ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01L29/84 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным полупроводниковым преобразователям механических напряжений.

Известен интегральный преобразователь давления (ИПД) [1], представляющий собой полупроводниковый кристалл с мембраной, на рабочей поверхности которой сформирован тензорезистивный мост. Тензорезисторы расположены в местах, максимально приближенных к краям мембраны и окружены высоколегированной охранной областью, а на поверхности ИПД имеется не менее одного омического контакта к кристаллу, соединенного с отдельной контактной площадкой. Каждое плечо моста образовано парой тензорезисторов.

Недостатком данного устройства является то, что тензорезисторы размещаются на мембране в местах максимальных ее деформаций, т.е. вблизи края мембраны, где ее пространственное перемещение, вызывающее эту деформацию, минимально. В связи с этим, пороговая чувствительность ИПД снижается. Кроме того, в мостовых схемах чувствительность преобразователя зависит от напряжения питания, что требует дополнительных инструментальных средств его стабилизации.

Наиболее близким техническим решением является полупроводниковый датчик давления [2], содержащий опорное основание, деформируемую внешним воздействием мембранную консоль, закрепленную на основании, и полупроводниковые элементы, регистрирующие силу внешнего воздействия, смонтированные на консоли вблизи ее места выхода из опорного основания, где возникают максимальные напряжения при деформации под действием внешнего давления. В полупроводниковом датчике, регистрирующем внешнее воздействие за счет изменения электрических характеристик полупроводниковых элементов используют несколько полевых транзисторов с различными характеристиками.

Недостатком данного устройства является близость расположения полевых транзисторов к опорному основанию, что уменьшает пороговую чувствительность датчика.

Предлагаемый ИПД направлен на решение задачи повышения пороговой чувствительности преобразователя, а следовательно, его разрешающей способности, что важно при регистрации небольших изменений давления, например, в измерителях артериального давления и пульса.

Поставленная задача решается тем, что ИПД выполнен на единой полупроводниковой подложке, содержит деформируемую внешним воздействием мембранную консоль и окружающее ее опорное основание, а также полупроводниковый элемент, регистрирующий силу внешнего воздействия. Полупроводниковый элемент выполнен в виде фотодиода, например со структурой МДП, и расположен на опорном основании. Расстояние области пространственного заряда полупроводника до края опорного основания, прилежащего к свободному краю консоли, составляет менее диффузионной длины носителей заряда полупроводника. Напротив фотодиода на внешней поверхности вблизи края консоли расположен пассивный светоизлучающий элемент, например капля люминофора, а с другой стороны фотодиода на внешней поверхности опорного основания размещен активный излучатель света, например светодиод. Верхняя планарная часть фотодиода защищена светонепроницаемы покрытием.

На фиг.1 представлена рабочая поверхность ИПД, на фиг.2 - его продольный разрез.

На полупроводниковой подложке сформирована мембранная консоль 1, закрепленная на окружающем ее опорном основании 2. На этом основании выполнен МДП-фотодиод, состоящий из полевого электрода 3 с контактной площадкой 4, подзатворного диэлектрика 5 и полупроводника с областью пространственного заряда (ОПЗ) 6. Расстояние ОПЗ d до края опорного основания, прилежащего к свободному краю консоли, составляет менее диффузионной длины носителей заряда полупроводника. На краю свободного края консоли напротив МДП фотодиода размещена капля люминофора 7. На опорном основании за фотодиодом расположен светодиод 8. Верхняя планарная часть фотодиода защищена светонепроницаемым покрытием 9.

Функционирование ИПД осуществляется следующим образом. Излучение от светодиода 8 инициирует собственное излучение люминофора 7. Светонепроницаемое покрытие 9 препятствует проникновению излучения от светодиода в фоточувствительную область фотодиода.

В отсутствие внешнего воздействия мембранная консоль 1 не искривлена, поэтому излучение от люминофора 7 также не попадает в фоточувствительную область фотодиода. Под действием внешнего давления свободный конец консоли опускается, и излучение от люминофора попадает в торец полупроводника опорного основания вблизи ОПЗ. Поскольку расстояние от ОПЗ до края опорного основания меньше диффузионной длины носителей заряда, фотогенерированные носители попадают в область ОПЗ, вызывая фототок во внешней цепи фотоприемника. Чем сильнее прогиб консоли, тем больше величина фототока в пределах механической прочности конструкции. Таким образом, реализуется преобразование внешнего давления в электрический сигнал.

Когда свободный край консоли уже начинает перемещаться под действием давления, механические напряжения, возникающие при искривлении консоли, еще не достигают значений, которые могли быть зафиксированы тензопреобразователями, поэтому регистрация пространственного перемещения в принципе имеет преимущество по значению пороговой чувствительности, чем регистрация механических напряжений.

Способ регистрации фототока зависит от схемы включения фотодиода. В случае применения МДП фотоприемника может быть использован, например, фотоваракторный режим или импульсный режим с накоплением заряда и считыванием его в подложку. Кроме того, фотоприемник на опорном основании может быть выполнен в виде p-n фотодиода, либо диода с барьером Шоттки.

Предлагаемое устройство выполняется с использованием стандартных технологических процессов, применяемых при изготовлении полупроводниковых интегральных схем, что позволяет обеспечить его серийное производство.

Благодаря высокой чувствительности и надежности интегральный преобразователь давления может найти применение в медицинской аппаратуре для измерения и контроля кровяного давления и пульса.

Литература
1. Патент РФ N2035089, кл. H 01 L 29/84, приоритет от 09.08.93, Зимин В. Н. , Салахов Н.З., Шабратов Д.В., Шелепин Н.А. Интегральный преобразователь давления.

2. Патент Японии, Полупроводниковый датчик, 2748277В2, 3003970А, кл. H01L 29/84, 31.05.89.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным полупроводниковым преобразователям механических напряжений. Сущность: интегральный преобразователь давления (ИПД) выполнен на единой полупроводниковой подложке, содержит деформируемую внешним воздействием мембранную консоль и окружающее ее опорное основание, а также пполупроводниковый элемент, регистрирующий силу внешнего воздействия. Полупроводниковый элемент выполнен в виде фотодиода и расположен на опорном основании. Расстояние области пространственного заряда полупроводника до края опорного основания, прилежащего к свободному краю консоли, составляет менее диффузионной длины носителей заряда полупроводника. Напротив фотодиода на внешней стороне поверхности вблизи края консоли расположен пассивный светоизлучающий элемент, например капля люминофора, а с другой стороны фотодиода на внешней поверхности опорного основания размещен активный излучатель света, например светодиод. Верхняя планарная часть фотодиода защищена светонепроницаемым покрытием. Изобретение позволяет повысить пороговую чувствительность преобразователя и его разрешающую способность, что позволяет использовать ИПД данной конструкции в измерителях артериального давления и пульса. 2 ил.

Интегральный преобразователь давления, содержащий выполненные на единой полупроводниковой подложке деформируемую внешним воздействием мембранную консоль и ее опорное основание, а также полупроводниковый элемент, регистрирующий силу внешнего воздействия, отличающийся тем, что полупроводниковый элемент выполнен в виде фотодиода, сформированного на опорном основании, причем расстояние области пространственного заряда фотодиода до края опорного основания, прилежащего к свободному краю консоли, составляет менее диффузионной длины носителей заряда полупроводника, на краю внешней поверхности консоли расположен люминесцентный элемент, а с другой стороны фотодиода на внешней поверхности опорного основания размещен активный излучатель света, при этом верхняя планарная часть фотодиода защищена от света.