ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ
SENSITIVE ELEMENT OF PRESSURE AND TEMPERATURE TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления и температуры.
19
-3
Известен полупроводниковый тензопреобразователь (патент на изобретение RU 2284074), содержащий измерительную мостовую тензосхему, к диагонали питания которой подключен шунтирующий резистор. Плечи мостовой тензосхемы и шунтирующий резистор содержат перемычки, разрывом которых обеспечивается настройка начального сигнала и диапазона изменения выходного сигнала тензопреобразователя. Все элементы тензосхемы сформированы методами фотолитографии на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок (3,5…9)⋅10 см. К недостаткам данного решения можно отнести следующее: измерительная мостовая схема полупроводникового тензопреобразователя выполнена замкнутой, что сужает число схемотехнических комбинаций настройки, а настройка обеспечивается разрывом перемычек, что в некоторых случаях может снизить предел прочности изделия при перегрузках из-за повреждения поверхности подложки. В качестве подложки используется сапфир, а не монокристаллический кремний, поэтому размеры самого тензопреобразователя в несколько раз больше, что не позволяет создавать малогабаритные преобразователи давления.
Известен тензопреобразователь давления (патент на изобретение RU 2329480), содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую квадратную мембрану с продольными и поперечными тензорезисторами. Поперечные тензорезисторы расположены на краю мембраны, причем продольные тензорезисторы частично выходят за ее пределы. Недостатком данного технического решения является выполнение тензорезисторов цельными, что дает меньший номинал тензорезисторов, чем в заявленном решении, в котором тензорезисторы выполнены составными. Также в данном устройстве отсутствует терморезистор, таким образом, отсутствует возможность коррекции температурной погрешности и возможность организовать канал измерения температуры.
Известен высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" (патент на изобретение RU 2531549), содержащий упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, объединенные при помощи коммутационных шин в многоэлементную мостовую схему. Схема 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. 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. Выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов. В описанном устройстве также отсутствует терморезистор, что не позволяет осуществить точную коррекцию температурной погрешности и не дает возможности организовать канал измерения температуры.
19
-3
Известен полупроводниковый преобразователь давления (патент на изобретение RU 2284613), содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5⋅10 см, 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. Мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, а поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния. В заявляемом решении в отличие от данного аналога тензо- и терморезисторы выполнены многосоставными, что позволяет получить больший номинал резисторов и добиться снижения потребляемой мощности.
Известен тензометрический преобразователь (авторское свидетельство на изобретение №800742) с составными тензорезисторами, в котором с целью повышения точности введен терморезистор, выполненный из полупроводникового материала. В отличие от данного аналога в заявляемом решении тензорезисторы разнесены по поверхности на значительное расстояние друг от друга, что позволяет повысить теплоотвод чувствительного элемента, т.е. снизить тепловое сопротивление изделия, за счет поверхностного распределения тензорезисторов.
Задача настоящего изобретения заключается в создании чувствительного элемента преобразователя давления и температуры с высокими показателями чувствительности и надежности.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в снижении потребляемой мощности и уменьшении теплового сопротивления кристалла.
Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент преобразователя давления и температуры включает в себя пластину из кремния, имеющую металлизированные контактные площадки, коммутирующие области, и утоненную часть в виде мембраны, на которой расположены составные тензорезисторы, расположенные радиально и тангенциально относительно мембраны; терморезистор, причем тензорезисторы и терморезистор соединены через коммутирующие области по мостовой схеме, причем терморезистор выполнен составным, по крайней мере, из двух частей, тензорезисторы выполнены, по крайней мере, из двух последовательно соединенных частей, при этом составные части тензорезисторов соединены между собой и составные части терморезистора соединены между собой через коммутирующие области, причем коммутирующие области представляют собой высоколегированные области p+-типа проводимости.
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - планарная сторона чувствительного элемента, фиг. 2 - непланарная сторона чувствительного элемента, фиг 3. - сечение чувствительного элемента.
Позициями на чертеже указаны:
1 - тензорезистор тангенциальный;
2 - тензорезистор радиальный;
3 - терморезистор;
4 - высоколегированные области p+-типа проводимости;
5 - металлизированная контактная площадка.
