RU187760U1 - Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor - Google Patents

Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor Download PDF

Info

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
Application number
RU2018146508U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Викторович Басов
Борис Иванович Химушкин
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа")
Priority to RU2018146508U priority Critical patent/RU187760U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU187760U1 publication Critical patent/RU187760U1/en

Links

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

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.

Figure 00000003
The utility model relates to the field of measurement technology and automation, is an integral sensitive element of the pressure transducer and can be used in small-sized transducers of pressure into an electrical signal. The integral element is formed on a silicon crystal having an n-type epitaxial layer and a p + -type substrate, includes a membrane with three hard centers and a measurement circuit where there are two bipolar transistors with a horizontal pnp-type structure, isolated from each other by dividing areas of silicon p + -type conductivity, and eight p-type strain gages, forming a connection in the form of a differential cascade with negative feedback. Non-deformable transistors are connected by aluminum metallized paths and p + type jumpers with strain gauges of different sensitivity signs when pressure is applied from the side of the membrane located along two areas of mechanical compression stresses on the thinned part of the membrane between the hard centers and the thickened part of the membrane, as well as along two areas of mechanical tensile stresses on the thinned part of the membrane between two adjacent rigid centers of the membrane. A high value of the imbalance of the output signal of the measurement circuit when pressure is applied and its absence is achieved due to the use of three rigid centers on the reverse side of the crystal square silicon membrane and the arrangement of strain gauges on the thinned part of the membrane along the stress concentration boundary between the thickened part and the rigid center of the membrane, as well as on the thinned part membranes along the boundary of stress concentration between two adjacent rigid centers of the membrane. The technical result of the utility model is to increase the output sensitivity of the sensing element. 6 ill.
Figure 00000003

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал.The utility model relates to the field of measuring equipment and automation and can be used in small-sized pressure transducers into an electrical signal.

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.Known integral sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor, consisting of a reverse mechanical side with a thickened part, a thinned part and one rigid center formed by deep anisotropic etching, where the first strain gage, the second and third strain gages are located along the concentration line of mechanical stresses between the hard center and a thinned part of the membrane, and the second strain gage, the first and fourth strain gages are located along the boundary of the concent The mechanical stresses between the thickened part and the thinned part of the membrane and the front side covered with a silicon dioxide insulation layer are formed according to planar technology in an n-type epitaxial layer on a p + -type conductivity substrate, two npn-type conductivity transistors isolated from each other each of the separation regions of silicon p + -type conductivity, and four p-type conductivity strain gauges, combined by aluminum metallized tracks with aluminum metallized contact pads, which serve to input and output an electrical signal, and a jumper of p + type conductivity, form a circuit where the base region of the p-type conductivity of the first strain gage is connected to the base region of the p-type conductivity of the second strain gage by a sequentially aluminum metallized track from the base region p-type conductivity of the first strain gage, jumper of the p + type of conductivity, aluminum metallized track between the jumper of the p + type of conductivity and the first strain gage m, the first strain gauge, an aluminum metallized path between the first strain gauge and the second strain gauge, the second strain gauge and the aluminum metallized path from the base region of the p-type conductivity of the second strain gage, the n-type collector region of the conductivity of the first strain gage is connected to the collector region of the second strain gage of the n-type transistor aluminum metallized track from the collector region of n-type conductivity of the first strain gage, the third with a resistor, an aluminum metallized path between the third strain gauge and the fourth strain gauge, a fourth strain gauge and an aluminum metallized path from the n-type collector region of the second strain gage, the n + type conductivity emitter region of the second strain gage transistor is connected to the second emitter-type resistor of the n + resistor n + track. RF patent for utility model No. 174159, IPC H01L 19/84, G01L 9/04, 10/06/2017. This decision was made as a prototype.

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.The disadvantage of the prototype is the low output sensitivity of the sensing element. The design has a low pressure sensitivity since the reverse mechanical side with the thin elastic element formed does not contain three concentrators in the form of rigid centers and fewer strain gages are located on the front side along the concentration line of mechanical stresses.

