Интегральный преобразователь давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 01 1 9/ 5 измерительной льным полупро преобразоватезистора. Коллектор зисторов соединен ками с тензорези ними знака тенэочу зовые области соед рами, у которых имеет противополо такого преобразов чувствительность,Известен прео содержащий кремн тированную в плос онный преобращий из кремние-тированный в скости (100). На а, на которой мело гии изготовле ма включает двзчетыре тензоре-ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) ИнстйтуГ полупроводников АН УССР(56) Авторское свидетел ьство СССРЬ 1471094, кл, 0 01 9/04, 1986,Ваганов В,ИПоливанов П.П. Интегральный транзисторный преобразовательдавления. Электронная техника, серия И,Комплексная микроминиатюризация радиоэлектронных устройств и систем, М., 1975,в.4, с,89-92 (прототип).(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВА ТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится.к измерительной технике и может использоваться дляизмерения давления. Цель изобретении;увеличение тензочувствйтельности. Сущность изобретения: интегральнь 1 й преобра"зователь давления содержит выполненную Изобретение относитс технике, а именно к интег водниковым измерительнь лям давления, силы,Известен микроэлект зователь давления, состоя вой пластины, ориен кристаллографической пло пластине создана мембран тодами интегральной техно на электронная схема, Схе биполярных транзистора и5 Ы 1783331 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, 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. ные области тензотраны токоведущими дорожс-,орами одинакового с вствительности, а их баинены с тензорезисто-ензочувствительность жный.знак. Недостатком ателя является низкая бразователь давления, иевую пластину, ориенкости (100) и созданную1783331 Фиг.1 г. Составитель В, ГрузьТехред М.Моргентал Корректор Н Слободяни тор Заказ 4507 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., Ю 5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101510 15 20 30 35 ной из ее сторон; 40 50 на ней профилированную прямоугольную мембрану. Мембрана содержит два жестких выступа в виде островков. Островки трансформируют 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 напрякений (островков) и выбором топологии тензотранзистора. Однако чувствительность, самого тензочувствительного элемента, определяемая, как отношение изменения выходного электрического сигнала к величине механического напряжения в области расположения тензоэлемента бу дет, примерно, такой же,Наиболее близким к предлагаемому изобретению является интегральный преобразователь на основе биполярного транзистора, Тензопреабразователь состоит из кремниевой пластины, ориентированной в коисталлографической плоскости 1100. Анизотропным травлением на пластине создана квадратная мембрана, На мембране расположен тензочувствительный элемент в виде тензотранзистора. Тензотранзистор включает в себя змитер расположенный в пределах базовой области, причем тип проводимости базовой области отличен от типа проводимости материала мембраны. По периметру базовой области, на некотором удалении от нее, однотипным с материалом мембраны легированием создана высоко- проводящая кольцевая площадка, образующая вместе с нелегированными областями 4 мембраны коллекторную цепь. Недостатком такого преобразователя такке является низкая чувствительность.Цель изобретения - увеличение чувствительности интегрального преобразователя давления, Поставленная цель достигается тем, что интегральный преобразователь давления содеркит выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану ориентированную в 5 плоскости 100 и, расположенный на ее планарной поверхности, интегральный тензотранзистор, Тензотранзистор включает эмиттер, лежащий внутри базовой области, тип проводимости которой отличен от 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 по 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 основанииа две другие отделены от него узкими полосами, толщина мембраны в которых меньше толщины ее центральной ча- сти в) базовая область тензотранзистора расположена у края квадратной мембраны однородной толщины ориентированной вдоль направлений 110, посредине одг) 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 110,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 носителейким выходным сопротивлением, Тензотрэн зистор расположен на пластине кремния, ориентированной в плоскости (100). Базовая область сформирована разделительной диффузией 5 в пластине кремния 1 для определения р-типа с выращенным нэ ней эпитаксиальным слоем п-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 направленииперпендикулярном направлению протеканию тока.Схематично процесс возникновения этого эффекта показан на фиг.1, 2, Сечение поверхностей равной электропроводностиизображены на фиг.1, 2 пунктиром, и - механическое напряжение, Там же.