Разработка конструктивно-технологических методов производства кремниевых чувствительных элементов давления с повышенной стойкостью к перегрузкам

• Автор: Ушков, Александр Викторович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 161 с. : ил.

Содержание

Перечень сокращений

Введение.

Глава 1. Актуальность разработки кремниевых чувствительных

элементов давления .с повышенной стойкостью к перегрузкам.

1.1 Способы преобразования сигнала.

1.1.1 Преобразование сигнала изменением мкости

1.1.2 Вибрационночастотный способ преобразования

1.1.3 Преобразование сигнала изменением сопротивления

1.2 Конструкции и технологические методы изготовления ЧЭ.

1.3 Способы выполнения защиты первичных преобразователей

от разрушения при перегрузках.
1.4 Конструктивнотехнологические решения датчиков
для измерения малых давлений
1.5 Способы математического описания погрешности
нелинейности выходного сигнала тензопреобразователей
1.6 Методы микрообработки кремния
1.6.1 Жидкостное анизотропное травление
1.6.2 Качество вытравливаемого рельефа.
1.6.3 Электромеханический ограничитель травления.
1.7 Компенсация растравливания выпуклых углов
1.8 Выводы к первой главе
Глава 2. Разработка конструкции и технологии изготовления
чувствительного элемента давления со встроенной защитой от перегрузок.
2.1 Введение.
2.2 Исследование нагрузочной способности макета тензомодуля
2.3 Разработка чувствительного элемента с защитой от перегрузок
2.4 Технология формирования стопорного углубления
2.4.1 Формирование стопорного углубления за счт стеклянного
основания.
2.4.2 Формирование стопорного углубления за счт кремниевого
кристалла
2.4.3 Технологические примы для устранения взаимодействия
поверхностей жесткого центра и основания в процессе электростатического соединения.
2.5 Исследование характеристик тензомодулей с защитой от перефузок
2.5.1 Методика проведения экспериментов.
2.5.2 Исследование тензомодулей при комнатной температуре.
2.5.3 Исследование работоспособности тензомодулей
при повышенных и пониженных температурах.
2.6 Моделирование нафузочной способности чувствительных элементов.
2.6.1 Методы моделирования
2.6.2 Результаты моделирования нагрузочной способности ЧЭ.
2.7 Методика расчта величины стопорного углубления.
2.8 Анализ возможных технологических отказов в работе ЧЭ с защитой
от перефузок и способы устранения вызывающих их причин.
2.9 Выводы ко второй главе
Глава 3. Исследование причин возникновения нелинейности преобразовательной характеристики чувствительного элемента.
3.1 Оценка чувствительности первичного тепзопреобразователя.
3.2 Теоретический расчт нелинейности преобразовательной
характеристики ЧЭ
3.3 Исследование линейности преобразовательных характеристик
опытных образцов ЧЭ
3.4 Моделирование преобразовательной характеристики ЧЭ
3.5 Исследование возможности создания ЧЭ для измерения
давлений, существенно превышающих номинальное
3.6 Выводы к третьей главе
Глава 4. Разработка чувствительного элемента для измерения малых давлений менее 6,3 кПа
4.1 Введение.
4.2 Разработка ЧЭ для измерения малых давлений.
4.3 Исследование характеристик ЧЭ на малые давления
4.4 Исследование точностных характеристик датчиков
на малые давления
4.5 Выводы к четвртой главе.
Глава 5. Разработка методики выбора формы и назначения размеров
фигур компенсации при анизотропном травлении кремния.
5.1 Введение.
5.2 Методика проведения эксперимента и обработки результатов
5.3 Результаты экспериментов.
5.4 Квадратный компенсатор.
5.5 Диагональный компенсатор.
5.6 Компенсатор в форме полоски
5.7 Комбинированный компенсатор
5.8 Назначение размеров мембраны.
5.9 Выводы к пятой главе.
Общие выводы по работе
Список литературы


