Интегральный балочный тензопреобразователь

Интегральный балочный тензопреобразователь

Реферат

 

Использование: в устройствах измерения перемещений, ускорений, деформации, силы и давления. Сущность изобретения: интегральный балочный тензопреобразователь представляет собой монокристалл, изготовленный из кремниевой подложки n-типа проводимости с концентратором механических напряжений в виде поперечного углубления заданных размеров со стороны не рабочей поверхности. На рабочей поверхности концентратора методами интегральной технологии сформированы диффузионные тензорезисторы p-типа, соединенные металлизацией в мостовую схему. Узлы мостовой схемы выведены на контактные площадки, расположенные вне концентратора. Каждый тензорезистор состоит из двух одинаковых, соединенных последовательно металлизацией, частей, которые расположены симметрично относительно средней линии концентратора. Каждая часть тензорезистора окружена высоколегированной областью n-типа. На рабочей поверхности сформировано не менее одного омического контакта к кристаллу, выведенного металлизацией на отдельную контактную площадку. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к интегральным полупроводниковым тензопреобразователям.

Известен интегральный балочный тензопреобразователь, представляющий собой микроконструкцию из монокристаллического кремния с рабочей поверхностью, ориентированной в плоскости [100] Кристалл имеет кольцевую пассивную часть, внутри которой имеется активная часть, отделенная от пассивной части воздушным зазором. Активная и пассивная части соединены более тонким концентратором напряжений, на котором расположен тензочувствительный резистор р-типа. На пассивной части имеется аналогичный опорный резистор р-типа. Эти резисторы соединены друг с другом и выведены на три контактные площадки. При перемещении активной части относительно пассивной в поперечном к поверхности кристалла направлении, вызванном воздействием механической нагрузки или движения с ускорением, механические напряжения, возникающие в концентраторе, вызывают изменение номинала тензорезистора, которое фиксируется и преобразовывается внешней электронной схемой. Недостатками данного тензопреобразователя являются: наличие лишь одного тензорезистора на концентраторе напряжений, что снижает чувствительность и линейность преобразования [1] Указанные недостатки устранены в интегральном балочном тензопреобразователе, имеющем два основания и соединяющий их концентратор механических напряжений, рабочие поверхности которых расположены в одной плоскости, образующей форму прямоугольника [2] На рабочей поверхности концентратора расположены диффузионные тензорезисторы, изготовленные по планарной технологии интегральных микросхем, ориентированные в кристаллографических направлениях [110] Два тензорезистора расположены вдоль, а два поперек линий соединения рабочих поверхностей концентратора с основаниями. С помощью алюминиевой металлизации тензорезисторы объединены в полную мостовую схему, внешние узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные на одном из оснований. При закреплении одного из оснований в корпусе датчика и воздействии механической нагрузки в направлении поперечном рабочей поверхности (основное направление) в кристалле возникает деформация изгиба, которая в концентраторе благодаря его меньшей толщине много больше, чем в основаниях. Данная деформация вызывает изменения номиналов тензорезисторов: двух в сторону увеличения, а двух поперечных им в сторону уменьшения, что обусловливает разбаланс мостовой схемы и появление выходного сигнала (разности потенциалов), пропорционального приложенной нагрузке или перемещению второго основания.

Рассмотрим результат воздействия механических нагрузок, перпендикулярных основному направлению, которые могут возникнуть в результате изгиба передающей нагрузку тяги в датчиках силы или ускорения, а также в результате поперечного к измеряемому ускорению в акселерометрах. При действии нагрузки в направлении растяжения или сжатия концентратора воздействие на тензорезисторы аналогично действию основной нагрузки, но деформация в концентраторе и соответственно паразитный выходной сигнал в этом случае на несколько порядков меньше, чем при изгибе.

Действие нагрузки, изгибающей концентpатоp в плоскости рабочей поверхности, приводит, как показали экспериментальные исследования, к появлению паразитного сигнала величиной до 6% от основного, что ухудшает качество данного тензопреобразователя.

На фиг.1 показан рисунок наиболее близкого аналога; на фиг.2 электрическая схема тензорезистивного моста и способа его включения.

При действии механической нагрузки в основном направлении, напpимеp, со стороны рабочей поверхности, на одно из оснований при закрепленном втором по всей поверхности концентратора возникают равномерные напряжения, в результате чего сопротивление тензорезисторов R1 и R2 уменьшаются на величину r, а R3 и R4 увеличиваются на ту же величину r, в результате чего на выходе схемы появляется полезный выходной сигнал: 1 U_вых где R_м сопротивление моста; Е_п напряжение питания моста.