показаны кристаллографические направления, вдолькоторых пропускается электрический ток и осуществляется одноосная деформация, Нафиг.З - 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. Числоколлекторов и их расположение в базовойобласти тензотранзистора определяется сущностью технической задачи, решаемойпреобразователем, На фиг,З, 4 показана топология двухколлекторного транзистора скорректирующими электродами. На пластине коемния р-типа, ориентированной вплоскости (100) выращен эпитаксиальный слой п-типа, Разделительной диффузией 5сформирована базовая область 1, На краях базовой области расположены высокопроводящие площадки 2, 6 (и -типа).Площадки ориентированы таким образом, чтобы при приложении к ним электрического напряжения линии тока в отсутствие механического воздействия совпадали скристаллографическим направлением 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 низ 1015 20ЗО3540 45 базовой области находятся: эмиттер 3, две коллекторные области 4. Для повышения коэффициента собирания, а следовательно, повышения величины выходного тока, площадь коллектора увеличена. Тензотрэнзистор 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 Рэ, Выходной сигнал равен разности падений напряжения на сопротивлениях Я Работает преобразователь следующим образом,В отсутствие механического воздействия выходной сигнал Овых=О, т.к, через коллекторные цепи будут течь токи одинаковой величины, Если по какой-то причине токи коллекторов не равны, то выбором, например, сопротивлений Вк можно добиться Ох=-О. Для чувствительного элемента с топологией, изображенной на фиг,З, 4, получить Оы=О можно пбдачей электрического напряжения Е 1 соответствующей полярности (см. фиг.12); При подаче давления на мембрану носители заряда будут отклоняться к одному из коллекторов. Вследствие этого ток этого коллектора будет расти, адругого уменьшаться и на выходе появитсясигнал разбаланса коллекторных цепей.Конструкция преобразователя на фиг.12,позволяет выбором величины сопротивления Яф формировать ширину канала в пределах которого дрейфуют носители заряда.Уровень инжекции носителей заряда, кромекак выбором величины Вэ, можно регулировать изменяя величину йр(фиг,11, 12), Черезэто сопротивление р-п-переход, отделяющий базовую область от материала мембраны, смещается в обратном направлении иэкстрагирует неравновесные неосновныеносители заряда из базовой области. С изменением величины йр будет происходить 15измерение эффективной длины диффузиинеравновесных носителей заряда. Положение тензотранэистора на мембране показано на фиг.7 - 10 прямоугольником 1,Таким образом, главным техническим 20преимуществом заявляемого обьекта посравнению с известными техническими решениями, является более высокая чувствительность (более чем на порядокпревосходящая приведенную чувствительность известных конструкций преобразователей при йрочих равных условиях),Ф о р м у л а и э.о б р е т е н и я1, Интегральный преобразователь давления, содержащий выполненную за одно 30целое с основанием кремниевую мембрану,ориентированную в плоскости (100 и, расположенный на ее планарной поверхностиинтегральный тенэотранэистор, йкогоромэмиттер расположен внутри базовой области, тип проводимости которой б 1 лйчен оттипа проводимостй материала мембраны,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюувеличения тенэочувствйтельности; на краях базовой области однотипным с ней легированием сформированы по крайней мередве площадки повышенной проводимости,расположенные по отношениюк эмиттеру вкристаллографическом направлении семейства 100, а между йлощадками в пределах базовой области создана, по крайнеймере; одйа коллекторная область, причембазовая область расположена а однооснодеформируемой. в кристаллографическомнаправлении семейства 110 части мембраны. 2, Преобразователь по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в нем мембрана выполненапрямоугольной, однородной толщины,стороны мембраны ориентированы вдольнаправлений 110, а базовая областьтензотранзистора расположена в ее центре.3. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в нем мембрана выполненапрямоугольной, ее стороны ориентированывдоль направлений 110, причем две противоположные стороны мембраны жесткозащемлены в основании, две другие стороны отделены от него узкими полосами, толщина мембраны в которых меньше толщиныее центральной части, а базовая областьтензотрайэистора расположена в центремембраны.,4. Преобразователь по п.1, от л и ч а ющ и й с я тем, что в нем мембрана выполненаквадратной, однородной толщийы, ее сторо-"ны ориентированы вдоль направлений110, а базовая область тенэотранзисторарасположена у края мембраны посрединеодной из ее сторон.5, Преобразователь по п.1, о тл и ч а ющ и й с я 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 т л ич а ю щ и й с я 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 коллекторные площадки.