ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДАВЛЕНИЯ С ДАТЧИКОМ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использована в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал.
+
Известен интегральный чувствительный элемент преобразователя давления, состоящий из оборотной механической стороны со сформированным тонким упругим элементом, вытравленным путем глубокого анизотропного травления, и лицевой стороны, на которой с помощью процесса ионного легирования сформированы четыре тензорезистора p-типа проводимости, объединенные в мостовую схему алюминиевыми металлизированными дорожками с металлизированными контактными площадками и токоведущими областями p-типа проводимости. На утолщенной части мембраны размещена схема термокомпенсации чувствительности, содержащая биполярный n-p-n транзистор и резистивный делитель. Схема термокомпенсации чувствительности способна минимизировать вклад температурного влияния на чувствительность выходного сигнала тензоэлемента (Е.В. Игнатьева, Ю.А. Михайлов, С.П. Тимошенков. О проектировании мембраны с жестким центром кристаллов кремниевых тензопреобразователей на давления от 0,025 до 25 МПа. - Нано- и микросистемная техника. - Вып. №2, 2010. - с. 24-31; http://www.microsystems.ru/files/full/mc201002.pdf). Данное решение принято в качестве прототипа.
Недостатком конструкции такого чувствительного элемента является невозможность измерять температуру непосредственно в самом объеме чувствительного элемента для компенсации ее влияния на выходной сигнал внешней схемой термокомпенсации, поскольку схема термокомпенсации чувствительности, построенная в чувствительном элементе, лишь частично устраняет влияние температуры на чувствительность выходного сигнала тензосхемы и не компенсирует выходной сигнал при отсутствии давления.
Полезная модель устраняет недостатки прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность измерять температуру непосредственно в самом объеме чувствительного элемента для компенсации ее влияния на выходной сигнал внешней схемой термокомпенсации.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что интегральный чувствительный элемент преобразователя давления, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, толщина мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, мембрана имеет утолщенную и утоненную часть и жесткий центр, границы которых являются местами концентрации напряжений, на лицевой стороне сформированы четыре параллельных друг другу тензорезистора p-типа проводимости, при этом тензорезисторы располагаются в местах концентрации механических напряжений, тензорезисторы объединены токоведущими областями p-типа проводимости и алюминиевыми металлизированными дорожками с алюминиевыми металлизированными контактными площадками в мостовую схему, при этом тензорезисторы являются плечами мостовой измерительной схемы, первое плечо соединяется с третьим плечом токоведущей областью p-типа проводимости, второе плечо соединяется с четвертым плечом токоведущей областью p-типа проводимости, первое плечо соединяется со вторым плечом последовательно токоведущей областью p-типа проводимости первого плеча, алюминиевой металлизированной дорожкой и токоведущей областью p-типа проводимости второго плеча, третье плечо соединяется с четвертым плечом последовательно токоведущей областью p-типа проводимости третьего плеча, алюминиевой металлизированной дорожкой и токоведущей областью p-типа проводимости четвертого плеча, сформирован на кристалле, имеющем эпитаксиальный слой, выполненный из кремния n-типа проводимости, и подложку, выполненную из кремния p-типа проводимости, и дополнительно содержит температурный датчик, выполненный непосредственно в утолщенной части мембраны чувствительного элемента, при этом в утолщенной части мембраны сформированы три последовательно соединенных алюминиевыми металлизированными дорожками изолированных диода, созданных по планарной технологии в виде p-n перехода структурой «коллектор-база», где область «коллектора» диода сформирована из кремния n-типа проводимости, область «базы» диода сформирована из кремния p-типа проводимости, к каждой области в отдельности подведены алюминиевые металлизированные дорожки с алюминиевыми металлизированными контактными площадками, диоды изолированы друг от друга разделительными областями, сформированными из кремния p-типа проводимости в эпитаксиальной области, где на разделительную область подается наименьший потенциал - «земля».
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1-6.
На фиг. 1 представлена топология мостовой схемы на лицевой стороне чувствительного элемента.
На фиг. 2 представлена топология квадратной кремниевой мембраны на оборотной механической стороне.
На фиг. 3 представлена структура р-n переходов мостовой схемы чувствительного элемента (разрез А-А).
На фиг. 4 представлена электрическая мостовая измерительная схема.
На фиг. 5 представлена топология температурного датчика на лицевой стороне чувствительного элемента.
На фиг. 6 представлена структура р-n переходов температурного датчика (разрез Б-Б).
Цифрами на чертежах обозначены:
1.1, 1.2, 1.3, 1.4 - тензорезистор p-типа проводимости мостовой схемы;
2.12, 2.24, 2.34, 2.13 - алюминиевые металлизированные дорожки мостовой схемы;
3.12, 3.24, 3.34, 3.13 - алюминиевая металлизированная контактная площадка мостовой схемы;
+
4.12, 4.21, 4.24, 4.43, 4.34, 4.13 - токоведущие области p-типа мостовой схемы;
5 - квадратная кремниевая мембрана;
6 - утолщенная часть мембраны;
7 -  утоненная часть мембраны;
8 - жесткий центр мембраны;
9 - температурный датчик;
10 - алюминиевые металлизированные дорожки температурного датчика;
11 - алюминиевая металлизированная контактная площадка температурного датчика;
12 - область «коллектора» диода;
13 - область «базы» диода;
14 - разделительная область;
15 - эпитаксиальная область;
16 - слой изоляции из диоксида кремния.
