RU1783331C - Интегральный преобразователь давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может использоватьс  дл  измерени  давлени . Цель изобретени : увеличение тензочувствительности. Сущность изобретени  интегральный преобразователь давлени  содержит выполненную 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  вл етс  то, что на кра х 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 коллекторна  область, причем базова  область расположена в одноосно деформируемой в кристаллографическом направлении семейства 100 части мембраны. Даны примеры реализации такой деформации. Положительный эффект, повышение чувствительности не менее, чем в 10 раз. 5 з.п.ф- лы,12 ил

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к интегральным полупроводниковым измерительным преобразовател м давлени , силы.

Известен микроэлектронный преобразователь давлени , состо щий из кремниевой пластины, ориентированный в кристаллографической плоскости (100). На пластине создана мембрана, на которой методами интегральной технологии изготовлена электронна  схема. Схема включает два бипол рных транзистора и четыре тензорезистора . Коллекторные области тензотран- зисторов соединены токоведущими дорожками с тензорезисторами одинакового с ними знака тензочувствительности, а их базовые области соединены с тензорезисто- рами, у которых тензочувствительность имеет противоположный знак. Недостатком такого преобразовател   вл етс  низка  чувствительность.

Известен преобразователь давлени , содержащий кремниевую пластину, ориентированную в плоскости (100) и созданную

дои

на ней профилированную пр моугольную мембрану. Мембрана содержит два жестких выступа в виде островкоз. Островки трансформируют разномерно распределенную по поверхности мембраны нагрузку в одно- осное раст жение (или сжатие) тех областей, где расположены тензочувствительные элементы - тензотранзисторы. Тензотранзисто- ры ориентированы на мембране таким образом, чтобы оси, проход щие от эмитте- ра к коллектору, у обоих транзисторов были параллельны между собой, кристаллографическому направлению 110 и близлежащему краю мембраны. Эта конструкци  преобразовател  обладает более высокой чувствительностью, чем рассмотренна  ранее. Это достигаетс  благодар  созданию концентраторов механических напр жений (островков) и выбором топологии тензотранзистора. Однако чувствитель- ность, самого тензочувствительного элемента , определ ема , как отношение изменени  выходного электрического сигнала к величине механического напр жени  в области расположени  тензоэлемента бу- дет, примерно, такой же.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению  вл етс  интегральный пре- образоззтель на основе бипол рного транзистора . Тензопреобразователь состоит из кремниевой пластины, ориентированной в кристаллографической плоскости {100}. Анизотропным травлением на пластине создана квадратна  мембрана, На мембране расположен тензочувствительный элемент в виде тензотранзистора. Тензотранзистор включает в себ  эмиттер расположенный в пределах базовой области, причем тип проводимости базовой области отличен от типа проводимости материала мембраны. По пе- риметру базовой области, на некотором удалении от нее, однотипным с материалом мембраны легированием создана высокопровод ща  кольцева  площадка, образующа  вместе с нелегированными област ми мембраны коллекторную цепь. Недостатком такого преобразовател  также  вл етс  низка  чувствительность.

Цель изобретени  - увеличение чувствительности интегрального преобразо- взтол  давлени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что интегральный преобразователь давлени  содержит выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану ориентированную в плоскости {100} и, расположенный на ее пленарной поверхности, интегральный тен- зотранзистор. Тензотранзистор включает эмиттер, лежащий внутри базовой области, тип проводимости которой отличен от типа

проводимости материала мембраны. На кра х базовой области однотипным с ней легированием сформированы по крайней мэре две площадки повышенной проводимости , ориентированные по отношению к эмиттеру в кристаллографическом направлении 100 . Между площадками в пределах базовой области создана по крайней мере одна коллекторна  область, причем базова  область тензотрзнзистора расположена в одноосно деформируемой в кристаллографическом направлении семейства 110 части мембраны. Такого рода механическую деформацию можно получить в следующих конструкци х преобразовател :

а)базова  область тензотранзистора расположена в центре пр моугольной мембраны однородной толщины, стороны которой ориентированы вдоль направлений

б)базова  область тензотранзистора расположена в центре пр моугольной мембраны , стороны которой ориентированы вдоль направлений 110 , причем две противоположные стороны жестко защемлены в основании, а две другие отделены от него узкими полосами, толщина мембраны в которых меньше толщины ее центральной части;

в)базова  область тензотрзнзистора расположена у кра  квадратной мембраны однородной толщины ориентированной вдоль направлений 110 , посредине одной из ее сторон;

г)базова  область тензотранзистора расположена в канавке между двум  жесткими и симметричными относительно центра мембраны област ми в виде островков, а продольна  ось канаоки ориентирована вдоль направлени  110 .

