Полупроводниковый преобразователь давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений. Полупроводниковый преобразователь давления содержит кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния n-типа проводимости и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3. Мембрана имеет толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин с металлизированными контактными площадками в мостовую измерительную схему. При этом мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния. Технический результат - повышение чувствительности преобразователя при сохранении собственной резонансной частоты, повышение прочности мембраны, повышение диапазона линейного преобразования, повышение стабильности характеристик. 2 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Известен преобразователь давления, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформирована тензорезистивная мостовая схема из поликристаллического кремния, изолированная от подложки диоксидом кремния [1].

Недостатком данного преобразователя является низкая чувствительность, обусловленная малой величиной тензочувствительности поликремния.

Известны преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [2].

Недостатком известных устройства и способа являются низкая чувствительность к измерению малых давлений, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления, характеризующийся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [3].

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, малый диапазон линейного преобразования, обусловленные наличием однородной по толщине мембраны. Кроме того, данный преобразователь имеет значительный уровень погрешностей измерений, определяемый низкой стабильностью его характеристик во времени из-за наличия незащищенной поверхности тензорезисторов.

Изобретение направлено на повышение чувствительности преобразователя при сохранении собственной резонансной частоты, повышение прочности мембраны, повышение диапазона линейного преобразования, повышение стабильности характеристик.

Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния n-типа проводимости и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния.

Введение предложенной конструкции, содержащей профилированную мембрану с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, которая представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, позволяет получить чувствительность полупроводниковых преобразователей давления менее 10 Па при сохранении собственной резонансной частоты, работоспособных до 300°С и имеющих пробивное напряжение до 1000 В, увеличивает прочность мембраны, что влечет за собой увеличение надежности всего преобразователя, повышает линейность и расширяет диапазон линейного преобразования, а введение защитного слоя двуокиси кремния на поверхности тензорезисторов повышает временную и температурную стабильности их характеристик и уменьшает уровень погрешностей измерений.

Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1, 2.

На фиг.1, 2 изображен преобразователь, содержащий чувствительный элемент из кремния n-типа проводимости (1) с легированной бором мембраной (2) с профилем (3) и утолщенным периферийным основанием (4) со сформированными на ней через слой двуокиси кремния (5) тензорезисторами (6), покрытые слоем двуокиси кремния (7) и соединенные с контактными площадками (8) с помощью коммутационных шин (9).

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Выбор концентрации кремния не менее 5·10¹⁹ см^-3 и наличие профилированной мембраны с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов позволяет методами стоп-травления формировать тонкие мембраны толщиной 1-3 мкм без разрушения структуры. Сама мембрана представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Таким образом, данная конструкция позволяет получать чувствительность полупроводниковых преобразователей давления менее 10 Па при сохранении собственной резонансной частоты. В связи с тем, что поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния, то за счет наличия данного защитного покрытия, препятствующего проникновению на поверхность тензорезисторов нежелательных примесей из внешней среды, повышаются временная и температурная стабильности их характеристик и уменьшается уровень погрешностей измерений.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:

возможность создания полупроводниковых преобразователей давления на диапазоны менее 10 Па, работоспособных до 300°С и имеющих пробивное напряжение до 1000 В;

повышение надежности, линейности, временной и температурной стабильностей характеристик преобразователя;

расширение диапазона линейного преобразования;

уменьшение уровня погрешностей измерений.

Источники информации

1. SAE Techn.Par.Ser, 1986, № 860473, р. 71-77: Экспресс-информация ИПиС, № 9, 1987.

2. Патент США № 4400869, кл. H 01 L 21/225, 1984.

3. Авторское свидетельство СССР № 1732199, кл. G 01 L 9/04, 1990.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния n-типа проводимости и легированную бором до концентрации не менее 5·10¹⁹ см^-3, имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, отличающийся тем, что в нем мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния.