RU2066856C1 - Piezoelectric pressure transducer - Google Patents

Piezoelectric pressure transducer Download PDF

Info

Publication number
RU2066856C1
RU2066856C1 RU93033307A RU93033307A RU2066856C1 RU 2066856 C1 RU2066856 C1 RU 2066856C1 RU 93033307 A RU93033307 A RU 93033307A RU 93033307 A RU93033307 A RU 93033307A RU 2066856 C1 RU2066856 C1 RU 2066856C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
membrane
thickness
piezoelectric material
silicon
Prior art date
Application number
RU93033307A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93033307A (en
Inventor
В.И. Мишачев
С.В. Лиховид
В.С. Корсаков
Н.Ф. Трутнев
Н.С. Самсонов
А.А. Васенков
С.Н. Мазуренко
Г.В. Акулова
Л.А. Семенихина
Original Assignee
Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им.Ф.В.Лукина
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им.Ф.В.Лукина filed Critical Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им.Ф.В.Лукина
Priority to RU93033307A priority Critical patent/RU2066856C1/en
Publication of RU93033307A publication Critical patent/RU93033307A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2066856C1 publication Critical patent/RU2066856C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention is used in piezoelectric and electroacoustic converters to measure noises. Piezoelectric pressure transducer has membrane 1 on which planes side compensating film 2 is placed, film 3 of piezoelectric material with two electrodes 4, 5 is located above it. First electrode is placed on to outer surface of film. Membrane 1 is made of silicon, compensating film 2 - of silicon dioxide oxidizer thermally. Second electrode 5 is put of film. Film 6 produced from silicon dioxide is located between electrode 5 and film 3 of piezoelectric material. Thickness of membrane is chosen 0.5-5.0 μm, thickness of compensating film equal 0.1-0.3 μm Thickness of film of piezoelectric material equals 1.0-1.5 μm. For some usage of specified transducer there is used silicon membrane doped with boron up to concentration 1019 см-3. EFFECT: enhanced operational reliability and stability. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к пьезоэлектрическим преобразователям давления в электрический сигнал, в частности к пьезоэлектрическим электроакустическим преобразователям. The invention relates to piezoelectric transducers of pressure to an electrical signal, in particular to piezoelectric electroacoustic transducers.

Известен пьезоэлектрический (акустический) датчик структуры ZnO-Si (1). В данной конструкции на кремниевой мембране толщиной 30 мкм сформирована текстурированная пленка окиси цинка толщиной 3 мкм. Пленка окиси цинка с обеих сторон имеет алюминиевые электроды. Пленка окиси цинка имеет гексагональную кристаллическую решетку, состоит из групп кристаллов кристаллитов. Кристаллиты имеют преимущественную ориентацию ориентированы в текстуру. Чувствительность описанного датчика 0,25 мВ/Па на частоте 1 кГц. Недостатком датчика является то, что в нем использована достаточно толстая (30 мкм) кремниевая мембрана, вследствие чего гибкость структуры низкая, что приводит к уменьшению чувствительности. Known piezoelectric (acoustic) sensor structure ZnO-Si (1). In this design, a textured zinc oxide film 3 μm thick is formed on a silicon membrane with a thickness of 30 μm. The zinc oxide film has aluminum electrodes on both sides. The film of zinc oxide has a hexagonal crystal lattice, consists of groups of crystallite crystals. Crystallites have a preferred orientation oriented in texture. The sensitivity of the described sensor is 0.25 mV / Pa at a frequency of 1 kHz. The disadvantage of the sensor is that it uses a rather thick (30 μm) silicon membrane, due to which the flexibility of the structure is low, which leads to a decrease in sensitivity.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является пьезоэлектрический датчик давления (2), содержащий кремниевую подложку с окном, на поверхности которой расположен слой, образующий в окне композитную структуру, состоящую из следующих слоев, последовательно расположенных друг над другом: пиролитически выращенный слой двуокиси кремния толщиной 0,2 мкм, слой нитрида кремния толщиной 2,0 мкм. Пленка окиси цинка, осажденная на эту сложную композитную структуру, имеет толщину 0,3 мкм и находится в капсуле из слоев пиролитической двуокиси кремния толщиной 0,2 мкм (двуокись кремния сформирована при 450oC CVD-методом). Ось C текстуры пленки окиси цинка ориентирована перпендикулярно плоскости подложки. Верхний электрод выполнен из алюминия толщиной 0,5 мкм, нижний из поликремния. Мембрана формируется методом анизотропного травления подложки с обратной стороны. Чувствительность датчика 0,5 мВ/Па (на частоте 1 кГц), резонансная частота 7,8 кГц.The closest technical solution to the proposed one is a piezoelectric pressure sensor (2), containing a silicon substrate with a window, on the surface of which there is a layer forming a composite structure in the window, consisting of the following layers successively located one above the other: a pyrolytically grown silicon dioxide layer with a thickness of 0 , 2 microns, a layer of silicon nitride with a thickness of 2.0 microns. The zinc oxide film deposited on this complex composite structure has a thickness of 0.3 μm and is contained in a capsule of layers of pyrolytic silicon dioxide with a thickness of 0.2 μm (silicon dioxide is formed at 450 ° C. by the CVD method). The axis C of the zinc oxide film texture is oriented perpendicular to the plane of the substrate. The upper electrode is made of aluminum with a thickness of 0.5 μm, the bottom of polysilicon. The membrane is formed by anisotropic etching of the substrate on the reverse side. The sensitivity of the sensor is 0.5 mV / Pa (at a frequency of 1 kHz), the resonant frequency is 7.8 kHz.

