RU2555190C1 - Semiconductor pressure converter - Google Patents
Semiconductor pressure converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2555190C1 RU2555190C1 RU2014110803/28A RU2014110803A RU2555190C1 RU 2555190 C1 RU2555190 C1 RU 2555190C1 RU 2014110803/28 A RU2014110803/28 A RU 2014110803/28A RU 2014110803 A RU2014110803 A RU 2014110803A RU 2555190 C1 RU2555190 C1 RU 2555190C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- strain gauges
- thickness
- dielectric layer
- equal
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.The proposed technical solution relates to the field of measurement technology, in particular to low-pressure transducers of high-temperature media, and can be used in the design and manufacture of small-sized semiconductor pressure transducers that are operable at elevated temperatures.
Известны 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 [1].Known pressure transducer and method of its manufacture, 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 [1].
Недостатками данного преобразователя является низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, высокий уровень погрешностей измерений в интервале температур от минус 100 до 600°C.The disadvantages of this converter are its low sensitivity to measuring low pressures while maintaining its own resonant frequency, low membrane strength, high level of measurement errors in the temperature range from minus 100 to 600 ° C.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления и способ его изготовления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·1019 см-3, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, причем мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния, а мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, при этом поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния [2].The closest in technical essence to the invention is a pressure transducer and a method for its manufacture, comprising a membrane with a thickened peripheral base made of silicon and doped with boron to a concentration of at least 5 · 10 19 cm -3 , having a thickness equal to the thickness of the strain gauges formed on the fixed on the membrane a dielectric layer made of silicon doped with boron to the same concentration level as the membrane, connected by means of conductors into a bridge measuring circuit and having a connection related metallized contact pads, moreover, the bridge measuring circuit contains a thermistor made of silicon, and the membrane contains a profile with stress concentrators at the locations of the strain gages, which is a combination of refined sections and rigid centers, while the surfaces of the strain gages and the thermistor are coated with a layer of dioxide silicon [2].
Недостатками прототипа являются низкая надежность, низкая прочность мембраны, высокая дополнительная температурная погрешность преобразователя из-за высоких механических напряжений, обусловленных различием свойств кремния, из которого выполнена мембрана, и слоя диэлектрика, изолирующего тензорезисторы от мембраны. Например, коэффициент термического расширения двуокиси кремния (как наиболее типичного диэлектрика) равен
Изобретение направлено на повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны, повышение стабильности параметров при повышенных температурах.The invention is aimed at improving the reliability of the Converter, increasing the strength of the membrane, increasing the stability of parameters at elevated temperatures.
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки и содержащую профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, дополнительно сформирован слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов.This goal is achieved by the fact that in a semiconductor pressure transducer containing a membrane with a thickened peripheral base made of silicon, having a thickness equal to the thickness of the strain gauges formed on the dielectric layer fixed to the membrane, connected with the help of conductors in a bridge measuring circuit having connected to them metallized contact pads and containing a profile with stress concentrators in the locations of the strain gages, which represents bout combination thinned portions and hard centers, further dielectric layer is formed, fixed with respect to the opposite side of the membrane formed strain gages and equal in thickness and dielectric properties of the layer, fixed to the membrane by the strain gauges.
Введение предложенной конструкции, содержащей дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов, позволяет снизить уровень механических напряжений, обусловленных различием свойств кремния и диэлектрика.The introduction of the proposed design, containing an additionally formed dielectric layer, fixed on the opposite side of the membrane with respect to the strain gauges formed and equal in thickness and properties to the dielectric layer fixed on the membrane on the side of the strain gauges, allows to reduce the level of mechanical stresses caused by the difference in the properties of silicon and the dielectric.
