Преобразователь механического воздействия в электрический сигнал

 

Изобретение относится к полупроводниковой измерительной технике и может быть использовано при конструировании тензопреобразователей. Цель изобретения - повышение чувствительности. Устройство содержит упругий кремниевый элемент и расположенный на нем тензоэлемент. Тензоэлемент выполнен в виде дрейфового двухколлекторного тензотранзистора p- или n-типа. Продольная ось тензоэлемента p-типа составляет угол 45с направлением <100> упругого элемента, а для элемента n-типа совпадает с направлением <100>. Описано расположение тензоэлементов на упругих элементах круглой, квадратной и прямоугольной форм. Тензоэлемент включает первую легированную область в упругом элементе, два концевых контакта, два боковых токоотвода (коллекторы) и вторую дополнительную легированную область. Токоотводы и дополнительная область (эмиттер) имеют тип проводимости, противоположный типу проводимости первой. 17 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании интегральных полупроводниковых тензопреобразователей. Цель изобретения - повышение чувствительности. На фиг. 1 представлен топологический чертеж тензоэлемента; на фиг. 2 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (100), а продольная ось совпадает с направлением <100>; на фиг. 3 - преобразователь, содержащий круглую мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100); на фиг. 4 - преобразователь, содержащий квадратную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а стороны ориентированы по направлению <100>; на фиг. 5 - преобразователь, содержащий прямоугольную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а стороны ориентированы по направлению <100>; на фиг. 6 - преобразователь, содержащий прямоугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а канавки между жесткими островками ориентированы вдоль направлений <100>; на фиг. 7 - сечение профилированной мембраны; на фиг. 8 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (100), а продольная ось совпадает с направлением <100>; на фиг. 9 - преобразователь, содержащий прямоугольную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а стороны ориентированы вдоль направлений <100>; на фиг. 10 - преобразователь, содержащий прямоугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), а канавки между жесткими островками ориентированы вдоль направлений <100> ; на фиг. 11 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (110), а продольная ось ориентирована по направлению <100>; на фиг. 12 - преобразователь, содержащий круглую мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110); на фиг. 13 - преобразователь, содержащий шестигранную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а две длинные стороны ориентированы вдоль направления <100>; на фиг. 14 - преобразователь, содержащий шестиугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а канавки между жесткими островками ориентированы по направлению <100>; на фиг. 15 - балочный преобразователь, плоскость которого совпадает с плоскостью (110), а продольная ось совпадает с направлением <211>; на фиг. 16 - преобразователь, содержащий четырехугольную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а две длинные стороны ориентированы по направлению <211>; на фиг. 17 - преобразователь, содержащий четырехугольную профилированную мембрану, плоскость которой совпадает с плоскостью (110), а канавки между жесткими островками ориентированы по направлению <211>. Преобразователь (фиг. 1) содержит на кремниевом упругом элементе 1 полупроводниковый тензоэлемент 2 с двумя концевыми контактами 3 и 4 и двумя боковыми токоотводами 5 и 6, выполненными в виде областей противоположного типа проводимости и служащими коллекторами. Тензоэлемент 2 содержит так же область 7 противоположного типа проводимости, служащую эмиттером и расположенную на продольной оси 8 прибора и смещенную к одному из его концов. Тензоэлемент 2 расположен на упругом элементе так, что его продольная ось 8 ориентирована под углом 45^о относительно ближайшей к тензоэлементу линии пересечения плоскости упругого элемента с опорой (линия заделки) 9 упругого элемента или касательной к ней, в случае круглых мембран. Преобразователь может быть выполнен с упругим элементом 1 в виде балки (фиг. 2 и 8), круглой мембраны (фиг. 3), квадратной