Техническим результатом полезной модели является увеличение выходной чувствительности чувствительного элемента.The technical result of the utility model is to increase the output sensitivity of the sensing element.

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.The technical result is achieved by the fact that the integrated highly sensitive element of the pressure transducer based on a bipolar transistor, having a front and a reverse mechanical side, where a square silicon membrane is formed by etching on the reverse mechanical side of the sensitive element, which consists of a thickened part, a thinned part, a hard center, the boundary between which are places of concentration of mechanical stresses, the thickness of the thinned part of the square silicon membrane is from 2 0 μm to half the thickness of the sensing element, and on the front side covered with a layer of silicon dioxide insulation, two npn conductivity strain gages are isolated from each other on the substrate of an n-type conductivity epitaxial layer on a p + type conductivity substrate regions of silicon p + type conductivity, and four strain gauges p-type conductivity, the combined aluminum metallized circuit traces with added thereto aluminum metallized contact n oschadkami which serve for the input and output electrical signal and a jumper p + type conductivity, on the front side of the sensor element formed by two bipolar transistor with a horizontal structure pnp-type conductivity and eight strain gauges p-type conductivity, combined with aluminum metallized tracks connected to aluminum metallic contact pads that serve to input and output an electrical signal, and jumpers p + -type conductivity, form a circuit where The new region of the n + -type of conductivity of the first transistor is connected to the base region of the n + -type of conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized track from the base region of the n + -type of conductivity of the first transistor, the second strain gauge, the aluminum metallized track between the first jumper of the p + type of conductivity and the second strain gauge, the first jumper of the p + type of conductivity, the aluminum metallized track between the first and third jumper of the p + type of conductivity, the third jumper p + - type of conductivity, an aluminum metallized track between the third jumper of the p + type conductivity and the sixth strain gauge, the sixth strain gauge, aluminum metallized track from the base region of the n + type conductivity of the second transistor; as well as an aluminum metallized track from the base region of the n + type conductivity of the first transistor, a third strain gauge, an aluminum metallized track between the third and seventh strain gauge, a seventh strain gauge, an aluminum metallized track from the base region of the n + type conductivity of the second transistor; the collector region of p-type conductivity of the first transistor is connected to the collector region of p-type conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized track from the collector region of p-type conductivity of the first transistor, the first strain gauge, the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauge, the fifth strain gauge, and the aluminum metallized from the p-type collector region of the second transistor; the emitter region of the p-type conductivity of the first transistor is connected to the emitter region of the p-type conductivity of the second transistor in an aluminum metallized path from the emitter region of the p-type conductivity of the first transistor, the fourth strain gauge, the aluminum metallized path between the second jumper of the p + type conductivity and the fourth strain gauge, a second jumper of the p + type of conductivity, an aluminum metallized track between the second and fourth jumper of the p + type of conductivity, four with a p + conductivity type jumper wire, an aluminum metallized path between the fourth p + type conductivity jumper and the eighth strain gauge, the eighth strain gauge, an aluminum metallized path from the p-type emitter region of the second transistor; wherein the aluminum metallized track between the first and third jumper of the p + type conductivity is connected to the aluminum metallized track between the second and fourth jumper of the p + type of conductivity, as well as the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauge is connected to the aluminum metallized track between the third and seventh with a strain gauge, and on the reverse mechanical side of the sensing element, three rigid centers and the boundaries between the thick part, the thinned part and the three rigid centers of the membrane are places of concentration of mechanical stresses, where the first and second strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the thickened part and the first rigid center of the membrane; the third and fourth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the first and second rigid center of the membrane; the fifth and sixth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the second and third rigid center of the membrane; the seventh and eighth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stresses between the third rigid center and the thickened part of the membrane, and transistors are located on the thickened part of the membrane.

Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1–6.The essence of the utility model is illustrated by the drawings of FIG. 1-6.

На фиг. 1 представлена топология лицевой стороны чувствительного элемента.In FIG. 1 shows the topology of the front side of the sensitive element.

На фиг. 2 представлена топология квадратной кремниевой мембраны на оборотной механической стороне.In FIG. 2 shows the topology of a square silicon membrane on the reverse mechanical side.