Предложенная конструкция представляет собой многослойную гетероструктуру, температурные напряжения у которой аналитически определяются из:The proposed design is a multilayer heterostructure, the thermal stresses of which are analytically determined from:
где Ef - модуль упругости пленки, νf - коэффициент Пуассона пленки, αs и αf - температурные коэффициенты линейного расширения слоев, ΔT - диапазон изменения температуры [6]. Согласно выражению (1) кремниевая мембрана при повышении температуры на 50°C по сравнению с нормальными условиями испытывает напряжение порядка 25 МПа, а дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны, так же, как и слой диэлектрика, закрепленный на мембране со стороны тензорезисторов, испытывает напряжение порядка 9 МПа (при этом напряжения слоев диэлектрика равны по значению, но противоположны по знаку), что означает снижение механического напряжения, испытываемого мембраной, на то же значение. Более точные результаты дает численное моделирование в пакете прикладных программ конечно-элементного анализа, по результатам которого усредненное механического напряжение, испытываемое мембраной конструкции-прототипа при повышении температуры на 50°C, составляет порядка 21 МПа, а в предложенной конструкции составляет значение порядка 13 МПа. Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает снижение дополнительных механических напряжений, действующих на тензорезисторы, на значение порядка 62%, что означает снижение дополнительной температурной погрешности на такое же значение, а также повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны. А учитывая, что механические напряжения вызывают деформацию мембраны, особенно при эксплуатации преобразователя при повышенных температурах, то предложенная конструкция также позволяет повысить стабильность параметров при повышенных температурах.where E f is the modulus of elasticity of the film, ν f is the Poisson's ratio of the film, α s and α f are the temperature coefficients of the linear expansion of the layers, ΔT is the temperature range [6]. According to expression (1), a silicon membrane experiences a voltage of about 25 MPa when the temperature rises by 50 ° C compared to normal conditions, and an additionally formed dielectric layer fixed from the opposite side of the membrane relative to the formed strain gauges, as well as the dielectric layer fixed to to the membrane from the side of strain gauges, it experiences a voltage of the order of 9 MPa (the stresses of the layers of the dielectric are equal in value but opposite in sign), which means a decrease in the mechanical stress zheniya, the test membrane to the same value. More accurate results are provided by numerical modeling in a finite element analysis package of applied programs, according to which the average mechanical stress experienced by the prototype structure membrane at a temperature increase of 50 ° C is about 21 MPa, and in the proposed design is about 13 MPa. Thus, the proposed design reduces the additional mechanical stresses acting on the strain gauges by a value of about 62%, which means reducing the additional temperature error by the same value, as well as increasing the reliability of the converter, increasing the strength of the membrane. And considering that mechanical stresses cause deformation of the membrane, especially when the converter is operated at elevated temperatures, the proposed design also allows to increase the stability of parameters at elevated temperatures.
Предлагаемое устройство поясняется фиг.1.The proposed device is illustrated in figure 1.
На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану (1) с утолщенным периферийным основанием (2). Мембрана (1) имеет толщину, равную толщине тензорезисторов (3), сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика (4). Тензорезисторы (3) объединены с помощью проводников (5), имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки (6), в мостовую измерительную схему. Мембрана (1) содержит профиль с концентраторами механических напряжений (7) в местах расположения тензорезисторов (3), который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Кроме того, преобразователь содержит дополнительно сформированный слой диэлектрика (8), закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов (3) стороны мембраны (1) и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика (4), закрепленному на мембране (1) со стороны тензорезисторов (3).Figure 1 shows a semiconductor pressure transducer containing a membrane (1) with a thickened peripheral base (2). The membrane (1) has a thickness equal to the thickness of the strain gages (3) formed on the dielectric layer (4) fixed on the membrane. Strain gages (3) are combined using conductors (5) having metallized contact pads (6) connected to them into a bridge measuring circuit. The membrane (1) contains a profile with stress concentrators (7) at the locations of the strain gauges (3), which is a combination of refined sections and rigid centers. In addition, the transducer contains an additionally formed dielectric layer (8) fixed on the opposite side of the membrane (1) with respect to the strain gauges (3) and equal in thickness and properties to the dielectric layer (4) fixed to the membrane (1) on the side of the strain gauges (3) )