В данной конструкции уменьшена общая толщина композитной структуры, а соотношение толщин ZnO-Si3N4 выбиралось из условия получения минимально возможных температурных напряжений.In this design, the total thickness of the composite structure was reduced, and the ratio of the thicknesses of ZnO-Si 3 N 4 was selected from the conditions for obtaining the lowest possible temperature stresses.

Недостатком датчика является то, что пленки окиси цинка толщиной менее 1 мкм имеют большой тангенс угла потерь, что ведет к большим собственным шумам преобразователя. Пленки ZnO толщиной менее 1 мкм (в данном случае используется пленка толщиной 0,3 мкм) обладают низким коэффициентом электромеханической связи, следовательно, устройство имеет низкую чувствительность (0,5 мВ/Па). The disadvantage of the sensor is that zinc oxide films with a thickness of less than 1 μm have a large loss tangent, which leads to large inherent noise of the converter. ZnO films with a thickness of less than 1 μm (in this case a film with a thickness of 0.3 μm is used) have a low coefficient of electromechanical coupling, therefore, the device has a low sensitivity (0.5 mV / Pa).

Для того, чтобы повысить чувствительность пьезоэлектрического датчика давления, содержащего мембрану, на планарной стороне которой расположена компенсирующая пленка, а над ней пленка пьезоэлектрического материала с двумя электродами, первый из которых расположен на ее внешней поверхности, предложено выполнять мембрану из кремния, компенсирующую пленку из термически окисленной двуокиси кремния, при этом на последней расположен второй электрод пленки пьезоэлектрического материала, а между ним и пленкой пьезоэлектрического материала расположена введенная изолирующая пленка из двуокиси кремния, а толщина мембраны выбрана из условия: 0,5 5,0 мкм, толщина компенсирующей пленки составляет 0,1 0,3 мкм, толщина пленки пьезоэлектрического материала равна 1,0 1,5 мкм. In order to increase the sensitivity of the piezoelectric pressure sensor containing a membrane, on the planar side of which there is a compensating film, and above it a film of piezoelectric material with two electrodes, the first of which is located on its outer surface, it is proposed to make a silicon membrane that compensates the thermally film oxidized silicon dioxide, while on the last is the second electrode of the film of the piezoelectric material, and between it and the film of the piezoelectric material the introduced insulating film of silicon dioxide is located, and the membrane thickness is selected from the condition: 0.5 to 5.0 μm, the thickness of the compensating film is 0.1 to 0.3 μm, the film thickness of the piezoelectric material is 1.0 to 1.5 μm.