На фиг. 3 представлена электрическая измерительная схема чувствительного элемента.In FIG. 3 shows an electrical measurement circuit of a sensing element.

На фиг. 4 представлена увеличенная область топологии.In FIG. 4 shows an enlarged area of topology.

На фиг. 5 представлена структура p-n переходов чувствительного элемента (разрез А-А на фиг.1).In FIG. 5 shows the structure of pn junctions of the sensing element (section AA in FIG. 1).

На фиг. 6 представлена структура p-n переходов чувствительного элемента (разрез Б-Б на фиг.1).In FIG. 6 shows the structure of pn junctions of the sensing element (section BB in FIG. 1).

Цифрами на чертежах обозначены:The numbers in the drawings indicate:

1 – базовая область n+-типа первого транзистора;1 - the base region of the n + type of the first transistor;

2 – коллекторная область p-типа первого транзистора;2 - p-type collector region of the first transistor;

3 – эмиттерная область p-типа первого транзистора;3 - p-type emitter region of the first transistor;

4 – базовая область n+-типа второго транзистора;4 - the base region of the n + type of the second transistor;

5 – коллекторная область p-типа второго транзистора;5 - p-type collector region of the second transistor;

6 – эмиттерная область p-типа второго транзистора;6 - p-type emitter region of the second transistor;

7 – первый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области первого транзистора;7 - the first p-type strain gage, which is connected to the collector region of the first transistor;

8 – второй тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого транзистора;8 is a second p-type strain gage that is connected to the base region of the first transistor;

9 – третий тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого транзистора;9 is a third p-type strain gage, which is connected to the base region of the first transistor;

10 – четвертый тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области первого транзистора;10 - the fourth p-type strain gage, which is connected to the emitter region of the first transistor;

11 – пятый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области второго транзистора;11 - the fifth p-type strain gage, which is connected to the collector region of the second transistor;

12 – шестой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго транзистора;12 - the sixth p-type strain gage, which is connected to the base region of the second transistor;

13 – седьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго транзистора;13 is a seventh p-type strain gage which is connected to a base region of a second transistor;

14 – восьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области второго транзистора;14 - the eighth p-type strain gage, which is connected to the emitter region of the second transistor;

15.1, 15.2, 15.3, 15.4 – первая, вторая, третья и четвертая перемычка p+-типа;15.1, 15.2, 15.3, 15.4 - the first, second, third and fourth jumper of the p + type;

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;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 - aluminum metallized tracks;

17.1, 17.2, 17.3, 17.4 - алюминиевые металлизированные контактные площадки;17.1, 17.2, 17.3, 17.4 - aluminum metallized contact pads;

18 – квадратная кремниевая мембрана;18 - square silicon membrane;

19 – утолщенная часть мембраны;19 - a thickened part of the membrane;

20 – утоненная часть мембраны;20 - thinned part of the membrane;

21.1, 21.2, 21.3 – первый, второй и третий жесткий центр мембраны;21.1, 21.2, 21.3 - the first, second and third rigid center of the membrane;

22 – эпитаксиальный слой n-типа;22 - n-type epitaxial layer;

23 – кремниевая подложка p+-типа;23 - silicon substrate p + -type;

24.1, 24.2 – разделительная область p+-типа;24.1, 24.2 - the dividing region of the p + type;

25 - слой изоляции из диоксида кремния;25 - a layer of insulation of silicon dioxide;

26 – первый транзистор p-n-p;26 - the first transistor p-n-p;

27 – второй транзистор p-n-p.27 - the second transistor 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.An integral element is a set of electrically connected components made in a single technological process on a single semiconductor substrate, i.e. The element is made according to planar technology. The integrated high-sensitivity element of the pressure transducer based on a bipolar transistor is formed on a crystal having an n-type epitaxial layer 22 and a p + type conductivity substrate 23, and consists of a front side covered by a silicon dioxide insulation layer 25 separating the first and second bipolar transistor 26, 27 with a horizontal pnp-type structure by p + -type dividing regions 24.1, 24.2 in the n-type epitaxial layer 22 from each other and from the external environment and the reverse mechanical side. On the reverse mechanical side of the sensing element there is a square silicon membrane 18, consisting of a thickened part 19, a thinned part 20 and three rigid centers 21.1, 21.2, 21.3. The junction of the elements of the membrane 18 form a place of concentration of mechanical stresses. The geometric dimensions of the elements of the membrane 18 can be any.