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. Наличие дополнительно сформированного слоя диэлектрика, закрепленного с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равного по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов, обеспечивает взаимную компенсацию механических напряжений, как растяжения, так и сжатия, учитывая идентичность по толщине и физико-механическим свойствам данных слоев, когда деформации, вызванные механическими напряжениями, будут равными по значению, но противоположными по знаку, когда кремниевая мембрана при повышении температуры на 50°C по сравнению с нормальными условиями испытывает напряжение порядка 25 МПа, а дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны, так же, как и слой диэлектрика, закрепленный на мембране со стороны тензорезисторов, испытывает напряжение порядка 9 МПа (при этом напряжения слоев диэлектрика равны по значению, но противоположны по знаку), что означает снижение механического напряжения, испытываемого мембраной, на то же значение. При эксплуатации преобразователя происходит взаимная компенсация механических напряжений, как растяжения, так и сжатия, учитывая идентичность по толщине и физико-механическим свойствам данных слоев, когда деформации, вызванные механическими напряжениями, будут равными по значению, но противоположными по знаку. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снизить уровень механических напряжений, повысить надежность преобразователя, повысить прочность мембраны, повысить стабильность параметров при повышенных температурах.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 presence of an additionally formed dielectric layer fixed from the opposite side of the membrane with respect to the strain gauges formed and equal in thickness and properties to the dielectric layer fixed to the membrane from the side of the strain gauges provides mutual compensation of mechanical stresses, both tension and compression, taking into account the identical thickness and physical the mechanical properties of these layers, when deformations caused by mechanical stresses are equal in value but opposite in sign, when the silicon membrane experiences a voltage of about 25 MPa when the temperature rises by 50 ° C compared to normal conditions, and the additionally formed dielectric layer fixed on the opposite side of the membrane relative to the formed strain gauges, as well as the dielectric layer fixed on the membrane from the strain gauge side experiences a stress of the order of 9 MPa (the stresses of the layers of the dielectric are equal in value but opposite in sign), which means a decrease in mechanical stress, direct membrane to the same value. During operation of the transducer, mutual compensation of mechanical stresses, both tension and compression, takes into account the identity in thickness and physico-mechanical properties of these layers, when deformations caused by mechanical stresses will be equal in value but opposite in sign. Thus, the proposed technical solution allows to reduce the level of mechanical stresses, increase the reliability of the transducer, increase the strength of the membrane, increase the stability of parameters at elevated temperatures.
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:
- повышение надежности преобразователя;- improving the reliability of the Converter;
- повышение прочности мембраны;- increase the strength of the membrane;
- повышение стабильности параметров при повышенных температурах.- increasing the stability of parameters at elevated temperatures.
Источники информацииInformation sources
1. А.с. (СССР) №1732199, МКИ G01L 9/04, 1990.1. A.S. (USSR) No. 1732199, MKI G01L 9/04, 1990.
2. Патент 2284613 RU. Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления. Опубл. 27.09.2006. Бюл. №27.2. Patent 2284613 RU. Semiconductor pressure transducer and method for its manufacture. Publ. 09/27/2006. Bull. Number 27.
3. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.3. Kontseva Yu.A., Litvinov Yu.M., Fattakhov E.A. Plasticity and strength of semiconductor materials and structures. M .: Radio and communications, 1982.- 240 p.
4. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия, 1978. - 280 с.4. Palatnik L.S., Sorokin V.K. Materials science in microelectronics. M .: Energy, 1978.- 280 s.
5. В.С. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летагин. Напряжения и деформации в элементах микросхем. М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.: ил.5. V.S. Sergeev, O.A. Kuznetsov, N.P. Zakharov, V.A. Letagin. Stresses and strains in the elements of microcircuits. M .: Radio and communications, 1987. - 88 p.: Ill.