Действие нагрузки, изгибающей концентратор в плоскости рабочей поверхности, вызовет например увеличение сопротивления R1, уменьшение сопротивления R2, уменьшение сопротивления R3 и наконец увеличение сопротивления R4 вследствие сжимающих напряжений в той половине концентратора, где расположены R1 и R2 и растягивающих напряжений во второй половине концентpатоpа, где расположены R3 и R4. Вследствие того, что величина напряжений изменяется от нуля в центре концентратора до максимальной величины у его краев, приращение номиналов тензорезисторов не будет одинаковым и, следовательно, на выходе схемы появится паразитный выходной сигнал.

Кроме того, в данном преобразователе возможно появление поверхностных токов утечки р-n-переходов тензорезисторов по причине возникновения инверсионного слоя вследствие воздействия заряда в диэлектрике на рабочей поверхности кристалла, или в паразитной МДП-структуре под шинами металлизации с отрицательным относительно напряжения питания моста потенциалом. При этом элементы для контроля этих утечек и разбраковки кристаллов отсутствуют.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является исключение паразитного сигнала от поперечной нагрузки. Сущность изобретения заключается в следующем.

Интегральный балочный тензопреобразователь содержит выполненные из единого монокристалла кремния n-типа проводимости два основания и соединяющий их более тонкий концентратор механических напряжений, рабочие поверхности которых расположены в одной кристаллографической плоскости (100). На рабочей поверхности концентратора в монокристалле расположены диффузионные тензорезисторы р-типа проводимости ориентированные в кристаллографических направлениях [110] соединенные с помощью металлизации в полную мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные вне концентратора на одном из оснований. Два тензорезистора поперечны, а два параллельны границам рабочих поверхностей концентратора и оснований.

Преобразователь отличается тем, что каждый тензорезистор мостовой схемы выполнен из двух одинаковых частей, соединенных последовательно металлизацией, и расположенных симметрично относительно линии, проходящей через середину упомянутых границ. Каждая часть тензорезисторов окружена расположенной в монокристалле на рабочей поверхности концентратора, диффузионной высоколегированной областью n-типа проводимости, и кроме того, на рабочей поверхности преобразователя выполнено не менее одного омического контакта к монокристаллу, выведенного металлизацией на отдельную контактную площадку.

Преобразователь дополнительно отличается тем, что высоколегированные области n-типа проводимости расположены на расстоянии 3-8 мкм из областей тензорезисторов.

На фиг.3 дано расположение тензорезисторов на рабочей поверхности преобразователя и его разрез; на фиг.4 электрическая схема соединения тензорезисторов в мостовую схему.

Цифрами на фигурах обозначено: первое основание 1; второе основание 2; концентратор механических напряжений 3; первая часть первого тензорезистора R11 4; вторая часть первого тензорезистора R12 5; первая часть второго тензорезистора R21 6; вторая часть второго тензорезистора R22 7; первая часть третьего тензорезистора R31 8; вторая часть третьего тензорезистора R32 9; первая часть четвертого тензорезистора R41 10; вторая часть четвертого тензорезистора R42 11; охранная область n+-типа 12; металлизация 13; омический контакт к кристаллу 14.

П р и м е р. Преобразователь изготовлен из монокристаллической кремниевой пластины КЭФ-4,5 с ориентацией рабочей поверхности в плоскости (100). Толщина оснований 1 и 2 равна толщине исходной пластины и составляет 0,46 мм. Размер общей рабочей поверхности равен 2х10 мм (2 мм общая ширина оснований и концентратора). Первое основание 1 длиной 2,5 мм соединено со вторым основанием 2 длиной 7,3 мм концентратором механических напряжений 3 длиной 0,2 мм и толщиной 0,2 мм, который сформирован путем анизотропного травления кремния со стороны нерабочей поверхности пластины. В монокристалле со стороны рабочей поверхности концентратора сформированы восемь одинаковых тензорезисторов р-типа проводимости с поверхностным сопротивлением 250 Ом/кв и глубиной 1,5 мкм. Номинальное значение каждого тензорезистора составляет 2,5 кОм. Каждый из тензорезисторов окружен высоколегированной охранной n+-областью "12".

