ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ "ПОЛИКРЕМНИЙ-ДИЭЛЕКТРИК"

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям давлений высокотемпературных сред и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Известен преобразователь давления, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформирована тензорезистивная мостовая схема из поликристаллического кремния, изолированная от подложки диоксидом кремния [1].

Известен преобразователь давления, в котором тензорезисторы выполнены из высоколегированного кремния и через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [2].

Недостатками известных устройств являются низкая чувствительность преобразования, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран и малой величиной тензочувствительности поликристаллического кремния.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану, покрытую изолирующим слоем двуокиси кремния, на которой размещены тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированного бором с концентрацией легирующей примеси (бора) не менее 5·10 см^-3, объединенные в мостовую измерительную схему и соединенные алюминиевыми коммутационными шинами. Тензорезисторы и коммутационные шины, за исключением окон для выводных проводников, покрыты сверху пассивирующим слоем двуокиси кремния [3].

Недостатками известного устройства являются низкая точность и чувствительность преобразователя.

Изобретение направлено на повышение чувствительности и точности преобразователя в диапазоне высоких температур.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированные бором и объединенные при помощи коммутационных шин в мостовую схему, согласно изобретению, многоэлементная мостовая схема (ММС) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала и четыре дополнительных тензорезистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов в составе измерительных мостов, при этом узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам, при этом выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов.

Введение предложенной конструкции, содержащей мембрану с тензорезисторами, расположенными в местах наибольшей деформации мембраны и объединенными в ММС, позволит увеличить чувствительность преобразователя за счет возрастания полного тока и перераспределения тока внутри ММС, а также снизить погрешность начального выходного сигнала, обусловленную разбросом номиналов и ТКС тензорезисторов при изготовлении за счет того, что по мере увеличения количества элементов в ММС снижается влияние разброса параметров схемы на величину начального выходного сигнала [3, 4].

На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, где:

1 - упругий элемент, выполненный из кремния;

2 - изолирующий слой двуокиси кремния;

3 - тензорезисторы из поликристаллического кремния;

4 - коммутационные шины;

5 - многоэлементная мостовая схема;

6 - тензорезисторы одинакового номинала;

7 - дополнительные тензорезисторы, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6).

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема, где:

R₁-R₄, R₅-R₈, R₉-R₁₂ - тензорезисторы (6), объединенные соответственно в три замкнутых измерительных моста;

R₁₃-R₁₆ - тензорезисторы (7), представляющие собой разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам для образования ММС.

Выходное напряжение ММС представляет собой разность потенциалов узлов u₁ и u₂.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану, деформирует тензорезисторы, которые расположены на мембране в местах наибольшей деформации таким образом, что под воздействием измеряемого давления тензорезисторы R₁, R₄, R₅, R₈, R₉, R₁₂, R₁₃, R₁₆, получают положительное приращение сопротивления, а тензорезисторы R₂, R₃, R₆, R₇, R₁₀, R₁₁, R₁₄, R₁₅ получают такое же по абсолютной величине отрицательное приращение сопротивления. При этом увеличивается чувствительность преобразователя по сравнению с прототипом и снижается погрешность начального выходного сигнала, представляющего собой разбаланс ММС под действием деформации, вызванная разбросом параметров тензорезисторов при изготовлении.

Температурная зависимость выходного сигнала определяется посредством коэффициентов функции влияния температуры α (температурный коэффициент ухода чувствительности) и β (температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала) [5]. По мере увеличения количества элементов в многоэлементной мостовой схеме происходит уменьшение среднего квадратичного отклонения σ, характеризующего влияние разброса параметров на величину начального выходного сигнала схемы [3].

Следует отметить, что существенное влияние на начальный выходной сигнал оказывает разбаланс мостовой схемы, обусловленный разбросом характеристик тензорезисторов, вызывающий температурную погрешность начального выходного сигнала.

Для схемы обычного полного измерительного моста при максимальном разбросе номиналов тензорезисторов, равном 10%, и значениях ТКС тензорезисторов, изменяющихся в диапазоне 0,05-0,07%/°C, по результатам схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: α=1,317265%/°C, β=0,132127%/°C для диапазона изменения температур, равного 300°C.

Для разработанной ММС, тензорезисторы которой характеризуются аналогичным разбросом характеристик, в результате схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: α=-0,01656%/°C, β=-0,01709%/°C для диапазона изменения температур, равного 300°C. Таким образом, применение ММС позволяет снизить температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала на порядок, а температурный коэффициент ухода чувствительности на два порядка по сравнению с прототипом.

При использовании мостовых схем чувствительность схемы определяется как отношения выходного напряжения при максимальном входном воздействии к напряжению питания, которая выражается в мВ/В. Для схемы обычного полного измерительного моста с заданным разбросом параметров при питании постоянным напряжением 6 В чувствительность составила 4,6 мВ/В, а для разработанной ММС 22,9 мВ/В. Увеличение чувствительности преобразования обусловлено возрастанием полного тока и перераспределением тока внутри ММС [3]. Таким образом, применение разработанной ММС позволяет повысить чувствительность преобразователя практически в 5 раз по сравнению с обычным измерительным мостом.

Полученные результаты подтверждают возможность повышения точности и чувствительности преобразования давления с применением предложенной конструкции в диапазоне высоких температур (до 300°C).

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур.

Источники информации

1. Гридчин В.А., Головко В.П. Интегральный тензопреобразователь мембранного типа с поликремниевыми тензорезисторами // тез. докл. всесоюзн. конф. «Датчики на основе технологии микроэлектроники» М.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского. 1986. С.62.

2. А.с. (СССР) №605131 МКИ G01L 9/04 Тензометрический преобразователь // Михайлов П.Г., Саяпин В.М., Саблин А.В. - Опубл. 1978. - Бюл. №16.

3. Гридчин В.А. Драгунов В.П. Физика микросистем Новосибирск, 2004. - 416 с.

4. Кобзев Ю.В. Полупроводниковый тензопреобразователь давления, содержащий многократную мостовую схему // Датчики на основе технологии микроэлектроники. М., 1983. - с.168 - 169.

5. ГОСТ 92-4279-80. Преобразователи измерительные. Методы определения метрологических характеристик.