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.A square silicon membrane 18 with three rigid centers 21.1, 21.2, 21.3 is created by anisotropic etching; the rigid centers 21.1, 21.2, 21.3 of the membrane 18 can have both a rectangular and another section. Based on the experimental results, the thickness of the thinned portion 20 of the square silicon membrane 18, depending on the nominal pressure transformed, can vary from 20 μm to a value equal to half the thickness of the sensing element. The higher the nominal pressure to be converted, the thicker the thinned part 20 of the membrane 18 should be. The manufacture of the thinned part 20 of the membrane 18 with a thickness of less than 20 μm leads to its destruction, and when manufacturing a very thick thinned part 20 of the membrane 18, the sensitivity of the converter decreases significantly.

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.The device contains on the front side of the sensitive element coated with a silicon dioxide insulation layer 25 formed by planar technology in an n-type epitaxial layer 22 on a 23 p + type conductivity substrate, two transistors 26, 27 and eight strain gages 7, 8, 9 , 10, 11, 12, 13, 14 united by aluminum metallized tracks 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 with aluminum metallized contact pads 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 and four jumpers 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p + -type to the circuit, where the base region is 1 n The + type of conductivity of the first transistor 26 is connected to the base region 4 of the n + type of conductivity of the second transistor 27 in series with the aluminum metallized track 16.2 from the base region 1 of the n + type of conductivity of the first transistor 26, the second strain gauge 8, the aluminum metallized path 16.8 between the first jumper 15.1 p + -type of conductivity and the second strain gauge 8, the first jumper 15.1 p + -type of conductivity, aluminum metallized track 16.9 between the first 15.1 and the third jumper 15.3 p + -type of conductivity, third jumper 15.3 p + -type of conductivity, aluminum metallized track 16.12 between the third jumper 15.3 p + -type of conductivity and the sixth strain gauge 12, sixth strain gauge 12, aluminum metallized track 16.5 from the base region 4 of the n + -type of conductivity of the second transistor 27; as well as an aluminum metallized track 16.2 from the base region 1 of the n + type of conductivity of the first transistor 26, the third strain gauge 9, an aluminum metallized path 16.11 between the third 9 and the seventh strain gauge 13, the seventh strain gauge 13, an aluminum metallized path 16.5 from the base region 4 n + - the conductivity type of the second transistor 27; the collector region 2 of the p-type conductivity of the first transistor 26 is connected to the collector region 5 of the p-type conductivity of the second transistor 27 in series with the aluminum metallized path 16.1 from the collector region 2 of the p-type conductivity of the first transistor 26, the first strain gauge 7, the aluminum metallized path 16.7 between the first 7 and a fifth strain gauge 11, a fifth strain gauge 11, an aluminum metallized track 16.4 from the collector region 5 of the p-type conductivity of the second transistor 27; the p-type emitter region 3 of the first transistor 26 is connected to the p-type emitter region 6 of the second transistor 27 in series with the aluminum metallized path 16.3 from the p-type emitter region 3 of the first transistor 26, the fourth strain gauge 10, the aluminum metallized path 16.10 between the second jumper 15.2 p + -type of conductivity and the fourth strain gauge 10, the second jumper; 15.2 p + -type of conductivity, the aluminum metallized track 16.13 between the second 15.2 and the fourth jumper th 15.4 p + conductivity type, fourth jumper 15.4 p + conductivity type, aluminum metallized track 16.14 between the fourth jumper 15.4 p + conductivity type and eighth strain gauge 14, eighth strain gauge 14, aluminum metallized path 16.6 from p-type emitter region 6 the conductivity of the second transistor 27; wherein the aluminum metallized track 16.9 between the first 15.1 and the third jumper 15.3 p + conductivity type is connected to the aluminum metallized track 16.13 between the second 15.2 and the fourth jumper 15.4 p + type conductivity, as well as the aluminum metallized track 16.7 between the first 7 and fifth strain gauge 11 connected to an aluminum metallized track 16.11 between the third 9 and the seventh strain gauge 13; or in a circuit where there are two transistors 26, 27, the collector regions 2 and 5 of which are connected by aluminum metallized tracks 16 to the first 7 and fifth strain gauges 11, the base regions 1 and 4 are connected by aluminum metallized tracks 16 and jumpers 15 of a p + type conductivity with the second 8 and sixth strain gauges 12, as well as the base regions 1 and 4 are connected by aluminum metallized tracks 16 with the third 9 and the seventh strain gauges 13, and the emitter regions 3 and 6 are connected by aluminum metallized tracks 16 and jumpers 15 p + -type of conductivity with the fourth 10 and eighth strain gauges 14 among themselves. To input and output the electric signal of the