесного контакта, электростатическое давление должно превышать силы упругости данных материалов. Проводя аналогию с методами прямого сращивания, заменяя поверхностную энергию электростатической, получаем ее значение [3]:

W = eR

которое ведет к возникновению необходимой деформации, если реальное искривление поверхности меньше, чем расчетное Rs, определяемое формулой (см. также рисунок 4) [4]:

R

ED

12e0 R

где D - толщина пластины.

Данная формула действительна для синусоидального профиля поверхности.

Далее рассмотрим конструкцию ПЧЭ, позволяющую поддерживать заданную долговременную стабильность степени вакуума в его полости.

Недостатком существующих ПЧЭ датчиков абсолютного давления является невозможность достижения степени вакуума в вакуумированной полости выше, чем 1 • 10" мм.рт.ст., вследствие сопровождающего процесс анодной сварки поджатия полированных поверхностей стекла и кремния в местах соприкосновения подложки и пластины, способствующего образованию вакуум"плотного барьера, не позволяющего обеспечить требуемую степень вакуума и ограничивающего возможности повышения чувствительности и расширения температурного диапазона преобразователя.

Образование вакуум-плотного барьера объясняется уменьшением зазора между стеклянной подложкой и кремниевой пластиной до значения, когда размер молекул газовой среды в вакуумированной полости преобразователя становится больше, чем зазор. В этом случае давление в полости преобразователя определяется

оставшимися молекулами газовой среды. Как уже сказано выше, при откачке

-2

воздуха это значение составляет К10" мм.рт.ст.

В процессе последующей анодной сварки, проводящейся при нагреве и механическом поджатии деталей, подключении к ним электрического потенциала 300...1000 В между кремниевой пластиной и стеклянной подложкой образуются

связь типа ковалентной с энергией от 500 до 5000 кДж/моль, сохраняющая давление

-2

в вакуумированной полости преобразователя не ниже 1-10" мм.рт.ст., что является

неприемлемым для создания преобразователей давления на диапазоны измерения

-2

менее 1-10" мм.рт.ст., а также создания преобразователей с температурным диапазоном от минус 100 до 600°С (при повышении температуры наличие остаточных молекул газовой среды, из-за ее температурного расширения в вакуумированной 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 ПЧЭ датчиков абсолютного давления, представленная на рисунке 6.

5

J

1 - кремниевая пластина; 2 - стеклянная пластина; 3 - тензорезистивная схема;

4 - локальные выступы; 5 - вакуумная полость; 6 - площадь соединения; 7 -зазор; 8 - зона соединения

Рисунок 6

Особенностью ПЧЭ является наличие локальных выступов 4 в пределах площади соединения кремниевой и стеклянной пластин. Данное решение позволяет путем исключения вакуум-плотного барьера достичь в вакуумированной полости степени

о

вакуума до 1 • 10- 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 зарядов двойного слоя и оценивается как сила притяжения обкладок заряженного плоского микроконденсатора [5]:

F = Ina1 S,

где S - 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 мкм (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 (см. рисунок 6).

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создавать

о

преобразователи давления на диапазоны измерения до 1*10" мм.рт.ст., а также преобразователи с температурным диапазоном от минус 100 до 600°С.

ЛИТЕРАТУРА

1 Н.Н. Хоменко и др. Техника и технология сварки в электрическом поле крупногабаритных стеклокремниевых узлов"заготовок / Приборы и системы управления. - 1992. - №8. - С. 41-43.

2 A. Hanneborg, Proc. IEEE Workshop on MEMS, Nara, Japan, Jan. 30-Feb. 2, 1991, p. 92

3 Silicon micromachining / M. Elwenspoek, H. Jansen. - 2004.

4 Product information brochure of HOYA Europe B.V. (London).

5 Адгезия твердых тел. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П. М., «Наука», 1973, С. 280.

Сведения об авторе

Баринов Илья Николаевич - докторант кафедры «Информационно-измерительная техника», к.т.н. тел. +79085280636 e-mail: mzungu@inbox.ru