мембраны (фиг. 15), прямоугольной мембраны (фиг. 5, 9), профилированной мембраны с двумя жесткими островками (фиг. 6, 10), плоскость которых совпадает с плоскостью (100), а также балки (фиг. 11, 15), круглой мембраны (фиг. 12), шестиугольной плоской (фиг. 13) и профилированной (фиг. 14) с двумя жесткими островками мембран, четырехугольной плоской (фиг. 16) и профилированной (фиг. 17) с двумя жесткими островками мембран, плоскость которых совпадает с плоскостью (110). Тензоэлементы располагаются так, что их продольная ось составляет угол 45^о к ближайшей линией заделки упругого элемента или касательной к ней в случае круглых мембран, при этом для прибора 10 p-типа его продольная ось составляет угол 45^о с направлением <100>, а для прибора 11 n-типа - совпадает с кристаллографическим направлением <100>. Работает тензоэлемент, являющийся по существу дрейфовым двухколлекторным тензотранзистором, следующим образом. Пропускание тока через концевые контакты 3 и 4 создает в приборе электрическое поле, увлекающее неосновные носители, инжектированные эмиттером 7, в область, расположенную между коллекторами 5 и 6. Часть носителей захватываются коллекторами, и при отсутствии деформации прибора и при симметричной его структуре коллекторные токи равны. При деформации тензоэлемента подвижность неосновных носителей в приборе становится анизотропной величиной, в результате чего коллекторные точки получают равные по величине и противоположные по знаку приращения, пропорциональные измеряемой величине. Предложенный преобразователь, например, представленный на фиг. 4, выполняется следующим образом. В исходную кремниевую однородную пластину n-типа проводимости с удельным сопротивлением 4,5 Ом ˙ см, плоскость которой совпадает с плоскостью (100), проводится разделительная диффузия p⁺-типа на глубину, превышающую предполагаемую толщину мембраны, таким образом, чтобы в конечном итоге образовалась замкнутая область n-типа в месте расположения тензоэлемента. Коллекторная и эмиттерная области могут быть сформированы с помощью стандартной базовой диффузии p-типа и в этом случае они будут характеризоваться такими параметрами как глубина залегания перехода порядка 2 мкм и поверхностная концентрация примеси около 10¹⁹ см^-3. После присоединения контактов к тензоэлементу анизотропным травлением с обратной стороны пластины формируется мембрана. Работает преобразователь, изображенный на фиг. 4, следующим образом. Приложенное к мембране давление вызывает ее деформацию, и при этом максимальные сдвиговые напряжения, необходимые для работы тензоэлемента, возникают на периферии мембраны около середины ее сторон в системе координат, оси которой составляют угол 45^о со сторонами мембраны, что и определяет местоположение и ориентацию тензоэлемента. При этом, в силу особенностей тензоэффекта в кремнии, работоспособным оказывается элемент на основе тензоприбора n-типа - p-n-p-тензотранзистор. Остальные преобразователи, изображенные на фиг. 2, 3, 5-17, работают аналогично. Описанный преобразователь имеет повышенную чувствительность. (56) Авторское свидетельство СССР N 401221, кл. H 01 L 41/10, 1977. Патент США N 4317126, кл. H 01 L 29/24, опубл. 23.02.82.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащий упругий кремниевый элемент, связанный с опорой по линии заделки и расположенный на упругом элементе полупроводниковый тензочувствительный элемент, содержащий два концевых контакта и два боковых токоотвода, расположенных по обе стороны от продольной оси тензоэлемента, которая сориентирована под углом 45^o относительно ближайшей к тензочувствительному элементу линии заделки или касательной к ней для круглых упругих элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в тензочувствительный элемент введена дополнительная область противоположного к нему типа проводимости, расположенная симметрично продольной оси тензочувствительного элемента и смешанная к одному из концевых контактов, боковые токоотводы выполнены в виде областей противоположного к тензочувствительному элементу типа проводимости, а продольная ось тензочувствительного элемента составляет угол 45^o с кристаллографической осью (100) упругого элемента для тензочувствительного элемента p -типа и совпадает с ней для тензочувствительного элемента n-типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17