Интегральный преобразователь давления

 

Изобретение может быть использовано при конструировании малогабаритных полупроводниковых датчиков физических величин повышенной точности, работоспособных в широком диапазоне рабочих температур и в условиях быстроизменяющейся температуры измеряемой среды. В интегральном преобразователе давления конфигурация слоя базы 7 термокомпенсирующего 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 тензомоста 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 (9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (1

ЪФ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4749076/10 (22) 16,09,89 (46) 23,07.92. Бюл, М 27 (71} Научно-.исследовательский институт физических измерений (72) B. В. Ульянов, Е. M. Белозубов и П. Г.

Михайлов. (56) Авторское свидетельство СССР

М 182163, кл. G 01 L 1/18, 1980. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано при конструировании малогабаритных полупроводниковых датчиков физических величин повышенной точности, : работоспособных в широком диапазоне рабочих температур и в условиях быстроизменяющейся температуры измеряемой среды.

В интегральном преобразователе давления

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

Целью изобретения является повышение точности измерения давления в условиях быстроиэменяющейся 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.

„, Я3 „„1749731А1

2 конфигурация слоя базы 7 термокомпенсирующего п-р-и-транзистора (Т) выполнена в виде двух примыкающих друг к другу под прямым углом одйнаковых 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 змиттерная и -область транзистора 1 расположена в области примыкания прямоугольных р-типа областей базы. Помещение транзистора Т и тензомоста 5 в одинаковые температурные режимы и исключение влияйия механических напряжений на работу термокомпенсирующей: схемы позволяет увеличить точность измерений за счет уменьшения температурной погрешности. 4 ил.

Интегральный преобразователь давления представляет собой монокристалл 1 иэ кремния, в котором способом аниэотропного 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 Rg-R4 р-типа проводимости выполнены диффузией бора в виде и-образных полосок; расположенных на периферии мембраны 2 у одной из ее сторон

4. Два тензорезистора В1, Rz расположены в зоне максимальных положительных напряжений, а два других тенэорезистора Яз, R4- 8 области максимальных отрицательных 3

174973 l напряжений. Тензорезисторы R> — R4 соединены металлизацией, например алюминиевой, в мостовую измерительную схему (тензомост) 5. Последовательно с мостовой измерительной схемой 5 по цепи питания 5 включен термокомпенсирующий и-р-итранэистор (Т), между коллектором 6 и базой 7 которого включен резистор Rg, а между эмиттером 8 и базой 7- резистор Яэ .

Конфигурация базы транзистора Т выполне- 10 йа в виде двух примыкающих друг к другу под прямым углом одинаковых прямоугольных областей р-типа проводймости, Концентрация примеси в базовой области транзистора Т и концентрация примеси в 15 тензорезисторах выбрана одинаковой из условия совмещения операций формирования базового слоя транзистора Т и тензоре-зисто ро в R> — R4. Средняя ли ния g прямоугольных областей базы 7 совпадает 20 со средней линией расположения тензореэисторов A>-Rz, равноудалена от сторон 4 мембраны 2 и параллельна сторонам 4, Эмиттер 8 и -тйпа прЮводимости расположен в центре области примыкания прямо- 25 угольных областей базы 7. На одинаковом расстоянии относительно эмиттера 8 сформированы две контактные площадки lO к области базы 7. Контактные площадки 10 соединены между собой металлизацией 11, 30 например, на At. Этой же металлиэацией выполнены соединения термокоМпенсирующего транзистора Т с тенэомостом и с резисторами Rg. Яо. 8 качестве коллектора

6 термокомпенсирующего транзистора Т 35 используется монокристалл 1, подключение к которому осуществляется через подлегированную область 12 и+-типа проводимости.

Резисторы Яв, Яа, служащие для настройки режиме температурной компенсации чувст- 40 вительности интегрального преобразовате- ля давления, могут быть диффузионными и выполненными на опорном основании 3.

Интегральный преобразователь давле- ния работает следующим образом. 45

Измеряемое давление воздейСтвует на мембрану 2 со стороны, противоположной планарной. 8 мембране 2 возникаютдефор- мации и напряжения, Тензореэисторы RlR4 .воспринимаюг напряжения, и их 50 сопротивления изменяются пропорционально измеряемому давлению. Прйчем тензорезисторы R1, Rz, расположенные в зоне положительных напряжений, увеличива- . ют свой номинал, а тенэорезисторы Яз, Я4, 55 расположенные в зоне отрицательных напряжений, уменьйают свой номинал. Затем за сче1 мостового ЙкИючения "генэорезистоpos Я1-Я4 и подключения тенэомоста в цепь британия сопротйвления тензорезисторов

Ri-ßä греобраэуются 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 уход чувствительности интегрального преобразователя.

Поскольку тензометрический мост и термокомпенсирующий транзистор расположены так, что в любой момент времени изменения температуры они находятся в одинаковых температурных полях, то и ком-: пенсация осуществляется с высокой точно-. стью и, следовательно, повышается точность измерений давлений в условиях быстроиэменяющейся температуры измеряемой среды, Кроме того, в конструкции базы транзистора Т одна прямоугольная область базы 7 испытывает положительйые напряжения, а 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 равны и эти равные сопротивленйя включе- . ны. параллельно при помощи контактных площадок 10 и металлизации 11, то и общее сопротивление базы транзистора Т остается постоянным и не зависит от механических напряжений, Таким образом, помещение транзисто ра Т и тенэомоста в одинаковые температурные режимы и исключение влияния механических напряжений на работу термокомйенсирующей схемы позволяет значительно увеличить точность измерений эа счет снижения температурных погрешностей.

Формула изобретения

Интегральный преобразователь давле-. ния, содержащий квадратную мембрану из монокристалличеСкого кремйия и-тина проводимости, выполненную за одно целое с опорным основанием. плоскость которой совпадает с основной кристаллографической плоскостью (001), а стороны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений (110), сформированные на планарной плоскости мембраны тензореэисторы р-типа и роводимости, которые соединены металлизированными провод» никами в мостовую измерительную схему, сформированные на опорном основании выходные контактные площадки, а также два резистора и сформированный на мемб1749731 ране п-р-п-транзистор, причем и -типа проводимости эмиттер и-р-и-транзистора соединен металлизированными проводниками с соответствующей выходной контактной площадкой, подключенной к диагонали измерительного моста, а коллектор и-р-и. транзистора соединен с другой выходной контактной площадкой, подключенной к источнику питания, при этом один из резисторов включен в цепь коллектора и контактной площадки базы п-р-п-транзистора, а другой — в цепь базы и-р-и-транзистора и его эмиттера, отличающийся тем, чго, с целью повышения точности измерения в условиях быстроизменяющейся температуры, тензореэисторы 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 сторо5 ны мембраны, при этом база и-р-и-транзистора имеет форму уголка, который расположен в одном из углов мембраны, средняя линия сторон уголка равноудалена от соответствующих сторон мембраны на расстояние, в эмита+Ь

2 тер сформирован в центре пересечения средних линий сторон уголка, при этом в базе сформированы две контактные метал35 лизированные площадки, которые соединены металлизированными проводниками между собой и расположены на одинаковом расстоянии от эмиттера на соответствующей средней линии.