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

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным полупроводниковым измерительным преобразователям давления, силы.

Известен микроэлектронный преобразователь давления, состоящий из кремниевой пластины, ориентированный в кристаллографической плоскости (100). На пластине создана мембрана, на которой методами интегральной технологии изготовлена электронная схема. Схема включает два биполярных транзистора и четыре тензорезистора. Коллекторные области тензотран- зисторов соединены токоведущими дорожками с тензорезисторами одинакового с ними знака тензочувствительности, а их базовые области соединены с тензорезисто- рами, у которых тензочувствительность имеет противоположный знак. Недостатком такого преобразователя является низкая чувствительность.

Известен преобразователь давления, содержащий кремниевую пластину, ориентированную в плоскости (100) и созданную

дои

на ней профилированную прямоугольную мембрану. Мембрана содержит два жестких выступа в виде островкоз. Островки трансформируют разномерно распределенную по поверхности мембраны нагрузку в одно- осное растяжение (или сжатие) тех областей, где расположены тензочувствительные элементы - тензотранзисторы. Тензотранзисто- ры ориентированы на мембране таким образом, чтобы оси, проходящие от эмитте- ра к коллектору, у обоих транзисторов были параллельны между собой, кристаллографическому направлению 110 и близлежащему краю мембраны. Эта конструкция преобразователя обладает более высокой чувствительностью, чем рассмотренная ранее. Это достигается благодаря созданию концентраторов механических напряжений (островков) и выбором топологии тензотранзистора. Однако чувствитель- ность, самого тензочувствительного элемента, определяемая, как отношение изменения выходного электрического сигнала к величине механического напряжения в области расположения тензоэлемента бу- дет, примерно, такой же.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является интегральный пре- образоззтель на основе биполярного транзистора. Тензопреобразователь состоит из кремниевой пластины, ориентированной в кристаллографической плоскости {100}. Анизотропным травлением на пластине создана квадратная мембрана, На мембране расположен тензочувствительный элемент в виде тензотранзистора. Тензотранзистор включает в себя эмиттер расположенный в пределах базовой области, причем тип проводимости базовой области отличен от типа проводимости материала мембраны. По пе- риметру базовой области, на некотором удалении от нее, однотипным с материалом мембраны легированием создана высокопроводящая кольцевая площадка, образующая вместе с нелегированными областями мембраны коллекторную цепь. Недостатком такого преобразователя также является низкая чувствительность.

Цель изобретения - увеличение чувствительности интегрального преобразо- взтоля давления. Поставленная цель достигается тем, что интегральный преобразователь давления содержит выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану ориентированную в плоскости {100} и, расположенный на ее пленарной поверхности, интегральный тен- зотранзистор. Тензотранзистор включает эмиттер, лежащий внутри базовой области, тип проводимости которой отличен от типа

проводимости материала мембраны. На краях базовой области однотипным с ней легированием сформированы по крайней мэре две площадки повышенной проводимости, ориентированные по отношению к эмиттеру в кристаллографическом направлении 100 . Между площадками в пределах базовой области создана по крайней мере одна коллекторная область, причем базовая область тензотрзнзистора расположена в одноосно деформируемой в кристаллографическом направлении семейства 110 части мембраны. Такого рода механическую деформацию можно получить в следующих конструкциях преобразователя:

а)базовая область тензотранзистора расположена в центре прямоугольной мембраны однородной толщины, стороны которой ориентированы вдоль направлений

б)базовая область тензотранзистора расположена в центре прямоугольной мембраны, стороны которой ориентированы вдоль направлений 110 , причем две противоположные стороны жестко защемлены в основании, а две другие отделены от него узкими полосами, толщина мембраны в которых меньше толщины ее центральной части;

в)базовая область тензотрзнзистора расположена у края квадратной мембраны однородной толщины ориентированной вдоль направлений 110 , посредине одной из ее сторон;

г)базовая область тензотранзистора расположена в канавке между двумя жесткими и симметричными относительно центра мембраны областями в виде островков, а продольная ось канаоки ориентирована вдоль направления 110 .

Наибольший положительный эффект достигается при такой топологии чувствительного элемента, когда эмиттер расположен у одной из основных площадок повышенной проводимости, его центр раз- ь ещен на оси, проходящей через центры площадок повышенной проводимости в кристаллографическом направлении семейства 100 , а симметрично этой оси в пределах базовой области последовательно от эмиттера расположены две дополнительные коллекторные площадки, две однотипные по проводимости с базовой областью дополнительные площадки повышенной проводимости и две основные коллекторные площадки. В основе работы преобразователя лежит неизвестное ранее физическое явление - перераспределение концентрации неравновесных носителей

заряда в пластине кремния с биполярной электропроводностью в условиях одноосной деформации. Перераспределение носителей заряда происходит в направлении перпендикулярном направлению протеканию тока.