circuit, aluminum metallized contact pads 17.1, 17.2, 17.3 and 17.4 are used. The transistors are isolated from each other by dividing regions 24.1, 24.2, formed of silicon p + -type conductivity in the epitaxial region 22 of n-type. The first 26 and the second transistor 27 with a horizontal pnp-type structure are located on the thickened part 19 of the square silicon membrane 18, the first strain gauge 7 connected to the collector region 2 of the first transistor 26, and the second strain gauge 8 connected to the base region 1 of the first transistor 26 located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the thickened part 19 and the first rigid center 21.1 of the square silicon membrane 18; a third strain gauge 9 connected to the base region 1 of the first transistor 26 and a fourth strain gauge 10 connected to the emitter region 3 of the first transistor 26 were located along the stress concentration line between the first 21.1 and the second hard center 21.2 of the square silicon membrane 18; a fifth strain gauge 11 connected to the collector region 5 of the second transistor 27 and a sixth strain gauge 12 connected to the base region 4 of the second transistor 27 were located along the stress concentration line between the second 21.2 and the third hard center 21.3 of the square silicon membrane 18; a seventh strain gauge 13 connected to the base region 4 of the second transistor 27 and an eighth strain gauge 14 connected to the emitter region 6 of the second transistor 27 were located along the stress concentration line between the third hard center 21.3 and the thickened part 19 of the square silicon membrane 18, where the first 21.1, the second 21.2 and the third hard center 21.3 of the square silicon membrane 18; having the same rectangular shapes can be of any geometric size with an aspect ratio of 2: 3, where the greater side is coaxial to the larger side of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, located symmetrically relative to the guides coaxial to the edges of the sensing element and passing through the geometric center of the sensing element and having equal distances between the thickened part 19 and the first rigid center 21.1 of the square silicon membrane 18 on the thinned part 20 of the square silicon membrane 18, between the first 21.1 and the second a thin center 21.2 of the square silicon membrane 18, a second 21.2 and a third hard center 21.3 of the square silicon membrane 18, and a third hard center 21.3 and a thickened part 19 of the square silicon membrane 18. The first 21.1, second 21.2 and the third hard center 21.3, as well as the thickened part 19 square silicon membrane 18, the intersection of which with the thinned part 20 of the square silicon membrane 18, located in parallel, form a region of mechanical stress.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.When applying the measured pressure to the sensitive element, an action is applied to the membrane 18, which, bending, deforms p-type conductivity resistors 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, located on the front side of the sensitive element, formed in the epitaxial region 22 n-type conductivity on the substrate 23 p + -type conductivity and coated with a layer of insulation 25 of silicon dioxide. In this case, the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 have a strain effect, that is, in the resistance gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, the resistance changes, and, accordingly, the measurement imbalance increases a circuit that combines transistors 26, 27 located on the thickened part 19 of a square silicon membrane 18 and isolated by a separation region 24.1, 24.2 of a p + type conductivity, and strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, aluminum metallized tracks 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 and jumpers 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p + type. The measuring circuit has one contact for the supply voltage supplied to the aluminum metallized contact pad 17.4, and a contact for supplying the ground potential at the aluminum metallized contact pad 17.3. The magnitude of the imbalance of the output signal of the measuring circuit of the sensing element by applying the measured pressure to the sensing element is the difference between the electric potentials on the aluminum metallized contact pads 17.1 and 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:To increase the sensitivity of the resistance sensor element of the resistance strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 must have certain nominal values, while the nominal value of the resistance of the first strain gauge 7 is equal to the nominal value of the resistance of the fifth strain gauge 11, the nominal value of the resistance of the second strain gage 8 equal to the nominal value of the resistance of the sixth strain gauge 12, the nominal value of the resistance of the third strain gauge 9 is equal to the nominal value of the resistance of the seventh ten orezistora 13, the nominal value of the fourth resistance strain gauge 10 is equal to the nominal resistance value of the strain gauge 14 Eighth, analytical calculation which is carried out using a chain of formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

