Интегральный преобразователь давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании малогабаритных полупроводниковых датчиков физических величин повышенной точности, в частности полупроводниковых датчиков давления, работоспособных в широком диапазоне рабочих температур и в условиях быстроизменяю- щейся температуры измеряемой среды.

Целью изобретения является повышение точности измерения давления в условиях быстроизменяющейся температуры.

На фиг. 1 изображен интегральный преобразователь давления; на фиг. 2 - то же, продольный разрез; на фиг. 3 - топология термокомпенсирующего транзистора; на фиг. 4 - электрическая схема интегрального преобразователя давления.

Интеграл ьный преобразователь давления представляет собой монокристалл 1 из кремния, в котором способом анизотропного травления сформирована квадратная мембрана 2, выполненная за одно целое с опорным основанием 3. Плоскость мембраны 2 совпадает с основной кристаллографической плоскостью 001 монокристалла 1. а стороны 4 ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений 110 и 110. Тензорезисторы Ri-R р-типа проводимости выполнены диффузией бора в виде п-образных полосок, расположенных на периферии мембраны 2 у одной из ее сторон 4. Два тензорезистора Ri, R2 расположены в зоне максимальных положительных напряжений, а два других тензорезистора Рз, R4- в области максимальных отрицательных

2 ю

х| СО

напряжений. Тензорезисторы соединены металлизацией, например алюминиевой, в мостовую измерительную схему (тензомост) 5. Последовательно с мостовой измерительной схемой 5 по цепи питания включен термокомпенсирующий п-р-п- транзистор (Т), между коллектором б и базой 7 которого включен резистор RB, а между эмиттером 8 и базой 7 - резистор Re. Конфигурация базы транзистора Т выполнена в виде двух примыкающих друг к другу под прямым углом одинаковых прямоугольных областей р-типа проводимости. Концентрация примеси в базовой области транзистора Т и концентрация примеси в тензорезисторах выбрана одинаковой из условия совмещения операций формирования базового слоя транзистора Т и тензоре- -зисторов Ri-R4. Средняя линия 9 прямоугольных областей базы 7 совпадает со средней линией расположения тензоре- зисторов Ri-Ra, равноудалена от сторон 4 мембраны 2 и параллельна сторонам 4. Эмиттер 8 гЛ-типа проводимости расположен в центре области примыкания прямоугольных областей базы 7. На одинаковом расстоянии относительно эмиттера 8 сформированы две контактные площадки 10 к области базы 7. Контактные площадки 10 соединены между собой металлизацией 11, например, на А. Этой же металлизацией выполнены соединения термокомпенсиру- ющего транзистора Т с тензомостом и с резисторами Rg, Re. В качестве коллектора 6 термокомпенсирующего транзистора Т используется монокристалл 1, подключение к которому осуществляется через подлеги- рованную область 12 п+-типа прободШгостй. Резисторы Rs, Re, служащие для настройки режиме температурной компенсации чувствительности интегрального преобразователя давления, могут быть диффузионными и выполненными на опорном основании 3.

Интегральный преобразователь давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной пленарной. В мембране 2 возникают деформации и напряжения. Тензорезисторы R1- R4 воспринимают напряжения, и их сопротивления изменяются пропорционально измеряемому давлению. Причем Тензорезисторы Ri, RZ, расположенные в зоне положительных напряжений, увеличивают свой номинал, а текзорезисторы Ra, , расположенные в зоне отрицательных напряжений, уменьшают свой номинал. Затем за счет мостовото включения гёнзорезисто- ров Ri-R4 и подключения тенэомоста в цепь питания сопротивления тензорезисторов

преобразуются в дифференциальное выходное напряжение, которое затем поступает в усилительный канал (не показан). При воздействии температуры на интегральный преобразователь давления термокомпенсирующий транзистор Т перераспределяет питающее напряжение на тензометрическом мосте таким образом, чтобы скомпенсировать температурный

0 уход чувствительности интегрального преобразователя.