Схематично процесс возникновения этого эффекта показан на фиг.1, 2. Сечение поверхностей равной электропроводности изображены на фиг.1, 2 пунктиром, о- механическое напряжение Там же показаны кристаллографические направления, вдоль которых пропускается электрический ток и осуществляется одноосная деформация. На фиг.3-6 показаны топологии тензотранзм- сторов, в основе работы которых лежит описанный выше эффект. На пластине кремния, ориентированной в плоскости {100} методами интегральной технологии сформирован многоколлекторный тензотранзистор, Число коллекторов и их расположение в базовой области тензотранзистора определяется сущностью технической задачи, решаемой преобразователем. На фиг.З, 4 показана топология двухколлекторного транзистора с корректирующими электродами. На пластине коемния р-типа,ориентированной в плоскости (100) выращен эпитаксиальный слой n-типа. Разделительной диффузией 5 сформирована базовая область 1. На краях базовой области расположены высокопроводящие площадки 2, 6 (п+ -типа).. Площадки ориентированы таким образом, чтобы при приложении к ним электрического напряжения линии тока в отсутствие механического воздействия совпадали с кристаллографическим направлением семейства 100 . В пределах базовой области расположены: эмиттер 3, дча рабочих 4 и два корректирующих коллектора 7. Наличие корректирующих коллекторов 7 и площадок 6 носит вспомогательный характер. Первые служат для формирования узкого пучка неравновесных носителей заряда, подобно фокусирующим электродам в кинескопе, а вторые для установки нулевого сигнала в отсутствие механического воздействия. На фиг.5, б представлена топология двухколлекторного тензотраизистора с низким выходным сопротивлением. Тензотранзистор расположен на пластине кремния, ориентированной в плоскости {100}. Базовая область сформирована разделительной диффузией 5 в пластине кремния 1 для определения р-типа с выращенным на ней эпитаксиальным слоем n-тапов. На краях базовой области расположены высокопроводящие площадки 2. Их ориентация относительно кристаллографических осей такая же как и в предыдущем случае, В пределах

базовой области находятся: эмиттер 3. две коллекторные области 4. Для повышения коэффициента собирания, а следовательно, повышения величины выходного тока, пло- щадь коллектора увеличена. Тензотранзистор располагается на мембране таким образом, чтобы при механическом воздействии на мембрану его базовая область испы- тывала одноосную деформацию в

кристаллографическом направлении семейства 110 . Конструкции мембран, отвечающие этому условию, показаны нафиг.7-10. Конструкция мембраны на фиг,7. Тензотранзистор расположен в центре прямоугольной мембраны однородной толщины, стороны которой ориентированы вдоль направлений 110 . Конструкция мембраны на фиг.З. Тензотранзистор расположен в центре прямоугольной мембраны, стороны

которой ориентированы вдоль направлений 110 , причем две противоположные стороны мембраны жестко защемлены в основании, а две другие отделены от него узкими полосками, толщина мембраны в которых

меньше толщины ее центральной части. Конструкция мембраны на фиг.9. Транзистор расположен между двумя жесткими и симметричными относительно центра мембраны областями в виде островков, образующих канавку, продольная ось которой ориентирована вдоль направления 110 . Конструкция мембраны на фиг. 10. Тензотранзистор расположен у края квадратной мембраны однородной толщины возле середины одной из ее сторон, причем стороны мембраны ориентированы вдоль направляющей 110 , Изобретение иллюстрируется следующими примерами. Схемы включения тензотранзисторов показаны на фиг.11-12,

Уровень инжекции неравновесных носителей определяется величиной сопротивления R3. Выходной сигнал равен разности падений напряжения на сопротивлениях RK.

Работает преобразователь следующим образом.

