[go: up one dir, main page]

RU195160U1 - Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation - Google Patents

Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation Download PDF

Info

Publication number
RU195160U1
RU195160U1 RU2019118331U RU2019118331U RU195160U1 RU 195160 U1 RU195160 U1 RU 195160U1 RU 2019118331 U RU2019118331 U RU 2019118331U RU 2019118331 U RU2019118331 U RU 2019118331U RU 195160 U1 RU195160 U1 RU 195160U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
type
conductivity
transistor
aluminum metallized
strain
Prior art date
Application number
RU2019118331U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Викторович Басов
Борис Иванович Химушкин
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа")
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 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа")
Priority to RU2019118331U priority Critical patent/RU195160U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU195160U1 publication Critical patent/RU195160U1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/04Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Использование: для создания чувствительного элемента преобразователя давления. Сущность полезной модели заключается в том, что интегральный элемент сформирован на кремниевом кристалле, имеющем эпитаксиальный слой n-типа проводимости и подложку p-типа проводимости, включает мембрану с жестким центром и схему измерения, где имеются два биполярных транзистора с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости, изолированных друг от друга разделительными областями из кремния p-типа проводимости, и восемь тензорезисторов p-типа проводимости, образующих соединение в виде дифференциального каскада с отрицательной обратной связью. Недеформируемые транзисторы соединены алюминиевыми металлизированными дорожками и перемычками p-типа проводимости с тензорезисторами разных знаков чувствительности при подаче давления со стороны мембраны, расположенных вдоль двух областей механических напряжений сжатия между утоненной частью и утолщенной частью мембраны, а также вдоль двух областей механических напряжений растяжения между утонённой частью и жестким центром мембраны. Снижение зависимости выходного сигнала измерительной схемы при воздействии температуры происходит благодаря использованию биполярного транзистора с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости, имеющего повышенное значение коэффициента усиления по току, и восьми тензорезисторов p-типа проводимости с номинальными значениями сопротивления, рассчитанными относительно высокого коэффициента усиления по току биполярного транзистора. Технический результат обеспечение возможности: снижения температурной зависимости выходного сигнала. 7 ил.Use: to create a sensitive element of the pressure transducer. The essence of the utility model is that the integral element is formed on a silicon crystal having an n-type epitaxial layer and a p-type substrate, includes a rigid-center membrane and a measurement circuit where there are two bipolar transistors with a vertical npn-type structure isolated from each other by separation regions of silicon of p-type conductivity, and eight p-type conductivity strain gauges forming a connection in the form of a differential cascade with negative feedback communication. Non-deformable transistors are connected by aluminum metallized tracks and p-type jumpers with strain gauges of different signs of sensitivity when applying pressure from the side of the membrane, located along two areas of mechanical compression stresses between the thinned part and the thickened part of the membrane, and also along two areas of mechanical tensile stresses between the thinned part and the rigid center of the membrane. A decrease in the dependence of the output signal of the measuring circuit when exposed to temperature occurs due to the use of a bipolar transistor with a vertical structure of npn type conductivity having an increased value of the current gain and eight resistance p-type conductivity resistors with nominal resistance values calculated with respect to a high bipolar current gain transistor. EFFECT: provision of an opportunity: reduction of the temperature dependence of the output signal. 7 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал.The utility model relates to the field of measurement technology and automation and can be used in small-sized pressure transducers into an electrical signal.

Известен интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе биполярного транзистора с термокомпенсацией, состоящий из оборотной механической стороны с утолщённой частью, утоненной частью и одним жестким центром, сформированными путем глубокого анизотропного травления, границы между утолщённой частью, утоненной частью и жестким центром мембраны являются местами концентрации механических напряжений, где первый, второй, седьмой и восьмой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и утоненной частью мембраны, третий, четвертый, пятый и шестой тензорезистор расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром и утоненной частью мембраны, а также биполярные транзисторы с горизонтальной структурой p-n-p-типа расположены на утолщенной части мембраны; и лицевой стороны, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальной слое n-типа проводимости на подложке p+-типа проводимости два биполярных транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и восемь тензорезисторов p-типа проводимости, объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычками p+-типа проводимости, образуют схему дифференциального каскада с отрицательной обратной связью. Патент РФ на полезную модель № 187746, МПК G01L 9/0004, 18.03.2019. Данное решение принято в качестве прототипа.Known integral sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor with thermal compensation, consisting of a reverse mechanical side with a thickened part, a thinned part and one rigid center formed by deep anisotropic etching, the boundaries between the thickened part, the thinned part and the rigid center of the membrane are places of concentration of mechanical stresses, where the first, second, seventh and eighth strain gages are located along the concentration boundary of mechanical stresses between the thickened part and the thinned part of the membrane, the third, fourth, fifth and sixth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stresses between the rigid center and the thinned part of the membrane, and bipolar transistors with a horizontal pnp-type structure are located on the thickened part of the membrane; and the front side covered with a silicon dioxide insulation layer, two bipolar transistors with a horizontal pnp type conductivity structure isolated from each other by p + silicon regions are formed according to planar technology in an n-type epitaxial layer on a p + type conductivity substrate -type of conductivity, and eight p-type conductivity strain gages, combined by aluminum metallized tracks with aluminum metallized contact pads attached to them, which serve To input and output electrical signal, and crosspieces p + -type conductivity, form a differential stage circuit with negative feedback. RF patent for utility model No. 187746, IPC G01L 9/0004, 03/18/2019. This decision was made as a prototype.

Недостатком прототипа является высокая температурная зависимость выходного сигнала чувствительного элемента. Конструкция чувствительного элемента преобразователя давления имеет относительно большую температурную зависимость, поскольку на биполярном транзисторе с горизонтальной структурой p-n-p-типа получен низкий коэффициент усиления по току.The disadvantage of the prototype is the high temperature dependence of the output signal of the sensing element. The design of the sensitive element of the pressure transducer has a relatively large temperature dependence, since a low current gain is obtained on a bipolar transistor with a horizontal p-n-p-type structure.

Техническим результатом полезной модели является снижение температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента.The technical result of the utility model is to reduce the temperature dependence of the output signal of the sensing element.

