Інтегральний перетворювач тиску

1. Інтегральний перетворювач тиску, що містить виконану як одне ціле з основою кремнієву квадратну мембрану однорідної товщини, орієнтовану в площині (100), та розміщений на її планарній поверхні горизонтальний двостоковий польовий тензотранзистор з р-n переходом як затвором, причому область каналу розміщена в частині мембрани, що деформується одновісно в кристалографічному напрямку [110], який відрізняється тим, що горизонтальний тензотранзистор доповнений вертикальним транзистором з електростатичним управлінням з приповерхневим затвором, причому останній металургійно інтегрований з одним із стоків горизонтального тензотранзистора. 2. Інтегральний перетворювач тиску за п. 1, який відрізняється тим, що область просторового заряду вертикального транзистора перекрита в каналі, визначаючи біполярний режим роботи, тобто пряме зміщення на затворі. 3. Інтегральний перетворювач тиску за п. 1, який відрізняється тим, що область просторового заряду вертикального транзистора не перекрита в каналі, чим визначається польовий режим роботи цього транзистора і перетворювача в цілому. 4. Інтегральний перетворювач тиску за пп. 1,2 або З, який відрізняється тим, що горизонтальний польовий двостоковий тензотранзистор містить в міжстоковій області перешийок, отриманий композицією областей каналів від спільного витоку до кожного стоку. 5. Інтегральний перетворювач тиску за пп. 1, 2 або З, який відрізняється тим, що площа витоку вертикального транзистора збільшена шляхом мультиплікації в пропорційну необхідному збільшенню вихідного струму кількість разів. Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки, а саме, до інтегральних напівпровідникових вимірювальних перетворювачів тиску (в тому числі - акустичного), сили, прискорення. Відомий інтегральний перетворювач тиску [1], що містить виконану як одне ціле з основою кремнієву мембрану, орієнтовану в площині (100) та розміщений на її пленарній Поверхні інтегральний тензотранзистор, який виконує функцію чутливого елемента інтегрального перетворювача. Базова область тензотранзистора розміщена на частині мембрани, що одновісно деформується в кристалографічному напрямку [110]. Конструкція такого тензотранзистора, для досягнення максимальної чутливості, передбачає наявність р-n переходу, що відділяє базову область тензотранзистора від основи. При цьому, більша частина інжектованих носіїв не досягає колекторних областей, а збирається розділяючим р-n переходом і рекомбінує поблизу найбільш віддаленого від емітера токового електрода бази. Тому коефіцієнт переносу такого перетворювача суттєво менший одиниці, що є недоліком. Відомий кремнієвий двоемітерний диференційний тензотранзистор [2], розміщений на мембрані, як і раніше в [1], але у якого коефіцієнт переносу на два порядка вищий. Але, як і в першому випадку, використаний в якості чутливого елемента перетворювача біполярний тензотранзистор має високе енергоспоживання, що також є недоліком. В якості прототипу вибраний кремнієвий двостоковий польовий тензотранзистор з р-n переходом в якості затвора [3], який розміщений на мембрані, як і попередні тензочутливі елементи. Робота тензотранзистора основана на польовому ефекті, завдяки чому досягається низький рівень енергоспоживання. Але вихідний сигнал нижчий за досягнутий при використанні біполярних тензотранзисторів, що є недоліком. Слід зазначити, що всі розглянуті тензоперетворювачі відносяться до приладів з горизонтальною структурою. Це властиве для такого типу 00 4842 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. Задача корисної моделі - досягнення високих коефіцієнта передачі і рівня вихідного сигналу при низьких рівнях шуму та енергоспоживання, а також більш ефективного використання об'єму кремнієвого кристалу. Поставлена задача досягається тим, що інтегральний перетворювач тиску, що містить виконану як одне ціле з основою кремнієву квадратну мембрану однорідної товщини, орієнтовану в площині (100) та розміщений на її планарній поверхні горизонтальний двостоковий польовий тензотранзистор з р-п переходом як затвором, причому область каналу розміщена в частині мембрани, що деформується одновісно в кристалографічному напрямку [110], згідно з корисною моделлю, горизонтальний тензотранзистор доповнений вертикальним транзистором з електростатичним управлінням з приповерхневим затвором, причому останній металургійно інтегрований