RU2066856C1 - Piezoelectric pressure transducer - Google Patents
Piezoelectric pressure transducer Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
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
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)
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)
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 |
-
1993
- 1993-06-28 RU RU93033307A patent/RU2066856C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
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)
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 |