RU187746U1 - Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией - Google Patents
Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией Download PDFInfo
- Publication number
- RU187746U1 RU187746U1 RU2018146505U RU2018146505U RU187746U1 RU 187746 U1 RU187746 U1 RU 187746U1 RU 2018146505 U RU2018146505 U RU 2018146505U RU 2018146505 U RU2018146505 U RU 2018146505U RU 187746 U1 RU187746 U1 RU 187746U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- type
- conductivity
- transistor
- aluminum metallized
- strain gauge
- Prior art date
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 93
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 91
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 40
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 26
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 6
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 abstract 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 241001634830 Geometridae Species 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
- G01L9/0004—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using variations in inductance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики, представляет собой интегральный чувствительный элемент преобразователя давления и может быть использована в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал. Интегральный элемент сформирован на кремниевом кристалле, имеющем эпитаксиальный слой n-типа проводимости и подложку p+-типа проводимости, включает мембрану с жестким центром и схему измерения, где имеется два биполярных транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, изолированных друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и восемь тензорезисторов p-типа проводимости, образующих соединение в виде дифференциального каскада с отрицательной обратной связью. Недеформируемые транзисторы соединены алюминиевыми металлизированными дорожками и перемычками p+-типа проводимости с тензорезисторами разных знаков чувствительности при подаче давления со стороны мембраны, расположенных вдоль двух областей механических напряжений сжатия на между утоненной частью и утолщенной части мембраны, а также вдоль двух областей механических напряжений растяжения между утонённой частью и жестким центром мембраны. Снижение зависимости выходного сигнала измерительной схемы при воздействии температуры происходит благодаря балансному изменению сопротивлений всех тензорезисторов, образующих соединение в виде отрицательной обратной связи, стабилизирующие температурную зависимость изменения электрического потенциала p-n-перехода между базовыми и эмиттерными областями транзисторов, вследствие которого снижается резкое изменение вольт-амперных характеристик транзисторов и происходит термокомпенсация всей измерительной схемы. Техническим результатом полезной модели является снижение температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента. 6 ил.
Description
Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал.
Известен интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора, состоящий из оборотной механической стороны с утолщённой частью, утоненной частью и одним жестким центром, сформированными путем глубокого анизотропного травления, где первый тензотранзистор, второй и третий тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром и утоненной частью мембраны, а второй тензотранзистор, первый и четвертый тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и утоненной частью мембраны, и лицевой стороны, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальной слое n-типа проводимости на подложке p+-типа проводимости два тензотранзистора n-p-n-типа проводимости, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и четыре тензорезистора p-типа проводимости, объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычкой p+-типа проводимости, образуют схему, где базовая область p-типа проводимости первого тензотранзистора соединяется с базовой областью p-типа проводимости второго тензотранзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого тензотранзистора, перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между перемычкой p+-типа проводимости и первым тензорезистором, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым тензорезистором и вторым тензорезистором, вторым тензорезистором и алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго тензотранзистора, коллекторная область n-типа проводимости первого тензотранзистора соединяется с коллекторной областью n-типа проводимости второго тензотранзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n-типа проводимости первого тензотранзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим тензорезистором и четвертым тензорезистором, четвертым тензорезистором и алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n-типа проводимости второго тензотранзистора, эмиттерная область n+-типа проводимости первого тензотранзистора соединяется с эмиттерной областью n+-типа проводимости второго тензотранзистора алюминиевой металлизированной дорожкой. Патент РФ на полезную модель № 174159, МПК H01L 19/84, G01L 9/04, 06.10.2017. Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является высокая температурная зависимость выходного сигнала чувствительного элемента. Конструкции имеет высокую температурную зависимость, поскольку вольт-амперные характеристики биполярного транзистора резко меняются от температуры без наличия дополнительных элементов в виде резисторов, образующих соединение на подобии отрицательной обратной связи.
Техническим результатом полезной модели является снижение температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента.
