полупроводниковый датчик упругих деформаций

Формула изобретения

1. Полупроводниковый датчик для измерения упругих деформаций, содержащий кремниевую подложку, имеющую зону чувствительную к упругим деформациям, по меньшей мере один кольцевой генератор, состоящий из нечетного числа КОМП-инверторов, расположенных на участке зоны чувствительной к упругим деформациям, при этом частота указанного генератора зависит от величины упругой деформации участка, на котором расположены КМОП-инверторы, каждый КМОП-инвертор содержит по крайней мере один n МОП-транзистор с каналом n-типа проводимости и один pМОП-транзистор с каналом p-типа проводимости, отличающийся тем, что для каждого КМОП-инвертора канал n-типа nМОП-транзистора перпендикулярен каналу p-типа p МОП-транзистора.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что зона чувствительная к упругим деформациям является мембраной, а распределение упругих деформаций осуществляется приложением давления на эту мембрану.

3. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что он содержит два кольцевых генератора, ориентированных так, что каналы n- и p-типа проводимости одного генератора параллельны соответственно каналам n- и p-типа проводимости другого генератора, при этом один из двух генераторов размещен в центре мембраны, тогда как другой расположен на периферии мембраны.

4. Датчик по п. 2, отличающийся тем, что он содержит по крайней мере одну пару кольцевых генераторов, размещенных рядом на периферии мембраны и ориентированных так, что каналы n- и p-типа проводимости одного из генераторов данной пары перпендикулярны соответственно каналам n- и p-типа проводимости другого генератора данной пары.

5. Датчик по п. 4, отличающийся тем, что мембрана имеет форму квадрата.

6. Датчик по п. 5, отличающийся тем, что он содержит четыре пары генераторов, при этом каждая пара расположена соответственно на каждой из четырех сторон квадратной мембраны.

7. Датчик по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что на кремниевой подложке за зоной чувствительности к упругим деформациям дополнительно размещен по крайней мере один эталонный генератор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области датчиков, в которых используются устройства на полевых транзисторах. Более конкретно, это изобретение относится к датчику для измерения таких физических величин, как давление, напряжение, деформация, температура и т.д. представляющему собой кольцевой генератор, в котором используются полевые МОП-транзисторы (MOSFETS).

Известно, что кремний основной материал для изготовления МОП-транзисторов обладает пьезорезистивными свойствами, которые используются в области разработки измерительных преобразователей.

Известен также (например из европатента EP-B-O 040795) полупроводниковый преобразователь с нечетным количеством инверторов на базе комплементарных МОП (КМОП)-структур (CMOS), причем инверторы расположены в зоне, чувствительной к давлению, и взаимосвязаны с целью образования кольцевого генератора, чувствительного к давлению. Частота образованного таким образом генератора прямо пропорциональна напряжению, которому подвергаются полупроводниковые приборы под воздействием давления.

В основу данного изобретения поставлена задача создать полупроводниковый датчик, имеющий высокую чувствительность, относительно низкую стоимость, а также исключить дрейф показаний датчика, под влиянием температуры и повысить выпуск годных изделий за счет уменьшения количества брака.

Поставленная задача решается тем, что датчик по данному изобретению, содержащий кремниевую подложку, имеющую зону чувствительности, реагирующую на физическую величину, по меньшей мере, один кольцевой генератор, образованный нечетным числом КМОП-инверторов, расположенных в указанной зоне чувствительности таким образом, что частота указанного генератора отражает указанную физическую величину, согласно изобретению, для каждого КМОП-инвертора канал n-типа МОП-транзистора с каналом n-типа по существу перпендикулярен каналу p-типа МОП-транзистора с каналом p-типа.

Анизотропные свойства МОП-транзисторов n-типа и p-типа известны. Однако, в статье в "Sensors and Actuators", 7 (1985), с. 167-176 (и конкретно на рис. 1 и 2 и в соответствующем тексте), отмечается преимущество МОП-транзисторов с каналами p-типа и в свете вытекающего отсюда преимущественного применения этих транзисторов на практике с целью создания продольных и поперечных пьезорезистивных эффектов предлагаются два кольцевых датчика на базе МОП-транзисторов с каналом p-типа, причем все каналы транзисторов одного датчика параллельны каналам транзисторов другого. (См. рис. 5 и с. 175 параграфа "5. Заключение"). Таким образом, в указанной статье нет сведений о перпендикулярности каналов КМОП-транзисторов, образующих отличительный признак заявленного датчика. Компоновка по данному изобретению позволяет повысить чувствительность датчика по сравнению с параллельным расположением каналов примерно на (15 20)%

Зона чувствительности может принимать, как обычно, форму деформируемой мембраны; в этом случае измеряемой физической величиной является давление.