6. Allyson L. Hartzell, Mark G. da Silva, Herbert R. Shea. MEMS Reliability. - Springer London, Limited, 2013.6. Allyson L. Hartzell, Mark G. da Silva, Herbert R. Shea. MEMS Reliability. - Springer London, Limited, 2013.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110803/28A RU2555190C1 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Semiconductor pressure converter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110803/28A RU2555190C1 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Semiconductor pressure converter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2555190C1 true RU2555190C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538313
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014110803/28A RU2555190C1 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Semiconductor pressure converter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2555190C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187760U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor |
RU2732839C1 (en) * | 2019-07-09 | 2020-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Semiconductor pressure converter with high accuracy and sensitivity |
RU202558U1 (en) * | 2020-12-09 | 2021-02-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Ultra-low power consumption integral temperature transmitter pressure transmitter |
RU204992U1 (en) * | 2020-12-09 | 2021-06-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Pressure sensor with integrated temperature transducer with reduced power consumption and high breakdown reverse voltage |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1732199A1 (en) * | 1990-07-05 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Pressure transducer and method of manufacturing the same |
US6756316B1 (en) * | 1997-12-22 | 2004-06-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Semiconductor pressure transducer structures and methods for making the same |
RU2284613C1 (en) * | 2005-04-04 | 2006-09-27 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Semiconductor pressure transducer and its manufacturing process |
-
2014
- 2014-03-20 RU RU2014110803/28A patent/RU2555190C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1732199A1 (en) * | 1990-07-05 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Pressure transducer and method of manufacturing the same |
US6756316B1 (en) * | 1997-12-22 | 2004-06-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Semiconductor pressure transducer structures and methods for making the same |
RU2284613C1 (en) * | 2005-04-04 | 2006-09-27 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Semiconductor pressure transducer and its manufacturing process |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Илья Баринов к.т.н, "Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуре", Компоненты и Технологии, N5, 2009. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187760U1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor |
RU2732839C1 (en) * | 2019-07-09 | 2020-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Semiconductor pressure converter with high accuracy and sensitivity |
RU202558U1 (en) * | 2020-12-09 | 2021-02-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Ultra-low power consumption integral temperature transmitter pressure transmitter |
RU204992U1 (en) * | 2020-12-09 | 2021-06-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Pressure sensor with integrated temperature transducer with reduced power consumption and high breakdown reverse voltage |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11226251B2 (en) | Method of making a dual-cavity pressure sensor die | |
RU2555190C1 (en) | Semiconductor pressure converter | |
US10768064B2 (en) | MEMS pressure gauge sensor and manufacturing method | |
US8384398B2 (en) | Structural health monitoring system and method using soft capacitive sensing materials | |
US7793551B2 (en) | Load sensor with shock relaxation material to protect semiconductor strain sensor | |
US3697917A (en) | Semiconductor strain gage pressure transducer | |
US9550211B2 (en) | Temperature compensation in a CMUT device | |
US4831492A (en) | Capacitor construction for use in pressure transducers | |
JP2014518028A5 (en) | ||
US20170350779A1 (en) | Micromachined Bulk Acoustic Wave Resonator Pressure Sensor | |
KR20080080005A (en) | Pressure sensor | |
US8397579B2 (en) | Compact pressure-sensing device | |
RU2711183C1 (en) | Strain gauge for measuring load on axis of cargo vehicle and system for measuring load on axis of cargo vehicle | |
RU2427810C1 (en) | Pressure sensor of increased sensitivity based on nano- and microelectromechanical system with thin-film resistance strain gauges | |
Qandil et al. | Considerations in the design and manufacturing of a load cell for measuring dynamic compressive loads | |
RU2310176C1 (en) | Semiconductor pressure converter | |
RU2284613C1 (en) | Semiconductor pressure transducer and its manufacturing process | |
RU2463687C1 (en) | Bounded semiconductor strain gauge | |
RU2391640C1 (en) | Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system | |
RU2271523C2 (en) | Semiconductor pressure transformer | |
RU2507491C1 (en) | High-temperature semiconducting pressure converter | |
Lin et al. | 2000-atmosphere chip-scale packaged bulk-type pressure sensor with dual-cavity induced stress amplification | |
RU2362132C1 (en) | Integrated pressure transducer | |
RU2559300C2 (en) | Pressure transducer | |
Ferreira et al. | Optimized design of a piezoresistive pressure sensor with measurement span of 1 MPa |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PD4A | Correction of name of patent owner |