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.where γ is the coefficient that determines the balance between the ability of the circuit to increase the output sensitivity and reduce the temperature dependence of the output signal of the sensing element; R 7.11 - the nominal value of the resistance of the first 7 and fifth strain gauge 11; R 8,12 - the nominal value of the resistance of the second 8 and the sixth strain gauge 12; R 9,13 - the nominal value of the resistance of the third 9 and the seventh strain gauge 13; R 10.14 - the nominal value of the resistance of the fourth 10 and eighth strain gauge 14; β 26.27 - the same nominal value of the current gain for the first 26 and second transistor 27 pnp-type conductivity with a horizontal structure; U pit - the nominal value of the supply voltage of the electrical circuit of the sensing element; U 0 is the nominal voltage value of the output signal of the electrical circuit of the sensing element; I 7.11 - the same nominal current value for the first 7 and fifth strain transistor 11; I 10.14 - the same nominal current value for the fourth 10 and eighth strain transistor 14; U BC - the same nominal voltage value between the base region 1 of the first transistor 26 and the collector region 2 of the first transistor 26, as well as the base region 4 of the second transistor 27 and the collector region 5 of the second transistor 27; U BE is the same nominal voltage value between the base region 1 of the first transistor 26 and the emitter region 3 of the first transistor 26, as well as the base region 4 of the second transistor 27 and the emitter region 6 of the second transistor 27. For the technological implementation of strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 by using a single level of doping areas on the sensitive element with certain nominal resistance values, the geometry of the figure of the first 7 strain gages should be the same as the geometry of the figure of the fifth 11 te of the resistor, the geometry of the figure of the second 8 strain gauge should be the same as that of the figure of the sixth 12 resistor, the geometry of the figure of the third 9 resistor should be the same as the geometry of the seventh 13 of the resistor and the geometry of the fourth 10 strain gauge should be the same as the geometry of the figure of the eighth 12 geometry of the figure of the first 7 and fifth strain gauge 11, geometry of the figure of the second 8 and sixth strain gauge 12, geometry of the figure of the third 9 and seventh strain gauge 13, geometer I figure 10 the fourth and eighth gage 12 are different from each other, as To achieve the required technological implementation of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 by using a single level of doping areas on the sensitive element, the geometry of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 characterizes the values required nominal resistance values.

