Интегральный преобразователь давления

 

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.флы,12 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>5 6 01 1 9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

{ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4852675/10 (22) 23.07.90 (46) 23.12.92. Бюл, N; 47 (71) Институт полупроводников АН УССР (72) В.Н.Гузь, Г,Г,Бабичев, И.П,.Жадько, С.И.Козловский и B.А,Романов (56) Авторское свидетел ьство СССР

¹ 1471094, кл. G 01 1 9/04, 1986.

Ваганов В.И.; Поливанов П.П. Ин1егральный транзисторный преобразователь давления. Электронная техника, серия И, Комплексная микроминиатюриэация радиоэлектронных устройств и систем, M., 1975, в.4, с.89-92 (прототип). (54) ИНТЕ ГРАЛ Ь Н Ь(Й П РЕОБ РАЗО ВА ТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57)- Изобретение относитСя к измерительной технике и может использоваться для измерения давления. Цель изобретения; увеличение тензочувствйтельности. Сущность изобретения: интегральный преобра" зователь давления содержит выполненную

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 изготовлона электронная схема, Схема включает два биполярных транзистора и четыре тензореЯ2 „„1783331 А1 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 которой отличен от типа проводимости мембраны, Особенно является то, что на краях базовой области однотипным с ней легироваиием 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 коллекториая область, йричем базовая область расположена в одноосно деформируемой в кристаллографическом направлейии семейства <100> части мембраны. Даны примеры реализации такой деформации.

Положительный эффект; повышение чувствительности не менее, чем в 10 раз. 5 з.п,флы, 12 ил. зистора. Коллекторные области теизотранзисторов соединены токоведущими дорожками с тензорезисторами одинакового с . ними знака тенэочувствительности, а их базовые области соединены с теизорезисторами, у которых тензочувствительность имеет противоположный. знак. Недостатком такого преобразователя является низкая чувствительность.

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

1783331

10

20

35 ной из ее сторон;

50 на ней профилированную прямоугольную мембрану. Мембрана содержит два жестких выступа в виде островков. Островки трансформиру от равномерно распределенную по поверхности мембраны нагрузку в одноосное растяжение (или сжатие) тех областей, где расположены тензочувствительные элементы — тензотранзисторы. Тензотранзисторы ориентированы на мембране таким образом, чтобы оси, проходящие от эмиттера 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 напря>кений (островков) и выбором топологии тензотранзистора. Однако чувствительность, самог0 тензочувствительного элемента, определяемая, как отношение изменения выходного электрического сигнала к величине механического напряжения в Области расположения тензоэлемента бу- 2 дет, примерно, такой же.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является интегральный преобразователь на основе биполярного транзистора. Тензопреобразователь состоит из кремниевой пластины, ориентированной в кристаллографической плоскости 1100}.

Анизотропным травлением на пластине создана квадратная мембрана, На мембране расположен тензочувствительный элемент в виде тензотранзистора. Тензотранзистор вкл очает в себя эмиттер расположенный в пределах базовой области, причем тип проводимости базовой области отличен от типа проводимости материала мембраны. По периметру базовой области, на некотором удалении о>г нее, однотипным с материалом мембраны легированием создана высокопроводящая кольцевая г1лощадка, образующая вместе с нелегированными областями 4 мембраны коллекторну ю цепь. Недостатком такого преобразователя так>ке является низкая чувствительность.

Цель изобретения — увеличение чувствительности интегрального преобразователя давления, Поставленная цель достигается тем, что интегральный преобразователь давления содер>кит выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану ориентированную в 5 плоскости (100I и, расположенный на ее планарной поверхности, интегральный те,зотранзистор, Тензотранэистор включает эмиттер, лежащий внутри t>33090A ОбласTM, тип проводимости которой Отличен 0Т типа проводимости материала мембраны, На краях базовой области однотипным с ней легированием сформированы по крайней мере две площадки повышенной проводимости, ориентированные по отношению к эмиттеру в кристаллографическом направлении <100> . Между площадками в пределах базовой области создана па крайней мере одна коллекторная область, причем базовая область тензотранзистора 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

<110>; 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 тензотранзистора расположена у края квадратной мембраны однородной толщины ориентированной вдоль направлений <110>, посредине одr) базовая область тензотранзистора расположена в канавке между двумя жесткими и симметричными относительно центра мембраны областями в виде Островков, а продольная ось канавки Ориентирована вдоль направления <11 О>, Наибольший положительный эффект достигается при такой топологии чувствительного элемента, когда эмиттер расположен у одной из основных площадок повышенной проводимости, его центр разь 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 коллэкторные площадки. В основе работы преобразователя лежит неизвестное ранее физическое явление — перераспределение концентрации неравновесных носителей

