[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU165465U1 - SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR - Google Patents

SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR Download PDF

Info

Publication number
RU165465U1
RU165465U1 RU2016121257/28U RU2016121257U RU165465U1 RU 165465 U1 RU165465 U1 RU 165465U1 RU 2016121257/28 U RU2016121257/28 U RU 2016121257/28U RU 2016121257 U RU2016121257 U RU 2016121257U RU 165465 U1 RU165465 U1 RU 165465U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
square frame
frame
rectangles
silicon
sides
Prior art date
Application number
RU2016121257/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Александрович Брюхно
Владимир Иванович Громов
Виктория Викторовна Стрекалова
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ" filed Critical Закрытое акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ"
Priority to RU2016121257/28U priority Critical patent/RU165465U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU165465U1 publication Critical patent/RU165465U1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N7/00Analysing materials by measuring the pressure or volume of a gas or vapour

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Полупроводниковый датчик давления, состоящий из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства, сформированного в диафрагме вблизи границы с рамкой в виде системы прямоугольников р-типа проводимости, четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с прямоугольниками тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны, отличающийся тем, что тензометрическое устройство из прямоугольников выполнено в виде квадратной рамки, сориентированной вдоль направлений семейства [110], а токопроводы в местах контактирования к углам квадратной рамки выполнены в виде одинаковых прямоугольников со сторонами, параллельными сторонам квадратной рамки, и полностью перекрывают углы квадратной рамки тензометрического устройства с зазорами между сторонами токопроводов и сторонами угла квадратной рамки не менее 1 ошибки совмещения.A semiconductor pressure sensor, consisting of a single-crystal silicon thin n-type diaphragm in a silicon frame, a strain gauge formed in the diaphragm near the border with the frame in the form of a system of p-type rectangles, four conductors of heavily doped p-type silicon conductive in contact with rectangles of the strain gauge device on the one hand and with metallized wiring on a silicon frame on the other hand, characterized in that the strain gauge The structure of the rectangles is made in the form of a square frame oriented along the directions of the [110] family, and the conductors at the points of contact to the corners of the square frame are made in the form of identical rectangles with sides parallel to the sides of the square frame and completely overlap the corners of the square frame of the strain gage with gaps between sides of the conductors and sides of the angle of the square frame of at least 1 alignment errors.

Description

Областью применения предполагаемой полезной модели является сфера микроэлектроники, занимающаяся разработкой и изготовлением датчиков давления, используемых, например, в электронных высотомерах.The scope of the proposed utility model is the field of microelectronics, engaged in the development and manufacture of pressure sensors used, for example, in electronic altimeters.

Известен полупроводниковый датчик давления, состоящий из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства в виде резисторов, каждый из которых сформирован по четырем осям диафрагмы на границе с рамкой, четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с резисторами тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны (см., например, статья «Интегральный кремниевый преобразователь давления с подстроечными резисторами на кристалле» В.И. Ваганов, В.В. Беклемишев, Н.И. Гочарова, А.Б. Носкин в журнале «Измерительная техника», №5, стр. 28-30, 1980 года, книга «Интегральные тензопреобразователи» В.И. Ваганов, 1983 г., стр. 110-111).A semiconductor pressure sensor is known, consisting of a single-crystal silicon thin diaphragm of n-type conductivity in a silicon frame, a strain gauge device in the form of resistors, each of which is formed along four axes of the diaphragm at the border with the frame, four conductors of heavily doped silicon p-type conductivity in contact with resistors of the strain gauge device on the one hand and with metallized wiring on a silicon frame on the other hand (see, for example, the article “Integrated silicon pressure generator with trimming resistors on a crystal "V.I. Vaganov, V.V. Beklemishev, N.I. Gocharova, A.B. Noskin in the journal" Measuring equipment ", No. 5, pp. 28-30, 1980, the book "Integral strain transducers" V.I. Vaganov, 1983, pp. 110-111).

Основным недостатком данного датчика является то, что для него необходимы сложные схемы температурной компенсации, так как элементы тензометрического устройства разнесены по периметру диафрагмы и могут неравно нагреваться находящимися на рамке электронными элементами стабилизатора, усилителя и схемы температурной компенсации, при этом каждый из элементов тензометрического устройства требует отдельной подстройки.The main disadvantage of this sensor is that it requires complex temperature compensation circuits, since the elements of the strain gauge device are spaced around the perimeter of the diaphragm and can be heated unequally by the electronic elements of the stabilizer, amplifier, and temperature compensation circuitry, each of the elements of the strain gauge device separate adjustment.

