RU195159U1 - Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора - Google Patents
Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора Download PDFInfo
- Publication number
- RU195159U1 RU195159U1 RU2019118317U RU2019118317U RU195159U1 RU 195159 U1 RU195159 U1 RU 195159U1 RU 2019118317 U RU2019118317 U RU 2019118317U RU 2019118317 U RU2019118317 U RU 2019118317U RU 195159 U1 RU195159 U1 RU 195159U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- type
- conductivity
- transistor
- aluminum metallized
- strain
- Prior art date
Links
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 83
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 81
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 60
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 37
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 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
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 7
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 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
- 238000013178 mathematical model 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
- G01L9/02—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 by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/04—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 by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (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 вертикальной структурой n-p-n-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 частью 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 биполярного транзистора с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости, имеющего повышенное значение коэффициента усиления по току, и восьми тензорезисторов p-типа проводимости с номинальными значениями сопротивления, рассчитанными относительно высокого коэффициента усиления по току биполярного транзистора. 7 ил.
Description
Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использована в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал.
Известен интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора, состоящий из оборотной механической стороны с утолщённой частью, утоненной частью и тремя жесткими центрами, сформированными путем глубокого анизотропного травления, 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 биполярные транзисторы с горизонтальной структурой p-n-p-типа расположены на утолщенной части 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 биполярных транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния 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 дифференциального каскада с отрицательной обратной связью. Патент РФ на полезную модель № 187760, МПК G01L 9/0004, 18.03.2019. Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая выходная чувствительность чувствительного элемента. Конструкция чувствительного элемента преобразователя давления имеет относительно малую выходную чувствительность поскольку на биполярном транзисторе с горизонтальной структурой p-n-p-типа получен низкий коэффициент усиления по току.
Техническим результатом полезной модели является увеличение выходной чувствительности чувствительного элемента.
Технический результат достигается тем, что интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального 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 и трёх жестких центров, границы между которыми являются местами концентрации механических напряжений, толщина утоненной части квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, где первый и второй тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и первым жестким центром мембраны; третий и четвертый тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между первым и вторым жесткими центрами мембраны; пятый и шестой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между вторым и третьим жесткими центрами мембраны; седьмой и восьмой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между третьим жестким центром и утолщенной частью мембраны, а также два одинаковых биполярных транзистора, расположенных на утолщенной части мембраны; 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 вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости, где номинал и геометрия фигур одинаковы между собой и попарно отличаются для первого и пятого тензорезистора, второго и шестого тензорезистора, третьего и седьмого тензорезистора, четвертого и восьмого тензорезистора соответственно, два вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, выполнены с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости и имеют значение коэффициента усиления по току выше, чем у биполярного транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости с номинальными значениями сопротивления, рассчитанными относительно коэффициентов усиления по току биполярных транзисторов с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости для увеличения выходной чувствительности чувствительного элемента, 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 p-типа проводимости первого транзистора соединяется с базовой областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-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 p-типа проводимости второго транзистора; а также алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого транзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, седьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго транзистора; коллекторная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с коллекторной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости первого транзистора, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым и пятым тензорезистором, пятым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости второго транзистора; эмиттерная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с эмиттерной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области n+-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 n+-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.
Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1–7.
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).
На фиг. 7 представлен график зависимости чувствительности от коэффициента усиления по току биполярного транзистора, полученный в ходе анализа математической модели.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 – базовая область p-типа первого вертикального транзистора;
2 – коллекторная область n+-типа первого вертикального транзистора;
3 – эмиттерная область n+-типа первого вертикального транзистора;
4 – базовая область p-типа второго вертикального транзистора;
5 – коллекторная область n+-типа второго вертикального транзистора;
6 – эмиттерная область n+-типа второго вертикального транзистора;
7 – первый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области первого вертикального транзистора;
8 – второй тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого вертикального транзистора;
9 – третий тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого вертикального транзистора;
10 – четвертый тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области первого вертикального транзистора;
11 – пятый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области второго вертикального транзистора;
12 – шестой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго вертикального транзистора;
13 – седьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго вертикального транзистора;
14 – восьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области второго вертикального 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 вертикальный транзистор n-p-n-типа проводимости;
27 – второй вертикальный транзистор n-p-n-типа проводимости.
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 вертикального биполярного транзистора n-p-n-типа проводимости 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 вертикальный биполярный транзистор 26, 27 n-p-n-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, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальном слое 22 n-типа проводимости на подложке 23 p+-типа проводимости два одинаковые вертикальных транзистора 26, 27 n-p-n-типа проводимости и восемь тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 p-типа проводимости, 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 p-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с базовой областью 4 p-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.2 от базовой области 1 p-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 p-типа проводимости второго транзистора 27; а также алюминиевой металлизированной дорожкой 16.2 от базовой области 1 p-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 p-типа проводимости второго транзистора 27; коллекторная область 2 n+-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с коллекторной областью 5 n+-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.1 от коллекторной области 2 n+-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 n+-типа проводимости второго транзистора 27; эмиттерная область 3 n+-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с эмиттерной областью 6 n+-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.3 от эмиттерной области 3 n+-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 n+-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 вертикальных биполярных транзистора 26, 27 n-p-n-типа проводимости, 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. Указанный выше способ соединения наглядно представлен схематично на фиг. 1, 3, 4. 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 вертикальный биполярный транзистор 27 n-p-n-типа проводимости расположены на утолщенной части 19 квадратной кремниевой мембраны 18, как представлено схематично на фиг. 6, 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, как представлено схематично на фиг. 5; 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, как представлено схематично на фиг. 2.