В различных примерах конкретно осуществления данного изобретения, датчик содержит по меньшей мере одну пару кольцевых генераторов, в результате чего уменьшается дрейф показаний датчика, вызываемый изменениями температуры в процессе эксплуатации.

В конкретном предпочтительном примере осуществления данного изобретения зона чувствительности датчика, обеспечивается множеством пар кольцевых генераторов, посредством чего уменьшается количество брака в производственном процессе.

Чтобы еще более ограничить влияние на измерения такой физической величины, как температура, датчик может быть оснащен также по меньшей мере одним дополнительным генератором, который чувствителен исключительно к указанной накладываемой физической величине и служит эталоном.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг. 1а и б, соответственно, изображает вид в плане и сечение датчика упругих деформаций согласно первому примеру выполнения изобретения; фиг. 2а и б графики, на которых представлены коэффициенты пьезорезистивности МОП-транзисторов с каналами n-типа и p-типа, соответственно; фиг. 3 вид в плане датчика упругих деформаций, содержащего пару кольцевых генераторов согласно второму примеру выполнения изобретения; фиг. 4 вид в плане устройства согласно третьему примеру применения данного изобретения, содержащий четыре пары кольцевых преобразователей.

Преобразователь по данному изобретению выполнен из кремниевой пластины, имеющей зону, чувствительную к подлежащей измерению физической величине. В конкретных примерах осуществления данного изобретения, описанных ниже, данная зона представлена чувствительной к давлению мембраны. Зона чувствительности могла бы также быть поверхностью простой балки, а подлежащая измерению физическая величина напряжением или деформацией.

В первом примере выполнения данного изобретения, показанном на фиг. 1а и б, кремниевая подложка 1 ориентирована в плоскости (100) и включает прямоугольную чувствительную к давлению мембрану 2 с кольцевым генератором 3, расположенным в ее центре. Генератор 3 имеет нечетное число КМОП-инверторов, например 89 инверторов, дающих частоту генерации 1 МГц. Более подобные сведения о деталях кольцевого генератора, подобного генератору 3, можно найти, в частности, в главе 8 "Основные аналоговые цепи" в книге "Mc MOS Handbook", опубликованной в 1973 г. отделом полупроводниковой продукции "Motorola Inc. ", либо в публикации: "Полупроводниковые интегральные схемы и приборы", авторов A. Vapaille и R. Castande, 1987 (с. 453-454), где описано, как изготовить инвертор, применяя КМОП-технологию.

Каждый КМОП-инвертор содержит по меньшей мере один МОП-транзистор с n-каналом и по меньшей мере один транзистор с p-каналом, причем n-канал МОП-транзистора с n-каналом проходит вдоль продольной кристаллографической оси [110] а p-канал МОП-транзистора с p-каналом проходит вдоль поперечной кристаллографической оси [110] или наоборот, в результате чего чувствительность датчика по сравнению с датчиком с параллельной конфигурацией каналов увеличивается на (15-20)%

Это увеличение чувствительности можно объяснить с помощью фиг. 2а и б, на которых отображен эффект пьезорезистивности, т.е. вариация тока через транзистор I/I в функции деформации соответственно МОП-транзисторов с каналами n-типа и p-типа.

Зона чувствительности принимает давление и в ответ на это давление создает распределение напряжений в этой зоне чувствительности. Хорошо известно, что такое распределение напряжений в основном происходит по двум осям или одной оси в зависимости от положения и формы зоны чувствительности.

Например, если зоной чувствительности является мембрана (это также может быть стержень) и если эта мембрана имеет квадратную форму, то в центре этой мембраны распределение напряжений разложено на два перпендикулярных компонента, каждый из которых имеет направление, параллельное одной из сторон. На периферии мембраны только один компонент напряжений, который перпендикулярен направлению соответствующей стороны квадрата, не равен нулю.

Когда напряжения распределены в мембране 2 и частично в ее центре, где находится кольцевой генератор 3, под действием пьезорезистивного эффекта напряжения преобразуются в электрический ток в КМОП-инверторе кольцевого генератора. Кольцевой генератор будет повышать частоту генерации в зависимости от значения напряжения в месте его расположения.

Фактически, частота генерации кольцевого генератора равна где N

число инверторов, а t₁, t₂ соответственно время переключения каждого МОП-транзистора.

