Интегральный полупроводниковый преобразователь давления

 

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 тензорезисторы 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

110

1 (21) 4859260/10 (22) 14,08.90 (46) 23,12.92. Бюл, М 47 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Ю.А.Зеленцов (56) Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. M., 1983, с,104.

Авторское свидетельство СССР

N 1210076, кл, G 01 1 9/04, 1984 (прототип). (54) ИНТЕГРАЛЬНЫИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использован для а

„„SU „„1783332 А1

2 измерения давления в статических и динамйческих режимах; Цель изобретения: повышение чувствительности. Сущность изобретенияинтегральный полупроводниковый преобразователь давления содержит опорное основание 1 с упругой мембраной

2, на которой выполнено ребро жесткости в форме прямоугольной балки 3, и тензорезисторы мостовой схемы, которые размещены на утоньшенной поверхности упругой мембраны 2 и выполнены составными, каждый из трех равных резистивных участков, соединенныхх последовательно коммутационными дорожками 6. Для подключения источника питания на поверхности упругого г

1783332

Изобретение относится к измерительной техйике и может быть использовано для

Hbl на двух, отделенных ребром жесткости, прямоугольных участках мембраны и выполизмерения давления в статических и дина- нены составными, каждый — из трех равных мических режимах. " резистивных участков; соединенных между

Известен интегральный преобразава- 5 собой последовательно; причем резистивтель давления, содержащий профилирован- . ные участки первой пары тензарезйсторов с ный упругий э-лемент с квадратн ай положительной чувствительностью распомембраной из монокристаллического крем- ложены, соответственно, вдоль длиной стония o -типа проводимости и тензорезисторы роны внешнего контура мембраны вблизи

10 ее серединь1; вдоль"короткой стороны внеш р-тйпа проводймости, объединенные в мостовую схему, которые расположены в области середины одной из сторон квадрата.: него контура мембраны вблизи середины прямоугольного участка мембраны и вблизи

Недостатком известного преобраэава- точки пересечения короткой стороны мембтеля является недостаточно низкая чувстви- раны с ребром жесткости, а реэистивные телесность; .: :: . - - 15

Йаибалее близким по технической сущности к изобретению является интеграль- : участки второй пары" тензорезистаров с отрицательйой чувствительностью расположены, соответственно, поперек длинной ный полупроводниковый йреобразователь стороны внеШнего контура мембраны вблидавления; содержащий опорное основание эи ее середины, поперек короткой стороны

20 внешнего контура мембраны вблизи серес упругой мембраной, на которой выполнено ребро жесткости вформе прямоугольной дины прямоугольнага участка мембраны и балки, плоскость симметрии которого c08- вблизи точки пересечения короткой старойадает с плоскостью симметрии упругой ны мембраны с ребром жесткости, при этом мембраны, итензорезисторы мостовой схе-, ширина ребра жесткости составляет мы.:. :: .:: . — ... 25 0,18;..0;22 ат длинной стороны внешнего

Известно устройство характериэуетСя контура мембраны. недостаточно высокой чувствительностью, На фиг.1 йзображен предлагаемый преиэ-эа размещения тензорезисторов на ре- . абразователь, где 1 — упругий элемент из бре жесткости, имеющем, по сравнению с "полупроводникового материала с плоскоупругой мембраной, значительно большую 30 стью ориентации (001);, 2 — прафилированталщину. Чувствительность же преобразо- ная мембрана упругого элемента; 3 — ребро жесткости в форме прямоугольной балки; 4 вателя обратно пропорциональна квадрату толщины деформируемай области уйругого:- длинная сторона внешнего контура мембраны размером а4, 5 — короткая сторона

35 внешнего контура мембраны размером Ьм, 6 — токаведущие коммутационные дорожки; элемента.

Цель изобретения — повышение чувствительности преобразователя.

7. 8 — контактные площадки для подключеСогласно изобретению в интегральном полупроводнике преобразователе давления, содержащем опорное основание с уп-ния истачйика питания; 9, 10 — контактные площадки для снятия выходного сигнала с

40 мостовой схемы; В1, RQ — резистивный участки тензореэисторов R1 и Йэ с положительругай мембраной, на которой выполнена ребро жесткости в форме прямоугольной е h,R ной чувствительностью (>О); В2, 84—

R резистивные участки тензарезисторов R2 и

В1 с отрицательной чувствительностью балки, плоскость симметрии которой совпадает с плоскостью симметрии упругой мембраны, и тензорезисторы мостовой схемы, тензарезисторы мостовой схемы размещеэлемента 1 сформированы контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала — контактные площадки 9 и 10.