Кроме того, для ряда применений указанного датчика использована кремниевая мембрана, легированная бором до концентрации не менее 7•1019 см-3.In addition, for a number of applications of this sensor, a silicon membrane doped with boron to a concentration of at least 7 • 10 19 cm -3 was used .

Для повышения чувствительности и упрощения конструкции датчика давления, содержащего мембрану, на планарной стороне которой расположена компенсирующая пленка, а над ней пленка пьезоэлектрического материала с электродом, расположенным на ее внешней поверхности, и электрические контакты, предложено выполнять мембрану из кремния, легированного бором до концентрации не менее 7•1019 см-3, при этом пленка пьезоэлектрического материала расположена на компенсирующей пленке, выполненной из термически окисленной двуокиси кремния, мембрана непосредственно соединена с одним из электрических контактов, а ее толщина равна 0,5 5,0 мкм, при этом толщина компенсирующей пленки составляет 0,1 0,3 мкм, толщина пленки пьезоэлектрического материала выбрана из условия 1,0 1,5 мкм.To increase the sensitivity and simplify the design of a pressure sensor containing a membrane, on the planar side of which there is a compensating film, and above it a film of piezoelectric material with an electrode located on its outer surface, and electrical contacts, it is proposed to make a silicon membrane doped with boron to a concentration not • at least 7 October 19 cm -3, wherein the piezoelectric material film is arranged on a compensating film made of thermally oxidized silicon dioxide, the membrane is not osredstvenno connected to one of the electrical contacts, and its thickness is 0.5 to 5.0 microns, the thickness of a compensating film is 0.1 0.3 m, the film thickness of the piezoelectric material is selected from the condition of 1.0 1.5 microns.

Указанные верхний и нижний пределы толщин композитной структуры определяются технологическими ограничениями. The indicated upper and lower limits of the thicknesses of the composite structure are determined by technological limitations.

Соотношения толщин из указанных диапазонов для конкретной композитной структуры выбираются, исходя из минимума внутренних механических напряжений посредством расчета и эксперимента. В результате проведенных исследований установлено, что минимальными температурными напряжениями обладает предлагаемая структура: пленки окиси цинка толщиной (1,0±0,1 мкм слой термической двуокиси кремния толщиной (0,24±0,03) мкм слой легированного бором кремния толщиной (1,4±0,2) мкм. Допуск на толщины слоев определяется технологическим разбросом температур формирования слоев. При создании мембраны методом стоп-травления степень легирования кремния составляет не менее 7•1019 см-3.The thickness ratios from the indicated ranges for a particular composite structure are selected based on the minimum internal mechanical stresses by calculation and experiment. As a result of the studies, it was found that the proposed structure has the minimum temperature stresses: zinc oxide films with a thickness (1.0 ± 0.1 μm layer of thermal silicon dioxide with a thickness (0.24 ± 0.03) μm layer of boron-doped silicon with a thickness of (1, 4 ± 0.2) microns. The tolerance on the thickness of the layers is determined by the technological spread in the temperatures of the formation of the layers. When creating a membrane by stop etching, the degree of doping of silicon is at least 7 • 10 19 cm -3 .

При толщине пленки окиси цинка 1 мкм уменьшаются резистивные потери в пленке, т. е. уменьшается тангенс угла потерь, а значит, уменьшаются собственные шумы датчика. Чувствительность датчика увеличивается до 0,8 мВ/Па (на частоте 1 кГц). When the film thickness of zinc oxide is 1 μm, the resistive losses in the film are reduced, i.e., the loss tangent decreases, which means that the intrinsic noise of the sensor is reduced. The sensitivity of the sensor increases to 0.8 mV / Pa (at a frequency of 1 kHz).