Наиболее близким к предлагаемому является полупроводниковый датчик давления, состоящий из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства, сформированного в диафрагме вблизи границы с рамкой в виде системы прямоугольников р-типа проводимости х-образной формы, оси которых сориентированы в направлении [100], четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с прямоугольниками тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны (см., например, патент США US 4317126, класс H01L 29/84 от 23 февраля 1982 г.).Closest to the proposed one is a semiconductor pressure sensor, consisting of a single-crystal silicon thin n-type diaphragm in a silicon frame, a strain gauge formed in the diaphragm near the border with a frame in the form of a system of p-type rectangles of x-shaped conductivity, the axes of which are oriented in direction [100], four conductors of heavily doped p-type silicon conductivity in contact with the rectangles of the strain gauge device on the one hand and meta lined wiring on a silicon frame on the other hand (see, for example, US patent US 4317126, class H01L 29/84 of February 23, 1982).

Данный полупроводниковый датчик давления представляет собой кремниевую диафрагму, на которую методом ионной имплантации внедрена х-образная тензометрическая структура, образованная широким прямоугольником и проходящим через его середину узким прямоугольником р-типа проводимости. Широкий прямоугольник ориентирован вдоль кристаллографического направления [100] и образует угол 45° с краем диафрагмы, через него задают ток. Узкий прямоугольник служит для обнаружения и измерения поперечного напряжения, генерируемого в ответ на сгибание диафрагмы. Ширина токового прямоугольника должна быть больше, чтобы усилить разницу величины потенциалов между краями прямоугольника.This semiconductor pressure sensor is a silicon diaphragm onto which an x-shaped tensometric structure is formed by ion implantation, formed by a wide rectangle and a narrow p-type rectangle passing through its middle. The wide rectangle is oriented along the crystallographic direction [100] and forms an angle of 45 ° with the edge of the diaphragm, a current is set through it. A narrow rectangle is used to detect and measure the transverse stress generated in response to the bending of the diaphragm. The width of the current rectangle must be larger in order to increase the potential difference between the edges of the rectangle.

Таким образом, х-образная тензометрическая структура развивает на выходе напряжение, прямо пропорциональное приложенному давлению. В свою очередь, расположение всех элементов х-образной тензометрической структуры у одной границы диафрагмы исключает их неравномерный нагрев. Данный датчик имеет высокие показатели линейности, повторяемости, воспроизводимости и отношения сигнал/шум.Thus, the x-shaped tensometric structure develops an output voltage that is directly proportional to the applied pressure. In turn, the location of all the elements of the x-shaped tensometric structure at one boundary of the diaphragm eliminates their uneven heating. This sensor has high linearity, repeatability, reproducibility and signal-to-noise ratios.

Недостатком данного датчика является то, что ближайшая к границе диафрагмы сторона широкого прямоугольника х-образной тензометрической структуры шунтируется его противоположной стороной удаленной от диафрагмы. Кроме того подобная конструкция требует идеально точного совмещения элементов тензометрического устройства и токопроводов, так как малейшее смещение вызовет рассогласование.The disadvantage of this sensor is that the side of the wide rectangle of the x-shaped tensometric structure closest to the diaphragm boundary is shunted by its opposite side remote from the diaphragm. In addition, such a design requires perfectly accurate combination of the elements of the strain gauge device and the conductors, since the slightest displacement will cause a mismatch.

Результатом предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности и минимизация влияния точности совмещения токопроводов и элементов тензометрического устройства.The result of the proposed utility model is to increase the sensitivity and minimize the influence of the accuracy of the combination of conductors and elements of the strain gauge device.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом полупроводниковом датчике давления, состоящем из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства, сформированного в диафрагме вблизи границы с рамкой в виде системы прямоугольников р-типа проводимости, четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с прямоугольниками тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны, тензометрическое устройство из прямоугольников выполнено в виде квадратной рамки, сориентированной вдоль направлений семейства [110], а токопроводы в местах контактирования к углам квадратной рамки выполнены в виде одинаковых прямоугольников со сторонами, параллельными сторонам квадратной рамки, и полностью перекрывают углы квадратной рамки тензометрического устройства с зазорами между сторонами токопроводов и сторонами угла квадратной рамки не менее 1 ошибки совмещения.This result is achieved by the fact that in the proposed semiconductor pressure sensor, consisting of a single-crystal silicon thin n-type diaphragm in a silicon frame, a strain gauge device formed in the diaphragm near the border with a frame in the form of a system of p-type rectangles of conductivity, four conductors of heavily doped silicon p-type conductivity in contact with the rectangles of the strain gauge device on one side and with a metallized wiring on a silicon frame with On the other hand, the strain gauge device made of rectangles is made in the form of a square frame oriented along the directions of the [110] family, and the conductors at the points of contact to the corners of the square frame are made in the form of identical rectangles with sides parallel to the sides of the square frame and completely overlap the corners of the square frame of the tensometric devices with gaps between the sides of the conductors and the sides of the angle of the square frame of at least 1 alignment error.