Технический результат достигается тем, что интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, где на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, которая состоит из утолщённой части, утоненной части и жесткого центра, границы между которыми являются местами концентрации механических напряжений, толщина утоненной части квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, где первый, второй, седьмой и восьмой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и утоненной частью мембраны, третий, четвертый, пятый и шестой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром и утоненной частью мембраны, а также два одинаковых биполярных транзистора, расположенных на утолщенной части мембраны; и на лицевой стороне, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальной слое n-типа проводимости на подложке p+-типа проводимости два вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, изолированные друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости, где номинал и геометрия фигур одинаковы между собой и попарно отличаются для первого и пятого тензорезистора, второго и шестого тензорезистора, третьего и седьмого тензорезистора, четвертого и восьмого тензорезистора соответственно, два вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, выполнены с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости и имеют значение коэффициента усиления по току выше, чем у биполярного транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости с номинальными значениями сопротивления, рассчитанными относительно коэффициентов усиления по току биполярных транзисторов с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости для снижения температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента, объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычками p+-типа проводимости, образуют схему, где базовая область p-типа проводимости первого транзистора соединяется с базовой областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого транзистора, вторым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой перемычкой p+-типа проводимости и вторым тензорезистором, первой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой и третьей перемычкой p+-типа проводимости, третьей перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьей перемычкой p+-типа проводимости и шестым тензорезистором, шестым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго транзистора; а также алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого транзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором, седьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго транзистора; коллекторная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с коллекторной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости первого транзистора, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым и пятым тензорезистором, пятым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости второго транзистора; эмиттерная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с эмиттерной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области n+-типа проводимости первого транзистора, четвертым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй перемычкой p+-типа проводимости и четвертым тензорезистором, второй перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычкой p+-типа проводимости, четвертой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между четвертой перемычкой p+-типа проводимости и восьмым тензорезистором, восьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области n+-типа проводимости второго транзистора; при этом алюминиевая металлизированная дорожка между первой и третьей перемычкой p+-типа проводимости соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычкой p+-типа проводимости, а также алюминиевая металлизированная дорожка между первым и пятым тензорезистором соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезистором.The technical result is achieved by the fact that the integral sensitive element of the pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation, having a front and reverse mechanical sides, where on the reverse mechanical side of the sensitive element is formed an etched square silicon membrane, which consists of a thickened part, a thinned part and a hard center , the boundaries between which are places of concentration of mechanical stresses, the thickness of the thinned part of the square flint the membrane is from 20 μm to half the thickness of the sensing element, where the first, second, seventh and eighth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between the thickened part and the thinned part of the membrane, the third, fourth, fifth and sixth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stress between a rigid center and a thinned part of the membrane, as well as two identical bipolar transistors located on the thickened part of the membrane; and on the front side, covered with a layer of silicon dioxide insulation, two above-mentioned identical bipolar transistors, isolated from each other by silicon p + -type silicon separation regions, are formed according to planar technology in an n-type epitaxial layer on a p + type conductivity substrate, and eight of the above p-type conductivity strain gages, where the face value and geometry of the figures are the same and pairwise different for the first and fifth strain gages, second and sixth strain gages, third and seventh of the strain gauge, the fourth and eighth strain gauge, respectively, the two above identical bipolar transistors are made with a vertical structure of npn-type conductivity and have a current gain higher than that of a bipolar transistor with a horizontal structure of pnp-type conductivity, and eight of the above p-type strain gauges conductivity type with nominal resistance values calculated relative to current gain of bipolar transistors with npn-type vertical structure To reduce the temperature dependence of the output signal of the sensing element, combined aluminum metal plated tracks with aluminum metal pads connected to them, which serve to input and output an electric signal, and jumpers of the p + type of conductivity, form a circuit where the base region of the p-type conductivity the first transistor is connected to the base region of the p-type conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized track from the base area p-type conductivity of the first transistor, a second strain gage which is an aluminum metallized track between the first crosspiece p + type conductivity and a second strain gage which is the first jumper p + -type conductivity aluminum metallized track between the first and third bridge p + -type conductivity, a third bridge p + -type of conductivity, aluminum metallized track between the third jumper of p + -type of conductivity and sixth strain gauge, sixth strain gauge, aluminum metallized track from the base region of the p-type conductivity of the second transistor; as well as an aluminum metallized track from the base p-type conductivity region of the first transistor, a third strain gauge, an aluminum metallized track between the third and seventh strain gauge, a seventh strain gauge, an aluminum metallized track from the base p-type conductivity region of the second transistor; the collector region of the n + type of conductivity of the first transistor is connected to the collector region of the n + type of conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized path from the collector region of the n + type of conductivity of the first transistor, the first strain gauge, the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauge, the fifth strain gauge an aluminum metallized track from the collector region of the n + type of conductivity of the second transistor; the emitter region of the n + type of conductivity of the first transistor is connected to the emitter region of the n + type of conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized path from the emitter region of the n + type of conductivity of the first transistor, the fourth strain gauge, the aluminum metallized track between the second jumper of the p + type of conductivity and a fourth strain gage, a second jumper p + -type conductivity aluminum metallized path between the second and fourth bridge p + -type conductivity, The Fourth jumper p + -type conduction path between aluminum metallized fourth jumper p + -type conduction and eighth strain gage, eighth strain gage, aluminum metallized path from the emitter area n + -type conduction of the second transistor; wherein the aluminum metallized track between the first and third jumper of the p + type conductivity is connected to the aluminum metallized track between the second and fourth jumper of the p + type of conductivity, as well as the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauge is connected to the aluminum metallized track between the third and seventh strain gauge.

Сущность полезной модели поясняется чертежами фиг. 1–7.The essence of the utility model is illustrated by the drawings of FIG. 1-7.

На фиг. 1 представлена топология лицевой стороны чувствительного элемента.In FIG. 1 shows the topology of the front side of the sensing element.

На фиг. 2 представлена топология квадратной кремниевой мембраны на оборотной механической стороне.In FIG. 2 shows the topology of a square silicon membrane on the reverse mechanical side.

На фиг. 3 представлена электрическая измерительная схема чувствительного элемента.In FIG. 3 shows an electrical measurement circuit of a sensor.

На фиг. 4 представлена увеличенная область топологии.In FIG. 4 shows an enlarged area of topology.

На фиг. 5 представлена структура p-n переходов чувствительного элемента (разрез А-А на фиг.1).In FIG. 5 shows the structure of pn junctions of the sensing element (section AA in FIG. 1).

На фиг. 6 представлена структура p-n переходов чувствительного элемента (разрез Б-Б на фиг.1).In FIG. 6 shows the structure of pn junctions of the sensing element (section BB in FIG. 1).

На фиг. 7 представлен график зависимости температурного коэффициента нулевого выходного сигнала от коэффициента усиления по току биполярного транзистора, полученный в ходе анализа математической модели.In FIG. 7 is a graph of the temperature coefficient of the zero output signal versus the current gain of the bipolar transistor obtained by analyzing the mathematical model.

