FI100918B

FI100918B - Pintamikromekaaninen, symmetrinen paine-eroanturi

Info

Publication number: FI100918B
Application number: FI950715A
Authority: FI
Inventors: Tapani Ryhaenen
Original assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1995-02-17
Filing date: 1995-02-17
Publication date: 1998-03-13
Also published as: JPH08247878A; EP0727650A2; DE69612576D1; NO960617L; US5679902A; FI950715A; EP0727650B1; EP0727650A3; DE69612576T2; NO960617D0; FI950715A0

Description

100918

PINTAMIKROMEKAANINEN, SYMMETRINEN PAINE-EROANTURI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen pintamikromekaaninen, symmetrinen paine-eroanturi.

5

Kaksi merkittävintä piimikromekaniikan valmistustekniikkaa ovat bulk-mikromekaniikka, jolla yksikiteiseen piihin syövyttämällä valmistetaan mekaanisia rakenteita, ja pinta-mikromekaniikka, jossa piikiekon päälle kasvatetaan melo kaanisia rakenteita monikiteisistä piiohutkalvoista. Perinteisiä metallikalvoista valmistettuja paine-eroanturi-rakenteita on valmistettu symmetrisesti siten, että paine-herkän kalvon kummallakin puolella on kiinteät vastaelekt-rodit.

15

Kaikissa tunnetuissa symmetrisissä paineanturiratkaisuissa symmetrinen anturirakenne on toteutettu siten, että joustavan anturikalvon molemmilla puolilla olevat elektrodit ovat osa massiivista, jäykkää anturirakennetta.

.. 20

Tunnetun tekniikan haittoina ovat mm. mittausviiveet, jotka aiheutuvat massiivisen rakenteen pitkistä, kapeista paineporteista. Kapeat paineportit aiheuttavat myös likaantumisongelmia. Tunnetun tekniikan heikkoja kohtia ovat 25 myös lämpötilan aiheuttamat virheet.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen pintamikromekaaninen, symmetrinen paine-eroanturi.

30

Keksintö perustuu siihen, että anturirakenne käsittää kolme ainakin osittain sähköisesti johtavaa monikiteisestä piiohutkalvoa, joiden välissä oleva alue on tyypillisesti ilmaeristeinen mahdollistaen kalvojen keskinäisen liik-35 keen, jolloin ulommat kalvot on kuvioitu reiällisiksi siten, että ne läpäisevät kaasu- tai nestemäisiä väliaineita. Keskimmäinen kalvo on yhtenäinen siten, että se ei läpäise kaasumaisia väliaineita ja niin ollen taipuu kalvon eri puolille vaikuttavien kaasun paineiden vaikutuk- 100918 2 sesta. Tarvittaessa reiällisten kalvojen ja yhtenäisen kalvon välillä vaikuttavien sähköisten potentiaalierojen avulla voidaan ohjata kalvojen asemaa ja liikettä. Ideaalisesti rei'itetyt kalvot ovat huomattavasti jäykempiä 5 kuin keskimmäinen kalvo. Tähän voidaan vaikuttaa jossakin määrin kalvojen paksuuksien suhteella ja toisaalta merkittävästi kalvojen jännitystilalla. Takaisinkytketyssä mit-tausmoodissa anturin keskimmäisen kalvon ja ulompien kalvojen välisten kapasitanssien erotusta pyritään pitämään 10 vakiona, jolloin anturin paineherkän kalvon asema rei'- itettyihin kalvoihin nähden on likipitäin vakio eli kalvo on likipitäin taipumattomassa tilassa ulompien kalvojen välissä. Anturin kaksi erillistä kondensaattoria muodostavat kapasitanssisillan, joka mahdollistaa useita eri 15 siirtofunktioita, kuten (C!-C2) / (Cj+C;,) Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle anturiraken-teelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaa-timuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

20

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Symmetrinen rakenne sisältää useita etuja erityisesti yksipuoliseen epäsymmetriseen rakenteeseen nähden: 25 - Anturirakenteessa on vähintään kaksi mitattavaa kapasitanssia, joiden erotusta voidaan ilmaista helposti mittauselektroniikassa, eikä ulkoista referenssikonden-saattoria tarvita.

30 - Paineherkän kalvon asemaa voidaan ohjata sen ja revitettyjen kalvojen välisten sähköisten potentiaalierojen avulla kumpaankin suuntaan (takaisinkytkennällä voidaan kalvon asema pitää vakiona revitettyjen kalvojen välis- 35 sä). Lisäksi symmetrisyys mahdollistaa lineaarisuuden paine-erosignaalin ja ulostulosignaalin välillä käytettäessä jatkuvaa takaisinkytkentäjännitettä.