Время переключения пропорционально сопротивлению канала транзистора, а это сопротивление модулируется напряжением. Сопротивление канала МОП-транзистора равно R_o(1+) где R₀ сопротивление этого канала при отсутствии каких-либо напряжений, пьезорезистивный эффект, а e - напряжение или деформация. Когда частота генерации измеряется при помощи электронных средств, напряжения, а, следовательно, и давление могут быть выведены из этого измерения. Пьезорезистивный эффект в значительной степени зависит от типа транзистора, а также существует анизотропия свойств, задаваемая разницей показателей пьезорезистивности p_L и _р1 взятых в направлении продольной оси [110] и поперечной оси [110] соответственно, плоскости (100) кристалла кремния. Поскольку кристалл кремния имеет кубическую структуру, то естественно было проводить такой анализ с помощью семейства плоскостей (100), связанных с семейством кристаллографических осей [110]

Для заданной деформации _o выходная характеристика КМОП-инвертора соответствует по существу сумме выходных характеристик МОП-транзисторов инвертора с n-каналом и p-каналом. Независимо от знака деформации (положительного или отрицательного), т.е. вне зависимости от того, имеется ли растяжение или сжатие, можно констатировать, что алгебраическая сумма выходных характеристик МОП-транзисторов с n-каналом и p-каналом больше в том случае, когда один из двух транзисторов подвергается воздействию продольного напряжения, а другой воздействию поперечного напряжения, чем в том случае, когда оба транзистора подвергаются воздействию либо продольного, либо поперечного напряжения.

Первый пример выполнения данного изобретения, описанный со ссылками на фиг. 1а и б, страдает тем недостатком, что частота генератора сильно зависит от температуры мембраны.

Для преодоления указанного недостатка существует несколько возможностей. Одна из таких возможностей заключается в добавлении в устройство второго генератора 4 в качестве эталонного, который по существу идентичен генератору 3 и расположен в зоне, не подверженной влиянию измеряемой физической величины, в данном случае давления. Частота генератора 4 прямо пропорциональна температуре кремниевой подложки 1, в результате чего генератор 4 представляет собой датчик температуры. Путем соответствующей обработки сигналов, преобразованных из частот генераторов 3 и 4, в частности путем сравнения, можно получить сигнал, который будет представлять давление и не зависеть от температуры.

Другая возможность заключается в установке двух генераторов на самой мембране. Это второе решение само по себе возможно в двух вариантах, которые ниже рассматриваются соответственно как второй и третий примеры выполнения данного изобретения.

Как показано на фиг. 3, два генератора 5 и 6 во втором примере выполнения данного изобретения параллельны друг другу, т.е. каналы n-типа и p-типа генератора 5 параллельны соответственно каналам n-типа и p-типа генератора 6, причем один из генераторов расположен в центре мембраны 2, а второй по существу на периферии мембраны 2. Ввиду того, что в обоих указанных местах напряжения, вызванные заданной деформацией, равны по величине, но имеют противоположные знаки, частота одного из двух генераторов будет расти, тогда как частота другого генератора будет уменьшаться. Сравнивая две частоты, полученные таким образом, можно очень существенно снизить влияние температуры на измерение.

Аналогично описанному в первом примере выполнения данного изобретения, можно добавить третий кольцевой генератор 7, тоже "эталонный", который по существу идентичен генераторам 3 и 4 и расположен вне чувствительной к давлению мембраны 2. Таким образом, генератор 7 представляет собой датчик температуры, который, посредством известной специалистам в данной области техники цифровой обработки сигналов, способен полностью компенсировать измеренные значения давления при отклонениях температуры.

Изображенный на фиг. 4 третий пример выполнения данного изобретения является предпочтительным. Два генератора 6a и 6b перпендикулярны один другому и расположены бок о бок в периферийной зоне мембраны 2. Другими словами, каналы n-типа и p-типа генератора 8 перпендикулярны, соответственно, каналам n-типа и p-типа генератора 9. Путем сравнения частот обоих генераторов можно практически исключить температурный дрейф.

Возможное усовершенствование заключается в установлении четырех пар генераторов 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15 на существующих сторонах квадратной мембраны. Если одна, две или даже три пары генераторов выйдут из строя по каким-либо производственным причинам, то остается четвертая пара генераторов, способных выполнить функции датчика.

Данное усовершенствование позволяет значительно повысить выпуск годных изделий. Еще одно преимущество заключается в том, что производственные затраты являются, как правило, функцией площади обрабатываемой кремниевой подложки.

Другое возможное усовершенствование, аналогичное описанным в связи с первым и вторым примерами выполнения данного изобретения, заключается в добавлении в конструкцию одного или более генераторов 16, 17, 18 и 19, расположенных вне зоны чувствительной к давлению мембраны и служащих для измерения температуры таким образом, что компенсируется остаточный температурный дрейф.