Цифрами на чертежах обозначены:The numbers in the drawings indicate:

1 – базовая область p-типа первого вертикального транзистора;1 - the base region of the p-type of the first vertical transistor;

2 – коллекторная область n+-типа первого вертикального транзистора;2 - collector region n + -type of the first vertical transistor;

3 – эмиттерная область n+-типа первого вертикального транзистора;3 - emitter region n + -type of the first vertical transistor;

4 – базовая область p-типа второго вертикального транзистора;4 - the base region of the p-type of the second vertical transistor;

5 – коллекторная область n+-типа второго вертикального транзистора;5 - collector region n + -type of the second vertical transistor;

6 – эмиттерная область n+-типа второго вертикального транзистора;6 - emitter region n + -type of the second vertical transistor;

7 – первый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области первого вертикального транзистора;7 - the first p-type strain gage, which is connected to the collector region of the first vertical transistor;

8 – второй тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого вертикального транзистора;8 is a second p-type strain gage which is connected to the base region of the first vertical transistor;

9 – третий тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области первого вертикального транзистора;9 is a third p-type strain gage, which is connected to the base region of the first vertical transistor;

10 – четвертый тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области первого вертикального транзистора;10 - the fourth p-type strain gage, which is connected to the emitter region of the first vertical transistor;

11 – пятый тензорезистор p-типа, который присоединен к коллекторной области второго вертикального транзистора;11 - the fifth p-type strain gage, which is connected to the collector region of the second vertical transistor;

12 – шестой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго вертикального транзистора;12 - the sixth p-type strain gage, which is connected to the base region of the second vertical transistor;

13 – седьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к базовой области второго вертикального транзистора;13 is a seventh p-type strain gage which is connected to a base region of a second vertical transistor;

14 – восьмой тензорезистор p-типа, который присоединен к эмиттерной области второго вертикального транзистора;14 - the eighth p-type strain gage, which is connected to the emitter region of the second vertical transistor;

15.1, 15.2, 15.3, 15.4 – первая, вторая, третья и четвертая перемычка p+-типа;15.1, 15.2, 15.3, 15.4 - the first, second, third and fourth jumper of the p + type;

16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 – алюминиевые металлизированные дорожки;16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 - aluminum metallized tracks;

17.1, 17.2, 17.3, 17.4 - алюминиевые металлизированные контактные площадки;17.1, 17.2, 17.3, 17.4 - aluminum metallized contact pads;

18 – квадратная кремниевая мембрана;18 - square silicon membrane;

19 – утолщенная часть мембраны;19 - a thickened part of the membrane;

20 – утоненная часть мембраны;20 - thinned part of the membrane;

21.1, 21.2, 21.3 – первый, второй и третий жесткий центр мембраны;21.1, 21.2, 21.3 - the first, second and third rigid center of the membrane;

22 – эпитаксиальный слой n-типа;22 - n-type epitaxial layer;

23 – кремниевая подложка p+-типа;23 - silicon substrate p + -type;

24.1, 24.2 – разделительная область p+-типа;24.1, 24.2 - the dividing region of the p + type;

25 - слой изоляции из диоксида кремния;25 - a layer of insulation made of silicon dioxide;

26 – первый вертикальный транзистор n-p-n-типа проводимости;26 - the first vertical transistor n-p-n-type conductivity;

27 – второй вертикальный транзистор n-p-n-типа проводимости27 - the second vertical transistor n-p-n-type conductivity

Интегральный элемент – это совокупность электрически связанных компонентов, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке, т.е. элемент выполнен по планарной технологии. Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора n-p-n-типа проводимости с термокомпенсацией сформирован на кристалле, имеющем эпитаксиальный слой 22 n-типа проводимости и подложку 23 p+-типа проводимости, и состоит из лицевой стороны, покрытой слоем изоляции 25 из диоксида кремния, отделяющий первый и второй биполярный транзистор 26, 27 с вертикальной структурой n-p-n-типа разделительными областями 24.1, 24.2 p+-типа в эпитаксиальном слое 22 n-типа друг от друга и от внешней среды, и оборотной механической стороны. На оборотной механической стороне чувствительного элемента находится квадратная кремниевая мембрана 18, состоящая из утолщённой части 19, утоненной части 20 и жесткого центра 21. Места соединения элементов мембраны 18 образуют места концентрации механических напряжений. Геометрические размеры элементов мембраны 18 могут быть любыми.An integral element is a combination of electrically connected components made in a single technological process on a single semiconductor substrate, i.e. The element is made according to planar technology. The integral sensor element of the pressure transducer based on a npn type vertical bipolar transistor with thermal compensation is formed on a crystal having an n-type epitaxial layer 22 and a p + type conductivity substrate 23, and consists of a front side coated with a silicon dioxide insulation layer 25 separating the first and second bipolar transistor 26, 27 with a npn-type vertical structure by p + -type dividing regions 24.1, 24.2 in the n-type epitaxial layer 22 from each other and from the external environment, and the reverse mechanical side. On the reverse mechanical side of the sensing element there is a square silicon membrane 18, consisting of a thickened part 19, a thinned part 20 and a rigid center 21. The connection points of the membrane elements 18 form the places of concentration of mechanical stresses. The geometric dimensions of the elements of the membrane 18 can be any.

Квадратная кремниевая мембрана 18 с жестким центром 21 создается анизотропным травлением и может иметь как квадратное, так и другое сечение. Исходя из экспериментальных результатов, толщина утоненной части 20 квадратной кремниевой мембраны 18 в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 20 мкм до значения, равного половине толщины чувствительного элемента. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 20 мембраны 18. Изготовление утоненной части 20 мембраны 18 толщиной менее 20 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 20 мембраны 18 существенно падает чувствительность преобразователя.A square silicon membrane 18 with a rigid center 21 is created by anisotropic etching and can have either a square or another cross section. Based on the experimental results, the thickness of the thinned portion 20 of the square silicon membrane 18, depending on the nominal pressure transformed, can vary from 20 μm to a value equal to half the thickness of the sensing element. The higher the nominal converted pressure, the thicker the thinned part 20 of the membrane 18 should be. The manufacture of the thinned part 20 of the membrane 18 with a thickness of less than 20 μm leads to its destruction, and when manufacturing a very thick thinned part 20 of the membrane 18, the sensitivity of the converter decreases significantly.