3 100918 -Symmetrinen rakenne on lämpötila-riippuvuuden kannalta edullinen.

Lisäksi perinteiseen symmetriseen rakenteeseen nähden saa-5 vutetaan seuraavat edut: - Rei'itetyt kalvot toimivat suodattimena pölyhiukkasille estäen partikkelien pääsyn kondensaattoriaukkoon.

10 - Rakenne on valmistusteknisesti edullinen ja uhrautuvien piidioksidikerrosten syövytys tapahtuu nopeasti piikalvo-jen reikien kautta.

- Anturin aikavaste on tiheän reikärakenteen ansiosta ly-15 hyt.

- Öljytäytetyssä anturissa aikavastetta voidaan säätää muuttamalla aukkojen kokoa.

' · * 20 - Rei'itetyt kalvot toimivat ylipainesuojina paineherkäl- le kalvolle.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

. 25

Kuvio l esittää yläkuvantona yhtä keksinnön mukaista antu-rirakennetta.

Kuvio 2 esittää leikkausta A-A kluvion 1 anturirakentees-30 ta.

Kuvio 3 esittää yläkuvantona vaihtoehtoista keksinnön mukaista anturirakennetta.

35 Kuvio 4 esittää graafisesti kuvion 3 mukaisen rakenteen kapasitanssit paineen funktiona.

Kuvio 5 esittää graafisesti maksimimittausalueen ja bias- 4 100918 jännitteen välistä riippuvuutta, kun kondensaattoriaukot ovat 2 μια leveitä.

Kuvio 6 esittää graafisesti maksimimittausalueen ja kon-5 densaattoriaukon leveyden välistä riippuvuutta, kun käytössä on ± 5 V biasjännitteet.

Kuvion 1 mukaisesti anturielementit valmistetaan pii-kiekolle puolijohdeteknologiaan perustuvan pintamikrome-10 kaniikan menetelmin. Anturielementtien 16 välille muodostetaan sahausurat 17, jotka ovat tyypillisesti 150 μτα leveitä. Ylimmän elektrodin 7 rei'itykset 12 ovat tässä tapauksessa muodostetut neliön muotoisiksi. Rei1ityskuviolla varustettu yläelektrodi 7 toimii näin myös anturin toisena 15 paineporttina 13. Eristekerros 8 suojaa anturirakennetta prosessin alkuvaiheissa. Metallikontakteilta 9, 10 ja 11 saadaan mittaussignaalit ja/tai ohjataan elektrodeja halutulla tavalla.

« · 20 Kuvion 2 mukaisesti anturirakenne on muodostettu yksikiteiselle piikiekolle 1, jonka päälle puolestaan on muodostettu eristekerros 2 suojaamaan yläpuolelle muodostettavia rakenteita prosessin myöhäisemmissä vaiheissa. Alempi rei'itetty elektrodi 3 kasvatetaan monikiteisestä piistä 25 rakenteen päälle seuraavaksi. Reikäkuvio 12 muodostetaan joko lift-off menetelmällä tai vaihtoehtoisesti syövyttämällä fotoresistin avulla aukot 12 jälkikäteen kerrokseen 3. Tämän jälkeen seuraa ensimmäinen uhrautuva piidioksidi-ohutkalvo 4 sekä tämän jälkeen monikiteistä piitä oleva 30 keskielektrodirakenne 5. Mikäli kerros 5 halutaan tasomaiseksi, tulee kerros 4 planarisoida, sillä alemman elektrodin 3 aukkorakenteet 12 aiheuttavat vastaavat painaumat kerrokseen 4. Planarisointi ei kuitenkaan ole anturin toiminnan kannalta välttämätön toimenpide. Kerroksen 5 päälle 35 kasvatetaan toinen uhrautuva piidioksidi-ohutkalvo 6 ja tämän päälle puolestaan ylempi elektrodi 7 monikiteisestä piistä ja tämä rakenne rei'itetään kuten elektrodi 3. Reikien 12 sivu on tyypillisesti 1 - 100 μτα, tyypillisesti n.