+
Интегральный элемент - это совокупность электрически связанных компонентов, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке, т.е. элемент выполнен по планарной технологии. Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления сформирован на кристалле, включающем эпитаксиальную область 15, сформированную из кремния n-типа проводимости, и слой подложки, сформированный из кремния p-типа проводимости, и состоит из лицевой стороны, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния 16, и оборотной механической стороны. На оборотной механической стороне чувствительного элемента находится квадратная кремниевая мембрана 5, состоящая из утолщенной части 6, утоненной части 7 и жесткого центра 8. Места соединения элементов мембраны образуют места концентрации напряжений. На лицевой стороне чувствительного элемента, где расположена электрическая мостовая схема, сформированы, например, с помощью процесса ионного легирования, четыре тензорезистора 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, объединенные в мостовую схему алюминиевыми металлизированными дорожками 2.12, 2.24, 2.34, 2.13 с алюминиевыми металлизированными контактными площадками 3.12, 3.24, 3.34, 3.13 и токоведущими областями 4.12, 4.21, 4.24, 4.43, 4.34, 4.13. Топологический рисунок мостовой схемы на лицевой стороне может быть любой формы. Геометрические размеры элементов мембраны могут быть любыми. Тензорезисторы располагаются в местах концентрации механических напряжений, а именно: тензорезисторы первого 1.1 и четвертого плеч 1.4 мостовой измерительной схемы находятся в местах соединения утолщенной 6 и утоненной 7 частей мембраны, а тензорезисторы второго 1.2 и третьего плеч 1.3 мостовой измерительной схемы находятся в местах соединения утоненной части 7 и жесткого центра 8 мембраны.
Квадратная кремниевая мембрана 5 с жестким центром 8 создается анизотропным травлением; жесткий центр мембраны может иметь как квадратное, так и другое сечение. Исходя из экспериментальных результатов толщина утоненной части 7 квадратной кремниевой мембраны 5 в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 20 мкм до значения, равного половине толщины чувствительного элемента. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 7 мембраны 5. Изготовление утоненной части 7 мембраны 5 толщиной менее 20 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 7 мембраны 5 существенно падает чувствительность преобразователя.
+
Устройство содержит температурный датчик 9, расположенный на утолщенной части 6 мембраны 5 и сформированный по планарной технологии на лицевой стороне чувствительного элемента, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния 16. Температурный датчик 9 содержит три диода, сформированные в эпитаксиальной области 15 и изолированные разделительной областью 14, сформированной из кремния p-типа проводимости. Каждый диод включает область «коллектора» 12, сформированную из кремния n-типа проводимости, и область «базы» 13, сформированную из кремния p-типа проводимости. Диоды последовательно соединены между собой алюминиевыми металлизированными дорожками 10. К каждой области «коллектора» 12 диода и области «базы» 13 диода подведены алюминиевые металлизированные дорожки 10 с металлизированными контактными площадками 11 для возможности использования одинарного диода.
Устройство работает следующим образом.
При подаче измеряемого давления на чувствительный элемент оно воздействует на мембрану 5, которая, изгибаясь, деформирует тензорезисторы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 p-типа проводимости, расположенные на лицевой стороне чувствительного элемента, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния 16. При этом в тензорезисторах возникает тензоэффект, то есть изменяется их сопротивление, и, соответственно, увеличивается разбаланс мостовой измерительной схемы, в которую объединены тензорезисторы 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, токоведущие области 4.12, 4.21, 4.24, 4.43, 4.34, 4.13 и алюминиевые металлизированные дорожки 2.12, 2.24, 2.34, 2.13. Величина разбаланса снимается в виде выходного сигнала с помощью токоведущих областей 4.12, 4.21, 4.24, 4.43, 4.34, 4.13, объединенных алюминиевыми металлизированными дорожками 2.12, 2.24, 2.34, 2.13 и алюминиевыми металлизированными контактными площадками 3.12, 3.24, 3.34, 3.13. Величина разбаланса выходного сигнала мостовой измерительной схемы чувствительного элемента при наличии и отсутствии подаваемого давления дополнительно изменяется при воздействии температуры (данный эффект привносит брак в работу чувствительного элемента). Для устранения изменения выходного сигнала при воздействии температуры на утолщенной части 6 мембраны 5 и сформированный на лицевой стороне, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния 16, размещен температурный датчик 9. На разделительную область 14 подается наименьший потенциал (земля) для предотвращения протекания паразитного тока через нее между диодами по эпитаксиальной структуре 15, выполняющей функцию передачи внешней схеме термокомпенсации (на чертеже не указана) сигнала измерения температуры непосредственно в самом объеме чувствительного элемента для термокомпенсации выходного сигнала мостовой измерительной схемы чувствительного элемента при наличии и отсутствии подаваемого давления.
Работу одного диода отдельно в схеме последовательного соединения трех диодов датчика температуры 9 можно рассмотреть в отдельности благодаря проведенным алюминиевыми металлизированным дорожкам 10 с алюминиевыми металлизированными контактными площадками 11 к каждой области «коллектора» 12 и области «базы» 13 диода, рассмотренного отдельно.
пит
прямое диода
прямое диода
Выходной сигнал с датчика температуры 9 измеряется при открытом состоянии диодов. Прямой ток диодов в диапазоне I=0,1…1,0 мА (U=0,6…0,7 В). Изменение прямого напряжения диодов имеет практически линейную зависимость от температуры в диапазоне от -60°C до+100°C. Суммарный температурный коэффициент изменения k(U) диодов в диапазоне от 2 до 3 мВ/°C.
Выбор использования трех диодов обусловлен большей амплитудой сигнала, что приводит к увеличению соотношения «сигнал-шум».
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно возможность измерять температуру непосредственно в самом объеме чувствительного элемента для компенсации ее влияния на выходной сигнал внешней схемой термокомпенсации.