ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ Советский патент 1994 года по МПК H01L29/84 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании интегральных полупроводниковых тензопреобразователей.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

На фиг. 1 представлен топологический чертеж тензоэлемента; на фиг. 2 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (100), а продольная ось совпадает с направлением <100>; на фиг. 3 - преобразователь, содержащий круглую мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100); на фиг. 4 - преобразователь, содержащий квадратную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а стороны ориентированы по направлению <100>; на фиг. 5 - преобразователь, содержащий прямоугольную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а стороны ориентированы по направлению <100>; на фиг. 6 - преобразователь, содержащий прямоугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а канавки между жесткими островками ориентированы вдоль направлений <100>; на фиг. 7 - сечение профилированной мембраны; на фиг. 8 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (100), а продольная ось совпадает с направлением <100>; на фиг. 9 - преобразователь, содержащий прямоугольную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а стороны ориентированы вдоль направлений <100>; на фиг. 10 - преобразователь, содержащий прямоугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а канавки между жесткими островками ориентированы вдоль направлений <100> ; на фиг. 11 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (110), а продольная ось ориентирована по направлению <100>; на фиг. 12 - преобразователь, содержащий круглую мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110); на фиг. 13 - преобразователь, содержащий шестигранную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а две длинные стороны ориентированы вдоль направления <100>; на фиг. 14 - преобразователь, содержащий шестиугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а канавки между жесткими островками ориентированы по направлению <100>; на фиг. 15 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (110), а продольная ось совпадает с направлением <211>; на фиг. 16 - преобразователь, содержащий четырехугольную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а две длинные стороны ориентированы по направлению <211>; на фиг. 17 - преобразователь, содержащий четырехугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а канавки между жесткими островками ориентированы по направлению <211>.

Преобразователь (фиг. 1) содержит на кремниевом упругом элементе 1 полупроводниковый тензоэлемент 2 с двумя концевыми контактами 3 и 4 и двумя боковыми токоотводами 5 и 6, выполненными в виде областей противоположного типа проводимости и служащими коллекторами. Тензоэлемент 2 содержит так же область 7 противоположного типа проводимости, служащую эмиттером и расположенную на продольной оси 8 прибора и смещенную к одному из его концов. Тензоэлемент 2 расположен на упругом элементе так, что его продольная ось 8 ориентирована под углом 45^о относительно ближайшей к тензоэлементу линии пересечения плоскости упругого элемента с опорой (линия заделки) 9 упругого элемента или касательной к ней, в случае круглых мембран.

Преобразователь может быть выполнен с упругим элементом 1 в виде балки (фиг. 2 и 8), круглой мембраны (фиг. 3), квадратной мембраны (фиг. 15), прямоугольной мембраны (фиг. 5, 9), профилированной мембраны с двумя жесткими островками (фиг. 6, 10), плоскость которых совпадает с плоскостью (100), а также балки (фиг. 11, 15), круглой мембраны (фиг. 12), шестиугольной плоской (фиг. 13) и профилированной (фиг. 14) с двумя жесткими островками мембран, четырехугольной плоской (фиг. 16) и профилированной (фиг. 17) с двумя жесткими островками мембран, плоскость которых совпадает с плоскостью (110). Тензоэлементы располагаются так, что их продольная ось составляет угол 45^о к ближайшей линией заделки упругого элемента или касательной к ней в случае круглых мембран, при этом для прибора 10 p-типа его продольная ось составляет угол 45^о с направлением <100>, а для прибора 11 n-типа - совпадает с кристаллографическим направлением <100>.

Работает тензоэлемент, являющийся по существу дрейфовым двухколлекторным тензотранзистором, следующим образом.

Пропускание тока через концевые контакты 3 и 4 создает в приборе электрическое поле, увлекающее неосновные носители, инжектированные эмиттером 7, в область, расположенную между коллекторами 5 и 6. Часть носителей захватываются коллекторами, и при отсутствии деформации прибора и при симметричной его структуре коллекторные токи равны. При деформации тензоэлемента подвижность неосновных носителей в приборе становится анизотропной величиной, в результате чего коллекторные точки получают равные по величине и противоположные по знаку приращения, пропорциональные измеряемой величине.

Предложенный преобразователь, например, представленный на фиг. 4, выполняется следующим образом. В исходную кремниевую однородную пластину n-типа проводимости с удельным сопротивлением 4,5 Ом ˙ см, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), проводится разделительная диффузия p⁺-типа на глубину, превышающую предполагаемую толщину мембраны, таким образом, чтобы в конечном итоге образовалась замкнутая область n-типа в месте расположения тензоэлемента. Коллекторная и эмиттерная области могут быть сформированы с помощью стандартной базовой диффузии p-типа и в этом случае они будут характеризоваться такими параметрами как глубина залегания перехода порядка 2 мкм и поверхностная концентрация примеси около 10¹⁹ см^-3. После присоединения контактов к тензоэлементу анизотропным травлением с обратной стороны пластины формируется мембрана.

Работает преобразователь, изображенный на фиг. 4, следующим образом. Приложенное к мембране давление вызывает ее деформацию, и при этом максимальные сдвиговые напряжения, необходимые для работы тензоэлемента, возникают на периферии мембраны около середины ее сторон в системе координат, оси которой составляют угол 45^о со сторонами мембраны, что и определяет местоположение и ориентацию тензоэлемента. При этом, в силу особенностей тензоэффекта в кремнии, работоспособным оказывается элемент на основе тензоприбора n-типа - p-n-p-тензотранзистор.

Остальные преобразователи, изображенные на фиг. 2, 3, 5-17, работают аналогично.

Описанный преобразователь имеет повышенную чувствительность.

(56) Авторское свидетельство СССР N 401221, кл. H 01 L 41/10, 1977.

Патент США N 4317126, кл. H 01 L 29/24, опубл. 23.02.82.

Изобретение относится к полупроводниковой измерительной технике и может быть использовано при конструировании тензопреобразователей. Цель изобретения - повышение чувствительности. Устройство содержит упругий кремниевый элемент и расположенный на нем тензоэлемент. Тензоэлемент выполнен в виде дрейфового двухколлекторного тензотранзистора p- или n-типа. Продольная ось тензоэлемента p-типа составляет угол 45с направлением <100> упругого элемента, а для элемента n-типа совпадает с направлением <100>. Описано расположение тензоэлементов на упругих элементах круглой, квадратной и прямоугольной форм. Тензоэлемент включает первую легированную область в упругом элементе, два концевых контакта, два боковых токоотвода (коллекторы) и вторую дополнительную легированную область. Токоотводы и дополнительная область (эмиттер) имеют тип проводимости, противоположный типу проводимости первой. 17 ил.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий упругий кремниевый элемент, связанный с опорой по линии заделки и расположенный на упругом элементе полупроводниковый тензочувствительный элемент, содержащий два концевых контакта и два боковых токоотвода, расположенных по обе стороны от продольной оси тензоэлемента, которая сориентирована под углом 45^o относительно ближайшей к тензочувствительному элементу линии заделки или касательной к ней для круглых упругих элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в тензочувствительный элемент введена дополнительная область противоположного к нему типа проводимости, расположенная симметрично продольной оси тензочувствительного элемента и смешанная к одному из концевых контактов, боковые токоотводы выполнены в виде областей противоположного к тензочувствительному элементу типа проводимости, а продольная ось тензочувствительного элемента составляет угол 45^o с кристаллографической осью (100) упругого элемента для тензочувствительного элемента p -типа и совпадает с ней для тензочувствительного элемента n-типа.