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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в статических и динамических режимах.

Известен интегральный преобразова- тель давления, содержащий профилированный упругий элемент с квадратной мембраной из монокристаллического кремния n-типа проводимости итензо 5ёзисторы р-типа проводимости, объединенные в мое- товую схему, которые расположены в области середины одной из сторон квадрата.

Недостатком известного преобразователя является недостаточно низкая чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интегральный полупроводниковый преобразователь давления, содержащий опорное основание супругой мембраной, на которой выполне- но ребро жесткости в форме прямоугольной балки, плоскость симметрии которого совпадает с плоскостью симметрии упругой мембраны, и тензорезисторы мостовой схемы.

Известно устройство характеризуется недостаточно высокой чувствительностью из-за размещения тензорезистороа на ребре жесткости, имеющем, по сравнению с упругой мембраной, значительно большую толщину. Чувствительность же преобразователя обратно пропорциональна квадрату толщины деформируемой области упругого элемента.

Цель изобретения - повышение чувст- вительности преобразователя.

Согласно изобретению в интегральном полупроводнике преобразователе давления, содержащем опорное основание с уп- ругой мембраной, на которой выполнено ребро жесткости в форме прямоугольной балки, плоскость симметрии которой совпадает с плоскостью симметрии упругой мембраны, и тензорезисторы мостовой схемы, тензорезисторы мостовой схемы размеще-

ны на двух, отделенных ребром жесткости, прямоугольных участках мембраны и выполнены составными, каждый - из трех равных резистивных участков, соединенных между собой последовательно, причем резистмв- ные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены, соответственно, вдоль длиной стороны внешнего контура мембраны вблизи ее середины, вдоль короткой стороны внешнего контура мембраны вблизи середины прямоугольного участка мембраны и вблизи точки пересечения короткой стороны мембраны с ребром жесткости, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены, соответственно, поперек длинной стороны внешнего контура мембраны вблизи ее середины, поперек короткой стороны внешнего контура мембраны вблизи середины прямоугольного участка мембраны и вблизи точки пересечения короткой стороны мембраны с ребром жесткости, при этом ширина ребра жесткости составляет 0,18,,.0,22 от длинной стороны внешнего контура мембраны.

На фиг.1 изображен предлагаемый преобразователь, где 1 - упругий элемент из полупроводникового материала с плоскостью ориентации (001);. 2 - профилированная мембрана упругого элемента; 3 - ребро жесткости в форме прямоугольной балки; 4 -длинная сторона внешнего контура мембраны размером ам; 5 - короткая сторона внешнего контура мембраны размером Ьм; 6 - токоеедущие коммутационные дорожки; 7. 8 - контактные площадки для подключения источника питания; 9, 10 - контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы; RI, R2 - резистивный участки тензорезисторов RI и Вз с положительA R

ной чувствительностью ( - 0); R2. R4 R

резистивные участки тензорезисторов R2 и R) с отрицательной чувствительностью

,AR

0); x, у - оси симметрии; а0 - ширина

ребра жесткости; Н, h, - толщина опорного основания упругого элемента и толщина профилированной мембраны соответственно; на фиг.2 - полная мостовая схема из тензорезисторов Ri-R/j.

Преобразователь содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например кремния n-типа марки КЭФ-4, 5 с ориентацией (001). В упругом элементе 1 анизотропным травлением сформированы профилированная мембрана 2 и ребро жесткости 3 в форме прямоугольной балки, плоскость симметрии которого совпадает с плоскостью симметрии мембраны. На пла- нарной стороне мембраны 2 методами полупроводниковой технологии (диффузией или ионным легированием) сформированы тен- зорезисторы R-I-R4, например, р-типа проводимости, соединенные между собой в полную мостовую схему, Тензорезисторы R1-R4 состоят каждый из трех равных резистивных участков R i-Rr4 соответственно. Ре- зистивные участки R i и R sтензорезисторов RI и RS расположены соответстбенно вдоль длинной стороны 4 внешнего контура профилированной мембраны 2 вблизи ее середины (точка А с координатами

ам

:0),

вдоль короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи середины прямоугольного участка мембраны (точка В с координаЭо + Ьм Эм ,тами; -г- ) и вблизи точки

пересечения короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 с ребром жесткости 3

(точка D с координатами ; -). Резистивные участки R 2 и R 4 тензорезисторов R2 и R4 расположены соответственно поперек длинной стороны 4 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины (точка А), поперек короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи середины прямоугольного участка мембраны (точка В) и вблизи точки пересечения короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 с ребром жесткости 3 (точка D). Резистивные участки R i-R 4 каждого тензорезистора последовательно соединены друг с другом то- коведущими коммутационными дорожками 6. Для подключения источника питания на поверхности упругого элемента 1 (за пределами профилированной мембраны 2) сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала - контактные площадки 9 и 10. Дня обеспечения максимальной чувствительности преобразователя (а соответственно и максимальной величины выходного сигнала) отношение ширины ребра жесткости а0 к размеру длинной стороны внешнего контура ам выбрано в диапазоне 0,18-0,22, те.