На рис. 1, 2 изображена конструкция датчика давления согласно формуле изобретения. In fig. 1, 2 shows the construction of a pressure sensor according to the claims.

Условные обозначения:
1 Si-мембрана,
2 пленка SiO2 компенсирующая, термическая,
3 пленка ZnO,
4 верхний электрод,
5 нижний электрод,
6 пленка SiO2 изолирующая,
7,8 электрические контакты.
Legend:
1 Si membrane
2 SiO 2 Film compensating, heat,
3 ZnO film,
4 top electrode,
5 bottom electrode
6 SiO 2 film insulating,
7.8 electrical contacts.

Предлагаемый датчик может быть изготовлен по стандартной Si-технологии. The proposed sensor can be manufactured using standard Si technology.

Пример изготовления. Production example.

В кремниевую подложку диаметром 76 мм (100) проводится двухсторонняя диффузия бора на глубину 1,4 мкм с концентрацией бора 1020 см-3. Затем осуществляют локальное травление кремния с обратной стороны подложки. Площадь локального травления равна площади мембраны. Проводят травление легированного бором кремния в кислотном травителе состава HF:HNO3:CH3COOH в соотношении 1:2:2 в течение 1 5 минут для вскрытия кремния и дальнейшего его травления с обратной стороны подложки в анизотропном травителе. Травят кремний в анизотропном травителе: этилендиамида 70% 200 мл, пирокатехина 75 г, воды 200 мл при 106oC для получения окон в подложке и формирования мембраны.Two-sided boron diffusion to a depth of 1.4 μm with a boron concentration of 10 20 cm -3 is carried out into a silicon substrate with a diameter of 76 mm (100). Then, silicon is etched locally on the back of the substrate. The area of local etching is equal to the area of the membrane. The boron-doped silicon is etched in an acid etchant of the composition HF: HNO 3 : CH 3 COOH in a ratio of 1: 2: 2 for 1 5 minutes to open silicon and then etch it from the back of the substrate in an anisotropic etchant. Silicon is etched in an anisotropic etchant: ethylene diamide 70% 200 ml, catechol 75 g, water 200 ml at 106 o C to obtain windows in the substrate and the formation of the membrane.

На лицевой стороне подложки образуют слой двуокиси кремния толщиной 0,24 мкм методом термического окисления при температуре 450oC. Поверх слоя SiO2 наносят пленку ZnO толщиной 1,0 мкм методом вакуумного ВЧ-магнетронного распыления при температуре 650oC.A 0.24 micron thick silicon dioxide layer is formed on the front side of the substrate by thermal oxidation at a temperature of 450 o C. A 1.0 micron thick ZnO film is deposited on the SiO 2 layer by vacuum RF magnetron sputtering at a temperature of 650 o C.

Контроль внутреннего напряжения композитной мембраны осуществляют на установке ЭМ-679 по методике, основанной на оптическом контроле изменения кривизны подложки в зависимости от внутренних напряжений наносимых покрытий. Далее проводят напыление алюминия толщиной 0,1 мкм на установке УРМ. The control of the internal voltage of the composite membrane is carried out on the installation EM-679 according to the method based on the optical control of changes in the curvature of the substrate depending on the internal stresses of the applied coatings. Next, aluminum is deposited with a thickness of 0.1 μm in a URM installation.

Пример использования и полученные результаты. An example of use and the results obtained.

В результате изготовления структуры получили датчик со следующими параметрами (контроль параметров проводился на измерительном стенде, укомплектованном оборудованием фирмы Брюль и Къер (Дания):
Статическая емкость (100 300) пФ.
As a result of fabrication of the structure, a sensor with the following parameters was obtained (parameters were monitored on a measuring bench equipped with equipment from Bruhl and Kjерr (Denmark):
Static capacitance (100 300) pF.

Тангенс угла потерь (.05 -.01). Loss angle tangent (.05 -.01).