Устройство содержит на лицевой стороне чувствительного элемента, покрытой слоем изоляции 25 из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальном слое 22 n-типа проводимости на подложке 23 p+-типа проводимости два одинаковые вертикальных транзистора 26, 27 n-p-n-типа проводимости и восемь тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 p-типа проводимости, объединенные алюминиевыми металлизированными дорожками 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 с алюминиевыми металлизированными контактными площадками 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 и четырьмя перемычками 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p+-типа в схему, где базовая область 1 p-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с базовой областью 4 p-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.2 от базовой области 1 p-типа проводимости первого транзистора 26, вторым тензорезистором 8, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.8 между первой перемычкой 15.1 p+-типа проводимости и вторым тензорезистором 8, первой перемычкой 15.1 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.9 между первой 15.1 и третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости, третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.12 между третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости и шестым тензорезистором 12, шестым тензорезистором 12, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.5 от базовой области 4 p-типа проводимости второго транзистора 27; а также алюминиевой металлизированной дорожкой 16.2 от базовой области 1 p-типа проводимости первого транзистора 26, третьим тензорезистором 9, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.11 между третьим 9 и седьмым тензорезистором 13, седьмым тензорезистором 13, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.5 от базовой области 4 p-типа проводимости второго транзистора 27; коллекторная область 2 n+-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с коллекторной областью 5 n+-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.1 от коллекторной области 2 n+-типа проводимости первого транзистора 26, первым тензорезистором 7, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.7 между первым 7 и пятым тензорезистором 11, пятым тензорезистором 11, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.4 от коллекторной области 5 n+-типа проводимости второго транзистора 27; эмиттерная область 3 n+-типа проводимости первого транзистора 26 соединяется с эмиттерной областью 6 n+-типа проводимости второго транзистора 27 последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой 16.3 от эмиттерной области 3 n+-типа проводимости первого транзистора 26, четвертым тензорезистором 10, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.10 между второй перемычкой 15.2 p+-типа проводимости и четвертым тензорезистором 10, второй перемычкой 15.2 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.13 между второй 15.2 и четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости, четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.14 между четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости и восьмым тензорезистором 14, восьмым тензорезистором 14, алюминиевой металлизированной дорожкой 16.6 от эмиттерной области 6 n+-типа проводимости второго транзистора 27; при этом алюминиевая металлизированная дорожка 16.9 между первой 15.1 и третьей перемычкой 15.3 p+-типа проводимости соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой 16.13 между второй 15.2 и четвертой перемычкой 15.4 p+-типа проводимости, а также алюминиевая металлизированная дорожка 16.7 между первым 7 и пятым тензорезистором 11 соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой 16.11 между третьим 9 и седьмым тензорезистором 13; или в схему, где имеется два вертикальных биполярных транзистора 26, 27 n-p-n-типа проводимости, коллекторные области 2 и 5 которых соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 с первым 7 и пятым тензорезисторами 11, базовые области 1 и 4 соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 и перемычками 15 p+-типа проводимости со вторым 8 и шестым тензорезисторами 12, а также базовые области 1 и 4 соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 с третьим 9 и седьмым тензорезисторами 13, и эмиттерные области 3 и 6 соединены алюминиевыми металлизированными дорожками 16 и перемычками 15 p+-типа проводимости с четвертым 10 и восьмым тензорезисторами 14 между собой. Указанный выше способ соединения наглядно представлен схематично на фиг. 1, 3, 4. Для ввода и вывода электрического сигнала схемы служат алюминиевые металлизированные контактные площадки 17.1, 17.2, 17.3 и 17.4. Транзисторы изолированы друг от друга разделительными областями 24.1, 24.2, сформированными из кремния p+-типа проводимости в эпитаксиальной области 22 n-типа. Первый 26 и второй вертикальный биполярный транзистор 27 n-p-n-типа проводимости расположены на утолщенной части 19 квадратной кремниевой мембраны 18, как представлено схематично на фиг. 6, первый тензорезистор 7, присоединенный к коллекторной области 2 первого транзистора 26, второй тензорезистор 8, присоединенный к базовой области 1 первого транзистора 26, седьмой тензорезистор 13, присоединенный к базовой области 4 второго транзистора 27, и восьмой тензорезистор 14, присоединенный к эмиттерной области 6 второго транзистора 27, были расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью 19 и утоненной частью 20 квадратной кремниевой мембраны 18, третий тензорезистор 9, присоединенный к базовой области 1 первого транзистора 26, и четвертый тензорезистор 10, присоединенный к эмиттерной области 3 первого транзистора 26, пятый тензорезистор 11, присоединенный к коллекторной области 5 второго транзистора 27, и шестой тензорезистор 12, присоединенный к базовой области 4 второго транзистора 27, были расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром 21 и утоненной частью 20 квадратной кремниевой мембраны 18, как представлено схематично на фиг. 5; где жесткий центр 21 квадратной кремниевой мембраны 18, имеющий квадратную форму может быть любых геометрических размеров, расположен симметрично относительно направляющих соосных граням чувствительного элемента и проходящих через геометрический центр чувствительного элемента. Жесткий центр 21 и утолщенная часть 19 квадратной кремниевой мембраны 18, грани пересечения которых с утоненной частью 20 квадратной кремниевой мембраны 18, расположенные параллельно, образуют области механических напряжений, как представлено схематично на фиг. 2.The device contains on the front side of the sensitive element coated with an insulation layer 25 of silicon dioxide, two identical vertical transistors 26, 27 npn-type conductivity and eight strain gauges are formed according to planar technology in an epitaxial layer 22 of n-type conductivity on a substrate of 23 p + -type of conductivity 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 p-type conductivity, combined by aluminum metallized tracks 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 with aluminum metallized contact pads 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 and four jumpers 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p + -type to the circuit where the base region 1 of the p-type conductivity of the first transistor 26 is connected to the base region 4 of the p-type conductivity of the second transistor 27 in series with the aluminum metallized track 16.2 from the base region 1 of the p-type conduction of the first transistor 26, the second strain gage 8, with aluminum metallized track between the first bridge 16.8 15.1 p + type conductivity and the second strain gage 8, the first bridge 15.1 p + -type conductivity aluminum metallized track between the first 16.9 15.1 minutes and third jumper 15.3 p + -type conductivity, a third bridge 15.3 p + -type conductivity aluminum metallized path between the third bridge 16.12 15.3 p + -type conduction and sixth strain gage 12, strain gage 12, the sixth, aluminum metallized track 16.5 of the base region 4 p-type conductivity of the second transistor 27; as well as an aluminum metallized track 16.2 from the base region 1 of the p-type conductivity of the first transistor 26, the third strain gauge 9, an aluminum metallized track 16.11 between the third 9 and the seventh strain gauge 13, the seventh strain gauge 13, an aluminum metallized track 16.5 from the base region 4 of the p-type conductivity second transistor 27; the collector region 2 of the n + type of conductivity of the first transistor 26 is connected to the collector region 5 of the n + type of conductivity of the second transistor 27 in series with the aluminum metallized track 