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.The magnitude of the imbalance of the output signal of the measuring circuit of the sensing element in the presence and absence of the supplied pressure from the side of the membrane changes due to the difference in the sensitivity of the first strain gauge 7 connected to the collector region 2 of the first transistor 26 and the second strain gauge 8 connected to the base region 1 of the first transistor 26 located along the boundaries of the concentration of mechanical compression stresses between the thickened part 19 and the first rigid center 21.1 of the square silicon membrane 18; a seventh strain gauge 13 connected to the base region 4 of the second transistor 27, and an eighth strain gauge 14 connected to the emitter region 6 of the second transistor 27 located along the concentration line of mechanical compression stresses between the third hard center 21.3 and the thickened portion 19 of the square silicon membrane 18; and a strain gauge of a third strain gauge 9 connected to the base region 1 of the first transistor 26 and a fourth strain gauge 10 connected to the emitter region 3 of the first transistor 26 located along the concentration boundary of tensile stresses between the first 21.1 and the second hard center 21.2 of the square silicon membrane 18; the fifth strain gauge 11 connected to the collector region 5 of the second transistor 27, and the sixth strain gauge 12 connected to the base region 4 of the second transistor 27 located along the concentration line of tensile stress between the second 21.2 and the third hard center 21.3 of the square silicon membrane 18. When applying pressure from the side of the membrane 18 there is an increase in the resistance of the first 7, second 8, seventh 13 and eighth strain gauge 14, as well as a decrease in the resistance of the third 9, fourth 10, fifth 11 and of the strain gauge 12 located on the thinned part 20 of the square silicon membrane 18, which together reduces the electric potential on the aluminum metallized contact pad 17.1 and increases the electric potential on the aluminum metallized contact pad 17.2. The magnitude of the imbalance of the output signal of the measuring circuit of the sensitive element in the presence and absence of the supplied pressure is the difference between the electric potentials on the aluminum metallized contact pads 17.1 and 17.2.

Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно увеличение выходной чувствительности чувствительного элемента.Thus, the specified technical result is achieved, namely, an increase in the output sensitivity of the sensing element.

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.An integrated high-sensitivity element of a pressure transducer based on a bipolar transistor having a front and a reverse mechanical side, where a square silicon membrane is formed by etching on the reverse mechanical side of the sensitive element, which consists of a thickened part, a thinned part, a hard center, the boundaries between which are places of concentration of mechanical stresses , the thickness of the thinned part of the square silicon membrane is from 20 μm to half the thickness of the sensitive ementa, and on the front side covered with a layer of insulation, formed by planar technology in the epitaxial layer of n-type conductivity on the substrate p + -type conduction tenzotranzistora two npn-type conductivity, isolated from each other by partition regions of p + silicon silica - conductivity type, and four p-type conductivity strain gauges, combined into a circuit by aluminum metallized tracks with aluminum metallized contact pads attached to them, which serve for input and output electrical signal, and a jumper of p + -type of conductivity, characterized in that on the front side of the sensor there are two bipolar transistors with a horizontal pnp-type structure and eight p-type conductivity resistors connected by aluminum metallized tracks with aluminum metallized contact pins connected to them pads that serve to input and output an electric signal, and jumpers of p + type conductivity, form a circuit where the base region of the n + type p the conductivity of the first transistor is connected to the base region of the n + type of conductivity of the second transistor in a series of aluminum metallized track from the base region of the n + type of conductivity of the first transistor, the second strain gauge, the aluminum metallized track between the first jumper of the p + type of conductivity and the second strain gauge, the first jumper p + -type conductivity aluminum metallized track between the first and third bridge p + -type conductivity, a third bridge p + -type conduction al minievoy metallized path between the third bridge p + -type conduction and sixth strain gage, sixth strain gage, aluminum metallized path from the base region of n + -type conductivity of the second transistor; as well as an aluminum metallized track from the base region of the n + type conductivity of the first transistor, a third strain gauge, an aluminum metallized track between the third and seventh strain gauge, a seventh strain gauge, an aluminum metallized track from the base region of the n + type conductivity of the second transistor; the collector region of p-type conductivity of the first transistor is connected to the collector region of p-type conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized track from the collector region of p-type conductivity of the first transistor, the first strain gauge, the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauge, the fifth strain gauge, and the aluminum metallized from the p-type collector region of the second transistor; the emitter region of the p-type conductivity of the first transistor is connected to the emitter region of the p-type conductivity of the second transistor in an aluminum metallized path from the emitter region of the p-type conductivity of the first transistor, the fourth strain gauge, the aluminum metallized path between the second jumper of the p + type conductivity and the fourth strain gauge, a second jumper of the p + type of conductivity, an aluminum metallized track between the second and fourth jumper of the p + type of conductivity, four with a p + conductivity type jumper wire, an aluminum metallized path between the fourth p + type conductivity jumper and the eighth strain gauge, the eighth strain gauge, an aluminum metallized path from the p-type emitter region of the second transistor; wherein the aluminum metallized track between the first and third jumper of the p + type conductivity is connected to the aluminum metallized track between the second and fourth jumper of the p + type of conductivity, as well as the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauge is connected to the aluminum metallized track between the third and seventh with a strain gauge, and on the reverse mechanical side of the sensing element, three rigid centers and the boundaries between the thick part, the thinned part and the three rigid centers of the membrane are places of concentration of mechanical stresses, where the first and second strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the thickened part and the first rigid center of the membrane; the third and fourth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the first and second rigid center of the membrane; the fifth and sixth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the second and third rigid center of the membrane; the seventh and eighth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stresses between the third rigid center and the thickened part of the membrane, and transistors are located on the thickened part of the membrane.
RU2018146508U 2018-12-26 2018-12-26 Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor RU187760U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146508U RU187760U1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018146508U RU187760U1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU187760U1 true RU187760U1 (en) 2019-03-18