Отношение ширины ребра жесткости к размеру стороны профилированной мембраны выбрано в диапазоне 0,18-0,22, участки тензорезисторов расположены в особых точках профилированной мембраны

2 и ариентрованы с учетом требуемого знака тензочувствительности каждого из тензорезисторов. Положительный эффект: благодаря размещению тензорезисторов на утоньшенной поверхности упругой мембраны и выполнению тензорезисторов составными, повышается чувствительность преобразователя и мощность выходного сигнала. 2 ил.

1783332 (< О); х, у — оси симметрии; а„— ширина

h,R ребра жесткости; Н, h — толщина опорного основания упругого элемента и толщина профилированной мембраны соответствен- 5

: но; на фиг.2 —. полная мостовая Схема иэ тенэореэисторов R j-R4 .

Преоб раз овател ь содержит упругий . элеМент 1 из полупроводнйкового материа ла, например кремния п-типа марки КЭФ-4, 10

5 (; ориентацией (001), В упругом элементе 1 анйзотропныим травлейием сформированы ,. профилированная мембрана 2 и ребро жеса:: ткости 3 в форме прямоугольной балки, плОскость симметрии которого совпадает с 15 плоскостью симметрии мембраны. На планарной стороне мембраны 2 методами полу-.

- провоидниковой технологии (диффузией или ионным летированием) сформированы тен зорезисторы В1-Р4, например, р-типа про- 20 .:,:водимаоисти,- соединенные между собой в полную мостовую схему, Тензорезисторы

R<-R4 состоят каждый из трех равных резиСтИВНЫХ уЧаетКаОВ R< — В4 СООтВЕтСтВЕННО. РЕ-зистивныеучастки R ) и R зтензорезисторов 25

:.Raj u Rj расположены соответствейно вдоль. длинной стороны 4 внешнего койтура профилированной мембраны 2 вблизи ее середины (точка А с координатами "; О),,:: .вдоль коароткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи середины прямоуголь. ного участка мембраны (точка В с координаao+bM, aM тами, ) (4 вблизи точки 35 пересечения короткой стороны 5 внешнего .. контура мембраны 2 с ребром жесткости 3

ao aM (точка D с координатами ; ), Резистивные участки R 2 и R 4 тензорезисторов 40 . Rz 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 прямо- 45 угольного участка мембраны (точка В) и вблизи точки пересечения короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 с ребром жесткости 3 (точка 0). Резистивные. участки R 1-R 4к,аж,дого тензорезистора по- 50 следовательно соединены друг с другом токоведущими 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. Для обеспечения максимальной чувствительности преобразователя (а соответственно и максимальной величины выходного сигнала) отношение ширины ребра жесткости ао к размеру длинной стороны внешнего контура а> выбрано в диапазоне 0,18-0,22, т,е.

О =0,18 — 0.22. а

Преобразователь давления работает следующим образом. . Механические напряжения (деформации), возникающие в мембране 2 под действием измеряемого давления q, вызывает в резистивных участках R 1 и R з тензорезисторов R> и Ra- 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, ЛR т,е. —. ) О). В резистивных участках R 7 и

R 4 тензорезисторов Rz и R4, расположенных поперек длинной стороны 4 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины, поперек короткой сторойй 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи ее середины и вблизи точки пересечейия короткой стороны 5 мембраны 2 с ребром жесткости 3, эти же механические напряжения (деформации) уменьшают величину их сопротивлений (имеют отрицательную чувствительность, т.е. (0).