16.1 from the collector region of the 2 n + type of conductivity of the first transistor 26, the first strain gauge 7, the aluminum metallized track 16.7 between the first 7 and the fifth strain gauge 11, the fifth strain gauge 11, an aluminum metallized track 16.4 from the collector region 5 of the n + type of conductivity of the second transistor 27; the emitter region 3 of the n + type conductivity of the first transistor 26 is connected to the emitter region 6 of the n + type conductivity of the second transistor 27 in series with the aluminum metallized path 16.3 from the emitter region 3 of the n + type conductivity of the first transistor 26, the fourth strain gauge 10, the aluminum metallized path 16.10 between the second bridge 15.2 p + type conductivity and the fourth strain gage 10, the second bridge 15.2 p + -type conductivity aluminum metallized track 16.13 15.2 between the second and fourth intersection ychkoy 15.4 p + type conductivity, the fourth jumper 15.4 p + -type conductivity aluminum metallized track between the fourth jumper 16.14 15.4 p + -type conduction and eighth strain gage 14, strain gage 14, eighth, aluminum metallized track 16.6 of the emitter region 6 n + - the conductivity type of the second transistor 27; wherein the aluminum metallized track 16.9 between the first 15.1 and the third jumper 15.3 p + conductivity type is connected to the aluminum metallized track 16.13 between the second 15.2 and the fourth jumper 15.4 p + type conductivity, as well as the aluminum metallized track 16.7 between the first 7 and fifth strain gauge 11 connected to an aluminum metallized track 16.11 between the third 9 and the seventh strain gauge 13; or in a circuit where there are two vertical bipolar transistors 26, 27 of npn type conductivity, the collector regions 2 and 5 of which are connected by aluminum metallized tracks 16 to the first 7 and fifth strain gauges 11, the base regions 1 and 4 are connected by aluminum metallized tracks 16 and jumpers 15 p + -type conductivity with a second 8 and sixth strain gages 12, as well as base areas 1 and 4 are connected by aluminum metallized tracks 16 with a third 9 and seventh strain gages 13, and emitter regions 3 and 6 are connected by aluminum metallized tracks 16 and jumpers 15 p + -type conductivity with the fourth 10 and eighth strain gauges 14 between them. The above connection method is illustrated schematically in FIG. 1, 3, 4. To input and output the electric signal of the circuit, aluminum metallized contact pads 17.1, 17.2, 17.3 and 17.4 are used. The transistors are isolated from each other by the dividing regions 24.1, 24.2, formed of silicon p + -type conductivity in the epitaxial region 22 of the n-type. The first 26 and second vertical npn type bipolar transistor 27 are located on the thickened portion 19 of the square silicon membrane 18, as shown schematically in FIG. 6, a first strain gauge 7 connected to the collector region 2 of the first transistor 26, a second strain gauge 8 connected to the base region 1 of the first transistor 26, a seventh strain gauge 13 connected to the base region 4 of the second transistor 27, and an eighth strain gauge 14 connected to the emitter region 6 of the second transistor 27, were located along the boundary of the concentration of mechanical stresses between the thickened part 19 and the thinned part 20 of the square silicon membrane 18, the third strain gauge 9 connected to the base region 1 of the first transistor 26, and a fourth strain gauge 10 connected to the emitter region 3 of the first transistor 26, a fifth strain gauge 11 connected to the collector region 5 of the second transistor 27, and a sixth strain gauge 12 connected to the base region 4 of the second transistor 27 were arranged along the boundaries of the concentration of mechanical stresses between the rigid center 21 and the thinned part 20 of the square silicon membrane 18, as shown schematically in FIG. 5; where the rigid center 21 of the square silicon membrane 18, having a square shape can be of any geometric size, is located symmetrically with respect to the guiding coaxial faces of the sensor and passing through the geometric center of the sensor. The rigid center 21 and the thickened part 19 of the square silicon membrane 18, the edges of intersection of which with the thinned part 20 of the square silicon membrane 18, located in parallel, form a region of mechanical stress, as shown schematically in FIG. 2.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При воздействии температуры на чувствительный элемент происходит изменение вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов 26, 27 с вертикальной структурой n-p-n-типа, изолированных разделительной областью 24.1, 24.2 p+-типа проводимости и расположенных на утолщенной части 19 квадратной кремниевой мембраны 18, и сопротивления тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 р-типа проводимости, сформированные на лицевой стороне чувствительного элемента в эпитаксиальной области 22 n-типа проводимости на подложке 23 p+-типа проводимости и покрытых слоем изоляции 25 из диоксида кремния и расположенные вдоль границ концентраций механических напряжений на утоненной части 20 между жестким центром 21 и утолщенной частью 19 квадратной кремниевой мембраны 18, и, соответственно, увеличивается разбаланс измерительной схемы, в которую объединены транзисторы 26, 27 и тензорезисторы 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, алюминиевые металлизированные дорожки 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 и перемычки 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 p+-типа. Величина разбаланса снимается в виде выходного сигнала с помощью алюминиевых металлизированных дорожек 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 и алюминиевых металлизированных контактных площадок 17.1, 17.2, 17.3, 17.4. Измерительная схема имеет один контакт для напряжения питания, подаваемое на алюминиевую металлизированную контактную площадку 17.4, и контакт для подачи потенциала земли на алюминиевой металлизированной контактной площадке 17.3. Величина разбаланса выходного сигнала измерительной схемы чувствительного элемента при воздействии температуры есть разница между электрическими потенциалами на алюминиевых металлизированных контактных площадках 17.1 и 17.2. Увеличение разбаланса измерительной схемы при воздействии температуры на чувствительный элемент является отрицательным фактором, вызывающим погрешность при измерении величины разбаланса выходного сигнала измерительной схемы чувствительного элемента при наличии и отсутствии подаваемого давления. Under the influence of temperature on the sensitive element, the current-voltage characteristics of the bipolar transistors 26, 27 with a vertical npn-type structure, isolated by a separation region 24.1, 24.2 of the p + type of conductivity and located on the thickened part 19 of the square silicon membrane 18, and the resistance of the strain gauges 7 change 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 of p-type conduction formed on the front side of the sensor element in the epitaxial region 22 of n-type conductivity on the substrate 23, p + -type conductivity and coated with an insulator layer silicon dioxide 25 and located along the boundaries of the concentration of mechanical stresses on the thinned part 20 between the hard center 21 and the thickened part 19 of the square silicon membrane 18, and, accordingly, the imbalance of the measuring circuit, which combines transistors 26, 27 and strain gages 7, 8, increases , 9, 10, 11, 12, 13, 14, aluminum metallized tracks 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 and jumpers 15.1, 15.2, 15.3 , 15.4 p + -type. The imbalance is measured as the output signal using aluminum metallized tracks 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 16.5, 16.6, 16.7, 16.8, 16.9, 16.10, 16.11, 16.12, 16.13, 16.14 and aluminum metallized contact pads 17.1, 17.2, 17.3, 17.4. The measuring circuit has one contact for the supply voltage supplied to the aluminum metallized contact pad 17.4, and a contact for supplying the ground potential at the aluminum metallized contact pad 17.3. The magnitude of the imbalance of the output signal of the measuring circuit of the sensing element when exposed to temperature is the difference between the electric potentials on the aluminum metallized contact pads 17.1 and 17.2. An increase in the imbalance of the measuring circuit under the influence of temperature on the sensitive element is a negative factor causing an error in measuring the imbalance of the output signal of the measuring circuit of the sensitive element in the presence and absence of the supplied pressure.