5 100918 10 μιη. Reiät 12 voivat olla esitetyn suorakaidemuodon sijasta esimerkiksi pyöreitä. Koko rakenteen päälle muodostetaan eristekerros 8 suojaamaan anturirakennetta alemman paineportin 14 syövytyksen ajaksi. Anturikalvon efektiivi-5 sellä leveydellä tarkoitetaan tässä viitenumerolla 15 esitettyä mittaa, jonka käytännössä määräävät paineportin 14 yläleveys sekä reikäkuvioinnin 12 leveys. Kuvion oikean reunan syvennys sekä vasemman reunan syvennus kontaktoin-teja 9 ja 11 varten on toteutettu joko jättämällä ylemmät 10 kerrokset kasvattamatta näissä syvennyksissä maskauksen avulla tai vaihtoehtoisesti syövyttämällä syvennykset jälkikäteen. Metalloinnit 9, 10 ja 11 muodostetaan aivan prosessin loppuvaiheessa. Keskielektrodin 5 paksuus on tyypillisesti 0,5-1 jtxm ja reunaelektrodien 3 ja 7 paksuudet 15 vastaavasti 1-2 μια. Näin keskielektrodi 3 on tyypillisesti 1-4 kertaa paksumpi kuin reunaelektrodit 3 ja 7.

:· Anturi valmistetaan siis seuraavassa työvaihejärjestyk- 20 sessä: 1 2

Piikiekon 1 pinnalle kasvatetaan ja kuvioidaan tarvittavat monikiteiset piiohutkalvot 3, 5 ja 7, eristekerroksien ohutkalvot 2 ja 8 ja uh- 25 rautuvat piidioksidikalvot 4 ja 6, jotka syövy tetään pois myöhemmin. Kerrosrakenteen alimmainen 2 ja ylimmäinen kalvo 8, jotka ovat esimerkiksi piinitridiä, suojaavat ohutkalvoja piitä syövyttäviltä materiaaleilta kuten KOH tai TMAH. 30 2

Syövytetään yksikiteiseen piikiekkoon 1 reikä 14, joka on kiekon puhkaistuaan likipitäin anturin paineherkän kalvonosan suuruinen, siis efektiivisen leveyden 15 mittainen. Paineporttina 35 toimiva reikä 14 on suorakaiteen muotoinen. Muo to määräytyy piin kidesuunnista epäisotroop-pisessa syövytyksessä.

6 100918 3) Puhkaistaan esimerkiksi plasmasyövytyksellä kuvioidut aukot eristekerrokseen 8 anturin yläpinnalle ja eristekerrokseen 2 yksikiteisen piin reiän 14 sisäpuolelle. Tällöin molemmilta puo- 5 liitä kiekkoa ovat näkyvissä rei'itetyt moniki- teiset piiohutkalvot 3 ja 7.

4) Poistetaan syövyttämällä piikalvojen 3 ja 7 reikien 12 kautta uhrautuvat piidioksidikalvot 4 10 ja 6 piikalvojen 3 ja 7 revitettyjen alueiden välistä.

5) Kuivataan rakenne esimerkiksi käyttämällä sublimoituvaa t-butanolia, jolla estetään kalvo- 15 jen 3, 5 ja 7 tarttuminen toisiinsa.

Rakenteen kasvatuksen yhteydessä joudutaan mahdollisesti tekemään yksi planarisointi ensimmäisen rei'itetyn pii-: ohutkalvon 3 päälle kasvatettuun oksidikalvoon 4. Muutoin 20 rei'itetty rakenne heijastuu aaltomaisesti yhtenäisessä polypiikalvossa ja kaikissa muissa päällimmäisissä kalvoissa. Työvaihe ei ole kuitenkaan välttämätön.

Edullisesti elektrodeina toimiviin kalvoihin 3 ja 7 muo-25 dostetaan vetojännitys, joka on voimakkaampi kuin anturi-kalvon 5 vetojännitys. Jännitystilaa voidaan hallita lämpökäsittelyllä ja seostuksella.

Kuvion 3 mukaisesti voidaan anturirakenteen 20 uloimmat 30 elektrodit jakaa kahteen osaan kuvioimalla aluksi eriste-materiaalia oleva yläelektrodirakenne kahdeksi toisistaan eristetyksi johtavaksi alueeksi 21 ja 22, joita ohjataan kontaktialueilla 23. Alaelektrodirakenne kuvioidaan vastaavalla tavalla ja alueita ohjataan kontakteilla 26. Kes-35 kielektrodin sähköiselle kytkennälle on varattu kontakti-alue 25. Yhdessä edullisessa tapauksessa elektrodialueet 21 ja 23 ovat pinta-aloiltaan ainakin likimain yhtä suuria.

