RU2531549C2 - Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" - Google Patents
Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" Download PDFInfo
- Publication number
- RU2531549C2 RU2531549C2 RU2012157982/28A RU2012157982A RU2531549C2 RU 2531549 C2 RU2531549 C2 RU 2531549C2 RU 2012157982/28 A RU2012157982/28 A RU 2012157982/28A RU 2012157982 A RU2012157982 A RU 2012157982A RU 2531549 C2 RU2531549 C2 RU 2531549C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bridges
- strain gauges
- bridge
- circuit
- measurement
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Изобретение 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. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит упругий элемент (1), выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния (2), на котором сформированы тензорезисторы (3) из поликристаллического кремния, объединенные при помощи коммутационных шин (4) в многоэлементную мостовую схему (5). Схема (5) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов (6) одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора (7), номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6). Узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы (7) включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам. Выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов. Технический результат: повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур. 2 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, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформирована тензорезистивная мостовая схема из поликристаллического кремния, изолированная от подложки диоксидом кремния [1].
Известен преобразователь давления, в котором тензорезисторы выполнены из высоколегированного кремния и через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [2].
Недостатками известных устройств являются низкая чувствительность преобразования, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран и малой величиной тензочувствительности поликристаллического кремния.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану, покрытую изолирующим слоем двуокиси кремния, на которой размещены тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированного бором с концентрацией легирующей примеси (бора) не менее 5·10 см-3, объединенные в мостовую измерительную схему и соединенные алюминиевыми коммутационными шинами. Тензорезисторы и коммутационные шины, за исключением окон для выводных проводников, покрыты сверху пассивирующим слоем двуокиси кремния [3].
Недостатками известного устройства являются низкая точность и чувствительность преобразователя.
Изобретение направлено на повышение чувствительности и точности преобразователя в диапазоне высоких температур.
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированные бором и объединенные при помощи коммутационных шин в мостовую схему, согласно изобретению, многоэлементная мостовая схема (ММС) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала и четыре дополнительных тензорезистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов в составе измерительных мостов, при этом узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам, при этом выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов.
Введение предложенной конструкции, содержащей мембрану с тензорезисторами, расположенными в местах наибольшей деформации мембраны и объединенными в ММС, позволит увеличить чувствительность преобразователя за счет возрастания полного тока и перераспределения тока внутри ММС, а также снизить погрешность начального выходного сигнала, обусловленную разбросом номиналов и ТКС тензорезисторов при изготовлении за счет того, что по мере увеличения количества элементов в ММС снижается влияние разброса параметров схемы на величину начального выходного сигнала [3, 4].
На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, где:
1 - упругий элемент, выполненный из кремния;
2 - изолирующий слой двуокиси кремния;
3 - тензорезисторы из поликристаллического кремния;
4 - коммутационные шины;
5 - многоэлементная мостовая схема;
6 - тензорезисторы одинакового номинала;
7 - дополнительные тензорезисторы, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6).
На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема, где:
R1-R4, R5-R8, R9-R12 - тензорезисторы (6), объединенные соответственно в три замкнутых измерительных моста;
R13-R16 - тензорезисторы (7), представляющие собой разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам для образования ММС.
Выходное напряжение ММС представляет собой разность потенциалов узлов u1 и u2.
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Измеряемое давление, воздействуя на мембрану, деформирует тензорезисторы, которые расположены на мембране в местах наибольшей деформации таким образом, что под воздействием измеряемого давления тензорезисторы R1, R4, R5, R8, R9, R12, R13, R16, получают положительное приращение сопротивления, а тензорезисторы R2, R3, R6, R7, R10, R11, R14, R15 получают такое же по абсолютной величине отрицательное приращение сопротивления. При этом увеличивается чувствительность преобразователя по сравнению с прототипом и снижается погрешность начального выходного сигнала, представляющего собой разбаланс ММС под действием деформации, вызванная разбросом параметров тензорезисторов при изготовлении.
