Полупроводниковый преобразователь

Полупроводниковый преобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(11) ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Доно 711HTe;IbIIOB K BBT. свид-Bg (22) Заявлено 04.01.79 (21) 2705615/18-25

{51)N.Кл.з Н 01 L41/08

G 011 9/04 с присоединс:111е11 заявки— (23) Приорнтет— государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (- 3) Опус 11 св"но 0711 PO Бю1четс н М 41 5-) У ТК 621.382 (!5) Дата опубликования описания 0-1.01.81 (72) Авторы и ссретен ия

В. Е. Бейден, В., C. Папков, M. В. буровиков, Н. А. Зфи, йв; —.

В. Н, Зимин Н. M. Михайз1ова и А, А. Смирно

Г. Г

Ф . "Р"

«4(71) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к полупроводниковым .преобразователям давления, и может быть использовано для,измерения давления и друг их неэлектрических величин: усилия, перемещения, ускорения, вибрации.

Известен преобразователь давления, содержащ ий упругую подложку, на гладкой поверхности которой р аз м еще н тензочувствительный полупроводниковый элемент с двумя омическими ооонтактами (1).

Прн воздействии,измеряемой механической,нагрузки на подложку, последняя изгибается и вместе с ней упруго деформирует- 15 ся тензочувствительный элемент.

Пропорционально нагрузке, изменяется сопротивление деформируемого тензочувсгвительного элемента.

К недостаткам указанного устройства 2с мононо отнести его малую чувствительность и значительную температурную завпснмость выход ного сигнала.

Известен также преооразователь давления, содержа1ций упругую подложку, на гладкой поверхности .которой размс цен тензочувствительный .полупроводниковый элемент с четырьмя тензорезисторами, электрически соединенными в полный мост сопротивлений (2). Пр именение полного моста сопротивлений позволяет повысить чувствительчость преобразователя. Однако сильная зависимость выходных характеристик от колебаний температуры значительно снижает достоинства и сужает область:применения этого прибора. Кроме того, при уменьшении упругочувствительного элемента до микроминиатюрных размеров его чувствптел1.ность также уменьшается, причем в значительно оольшей,пропорции.

Наиболее близким к предлагаемому техническим, решением является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий расположенный на упругой подложке из диэлектрического материала и ориентированный в направлении максимальной тензочувствительности чувствительный элемент, .выполненный в виде слоя полупроводника с омическ11ми контактами (3). Применение сплош,ного слоя полупроводника и особого расположения омичсских .контактов позволяет значительно повысить температурную,стабильность выходного сигнала преобразователя.

Недостатком такого устройства является его мB.".ÿÿ чу Вствитель;1ссть т1>сбч101цая применения допол ниельных устройств для ус;ле".1ия выходного сигнала.

Повышение чувствительности возможно за счет уменьшения толщины упругой под777757

40 ложки,или увеличения удельного сопротивления полупроводника. Однако, "первый путь ограничен, возможностями современной технологии и механической прочностью ма териала подложки, а второй привод ит к неприемлемому ухудшению температу рной стабильности выходного сигнала.

Целью изооретения является повышение чувствительности,при одновременном со. хранении температурной стабильности выходного сигнала.

Цель достигается тем, что поверхность подложки выполнена с выступами, вытянутыми в направлении, перпендикулярном направлению максимальной тензочувствительности полупроводника и имеющими вь соту

0,1 — 1,0 мм, при этом отношение высоты выступа,к толщине слоя полупроводника составляет 1: (1 — 10).

На фиг. 1 схематично представлена одна из возможных конструкций преобразователя балочного типа в разрезе; на фиг.

2 — то же, вид сверху, на фиг. 3 — од на,из возможных, конструкций преобразователя мембранного типа, в разрезе, на фиг. 4— то же, в,ид сверху.

На диэлектрической лодложке 1, которая представляет собой балку и может быть выполнена, например, m сапфира,,и ориентированной в плоскости (10 — 12), на одной стороне сформированы:вььступы 2, внешние углы которых выполняют роль ступенек. На поверхности подложки 1.с выступам и 2 раслоложен сплошной слой;кремния 8, ор иентирован ный в плоскости (100).

Направление максимальной тензочувствительности слоя кремния f 110 1 показано,на фиг, 2 стрелками. На кремниевом слое,,повторяющем профиль .подложки, размещены омическне,контакты 4, пр ичем одна,из пар ко нтакто1в расположена вблизи места крепления подложки 1 к основан ию 5, а другие — вдоль лодложки в области воздействия на нее механической нагрузки.

Преобразователь мембранного типа изображен на ф,иг, 3 и 4.

В сапфировой подложке 1 сформирована полость б прямоугольной формы с закругленными углами, Посредине полости б имеется концентратор механических напряжений 7. Контуры полости iH концентратора напряжений показаны на фиг. 4,пунктиром.

Дно полости служит мембраной, воспрннимающей измеряемое давление. На поверхности подложии, противоположной нолости, выполнены выступы 2, внешние углы которых служат ступеньками. На этой поверхнооти нанесен слой кремния 8, повторяющий профиль подложки, и две,пары омичесних контактов 4. Направлений максимальной тензочувствительности показано на фиг. 4 стрелками.