з одним зі стоків горизонтального тензотранзистора. Область просторового заряду вертикального транзистора може перекриватися в каналі, визначаючи біполярний режим роботи, тобто пряме зміщення на затворі, або не перекриватися, чим визначається польовий режим роботи цього транзистора і перетворювача в цілому. Горизонтальний польовий двостоковий тензотранзистор може містити в міжстоковій області перешийок, отриманий композицією областей каналів від спільного витоку до кожного стоку. Площа витоку вертикального транзистора може бути збільшена шляхом мультиплікації в пропорційну необхідному збільшенню вихідного струму кількість разів. На Фіг.1 показаний розріз кристала, на Фіг.2 топологія і кристалографічна орієнтація кремнієвої інтегральної тензочутливої структури. Конструкція тензочутливої структури реалізована на кремнієвій сильнолегованій пластині електронного типу провідності орієнтації (100) з високоомним епітаксійним шаром такого ж типу провідності (позиції 6, 7 на Фіг.1). Методами інтегральної технології в одному процесі формуються сильнолеговані р + області електродів витоку 1 та стоку 2 Тг (він же затвор 2 Тв). Аналогічно створюються п + області електродів затвора 3 Тг та витоку 5 Тв. При цьому, підзатворна область 4 Тг може бути попередньо слаболегованим прошарком, або інверсним прошарком каналу 4, що індукований електричним потенціалом затвора 3. Областю п-каналу 6 Тв служить епітаксійний шар первісної кремнієвої пластини, а стоком 7 є її основа. Принцип дії запропонованого перетворювача слідуючий. При дії на мембрану пневматичного, гідравлічного чи звукового тисків або в разі дії сейсмічних сил інерції, рівномірно розподілене навантаження трансформується в одновісну пружну деформацію розтягу (стиснення) області 4 каналу Тг. Наведена деформацією анізотропія рухливості дірок в умовах закорочування поперечної різниці потенціалів призводить до перерозподілу густини струму поперек каналу, розбалансу струмів стоків 2, тобто появі вихідного сигналу. Але ж один зі стоків горизонтального тензотранзистора є одночасно затвором вертикального транзистора. Така інтеграція металургійних областей приводить до безпосереднього керування вертикального транзистора горизонтальним, або іншими словами, фізичні величини вимірювального середовища (тиск, сила, прискорення) через тензотранзистор спричинюють вихідний сигнал перетворювача в цілому шляхом зміни величини просторового заряду 8 в каналі Тв. На Фіг.З приведена принципова схема підключення інтегрального перетворювача тиску. Зовнішні резистори R1-R4 задають режими роботи тензоперетворювача: при цьому вхідний диференційний сигнал формується на резисторах R1, R3, а вихідний сигнал може знятий паралельно резистору R4. Можливі два варіанти конструктивного виконання Тв, що визначає 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 збільшенням 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 канала, 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 перетворювача. Слід зазначити, що при відповідному підборі зовнішніх резисторів (в першу чергу - R2, див. Фіг.З), можна перевести роботу перетворювача в граничний режим, що представляє практичний інтерес застосування в пристроях автоматизацій технологічних процесів. Щодо топології тензочутливого тензотранзистора. З роботи [3] відомо, що для досягнення ефективного перетворення величина розділяючого проміжка між стоками має бути меншою, чим 1/5 ширини каналу. І, щоб максимально зменшити закорочення внутрішнього диференційного вихідного сигналу області стоків, раціонально створити перешийок 9. В цьому випадку топологія каналу тензотранзистора - результат об'єднання топології окремо взятих областей каналів транзисторів зі спільним витоком. Накінець, при потребі збільшення навантажувальної здатності інтегрального перетворювача, площу витоку вертикального транзистора можна збільшити мультиплікацією топології його приповерхневих областей затвора і витоку по всій 4842 планарній поверхні, таким чином використовуючи весь об'єм кристалу. Джерела інформації: 1 .Патент України, №3054, по класу G01L9/04. Бюл. №5-1. 2. Бабичев ГГ., Козловский СИ., Романов В.А., Шаран Н.Н. //ЖТФ.1999. Т.69. Вып.Ю. С.6368. 3. Бабичев ГГ., Козловский СИ., Романов В.А., Шаран Н.Н. // ЖТФ.2000. Т.70. Вып.Ю. С.45-49. А-А ФІГ.1 Фіг.3 Комп'ютерна верстка Д Шеверун Підписне Тираж 37 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ-42, 01601