Полупроводниковый преобразователь

Союз Советских Социалистических Республиклам изобретениии открытий етспь 3 ъ 41) Авторы зобретени Папков М. В. буровиков, Н. А. ЗъН. М. Михайлова и А, А, Смирно Е. Бейден, В, В Н Зимин 71) Заявитель 54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕ ДАВЛЕНИЯИзобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частлости к полупроводниковым преобразователям давления, и может быть использовано для,измерения давления и друпих неэлектрических величин: усилия, перемещения, ускорения, вибрации.Известен преобразователь давления, содержащий упругую подложку, на гладкой поверхности которой размещен тензочувст вительный полупроводниковый элемент с двумя омическими ооонтактами 11.Прн воздействии,измеряемой механической,нагрузки на подложку, последняя изгибается и вместе с ней упруго деформирует ся тензочувствительный элемент.Пропорционально нагрузке, изменяется сопротивление деформируемого тензочувсгвительного элемента.К недостаткам указанного устройства 2 С мононо отнести его малую чувствительность и значительную температурную завпсимость выходного сигнала.Известен также преооразователь давления, содержаций упругую подложку, на 25 гладкой поверхности которой размещен тензочувствительный полупроводниковый элемснт с четырьмя тензорезисторами, электрически соединенными в полный мост сопротивлений 21. Применение полного моста Зф сопротивлении позволяет повысить чувствительчость преобразователя. Однако сильная зависимость выходных характеристик от колебаний температуры значительно снижает достоинства и сужает область применения этого прибора. Кроме того, при уменьшенип 1 упругочувствительного элемента до микро- миниатюрных размеров его чувствительность также уменьшается, причем в значительно оольшей,пропорции,Наиболее близким к предлагаемому техническим, решением является полупроводниковыл преобразователь давления, содержащий расположенный на упругой подложке из диэлектрического материала и ориентированный в направлении максимальной тензочувствительности чувствительный элемент, выполненный в виде слоя полупроводника с омическими контактами 31. Применение сплош,ного слоя полупроводника и особого расположения омичсских контактов позволяет значительно повысить температурную,стабильность выходного сигнала преобразователя.Недостатком такого устройства является его малая чувствительность, трсбиощая применения дополниельных устройств для усиления выходного сигнала,Повышение чувствительности возможно за счет уменьшения толщины упругой под35 40 ложки,или увеличения удельного сопротивления полупроводника. Однако, "первый путь ограничен, возможностями современной технологии и механической прочностью ма териала подложки, а второй приводит к неприемлемому ухудшению температурной стабильности выходного сигнала. Целью изооретения является повышение чувствительности,при одновременном со хранении температурной стабильности выходного сигнала.Цель достигается тем, что поверхность подложки выполнена с выступами, вытянутыми в направлении, перпендикулярном направлению максимальной тензочувствительности полупроводника и имеющими вь.соту 0,1 - 1,0 мм, при этом отношение высоты выступа,к толщине слоя полупроводника составляет 1: (1 - 10).На фиг, 1 схематично представлена одна из возможных конструкций преобразователя балочного типа в разрезе; на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг. 3 - одна,из возможных,конструкций преобразователя мембранного типа, в разрезе, на фиг, 4 - то же, в,ид сверху. На диэлектрической подложке 1, которая представляет собой балку и может быть выполнена, например, из сапфираи ориентироваоной в плоскости 10 - 12), на одной стороне сформированы выступы 2, внешние углы которых выполняют роль ступенек, На поверхности подложки 1 с выступами 2 расположен сплошной слой, кремния 3, ориентированный в плоскости (100). Направление максимальной тензочувствительности слоя кремния 1110 ) показано,на фиг, 2 стрелками. На кремниевом слоеповторяюще 1 м профиль подложки, размещены омичеокие,контакты 4, причем одна,из пар контакто 1 в расположена вблизи места крепления подложки 1 к основанию б, а другие - вдоль подложки в области воздействия на нее механической нагрузки. Преобразователь мембранного типа изображенна ф,иг, 3 и 4.В сапфировой подложке 1 сформирована полость б прямоугольной форумы с закругленными углами. Посредине полости б имеется концентратор механических напряжений 7, Контуры полости и концентратора напряжений показаны на фиг, 4,пунктиром. Дно полости служит мембраной, воспринимающей измеряемое давление. На поверхности подложии, противоположной нолости, выполнены выступы 2, внешние углы котоэых служат ступеньками. На этой поверхнооти нанесен слой кремния 3, повторяющий профиль подложки, и две,пары омических контактов 4. Направлений максимальной тензочувствительности показано на фиг, 4 стрелками. 