Так, например, максимальная разность полезных изгибных механических напряжений ( (— o)) в точках А(м; О) В,(О м, ) ао, аМ и D(—; — ) поверхности мембраны 2

2 2 соответственно может быть представлены выражениями:

442 ""Лмаиа = "" ah h2 (14.05714 C7+cn) -0656 (! «)

haa =СГИа -an = -0.656 1 (1 «)

Улмаии 4 1а2 (1 105714с +с )

47 ааии„и»0,656 4 ° с (4 — 4 С+с )(1 «) маис 1а2 (1 .1 05714 c + c )

=-p 656 в» c7(4-4 с+с )(1 «)

17„(1+ 0,5714 с + c )

105 4 м .L (1-гс+с )(1 —.«)

h„(1+05714 ñ +с )

7 ,.1P5 4a» c7(1-2с+с )(1-«)

h »(1+P,5714с +с ) 1783332 где С = — — отношение короткой стороны

Ьм ам йрофилированной мембраны к ее длинной стороне.

Отйосительное изменение сопротивле- 5 ния тейзорезистора зайишется следующим образом: тельность преобразователя j S ) будет максимальна и может быть представлена выражением

$ = О, б74 аи — м (1 —,и ). пм

Изменейие -сопротивлений тензорези- . дв = —,=к1 ox+ë)2(7ó+ 162 " 10 сторов, вызванное деформацией, преобра-. зуется в изменение эл ект-рическ ого с t 1 - п и еч- напРЯженил котОРое снимаетсЯ с коHTGKTгде 11 Г12 16- продольный попереч ных площадок 9 и10, при подключений ис точйика питания к контактным площадкам 7 ный и с виговый пьезорезистивные коэф0„,g,z — пРодольное, ПопеРечное и . Ф вЂ” м л а изоб етен ия

Формула изо ретения образователь давления, содержащий опорПРИ-расположении. тензореазисторов :. íое основание с упругой мембраной, на напРь1меР, I)-типа, на кРемниевой мембРане: ко орой выполнено ребро жесткости в форт с ориентацией (ООМ в продольно-попереч ме пряМоугольной балки, плоскость сйммет "ном напРавленилх (вдоль кристаллографи- - рии которой совпадает с плоскостью -: ческих Осей симметРии j100) и (610)-::: симметрииуйругой мембраны,итензорезипьезоРезистйвные -коэффициенты +1 I и стары мостовой с),"емы, о т л и ч а ю щ и и с " Mo KHo выразить. uеРаз rhaBHatA aib8ao - я тем, что, с целью повышения чувствитель-. — 25 т ффициент " ка" " ности преобразования, в нем тензорезисто025 44. 2, О 25 4. 8, 6,0.,то"да ры мостовой схемы размещены на двух, отделенных реброМ жаесткости, прямоуголь- ных участках мембраны и выполнены со30 ставными, каждый — из трех равных ительные изменениЯ сопро лале Резистивных участков соединейных ния для тeнзopeзистopов, РасположеaI)bIx собой последовательно, причем резистиввблизи ОсОбых точ8к ПРОфилирбь".ннОй ные участки первой пары тензорезисторов с

MeM6PaHIi TorPaмож"опреДставить. КаК положительной чувствительность)о распо 315 "ложены соответственно, вдоль длин ной сто<: роны внешнего контура мембраны вблизи - О 164 к14 а — 1 — с

@ 1+o zl4. + ) ) 88 середины вцоль короткой стороны внеш него контура мембраны вблизи середины а 41

" л р+олти4+. ) " ., ... прямоугольного участка мембраны и вблизи

40 точки пересечения короткой стороны мембйр+ом4.г+44) "- -") раны с ребром жесткости, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с от ) ар+ои14 +c4)..... РИцатЕЛЬНОй ЧуВСтВИтЕЛЬНОСтЬЮ раСПОЛОжены соответственно поперек длинной дну О 262 ам а4"... 41(1-24+41)(1 -p)

< ) й<1+о5т 4. +") ., 45 стороны внешнего контура мембраны вблизи ее середины, поперек короткой стороны

@р+озт1441,.. ) *» " ")" " внешнего контура мембраны вблизи середины прямоугольного участка мембраны и вблизи точки пересечения короткой сторо50

В выбРанном Диапаэоне отношений ны )ембраны с реором жесткости, при этом

=0.18 — 0,22 Оптимальным значением С=, . шиРЙна ребра жесткости составляет ам... 0,18...0,22 длинной стороны внешнего кон= — мбудет величина 0„4. При С=0,4 чувстви- тура мембрань) ам

1783332

Составитель Ю, Зеленцов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С. Юско

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент". r. Ужгород, улХагарина, 101

Заказ 45О7 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ври ГКНТ СССР

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