1783331 ким выхОдным сопротивлением, Тензотран- 50 зистор расположен на пластине кремния, ориентированной в плоскости (100}. Базовая область сформирована разделительной диффузией 5 в пластине кремния 1 для onределения р-типа с выращенным нэ ней эпитаксиальным слоем и-типов. На краях базовой области расположены высокопроводящие площадки 2. Их ориентация относительно кристаллографических осей такая же как и в предыдущем случае, В пределах 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 электроп роводности изображены на фиг.1, 2 пунктиром, a — механическое напряжение. Там же.показаны кристаллографические направления, вдоль которых пропускается электрический ток и осуществляется одноосная деформация, На фиг.3 — 6 показаны топологии тензотранзисторов, 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,3, 4 показана топология двухколлекторного транзистора с корректирующими электродами. На пластине коемния р-типа, ориентированной в плоскости (100) выращен эпитаксиальный слой п-типа, Разделительной диффузией 5 сформирована базовая область 1. На краях базовой области расположены высокопроводящие площадки 2, 6 (n -типа).

Площадки ориентированы таким образом, чтобы при приложении к ним электрического напряжения линии тока в отсутствие механического воздействия совпадали с кристалло графическим ап ра влен ием семейства <100>, В пределах базовой области расположены: эмиттер 3, дчэ рабочих 4 и два корректирующих коллектора 7, Наличие корректирующих коллекторов 7 и площадок 6 носит вспомогательный характер, Пеовые 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, 6 представлена топология двухколлекторного тензотрэнзистора с низ10

45 базовой области находятся: эмиттер 3, две коллекторные области 4. Для повышения коэффициента собирания, а следовательно, повышения величины выходного тока, площадь 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 на фиг,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..8. 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 нэ фиг.9. Транзистор расположен между двумя жесткими и симметричными относительно центра мембракы 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 йа фиг,11-12, Уровень инжекции неравновесных носителей определяется величиной сопротивления R>. Выходной сигнал равен разности падений напряжения на сопротивлениях R», Работает преобразователь следующим образом.

В отсутствие механического воздействия выходной сигнал 0»»=0, т.к, через коллекторные цепи будут течь токи одинаковой величины, Если по какой-то причине токи коллекторов не равны, то выбором, например, сопротивлений R» можно добиться

U> »=-О. Для чувствительного элемента с топологией, изображенной íà фиг,3, 4, получить U»»=0 можно пбдачей электрического напряжения Е1 соответствующей полярности (см. фиг.12); При подаче давления на мембрану носители заряда будут отклоняться к одному из колле "qpoa. Вследствие этого ток этого коллектора будет расти, а

1783331 другого уменьшаться и на выходе появится сигнал разбаланса коллекторных цепей.

Конструкция преобразователя на фиг.12, позволяет выбором величины сопротивления Вф формировать ширину канала в пре- 5 делах которого дрейфуют носители заряда.

Уровень инжекции носителей заряда, кроме как выбором величины R, можно регулировать изменяя величину Ир(фиг,11, 12). Через это сопротивление р-п-переход, отделяю- 10 щий базовую область от материала мембраны, смещается в обратном направлении и экстрагирует неравновесные неосновные носители заряда из базовой области. С изменением величины Rp будет происходить 15 измерение эффективной длины диффузии неравновесных носителей заряда. Положение тензотранэистора на мембране показано на фиг.7 — tO прямоугольником 1.

Таким образом, главным техническим 20 преимуществом заявляемого объекта по сравнению с известными техническими решениями, является более высокая чувствительность (более чем на порядок превосходящая приведенную чувствитель- 25 ность известных конструкций преобразователей при йрочих равных условиях), Формула изобретения

1, Интегральный преобразователь давления, содержащий выполненную за одно 30 целое с основанием кремниевую мембрану, ориентированную в плоскости {100) и, расположенный на ее планарной поверхности интегральный тенэотранэистор и кагором эмиттер расположен внутри базовой абла- 35 сти, тип проводимости которой б1лйчен от типа проводимостй материала мембраны, отличающийся тем, что",с целью увеличения тенэочувствйтельности; на краях базовой области однотипным с ней леги- 40 рованием сформирбваны по крайней мере две площадки повышенной проводимости, расположенные по отношению к змиттеру в кристаллографическом направлении семейства <100>, а между йлощадками в преде- 45 лах базовой области создана, по крайней мере; одйа коллекторная область, причем базовая область расположена в одноосно деформируемой. в кристаллографическом направлении семейства <110> части мемб- 50 раны.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч à юшийся 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 юшийся 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 тензотрайэистора расположена в центре мембраны.

4. Преобразователь по п.1, от л и ч а юшийся тем, что в нем мембрана выполнена квадратной, однородной талщийы, ее сторо-" ны ориентированы вдоль направлений

<110>, а базовая область тенэотранзистора расположена у края мембраны посредине одной из ее сторон.

5, Преобразователь по ri.1, о тл и ч а юшийся 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, о тл ич а ю шийся 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 коллектарные площадки.

178333i

1783331

1783331

1783331

1781244

Фиг.9

РМ

1783331

Фиг.jj уиг. j2

Составитель B. Грузь

Техред M.Moðãåíòàë

Корректор Н. Слободяник

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 4507 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5