0 15 20 25 Зо 50 55 60 65 Работает преобразователь балочного ти пз следующим образом,Если к паре контактов, расположенных у основания, приложить электрическое напряжение, то между .контактами,второй пары за счет распределенного в слое:полупроводника электрического поля возникает разность потенциалов. Величина наведенно. го сигнала завиаит от параметров,полупроводника,и от взаимного расположения кон. тактов.Преобразователь мембранного типа расотаег следующим образом.Если к паре контактов, расположенных по одну сторону от концентратора механических,напряжений, приложить электрическое напряжение, то между контактами второй пары, расположенной по другую сторону мембраны, за счет распределенного электрического поля возникнет разность потенциалсв. При воздействии,на мембрану измеряемой нагрузки вследствие тензоэф факта на утоньшенных участках мембраны между, концентратором механических напряжений,и стенками полости - изменится сопротивление кремниевого слоя. Величина изменения,или,выходной сигнал пропорциональны измеряемой нагрузке. Наличие ступенек на тензочувствителыных участках мембраны в 3 - 5 раз увеличивает выходной сигнал. Области полупроводникового слоя, расголоже ные над выступающими углами, характеризуются большой плотностью структурбиных дефектоввызывающих,:в свою оче редь, уменьшение подвижности носителей заряда и повышение удельного сопротивления. Наличие таях областей, вытянутых герпендикулярно направлению максимальной тензочувствительности,полупроводника приводит к значительному увеличению выходного сигнала преобразователя. В то же время, благодаря равномерной концентрации легирующих примесей по всему слою полупроводника температурная стабильность выходного сигнала сохраняется на уровне, достигнутом в ,известном устрой. стве.Значения высоты выступа , толщина. н полупроводника О) и их соотношений1й,Н объясняется тем, что при Й)1 мкм и - (1 возможны разрывы сплошности полупроводникового слоя на гранях ступенек, а приИЙ(0,1 мкм и -)10 повышение чувстви. тельности незначительно.Количество выступов;и расстояние между,ними зависит от размеров упругочувствительного элемента, расстояния между омическими контактами и,возможностей технологии формирования ступеней. Повышение чувствительности пропорционально количеству выступов между контактами,Повышение чувствительности в конструкции, выполненной согласно, настоящему изобретению, достигается за счет того, что при воздействии механической нагрузии на незакрепленный край подложки вследствие тензоэффекта изменяется сопротивление полупроводникового слоя, Изменение сопротивления между парами контактов и между контактами в каждой, паре,имеег противоположные знаки, причем тензочувствительность полупроводника в направлении, перпендикулярном выступам, в несколько,раз выше, чем вдоль выступов, что позволяет получить увеличенный в,3 - 5 раз выходной сипнал преобразователя. В ,преобразователе без выступов чувствительность достигает 5 - 10 лкВ/лглю рт, ст. В. Применение выступов с указаиными размерами увеличивает чувствительность до 30 - 50 лкв/мм рт, ст. В.Повышение чувствительности с по;мощью выступов достигается,и в обычных мостовых схемах, причем выступы в этом случае располагаются перпендикулярно 1 направлению резисторов,Предлагаемый полупроводниковый преобразователь давления имеет особо важное,научно-техническое значение при изготовлении его в микроминиатюрном исполнении. Такие преобразователи найдут широкое применение в микроэлектронных устройствах, используемых в медико-биологических исследованиях,сердечно-сосудистойФормула изобретенил5 о 15 20 25 зо 35 системы и желудочно-кишечного тракта человека. Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий расположенный,на упругой подложке из диэлектрического материала,и ориентированный в направлении максимальной тензочувствительности чувствительный элемент, выполненный в виде слоя полупроводника с омическими контактами, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности при сохранении температурной стабильности выходного сигнала, поверхность подложки выполнена с выступами, вытянутыми в направлении, перпендикулярном направлвнию максимальной тензочувствительности полупроводника и имеющими высоту 0,1 - 1,0 мкм, при этом отношение высоты выступа к толщине слоя полупроводника соетавляет 1: 1 - 10). Источники информации, првнятые во внлмание,при экспертизе:1. Полякова А. П. Физ,ичесжие пр,инципы работы полупроводниковых датчиков механических величин, Акустический журнал т. ХИ 11, Вып. 1, 1972, с. 1 - 22,2. Викулин И. М.,и Стафеев В. И, Полупроводниковые датчики, М Советское радио, 1975, с. 17 - 20,3. Авторское свидетельство СССР по заявке2614864/25, кл. Н 01 Ь 41/10, 1978 1 прототип),овтавитель А. ЙрохоровТехред А. Камышнпкоаа оросктор С. Фай Коляд Редактор Тип, Харьк. фил. вред, Патеыт аказ 1458/148ПО Поиск Изд. М 540 сударственного комитет 113035, Москва, ЖТираж 857 ПодписносССР по делам изооретений и открытий ушская наб., ю, 4/5