,18-0.22.

Эм

Преобразователь давления работает

следующим образом.

Механические напряжения (деформации), возникающие в мембране 2 под действием измеряемого давления q, вызывает в резистивных участках R i и R a тензорезисторов RI и Рз- расположенных вдоль длинной стороны 4 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины, вдоль короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины и вблизи точки пересечения

короткой стороны 5 с ребром жесткости 3, деформацию сжатия, в результате чего величины их сопротивлений увеличиваются (имеют положительную чувствительность,

A R

0). В резистивных участках R i и

т.е.

R

тензорезисторов Ra и R4, расположенных поперек длинной стороны 4 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины, поперек короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины и вблизи точки пересечения короткой стороны 5 мембраны 2 с ребром жесткости 3, эти же механические напряжения (деформации) уменьшают величину их сопротивлений

(имеют отрицательную чувствительность,

AR ns т.е. - 0).

Так, например, максимальная разность полезных изгибных механических напряжений (

Ох-оу) в точках A(-;0)B.(- ± -;-f-)

и D(

) поверхности мембраны 2

а о , ам 2 2 соответственно может быть представлены

выражениями:

. - ал - ° - 0 656 h, (t е, + е„} (1 -ft) ,« -° - -О 65е ha (t +0lffJ + е«} - (1H,q)f()() -о,)

,.)- 1- 1Д«лз,

.„,05qa v .,.--e (1-ac+ei)(l-/)

Л{1 4-0,571 сг+с4)

где С -- - отношение короткой стороны

Зм

профилированной мембраны к ее длинной стороне.

Относительное изменение сопротивления тензорезистора запишется следующим образом:

5R yrilC , Н-7Г16Г,

к

где , , #16 - продольный, поперечный и сдвиговый пьезорезистивные коэффициенты;

сгх , &у, г - продольное, поперечное и сдвиговое напряжение плоскости мембраны упругого элемента.

При расположении тензорезмсторов, например, р-типа, на кремниевой мембране с ориентацией (001) в продольно-поперечном направлениях (вдоль кристаллографических осей симметрии 100 и 010 пьезорезистивные коэффициенты л и можно выразить через главный пьезо- резистивный коэффициент JEW, как 0,25 гш, ЗД4, а , тогда

5к 0,25л44(3х-0у).

Относительные изменения сопротивления для тензорезисторов, расположенных вблизи особых точек профилированной мембраны, тогда можно представить, как

г,л(А),о+|;5;;с,(1 -,о А) 01Мздтгст«йг 7)(1-1)

-ОШ ) (4-4c)(1-/0

чщчвя - С ае с я)

ro - aCI+OCT.) JC - +

8о

ам

В выбранном диапазоне отношений ,18-0,22 оптимальным значением С

±Н.

ам

будет величина 0,4. При ,4 чувствительность преобразователя { S) будет максимальна и может быть представлена выражением

2

S 0,674 Л44 - ( 1 -/) Им

Изменение сопротивлений тензорези- сторов, вызванное деформацией, преобразуется в изменение электрического напряжения, которое снимается с контактных площадок 9 и 10, при подключении источника питания к контактным площадкам 7

и8

Формула изобретения

Интегральный полупроводниковый преобразователь давления, содержащий опорное основание с упругой мембраной, на

которой выполнено ребро жесткости в форме прямоугольной балки, плоскость симметрии которой совпадает с плоскостью симметрии упругой мембраны, и тензорези- сторы мостовой схемы, отличающийс

я тем, что, с целью повышения чувствительности преобразования,в нем тензорезмсто- ры мостовой схемы размещены на двух, отделенных ребром жесткости, прямоугольных участках мембраны и выполнены составными, каждый - из трех равных резистивных участков, соединенных между собой последовательно, причем резистив- ные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно, вдоль длинной стороны внешнего контура мембраны вблизи ее середины, вдоль короткой стороны внешнего контура мембраны вблизи середины прямоугольного участка мембоаны и вблизи

точки пересечения короткой стороны мембраны с ребром жесткости, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно поперек длинной

стороны внешнего контура мембраны вблизи ее середины, поперек короткой стороны внешнего контура мембраны вблизи середины прямоугольного участка мембраны и вблизи точки пересечения короткой стороны мембраны с ребром жесткости, при этом ширина ребоа жесткости составляет 0,18...0,22 длинной стороны внешнего контура мембраны

Фиг. 2.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использован для и измерения давления в статических и динамических режимах. Цель изобретения: повышение чувствительности. Сущность изобретения: интегральный полупроводниковый преобразователь давления содержит опорное основание 1 с упругой мембраной 2, на которой выполнено ребро жесткости в форме прямоугольной балки 3, и тензорези- сторы мостовой схемы, которые размещены на утоньшенной поверхности упругой мембраны 2 и выполнены составными, каждый из трех равных резистивных участков, соединенных последовательно коммутационными дорожками 6. Для подключения источника питания на поверхности упругого 2