Наибольший положительный эффект достигаетс  при такой топологии чувствительного элемента, когда эмиттер расположен у одной из основных площадок повышенной проводимости, его центр раз- ь ещен на оси, проход щей 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. В основе работы преобразовател  лежит неизвестное ранее физическое  вление - перераспределение концентрации неравновесных носителей

зар да в пластине кремни  с бипол рной электропроводностью в услови х одноосной деформации. Перераспределение носителей зар да происходит в направлении перпендикул рном направлению протеканию тока.

Схематично процесс возникновени  этого эффекта показан на фиг.1, 2. Сечение поверхностей равной электропроводности изображены на фиг.1, 2 пунктиром, о- механическое напр жение Там же показаны кристаллографические направлени , вдоль которых пропускаетс  электрический ток и осуществл етс  одноосна  деформаци . На фиг.3-6 показаны топологии тензотранзм- сторов, в основе работы которых лежит описанный выше эффект. На пластине кремни , ориентированной в плоскости {100} методами интегральной технологии сформирован многоколлекторный тензотранзистор, Число коллекторов и их расположение в базовой области тензотранзистора определ етс  сущностью технической задачи, решаемой преобразователем. На фиг.З, 4 показана топологи  двухколлекторного транзистора с корректирующими электродами. На пластине коемни  р-типа,ориентированной в плоскости (100) выращен эпитаксиальный слой n-типа. Разделительной диффузией 5 сформирована базова  область 1. На кра х базовой области расположены высокопровод щие площадки 2, 6 (п+ -типа).. Площадки ориентированы таким образом, чтобы при приложении к ним электрического напр жени  линии тока в отсутствие механического воздействи  совпадали с кристаллографическим направлением семейства 100 . В пределах базовой области расположены: эмиттер 3, дча рабочих 4 и два корректирующих коллектора 7. Наличие корректирующих коллекторов 7 и площадок 6 носит вспомогательный характер. Первые служат дл  формировани  узкого пучка неравновесных носителей зар да, подобно фокусирующим электродам в кинескопе , а вторые дл  установки нулевого сигнала в отсутствие механического воздействи . На фиг.5, б представлена топологи  двухколлекторного тензотраизистора с низким выходным сопротивлением. Тензотранзистор расположен на пластине кремни , ориентированной в плоскости {100}. Базова  область сформирована разделительной диффузией 5 в пластине кремни  1 дл  определени  р-типа с выращенным на ней эпитаксиальным слоем n-тапов. На кра х базовой области расположены высокопровод щие площадки 2. Их ориентаци  относительно кристаллографических осей така  же как и в предыдущем случае, В пределах

базовой области наход тс : эмиттер 3. две коллекторные области 4. Дл  повышени  коэффициента собирани , а следовательно, повышени  величины выходного тока, пло- щадь коллектора увеличена. Тензотранзистор располагаетс  на мембране таким образом, чтобы при механическом воздействии на мембрану его базова  область испы- тывала одноосную деформацию в

кристаллографическом направлении семейства 110 . Конструкции мембран, отвечающие этому условию, показаны нафиг.7-10. Конструкци  мембраны на фиг,7. Тензотранзистор расположен в центре пр моугольной мембраны однородной толщины, стороны которой ориентированы вдоль направлений 110 . Конструкци  мембраны на фиг.З. Тензотранзистор расположен в центре пр моугольной 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. Конструкци  мембраны на фиг.9. Транзистор расположен между двум  жесткими и симметричными относительно центра мембраны област ми в виде островков, образующих канавку, продольна  ось которой ориентирована вдоль направлени  110 . Конструкци  мембраны на фиг. 10. Тензотранзистор расположен у кра  квадратной мембраны однородной толщины возле середины одной из ее сторон, причем стороны мембраны ориентированы вдоль направл ющей 110 , Изобретение иллюстрируетс  следующими примерами. Схемы включени  тензотранзисторов показаны на фиг.11-12,

Уровень инжекции неравновесных носителей определ етс  величиной сопротивлени  R3. Выходной сигнал равен разности падений напр жени  на сопротивлени х RK.