Технический результат достигается тем, что интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, где на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, которая состоит из утолщённой части, утоненной части, жесткого центра, границы между которыми являются местами концентрации механических напряжений, толщина утоненной части квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, и на лицевой стороне, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальной слое n-типа проводимости на подложке p+-типа проводимости два тензотранзистора n-p-n-типа проводимости, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и четыре тензорезистора p-типа проводимости, объединенные в схему алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычкой p+-типа проводимости, на лицевой стороне чувствительного элемента сформированные два биполярных транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости и восемь тензорезисторов p-типа проводимости, объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычками p+-типа проводимости, образуют схему, где базовая область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с базовой областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости первого транзистора, вторым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой перемычкой p+-типа проводимости и вторым тензорезистором, первой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой и третьей перемычкой p+-типа проводимости, третьей перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьей перемычкой p+-типа проводимости и шестым тензорезистором, шестым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости второго транзистора; а также алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости первого транзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, седьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости второго транзистора; коллекторная область p-типа проводимости первого транзистора соединяется с коллекторной областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области p-типа проводимости первого транзистора, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым и пятым тензорезистором, пятым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области p-типа проводимости второго транзистора; эмиттерная область p-типа проводимости первого транзистора соединяется с эмиттерной областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области p-типа проводимости первого транзистора, четвертым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй перемычкой p+-типа проводимости и четвертым тензорезистором, второй перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычкой p+-типа проводимости, четвертой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между четвертой перемычкой p+-типа проводимости и восьмым тензорезистором, восьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области p-типа проводимости второго транзистора; при этом алюминиевая металлизированная дорожка между первой и третьей перемычкой p+-типа проводимости соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычкой p+-типа проводимости, а также алюминиевая металлизированная дорожка между первым и пятым тензорезистором соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, и на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована квадратная кремниевая мембрана, границы между утолщённой частью, утоненной частью и жестким центром мембраны являются местами концентрации механических напряжений, где первый, второй, седьмой и восьмой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и утоненной частью мембраны, третий, четвертый, пятый и шестой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром и утоненной частью мембраны, а также транзисторы расположены на утолщенной части мембраны.
Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1–6.
На фиг. 1 представлена топология лицевой стороны чувствительного элемента.
На фиг. 2 представлена топология квадратной кремниевой мембраны на оборотной механической стороне.
На фиг. 3 представлена электрическая измерительная схема чувствительного элемента.
На фиг. 4 представлена увеличенная область топологии.
На фиг. 5 представлена структура p-n переходов чувствительного элемента (разрез А-А на фиг.1).
На фиг. 6 представлена структура p-n переходов чувствительного элемента (разрез Б-Б на фиг.1).
Цифрами на чертежах обозначены:
1 – базовая область n+-типа первого транзистора;
2 – коллекторная область p-типа первого транзистора;
3 – эмиттерная область p-типа первого транзистора;
4 – базовая область n+-типа второго транзистора;
5 – коллекторная область p-типа второго транзистора;
6 – эмиттерная область p-типа второго транзистора;
7 – первый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области первого транзистора;
8 – второй тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого транзистора;
9 – третий тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого транзистора;
10 – четвертый тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области первого транзистора;
11 – пятый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области второго транзистора;
12 – шестой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго транзистора;
13 – седьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго транзистора;
14 – восьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области второго транзистора;
15.1, 15.2, 15.3, 15.4 – первая, вторая, третья и четвертая перемычка p+-типа;
16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 – алюминиевые металлизированные дорожки;
17.1, 17.2, 17.3, 17.4 - алюминиевые металлизированные контактные площадки;
18 – квадратная кремниевая мембрана;
19 – утолщенная часть мембраны;
20 – утоненная часть мембраны;
21 – жесткий центр мембраны;
22 – эпитаксиальный слой n-типа;
23 – кремниевая подложка p+-типа;
24.1, 24.2 – разделительная область p+-типа;
25 - слой изоляции из диоксида кремния;
26 – первый транзистор p-n-p;
27 – второй транзистор p-n-p.
Интегральный элемент – это совокупность электрически связанных компонентов, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке, т.е. элемент выполнен по планарной технологии. Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией сформирован на кристалле, имеющем эпитаксиальный слой 22 n-типа проводимости и подложку 23 p+-типа проводимости, и состоит из лицевой стороны, покрытой слоем изоляции 25 из диоксида кремния, отделяющий первый и второй биполярный транзистор 26, 27 с горизонтальной структурой p-n-p-типа разделительными областями 24.1, 24.2 p+-типа в эпитаксиальном слое 22 n-типа друг от друга и от внешней среды, и оборотной механической стороны. На оборотной механической стороне чувствительного элемента находится квадратная кремниевая мембрана 18, состоящая из утолщённой части 19, утоненной части 20 и жесткого центра 21. Места соединения элементов мембраны 18 образуют места концентрации механических напряжений. Геометрические размеры элементов мембраны 18 могут быть любыми.
