интегральный балочный тензопреобразователь

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.

Описание изобретения к патенту

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.