Работает преобразователь следующим образом.

В отсутствие механического воздействи  выходной сигнал 1), т.к. через коллекторные цепи будут течь токи одинаковой

величины. Если по какой-то причине токи коллекторов не равны, то выбором, например , сопротивлений RK можно добитьс  . Дл  чувствительного элемента с топологией , изображенной на фиг.З, 4, получить ивых-0 можно подачей электрического напр жени  EI соответствующей пол рности (см. фиг. 12). При подаче давлени  на мембрану носители зар  да будут отклон тьс  к одному из коллекторов. Вследствие этого ток этого коллектора будет расти, а

другого уменьшатьс  и на выходе по витс  сигнал разбаланса коллекторных цепей. Конструкци  преобразовател  на фиг. 12, позвол ет выбором величины сопротивлени  Нф формировать ширину канала в пределах которого дрейфуют носители зар да. Уровень инжекции носителей зар да, кроме как выбором величины R9. можно регулировать измен   величину Рр(фиг.11,12). Через это сопротивление p-n-переход, отдел ющий базовую область от материала мембраны , смещаетс  в обратном направлении и экстрагирует неравновесные неосновные носители зар да из базовой области. С изменением величины Rp будет происходить измерение эффективной длины диффузии неравновесных носителей зар да. Положение тензотранзистора на мембране показано на фиг.7-10 пр моугольником 1.

Claims (6)

1. Таким образом, главным техническим преимуществом за вл емого объекта по сравнению с известными техническими решени ми ,  вл етс  более высока  чувствительность (более чем на пор док превосход ща  приведенную чувствительность известных конструкций преобразователей при прочих равных услови х). Формула изобретени  1. Интегральный преобразователь давлени , содержащий выполненную за одно целое с основанием кремниевую мембрану, ориентированную в плоскости {100} и, расположенный на ее пленарной поверхности интегральный тензотранзисторге котором эмиттер расположен внутри базовой области , тип проводимости которой отличен от типа проводимости материала мембраны, отличающийс  тем, что; с целью увеличени  тензочувствительности, на кра х 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 коллекторна  область, причем базова  область расположена в одноосно деформируемой, в кристаллографическом направлении семейства 110 части мембраны .
2. 2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что в нем мембрана выполнена пр моугольной, однородной толщины, стороны мембраны ориентированы вдоль

   направлений 110 , а базова  область тензотранзистора расположена в ее центре .
3. 3.Преобразователь по п,1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что в нем мембрана выполнена

   пр моугольной, ее стороны ориентированы вдоль направлений 110 , причем две противоположные стороны мембраны жестко защемлены в основании, две другие стороны отделены от него узкими полосами, толщина мембраны в которых меньше толщины ее центральной части, а базова  область тензотранзистора расположена в центре мембраны.
4. 4.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что в нем мембрана выполнена

   квадратной, однородной толщины, ее стороны ориентированы вдоль направлений 110 , а базова  область тензотранзистора расположена у кра  мембраны посредине одной из ее сторон.
5. 5.Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что в ним мембрана выполнена с двум  жесткими и симметричными относительно ее центра област ми в виде островков , которыми образована канавка, продольна  ось которой ориентирована вдоль направлени  110 , а базова  область тензотранзистора расположена в канавке .
6. 6.Преобразователь по пп.1-5, отл и- чающийс  тем, что эмиттер расположен у одной из основных площадок повышенной

   проводимости, его центр размещен на оси, проход щей 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.

   1783331

   ч /

   V

   /

   СОЮЗ

   / Ч

   100

   /

   /

   Фиг. 2

   ч

   Фиг Л

   ф

   X

   /

   ЪФО

   Фиг.З

   Фиг.4

   z S

   ЈT

   e««ftge

   Фиг. 5

   Фиг. 6

   010 J

   Фиг. 7

   I

   I

   Ml

   8

   I

   li ij i|li

   K

   ь ил-

   С1ЮЗ

   Зиг.8

   i

   Фиг. 9

   IJ-A -

   Hfcvrjrsb

   ч #

   4

   Фиг.10

   t

   I

   X