Поскольку тензометрическийг мост и гермокомпенсирующий транзистор расположены так, что в любой момент времени

5 изменения температуры они находятся в одинаковых температурных полях, то и компенсация осуществляется с высокой точностью и, следовательно, повышается точность измерений давлений в условиях

0 быстроизменяющейся температуры измеряемой среды,

Кроме того, в конструкции базы транзистора Т одна прямоугольная область базы 7 испытывает положительные напряжения, а

5 другая прямоугольная область, расположенная под прямым углом к первой области, испытывает напряжения той же величины, но противоположные по знаку. Поскольку величины сопротивлений областей базы 7

0 равны и эти равные сопротивления включены параллельно при помощи контактных площадок 10 и металлизации 11, то и общее сопротивление базы транзистора Т остается постоянным и не зависит от механических

5 напряжений.

Таким образом, помещение транзистора Т и те Зомоста в одинаковые температур- ные режимы и исключение влияния механических напряжений на работу термо0 компенсирующей схемы позволяет значительно увеличить точность измерений за счет снижения температурных погрешностей.

Формула изобретения

5 Интегральный преобразователь давления, содержащий квадратную мембрану из монокристаллического кремния n-типа проводимости, выполненную за одно целое с опорным основанием, плоскость которой

0 совпадает с основной кристаллографической плоскостью 001, а стороны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений 110, сформированные на пла- нарной плоскости мембраны тензорезисто5 ры р-типа проводимости, которые соединены металлизированными проводниками в мостовую измерительную схему, сформированные на опорном основании выходные контактные площадки, а также два резистора и сформированный на мембране n-p-n-транзистор, причем п -типа проводимости эмиттер n-p-n-транзистора соединен металлизированными проводниками с соответствующей выходной контактной площадкой, подключенной к диагонали измерительного моста, а коллектор п-р-п- транзистора соединен с другой выходной контактной площадкой, подключенной к источнику питания, при этом один из резисторов включен в цепь коллектора и контактной площадки базы n-p-n-транзистора, а другой - в цепь базы n-p-n-транзистора и его эмиттера, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях быстроизменяющейся температуры, тензо- реэисторы первой пары противоположных плеч мостовой измерительной схемы расположены вдоль стороны мембраны на расстоянии а от нее до своей средней линии, а

тензорезисторы второй пары расположены перпендикулярно и симметрично между тензорезисторами первой пары на расстоянии з от их средней линии до этой же сторо- ны мембраны, при этом база n-p-n-транзистора имеет форму уголка, который расположен в одном из углов мембраны, средняя линия сторон уголка равноудалена от соответствующих сторон

мембраны на расстояние . в эмиттер сформирован в центре пересечения средних линий сторон уголка, при этом в базе сформированы две контактные метал- лизированные площадки, которые соединены металлизированными проводниками между собой и расположены на одинаковом расстоянии от эмиттера на соответствующей средней линии.

Изобретение может быть использовано при конструировании малогабаритных полупроводниковых датчиков физических величин повышенной точности, работоспособных в широком диапазоне рабочих температур и в условиях быстроизме- няющейся температуры измеряемой среды. В интегральном преобразователе давления конфигурация слоя базы 7 термокомпенси- рующего n-p-n-транзистора (Т) выполнена в виде двух примыкающих друг к Другу под прямым углом одинаковых прямоугольных областей р-типа проводимости, средняя линия которых совпадает со средней линией расположения тензорезисторов мостовой измерительной схемы, равноудалена от сторон квадратной мембраны и параллельна ее сторонам. При этом эмиттерная п+-область транзистора I расположена в области примыкания прямоугольных р-типа областей базы. Помещение транзистора Т и тензомо- ста 5 в одинаковые температурные режимы и исключение влияния механических напряжений на работу термокомпенсирующей , схемы позволяет увеличить точность изме- i рений за счет уменьшения температурной , погрешности. 4 ил. (Л