Полупроводниковый тензопреобразователь

Союз СоветскикСоциалистическихРеспублик АВТОе СК ИДЕТЕЛЬСТВУ/04 вки йе с присоединением удврстювыв квиите СССР(53) УДК 531.781,088.Г Опубликован Дата опубли 2) Авторы изобретен В. Белоглазов, В,Е, Бейден, Г.Г. ИоМ. Карнеев, В.С. Папков, В.М. СтучеВ.В, Хасиков и М.В. Суровиков(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВА Изоброводнменно етение ковому полуп овател ских и вано д тно ится к полуростроению,аиковым тензолотехнических иров, и. может бытьерения усилия,я, ускорения и преобра, механич испольэ раме я из да ел д.в то Известен полупроводниковый тензопреобразователь, например, давления, включающий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины й-типа проводимости, в которой изготовлены тензорезисторы путем диффузии акцерторной примеси в пластину. Изоляция тензореэисторов друг от друга осуществляется образованными при диффузии р-и переходами. Тензореэисторы соединены в мостовую или дифференциальную схему, причем выходной сигнал этой схемы пропорционален измеряемом параметру (например, давлению) Недостатком такого тенэопреобразователя является то, что он не может работать при температуре окружающей среды выше 120 С, атакже наличие в нем электронной схемы температурной компенсации с индивидуальной настрой кой.Наиболее близким к предлагаемому является полупроводниковый тенэопреобразователь давления, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической сапфировой подложки с расположенными на ней эпитаксиальными тензорезисторами из монокристаллической пленки кремния р-типа проводимости, соединенными в мостовую схему, Тензорезисторы выполнены из пленки кремния с удельным сопротивлением в пределах 0,005- 0,009 Ом.см что соответствует концентрации дырок р3,2 . 1 ОВ,4101 и см ЗГ 23Недостаток устройства заключаетсям, что тензорезисторы, составот температуры, Кроме того, при таких значениях концентрации дырок,благодаря эффекту насыщения акцепторной 1 З примеси в кремнии, повышается однородность электрических свойств эпитаксиального слоя, что ведет к дополнительному уменьшению разброса ТКСтензорезисторов и к дальнейшемуснижению температурной зависимостинапряжения начального разбаланса.Расширение температурного диапазона работы тензопреобразователя идальнейшее повышение точности преобразования достигается тем, что еслитензорезисторы изготовлены из эпитаксиальной пленки кремния из сапфирас концентрацией дырок (3,5-9) 10"смз(что соответствует р = 0,0020,0045 Ом см), то при питании схемы постоянным током выполняется условие температурной стабильности выходного сигнала Э 6) в широком интервале температур (по крайней мере, от-100 до +200 С, фиг.1 а),т.е,сЕгфс 4=0. с 1,+ 1, " 0 ао 45 5 О 55 ляющие мостовую схему, имеют различные ТКС, что приводит к сильной температурной зависимости напряжения начального разбаланса моста, снижая точность преобразования.Недостатком известного тензопреобразователя является также значительная температурная зависимость выходного сигнала, требующая для получения преобразователя высокой точности сложной электронной схемы температурной компенсации с индивидуальной настройкой и ограничивающая диапазон рабочих температур (диапазоном 20 с 42 С).Из рассмотрения зависимости ф. -с 1)от удельного сопротивленияр для КНС р-типа проводимости (Фиг. 1 а) видно, что при значениях р пленки кремния, использованных . в известном устройстве не соблюдается условие где- температурный коэффициентГсопротивления;с 1 - температурный коэффициенттензочувствительности,т.е. выходной сигнал схемы сильно зависит от температуры и необходимадополнительная схема температурнойкомпенсации,Цель изобретения - повышение точности преобразования, расширение рабочего диапазона температур и упрощение электронной схемы полупроводникового тензопреобразователя.Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе эпитаксиальные тензорезисторы на сапфировой подложке изготавливаются из кремния, легированного бором с концентрацией дырок р =3,5 ф 10" - 310 Оса(что соответствует удельному сопротивлению Я = 0,0006-0,0045 Ом см).На фиг. 1 б и б приведены зависи мости Ю 1, 4 Ы от р и с 1 от у соответственно; на фиг. 2 - полупроводниковый тензопреобразователь.Сущность изобретения состоит в том, что эпитаксиальные тензорезисторы изготовлены на сапфировой подложке из пленки кремния с концентрацией дырок 3,51 О "9 - 3101 см- ( У = 0,0006-0,0045 Ом -см), при которой ТКС тензорезисторов А 1, изменяется незначительно в широких пределах изменения температуры Т, а также слабо зависит от удельного сопротивления кремниевой эпитаксиальной пленки.