Полупроводниковый преобразователь Советский патент 1980 года по МПК H01L41/08 

ложки -ИЛИ у.вел.кчения удельного сопротивления полулроводиика. Одна.ко, путь ограничен 1возмож,ностям,и .совремевной технологии и ме а1Еической прочностью ма терлала подложки, а -второй .приводят к неприемлемому ухудшению температурной стабильности Выходного сигнала.

Целью изобретения является повььшение чувствительности лри одноБремениом сохраденЕИ температурной стабильности выходного сигнала.

Цель достигается тем, что поверхность подложжи выполнена с выступа-м,и, вытянутыми в направлении, перпеидикуляриом лаправлению максимальной тензочувствительиости полупроводника и имеюп.1;ими высот) 0,1-1,0 Л1я-1, при этом отношение высоты выступа к слоя полупроводника составляет 1 : (1-10).

На фиг. 1 схематично стредставлена одна «3 возможных .конструкций преобразователя балочиого типа в разрезе; на фиг. 2 - то же, вид сверху, иа фиг. 3 - одиа ,из возможных ;ко.нстру|Кций преобразователя мем б1ранного типа, в разрезе, на фиг. 4 - то же, вид сверху.

На диэлектрической подложке /, которая представляет собой балку и может б-ыть выполнена, например, из сапфира, ,и ориентироваиной в плоскости (10-1,2), на одной стороне сформированы выступы 2, внешние углы которых выполняют роль |Ступенек. На поверхности подложки 1 с выступами 2 раслоложен сплошной слой кремния 3, ориентированный в плоскости (100). Направление максимальной тензочувствительности .слоя (кр-амния ( 110 } пок-азано на фиг. 2 стрелками. На кремН1иевом слое, повторяющем нрОфяль подложки, размеш;ены амичеокие контакты 4, причем одна ,из пар контактов расположена вблизи места крепления подложной / к основанию 5, а другие - вдоль яодложки в Области воздействия на нее Механической нагрузки.

Преобразо1ватель мембранного типа изображен на ф,иг. 3 и 4.

В сапфировой подложке / сфор-мирована полость 6 прямоугольной формы с закругленными углами-. Поаредине полости 6 имеется концентратор механических напряжений 7. Контуры полости и концентратора напряжений показаны на фиг. 4 пунктиром. Дно полости служит мембраной, восприним-ающей измеряемое давление. На поверхнОСти подложки, противоположной полости, выполнены выступы 2, внеш1ние углы которых служат ступеньками. На этой поверхности нанесен слой кремния 3, повторяющий профиль ПОДЛОЖ1КИ, и две пары ом-ических контактов 4. Направление максимальной тензочувствительности показано на фиг. 4 стрелками.

Работает преобразователь балочного тиПа следующим образом.

Если к паре контактов, расположенных у оснозаНия. приложить электрическое напряже}ше, то между контактами второй пары за счет распределенного IB слое полупроводника электрнчеокого поля возникает разность потенциалов. Велич;ина Наведенного сигнала завионт от параметров полупроводника и от взаимного расположения контактов.

Преобразователь мембранного типа работает следующим Образом.

Если к паре контактов, расположенных

по одну сторо-ну от концентратора механических напряженИЙ, приложить электрическое напряжение, то между контактами второй пары, расположенной по другую сторону мембраны, за счет распределенного

электрического поля возникнет разность потенциалов. При воздействии на мембрану измеряемой нагрузки вследствие тензоэффекта на утоньшенных участках м-ембраны - между концентраторам механических

напряжений и стенка(М|И полости - изменится сопротивление кремниевого слоя. Величина изменен1ия или выходной -сигнал пронорционалБны измеряемой нагрузке. НалиЧИе ступелек на тензо1чувств;итбль1иых

участках мембраны в 3-5 раз увеличивает выходной сигнал.

О.бласти Полупроводникового слоя, расположенные над выступающими углами, характер изуются большой пл-отностью структурных дефектов, вызывающих, в свою очередь, уменьшен-ие подвижности носителей заряда и иовыщение удельного сопротивления. Наличие таких областей, вытянутых

перпендикулярно направлению .маКсимальной тензочувствительности полупроводника приводит к знач ительному увеличению выходного сигнала преобразователя. В то же врамя, благодаря равномерной Концентрации легирующих прИмесей по всему слою полупроводника температурная стабильность выходного сигнала сохраняется на уровне, достигНутОМ в из-вестном устройстве.

Значения высоты выступа (h), толщина

полупроводника (Н) и их соотношений i J

k/

Н

0:бъЯОняется тем, что при

ВОЗможны разрывы сплошности полупроВОднИКового СЛОЯ на гранях -ступанек, а пр.и

,1 мкм и , -поВЫШение чувствительностя незначительно.

Количество выступов ,и -расстояняе между «ими зависит от размеров упругочувствительного элемента, ра.сетояния между омическими конта-ктам-и и возможностей технологии формирования ступеней. Повышение чуВСтвительности пропорционально количеству выступов контактами. Повышение чувствительности В .конструкции, вы.полненной согласно .настоящему изобретению, достигается за счет того, что гори воздействии механической нагрузки на «езакреплвнлый край подложки вследствие тензоэффекта изменяется сопротивление полупроводникового слоя. Изменение сопротивлен.ия между парами контактов и между контактами в каждой ларе имеег протБвоположиые знаки, причем тензочувстВИтельность лолупроводника в направлении, перпендикулярном выступам, в несколько раз выше, чем вдоль выступов, что позволяет получить увеличенный в 3-5 раз выходной силнал преобразователя. В преобразователе без выступОВ чувствительпость достигает 5-:liO мкВ/мм рт. ст. В. Применение выступов с указаиными размерами увеличивает чувсткительность до 30- 50 мкв/мм рт. ст. В. Повышение чувствительности с помощью выступов достигается и в Обычных мостовых схемах, причем выступы в этом случае располагаются перлендикулярно яаправлению резисторов. Предлагаемый полупроводниковый преобразователь давления имеет особо важное ,науч1НО-техническое значение при изготовлении его в микрамнниатюрном исполнении. Такие преобразователи найдут щирокое применение е микроэлектроппых устройствах, используемых в медико-биологических исследоваииях сердеч,но-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта человека. Формула изобретения Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий расположенный на упругой подложке из диэлектрического материала я ориентированный в направлении максимальной тензочувствительности чувствительный элемент, выполненный в виде слоя полупроводника с омическими контакта ми, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при сохранении температурной стабильности выходного сигнала, поверхность подложки выполнена с выступами, вытя/нутыми в направлен.ии, перпендикулярно1М направлению максимальной тензочувствительности полупроводника и имеющими высоту 0,1- 1,0 мкм, при этом отношение высоты выступа к толщине .слоя полупроводника составляет 1 : (1-10). Источ1ники информащии, принятые во при экспертизе: 1.Поляко:ва А. П. Физические принципы работы полупроводниковых датчиков механических величин, «Акустический журнал т. XVni, Вып. 1, 1972, с. 1-52. 2.Викулин И. М. и Стафеев В. И. Полупроводниковые датч1ики, М., Советское радио, 1975, с. 17-20. 3.AeTOpiCKoe свидетельство СССР по заявке № 2614864/25, кл. П 01 L 41/10, 1978 (прототип).