ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к конструкции интегральных полупроводниковых тензопреобразователей.
Известен полупроводниковый датчик давления в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы тензорезисторы, объединенные в мост Уинстона. С другой стороны пластины выполнено центрально-симметричное углубление, состоящее из двух параллельных канавок и двух участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой, и имеющих с ними общее плоское дно. Дно совместно с первой стороной кремниевой пластины образует мембрану, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр. На каждом прямолинейном участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уинстона. Патент США №4236137, МПК: G01L 001/22, 1980. Недостатком датчика является наличие фрагментов металлической разводки в области мембраны, что вызывает дополнительные погрешности и приводит к снижению точности измерений, снижает надежность датчика давления.
Известен интегральный преобразователь давления, содержащий кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и мембраной в центре кристалла с обратной стороны, на рабочей поверхности которого сформированы радиальные и тангенциальные тензорезисторы p-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему, соединение тензорезисторов с металлической разводкой выполнено дополнительно созданными промежуточными высоколегированными областями p+-типа проводимости за пределами мембраны и ее переходных областей, причем высоколегированные промежуточные области p+ - типа проводимости охватывают часть мембраны, переходную область и часть основания и имеют одинаковые размеры и форму. Патент Российской Федерации №2278447, МПК: G01L 9/04, 2006 г. Прототип. Недостатками прототипа являются необходимость защиты диэлектрическим слоем металлической разводки, обладающей низкой прочностью и пластичностью и подверженной механическим повреждениям; взаимные пересечения высоколегированных областей с металлической разводкой, что при наличии дефектов в слое диэлектрика на поверхности кристалла приводит к замыканию металлизации с кремниевой пластиной и высоколегированными областями и вызывает образование токов утечки между электрическими цепями тензомоста и кремниевой пластины; удвоенное по сравнению с количеством тензорезисторов число омических контактов к высоколегированным областям, обладающих конечными и отличными друг от друга из-за технологического разброса сопротивлениями и вносящих дополнительный вклад в сопротивление каждого из тензорезисторов, что приводит к смещению начального выходного напряжения моста.
Полезная модель устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции, повышение точности измерения, воспроизводимость параметров и стабильность работы при воздействии температур в широком диапазоне.
Технический результат достигается тем, что в интегральном преобразователе давления, содержащем монокристаллическую кремниевую пластину n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и мембраной с обратной стороны, на рабочей поверхности которой сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, соединенные в мостовую схему через промежуточные высоколегированные области р+ - типа проводимости за пределами мембраны и ее переходных областей, в центральной части монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, образующее мембрану с жестким центром, в верхней части мембраны сформировано четыре диффузионных тензорезистора, два из которых расположены параллельно друг другу вдоль противоположных краев мембраны, а еще два диффузионных тензорезистора расположены перпендикулярно первым двум и параллельно друг другу вдоль противоположных краев жесткого центра, причем размер граней жесткого центра, вдоль которых расположены диффузионные тензорезисторы, не менее длины тензорезистора, а соединение смежных диффузионных тензорезисторов в мостовую схему и соединение диффузионных тензорезисторов с контактными площадками выполнено высоколегированными диффузионными областями p+ - типа проводимости. Полезная модель поясняется на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 показан вид сверху на интегральный преобразователь давления, где: 1 - монокристаллическая кремниевая пластина, 2 - мембрана, 3 - жесткий центр, 4 - контур мембраны, 5 - контур жесткого центра 3, 6 - диффузионные тензорезисторы, 7 - диффузионные высоколегированные области, 8 - контактные окна, 9 - контактные площадки.
На Фиг. 2 - представлен разрез Α-A интегрального преобразователя давления, где: 10 - диэлектрический слой.
В центральной части монокристаллической кремниевой пластины 1 выполнено углубление, образующее мембрану 2 с жестким центром 3. В верхней части мембраны 2 сформированы четыре диффузионных тензорезистора 6, два из которых, расположены параллельно друг другу вдоль взаимно противоположных краев 4 мембраны 2, а другие два диффузионных тензорезистора 6 - перпендикулярно первым двум и параллельно друг другу вдоль взаимно противоположных краев контура 5 жесткого центра 3.
Диффузионные тензорезисторы 6 объединены в мостовую схему высоколегированными диффузионными областями 7 с типом проводимости, идентичным проводимости диффузионных тензорезисторов 6.
Соединение диффузионных тензорезисторов 6 с металлическими контактными площадками 9, расположенными за границами 4 мембраны 2, осуществлено высоколегированными диффузионными областями 7 через контактные окна в диэлектрическом слое 10.
Форма и размеры высоколегированных областей 7 подобраны для обеспечения одинакового вклада в сопротивление каждого диффузионного тензорезистора 6 для исключения смещения начального разбаланса тензомоста. Объединение диффузионных тензорезисторов 6 в мост Уинстона и их соединение с контактными площадками 9 диффузионными шинами минимизирует разброс начального выходного сигнала, упрощает технологию изготовления и увеличивает процент выхода годных интегральных преобразователей давления.
Работает интегральный преобразователь давления следующим образом.
Давление измеряемой среды вызывает деформацию мембраны 2 с жестким центром 3. Деформация мембраны 2 изменяет электрическое сопротивление диффузионных тензорезисторов 6, расположенных вдоль границ 4 мембраны 2 и границ контура 5 жесткого центра 3 и объединенных высоколегированными областями 7 в мост Уинстона.
Полученный электрический сигнал с моста Уинстона передают на схему обработки сигнала датчика давления через металлические площадки 9, сформированные в местах размещения контактных окон 8 в диэлектрическом слое 10 к высоколегированным диффузионным областям 7.
Отсутствие металлизации в центральной части монокристаллической кремниевой пластины 1 со стороны размещения диффузионных тензорезисторов 6, и, как следствие, отсутствие перепада высот на ее поверхности, позволяет организовать защитный упор (ограничитель прогиба) мембраны 2. Защитный упор увеличивает в несколько раз стойкость мембраны 2 к перегрузочному давлению. Защитный упор, выполненный из кремния, керамики, стекла или иного материала с коэффициентом теплового расширения, близким к кремнию, закрепляют на поверхности монокристаллической кремниевой пластины 1 за пределами мембраны 2 и ее переходных областей.