Для снижения температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента сопротивления тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 должны иметь определенные номинальные значения, при этом номинальное значение сопротивление первого тензорезистора 7 равно номинальному значению сопротивления пятого тензорезистора 11, номинальное значение сопротивление второго тензорезистора 8 равно номинальному значению сопротивления шестого тензорезистора 12, номинальное значение сопротивление третьего тензорезистора 9 равно номинальному значению сопротивления седьмого тензорезистора 13, номинальное значение сопротивление четвертого тензорезистора 10 равно номинальному значению сопротивления восьмого тензорезистора 14, аналитический расчет которых проводится с помощью цепочки формулTo reduce the temperature dependence of the output signal of the resistance sensor resistive strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 must have certain nominal values, while the nominal value of the resistance of the first strain gauge 7 is equal to the nominal value of the resistance of the fifth strain gauge 11, the nominal value of the resistance the second strain gauge 8 is equal to the nominal value of the resistance of the sixth strain gauge 12, the nominal value of the resistance of the third strain gauge 9 is equal to the nominal value of the resistance of the seventh strain gauge 13, the nominal value of the resistance of the fourth strain gauge 10 is equal to the nominal value of the resistance of the eighth strain gauge 14, the analytical calculation of which is carried out using a chain of formulas

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где γ - коэффициент, определяющий балансное соотношение между способностью электрической схемы снизить температурную зависимость выходного сигнала и увеличить выходную чувствительность чувствительного элемента; R7,11 – номинальное значение сопротивления первого 7 и пятого тензорезистора 11; R8,12 – номинальное значение сопротивления второго 8 и шестого тензорезистора 12; R9,13 – номинальное значение сопротивления третьего 9 и седьмого тензорезистора 13; R10,14 – номинальное значение сопротивления четвертого 10 и восьмого тензорезистора 14; β26,27 – одинаковое номинальное значение коэффициента усиления по току для первого 26 и второго транзистора 27 n-p-n-типа проводимости с вертикальной структурой; Uпит – номинальное значение напряжения питания электрической схемы чувствительного элемента; U0 – номинальное значение напряжения выходного сигнала электрической схемы чувствительного элемента; I7,11 – одинаковое номинальное значение тока для первого 7 и пятого тензорезистора 11; I10,14 – одинаковое номинальное значение тока для четвертого 10 и восьмого тензорезистора 14; UБК – одинаковое номинальное значение напряжения между базовой областью 1 первого транзистора 26 и коллекторной областью 2 первого транзистора 26, а также базовой областью 4 второго транзистора 27 и коллекторной областью 5 второго транзистора 27; UБЭ – одинаковое номинальное значение напряжения между базовой областью 1 первого транзистора 26 и эмиттерной областью 3 первого транзистора 26, а также базовой областью 4 второго транзистора 27 и эмиттерной областью 6 второго транзистора 27. where γ is the coefficient that determines the balance between the ability of the circuit to reduce the temperature dependence of the output signal and increase the output sensitivity of the sensitive element; R 7.11 - the nominal value of the resistance of the first 7 and fifth strain gauge 11; R 8,12 - the nominal value of the resistance of the second 8 and the sixth strain gauge 12; R 9,13 - the nominal value of the resistance of the third 9 and the seventh strain gauge 13; R 10.14 - the nominal value of the resistance of the fourth 10 and eighth strain gauge 14; β 26.27 - the same nominal value of the current gain for the first 26 and second transistor 27 npn-type conductivity with a vertical structure; U pit is the nominal value of the supply voltage of the electrical circuit of the sensing element; U 0 is the nominal voltage value of the output signal of the electrical circuit of the sensing element; I 7.11 - the same nominal current value for the first 7 and fifth strain gauge 11; I 10.14 - the same nominal current value for the fourth 10 and eighth strain gauge 14; U BC - the same nominal voltage value between the base region 1 of the first transistor 26 and the collector region 2 of the first transistor 26, as well as the base region 4 of the second transistor 27 and the collector region 5 of the second transistor 27; U BE is the same nominal voltage value between the base region 1 of the first transistor 26 and the emitter region 3 of the first transistor 26, as well as the base region 4 of the second transistor 27 and the emitter region 6 of the second transistor 27.

Номинальные значения тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 рассчитаны относительно высокого коэффициента усиления по току биполярного транзистора, которое достижимо при использовании вертикальной структуры с n-p-n-типом проводимости. Среднее значение коэффициента усиления по току для первого 26 и второго биполярного транзистора 27 равно β26,27 = 150 при токе базы 1 первого биполярного транзистора 26 и токе базы 4 второго биполярного транзистора 27 IБ = 5 мкА и напряжении между базовой областью 1 первого транзистора 26 и коллекторной областью 2 первого транзистора 26 UБК = 1,85 В. Снижение температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента при использовании в первого 26 и второго биполярного транзистора 27 n-p-n-типа проводимости с высоким коэффициентом усиления по току β26,27 = 150 наглядно представлено на фиг. 7. Из фиг. 7 видно, что снижение температурной зависимости по определенной закономерности снижается в диапазоне коэффициента усиления по току β26,27 от показаний значения пять, как было получено у прототипа с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, до ста пятидесяти. Моделируемые значения, представленные на фиг. 7, были подтверждены экспериментально с 10% погрешностью относительно исследуемых образцов. Номинальные значения тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, рассчитанные относительно высокого коэффициента усиления по току биполярного транзистора, достигаются благодаря выбору геометрии фигуры резисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 при использовании единого уровня легирования областей на чувствительном элементе. Для технологической реализации тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 с помощью использования единого уровня легирования областей на чувствительном элементе с определенными номинальными значениями сопротивлений геометрия фигуры первого 7 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры пятого 11 тензорезистора, геометрия фигуры второго 8 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры шестого 12 тензорезистора, геометрия фигуры третьего 9 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры седьмого 13 тензорезистора и геометрия фигуры четвертого 10 тензорезистора должна быть одинаковой с геометрий фигуры восьмого 14 тензорезистора, при этом попарно геометрия фигуры первого 7 и пятого тензорезистора 11, геометрия фигуры второго 8 и шестого тензорезистора 12, геометрия фигуры третьего 9 и седьмого тензорезистора 13, геометрия фигуры четвертого 10 и восьмого тензорезистора 14 отличаются друг от друга, т.к. для достижения требуемого технологической реализации тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 с помощью использования единого уровня легирования областей на чувствительном элементе геометрия тензорезисторов 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 характеризует значения требуемых номинальных значений сопротивлений.The nominal values of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 are calculated with respect to the high current gain of the bipolar transistor, which is achievable using a vertical structure with npn type conductivity. The average current gain for the first 26 and second bipolar transistor 27 is β 26.27 = 150 for a base current of the first bipolar transistor 26 and a base current of the second bipolar transistor 27 I B = 5 μA and the voltage between the base region 1 of the first transistor 26 and collector region 2 of the first transistor 26 U BK = 1.85 V. Reducing the temperature dependence of the output signal of the sensor when using the first 26 and second bipolar transistor 27 npn-type conductivity with a high current gain β 26.27 = 150 is clearly illustrated in FIG. 7. From FIG. 7 shows that the decrease in the temperature dependence according to a certain regularity decreases in the range of the current gain β 26.27 from the readings of five, as obtained from a prototype with a horizontal pnp-type structure, up to one hundred and fifty. The simulated values shown in FIG. 7 were confirmed experimentally with a 10% error with respect to the test samples. The nominal values of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, calculated with respect to the high current gain of the bipolar transistor, are achieved by choosing the geometry of the resistors 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 when using a single level of doping of areas on the sensitive element. For the technological implementation of strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 by using a single doping level of the areas on the sensor with certain nominal resistance values, the geometry of the figure of the first 7 strain gages should be the same as the geometry of the figure of the fifth 11 strain gages, geometry the figure of the second 8 strain gage should be the same with the geometry of the figure of the sixth 12 strain gage, the geometry of the figure of the third 9 strain gage should be the same with the geometry of the figure of the seventh 13 of the strain gage and the geometry of the figure of the fourth 10 strain gauge should be the same as the geometry of the figure of the eighth strain gauge 14, while the geometry of the figure of the first 7 and the fifth strain gauge 11, the geometry of the figure of the second 8 and the sixth strain gauge 12, the geometry of the figure of the third 9 and the seventh strain gauge 13, the geometry of the figure of the fourth 10 and the eighth strain gauge 14 are different from each other, because To achieve the required technological implementation of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 by using a single level of doping areas on the sensitive element, the geometry of the strain gages 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 characterizes the values required nominal resistance values.

