Тензопреобразователь давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления содержит прямоугольную мембрану с диэлектриком и двумя поперечными и двумя продольными (относительно оси симметрии мембраны) тензорезисторами на ее наружной поверхности, выполненную из монокристаллического кремния, и опорное основание. На поверхности диэлектрика сформированы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала, в которых созданы тензорезисторы. Техническим результатом предложенного тензопреобразователя является увеличение его чувствительности (увеличение выходного сигнала). 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Известен тензопреобразователь давления мембранного типа, содержащий мост из монокристаллических кремниевых тензорезисторов, выращенных на монокристаллической сапфировой подложке [1]. Для электрической изоляции друг от друга тензорезисторы выполнены в виде мезаструктур и покрыты сверху слоем защитного окисла. Тензорезисторы расположены у краев круглой мембраны в плоскости (100) параллельно (параллельные тензорезисторы) и перпендикулярно (перпендикулярные тензорезисторы) радиусу вдоль направлений <110>. Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление R_j тензорезистора j зависит от деформации (ε ) поверхности сапфира в месте расположения тензорезистора

R_j=R_j(ε ).

Деформация ε пропорциональна приложенному давлению Р

ε =А(Т)Р,

где А(Т) - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.

Сопротивление R_j j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как

R_j=R(1+K_jε _j), j=1, 2, 3, 4,

где K_j - коэффициент тензочувствительности тензорезистора номер j. В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему с двумя параллельными и двумя перпендикулярными тензорезисторами, выходной сигнал которой, при питании от генератора напряжения, записывается в виде

где U_пит - напряжение питания;

K ₁, К₃ - коэффициенты тензочувствительности продольных тензорезисторов;

К₂, К₄ - коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов;

ε ₁, ε ₂, ε ₃, ε ₄ - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.

Коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов кремния на сапфире, для наиболее тензочувствительного направления [110] соответственно имеют вид

где ν _c=0,277 - коэффициент Пуассона сапфира;

m ₄₄ - коэффициент эластосопротивления кремния р-типа.

Коэффициент χ связан с отношением ширины резистора (b) к его толщине (d) экспериментальным соотношением

При типичных размерах тензорезисторов 200× 20× 0,5 мкм³, 150× 15× 0,5 мкм³, 100× 10× 0,5 мкм³ коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов уменьшаются соответственно на 2 и 8%, 4 и 16%, 7 и 32%. При равенстве деформаций ε ₁=ε ₂=ε ₃=ε ₄ выходной сигнал мостовой схемы будет меньше соответственно на 3, 6 и 12%.

Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси. Тензопреобразователь давления изготовлен методами микроэлектронной технологии. Эффект уменьшения тензочувствительности тензорезисторов, изготовленных в виде мезаструктур, является общим для любых мезаструктур из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезистору.

Продольный и поперечный коэффициенты тензочувствительности поликремниевых тензорезисторов, согласно [3, 4], могут быть записаны в виде

где К_L и К_t, - коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов, имеющих отношения длины и ширины тензорезистора к его толщине равное бесконечности;

и - коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов, имеющих конечные отношения длины и ширины тензорезистора к его толщине;

L и b - полудлина и полуширина резистора;

λ - коэффициент равный 1,5· 10^-6 м для рассматриваемых слоев поликристаллического кремния на окисленной кремниевой пластине [4].

При типичных размерах тензорезисторов 200× 20× 0,5 мкм³, 150× 15× 0,5 мкм³, 100× 10× 0,5 мкм³ коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов, также как и для кремния на сапфире, будут меньше соответственно на 2 и 7,5%, 2 и 10%, 2 и 15%.

Недостатком указанного тензопреобразователя давления является то, что выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезисторам в виде мезаструктур. Например, если тензорезисторы имеют размеры 200× 20× 0,5 мкм³ , 150× 15× 0,5 мкм³, 100× 10× 0,5 мкм³, то при равенстве деформаций ε ₁=ε ₂=ε ₃=ε ₄ и К_L=36, К_t=-11,2, выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного соответственно на 3, 4, 5%.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного сигнала тензопреобразователя давления.

Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления мембранного типа, содержащем выполненную из монокристаллического кремния прямоугольную мембрану с опорным основанием и слоем диэлектрика на наружной поверхности, на слое диэлектрика созданы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала, в которых легированием сформированы тензорезисторы.

На фиг.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления: 1 - островки нелегированного полупроводникового материала, созданные на слое диэлектрика 2, 3 - поперечные тензорезисторы, сформированные, например, легированием в островках из нелегированного полупроводникового материала 1, 4 - продольные тензорезисторы, сформированные, например, легированием в островках из нелегированного полупроводникового материала 1, 5 - алюминиевая разводка, соединяющая тензорезисторы, 6 - контактные окна к тензорезисторам, на фиг.2 приведен разрез тензопреобразователя давления по А-А: 7 - опорное основание (подложка), 2 - диэлектрик (изолирующий окисел) на поверхности мембраны 9, 8 - защитный окисел, 9 - мембрана.

На подложке из монокристаллического кремния 7, ориентированной в плоскости (100) (см. фиг.1, фиг.2), со слоем диэлектрика 2 методами микроэлектронной технологии созданы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала 1, в которых сформированы поперечные 3 и продольные 4 тензорезисторы, алюминиевая разводка 5 соединяет тензорезисторы в незамкнутую мостовую схему. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла 8, в котором вскрыты окна под контактные площадки 6. Мембрана 9 (см. фиг.1 и 2) расположена в срединной части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением монокристаллического кремния.

Тензопреобразователь давления работает следующим образом: при действии давления на тензопреобразователь происходит деформация мембраны 9, которая передается островкам из нелегированного полупроводникового материала 1 с поперечными 3 и продольными 4 тензорезисторами. Островки с тензорезисторами представляют единое целое. Как видно из формул (4), при размерах островков с длиной 300 мкм, шириной 100 мкм и толщиной 0,5 мкм коэффициенты передачи деформации от подложки к мезаструктуре η _L и η _t близки к единице. Это означает, что деформация мембраны полностью передается островкам с продольными и поперечными тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. В этом случае коэффициенты тензочувствительностей продольных и поперечных тензорезисторов будут соответственно равны

Таким образом по сравнению с прототипом выходной сигнал мостовой схемы, согласно (1), при равенстве деформаций ε ₁,=ε ₂=ε ₃=ε ₄ и коэффициентах тензочувствительности К_L =36, К_t=-11,2 увеличивается на 5%.

Литература.

1. В.М.Стучебников. Тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Измерения, контроль, автоматизация. №4 (44), 1982, 15-26.

2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.

3. A.Lenk, Elektromechanische Sisteme, VEB Verlag Technik Berlin, 1975.

4. В.А.Гридчин, В.В.Грищенко, В.М.Любимский, А.А.Харьков. Труды V международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения". - Новосибирск, 2000, т.4, 3-7.

Формула изобретения

Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния прямоугольную мембрану с диэлектриком и тензорезисторами на наружной поверхности и опорным основанием, отличающийся тем, что на поверхности диэлектрика сформированы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала, в которых созданы тензорезисторы.

РИСУНКИ