Такая конструкция позволяет исключить шунтирование между ближайшей к границе диафрагмы стороной тензометрического устройства и ее противоположной стороной, удаленной от диафрагмы, из-за наличия нелегированного квадратного участка внутри квадратной рамки тензометрического устройства. Таким образом, повышается чувствительность датчика. Токопроводы, выполненные в виде одинаковых прямоугольников со сторонами, параллельными сторонам квадратной рамки в местах контактирования к углам квадратной рамки, позволяют сохранить активную длину прямоугольных сторон квадратной рамки тензометрического устройства даже при неточном совмещении токопроводов и элементов тензометрического устройства.This design eliminates the need for shunting between the side of the strain gage device closest to the diaphragm boundary and its opposite side, remote from the diaphragm, due to the presence of an undoped square portion inside the square frame of the strain gage. Thus, the sensitivity of the sensor is increased. Conductors made in the form of identical rectangles with sides parallel to the sides of the square frame at the points of contact to the corners of the square frame allow you to maintain the active length of the rectangular sides of the square frame of the strain gauge device even with inaccurate alignment of the conductors and elements of the strain gauge device.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. Конструкция предлагаемого полупроводникового датчика давления изображена на фиг. 1 (вид сверху), фиг. 2 (увеличенный фрагмент) и фиг. 3 (разрез).The essence of the proposed utility model is illustrated by figures. The design of the proposed semiconductor pressure sensor is shown in FIG. 1 (top view), FIG. 2 (enlarged fragment) and FIG. 3 (section).

Позициями на фиг. 1-3 обозначены:With reference to FIG. 1-3 are indicated:

1 - кремниевая тонкая диафрагма;1 - silicon thin diaphragm;

2 - кремниевая рамка n-типа проводимости;2 - silicon frame n-type conductivity;

3 - тензометрическое устройство в виде системы прямоугольников р-типа проводимости;3 - strain gauge device in the form of a system of p-type rectangles of conductivity;

4 - токопроводы из сильно легированного кремния р-типа проводимости;4 - conductors of heavily doped silicon p-type conductivity;

5 - слой оксида кремния;5 - a layer of silicon oxide;

а - зазор между сторонами токопроводов и сторонами угла квадратной рамки тензометрического устройства, равный не менее 1 ошибки совмещения. and - the gap between the sides of the conductors and the sides of the angle of the square frame of the strain gauge device, equal to at least 1 alignment errors.

Ниже описаны порядок изготовления и конструкция полупроводникового датчика давления с диафрагмой 1×1 мм. Зазор между границей диафрагмы и тензометрическим устройством 10 мкм. Ширина сторон квадратной рамки тензометрического устройства 10 мкм.The manufacturing procedure and design of a semiconductor pressure sensor with a diaphragm of 1 × 1 mm are described below. The gap between the diaphragm boundary and the 10 µm strain gauge. The width of the sides of the square frame of the strain gauge device is 10 μm.

Предлагаемый полупроводниковый датчик давления можно изготовить следующим образом: на кремниевой монокристаллической пластине диаметром 100 мм ориентации (100) марки КЭФ-4 выращивают слой термического оксида кремния, толщиной 0,6 мкм, и вытравливают отверстия под активные области; на лицевой стороне кремниевой пластины диффузией бора формируются токопроводы р+-типа проводимости 4 глубиной 2 мкм и поверхностным сопротивлением 15 Ом/квадрат (см. фиг. 1); затем, с помощью фотолитографии, ионным легированием бора формируют квадратную рамку тензометрического устройства р-типа проводимости 3, глубиной 1,2 мкм и поверхностным сопротивлением 250 Ом/квадрат; далее наращивают слой оксида кремния 5 (см. фиг. 3), полученный в плазме при пониженном давлении, толщиной 0,6 мкм, и вытравливают отверстия для контактных окон к металлизации; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминия, толщиной 1 мкм, формируют методом фотолитографии металлизированную разводку; далее с обратной стороны пластины анизотропным жидкостным химическим травлением кремния формируется тонкая диафрагма 1, толщиной, например, 10 мкм и размером 1×1 мм.The proposed semiconductor pressure sensor can be made as follows: on a silicon single crystal plate with a diameter of 100 mm of orientation (100) of the KEF-4 brand, a layer of thermal silicon oxide, 0.6 μm thick, is grown and holes are etched under the active regions; on the front side of the silicon wafer by diffusion of boron, conductors of p + type conductivity 4 are formed with a depth of 2 μm and a surface resistance of 15 Ω / square (see Fig. 1); then, using photolithography, a square frame of a p-type conductivity strain gauge device 3 with a depth of 1.2 μm and a surface resistance of 250 Ω / square is formed by ion doping of boron; then build up a layer of silicon oxide 5 (see Fig. 3), obtained in plasma under reduced pressure, a thickness of 0.6 μm, and etched holes for contact windows to metallization; then, by magnetron sputtering, a layer of aluminum with a thickness of 1 μm is applied, a metallized wiring is formed by photolithography; Further, a thin diaphragm 1, for example, 10 μm thick and 1 × 1 mm in size, is formed on the reverse side of the wafer by anisotropic liquid chemical etching of silicon.