Снижение температурной зависимости величины разбаланса выходного сигнала измерительной схемы при воздействии температуры происходит благодаря сбалансированному изменению сопротивления первого тензорезистора 7, присоединенного к коллекторной области 2 первого транзистора 26, второго тензорезистора 8, присоединенного к базовой области 1 первого транзистора 26, третьего тензорезистора 9, присоединенного к базовой области 1 первого транзистора 26, и четвертого тензорезистора 10, присоединенного к эмиттерной области 3 первого транзистора 26, пятого тензорезистора 11, присоединенного к коллекторной области 5 второго транзистора 27, шестого тензорезистора 12, присоединенного к базовой области 4 второго транзистора 27, седьмого тензорезистора 13, присоединенного к базовой области 4 второго транзистора 27, и восьмого тензорезистора 14, присоединенного к эмиттерной области 6 второго транзистора 27, образующих соединение на подобии отрицательной обратной связи, стабилизирующие температурную зависимость изменения электрического потенциала p-n-перехода между базовыми областями 1, 4 p-типа проводимости и эмиттерными областями 3, 6 p-типа проводимости первого 26 и второго транзисторов 27 с вертикальной структурой n-p-n-типа, в следствии которого снижается резкое изменение вольт-амперных характеристик первого 26 и второго транзисторов 27 и происходит термокомпенсация всей измерительной схемы.A decrease in the temperature dependence of the imbalance of the output signal of the measuring circuit when exposed to temperature occurs due to a balanced change in the resistance of the first strain gauge 7 connected to the collector region 2 of the first transistor 26, the second strain gauge 8 connected to the base region 1 of the first transistor 26, and the third strain gauge 9 connected to the base region 1 of the first transistor 26, and the fourth strain gauge 10 connected to the emitter region 3 of the first transistor 26, a filled strain gauge 11 connected to the collector region 5 of the second transistor 27, a sixth strain gauge 12 connected to the base region 4 of the second transistor 27, a seventh strain gauge 13 connected to the base region 4 of the second transistor 27, and an eighth strain gauge 14 connected to the emitter region 6 of the second transistors 27, forming a connection in the likeness of negative feedback, stabilizing the temperature dependence of the change in the electrical potential of the pn junction between the p-type base regions 1, 4 the conductivity and emitter regions 3, 6 of p-type conductivity of the first 26 and second transistors 27 with a vertical structure of n-p-n-type, as a result of which a sharp change in the current-voltage characteristics of the first 26 and second transistors 27 is reduced and thermal compensation of the entire measuring circuit occurs.

Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно снижение температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента.Thus, the specified technical result is achieved, namely, a decrease in the temperature dependence of the output signal of the sensing element.

Claims (1)

Интегральный чувствительный элемент преобразователя давления на основе вертикального биполярного транзистора с термокомпенсацией, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, где на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, которая состоит из утолщенной части, утоненной части и жесткого центра, границы между которыми являются местами концентрации механических напряжений, толщина утоненной части квадратной кремниевой мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, где первый, второй, седьмой и восьмой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между утолщенной частью и утоненной частью мембраны, третий, четвертый, пятый и шестой тензорезисторы расположены вдоль границы концентрации механических напряжений между жестким центром и утоненной частью мембраны, а также два одинаковых биполярных транзистора, расположенных на утолщенной части мембраны; на лицевой стороне, покрытой слоем изоляции из диоксида кремния, сформированы по планарной технологии в эпитаксиальном слое n-типа проводимости на подложке p+-типа проводимости два вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора, изолированных друг от друга разделительными областями из кремния p+-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости, где номинал и геометрия фигур одинаковы между собой и попарно отличаются для первого и пятого тензорезисторов, второго и шестого тензорезисторов, третьего и седьмого тензорезисторов, четвертого и восьмого тензорезисторов соответственно, отличающийся тем, что два вышеуказанных одинаковых биполярных транзистора выполнены с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости и имеют значение коэффициента усиления по току выше, чем у биполярного транзистора с горизонтальной структурой p-n-p-типа проводимости, и восемь вышеуказанных тензорезисторов p-типа проводимости с номинальными значениями сопротивления, рассчитанными относительно коэффициентов усиления по току биполярных транзисторов с вертикальной структурой n-p-n-типа проводимости для снижения температурной зависимости выходного сигнала чувствительного элемента, объединенных алюминиевыми металлизированными дорожками с присоединенными к ним алюминиевыми металлизированными контактными площадками, которые служат для ввода и вывода электрического сигнала, и перемычками p+-типа проводимости образуют схему, где базовая область p-типа проводимости первого транзистора соединяется с базовой областью p-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого транзистора, вторым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой перемычкой p+-типа проводимости и вторым тензорезистором, первой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между первой и третьей перемычками p+-типа проводимости, третьей перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьей перемычкой p+-типа проводимости и шестым тензорезистором, шестым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго транзистора; а также алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости первого транзистора, третьим тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезисторами, седьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от базовой области p-типа проводимости второго транзистора; коллекторная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с коллекторной областью n+-типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости первого транзистора, первым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между первым и пятым тензорезисторами, пятым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от коллекторной области n+-типа проводимости второго транзистора; эмиттерная область n+-типа проводимости первого транзистора соединяется с эмиттерной областью n+ -типа проводимости второго транзистора последовательно алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области n+-типа проводимости первого транзистора, четвертым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй перемычкой p+-типа проводимости и четвертым тензорезистором, второй перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычками p+-типа проводимости, четвертой перемычкой p+-типа проводимости, алюминиевой металлизированной дорожкой между четвертой перемычкой p+-типа проводимости и восьмым тензорезистором, восьмым тензорезистором, алюминиевой металлизированной дорожкой от эмиттерной области n+-типа проводимости второго транзистора; при этом алюминиевая металлизированная дорожка между первой и третьей перемычками p+-типа проводимости соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между второй и четвертой перемычками p+-типа проводимости, а также алюминиевая металлизированная дорожка между первым и пятым тензорезисторами соединяется с алюминиевой металлизированной дорожкой между третьим и седьмым тензорезисторами.An integral sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation, having a front and a reverse mechanical side, where a square silicon membrane is formed by etching on the reverse mechanical side of the sensor element, which consists of a thickened part, a thinned part and a hard center, the boundaries between which are the places concentration of mechanical stresses, the thickness of the thinned part of a square silicon membrane is from 20 microns to floors the thicknesses of the sensing element, where the first, second, seventh and eighth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stresses between the thickened part and the thinned part of the membrane, the third, fourth, fifth and sixth strain gages are located along the boundary of the concentration of mechanical stresses between the rigid center and the thinned part of the membrane, as well as two identical bipolar transistors located on the thickened part of the membrane; on the front side, covered with a silicon dioxide insulation layer, two above-mentioned identical bipolar transistors isolated from each other by silicon p + -type silicon separation regions are formed according to planar technology in an n-type epitaxial layer on a p + type conductivity substrate, and eight of the above p-type conductivity strain gages, where the face value and geometry of the figures are the same and pairwise different for the first and fifth strain gages, second and sixth strain gages, third and seventh strain gauges, fourth and eighth strain gauges, respectively, characterized in that the two above identical bipolar transistors are made with a vertical structure of npn type conductivity and have a current gain higher than that of a bipolar transistor with a horizontal structure of pnp type conductivity, and eight of the above p-type conductivity strain gauges with nominal resistance values calculated relative to the current gain of bipolar transistors with vertically structure npn-type conductivity to reduce the temperature dependence of the sensor output signal, combined with aluminum metallized tracks connected thereto aluminum metallized pads which serve as input and output an electrical signal and webs p + -type conduction circuit form, wherein the base region p -type of conductivity of the first transistor is connected to the base region of the p-type conductivity of the second transistor in series aluminum metallized hydrochloric path from the base region of p-type conductivity of the first transistor, a second strain gage which is an aluminum metallized track between the first crosspiece p + type conductivity and a second strain gage which is the first jumper p + -type conductivity aluminum metallized track between the first and third p + -type ridges conductivity, the third jumper of the p + type of conductivity, an aluminum metallized track between the third jumper of the p + type of conductivity and the sixth strain gauge, the sixth strain gauge, aluminum met an allied track from the base region of the p-type conductivity of the second transistor; as well as an aluminum metallized track from the base p-type conductivity region of the first transistor, a third strain gauge, an aluminum metallized track between the third and seventh strain gauges, a seventh strain gauge, an aluminum metallized track from the base p-type conductivity region of the second transistor; the collector region of the n + type of conductivity of the first transistor is connected to the collector region of the n + type of conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized path from the collector region of the n + type of conductivity of the first transistor, the first strain gauge, the aluminum metallized path between the first and fifth strain gauges, the fifth strain gauge aluminum metallized track from the collector region of the n + type of conductivity of the second transistor; the emitter region of the n + type of conductivity of the first transistor is connected to the emitter region of the n + type of conductivity of the second transistor in series with an aluminum metallized path from the emitter region of the n + type of conductivity of the first transistor, the fourth strain gauge, the aluminum metallized track between the second jumper of the p + type of conductivity and a fourth strain gauge, a second jumper of the p + type of conductivity, an aluminum metallized track between the second and fourth jumpers of the p + type of conductivity, the fourth jumper of the p + type of conductivity, the aluminum metallized track between the fourth jumper of the p + type of conductivity and the eighth strain gauge, the eighth strain gauge, the aluminum metallized track from the emitter region of the n + type of conductivity of the second transistor; wherein the aluminum metallized track between the first and third jumpers of the p + type of conductivity is connected to the aluminum metallized track between the second and fourth jumpers of the p + type of conductivity, as well as the aluminum metallized track between the first and fifth strain gauges is connected to the aluminum metallized track between the third and seventh strain gages.
RU2019118331U 2019-06-13 2019-06-13 Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation RU195160U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118331U RU195160U1 (en) 2019-06-13 2019-06-13 Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019118331U RU195160U1 (en) 2019-06-13 2019-06-13 Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU195160U1 true RU195160U1 (en) 2020-01-16