Четыре тензорезистора расположены параллельно, а четыре перпендикулярно линиям соединения рабочих поверхностей концентратора и оснований, совпадающими с семейством кристаллографических направлений [110] Тензорезисторы с помощью металлизации 13 соединены в мостовую схему, как показано на фиг.3 и 4. При этом каждое плечо мостовой схемы состоит из двух одинаковых резисторов, расположенных симметрично линии, соединяющей середины границ рабочих поверхностей концентратора с основаниями. Сопротивление каждого плеча и, следовательно, всего моста составляет 5 кОм. Узлы мостовой схемы выведены на контактные площадки, расположенные на втором основании. На этом же основании расположен омический контакт к кристаллу 14 сформированный с помощью металлизации и высоколегированной n+-области и соединенный с отдельной контактной площадкой.

При действии на первое основание нормальной нагрузки в направлении, перпендикулярном рабочей поверхности (второе основание жестко закреплено), в кристалле возникает деформация изгиба, которая в концентраторе напряжений вследствие его меньшей толщины много больше, чем в основаниях. При этом напряжения растяжения (сжатия) на всей поверхности концентратора одинаковы. Следовательно, происходит одинаковое увеличение (уменьшение) тензорезисторов R11, R12, R31, R32 и такое же уменьшение (увеличение) тензорезисторов R21, R22, R41, R42. В результате происходит разбаланс мостовой схемы, который регистрируется в виде выходного напряжения U_вых при поданном напряжении питания +Е_п. Величина U_вых пропорциональна приложенной нормальной нагрузке и составляет для данного примера 100 мВ при нагрузке 100 Гс и напряжении питания моста 5 В.

При действии поперечной нагрузки напряжения с одной стороны линии, соединяющей середины границ концентратора и оснований, являются сжимающим, а с другой растягивающими. При этом их абсолютная величина изменяется от нуля в середине до максимума на краях концентратора. В результате на каждую пару тензорезисторов, составляющих одно плечо моста, будут действовать одинаковые по абсолютной величине, но противоположных по знаку механические напряжения. Следовательно, номинал каждого плеча мостовой схемы остается неизменным и на ее выходе не возникает паразитный сигнал.

Наличие высоколегированных охранных областей n-типа проводимости вокруг тензорезисторов приводит к ликвидации поверхностных утечек между ними, которые могли бы возникнуть как в результате загрязнения поверхности различными ионами, так и в результате возникновения инверсионного слоя на поверхности кристалла под шинами металлизации, где образуется паразитная МДП-структура. Вероятность возникновения инверсионного слоя очевидно особенно велика под шинами наиболее низкого потенциала схемы, т.к. их потенциал практически на величину напряжения питания схемы ниже потенциала кристалла. Наличие омического контакта к кристаллу позволяет производить автоматизированный контроль и отбраковку кристаллов с утечками р-n-переходов тензорезисторов, например еще до разделения кремниевой пластины на отдельные кристаллы, аналогично тому, как это делается при изготовлении интегральных микросхем.

Расстояние от областей тензорезисторов до охранных областей определяется требованиями к пробивным напряжениям р-n-переходов. Уменьшение данного расстояния менее 3 мкм приводит к возрастанию вероятности смыкания указанных областей и уменьшению пробивных напряжений до 5-8 В, что может оказаться недостаточным для работы схемы, а увеличение расстояния более 8 мкм уже не приводит к увеличению пробивных напряжений (составляющих около 60 В), даже на кристаллах с удельным сопротивлением 4,5 Омсм, да и не представляется целесообразным.

Формула изобретения

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ БАЛОЧНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий выполненные из единого монокристалла кремния n-типа проводимости два основания и соединяющий их более тонкий концентратор механических напряжений, рабочие поверхности которых расположены в одной кристаллографической плоскости (100), расположенные в монокристалле на рабочей поверхности концентратора диффузионные тензорезисторы p-типа проводимости, ориентированные в кристаллографических направлениях (110) и соединенные с помощью металлизации в полную мостовую схему, узлы которой выведены на контактные площадки, расположенные вне концентратора, при этом два тензорезистора поперечны, а два параллельны границам рабочих поверхностей концентратора основаниями, отличающиеся тем, что каждый тензорезистор мостовой схемы выполнен из двух одинаковых частей, соединенных последовательно металлизацией и расположенных симметрично относительно линии, проходящей через середину упомянутых границ, каждая часть тензорезисторов окружена расположенной в монокристалле на рабочей поверхности концентратора диффузионной высоколегированной областью n-типа проводимости, и, кроме того, на рабочей поверхности преобразователя выполнено не менее одного омического контакта к монокристаллу, выведенного металлизацией на отдельную контактную площадку.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высоколегированные области n-типа проводимости расположены на расстоянии 3 8 мкм от областей тензорезисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4