Выявлено, что накопленные к настоящему времени данные не позволяют получать сверхтонкие мембраны с прямоугольной конфигурацией жёсткого центра. Вторая глава посвящена исследованию нагрузочной способности кремниевых мембран и проектированию чувствительных элементов с повышенной стойкостью к перегрузкам. Разработаны технологические методы изготовления и методика проектирования таких ЧЭ, позволяющая задавшись давлением срабатывания защиты и размерами мембраны рассчитать величину стопорного углубления и назначить технологические допуска на него. Экспериментальным путём и с помощью компьютерного моделирования исследовано влияние конфигурации мембраны на ее нагрузочную способность. Даны рекомендации по выбору оптимальной величины стопорного углубления для получения наилучшего сочетания параметров чувствительного элемента и обеспечения его безотказной работы в выбранном рабочем интервале давлений и температур. В третьей главе получены аналитические зависимости для расчёта нелинейности на основе данных о чувствительности тензорезисторов. Установлено, что основной причиной нелинейности тензопреобразователей с жёстким центром является технологический подтрав ЖЦ, вызывающий различия чувствительности резисторов в плечах тензомоста. Показано, что кристаллы с жёстким центром могут быть использованы для измерения давлений, существенно превышающих номинальное. Б четвёртой главе рассмотрены вопросы проектирования тензопреобра-зователей для измерения малых давлений. Установлено, что локальное утонение мембраны с планарной стороны ЧЭ позволяет в 1,5. Разработана конструкция и технология изготовления ЧЭ с центральным выступом и поверхностно-структурированной мембраной: Показано, что такие ЧЭ пригодны для изготовления датчиков давления с верхним пределом измерений 0. Па. Пятая глава посвящена исследованию механизмов подтравливания внешних углов мезаструктур, получаемых при анизотропном травлении кремния на большую глубину. На основе экспериментальных данных разработаны технология и методика многоступенчатой защиты выпуклых углов; позволяющие выбрать оптимальную форму и назначить размеры упреждающих фигур для получения мембран толщиной до мкм с требуемой конфигурацией жёсткого центра. В заключении приведены краткие выводы по результатам проведенных в работе исследований. Автор выражает благодарность Исаковой Г. А. и Ануровой Л. В. за помощь в организации и проведении экспериментов по анизотропному травлению кремния; сотрудникам кафедры МТ- “Электронные технологии-в машиностроении” МГТУ им. Н.Э. Баумана: заведующему кафедрой; д. Панфилову Ю. В. за содействие в публикации основных результатов диссертации, д. Волчкевичу Л. И. и д. Цветкову Ю. Б. за ценные замечания по тексту диссертации и автореферата; своей маме Ушковой Н. С. и заместителю главного конструктора ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова Романову А. И. за моральную поддержку во время работы над диссертацией. Глава 1. Развитие микроэлектроники привело к широкому использованию полупроводников и диэлектриков (кремний, германий, сапфир, кварц и др. Рассмотрим кратко суть и конструктивно-технологические способы реализации наиболее распространённых на сегодняшний момент методов преобразования - ёмкостного, вибрационно-частотного, тензорезистивного. В качестве обкладок конденсатора ёмкости С могут использоваться, например, неподвижный изолированный электрод 2 и деформируемый “подвижный” электрод 1 (мембрана, формируемая методом анизотропного травления), размещённые на основании 3 (рис. Параметром, воздействую-, щим на ёмкость С, может служить площадь поверхности рассматриваемой обкладки, линейно зависящая от прогиба; расстояние с1 между обкладками или-характеристики среды посредством введения между обкладками твёрдого диэлектрика с большой проницаемостью [2, 3,5]. Если гистерезис мембраны мал, то нелинейность датчика с цилиндрическим конденсатором не превышает 0,1 % от диапазона измерений. При прямом контакте мембраны с жидкостью, плотностью которой пренебрегать нельзя, собственная частота уменьшается, вследствие чего снижается и быстродействие датчика.