Собственные шумы в полосе (0,50 12 кГц) (1,5 2,0) мкВ. Own noise in the band (0.50 to 12 kHz) (1.5 to 2.0) μV.

Чувствительность на частоте 1 кГц 0,8 мВ/Па. Sensitivity at 1 kHz 0.8 mV / Pa.

Резонансная частота 4,5 кГц. The resonant frequency is 4.5 kHz.

Данное устройство может быть использовано:
в качестве акустического датчика для измерения шумов окружающей среды в полосе (0,1 3) кГц;
в качестве акустического индикатора для определения акустических сигналов фиксированной частоты (f 4,5 кГц, 6,5 кГц);
в качестве излучателя (зуммера).
This device can be used:
as an acoustic sensor for measuring environmental noise in the band (0.1 3) kHz;
as an acoustic indicator for determining acoustic signals of a fixed frequency (f 4.5 kHz, 6.5 kHz);
as an emitter (buzzer).

Claims (3)

1. Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий мембрану, на планарной стороне которой расположена компенсирующая пленка, а над ней пленка пьезоэлектрического материала с двумя электродами, первый из которых расположен на ее внешней поверхности, отличающийся тем, что в нем мембрана выполнена из кремния, компенсирующая пленка выполнена из термически окисленной двуокиси кремния, на ней расположен второй электрод пленки пьезоэлектрического материала, а между ним и пленкой пьезоэлектрического материала расположена введенная изолирующая пленка из двуокиси кремния, при этом толщина мембраны выбрана из условия: 0,5 5,0 мкм, толщина компенсирующей пленки из термически окисленной двуокиси кремния составляет 0,1 0,3 мкм, а толщина пленки пьезоэлектрического материала равна 1,0 1,5 мкм. 1. A piezoelectric pressure sensor containing a membrane on the planar side of which there is a compensating film, and above it a film of piezoelectric material with two electrodes, the first of which is located on its outer surface, characterized in that the membrane is made of silicon, the compensating film is made of thermally oxidized silicon dioxide, on it is located the second electrode of the film of piezoelectric material, and between it and the film of piezoelectric material is located insulated I am a film of silicon dioxide, while the membrane thickness is selected from the condition: 0.5 to 5.0 μm, the thickness of the compensating film of thermally oxidized silicon dioxide is 0.1 to 0.3 μm, and the film thickness of the piezoelectric material is 1.0 1, 5 microns. 2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что в нем кремниевая мембрана легирована бором до концентрации не менее 7 • 1019 см-3.2. The pressure sensor according to claim 1, characterized in that the silicon membrane in it is doped with boron to a concentration of at least 7 • 10 1 9 cm - 3 . 3. Датчик давления, содержащий мембрану, на планарной стороне которой расположена компенсирующая пленка, а над ней пленка пьезоэлектрического материала с электродом, расположенным на ее внешней поверхности, и электрические контакты, отличающийся тем, что в нем мембрана выполнена из кремния, пленка пьезоэлектрического материала расположена на компенсирующей пленке, выполненной из термически окисленной двуокиси кремния, мембрана непосредственно соединена с одним из электрических контактов и легирована бором до концентрации не менее 7 • 1019 см-3, а ее толщина равна 0,5 5,0 мкм, при этом толщина компенсирующей пленки из термически окисленной двуокиси кремния составляет 0,1 0,3 мкм, толщина пленки пьезоэлектрического материала выбрана из условия 1,0 1,5 мкм.3. A pressure sensor containing a membrane on the planar side of which a compensating film is located, and above it a film of piezoelectric material with an electrode located on its outer surface, and electrical contacts, characterized in that the membrane is made of silicon, the film of piezoelectric material is located on a compensating film made of thermally oxidized silicon dioxide, the membrane is directly connected to one of the electrical contacts and doped with boron to a concentration of at least 7 • 10 1 9 cm - 3 , and its thickness is 0.5 5.0 μm, while the thickness of the compensating film of thermally oxidized silicon dioxide is 0.1 0.3 μm, the film thickness of the piezoelectric material is selected from the condition 1.0 1, 5 microns.
RU93033307A 1993-06-28 1993-06-28 Piezoelectric pressure transducer RU2066856C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93033307A RU2066856C1 (en) 1993-06-28 1993-06-28 Piezoelectric pressure transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93033307A RU2066856C1 (en) 1993-06-28 1993-06-28 Piezoelectric pressure transducer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93033307A RU93033307A (en) 1995-10-27
RU2066856C1 true RU2066856C1 (en) 1996-09-20

