ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Областью применения предполагаемой полезной модели является сфера микроэлектроники, занимающаяся разработкой и изготовлением датчиков давления, используемых, например, в электронных высотомерах.
Известен полупроводниковый датчик давления, состоящий из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства в виде резисторов, каждый из которых сформирован по четырем осям диафрагмы на границе с рамкой, четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с резисторами тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны (см., например, статья «Интегральный кремниевый преобразователь давления с подстроечными резисторами на кристалле» В.И. Ваганов, В.В. Беклемишев, Н.И. Гочарова, А.Б. Носкин в журнале «Измерительная техника», №5, стр. 28-30, 1980 года, книга «Интегральные тензопреобразователи» В.И. Ваганов, 1983 г., стр. 110-111).
Основным недостатком данного датчика является то, что для него необходимы сложные схемы температурной компенсации, так как элементы тензометрического устройства разнесены по периметру диафрагмы и могут неравно нагреваться находящимися на рамке электронными элементами стабилизатора, усилителя и схемы температурной компенсации, при этом каждый из элементов тензометрического устройства требует отдельной подстройки.
Наиболее близким к предлагаемому является полупроводниковый датчик давления, состоящий из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства, сформированного в диафрагме вблизи границы с рамкой в виде системы прямоугольников р-типа проводимости х-образной формы, оси которых сориентированы в направлении [100], четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с прямоугольниками тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны (см., например, патент США US 4317126, класс H01L 29/84 от 23 февраля 1982 г.).
Данный полупроводниковый датчик давления представляет собой кремниевую диафрагму, на которую методом ионной имплантации внедрена х-образная тензометрическая структура, образованная широким прямоугольником и проходящим через его середину узким прямоугольником р-типа проводимости. Широкий прямоугольник ориентирован вдоль кристаллографического направления [100] и образует угол 45° с краем диафрагмы, через него задают ток. Узкий прямоугольник служит для обнаружения и измерения поперечного напряжения, генерируемого в ответ на сгибание диафрагмы. Ширина токового прямоугольника должна быть больше, чтобы усилить разницу величины потенциалов между краями прямоугольника.
Таким образом, х-образная тензометрическая структура развивает на выходе напряжение, прямо пропорциональное приложенному давлению. В свою очередь, расположение всех элементов х-образной тензометрической структуры у одной границы диафрагмы исключает их неравномерный нагрев. Данный датчик имеет высокие показатели линейности, повторяемости, воспроизводимости и отношения сигнал/шум.
Недостатком данного датчика является то, что ближайшая к границе диафрагмы сторона широкого прямоугольника х-образной тензометрической структуры шунтируется его противоположной стороной удаленной от диафрагмы. Кроме того подобная конструкция требует идеально точного совмещения элементов тензометрического устройства и токопроводов, так как малейшее смещение вызовет рассогласование.
Результатом предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности и минимизация влияния точности совмещения токопроводов и элементов тензометрического устройства.
Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом полупроводниковом датчике давления, состоящем из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства, сформированного в диафрагме вблизи границы с рамкой в виде системы прямоугольников р-типа проводимости, четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с прямоугольниками тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны, тензометрическое устройство из прямоугольников выполнено в виде квадратной рамки, сориентированной вдоль направлений семейства [110], а токопроводы в местах контактирования к углам квадратной рамки выполнены в виде одинаковых прямоугольников со сторонами, параллельными сторонам квадратной рамки, и полностью перекрывают углы квадратной рамки тензометрического устройства с зазорами между сторонами токопроводов и сторонами угла квадратной рамки не менее 1 ошибки совмещения.
Такая конструкция позволяет исключить шунтирование между ближайшей к границе диафрагмы стороной тензометрического устройства и ее противоположной стороной, удаленной от диафрагмы, из-за наличия нелегированного квадратного участка внутри квадратной рамки тензометрического устройства. Таким образом, повышается чувствительность датчика. Токопроводы, выполненные в виде одинаковых прямоугольников со сторонами, параллельными сторонам квадратной рамки в местах контактирования к углам квадратной рамки, позволяют сохранить активную длину прямоугольных сторон квадратной рамки тензометрического устройства даже при неточном совмещении токопроводов и элементов тензометрического устройства.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. Конструкция предлагаемого полупроводникового датчика давления изображена на фиг. 1 (вид сверху), фиг. 2 (увеличенный фрагмент) и фиг. 3 (разрез).
Позициями на фиг. 1-3 обозначены:
1 - кремниевая тонкая диафрагма;
2 - кремниевая рамка n-типа проводимости;
3 - тензометрическое устройство в виде системы прямоугольников р-типа проводимости;
4 - токопроводы из сильно легированного кремния р-типа проводимости;
5 - слой оксида кремния;
а
- зазор между сторонами токопроводов и сторонами угла квадратной рамки тензометрического устройства, равный не менее 1 ошибки совмещения.
Ниже описаны порядок изготовления и конструкция полупроводникового датчика давления с диафрагмой 1×1 мм. Зазор между границей диафрагмы и тензометрическим устройством 10 мкм. Ширина сторон квадратной рамки тензометрического устройства 10 мкм.
Предлагаемый полупроводниковый датчик давления можно изготовить следующим образом: на кремниевой монокристаллической пластине диаметром 100 мм ориентации (100) марки КЭФ-4 выращивают слой термического оксида кремния, толщиной 0,6 мкм, и вытравливают отверстия под активные области; на лицевой стороне кремниевой пластины диффузией бора формируются токопроводы р+-типа проводимости 4 глубиной 2 мкм и поверхностным сопротивлением 15 Ом/квадрат (см. фиг. 1); затем, с помощью фотолитографии, ионным легированием бора формируют квадратную рамку тензометрического устройства р-типа проводимости 3, глубиной 1,2 мкм и поверхностным сопротивлением 250 Ом/квадрат; далее наращивают слой оксида кремния 5 (см. фиг. 3), полученный в плазме при пониженном давлении, толщиной 0,6 мкм, и вытравливают отверстия для контактных окон к металлизации; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминия, толщиной 1 мкм, формируют методом фотолитографии металлизированную разводку; далее с обратной стороны пластины анизотропным жидкостным химическим травлением кремния формируется тонкая диафрагма 1, толщиной, например, 10 мкм и размером 1×1 мм.