Claims (1)

Полупроводниковый датчик давления, состоящий из монокристаллической кремниевой тонкой диафрагмы n-типа проводимости в кремниевой рамке, тензометрического устройства, сформированного в диафрагме вблизи границы с рамкой в виде системы прямоугольников р-типа проводимости, четырех токопроводов из сильно легированного кремния р-типа проводимости, контактирующих с прямоугольниками тензометрического устройства с одной стороны и с металлизированной разводкой на кремниевой рамке с другой стороны, отличающийся тем, что тензометрическое устройство из прямоугольников выполнено в виде квадратной рамки, сориентированной вдоль направлений семейства [110], а токопроводы в местах контактирования к углам квадратной рамки выполнены в виде одинаковых прямоугольников со сторонами, параллельными сторонам квадратной рамки, и полностью перекрывают углы квадратной рамки тензометрического устройства с зазорами между сторонами токопроводов и сторонами угла квадратной рамки не менее 1 ошибки совмещения.
Figure 00000001
A semiconductor pressure sensor, consisting of a single-crystal silicon thin n-type diaphragm in a silicon frame, a strain gauge formed in the diaphragm near the border with the frame in the form of a system of p-type rectangles, four conductors of heavily doped p-type silicon conductive in contact with rectangles of the strain gauge device on the one hand and with metallized wiring on a silicon frame on the other hand, characterized in that the strain gauge The structure of the rectangles is made in the form of a square frame oriented along the directions of the [110] family, and the conductors at the points of contact to the corners of the square frame are made in the form of identical rectangles with sides parallel to the sides of the square frame and completely overlap the corners of the square frame of the strain gage with gaps between the sides of the conductors and the sides of the angle of the square frame of at least 1 alignment errors.
Figure 00000001
RU2016121257/28U 2016-05-30 2016-05-30 SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR RU165465U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016121257/28U RU165465U1 (en) 2016-05-30 2016-05-30 SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016121257/28U RU165465U1 (en) 2016-05-30 2016-05-30 SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU165465U1 true RU165465U1 (en) 2016-10-20

Family

ID=57138869

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016121257/28U RU165465U1 (en) 2016-05-30 2016-05-30 SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU165465U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR840002283B1 (en) Silicon pressure sensor
US10775248B2 (en) MEMS strain gauge sensor and manufacturing method
Guo et al. High temperature smart-cut SOI pressure sensor
JP3602611B2 (en) Horizontal Hall element
US9735345B2 (en) Vertical hall effect sensor
CN104748904B (en) Sectional mass block stressed concentration structural micro-pressure sensor chip and preparation method
KR20040079323A (en) Semiconductor pressure sensor having diaphragm
US5412993A (en) Pressure detection gage for semiconductor pressure sensor
KR20190042581A (en) Method of manufacturing resistivity standard sample and method of measuring resistivity of epitaxial wafer
US3213681A (en) Shear gauge pressure-measuring device
JP2012122924A (en) Pressure sensor
RU165465U1 (en) SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR
CN115326249A (en) MEMS pressure sensor and manufacturing method thereof
US3161844A (en) Semiconductor beam strain gauge
JP2013124947A (en) Semiconductor pressure sensor
JP2001264188A (en) Semiconductor strain gauge and method for manufacturing semiconductor strain gauge
CN215448265U (en) MEMS pressure sensor
André et al. Ultra-low-power SOI CMOS pressure sensor based on orthogonal PMOS gauges
JP2715738B2 (en) Semiconductor stress detector
JPH04178533A (en) Semiconductor pressure sensor
RU195160U1 (en) Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation
JP3500924B2 (en) Manufacturing method of semiconductor sensor
JP2011027611A (en) Semiconductor pressure sensor, and method for manufacturing the same
JPH0560672B2 (en)
CN116839771B (en) Uniaxially sensitive integrated stress sensor and design method thereof