RU2271523C2 - Semiconductor pressure transformer - Google Patents
Semiconductor pressure transformer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2271523C2 RU2271523C2 RU2004116428/28A RU2004116428A RU2271523C2 RU 2271523 C2 RU2271523 C2 RU 2271523C2 RU 2004116428/28 A RU2004116428/28 A RU 2004116428/28A RU 2004116428 A RU2004116428 A RU 2004116428A RU 2271523 C2 RU2271523 C2 RU 2271523C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- silicon
- boron
- silicon dioxide
- semiconductor pressure
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Известен преобразователь давления, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформирована тензорезистивная мостовая схема из поликристаллического кремния, изолированная от подложки диоксидом кремния [1].The proposed technical solution relates to the field of measurement technology, in particular to low-pressure transducers, and can be used in the design and manufacture of small-sized semiconductor pressure transducers operable at elevated temperatures. A known pressure transducer containing a silicon shaped crystal, on which a tensor-resistive bridge circuit of polycrystalline silicon is formed, isolated from the substrate by silicon dioxide [1].
Недостатком данного преобразователя является низкая чувствительность, обусловленная малой величиной тензочувствительности поликремния.The disadvantage of this Converter is the low sensitivity due to the low tensosensitivity of polysilicon.
Известны преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [2].Known pressure transducer and method of its manufacture, characterized in that the strain gauges made of high-alloy silicon through a dielectric layer deposited on a profiled silicon membrane [2].
Недостатком известных устройства и способа являются низкая чувствительность к измерению малых давлений, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран.A disadvantage of the known device and method is the low sensitivity to measuring low pressures, due to the limitations of the formation of small thicknesses of the membranes.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления, характеризующийся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [3].The closest in technical essence to the invention is a pressure transducer, characterized in that the membrane with a dielectric layer on which the strain gages are formed is doped with boron to the same concentration level as the strain gages, while the thickness of the membrane under the dielectric layer is equal to the thickness of the strain gages [3] .
Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, малый диапазон линейного преобразования, обусловленные наличием однородной по толщине мембраны. Кроме того, данный преобразователь имеет значительный уровень погрешностей измерений, определяемый низкой стабильностью его характеристик во времени из-за наличия незащищенной поверхности тензорезисторов.The disadvantages of the known device are low sensitivity to measuring low pressures while maintaining their own resonant frequency, low membrane strength, a small range of linear conversion due to the presence of a uniform membrane thickness. In addition, this converter has a significant level of measurement errors, determined by the low stability of its characteristics over time due to the presence of an unprotected surface of strain gauges.
Изобретение направлено на повышение чувствительности преобразователя при сохранении собственной резонансной частоты, повышение прочности мембраны, повышение диапазона линейного преобразования, повышение стабильности характеристик.The invention is aimed at increasing the sensitivity of the converter while maintaining its own resonant frequency, increasing the strength of the membrane, increasing the range of linear conversion, increasing the stability of the characteristics.
Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем кремниевую мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния n-типа проводимости и легированную бором до концентрации не менее 5·1019 см-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния.According to the invention, in a semiconductor pressure transducer containing a silicon membrane with a thickened peripheral base made of n-type silicon and doped with boron to a concentration of at least 5 · 10 19 cm -3 , and having a thickness equal to the height of the strain gauges formed on the membrane mounted a layer of silicon dioxide and made of silicon doped with boron to the same concentration level as the membrane, and combined with the help of busbars in a bridge measuring circuit, and having connected metalized contact pads with them, the membrane contains a profile with stress concentrators at the location of the strain gages, which is a combination of refined sections and rigid centers, and the surface of the strain gages is covered with a layer of silicon dioxide.
Введение предложенной конструкции, содержащей профилированную мембрану с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, которая представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, позволяет получить чувствительность полупроводниковых преобразователей давления менее 10 Па при сохранении собственной резонансной частоты, работоспособных до 300°С и имеющих пробивное напряжение до 1000 В, увеличивает прочность мембраны, что влечет за собой увеличение надежности всего преобразователя, повышает линейность и расширяет диапазон линейного преобразования, а введение защитного слоя двуокиси кремния на поверхности тензорезисторов повышает временную и температурную стабильности их характеристик и уменьшает уровень погрешностей измерений.The introduction of the proposed design containing a profiled membrane with stress concentrators at the location of the strain gages, which is a combination of refined sections and rigid centers, allows us to obtain a sensitivity of semiconductor pressure transducers of less than 10 Pa while maintaining their own resonant frequency, operable up to 300 ° C and having breakdown voltage up to 1000 V, increases the strength of the membrane, which entails an increase in the reliability of the entire converter, increasing It is linear and expands the range of linear conversion, and the introduction of a protective layer of silicon dioxide on the surface of strain gauges increases the temporal and temperature stability of their characteristics and reduces the level of measurement errors.
Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1, 2.The proposed device is illustrated in figure 1, 2.
На фиг.1, 2 изображен преобразователь, содержащий чувствительный элемент из кремния n-типа проводимости (1) с легированной бором мембраной (2) с профилем (3) и утолщенным периферийным основанием (4) со сформированными на ней через слой двуокиси кремния (5) тензорезисторами (6), покрытые слоем двуокиси кремния (7) и соединенные с контактными площадками (8) с помощью коммутационных шин (9).1, 2 shows a converter containing a n-type silicon sensing element (1) with a boron-doped membrane (2) with a profile (3) and a thickened peripheral base (4) with silicon dioxide formed on it (5) ) strain gauges (6) coated with a layer of silicon dioxide (7) and connected to the contact pads (8) using patch buses (9).
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.The principle of operation of the converter is as follows.
Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Выбор концентрации кремния не менее 5·1019 см-3 и наличие профилированной мембраны с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов позволяет методами стоп-травления формировать тонкие мембраны толщиной 1-3 мкм без разрушения структуры. Сама мембрана представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Таким образом, данная конструкция позволяет получать чувствительность полупроводниковых преобразователей давления менее 10 Па при сохранении собственной резонансной частоты. В связи с тем, что поверхность тензорезисторов покрыта слоем двуокиси кремния, то за счет наличия данного защитного покрытия, препятствующего проникновению на поверхность тензорезисторов нежелательных примесей из внешней среды, повышаются временная и температурная стабильности их характеристик и уменьшается уровень погрешностей измерений.The measured pressure, acting on a membrane with a rigid center, deforms the strain gauges and increases the imbalance of the bridge circuit into which the strain gauges are closed. The choice of silicon concentration of at least 5 · 10 19 cm -3 and the presence of a profiled membrane with stress concentrators at the location of the strain gages allows stop etching to form thin membranes with a thickness of 1-3 microns without breaking the structure. The membrane itself is a combination of refined sites and rigid centers. Thus, this design allows to obtain a sensitivity of semiconductor pressure transducers of less than 10 Pa while maintaining its own resonant frequency. Due to the fact that the surface of the strain gages is coated with a layer of silicon dioxide, due to the presence of this protective coating that prevents the penetration of unwanted impurities from the external environment onto the surface of the strain gages, the temporal and temperature stability of their characteristics increases and the level of measurement errors decreases.
Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:The technical and economic advantages of the proposed converter in comparison with the known are:
возможность создания полупроводниковых преобразователей давления на диапазоны менее 10 Па, работоспособных до 300°С и имеющих пробивное напряжение до 1000 В;the possibility of creating semiconductor pressure transducers for ranges of less than 10 Pa, operable up to 300 ° C and having a breakdown voltage of up to 1000 V;
повышение надежности, линейности, временной и температурной стабильностей характеристик преобразователя;improving the reliability, linearity, time and temperature stability of the characteristics of the Converter;
расширение диапазона линейного преобразования;extension of the linear transformation range;
уменьшение уровня погрешностей измерений.decrease in the level of measurement errors.
Источники информацииInformation sources
1. SAE Techn.Par.Ser, 1986, № 860473, р. 71-77: Экспресс-информация ИПиС, № 9, 1987.1. SAE Techn.Par.Ser, 1986, No. 860473, p. 71-77: Express Information IPiS, No. 9, 1987.
2. Патент США № 4400869, кл. H 01 L 21/225, 1984.2. US patent No. 4400869, CL. H 01 L 21/225, 1984.
3. Авторское свидетельство СССР № 1732199, кл. G 01 L 9/04, 1990.3. Copyright certificate of the USSR No. 1732199, cl. G 01
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004116428/28A RU2271523C2 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | Semiconductor pressure transformer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004116428/28A RU2271523C2 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | Semiconductor pressure transformer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004116428A RU2004116428A (en) | 2005-11-10 |
RU2271523C2 true RU2271523C2 (en) | 2006-03-10 |
Family
ID=35865172
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004116428/28A RU2271523C2 (en) | 2004-05-31 | 2004-05-31 | Semiconductor pressure transformer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2271523C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464539C1 (en) * | 2011-07-08 | 2012-10-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Semiconductor pressure transducer |
RU2526788C1 (en) * | 2013-04-23 | 2014-08-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | High-temperature semiconductor pressure transducer |
RU187531U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-03-12 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Pressure sensor with increased mechanical strength |
-
2004
- 2004-05-31 RU RU2004116428/28A patent/RU2271523C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2464539C1 (en) * | 2011-07-08 | 2012-10-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Semiconductor pressure transducer |
RU2526788C1 (en) * | 2013-04-23 | 2014-08-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | High-temperature semiconductor pressure transducer |
RU187531U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-03-12 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Pressure sensor with increased mechanical strength |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004116428A (en) | 2005-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10768064B2 (en) | MEMS pressure gauge sensor and manufacturing method | |
CN201653605U (en) | Silicon-bonding based pressure sensor | |
US4831492A (en) | Capacitor construction for use in pressure transducers | |
EP0430676A2 (en) | Capacitive pressure sensor | |
US9550211B2 (en) | Temperature compensation in a CMUT device | |
CN103308239A (en) | Mems capacitive pressure sensor | |
CN201497610U (en) | Surface acoustic wave pressure sensor | |
CN1610823A (en) | Pressure sensing device for rheometers | |
KR20090094809A (en) | Highly sensitive piezoresistive element | |
RU2271523C2 (en) | Semiconductor pressure transformer | |
RU2555190C1 (en) | Semiconductor pressure converter | |
FR2614988A1 (en) | CAPACITIVE PRESSURE SENSOR | |
CN102620864A (en) | Capactive micro-machined ultrasonic transducer (CMUT)-based super-low range pressure sensor and preparation method thereof | |
RU167463U1 (en) | RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT | |
RU2310176C1 (en) | Semiconductor pressure converter | |
RU2284613C1 (en) | Semiconductor pressure transducer and its manufacturing process | |
RU133607U1 (en) | MICROELECTRONIC PRESSURE SENSOR | |
RU2507491C1 (en) | High-temperature semiconducting pressure converter | |
RU2457577C1 (en) | Multifunctional measurement module | |
RU2346250C1 (en) | Mechanical quantities measuring device (versions) and method of its production | |
US20220390308A1 (en) | Sensor and method for producing a sensor | |
RU2278447C2 (en) | Integrated pressure transducer | |
SU1716979A3 (en) | Method of measuring pressure and pressure transducer | |
RU2687307C1 (en) | Integrated pressure converter | |
Du et al. | Poly-SiC capacitive pressure sensors made by wafer bonding |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170601 |