Квадратная кремниевая мембрана 18 с жестким центром 21 создается анизотропным травлением и может иметь как квадратное, так и другое сечение. Исходя из экспериментальных результатов, толщина утоненной части 20 квадратной кремниевой мембраны 18 в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 20 мкм до значения, равного половине толщины чувствительного элемента. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 20 мембраны 18. Изготовление утоненной части 20 мембраны 18 толщиной менее 20 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 20 мембраны 18 существенно падает чувствительность преобразователя.
Устройство содержит на лицевой стороне чувствительного элемента, покрытой слоем изоляции 25 из диоксида кремния, сформированные по планарной технологии в эпитаксиальном слое 22 n-типа проводимости на подложке 23 p+-типа проводимости, два транзистора 26, 27 и восемь тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 с алюминиевыми металлизированными контактными площадками 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 и четырьмя перемычками 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p+-типа в схему, где базовая область 1 n+-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с базовой областью 4 n+-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.2 от базовой области 1 n+-типа проводимости первого транзистора 26, вторым тензорезистором 8, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.8 между первой перемычкой 15.1 p+-типа проводимости и вторым тензорезистором 8, первой перемычкой 15.1 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.9 между первой 15.1 и третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости, третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.12 между третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости и шестым тензорезистором 12, шестым тензорезистором 12, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.5 от базовой области 4 n+-типа проводимости второго транзистора 27; а также алюминиевой металлизированной дорожкой 16.2 от базовой области 1 n+-типа проводимости первого транзистора 26, третьим тензорезистором 9, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.11 между третьим 9 и седьмым тензорезистором 13, седьмым тензорезистором 13, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.5 от базовой области 4 n+-типа проводимости второго транзистора 27; коллекторная область 2 p-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с коллекторной областью 5 p-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.1 от коллекторной области 2 p-типа проводимости первого транзистора 26, первым тензорезистором 7, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.7 между первым 7 и пятым тензорезистором 11, пятым тензорезистором 11, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.4 от коллекторной области 5 p-типа проводимости второго транзистора 27; эмиттерная область 3 p-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с эмиттерной областью 6 p-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.3 от эмиттерной области 3 p-типа проводимости первого транзистора 26, четвертым тензорезистором 10, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.10 между второй перемычкой 15.2 p+-типа проводимости и четвертым тензорезистором 10, второй перемычкой 15.2 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.13 между второй 15.2 и четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости, четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.14 между четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости и восьмым тензорезистором 14, восьмым тензорезистором 14, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.6 от эмиттерной области 6 p-типа проводимости второго транзистора 27; при этом алюминиевая металлизированная дорожка 16.9 между первой 15.1 и третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой 16.13 между второй 15.2 и четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости, а также алюминиевая металлизированная дорожка 16.7 между первым 7 и пятым тензорезистором 11 соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой 16.11 между третьим 9 и седьмым тензорезистором 13; или в схему, где имеется два транзистора 26, 27, коллекторные области 2 и 5 которых соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 с первым 7 и пятым тензорезисторами 11, базовые области 1 и 4 соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 и перемычками 15 p+-типа проводимости со вторым 8 и шестым тензорезисторами 12, а также базовые области 1 и 4 соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 с третьим 9 и седьмым тензорезисторами 13, и эмиттерные области 3 и 6 соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 и перемычками 15 p+-типа проводимости с четвертым 10 и восьмым тензорезисторами 14 между собой. Для ввода и вывода электрического сигнала схемы служат алюминиевые металлизированные контактные площадки 17.1, 17.2, 17.3 и 17.4. Транзисторы изолированы друг от друга разделительными областями 24.1, 24.2, сформированными из кремния p+-типа проводимости в эпитаксиальной области 22 n-типа. Первый 26 и второй транзистор 27 с горизонтальной структурой p-n-p-типа расположены на утолщенной части 19 квадратной кремниевой мембраны 18, первый тензорезистор 7, присоединенный к коллекторной области 2 первого транзистора 26, второй тензорезистор 8, присоединенный к базовой области 1 первого транзистора 26, седьмой тензорезистор 13, присоединенный к базовой области 4 второго транзистора 27, и восьмой тензорезистор 14, присоединенный к эмиттерной области 6 второго транзистора 27, были расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью 19 и утоненной частью 20 квадратной кремниевой мембраны 18, третий тензорезистор 9, присоединенный к базовой области 1 первого транзистора 26, и четвертый тензорезистор 10, присоединенный к эмиттерной области 3 первого транзистора 26, пятый тензорезистор 11, присоединенный к коллекторной области 5 второго транзистора 27, и шестой тензорезистор 12, присоединенный к базовой области 4 второго транзистора 27, были расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром 21 и утоненной частью 20 квадратной кремниевой мембраны 18, где жесткий центр 21 квадратной кремниевой мембраны 18, имеющий квадратную форму может быть любых геометрических размеров, расположен симметрично относительно направляющих соосных граням чувствительного элемента и проходящих через геометрический центр чувствительного элемента. Жесткий центр 21 и утолщенная часть 19 квадратной кремниевой мембраны 18, грани пересечения которых с утоненной частью 20 квадратной кремниевой мембраны 18, расположенные параллельно, образуют области механических напряжений.