Family

ID=65759218

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018146508U RU187760U1 (en) 2018-12-26 2018-12-26 Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU187760U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU195159U1 (en) * 2019-06-13 2020-01-16 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1615584A1 (en) * 1989-01-13 1990-12-23 Предприятие П/Я А-1891 Strain-gauge pressure transducer and method of producing thereof
US6006607A (en) * 1998-08-31 1999-12-28 Maxim Integrated Products, Inc. Piezoresistive pressure sensor with sculpted diaphragm
RU2469437C1 (en) * 2011-06-16 2012-12-10 Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" Integrated pressure transducer with one solid centre
RU2555190C1 (en) * 2014-03-20 2015-07-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Semiconductor pressure converter
RU167464U1 (en) * 2016-08-11 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR
RU167463U1 (en) * 2016-08-10 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1615584A1 (en) * 1989-01-13 1990-12-23 Предприятие П/Я А-1891 Strain-gauge pressure transducer and method of producing thereof
US6006607A (en) * 1998-08-31 1999-12-28 Maxim Integrated Products, Inc. Piezoresistive pressure sensor with sculpted diaphragm
RU2469437C1 (en) * 2011-06-16 2012-12-10 Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" Integrated pressure transducer with one solid centre
RU2555190C1 (en) * 2014-03-20 2015-07-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Semiconductor pressure converter
RU167463U1 (en) * 2016-08-10 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT
RU167464U1 (en) * 2016-08-11 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU195159U1 (en) * 2019-06-13 2020-01-16 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor
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 (en) INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR
US10775248B2 (en) MEMS strain gauge sensor and manufacturing method
RU174159U1 (en) Integral sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor
US7992448B2 (en) Mechanical-quantity measuring device
CN104764547B (en) A kind of sculptured island membrane stress concentrating structure micro-pressure sensor chip and preparation method
CN104729784B (en) A kind of beam groove combines step island film micro-pressure sensor chip and preparation method
CN104748904B (en) Sectional mass block stressed concentration structural micro-pressure sensor chip and preparation method
RU187746U1 (en) Integrated sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor with thermal compensation
JPS59136977A (en) Pressure sensitive semiconductor device and manufacture thereof
RU187760U1 (en) Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor
US3213681A (en) Shear gauge pressure-measuring device
RU167463U1 (en) RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT
RU195159U1 (en) Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor
US3161844A (en) Semiconductor beam strain gauge
RU195160U1 (en) Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation
US9557230B2 (en) SiC high temperature pressure transducer
Wu et al. An integrated pressure transducer for biomedical applications
RU2730890C1 (en) Pressure sensor with integral low energy consumption temperature transmitter
JPS60253279A (en) Measuring instrument for strain in semiconductor
RU2278447C2 (en) Integrated pressure transducer
RU2362132C1 (en) Integrated pressure transducer
CN206523262U (en) A kind of temperature self-compensation semiconductor pressure resistance strain gauge
JP5407438B2 (en) Semiconductor device
RU2437185C2 (en) Integral magnetotransistor sensor with digital output
CN217276630U (en) Low-voltage MEMS pressure sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20201227