При такой концентрации дырок неизбежные технологические разбросы удельного сопротивления в отдельных резисторах мало влияют на их ТКС, поэтому напряжение начального разбаланса моста практически не зависит Дальнейшее расширение температурного диапазона работы тензопреобразователя и повышение точности преобразования достигается тем, что если тензорезисторы изготовлены из эпитаксиальной пленки кремния на сапфире с концентрацией дырок (1,8- 3)10 Ы см( р = 0,00060,0009 Ом см), то при питании схемы постоянным напряжением выполняется условие температурной стабильности выходного сигнала Ю 1 = О, т,е. ТКЧ тензорезисторов близок к нулю в широком интервале низких температур (по крайней мере, от -200 до ОвС, Фиг.15)аУпрощение электронной схемы тензопреобразователя достигается тем, что при температурной стабильности выходного сигнала схемы отпадает необходимость в электронной схеме температурной компенсации с индивидуальной настройкой, так что5 о 1 зо 25 зо 35 40 45 электронная часть тензопреобраэователя представляет собой стандартный усилитель выходного сигнала схемы до требуемого уровня,Выбор в качестве легирующей примеси бора обусловлен тем, что иэ известных акцепторных примесей в кремнии только бор имеет достаточную растворимость для получения требуемой концентрации дырок, дает при этом один мелкий уровень и обеспечивает однородность легирования. Верхний предел концентрации дырок р = 3100 см- ограничен пределом растворимости бора в кремнии. Нижний предел р = 3,5 10 см З ограничен тем, что при меньших концентрациях дырок условие температурной стабильности выходного сигнала с +д,1=0 не может быть выполнено в достаточно широком интервале температур.Преобразователь давления содержит цилиндрический корпус 1, с одной стороны которого размещен штуцер 2 для подачи давления р, а с другой известным способом, например пайкой, закреплен чувствительный элемент 3, состоящий иэ сапфировой подложки 4, выполненной в виде мембраны с утолщением по периметру, и эпитаксиальных кремниевых тензорезисторов 5, расположенных по краю мем- браны попарно параллельно и перпендикулярно радиусу мембраны. Плоскость сапфировой мембраны имеет ориентацию (1012), эпитаксиальные кремниевые тенэореэисторы расположены в плоскости (100) кремния вдоль направления (011) и (011) и соединены в мостовую схему с контактными площадками 6, Схема питается постоянным током или постоянным напряжением.При питании мостовой схемы постоянным током тензорезисторы выполнены из эпитаксиального кремния,легированного бором с концентрацией дырок 810" см , а при питании мостовой схемы постоянным напряжением тензорезисторы выполнены иэ эпитаксиального кремния, легированного бором с концентрацией дырок 210 см .Полупроводни ковый тензопреобразователь работает следующим образом. При подаче питания на мостовую схему и отсутствии давления мембрана 4 не деформируется, сопротивление тензореэисторов не меняется и выходной сигнал сбалансированного моста равен нулю, При изменении температуры в пределах от -200 до +200 ОС начальный выходнсй сигнал мостовой схемы не изменяется, посколь. ку все тензореэисторы имеют одинаковые значения с, При подаче давлейия р сапфировая мембрана 4 изгибает", ся, деформируя кремниевые тензорезид торы 5. Под действием деформации тенэорезисторы изменяют свое сопротивление.Использование предлагаемого тензопреобразователя,по сравнению с известными,повышает точностьпреобразования, расширяет температурный диапазон работы преобразователя по крайней мере от -200 до +200 оС, т.е. в 3-4 раза, упрощает электронную схему тензопреобразователя за счет исключения схемы температурной компенсации с индивидуальной настройки. Формула , изобретения Полупроводниковый тенэопреобразователь, включающий чувствительный элемент, выполненный в виде моно- кристаллической сапфировой подложки с расположенными на ней эпитаксиальными кремниевыми тенэорезисторами р-типа проводимости, соединенными между собой в мостовую или дифференциальную схему, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности преобразования и расширения рабочего диапазона температур, эпитаксиальные тензорезисторы изготовлены из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3,5 10Щ 3 ф 10 о см . Источники информации,принятые во внимание при экспертизеУ. Пономаренко рре е тв ееееишвФЮ Зак М 5,в ЕаЕЕ аВЕ а Ее ее Е в а еее в ЕЕ илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 13 Ю ВНИ и 113035ираж 887И Государственного делам изобретений Москва, Ж, Рауш одписное комитета открыти кая наб.