В отсутствие механического воздействия выходной сигнал 1), т.к. через коллекторные цепи будут течь токи одинаковой

величины. Если по какой-то причине токи коллекторов не равны, то выбором, например, сопротивлений RK можно добиться . Для чувствительного элемента с топологией, изображенной на фиг.З, 4, получить ивых-0 можно подачей электрического напряжения EI соответствующей полярности (см. фиг. 12). При подаче давления на мембрану носители зар яда будут отклоняться к одному из коллекторов. Вследствие этого ток этого коллектора будет расти, а

другого уменьшаться и на выходе появится сигнал разбаланса коллекторных цепей. Конструкция преобразователя на фиг. 12, позволяет выбором величины сопротивления Нф формировать ширину канала в пределах которого дрейфуют носители заряда. Уровень инжекции носителей заряда, кроме как выбором величины R9. можно регулировать изменяя величину Рр(фиг.11,12). Через это сопротивление p-n-переход, отделяющий базовую область от материала мембраны, смещается в обратном направлении и экстрагирует неравновесные неосновные носители заряда из базовой области. С изменением величины Rp будет происходить измерение эффективной длины диффузии неравновесных носителей заряда. Положение тензотранзистора на мембране показано на фиг.7-10 прямоугольником 1.

Таким образом, главным техническим преимуществом заявляемого объекта по сравнению с известными техническими решениями, является более высокая чувствительность (более чем на порядок превосходящая приведенную чувствительность известных конструкций преобразователей при прочих равных условиях). Формула изобретения 1. Интегральный преобразователь давления, содержащий выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану, ориентированную в плоскости {100} и, расположенный на ее пленарной поверхности интегральный тензотранзисторге котором эмиттер расположен внутри базовой области, тип проводимости которой отличен от типа проводимости материала мембраны, отличающийся тем, что; с целью увеличения тензочувствительности, на краях базовой области однотипным с ней легированием сформированы по крайней мере две площадки повышенной проводимости, расположенные по отношению к эмиттеру в кристаллографическом направлении семейства 100 , а между площадками в пределах базовой области создана, по крайней мере, одна коллекторная область, причем базовая область расположена в одноосно деформируемой, в кристаллографическом направлении семейства 110 части мембраны.

2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в нем мембрана выполнена прямоугольной, однородной толщины, стороны мембраны ориентированы вдоль

направлений 110 , а базовая область тензотранзистора расположена в ее центре.

3.Преобразователь по п,1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в нем мембрана выполнена

прямоугольной, ее стороны ориентированы вдоль направлений 110 , причем две противоположные стороны мембраны жестко защемлены в основании, две другие стороны отделены от него узкими полосами, толщина мембраны в которых меньше толщины ее центральной части, а базовая область тензотранзистора расположена в центре мембраны.

4.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в нем мембрана выполнена

квадратной, однородной толщины, ее стороны ориентированы вдоль направлений 110 , а базовая область тензотранзистора расположена у края мембраны посредине одной из ее сторон.

5.Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что в ним мембрана выполнена с двумя жесткими и симметричными относительно ее центра областями в виде островков, которыми образована канавка, продольная ось которой ориентирована вдоль направления 110 , а базовая область тензотранзистора расположена в канавке.

6.Преобразователь по пп.1-5, отл и- чающийся тем, что эмиттер расположен у одной из основных площадок повышенной

проводимости, его центр размещен на оси, проходящей через центры площадок повышенной проводимости в кристаллографическом направлении семейства 100 , а симметрично этой оси в пределах базовой области последовательно от эмиттера расположены две дополнительные коллекторные площадки, две однотипные по проводимости с базовой областью дополнительные площадки повышенной проводимости и две основные коллекторные площадки.

1783331

ч /

V

/

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения давления. Цель изобретения: увеличение тензочувствительности. Сущность изобретения интегральный преобразователь давления содержит выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану, ориентированную в плоскости {100}, и расположенный на ее поверхности интегральный тензотранзистор. Эмиттер тензотранзистора расположен внутри базовой области, тип проводимости котооой отличен от типа проводимости мембраны. Особенно является то, что на краях базовой области однотипным с ней легированием сформированы по крайней мере две площадки повышенной проводимости, расположенные по отношению к эмиттеру в кристаллографическом направлении семейства 100, а между площадками в пределах базовой области создана по крайней мере одна коллекторная область, причем базовая область расположена в одноосно деформируемой в кристаллографическом направлении семейства 100 части мембраны. Даны примеры реализации такой деформации. Положительный эффект, повышение чувствительности не менее, чем в 10 раз. 5 з.п.ф- лы,12 ил

СОЮЗ

/ Ч

100

/

/

Фиг. 2

ч

Фиг Л

ф

X

/

ЪФО

Фиг.З

Фиг.4

z S

ЈT

e««ftge

Фиг. 5

Фиг. 6

010 J

Фиг. 7

I

I

Ml

8

I

li ij i|li

K

ь ил-

С1ЮЗ

Зиг.8

i

Фиг. 9

IJ-A -

Hfcvrjrsb

ч #

4

Фиг.10

t

I

X