100918

Kuviossa 4 on esitetty graafisesti kuvion 3 mukaisen anturin neljän eri elektrodin kapasitanssit keskielektrodiin (= paineherkkä kalvo) nähden. Kuvion tapauksessa anturi on 5 ideaalisesti symmetrinen. Paineherkän kalvon sivun pituus on 0,5 mm, kondensaattoriaukon syvyys (= kalvojen välinen matka) on 1 μτα ja paineherkän kalvon paksuus on 1 μια. Lisäksi paineherkkä kalvo on jännityksetön. Sekä yläelekt-rodit 21 ja 22 että alaelektrodit ovat pinta-aloiltaan 10 yhtä suuret. Kuten kuviosta käy ilmi, nollapaine-erolla kaikkien elektrodien ja paineherkän kalvon väliset kapasitanssit ovat yhtä suuria eli kapasitanssisilta on tasapainossa.

15 Uhrautuvien piidioksidikerrosten 4 ja 6 paksuuksien tulee olla mahdollisimman pieni, että kalvojen välisten sähköisten potentiaalierojen voimavaikutus on riittävä. Tyypillisesti noin 0,5 Mm. Tällöin ± 5 V bias jännitteet kalvon eri puolilla riittävät aikaansaamaan noin ± 1800 Pa mit-20 tausalueen. Kuviossa 5 on esitetty biasjännitteen ja mak-simimittausalueen välinen suhde ja kuviossa 6 vastaava riippuvuus kondensaattoriaukosta. Kondensaattoriaukon leveydellä tarkoitetaan siis elektrodirakenteiden 3 ja 5 ja vastaavasti 5 ja 7 välistä etäisyyttä.

. 25

Anturin kalvon ihanteellinen sivunpituus, mitta 15 on noin 0,5 mm. Tällöin käytettäessä 0,5 mm paksuisia piikiekkoja syövytysreiän sivun maksimileveys on noin 1,2 mm. Sa-hausurineen 17 ja riittävän kestävän tukirakenteen aikaan-30 saaminen johtaa tällöin noin 2x2 mm2 kokonaisanturikokoon.

Tällaisia antureita voidaan valmistaa yhdeltä neljän tuuman kiekolta noin 1400 kappaletta.

Rakenteeseen liittyy myös vähäisiä haittoja:

Anturipalan koko tulee jossakin määrin suuremmaksi kuin muissa perinteisissä rakenteissa, koska piikiekon läpi tuotu aukko vie paljon pinta-alaa.

35 8 100918

Anturin ulommat kalvot eivät ole ideaalisen jäykkiä. Sähköisessä ohjauksessa ulommat kalvot pääsevät taipumaan. Takaisinkytketyssä elektroniikassa tämä tarkoittaa epä-lineaarisuusvirhettä.

5 • ·

Claims

1. Symmetrinen paine-eroanturi, joka on muodostettu kerrostamalla alustalle (1) puolijohdeteknologiaan perustuvan 5 pintamikromekaniikan keinoin, joka anturi käsittää seuraa- vat toisistaan sähköisesti eristetyt ohutkalvokerrokset: - monikiteisestä piistä valmistetun anturikalvon (5), joka on ainakin osittain sähköisesti johta- 10 va, sekä - anturikalvon (5) molemmille puolille sovitetut sähköisesti johtavat vastaelektrodit (3, ja 7), 15 tunnettu siitä, että - vastaelektrodit (3 ja 7) on valmistettu monikiteisestä piiohutkalvosta, ja ne käsittävät ainakin yhden sähköisesti johtavan alueen. 20

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että vastaelektrodit (3 ja 7) on tuettu jäykkään alustaan (1) ainoastaan reunoiltaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että vastaelektrodit (3 ja 7) on varustettu reikäkuvioinnilla (12) paineporttien (13 ja 14) muodostamiseksi anturikäIvolie (5).

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen anturirakenne, .· tunnettu siitä, että vastaelektrodit (3 ja 7) ovat ·’ korkeintaan 5 kertaa anturikalvoa (5) paksumpia.

5. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen anturirakenne, 35 tunnettu siitä, että vastaelektrodeihin (3 ja 7) on muodostettu huomattavasti voimakkaampi vetojännitys kuin anturikalvoon (5). 100918

6. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että reiät (12) ovat suorakaiteen muotoisia.

7. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että reiät (12) ovat ympyrän muotoisia.

8. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen anturirakenne, 10 tunnettu siitä, että reikien (12) sivun pituus on 1 - 100 μια, sopivimmin n. 10 μια.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturirakenne, tunnettu siitä, että alusta (1) on piitä. 15

9 100918

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen anturi-rakenne, tunnettu siitä, että ainakin yksi ulommista elektrodeista (3, 7) on jaettu kuvioimalla vähintään kahteen toisistaan sähköisesti eristettyyn johtavaan 20 alueeseen (21, 22).

11 100918