Family

ID=20143981

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93033307A RU2066856C1 (en) 1993-06-28 1993-06-28 Piezoelectric pressure transducer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2066856C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7345410B2 (en) * 2006-03-22 2008-03-18 Agilent Technologies, Inc. Temperature compensation of film bulk acoustic resonator devices
US8436516B2 (en) 2010-04-29 2013-05-07 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Resonator device including electrode with buried temperature compensating layer
US9197185B2 (en) 2010-04-29 2015-11-24 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Resonator device including electrodes with buried temperature compensating layers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. "Sensors and Act." 4/1983/ p.357-362. 2. "IEEE, El, Dev. Let.", N 10, 1987, V.EDL-8 - прототип. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7345410B2 (en) * 2006-03-22 2008-03-18 Agilent Technologies, Inc. Temperature compensation of film bulk acoustic resonator devices
US8436516B2 (en) 2010-04-29 2013-05-07 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Resonator device including electrode with buried temperature compensating layer
US9197185B2 (en) 2010-04-29 2015-11-24 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Resonator device including electrodes with buried temperature compensating layers
US9479139B2 (en) 2010-04-29 2016-10-25 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Resonator device including electrode with buried temperature compensating layer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4744863A (en) Sealed cavity semiconductor pressure transducers and method of producing the same
US4996082A (en) Sealed cavity semiconductor pressure transducers and method of producing the same
US4853669A (en) Sealed cavity semiconductor pressure transducers and method of producing the same
US4586109A (en) Batch-process silicon capacitive pressure sensor
US5303594A (en) Pressure transducer utilizing diamond piezoresistive sensors and silicon carbide force collector
US4203128A (en) Electrostatically deformable thin silicon membranes
US5518951A (en) Method for making thin film piezoresistive sensor
JPH0116030B2 (en)
KR950000319B1 (en) Semiconductor pressure sensor and manufacturing method thereof
CN113049053B (en) High-performance MEMS flow sensor and preparation method thereof
CN113029265B (en) Vacuum heat-insulation MEMS flow sensor and manufacturing method thereof
US6689669B2 (en) High temperature sensors utilizing doping controlled, dielectrically isolated beta silicon carbide (SiC) sensing elements on a specifically selected high temperature force collecting membrane
RU2066856C1 (en) Piezoelectric pressure transducer
JP2659944B2 (en) Method of manufacturing sealed cavity transducer and sealed cavity transducer structure
US6555886B1 (en) Device having two perovskite crystalline layers that shows hysteresis and piezoelectric behavior
CN214748203U (en) High-performance MEMS flow sensor
EP0639760B1 (en) Semiconductor type differential pressure measurement apparatus and method for manufacturing the same
CN1007764B (en) Film resistor temperature sensor and manufacturing method thereof
RU2284613C1 (en) Semiconductor pressure transducer and its manufacturing process
JP2621357B2 (en) Semiconductor strain detector
KR100362010B1 (en) Fabrication method of thermal microflow sensor
Taroni et al. Semiconductor sensors: II—Piezoresistive devices
SU746218A1 (en) Method of mechanical compensation of temperature-dependent sensivity of small-pressure integral sensors
JPH0198960A (en) Measuring element for sound velocity in silicon and its manufacture
Tsai et al. Resonant efficiency improvement design of piezoelectric biosensor for bacteria gravimetric sensing

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110629