RU2555190C1 - Полупроводниковый преобразователь давления - Google Patents
Полупроводниковый преобразователь давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2555190C1 RU2555190C1 RU2014110803/28A RU2014110803A RU2555190C1 RU 2555190 C1 RU2555190 C1 RU 2555190C1 RU 2014110803/28 A RU2014110803/28 A RU 2014110803/28A RU 2014110803 A RU2014110803 A RU 2014110803A RU 2555190 C1 RU2555190 C1 RU 2555190C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- strain gauges
- thickness
- dielectric layer
- equal
- Prior art date
Links
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с утолщенным периферийным основанием. Мембрана имеет толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика. Тензорезисторы объединены с помощью проводников, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, в мостовую измерительную схему. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Кроме того, преобразователь содержит дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны и повышение стабильности параметров при повышенных температурах. 1 ил.
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.
Известны преобразователь давления и способ его изготовления, характеризующиеся тем, что мембрана со слоем диэлектрика, на которой сформированы тензорезисторы, легирована бором до того же уровня концентрации, что и тензорезисторы, при этом толщина мембраны под слоем диэлектрика равна толщине тензорезисторов [1].
Недостатками данного преобразователя является низкая чувствительность к измерению малых давлений при сохранении собственной резонансной частоты, низкая прочность мембраны, высокий уровень погрешностей измерений в интервале температур от минус 100 до 600°C.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь давления и способ его изготовления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния и легированную бором до концентрации не менее 5·1019 см-3, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, выполненных из кремния, легированного бором до того же уровня концентрации, что и мембрана, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему и имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, причем мостовая измерительная схема содержит терморезистор, выполненный из кремния, а мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, при этом поверхности тензорезисторов и терморезистора покрыты слоем двуокиси кремния [2].
Недостатками прототипа являются низкая надежность, низкая прочность мембраны, высокая дополнительная температурная погрешность преобразователя из-за высоких механических напряжений, обусловленных различием свойств кремния, из которого выполнена мембрана, и слоя диэлектрика, изолирующего тензорезисторы от мембраны. Например, коэффициент термического расширения двуокиси кремния (как наиболее типичного диэлектрика) равен
, а кремния kSi=4,5·10-6K-1 [3, 4]. То есть коэффициенты термического расширения двух слоев отличаются друг от друга приблизительно в 10 раз. Учитывая, что слои занимают эквивалентную площадь и непосредственно соприкасаются друг с другом, в данном преобразователе давления при работе в широком диапазоне температур (от минус 70 до 600°C) будут иметь место значительные механические напряжения, вызванные, помимо различия коэффициентов термического расширения двуокиси кремния и кремния, усадочными явлениями материалов этих слоев, несовершенством проведения технологических процессов, неоднородностью пластической деформации, несоответствием параметров решетки слоев и т.д. [5]. Возникающие высокие механические напряжения растяжения либо сжатия снижают надежность преобразователя и приводят к прогибу мембраны, появлению неинформативного сигнала и, как следствие, - к повышению дополнительной температурной погрешности.
Изобретение направлено на повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны, повышение стабильности параметров при повышенных температурах.
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки и содержащую профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, дополнительно сформирован слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов.
Введение предложенной конструкции, содержащей дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов, позволяет снизить уровень механических напряжений, обусловленных различием свойств кремния и диэлектрика.