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 вертикальные биполярные транзисторы 26, 27 n-p-n-типа проводимости, 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 17.3, и контакт для подачи потенциала земли на алюминиевой металлизированной контактной площадке 17.4. 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 n-p-n-типа проводимости с вертикальной 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 тензорезистора 11; I10,14 – одинаковое номинальное значение тока для четвертого 10 и восьмого тензорезистора 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.
Номинальные значения тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 рассчитаны относительно высокого коэффициента усиления по току биполярного транзистора, которое достижимо при использовании вертикальной структуры с n-p-n-типом проводимости. Среднее значение коэффициента усиления по току для первого 26 и второго биполярного транзистора 27 равно β26,27 = 150 при токе базы 1 первого биполярного транзистора 26 и токе базы 4 второго биполярного транзистора 27 IБ = 5 мкА и напряжении между базовой областью 1 первого транзистора 26 и коллекторной областью 2 первого транзистора 26 UБК = 1,85 В. Увеличение чувствительности чувствительного элемента при использовании в первого 26 и второго биполярного транзистора 27 n-p-n-типа проводимости с высоким коэффициентом усиления по току β26,27 = 150 наглядно представлено на фиг. 7. Из фиг. 7 видно, что чувствительность по определенной зависимости увеличивается в диапазоне коэффициента усиления по току β26,27 от показаний значения пять, как было получено у прототипа с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, до ста пятидесяти. Моделируемые значения, представленные на фиг. 7, были подтверждены экспериментально с 10% погрешностью относительно исследуемых образцов. Номинальные значения тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, рассчитанные относительно высокого коэффициента усиления по току биполярного транзистора, достигаются благодаря выбору геометрии фигуры резисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 при использовании единого уровня легирования областей на чувствительном элементе. 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 14 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 14 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 вертикального биполярного транзистора, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, где на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, которая состоит из утолщенной части, утоненной части и трех жестких центров, границы между которыми являются местами концентрации механических напряжений, толщина утоненной части квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, где первый и второй тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и первым жестким центром мембраны; третий и четвертый тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между первым и вторым жесткими центрами мембраны; пятый и шестой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между вторым и третьим жесткими центрами мембраны; седьмой и восьмой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между третьим жестким центром и утолщенной частью мембраны, а также два одинаковых биполярных транзистора, расположенных на утолщенной части мембраны; 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 вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости, где номинал и геометрия фигур одинаковы между собой и попарно отличаются для первого и пятого тензорезистора, второго и шестого тензорезистора, третьего и седьмого тензорезистора, четвертого и восьмого тензорезистора соответственно, отличающийся тем, что два вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, выполнены с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости и имеют значение коэффициента усиления по току выше, чем у биполярного транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости с номинальными значениями сопротивления, рассчитанными относительно коэффициентов усиления по току биполярных транзисторов с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости для увеличения выходной чувствительности чувствительного элемента, 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 p-типа проводимости первого транзистора соединяется с базовой областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-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 p-типа проводимости второго транзистора; а также алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого транзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, седьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго транзистора; коллекторная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с коллекторной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости первого транзистора, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым и пятым тензорезистором, пятым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости второго транзистора; эмиттерная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с эмиттерной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области n+-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 n+-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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118317U RU195159U1 (ru) | 2019-06-13 | 2019-06-13 | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019118317U RU195159U1 (ru) | 2019-06-13 | 2019-06-13 | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU195159U1 true RU195159U1 (ru) | 2020-01-16 |
Family
ID=69167472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019118317U RU195159U1 (ru) | 2019-06-13 | 2019-06-13 | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU195159U1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11965797B1 (en) * | 2022-12-01 | 2024-04-23 | Wuxi Sencoch Semiconductor Co., Ltd. | Bipolar transistor type MEMS pressure sensor and preparation method thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU174159U1 (ru) * | 2017-04-12 | 2017-10-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
| RU187760U1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
| RU187746U1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией |
-
2019
- 2019-06-13 RU RU2019118317U patent/RU195159U1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU174159U1 (ru) * | 2017-04-12 | 2017-10-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
| RU187760U1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
| RU187746U1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 | |
| US3697918A (en) | Silicon diaphragm pressure sensor having improved configuration of integral strain gage elements | |
| RU174159U1 (ru) | Интегральный чувствительный 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 | |
| RU187760U1 (ru) | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора | |
| JPS59136977A (ja) | 圧力感知半導体装置とその製造法 | |
| CN105765360A (zh) | 压力传感器 | |
| RU195159U1 (ru) | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора | |
| Basov et al. | Modeling of sensitive element for pressure sensor based on bipolar piezotransistor | |
| CN108267262B (zh) | 一种温度自补偿半导体压阻应变计 | |
| RU195160U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией | |
| US7536919B2 (en) | Strain gauge | |
| US3213681A (en) | Shear gauge pressure-measuring device | |
| RU167463U1 (ru) | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления | |
| US3161844A (en) | Semiconductor beam strain gauge | |
| JP2013124947A (ja) | 半導体圧力センサ | |
| Wu et al. | An integrated pressure transducer for biomedical applications | |
| RU2278447C2 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
| JPH0337750B2 (ru) | ||
| RU2362132C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
| RU2730890C1 (ru) | Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления | |
| CN115326249A (zh) | 一种mems压力传感器及其的制作方法 | |
| JPH04328434A (ja) | 複合センサ | |
| CN206523262U (zh) | 一种温度自补偿半导体压阻应变计 |