RU2507491C1 - Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления - Google Patents
Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2507491C1 RU2507491C1 RU2012131332/28A RU2012131332A RU2507491C1 RU 2507491 C1 RU2507491 C1 RU 2507491C1 RU 2012131332/28 A RU2012131332/28 A RU 2012131332/28A RU 2012131332 A RU2012131332 A RU 2012131332A RU 2507491 C1 RU2507491 C1 RU 2507491C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- strain resistance
- layer
- resistance gauges
- silicon
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Мембрана имеет толщину, равную высоте тензорезисторов, поверхность которых покрыта слоем двуокиси кремния. Тензорезисторы сформированы на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполнены из кремния. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему. Слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами. Поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов. На периферии мембраны расположена схема температурной компенсации, состоящая из терморезисторов, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки для включения в мостовую схему. Техническим результатом является повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур. 1 ил.
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям давлений высокотемпературных сред и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.
Известен преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что тензорезисторы из высоколегированного кремния через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [1].
Известен преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся 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 [2].
Недостатками известных устройств являются низкая точность в диапазоне высоких температур, обусловленная значительной температурной погрешностью выходного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·1019 см-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытых слоем двуокиси кремния, 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, слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем нелегированного поликристаллического кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов [3].
Недостатками известного устройства являются низкий рабочий диапазон температур, обусловленный резким ухудшением диэлектрических свойств слоя нелегированного поликристаллического кремния, расположенного вокруг тензорезисторов при температуре более 300°C, а также низкая точность преобразования давления из-за значительной температурной погрешности.
Изобретение направлено на повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур.
Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·1019 см-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытой слоем двуокиси кремния, 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, слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами, а поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, кроме того на мембране в области с нулевой деформацией размещается схема температурной компенсации, состоящая из двух полупроводниковых терморезисторов, имеющих соединенные с ним металлизированные контактные площадки, при помощи которых схема температурной компенсации включается в мостовую схему.
Введение предложенной конструкции, содержащей мембрану, покрытую со стороны тензорезисторов слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, позволяет увеличить максимальную рабочую температуру преобразователя за счет введения со стороны тензорезисторов изолирующего слоя нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов. Карбид кремния характеризуется высокой температурой Дебая, определяющей температуру, при которой возникают упругие колебания кристаллической решетки (фононы) с максимальной для данного материала частотой. Температуру Дебая можно рассматривать как параметр, характеризующий термическую стабильность полупроводника. При превышении этой температуры колебания могут стать неупругими и привести к разрушению материала. Электронные свойства приборов на основе карбида кремния стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий [4, 5]. Слой нелегированного карбида кремния сохраняет диэлектрические свойства при температуре до 600°C, что обеспечивает работоспособность преобразователя при указанной температуре.
Введение в конструкцию схемы температурной компенсации, состоящей из полупроводниковых терморезисторов, подключающейся к мостовой измерительной схеме, позволяет повысить точность полупроводникового преобразователя давления путем компенсации дополнительной температурной погрешности с использованием схемотехнических методов температурной компенсации. Первый терморезистор подключается к одному из рабочих плечей мостовой схемы, что обеспечивает снижение температурной зависимости начального выходного сигнала [6], второй терморезистор включается в диагональ питания мостовой схемы, что обеспечивают снижение температурной зависимости чувствительности преобразования [7].
Предлагаемое устройство поясняется на фиг.1.
На фиг.1 изображен преобразователь, содержащий чувствительный элемент из кремния (1) с легированной бором мембраной (2) с профилем (3) и утолщенным периферийным основанием (4) со сформированными на ней через слой двуокиси кремния (5) тензорезисторами из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенных с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему (6), покрытыми слоем двуокиси кремния (7) и соединенными с контактными площадками (8) с помощью коммутационных шин (9) и со сформированными на ней терморезисторами (11), расположенными на периферии мембраны в области с нулевой деформацией. Слой двуокиси кремния (5) расположен под тензорезисторами (6) и коммутационными шинами (9). Поверхность мембраны (2) со стороны тензорезисторов (6) покрывает изолирующий слой нелегированного карбида кремния (10) вокруг тензорезисторов (6) толщиной не менее высоты тензорезисторов (6).
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, через слои двуокиси кремния и нелегированного карбида кремния деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Наличие на поверхности мембраны со стороны тензорезисторов изолирующего слоя нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов, позволяет повысить максимальную рабочую температуру преобразователя до 600°C за счет сохранения карбидом кремния диэлектрических свойств при данной температуре. Наличие схемы температурной компенсации, состоящей из двух терморезисторов, размещенных в области мембраны с нулевой деформацией и подключенных к мостовой схеме, позволяет повысить точность измерительного преобразования путем компенсации дополнительной погрешности за счет снижения температурной погрешности нуля и температурной погрешности чувствительности преобразователя. Использование предложенной конструкции позволяет обеспечить работоспособность, преобразователя давления в диапазоне температур до 600°C при увеличении точности измерительного преобразования.
Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур.
Источники информации
1. Патент США № 4400869, кл. H 01 L 21/225, 1984.
2. Патент RU №1732199.
3. Патент RU №2310176.
4. Лебедев А., Сбруев С. SiC-электроника. Прошлое, настоящее, будущее // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2006. - №5. - С. 28-41.
5. Васильев А., Лучинин В., Мальцев П. Микросистемная техника. Материалы, технологии, элементная база // Электронные компоненты. - 2000. - №4. - С. 3-11.
6. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под ред. Е.П. Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.
7. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 136 с.
Claims (1)
- Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·1019 см-3, и имеющую толщину, равную высоте тензорезисторов с поверхностью, покрытой слоем двуокиси кремния, расположенным под коммутационными шинами и тензорезисторами, сформированными на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполненными из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана и объединенными с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему, при этом поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта слоем толщиной не менее высоты тензорезисторов, отличающийся тем, что поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов, а мостовая измерительная схема включает в себя схему температурной компенсации, состоящую из двух полупроводниковых терморезисторов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131332/28A RU2507491C1 (ru) | 2012-07-20 | 2012-07-20 | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012131332/28A RU2507491C1 (ru) | 2012-07-20 | 2012-07-20 | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012131332A RU2012131332A (ru) | 2014-01-27 |
RU2507491C1 true RU2507491C1 (ru) | 2014-02-20 |
Family
ID=49956994
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012131332/28A RU2507491C1 (ru) | 2012-07-20 | 2012-07-20 | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2507491C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2732839C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4400869A (en) * | 1981-02-12 | 1983-08-30 | Becton Dickinson And Company | Process for producing high temperature pressure transducers and semiconductors |
SU1732199A1 (ru) * | 1990-07-05 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Преобразователь давлени и способ его изготовлени |
RU2012857C1 (ru) * | 1991-06-14 | 1994-05-15 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления |
RU2034254C1 (ru) * | 1993-01-11 | 1995-04-30 | Заседателев Владимир Сергеевич | Полупроводниковый преобразователь давления |
RU2310176C1 (ru) * | 2006-02-13 | 2007-11-10 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Полупроводниковый преобразователь давления |
-
2012
- 2012-07-20 RU RU2012131332/28A patent/RU2507491C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4400869A (en) * | 1981-02-12 | 1983-08-30 | Becton Dickinson And Company | Process for producing high temperature pressure transducers and semiconductors |
SU1732199A1 (ru) * | 1990-07-05 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Преобразователь давлени и способ его изготовлени |
RU2012857C1 (ru) * | 1991-06-14 | 1994-05-15 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления |
RU2034254C1 (ru) * | 1993-01-11 | 1995-04-30 | Заседателев Владимир Сергеевич | Полупроводниковый преобразователь давления |
RU2310176C1 (ru) * | 2006-02-13 | 2007-11-10 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Полупроводниковый преобразователь давления |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2732839C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012131332A (ru) | 2014-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7793551B2 (en) | Load sensor with shock relaxation material to protect semiconductor strain sensor | |
EP3088859B1 (en) | Pressure measurement device | |
CN104089737A (zh) | 一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器 | |
CN103748446A (zh) | 用于测量压力和/或作用力的传感器 | |
CN103900460A (zh) | 一种半导体薄膜高温变形传感器 | |
RU2384825C1 (ru) | Датчик для измерения давления | |
RU167463U1 (ru) | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления | |
Jilani et al. | Static strain modelling, calibration, and measurements for high-temperature wireless SAW resonator operation | |
RU2507491C1 (ru) | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления | |
CN105698664A (zh) | 一种适用于混凝土的应变的检测装置及方法 | |
CN101526404A (zh) | 一种温度压力复合传感器 | |
RU2555190C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления | |
RU2603446C1 (ru) | Устройство для измерения давления и температуры | |
CN203148372U (zh) | 基于全桥电测法的微型电阻式位移计 | |
RU133607U1 (ru) | Микроэлектронный датчик давления | |
RU2481669C2 (ru) | Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор | |
RU2606550C1 (ru) | Чувствительный элемент преобразователя давления и температуры | |
RU2399030C1 (ru) | Тонкопленочный датчик давления | |
RU2284613C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления | |
RU2271523C2 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления | |
RU2391640C1 (ru) | Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы | |
RU2346250C1 (ru) | Устройство для измерения механических величин (варианты) и способ его изготовления | |
RU2310176C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления | |
RU2687307C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
RU2469437C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140721 |