Устройство работает следующим образом.
При воздействии температуры на чувствительный элемент происходит изменение вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов 26, 27 с горизонтальной структурой p-n-p-типа, изолированных разделительной областью 24.1, 24.2 p+-типа проводимости и расположенных на утолщенной части 19 квадратной кремниевой мембраны 18, и сопротивления тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 р-типа проводимости, сформированные на лицевой стороне чувствительного элемента в эпитаксиальной области 22 n-типа проводимости на подложке 23 p+-типа проводимости и покрытых слоем изоляции 25 из диоксида кремния и расположенные вдоль границ концентраций механических напряжений на утоненной части 20 между жестким центром 21 и утолщенной частью 19 квадратной кремниевой мембраны 18, и, соответственно, увеличивается разбаланс измерительной схемы, в которую объединены транзисторы 26, 27 и тензорезисторы 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, алюминиевые металлизированные дорожки 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 и перемычки 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p+-типа. Величина разбаланса снимается в виде выходного сигнала с помощью алюминиевых металлизированных дорожек 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 и алюминиевых металлизированных контактных площадок 17.1, 17.2, 17.3, 17.4. Измерительная схема имеет один контакт для напряжения питания, подаваемое на алюминиевую металлизированную контактную площадку 17.4, и контакт для подачи потенциала земли на алюминиевой металлизированной контактной площадке 17.3. Величина разбаланса выходного сигнала измерительной схемы чувствительного элемента при воздействии температуры есть разница между электрическими потенциалами на алюминиевых металлизированных контактных площадках 17.1 и 17.2. Увеличение разбаланса измерительной схемы при воздействии температуры на чувствительный элемент является отрицательным фактором, вызывающим погрешность при измерении величины разбаланса выходного сигнала измерительной схемы чувствительного элемента при наличии и отсутствии подаваемого давления.
Для снижения температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента сопротивления тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 должны иметь определенные номинальные значения, при этом номинальное значение сопротивление первого тензорезистора 7 равно номинальному значению сопротивления пятого тензорезистора 11, номинальное значение сопротивление второго тензорезистора 8 равно номинальному значению сопротивления шестого тензорезистора 12, номинальное значение сопротивление третьего тензорезистора 9 равно номинальному значению сопротивления седьмого тензорезистора 13, номинальное значение сопротивление четвертого тензорезистора 10 равно номинальному значению сопротивления восьмого тензорезистора 14, аналитический расчет которых проводится с помощью цепочки формул:
где γ – коэффициент, определяющий балансное соотношение между способностью электрической схемы снизить температурную зависимость выходного сигнала и увеличить выходную чувствительность чувствительного элемента; R7,11 – номинальное значение сопротивления первого 7 и пятого тензорезистора 11; R8,12 – номинальное значение сопротивления второго 8 и шестого тензорезистора 12; R9,13 – номинальное значение сопротивления третьего 9 и седьмого тензорезистора 13; R10,14 – номинальное значение сопротивления четвертого 10 и восьмого тензорезистора 14; β26,27 – одинаковое номинальное значение коэффициента усиления по току для первого 26 и второго транзистора 27 p-n-p-типа проводимости с горизонтальной структурой; Uпит – номинальное значение напряжения питания электрической схемы чувствительного элемента; U0 – номинальное значение напряжения выходного сигнала электрической схемы чувствительного элемента; I7,11 – одинаковое номинальное значение тока для первого 7 и пятого тензотранзистора 11; I10,14 – одинаковое номинальное значение тока для четвертого 10 и восьмого тензотранзистора 14; UБК – одинаковое номинальное значение напряжения между базовой областью 1 первого транзистора 26 и коллекторной областью 2 первого транзистора 26, а также базовой областью 4 второго транзистора 27 и коллекторной областью 5 второго транзистора 27; UБЭ – одинаковое номинальное значение напряжения между базовой областью 1 первого транзистора 26 и эмиттерной областью 3 первого транзистора 26, а также базовой областью 4 второго транзистора 27 и эмиттерной областью 6 второго транзистора 27. Для технологической реализации тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 с помощью использования единого уровня легирования областей на чувствительном элементе с определенными номинальными значениями сопротивлений геометрия фигуры первого 7 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры пятого 11 тензорезистора, геометрия фигуры второго 8 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры шестого 12 тензорезистора, геометрия фигуры третьего 9 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры седьмого 13 тензорезистора и геометрия фигуры четвертого 10 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры восьмого 12 тензорезистора, при этом попарно геометрия фигуры первого 7 и пятого тензорезистора 11, геометрия фигуры второго 8 и шестого тензорезистора 12, геометрия фигуры третьего 9 и седьмого тензорезистора 13, геометрия фигуры четвертого 10 и восьмого тензорезистора 12 отличаются друг от друга, т.к. для достижения требуемого технологической реализации тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 с помощью использования единого уровня легирования областей на чувствительном элементе геометрия тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 характеризует значения требуемых номинальных значений сопротивлений.
Снижение температурной зависимости величины разбаланса выходного сигнала измерительной схемы при воздействии температуры происходит благодаря сбалансированному изменению сопротивления первого тензорезистора 7, присоединенного к коллекторной области 2 первого транзистора 26, второго тензорезистора 8, присоединенного к базовой области 1 первого транзистора 26, третьего тензорезистора 9, присоединенного к базовой области 1 первого транзистора 26, и четвертого тензорезистора 10, присоединенного к эмиттерной области 3 первого транзистора 26, пятого тензорезистора 11, присоединенного к коллекторной области 5 второго транзистора 27, шестого тензорезистора 12, присоединенного к базовой области 4 второго транзистора 27, седьмого тензорезистора 13, присоединенного к базовой области 4 второго транзистора 27, и восьмого тензорезистора 14, присоединенного к эмиттерной области 6 второго транзистора 27, образующих соединение на подобии отрицательной обратной связи, стабилизирующие температурную зависимость изменения электрического потенциала p-n-перехода между базовыми областями 1, 4 n+-типа проводимости и эмиттерными областями 3, 6 p-типа проводимости первого 26 и второго транзисторов 27 с горизонтальной структурой p-n-p-типа, в следствии которого снижается резкое изменение вольт-амперных характеристик первого 26 и второго транзисторов 27 и происходит термокомпенсация всей измерительной схемы.
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно снижение температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента.
Claims (1)
- Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, где на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, которая состоит из утолщённой части, утоненной части, жесткого центра, границы между которыми являются местами концентрации механических напряжений, толщина утоненной части квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, и на лицевой стороне, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальной слое n-типа проводимости на подложке p+-типа проводимости два тензотранзистора n-p-n-типа проводимости, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и четыре тензорезистора p-типа проводимости, объединенные в схему алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычкой p+-типа проводимости, отличающийся тем, что на лицевой стороне чувствительного элемента сформированные два биполярных транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости и восемь тензорезисторов p-типа проводимости, объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычками p+-типа проводимости, образуют схему, где базовая область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с базовой областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости первого транзистора, вторым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой перемычкой p+-типа проводимости и вторым тензорезистором, первой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой и третьей перемычкой p+-типа проводимости, третьей перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьей перемычкой p+-типа проводимости и шестым тензорезистором, шестым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости второго транзистора; а также алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости первого транзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, седьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области n+-типа проводимости второго транзистора; коллекторная область p-типа проводимости первого транзистора соединяется с коллекторной областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области p-типа проводимости первого транзистора, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым и пятым тензорезистором, пятым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области p-типа проводимости второго транзистора; эмиттерная область p-типа проводимости первого транзистора соединяется с эмиттерной областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области p-типа проводимости первого транзистора, четвертым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй перемычкой p+-типа проводимости и четвертым тензорезистором, второй перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычкой p+-типа проводимости, четвертой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между четвертой перемычкой p+-типа проводимости и восьмым тензорезистором, восьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области p-типа проводимости второго транзистора; при этом алюминиевая металлизированная дорожка между первой и третьей перемычкой p+-типа проводимости соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычкой p+-типа проводимости, а также алюминиевая металлизированная дорожка между первым и пятым тензорезистором соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, и на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована квадратная кремниевая мембрана, границы между утолщённой частью, утоненной частью и жестким центром мембраны являются местами концентрации механических напряжений, где первый, второй, седьмой и восьмой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и утоненной частью мембраны, третий, четвертый, пятый и шестой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром и утоненной частью мембраны, а также транзисторы расположены на утолщенной части мембраны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146505U RU187746U1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146505U RU187746U1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU187746U1 true RU187746U1 (ru) | 2019-03-18 |
Family
ID=65759206
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018146505U RU187746U1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU187746U1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU195159U1 (ru) * | 2019-06-13 | 2020-01-16 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора |
| RU195160U1 (ru) * | 2019-06-13 | 2020-01-16 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией |
| US11965797B1 (en) * | 2022-12-01 | 2024-04-23 | Wuxi Sencoch Semiconductor Co., Ltd. | Bipolar transistor type MEMS pressure sensor and preparation method thereof |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1615584A1 (ru) * | 1989-01-13 | 1990-12-23 | Предприятие П/Я А-1891 | Тензометрический преобразователь давлени и способ его изготовлени |
| RU2391640C1 (ru) * | 2009-02-24 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы |
| US8304844B2 (en) * | 2007-11-09 | 2012-11-06 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Pressure measuring device |
| RU2537517C1 (ru) * | 2013-07-03 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" | Полупроводниковый преобразователь давления |
| RU2606550C1 (ru) * | 2015-08-21 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "МСИДАТ" Микросистемы и датчики" | Чувствительный элемент преобразователя давления и температуры |
| RU167463U1 (ru) * | 2016-08-10 | 2017-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления |
-
2018
- 2018-12-26 RU RU2018146505U patent/RU187746U1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1615584A1 (ru) * | 1989-01-13 | 1990-12-23 | Предприятие П/Я А-1891 | Тензометрический преобразователь давлени и способ его изготовлени |
| US8304844B2 (en) * | 2007-11-09 | 2012-11-06 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Pressure measuring device |
| RU2391640C1 (ru) * | 2009-02-24 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы |
| RU2537517C1 (ru) * | 2013-07-03 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" | Полупроводниковый преобразователь давления |
| RU2606550C1 (ru) * | 2015-08-21 | 2017-01-10 | Общество с ограниченной ответственностью "МСИДАТ" Микросистемы и датчики" | Чувствительный элемент преобразователя давления и температуры |
| RU167463U1 (ru) * | 2016-08-10 | 2017-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU195159U1 (ru) * | 2019-06-13 | 2020-01-16 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора |
| RU195160U1 (ru) * | 2019-06-13 | 2020-01-16 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией |
| US11965797B1 (en) * | 2022-12-01 | 2024-04-23 | Wuxi Sencoch Semiconductor Co., Ltd. | Bipolar transistor type MEMS pressure sensor and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU187746U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией | |
| RU167464U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления с датчиком температуры | |
| US7992448B2 (en) | Mechanical-quantity measuring device | |
| US10775248B2 (en) | MEMS strain gauge sensor and manufacturing method | |
| CN104764547B (zh) | 一种浮雕式岛膜应力集中结构微压传感器芯片及制备方法 | |
| CN104729784B (zh) | 一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法 | |
| CN104748904B (zh) | 一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法 | |
| RU174159U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора | |
| RU187760U1 (ru) | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора | |
| US3537319A (en) | Silicon diaphragm with optimized integral strain gages | |
| Basov et al. | Modeling of sensitive element for pressure sensor based on bipolar piezotransistor | |
| RU195160U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией | |
| RU195159U1 (ru) | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора | |
| CN108267262B (zh) | 一种温度自补偿半导体压阻应变计 | |
| US3213681A (en) | Shear gauge pressure-measuring device | |
| RU167463U1 (ru) | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления | |
| US3161844A (en) | Semiconductor beam strain gauge | |
| JP2013124947A (ja) | 半導体圧力センサ | |
| US9557230B2 (en) | SiC high temperature pressure transducer | |
| Wu et al. | An integrated pressure transducer for biomedical applications | |
| RU2687307C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
| RU2362132C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
| CN206523262U (zh) | 一种温度自补偿半导体压阻应变计 | |
| JP5407438B2 (ja) | 半導体装置 | |
| Lee et al. | A bipolar integrated silicon pressure sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20201227 |