Работает преобразователь балочного ти. па следующим образом.

Если к паре контактов, расположенных у on- озаиия, приложить электрическое напряжение, то между .контактами;второй пары за счет распределенного в слое,:полупроводника электрического поля возникает разность потенциалов. Величина наведенного сигнала зав иоит от параметров,полупроводника,и от взаимного расположения контактов.

Преобразователь мембранного типа расотаег следующим образом.

Если к паре контактов, расположенных по одну сторону от концентратора механических,напряжений, приложить электрическое напряжение, то между контактами второй пары, расположенной по другую сторону мембраны, за счет распределенного электрического поля возникнет разность потенциалов. При воздействии,на мембрану измеряемой нагрузки вследствие тензоэффакта на утоньшенных участках мембра:ны между, концентраторам механических напряжений,и стенка ми полости — изменится сопротивление кремниевого слоя. Величнна изменен|ия,или,выходной сигiнал пропорциональны .измеряемой нагрузке.

Наличие ступенек на тензочувствителыных участках мембраны в 3 — 5 раз увеличивает выходной сигнал.

Области полупроводникового слоя, .расголоженные над выступающими углами, характеризуются большой плотностью структурбиных дефектов,,вызывающих,:в свою оче редь, уменьшение подвиж ности носителей заряда н повышение удельного сопротивления. Наличие таях областей, вытянутых герпендикулярно направлению максимальной тензочувств ительности,полупроводника приводит к значительному увеличению выходного сигнала преобразователя. В то же время, благодаря равномерной концентрации легирующих примесей по всему слою полупроводника температурная стабильность выходного сигнала сохраняется на уровне, достигнутом в,известном устройстве.

Значения |высоты выступа (h), толщина

1-11, полупроводника (H) и их соопно шеннй (1 й/

Н объясняется тем, что при Й)1мкм и — „(1 воз можны разрывы сплошност и полупроводникового слоя на гранях ступенек, а при

h(0,1 мкм и — )10 повышение чувствительности незначительно. Количество выступов;и расстояние между,ними за висит от размеров упругочувствительного элемента, расстояния между омическим|и контактами и,возможностей технологии формирования ступеней. Повы777757 шение чувствительности пропорционально количеству выступов между .контактами.

Повышение чувствительности в конструкции, выполненной согласно, настоящему изобретению, достигается за счет того, что при воздействии механической нагрузки на незакрепленный край подложки вследствие тензоэффекта |изменяется сопротивление полупроводникового слоя, Изменение сопротивления между па рам и контактов и между контактами в каждой, паре .имеег противоположные знаки, причем тензочувствительность полупроводника в направлен ии, перпендикулярном выступам, в несколько,раз выше, чем вдоль выступов, что позволяет получить увеличенный в,З вЂ” 5 раз выходной сигнал преобразователя. В ,преобразователе без выступов чувствительность достигает 5 — li0 л кВ/лглю рт. ст. В.

Применение выступов с указанными размерами увеличивает чувствительность до 30—

M л кв/мм рт, ст. В.

Повышение чувствительности с по,мощью выступов достигается;и в обычных мостовых схемах, причем выступы в этом случае располагаются перпендикулярно 1направлению резисторов.

Предлагаемый полупроводниковый преобразователь давления имеет особо важ ное,научно-техническое значение при изготовлении его в микроминиатюрном исполнении. Такие преобразователи найдут широкое пр именение в микроэлектронных устройствах, используемых в медико-биологических исследова н иях,сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта человека.

Формула изобретения

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий расположенный,на упругой подложке из диэлектрического maтериала,и ориентированный в направлении максимальной тензочувствительности чувствительный элемент, .выполненный в виде слоя полупроводника с омическими контактами, о т л.и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности прои col6 хранении температурной стабильности выходного сигнала, поверхность подложки выполнена с выступами, вытянутым и в направлении, перпендикулярном направлвнию максимальной тензочувствительности полу20 проводника и имеющими высоту 0,1—

1,0 мкм, пр и этом отношение высоты выступа к толщине слоя полупроводника соетавляет 1: {1 — 10) .

Источники .информации, принятые во внлмание,при экспертизе:

1. Полякова А. П. Физ,и чесжие пр,инципы работы полупроводниковых датчико в механических величин, «Акустический журнал» т. XVIII, Вып. 1, 1972, с. 1 — 22.

2. Викулин И. М.,и Стафеев В. И. Полупроводниковые датчики, М,, Советское радио», 1975, с. 17 — 20.

3. Авторское свидетельство СССР

З5 по заявке № 2614864/25, кл. Н 01 L 41/10, 1978 (прототип).

777737

Фиг. 4

Совтавитель А. Прохорова

Техред A. Камышникова

Корректор С. Файн

Редактор H. Коляда

Тип. Харьк. фил. пред. «Патеыт»

Заказ 1458/1482 Изд.. .4е 540 Тираж 857 Подписнос

1гПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, а. 4/5