Полупроводниковый тензопреобразователь Советский патент 1982 года по МПК G01L9/04 

i - . . .

Изобретение относится к полупроводниковому приборостроению,а именно к полупроводниковым тензопреобразователям теплотехнических и механических параметров, и может быть использовано для измерения усилия, давления, перемещения, ускорения и т.д.

Известен полупроводниковый тензопреобразователь, например, давления, включающий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины п-типа проводимости, в которой изготовлены тензорезисторы путем диффузии акцерторной примеси в пластину. Изоляция тензорезисторов друг от друга осуще- ствляется образованными при диффузии р-п переходами. Тензорезисторы соединены в мостовую или дифференциальную схему, причем выходной сигнал этой схемы пропорционален измеряемому параметру (например, давлению) П.

Недостатком такого теизопреобразователя является то, что он не может работать при температуре окружающей среды выше 120°С, а также наличие в нём электронной схемы температурной компенсации с индивидуальной настройкой .

Наиболее близким к предлагаемому является полупроводниковый тензопреобразователь давления, содержащий

to чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической сапфировой подложки с расположенными на ней эпитаксиальными тензорезисторами из монокристаллической пленки кремния

15 р-типа проводимости, соединенными в мостовую схему. Тензорезисторы выполнены из пленки кремния с удельным сопротивлением в пределах 0,005 0,009 Ом.см (что соответствует концентрации дырок р 3,2 - 10 4,1. 10 .