Температурная зависимость выходного сигнала определяется посредством коэффициентов функции влияния температуры α (температурный коэффициент ухода чувствительности) и β (температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала) [5]. По мере увеличения количества элементов в многоэлементной мостовой схеме происходит уменьшение среднего квадратичного отклонения σ, характеризующего влияние разброса параметров на величину начального выходного сигнала схемы [3].
Следует отметить, что существенное влияние на начальный выходной сигнал оказывает разбаланс мостовой схемы, обусловленный разбросом характеристик тензорезисторов, вызывающий температурную погрешность начального выходного сигнала.
Для схемы обычного полного измерительного моста при максимальном разбросе номиналов тензорезисторов, равном 10%, и значениях ТКС тензорезисторов, изменяющихся в диапазоне 0,05-0,07%/°C, по результатам схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: α=1,317265%/°C, β=0,132127%/°C для диапазона изменения температур, равного 300°C.
Для разработанной ММС, тензорезисторы которой характеризуются аналогичным разбросом характеристик, в результате схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: α=-0,01656%/°C, β=-0,01709%/°C для диапазона изменения температур, равного 300°C. Таким образом, применение ММС позволяет снизить температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала на порядок, а температурный коэффициент ухода чувствительности на два порядка по сравнению с прототипом.
При использовании мостовых схем чувствительность схемы определяется как отношения выходного напряжения при максимальном входном воздействии к напряжению питания, которая выражается в мВ/В. Для схемы обычного полного измерительного моста с заданным разбросом параметров при питании постоянным напряжением 6 В чувствительность составила 4,6 мВ/В, а для разработанной ММС 22,9 мВ/В. Увеличение чувствительности преобразования обусловлено возрастанием полного тока и перераспределением тока внутри ММС [3]. Таким образом, применение разработанной ММС позволяет повысить чувствительность преобразователя практически в 5 раз по сравнению с обычным измерительным мостом.
Полученные результаты подтверждают возможность повышения точности и чувствительности преобразования давления с применением предложенной конструкции в диапазоне высоких температур (до 300°C).
Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур.
Источники информации
1. Гридчин В.А., Головко В.П. Интегральный тензопреобразователь мембранного типа с поликремниевыми тензорезисторами // тез. докл. всесоюзн. конф. «Датчики на основе технологии микроэлектроники» М.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского. 1986. С.62.
2. А.с. (СССР) №605131 МКИ G01L 9/04 Тензометрический преобразователь // Михайлов П.Г., Саяпин В.М., Саблин А.В. - Опубл. 1978. - Бюл. №16.
3. Гридчин В.А. Драгунов В.П. Физика микросистем Новосибирск, 2004. - 416 с.
4. Кобзев Ю.В. Полупроводниковый тензопреобразователь давления, содержащий многократную мостовую схему // Датчики на основе технологии микроэлектроники. М., 1983. - с.168 - 169.
5. ГОСТ 92-4279-80. Преобразователи измерительные. Методы определения метрологических характеристик.