Предложенная конструкция представляет собой многослойную гетероструктуру, температурные напряжения у которой аналитически определяются из:
где Ef - модуль упругости пленки, νf - коэффициент Пуассона пленки, αs и αf - температурные коэффициенты линейного расширения слоев, ΔT - диапазон изменения температуры [6]. Согласно выражению (1) кремниевая мембрана при повышении температуры на 50°C по сравнению с нормальными условиями испытывает напряжение порядка 25 МПа, а дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны, так же, как и слой диэлектрика, закрепленный на мембране со стороны тензорезисторов, испытывает напряжение порядка 9 МПа (при этом напряжения слоев диэлектрика равны по значению, но противоположны по знаку), что означает снижение механического напряжения, испытываемого мембраной, на то же значение. Более точные результаты дает численное моделирование в пакете прикладных программ конечно-элементного анализа, по результатам которого усредненное механического напряжение, испытываемое мембраной конструкции-прототипа при повышении температуры на 50°C, составляет порядка 21 МПа, а в предложенной конструкции составляет значение порядка 13 МПа. Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает снижение дополнительных механических напряжений, действующих на тензорезисторы, на значение порядка 62%, что означает снижение дополнительной температурной погрешности на такое же значение, а также повышение надежности преобразователя, повышение прочности мембраны. А учитывая, что механические напряжения вызывают деформацию мембраны, особенно при эксплуатации преобразователя при повышенных температурах, то предложенная конструкция также позволяет повысить стабильность параметров при повышенных температурах.
Предлагаемое устройство поясняется фиг.1.
На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану (1) с утолщенным периферийным основанием (2). Мембрана (1) имеет толщину, равную толщине тензорезисторов (3), сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика (4). Тензорезисторы (3) объединены с помощью проводников (5), имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки (6), в мостовую измерительную схему. Мембрана (1) содержит профиль с концентраторами механических напряжений (7) в местах расположения тензорезисторов (3), который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Кроме того, преобразователь содержит дополнительно сформированный слой диэлектрика (8), закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов (3) стороны мембраны (1) и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика (4), закрепленному на мембране (1) со стороны тензорезисторов (3).
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Измеряемое давление, воздействуя на мембрану с жестким центром, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. Наличие дополнительно сформированного слоя диэлектрика, закрепленного с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равного по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов, обеспечивает взаимную компенсацию механических напряжений, как растяжения, так и сжатия, учитывая идентичность по толщине и физико-механическим свойствам данных слоев, когда деформации, вызванные механическими напряжениями, будут равными по значению, но противоположными по знаку, когда кремниевая мембрана при повышении температуры на 50°C по сравнению с нормальными условиями испытывает напряжение порядка 25 МПа, а дополнительно сформированный слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны, так же, как и слой диэлектрика, закрепленный на мембране со стороны тензорезисторов, испытывает напряжение порядка 9 МПа (при этом напряжения слоев диэлектрика равны по значению, но противоположны по знаку), что означает снижение механического напряжения, испытываемого мембраной, на то же значение. При эксплуатации преобразователя происходит взаимная компенсация механических напряжений, как растяжения, так и сжатия, учитывая идентичность по толщине и физико-механическим свойствам данных слоев, когда деформации, вызванные механическими напряжениями, будут равными по значению, но противоположными по знаку. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снизить уровень механических напряжений, повысить надежность преобразователя, повысить прочность мембраны, повысить стабильность параметров при повышенных температурах.
Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:
- повышение надежности преобразователя;
- повышение прочности мембраны;
- повышение стабильности параметров при повышенных температурах.
Источники информации
1. А.с. (СССР) №1732199, МКИ G01L 9/04, 1990.
2. Патент 2284613 RU. Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления. Опубл. 27.09.2006. Бюл. №27.
3. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1982. - 240 с.
4. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. М.: Энергия, 1978. - 280 с.
5. В.С. Сергеев, О.А. Кузнецов, Н.П. Захаров, В.А. Летагин. Напряжения и деформации в элементах микросхем. М.: Радио и связь, 1987. - 88 с.: ил.