Недостаток устройства- заключается ,в том, что тензорезисторы, составляющие мостовую схему, имеют различ ные ТКС, МТС приводит к сильной тем пературной зависимости напряжения н чального разбаланса моста, снижая точность преобразования. Недостатком известного тензопреобразователя является также значительная температурная зависимость выходного сигнала, требующая для по лучения преобразователя высокой точ ности сложной электронной схемы тем пературной компенсации с индивидуал ной настройкой и ограничивающая диа пазон рабочих температур (диапазоном ). Из рассмотрения зависимости ()oT удельного сопротивления f для КНС р-типа проводимости (фиг.1а) видно, что при значениях р пленки кремния, использованных . в известном устройстве не соблюдает ся условие -О , где dp - температурный коэффициент сопротивления; oLj, - температурный коэффициент тензочувствительности, выходной сигнал схемы сильно з т.е. висит от температуры и необходима дополнительная схема температурной компенсации. Цель изобретения - повышение точ ности преобразования, расширение рабочего диапазона температур и упр щение электронной схемы полупроводникового тензопреобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом п реобр зователе эпитаксиальные тензорезисторы на сапфировой подложке изготав ливаются из кремния, легированного бором с концентрацией дырок р 3,5 102. - 310 0cNr3(4TO соответ ствует удельному сопротивлению f 0,0006-0, Ом.см). На фиг. Id и б приведены завис мости oLy f и di,. от j3 соот ветственно; на фиг. 2 - полупроводниковый тензопреобразователь. Сущность изобретения состоит в том, что эпитаксиальные тензорезисторы изготовлены на сапфировой подложке из пленки кремния с концентра цией дырок 3,510 - (Р 0,0006-0,0045 Ом-см), при которой ТКС тензорезисторов d. изме74няется незначительно в широких пределах изменения температуры Т, а также слабо зависит от удельного сопротивления кремниевой эпит ксиальной пленки. При такой концентрации дырок неизбежные технологические разбросы удельного сопротивления в отдельных резисторах мало влияют на их ТКС, поэтому напряжение начального разбаланса моста практически не зависит от температуры. Кроме того, при таких значениях концентрации дырок,благодаря эффекту насыщения акцепторной примеси в кремнии, повышается однородность электрических свойств эпитаксиального слоя, что ведет к дополнительному уменьшению разброса ТКС тензорезисторов и к дальнейшему снижению температурной зависимости напряжения начального разбаланса. Расширение температурного диапазона работы тензопреобразователя и дальнейшее повышение точности преобразования достигается тем, что если тензорезисторы изготовлены из эпитаксиальной пленки кремния из сапфира. с концентрацией дырок (3 ,5-9) - (что соответствует j 0,0020,0045 Ом.см), то при питании схемы постоянным током выполняется условие температурной стабильности выходного сигнала Э 6) в широком интервале температур (по крайней мере, от -100 до +200°С, фиг. 1а) ,T.e.. Дальнейшее расширение температурного диапазона работы тензопреобразователя и повышение точности преобразования достигается тем, что если тензорезисторы изготовлены из эпитаксиальной пленки кремния на сапфире с концентрацией дырок (1,83) 10 см- ( р 0,0006 0,0009 ОмСм), то при питании схемы постоянным напряжением выполняется условие температурной стабильности выходного сигнала , т.е. ТКЧ тензорезисторов близок к нулю в широком интервале низких TeMnepajyp (по крайней мере, от -200 до , фиг. 16) Упрощение электронной схемы тензопреобразователя достигается тем, что при температурной стабильности выходного сигнала схемы отпадает необходимость в электронной схеме температурной компенсации с индивидуальной настройкой, так что 5 электронная часть тензопреобразователя представляет собой стандартный усилитель выходного сигнала схе мы до требуемого уровня. Выбор в качестве легирующей примеси бора обусловлен тем, что из известных акцепторных примесей в кремнии только бор имеет достаточную растворимость для получения требуемой концентрации дырок, дает при этом один мелкий уровень и обес печивает однородность легирования. Верхний предел концентрации дырок р 3 « 10 ограничен пределом растворимости бора в кремнии. Нижний предел р 3,5 ограничен тем, что при меньших концен трациях дырок условие температурной стабильности выходного сигнала oLj,-Kii- iO не может быть выполнено в достаточно широком интервале температур. Преобразователь давления содержи цилиндрический корпус 1, с одной стороны которого размещен штуцер 2 для подачи давления р, а с другой известным способом, например пайкой, закреплен чувствительный элемент 3, состоящий из сапфировой под ложки f, выполненной в виде мембраны с утолщением по периметру, и эпитаксиальных кремниевых тензорези торов 5, расположенных по краю мембраны попарно параллельно и перпендикулярно радиусу мембраны. Плоскос сапфировой мембраны имеет ориентацию (1012), эпитаксиальные кремни евые тензорезисторы расположены в плоскости (100) кремния вдоль направления (011) и (011) и соединены в мостовую схему с контактными площадками 6. Схема питается постоянным током или постоянным напряжение При питании мостовой схемы постоянным током тензорезисторы выпол нены из эпитаксиального кремния,легированного бором с концентрацией дырок 8-10 см , а при питании мостовой схемы постоянным напряжением тензорезисторы выполнены из эпитаксиального кремния, легированного бором с концентрацией дырок 2-10 см-Э. Полупроводниковый тензопреобразователь работает следующим образом 7 При подаче питания на мостовую схему и отсутствии давления мембрана 4 не деформируется, сопротивление тензорезисторов не меняется и выходной сигнал сбалансированного моста равен нулю. При изменении температуры в пределах от -200 до +200С начальный выходной мостовой схемы не изменяется, поскольку все тензорезисторы имеют одинаковые значения oif, При подаче давле- / ни я р сапфировая мембрана k изгибаетг ся, деформируя кремниевые тензорезисторы 5. Под действием деформации тензорезисторы изменяют свое сопротивление. Использование предлагаемого теизопреобразователя,по сравнению с известными, повышает точностьпреобразования, расширяет температурный диапазон работы преобразователя по крайней мере от -200 до ч-200°С, т.е. в 3- раза, упрощает электронную схему тензопреобразователя за счет исключения схемы температурной компенсации с индивидуальной настройки. Формула изобретения Полупроводниковый тензопреобразователь, включающий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристалличес1Сой сапфировой подложки с расположенными на ней эпитаксиальными кремниевыми тензорезисторами р-типа проводимости, соединенными между собой в мостовую или дифференциальную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения рабочего диапазона температур, эпитаксиальные тензорезисторы изготовлены из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3,5-Ю 3. cM-i. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Проспект фирмы SchEumberger, Fiche Technique 7б008, 1976. 2.Электронная техника. Сер. II, вып. 2, 1976, с. З.

S