Claims (1)
- Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированные бором и объединенные при помощи коммутационных шин в мостовую схему, отличающийся тем, что тензорезисторы объединены при помощи коммутационных шин в многоэлементную мостовую схему, которая содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов в составе измерительных мостов, при этом узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам, причем выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012157982/28A RU2531549C2 (ru) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012157982/28A RU2531549C2 (ru) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012157982A RU2012157982A (ru) | 2014-07-10 |
RU2531549C2 true RU2531549C2 (ru) | 2014-10-20 |
Family
ID=51215629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012157982/28A RU2531549C2 (ru) | 2012-12-27 | 2012-12-27 | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2531549C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631016C1 (ru) * | 2016-07-19 | 2017-09-15 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Тензопреобразователь давления |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU605131A1 (ru) * | 1976-06-16 | 1978-04-30 | Предприятие П/Я А-1891 | Тензометрический преобразователь |
SU800742A2 (ru) * | 1979-03-21 | 1981-01-30 | Предприятие П/Я А-1891 | Тензометрический преобразователь |
SU1589088A1 (ru) * | 1988-10-27 | 1990-08-30 | Кооператив "Диск" | Полупроводниковый датчик |
RU2036445C1 (ru) * | 1988-05-31 | 1995-05-27 | Машиностроительное конструкторское бюро "Радуга" | Преобразователь давления |
RU2080573C1 (ru) * | 1992-10-27 | 1997-05-27 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Полупроводниковый преобразователь давления |
JP2002188974A (ja) * | 2000-12-20 | 2002-07-05 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体センサ |
RU2377517C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2009-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Датчик давления |
-
2012
- 2012-12-27 RU RU2012157982/28A patent/RU2531549C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU605131A1 (ru) * | 1976-06-16 | 1978-04-30 | Предприятие П/Я А-1891 | Тензометрический преобразователь |
SU800742A2 (ru) * | 1979-03-21 | 1981-01-30 | Предприятие П/Я А-1891 | Тензометрический преобразователь |
RU2036445C1 (ru) * | 1988-05-31 | 1995-05-27 | Машиностроительное конструкторское бюро "Радуга" | Преобразователь давления |
SU1589088A1 (ru) * | 1988-10-27 | 1990-08-30 | Кооператив "Диск" | Полупроводниковый датчик |
RU2080573C1 (ru) * | 1992-10-27 | 1997-05-27 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Полупроводниковый преобразователь давления |
JP2002188974A (ja) * | 2000-12-20 | 2002-07-05 | Fuji Electric Co Ltd | 半導体センサ |
RU2377517C1 (ru) * | 2008-09-15 | 2009-12-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Датчик давления |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631016C1 (ru) * | 2016-07-19 | 2017-09-15 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Тензопреобразователь давления |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012157982A (ru) | 2014-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104089737B (zh) | 一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器 | |
EP3156771A1 (en) | Sensor chip for multi-physical quantity measurement and preparation method therefor | |
RU167464U1 (ru) | Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления с датчиком температуры | |
WO2021129372A1 (zh) | 一种基于摩擦纳米发电机的自驱动位移传感器 | |
WO2020093733A1 (zh) | 一种静电式自供能位移栅格传感器 | |
US6700473B2 (en) | Pressure transducer employing on-chip resistor compensation | |
CN110736421A (zh) | 用于弹性体应变测量的薄膜应变计及制备方法 | |
RU2498249C1 (ru) | Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы | |
CN106092430A (zh) | 一种梳齿电容式压力传感器 | |
CN105424978A (zh) | 一种基于挠曲电效应的高g值加速度传感器及测量方法 | |
RU2531549C2 (ru) | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" | |
Zakaria et al. | Design and fabrication of IDT saw by using conventional lithography technique | |
RU167463U1 (ru) | Радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления | |
RU2603446C1 (ru) | Устройство для измерения давления и температуры | |
Sager et al. | A humidity sensor of a new type | |
CN105300573B (zh) | 一种梁膜结构压电传感器及其制作方法 | |
Aravamudhan et al. | MEMS based conductivity-temperature-depth (CTD) sensor for harsh oceanic environment | |
Ajovalasit | The measurement of large strains using electrical resistance strain gages | |
RU2481669C2 (ru) | Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор | |
JPS5844323A (ja) | 圧力センサ | |
Nisanth et al. | Performance analysis of a silicon piezoresistive pressure sensor based on diaphragm geometry and piezoresistor dimensions | |
Frantlović et al. | A method enabling simultaneous pressure and temperature measurement using a single piezoresistive MEMS pressure sensor | |
CN112563405B (zh) | 压力传感器单元以及多维压力传感器及其制造方法 | |
RU2687307C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
RU2606550C1 (ru) | Чувствительный элемент преобразователя давления и температуры |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141228 |