Family

ID=69167484

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019118331U RU195160U1 (en) 2019-06-13 2019-06-13 Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU195160U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11965797B1 (en) * 2022-12-01 2024-04-23 Wuxi Sencoch Semiconductor Co., Ltd. Bipolar transistor type MEMS pressure sensor and preparation method thereof

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4050049A (en) * 1976-02-09 1977-09-20 Signetics Corporation Solid state force transducer, support and method of making same
US6813956B2 (en) * 2001-10-24 2004-11-09 Kulite Semiconductor Products, Inc. Double stop structure for a pressure transducer
RU2537517C1 (en) * 2013-07-03 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" Semiconductor pressure transducer
RU167464U1 (en) * 2016-08-11 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR
RU174159U1 (en) * 2017-04-12 2017-10-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Integral sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor
RU187746U1 (en) * 2018-12-26 2019-03-18 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Integrated sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor with thermal compensation
RU2687307C1 (en) * 2018-07-02 2019-05-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Integrated pressure converter

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4050049A (en) * 1976-02-09 1977-09-20 Signetics Corporation Solid state force transducer, support and method of making same
US6813956B2 (en) * 2001-10-24 2004-11-09 Kulite Semiconductor Products, Inc. Double stop structure for a pressure transducer
RU2537517C1 (en) * 2013-07-03 2015-01-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" Semiconductor pressure transducer
RU167464U1 (en) * 2016-08-11 2017-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR
RU174159U1 (en) * 2017-04-12 2017-10-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Integral sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor
RU2687307C1 (en) * 2018-07-02 2019-05-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Integrated pressure converter
RU187746U1 (en) * 2018-12-26 2019-03-18 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Integrated sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor with thermal compensation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11965797B1 (en) * 2022-12-01 2024-04-23 Wuxi Sencoch Semiconductor Co., Ltd. Bipolar transistor type MEMS pressure sensor and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU167464U1 (en) INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR
CN104729784B (en) A kind of beam groove combines step island film micro-pressure sensor chip and preparation method
CN104764547B (en) A kind of sculptured island membrane stress concentrating structure micro-pressure sensor chip and preparation method
RU187746U1 (en) Integrated sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor with thermal compensation
CN104748904B (en) Sectional mass block stressed concentration structural micro-pressure sensor chip and preparation method
Basov et al. Modeling of sensitive element for pressure sensor based on bipolar piezotransistor
RU174159U1 (en) Integral sensor element of a pressure transducer based on a bipolar transistor
RU195160U1 (en) Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation
US3537319A (en) Silicon diaphragm with optimized integral strain gages
RU187760U1 (en) Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor
CN108267262B (en) Temperature self-compensating semiconductor piezoresistance strain gauge
EP0303875A2 (en) Si crystal force transducer
RU195159U1 (en) Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor
US3213681A (en) Shear gauge pressure-measuring device
CN118583363A (en) A pressure sensor with an on-chip temperature measuring element and implementation method thereof
CN113252216B (en) MEMS pressure sensor and manufacturing method thereof
US3161844A (en) Semiconductor beam strain gauge
US4654621A (en) Semiconductor strain measuring apparatus
RU167463U1 (en) RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT
RU2278447C2 (en) Integrated pressure transducer
CN215448265U (en) MEMS pressure sensor
CN217276630U (en) Low-voltage MEMS pressure sensor
RU2362132C1 (en) Integrated pressure transducer
RU2730890C1 (en) Pressure sensor with integral low energy consumption temperature transmitter
RU2687307C1 (en) Integrated pressure converter