2
Заявляемый чувствительный элемент преобразователя давления и температуры представляет собой плоскую пластину из кремния n типа с кристаллографической рабочей плоскостью [100]. На планарной стороне методами полупроводниковых микроэлектронных технологий из кремния p типа сформированы радиальные и тангенциальные тензорезисторы и терморезистор. В центре кристалла методами полупроводниковых технологий сформирована мембрана, представляющая собой участок кремниевой пластины с уменьшенной толщиной. Тензорезисторы размещены таким образом, что их продольные оси параллельны одной из главных осей мембраны и совпадают с кристаллографическим направлением [110]. Каждый тензорезистор выполнен в виде, по крайней мере, двух параллельных последовательно соединенных резистивных участков, расположенных на планарной стороне чувствительного элемента как в тангенциальном, так и в радиальном направлении. В случае квадратной формы кристалла тензорезисторы на планарной стороне мембраны занимают положения в квадратной области со стороной С, границы которой определяются по формуле C=B+h(A-B)/H, где С - сторона квадратной области, А - сторона кристалла, В - сторона мембраны, h - толщина мембраны, Н - толщина кристалла. В случае прямоугольной формы кристалла неравные границы области рассчитывают по такой же формуле для каждой стороны соответственно. Терморезистор выполнен составным из, по крайней мере, двух частей, при этом продольные оси составных частей ориентированы по кристаллографическому направлению [100], что обеспечивает повышенную чувствительность к температуре и отсутствие чувствительности к изменениям давления. Составные участки тензорезисторов и составные части терморезистора, а также сами тензорезисторы и терморезистор между собой соединены высоколегированными областями p+-типа проводимости по мостовой схеме. Терморезистор соединен параллельно с двумя тензорезисторами одного из полумостов и не имеет собственных независимых электрических выводов. Контактные площадки к резисторам расположены за областью мембраны.
Заявляемое устройство работает следующим образом. При подаче давления происходит деформация плоской тонкой мембраны, на которой расположены тензорезисторы. Происходит изменение сопротивлений тензорезисторов, и на выходе измерительного моста появляется сигнал, пропорциональный измеряемому прилагаемому давлению. Изменение температуры приводит к пропорциональному изменению сопротивления терморезистора, что используется для коррекции температурной погрешности нулевого сигнала, чувствительности, а также организации независимого от давления канала выходного сигнала в зависимости от температуры, т.е. датчика температуры.
Выполнение тензорезисторов составными и расположение, благодаря которому тензорезисторами покрыта область максимальных деформаций, увеличивает чувствительность заявляемого устройства. Тензорезисторы предлагается размещать именно в этих участках, что позволяет добиться максимально возможного отношения ΔR/R для каждого тензорезистора, где ΔR - изменение значения номинала тензорезистора R при воздействии на структуру измеряемым давлением. Отношение ΔR/R характеризует чувствительность отдельного тензорезистора.
Выполнение терморезистора составным, состоящим по крайней мере из двух частей, соединенных последовательно или параллельно, имеющих продольные оси, совпадающие с кристаллографической ориентацией минимальной тензочувствительности, повышает чувствительность к температуре и обеспечивает полную нечувствительность к давлению. Терморезистор располагается в плоскости кристалла, занимая свободное место на кристалле, обеспечивая эффективную упаковку топологических функциональных элементов на устройстве. Терморезистор выполнен по стандартной групповой технологии микроэлектронного производства, как и другие элементы чувствительного элемента, составляя единое целое с остальной топологией.
20
-3
В заявляемом изобретении коммутация осуществляется высоколегированными областями p+-типа проводимости с концентрацией примеси бора свыше 10 см, что повышает технологичность и менее воздействует на характеристики преобразователя, чем металлическая коммутация.
Выполнение резисторов составными позволяет увеличить их номинал R. По закону Ома I=U/R, где I - сила тока, проходящего через сопротивление R, U – напряжение, падающее на сопротивление R. При увеличении R значение силы тока I уменьшается. Это приводит к уменьшению потребляемой устройством мощности Р=UI при неизменном значении напряжения.
2
Согласно закону Джоуля-Ленца Q=IRt, где Q - количество теплоты, выделенное за промежуток времени t. Следовательно, при уменьшении тока потребления уменьшается выделяемое кристаллом тепло. Что обеспечивает меньшую температурную погрешность и большую надежность.
Поверхностное разнесение тензорезисторов друг от друга позволяет снизить тепловое сопротивление кристалла, что обеспечивает более эффективную отдачу выделяемого тепла, и, в итоге, приводит к уменьшению температурной погрешности и эффекта нелинейности преобразователя.
В конкретном варианте выполнения, представленном на фиг. 1, каждый тензорезистор выполнен многосоставным из пяти последовательно соединенных частей, которые в совокупности с соединяющими их коммутирующими областями представляют собой по форме меандр. Тензорезисторы расположены в области максимальных деформаций на периферийной части мембраны. Терморезистор выполнен из четырех частей, расположенных в виде ромба в средней части чувствительного элемента. В данном варианте осуществления заявляемого изобретения выполнение терморезистора замкнутым параллельно одному полумосту сокращает количество контактных площадок на одну, повышая технологичность и надежность при эксплуатации, не ухудшая и не ограничивая процесс нормирования сигнала и термокомпенсации.