Інтегральний тензосенсор

1. Інтегральний тензосенсор, що містить виконану як одне ціле з оправою кремнієву мембрану з елементами жорсткості: острівцем в центрі з однієї сторони та балками з другої; мембрана орієнтована в кристалографічній площині [100]; на її планарній поверхні центральносиметрично відносно центра балки розміщений диференційний чутливий елемент, обидва тензорезистори якого орієнтовані на поверхні так, що при навантаженні одновісно деформуються в кристалографічному напрямку [110], який відрізняється тим, що горизонтальні тензорезистори доповнені вертикальни Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки і може бути використана для вимірювання механічних величин (тиску, сили, прискорення). Відомий інтегральний перетворювач тиску [1], що містить виконану як одне ціле з оправою кремнієву мембрану з жорсткими елементами: острівцем в центрі з однієї сторони та балками з другої; мембрана орієнтована в кристалографічній площині (100). На її пленарній поверхні центральносиметрично відносно центра балки розміщений диференційний чутливий елемент, обидва тензорезистори якого орієнтовані на поверхні так, що при навантаженні одновісно деформуються в кристалографічному напрямку [110]. Провідність мембрани стає анізотропною: на поперечних контактах тензорезисторів маємо різницю потенціалів - вихідний сигнал перетворювача на рівні десятків мілівольт (такий перетворювач детально описаний та прорахований в роботі [2]), що є недоліком, так як для прямої подачі на входи виконавчих пристроїв необхідні одиниці вольт. Відомий кремнієвий двоемітерний диференційний тензотранзистор по роботі [3], розміщений на мембрані, як і раніше в [1], але у якого коефіцієнт переносу на два порядка вищий, прийнятий як ми транзисторами з електростатичним управлінням та приповерхневим затвором, причому останні металургійно інтегровані з одним з вихідних електродів тензорезисторів, причому область їх просторового заряду перекривається, визначаючи біполярний режим роботи, тобто пряме зміщення на затворі. 2. Інтегральний тензосенсор за п.1, який відрізняється тим, що область просторового заряду вертикальних транзисторів не перекривається в каналі, чим визначається польовий режим роботи цих транзисторів і тензосенсора в цілому. 3. Інтегральний тензосенсор за пп.1, 2, який відрізняється тим, що площа витоків вертикальних транзисторів збільшена шляхом мультиплікації в пропорційну необхідному збільшенню вихідного струму кількість разів. прототип. Недоліками конструкції такого перетворювача є: при застосуванні - потреба зворотнього зміщення р-п переходів областей колекторів відносно основи кристалу для усунення зв'язку між колекторами; при виготовленні - мають місце принаймні дві перекомпенсації носіїв заряду при створенні електродних областей структури, що завжди приводить до погіршення параметрів приладу. Вищезгадані тензоперетворювачі відноситься до приладів з горизонтальною структурою. Це властиве для такого типу чутливих елементів згідно принципу їх дії - перерозподілу носіїв заряду внаслідок дії одноосьової пружної деформації, яка досягає максимальної величини саме на поверхні. Тому кристал виконує роль більше конструктивного елемента, а ніж перетворювача, так як чутливий елемент заповняє лише незначну частину мембрани на її планарній поверхні, що також є недоліком. Задача корисної моделі - досягнення високого рівня вихідного сигналу при збереженні простоти конструкції при виготовленні і застосуванні та ефективне використання об'єму кремнієвого кристалу. Поставлена задача досягається тим, що ана О) 4429 логічно тому, як і при створенні прототипу, горизонтальний кремнієвий тензочутливий резистор (ТР) аналога [1], доповнюється вертикальним транзистором (ТВ) з електростатичним управлінням та приповерхневим затвором і розташовується безпосередньо в місці накопичення заряду. При цьому, елементи конструкції ТВ формуються одночасно з елементами ТР, без перекомпенсації металургійних шарів кремнію. На кресленні показані розріз кристала (фіг. 1), топологія і кристалографічна орієнтація (фіг.2) кремнієвого інтегрального тензосенсора (ТС). На фіг.З - схема його підключення: вихідний сигнал може бути знятий з зовнішнього резистора RH, режими роботи ТР та ТВ задаються зовнішніми резисторами R1, R2, Re. Для простоти приводиться один елемент двокомпонентної конструкції ТС. Доповнення другим виконується по правилам під1єднання, описаним в аналозі [1]. При роботі зі змінним навантаженням можна електрод 8 під'єднати череззовнішній конденсатор. Конструкція тензочутливої структури реалізована на кремнієвій сильнолегованій пластині електронного типу провідності орієнтації (100) 3 високоомним епітаксійним шаром такого ж типу провідності. Методами інтегральної технології формуються сильнолеговані р+ області електродів 1, З, 8, 9 (в одному процесі), п+ область електрода 4 та слаболегований шар р-тіла резистора 2. Областю п-каналу ТВ служить епітаксійний шар 5, а стоком є основа кристалу 7. Принцип дії ТС слідуючий. При дії на мембрану пневматичного, гідравлічного чи звукового тисків або в разі дії сил інерції, рівномірно розподілене навантаження трансформується в одновісну пружну деформацію розтягу (стиснення) області ТР. Наведена деформацією анізотропія рухливості дірок приводить до виникнення поперечної різниці потенціалів на бокових сторонах (електроди 3,8) ТР. Область електрода З ТР інтегрована з затвором З ТВ, витік 4 якого міститься в її середині (див. рис.2). Маємо безпосереднє керування вертикальним транзистором: при дії навантаження на мембрану виникаючий потенціал модулює провідність канала шляхом зміни в ньому величини області просторового заряду (ОПЗ), що і є основним чинником вихідного сигналу перетворювача в цілому. Таким чином, технологічно задаючи параметри транзистора, отримуємо необхідний для конкретного застосування вихідний сигнал. Можливі два варіанти конструктивного виконання ВТ, які задають режими його роботи: - при нормально перекритому каналі - робота при прямому зміщені на затворі - маємо біполярний прилад з малою величиною падіння напруги у відкритому стані; збільшення напруги зміщення на затворі в прямому напрямку супроводжується збі льшенням інжекції дірок і електронів в каналі; особливістю такої конструкції є те, що висота потенціального бар'єру, існуючого в каналі закритого транзистора залежить як від ширини каналу, так і від глибини переходу затвора. Зокрема, в області малих струмів стоку величина статичного коефіцієнта підсилення дуже велика; - при нормально відкритому каналі модуляція провідності реалізується полем зворотньо зміщенного затвора: низький рівень шумів при малострумовому режимі роботи обумовлює високі динамічні характеристики ТС. Отже, геометрією активної області та технологічними режимами формування приповерхневого затвора визначається тип вихідного транзистора. При цьому, числове значення ширини ОПЗ 6 в каналі у відсутність напруги, прикладеної до р-п переходу 3-5 визначається виразом: Wo = д/(2єєофо /(gNg) (1) де є - диелектрична проникність; є 0 - диелектрична проникність вакуума; фо - контактна різниця потенціалів (вбудований потенціал р-п перехода); g - величина заряду електрона; N g - концентрація домішок в каналі. Контактна різниця потенціалів: