RU187760U1 - Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора - Google Patents
Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора Download PDFInfo
- Publication number
- RU187760U1 RU187760U1 RU2018146508U RU2018146508U RU187760U1 RU 187760 U1 RU187760 U1 RU 187760U1 RU 2018146508 U RU2018146508 U RU 2018146508U RU 2018146508 U RU2018146508 U RU 2018146508U RU 187760 U1 RU187760 U1 RU 187760U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- type
- conductivity
- transistor
- aluminum metallized
- membrane
- 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 65
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 36
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 241001634830 Geometridae Species 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing 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 тремя жесткими центрами 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 утоненной части мембраны между жесткими центрами и утолщенной части мембраны, а также вдоль двух областей механических напряжений растяжения на утоненной части мембраны между двумя соседними жесткими центрами мембраны. Высокое значение разбаланса выходного сигнала схемы измерения при подаче давления и его отсутствия достигается благодаря использованию на оборотной стороне кристалла квадратной кремниевой мембраны трёх жестких центров и расположению тензорезисторов на утоненной части мембраны вдоль границы концентрации напряжений между утолщенной частью и жестким центром мембраны, а также на утоненной части мембраны вдоль границы концентрации напряжений между двумя соседними жесткими центрами мембраны. Техническим результатом полезной модели является увеличение выходной чувствительности 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 низкая выходная чувствительность чувствительного элемента. Конструкция имеет низкую чувствительность от давления поскольку оборотная механическая сторона со сформированным тонким упругим элементом не содержит трёх концентраторов в виде жестких центров и на лицевой стороне расположено меньшее количество тензорезисторов вдоль границы концентрации механических напряжений.
Техническим результатом полезной модели является увеличение выходной чувствительности чувствительного элемента.
Технический результат достигается тем, что интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора, 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 сформированы в квадратной кремниевой мембране три жестких центра и границы между утолщённой частью, утоненной частью и тремя жесткими центрами мембраны являются местами концентрации механических напряжений, где первый и второй тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и первым жестким центром мембраны; третий и четвертый тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между первым и вторым жестким центром мембраны; пятый и шестой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между вторым и третьим жестким центром мембраны; седьмой и восьмой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между третьим жестким центром и утолщенной 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;
21.1, 21.2, 21.3 – первый, второй и третий 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 высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора 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 трёх жестких центров 21.1, 21.2, 21.3. Места соединения элементов мембраны 18 образуют места концентрации механических напряжений. Геометрические размеры элементов мембраны 18 могут быть любыми.
Квадратная кремниевая мембрана 18 с тремя жесткими центрами 21.1, 21.2, 21.3 создается анизотропным травлением; жесткие центры 21.1, 21.2, 21.3 мембраны 18 могут иметь как прямоугольное, 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, и второй тензорезистор 8, присоединенный к базовой области 1 первого транзистора 26, были расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью 19 и первым жестким центром 21.1 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, были расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между первым 21.1 и вторым жестким центром 21.2 квадратной кремниевой мембраны 18; 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 вторым 21.2 и третьим жестким центром 21.3 квадратной кремниевой мембраны 18; 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 третьим жестким центром 21.3 и утолщенной частью 19 квадратной кремниевой мембраны 18, где первый 21.1, второй 21.2 и третий жесткий центр 21.3 квадратной кремниевой мембраны 18; имеющие одинаковые прямоугольные формы могут быть любых геометрических размеров с соотношением сторон 2:3, где большая сторона соосна большей стороне тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, расположенные симметрично относительно направляющих соосных граням чувствительного элемента и проходящих через геометрический центр чувствительного элемента и имеющие на утоненной части 20 квадратной кремниевой мембраны 18 равные расстояния между утолщенной частью 19 и первым жестким центром 21.1 квадратной кремниевой мембраны 18, между первым 21.1 и втором жестким центром 21.2 квадратной кремниевой мембраны 18, вторым 21.2 и третьим жестким центром 21.3 квадратной кремниевой мембраны 18, и третьим жестким центром 21.3 и утолщенной частью 19 квадратной кремниевой мембраны 18. Первый 21.1, второй 21.2 и третий жесткий центр 21.3, а также 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 подаче измеряемого давления на чувствительный элемент происходит воздействие на мембрану 18, которая, изгибаясь, деформирует тензорезисторы 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 р-типа проводимости, расположенные на лицевой стороне чувствительного элемента, сформированные в эпитаксиальной области 22 n-типа проводимости на подложке 23 p+-типа проводимости и покрытые слоем изоляции 25 из диоксида кремния. При этом тензорезисторах 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 возникает тензоэффект, то есть в тензорезисторах 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 изменяется сопротивление, и, соответственно, увеличивается разбаланс измерительной схемы, в которую объединены транзисторы 26, 27, расположенные на утолщенной части 19 квадратной кремниевой мембраны 18 и изолированные разделительной областью 24.1, 24.2 p+-типа проводимости, 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. 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 подаче измеряемого давления на чувствительный элемент есть разница между электрическими потенциалами на алюминиевых металлизированных контактных площадках 17.1 и 17.2.
Для увеличения чувствительности 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 увеличить выходную чувствительность и снизить температурную зависимость выходного сигнала 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.
Величина разбаланса выходного сигнала измерительной схемы чувствительного элемента при наличии и отсутствии подаваемого давления со стороны мембраны изменяется благодаря разнице тензочувствительности первого тензорезистора 7, присоединенного к коллекторной области 2 первого транзистора 26, и второго тензорезистора 8, присоединенного к базовой области 1 первого транзистора 26, расположенных вдоль границы концентрации механических напряжений сжатия между утолщенной частью 19 и первым жестким центром 21.1 квадратной кремниевой мембраны 18; седьмого тензорезистора 13, присоединенного к базовой области 4 второго транзистора 27, и восьмого тензорезистора 14, присоединенного к эмиттерной области 6 второго транзистора 27, расположенных вдоль границы концентрации механических напряжений сжатия между третьим жестким центром 21.3 и утолщенной частью 19 квадратной кремниевой мембраны 18; и тензочувствительности третьего тензорезистора 9, присоединенного к базовой области 1 первого транзистора 26, и четвертого тензорезистора 10, присоединенного к эмиттерной области 3 первого транзистора 26, расположенных вдоль границы концентрации механических напряжений растяжения между первым 21.1 и вторым жестким центром 21.2 квадратной кремниевой мембраны 18; пятого тензорезистора 11, присоединенного к коллекторной области 5 второго транзистора 27, и шестого тензорезистора 12, присоединенного к базовой области 4 второго транзистора 27, расположенных вдоль границы концентрации механических напряжений растяжения между вторым 21.2 и третьим жестким центром 21.3 квадратной кремниевой мембраны 18. При подаче давления со стороны мембраны 18 происходит увеличение сопротивления первого 7, второго 8, седьмого 13 и восьмого тензорезистора 14, а также уменьшение сопротивления третьего 9, четвертого 10, пятого 11 и шестого тензорезистора 12, расположенных на утоненной части 20 квадратной кремниевой мембраны 18, что в совокупности понижает электрический потенциал на алюминиевой металлизированной контактной площадке 17.1 и повышает электрический потенциал на алюминиевой металлизированной контактной площадке 17.2. Величина разбаланса выходного сигнала измерительной схемы чувствительного элемента при наличии и отсутствии подаваемого давления есть разница между электрическими потенциалами на алюминиевых металлизированных контактных площадках 17.1 и 17.2.
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно увеличение выходной чувствительности чувствительного элемента.
Claims (1)
- Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора, 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 сформированы в квадратной кремниевой мембране три жестких центра и границы между утолщённой частью, утоненной частью и тремя жесткими центрами мембраны являются местами концентрации механических напряжений, где первый и второй тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и первым жестким центром мембраны; третий и четвертый тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между первым и вторым жестким центром мембраны; пятый и шестой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между вторым и третьим жестким центром мембраны; седьмой и восьмой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между третьим жестким центром и утолщенной частью мембраны, а также транзисторы расположены на утолщенной части мембраны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146508U RU187760U1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018146508U RU187760U1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU187760U1 true RU187760U1 (ru) | 2019-03-18 |
Family
ID=65759218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018146508U RU187760U1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU187760U1 (ru) |
Cited By (2)
| 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 |
| 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 |
| US6006607A (en) * | 1998-08-31 | 1999-12-28 | Maxim Integrated Products, Inc. | Piezoresistive pressure sensor with sculpted diaphragm |
| RU2469437C1 (ru) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром |
| RU2555190C1 (ru) * | 2014-03-20 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Полупроводниковый преобразователь давления |
| RU167464U1 (ru) * | 2016-08-11 | 2017-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления с датчиком 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 RU2018146508U patent/RU187760U1/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 |
| US6006607A (en) * | 1998-08-31 | 1999-12-28 | Maxim Integrated Products, Inc. | Piezoresistive pressure sensor with sculpted diaphragm |
| RU2469437C1 (ru) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром |
| RU2555190C1 (ru) * | 2014-03-20 | 2015-07-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Полупроводниковый преобразователь давления |
| 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 |
| RU167464U1 (ru) * | 2016-08-11 | 2017-01-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления с датчиком температуры |
Cited By (2)
| 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 |
| 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 |
|---|---|---|
| RU167464U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления с датчиком температуры | |
| RU187746U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией | |
| US10775248B2 (en) | MEMS strain gauge sensor and manufacturing method | |
| RU174159U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора | |
| US7992448B2 (en) | Mechanical-quantity measuring device | |
| 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 | |
| RU187760U1 (ru) | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора | |
| 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 | |
| JPS59136977A (ja) | 圧力感知半導体装置とその製造法 | |
| RU195159U1 (ru) | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора | |
| RU195160U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией | |
| US3213681A (en) | Shear gauge pressure-measuring device | |
| RU167463U1 (ru) | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления | |
| US3161844A (en) | Semiconductor beam strain gauge | |
| US9557230B2 (en) | SiC high temperature pressure transducer | |
| Wu et al. | An integrated pressure transducer for biomedical applications | |
| RU2730890C1 (ru) | Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления | |
| JPS60253279A (ja) | 半導体歪み測定器 | |
| RU2278447C2 (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 | |
| RU2437185C2 (ru) | Интегральный магнитотранзисторный датчик с цифровым выходом | |
| CN217276630U (zh) | 一种低压mems压力传感器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20201227 |