Интегральный полупроводниковый преобразователь давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК БО 1783332 11 9/ 51) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ 1(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(56) Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи, М., 1983, с,104,Авторское свидетельство СССР М 1210076, кл, 6 01 ( 9/04, 1984 (прототип). (54) ИНТЕГРАЛЬНЫИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использован для измерения давления в статических и дина мйческих 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 упругого1783332 Изобретение относится к измерительной техйике и может быть использовано для ны 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; соединенныв между Известен интегральный преобразава собой последовательно; причем резистивтель давления, содержащийпрофилирован- ные участки первой пары тензарезйсторов с ный упругий э-лемент с квадратной положительной чувствительностью распомембраной из монокристаллического крем- ложены, соответственно, вдоль длиной стония и-типа проводимости и тензарезисторыроны внешнего контура мембраны вблизи 10 ее середины; вдоль"короткой стороны внешр-тйпа провадймости, объединенные в. мостовую схему, которые расположены в области середины одной из сторон квадрата.: него контура мембраны вблизи середины прямоугольногоучастка мембраны и вблизи Недостатком известного преобразава- точки пересечения короткой стороны мембтеля является недостаточно низкая чувстви-раны с ребром жесткости, а резистивные телесность; .:.15Йаибалее близким по технической сущности к изобретению является интегральучастки второй пары"тензорезистаров с отрицательйой чувствительностью расположены, соответственно, поперек длинной ный полупроводниковый йреобразователь стороны внешнего контура мембраны вблидавления; содержащий опорное основание зи ее середины, поперек короткой стороны 20 внешнега контура мембраны вблизи серес упругой мембраной, на которой выполнено ребро жесткости вформе прямоугольной дины прямаугольнага участка мембраны и балки,плоскость симметрии которого сав-вблизи точки пересечения короткой старойадэет 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 от длинной стороны внешнего Известно устройство характеризуетСя контура мембраны. недостаточно высокой чувствительностью, На фиг,1 йзображен предлагаемый преиз-за размещения тензорезисторов нэ ре- . абразователь, где 1 - упругий элемент из бре жесткости, имеющем, по сравнению с"полупроводникового матерйэла с плоскоупругой мембраной, значительно большую 30 стью ориентации 001);, 2 - прафилировантолщину. 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 а 4; 5 - короткая сторона35 внешнего контура мембраны размером Ьм, б - 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 4 О мостовой схемы; В 1, Вг - резистивный учаСтки тензорезисторов В 1 и Вз с положительругай мембраной, на которой выполнено ребро жесткости в форме прямоугольной ф ЛВ ной чувствительностью ( - О); Вг, В 4 -Вбалки, плоскость симметрии которой совпадает с плоскостью симметрии упругой мембраны, и тензорезисторы мостовой схемы, резистивные участки тензарезисторов Вг и тензарезисторы мостовой схемы размеще В 4 с отрицательной чувствительностью элемента 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.(О); х, у - оси симметрии; а - ширинаЛВребра жесткости; Н, И - толщина опорногооснования упругого элемента и толщинапрофилированной мембраны соответствен : но; на фиг.2 - . полная мостовая Схема иэ"тенэореэисторов.В 1-В 4;Преобразователь содержит упругийэлеМент 1 из полупроводнйкового материа- ла, например кремния п-типа марки КЭФ, 105 с ориентацией (001), В упругом элементе 1анйзотропныам травлейием сформированыпрофилированная мембрана 2 и ребро жесаткости 3 в форме прямоугольной балки,плОскость симметрии которого совпадаетс 15плоскостью симметриимембраны. На пла.: нарной стороне мембраны 2 методамиполу-. проволдниковой технологии (диффузией илиионным летированием) сформированы тен зорезисторы В 1-Р 4, например, р-типа про,:водимости, соединенные между собой вполную мостовую схему, ТензорезисторыВ 1-В 4 состоят каждый из трех равных резистивных участкаов В 1 - В 4 соответственно. Резистивные участки В 1 и Вз тензорезисторов 25Ва 1 И ВЗ раСПОЛОжЕНЫ СООтВЕтСтВЕйНО ВДОЛЬ.длинной стороны 4 внешнего койтура профилированной мембраны 2 вблизи ее сере- .дины (точка А с координатами - ."; О), , .вдоль короткой стороны 5 внешнего контурамембраны 2 вблизи середины прямоуголь. ного участка мембраны (точка В с координааО + Ьм, алатами , - ) и Вблизи точки 3522пересечения короткой сторонь 5 внешнегоконтура мембраны 2 с ребром жесткости 3ао ам(точка О с координатами - ; - ), Рези.22стивные участки В 2 и В 4 тензбрезисторов 40 , Вг и В 4 расположены соответственно поперек длинной стороны 4 внешнего контурамембраны 2 вблизи ее середины (точка А),поперек короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 вблизи середины прямоугольного участка мембраны (точка В) ивблизи точки пересечения короткой стороны 5 внешнего контура мембраны 2 с ребром жесткости 3 (точка О), Резистивные.участки В 1 - В 4 каждого тензорезистора последовательно соединены друг с другом токоведущими коммутационными дорожкамиб. Для подключения источника питания наповерхности упругого элемента 1 (за поеделами профилированной мембраны 2) 55сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала- контактные площадки 9 и 10. Для обеспе саДсЪлааа =сал -л 1,а (1+0,5714 са+с )+са)са (1 с )(1-1 а) чения максимальной чувствительности преобразователя (а соответственно и максимальной величины выходного сигнала) отношение ширины ребра жесткости ао к размеру длинной стороны внешнего контураам выбрано в диапазоне 0,18-0,22, т,е. - о =0,18 - 0,22.аааПреобразователь давлению работает следующим образом.. Механические напряжения (деформации), возникающие в мембране 2 под действием измеряемого давления ц, вызывает в резлис 9 ивных участках В 1 и Вз тензорезисторов В 1 и Вз- 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,ЛВт,е. - .О). В резистивных участках В иЙВ 4 тензорезисторов В 2 и Й 4, 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.О).Так, например, максимальная разность полезных изгибных механических напряжений ( с - щ) в точках А( - ; О) В,(; - )222ао, ами О( - ; - ) поверхности мембраны 222соответственно может быть представлены выражениями:1783332 Составитель Ю, Зеле Техред М. Моргентал С. Юско в Реда кт оррект дственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, улХагарина, 1 Заказ 45 О 7 Тираж .ПоддисноеВНИИПИ Государственного комитета до изобретениям и открытиям ори ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб.,4 ЙО