6. Allyson L. Hartzell, Mark G. da Silva, Herbert R. Shea. MEMS Reliability. - Springer London, Limited, 2013.
Claims (1)
- Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с утолщенным периферийным основанием, выполненную из кремния, имеющую толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое диэлектрика, объединенных с помощью проводников в мостовую измерительную схему, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки и содержащую профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров, отличающийся тем, что в нем дополнительно сформирован слой диэлектрика, закрепленный с противоположной относительно сформированных тензорезисторов стороны мембраны и равный по толщине и свойствам слою диэлектрика, закрепленному на мембране со стороны тензорезисторов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110803/28A RU2555190C1 (ru) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Полупроводниковый преобразователь давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014110803/28A RU2555190C1 (ru) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Полупроводниковый преобразователь давления |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2555190C1 true RU2555190C1 (ru) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538313
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014110803/28A RU2555190C1 (ru) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Полупроводниковый преобразователь давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2555190C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187760U1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
RU2732839C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью |
RU202558U1 (ru) * | 2020-12-09 | 2021-02-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Датчик давления с интегральным преобразователем температуры сверхнизкого энергопотребления |
RU204992U1 (ru) * | 2020-12-09 | 2021-06-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления и с повышенным пробивным обратным напряжением |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1732199A1 (ru) * | 1990-07-05 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Преобразователь давлени и способ его изготовлени |
US6756316B1 (en) * | 1997-12-22 | 2004-06-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Semiconductor pressure transducer structures and methods for making the same |
RU2284613C1 (ru) * | 2005-04-04 | 2006-09-27 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления |
-
2014
- 2014-03-20 RU RU2014110803/28A patent/RU2555190C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1732199A1 (ru) * | 1990-07-05 | 1992-05-07 | Научно-исследовательский институт физических измерений | Преобразователь давлени и способ его изготовлени |
US6756316B1 (en) * | 1997-12-22 | 2004-06-29 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Semiconductor pressure transducer structures and methods for making the same |
RU2284613C1 (ru) * | 2005-04-04 | 2006-09-27 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Илья Баринов к.т.н, "Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуре", Компоненты и Технологии, N5, 2009. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU187760U1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Интегральный высокочувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора |
RU2732839C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-09-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") | Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью |
RU202558U1 (ru) * | 2020-12-09 | 2021-02-24 | Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л.Духова» (ФГУП «ВНИИА») | Датчик давления с интегральным преобразователем температуры сверхнизкого энергопотребления |
RU204992U1 (ru) * | 2020-12-09 | 2021-06-22 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления и с повышенным пробивным обратным напряжением |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11226251B2 (en) | Method of making a dual-cavity pressure sensor die | |
US10768064B2 (en) | MEMS pressure gauge sensor and manufacturing method | |
RU2555190C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления | |
US7793551B2 (en) | Load sensor with shock relaxation material to protect semiconductor strain sensor | |
US3697917A (en) | Semiconductor strain gage pressure transducer | |
US9550211B2 (en) | Temperature compensation in a CMUT device | |
US4831492A (en) | Capacitor construction for use in pressure transducers | |
US20170350779A1 (en) | Micromachined Bulk Acoustic Wave Resonator Pressure Sensor | |
KR20080080005A (ko) | 압력센서 | |
US8397579B2 (en) | Compact pressure-sensing device | |
RU2711183C1 (ru) | Тензометрический датчик измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства и система для измерения нагрузки на ось грузового транспортного средства | |
RU2427810C1 (ru) | Датчик давления повышенной чувствительности на основе нано- и микроэлектромеханической системы с тонкопленочными тензорезисторами | |
Qandil et al. | Considerations in the design and manufacturing of a load cell for measuring dynamic compressive loads | |
RU2310176C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления | |
RU2284613C1 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления и способ его изготовления | |
RU2463687C1 (ru) | Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор | |
RU2391640C1 (ru) | Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы | |
RU2271523C2 (ru) | Полупроводниковый преобразователь давления | |
RU2507491C1 (ru) | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления | |
Lin et al. | 2000-atmosphere chip-scale packaged bulk-type pressure sensor with dual-cavity induced stress amplification | |
RU2362132C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
RU2559300C2 (ru) | Датчик давления | |
Ferreira et al. | Optimized design of a piezoresistive pressure sensor with measurement span of 1 MPa | |
Guan et al. | A novel 0–3 kPa piezoresistive pressure sensor based on a Shuriken-structured diaphragm | |
RU44384U1 (ru) | Полупроводниковый чувствительный элемент датчика давления |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PD4A | Correction of name of patent owner |