ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01L9/04 

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям давлений высокотемпературных сред и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Известен преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [1].

Известен преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [2].

Недостатками известных устройств являются низкая точность в диапазоне высоких температур, обусловленная значительной температурной погрешностью выходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытых слоем двуокиси кремния, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов [3].

Недостатками известного устройства являются низкий рабочий диапазон температур, обусловленный резким ухудшением диэлектрических свойств слоя нелегированного поликристаллического кремния, расположенного вокруг тензорезисторов при температуре более 300°C, а также низкая точность преобразования давления из-за значительной температурной погрешности.

Изобретение направлено на повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур.

Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытой слоем двуокиси кремния, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, кроме того на мембране в области с нулевой деформацией размещается схема температурной компенсации, состоящая из двух полупроводниковых терморезисторов, имеющих соединенные с ним металлизированные контактные площадки, при помощи которых схема температурной компенсации включается в мостовую схему.

Введение предложенной конструкции, содержащей мембрану, покрытую со стороны тензорезисторов слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, позволяет увеличить максимальную рабочую температуру преобразователя за счет введения со стороны тензорезисторов изолирующего слоя нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов. Карбид кремния характеризуется высокой температурой Дебая, определяющей температуру, при которой возникают упругие колебания кристаллической решетки (фононы) с максимальной для данного материала частотой. Температуру Дебая можно рассматривать как параметр, характеризующий термическую стабильность полупроводника. При превышении этой температуры колебания могут стать неупругими и привести к разрушению материала. Электронные свойства приборов на основе карбида кремния стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий [4, 5]. Слой нелегированного карбида кремния сохраняет диэлектрические свойства при температуре до 600°C, что обеспечивает работоспособность преобразователя при указанной температуре.

Введение в конструкцию схемы температурной компенсации, состоящей из полупроводниковых терморезисторов, подключающейся к мостовой измерительной схеме, позволяет повысить точность полупроводникового преобразователя давления путем компенсации дополнительной температурной погрешности с использованием схемотехнических методов температурной компенсации. Первый терморезистор подключается к одному из рабочих плечей мостовой схемы, что обеспечивает снижение температурной зависимости начального выходного сигнала [6], второй терморезистор включается в диагональ питания мостовой схемы, что обеспечивают снижение температурной зависимости чувствительности преобразования [7].

Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1.

На фиг.1 изображен преобразователь, содержащий чувствительный элемент из кремния (1) с легированной бором мембраной (2) с профилем (3) и утолщенным периферийным основанием (4) со сформированными на ней через слой двуокиси кремния (5) тензорезисторами из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему (6), покрытыми слоем двуокиси кремния (7) и соединенными с контактными площадками (8) с помощью коммутационных шин (9) и со сформированными на ней терморезисторами (11), расположенными на периферии мембраны в области с нулевой деформацией. Слой двуокиси кремния (5) расположен под тензорезисторами (6) и коммутационными шинами (9). Поверхность мембраны (2) со стороны тензорезисторов (6) покрывает изолирующий слой нелегированного карбида кремния (10) вокруг тензорезисторов (6) толщиной не менее высоты тензорезисторов (6).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, через слои двуокиси кремния и нелегированного карбида кремния деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Наличие на поверхности мембраны со стороны тензорезисторов изолирующего слоя нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, позволяет повысить максимальную рабочую температуру преобразователя до 600°C за счет сохранения карбидом кремния диэлектрических свойств при данной температуре. Наличие схемы температурной компенсации, состоящей из двух терморезисторов, размещенных в области мембраны с нулевой деформацией и подключенных к мостовой схеме, позволяет повысить точность измерительного преобразования путем компенсации дополнительной погрешности за счет снижения температурной погрешности нуля и температурной погрешности чувствительности преобразователя. Использование предложенной конструкции позволяет обеспечить работоспособность, преобразователя давления в диапазоне температур до 600°C при увеличении точности измерительного преобразования.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур.

Источники информации

1. Патент США № 4400869, кл. H 01 L 21/225, 1984.

2. Патент RU №1732199.

3. Патент RU №2310176.

4. Лебедев А., Сбруев С. SiC-электроника. Прошлое, настоящее, будущее // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2006. - №5. - С. 28-41.

5. Васильев А., Лучинин В., Мальцев П. Микросистемная техника. Материалы, технологии, элементная база // Электронные компоненты. - 2000. - №4. - С. 3-11.

6. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.

7. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 136 с.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Мембрана имеет толщину, равную высоте тензорезисторов, поверхность которых покрыта слоем двуокиси кремния. Тензорезисторы сформированы на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполнены из кремния. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему. Слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами. Поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов. На периферии мембраны расположена схема температурной компенсации, состоящая из терморезисторов, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки для включения в мостовую схему. Техническим результатом является повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур. 1 ил.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытой слоем двуокиси кремния, расположенным под коммутационными шинами и тензорезисторами, сформированными на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненными из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенными с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, при этом поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем толщиной не менее высоты тензорезисторов, отличающийся тем, что поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов, а мостовая измерительная схема включает в себя схему температурной компенсации, состоящую из двух полупроводниковых терморезисторов.