RU2244970C1 - Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor - Google Patents
Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244970C1 RU2244970C1 RU2003114595/09A RU2003114595A RU2244970C1 RU 2244970 C1 RU2244970 C1 RU 2244970C1 RU 2003114595/09 A RU2003114595/09 A RU 2003114595/09A RU 2003114595 A RU2003114595 A RU 2003114595A RU 2244970 C1 RU2244970 C1 RU 2244970C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resistive
- strain
- contact pads
- substrate
- resistance
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.
Настоящее изобретение относится к электронной технике, в частности, к тонкопленочной микроэлектронике.The present invention relates to electronic equipment, in particular, to thin-film microelectronics.
Уровень техники.The level of technology.
В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации [1-4]. Качество тензорезисторов зависит от чувствительности к механическим напряжениям, линейности относительного изменения сопротивления в широком диапазоне напряжений (механических нагрузок) и окружающей температуры, надежности и габаритов конструкции, а также от других факторов.The work of strain gages is based on the phenomenon of the strain effect, which consists in changing the resistance of conductors and semiconductors during their mechanical deformation [1-4]. The quality of strain gauges depends on sensitivity to mechanical stresses, linearity of the relative change in resistance over a wide range of stresses (mechanical loads) and ambient temperature, reliability and dimensions of the structure, as well as other factors.
Известен микросенсор-полупроводниковый тензорезистор MS 115-350 [3, с.122], который изготавливают следующим способом. Гибкую прямоугольную нить из монокристалла кремния р-типа вырезают в направлении [111] с удельным сопротивлением ρ=0,017 Ом·см, с размерами 0,0177 мм (толщина), 0,5 мм (ширина) и 19 мм (длина). Недостатком такого датчика является невысокая линейность в рабочем диапазоне температур, а также невозможность подгонки (подстройки) его параметров под конкретные условия измерительного эксперимента.Known microsensor semiconductor strain gauge MS 115-350 [3, p.122], which is manufactured in the following way. A flexible rectangular filament of p-type silicon single crystal is cut in the [111] direction with a resistivity of ρ = 0.017 Ohm · cm, with dimensions of 0.0177 mm (thickness), 0.5 mm (width) and 19 mm (length). The disadvantage of this sensor is its low linearity in the operating temperature range, as well as the impossibility of fitting (adjusting) its parameters to the specific conditions of the measurement experiment.
Известен способ настройки характеристик электронных компонентов с помощью лазера (см. заявка Франции №2616263, H 01 С 17/24, ИМС №7, 1989), который заключается в том, что с целью подгонки сопротивления тонкопленочного резистора к номинальному значению выполняют рез лазерным лучом по профилю полуовала, радиус которого устанавливают расчетным методом.A known method of adjusting the characteristics of electronic components using a laser (see French application No. 2616263, H 01 C 17/24, IMS No. 7, 1989), which consists in the fact that in order to adjust the resistance of the thin-film resistor to the nominal value, the laser beam is cut on the semi-profile, the radius of which is determined by the calculation method.
Недостатком данного способа являются его ограниченные возможности, связанные с невозможностью подгонки линейности характеристики преобразования тензорезистора в диапазоне рабочих температур.The disadvantage of this method is its limited capabilities associated with the inability to adjust the linearity of the conversion characteristics of the strain gauge in the operating temperature range.
Известен способ изготовления пленочного тензорезистора [1, с.130], заключающийся в том, что сам тензорезистор изготовляют одним из известных способов [1-4], а для исключения или уменьшения влияния температуры на его характеристику преобразования компенсируют его температурный коэффициент сопротивления (ТКС) методом подгонки, заключающимся в отжиге при определенной температуре, определенное время, которое зависит от материала пленки.A known method of manufacturing a film strain gauge [1, p.130], which consists in the fact that the strain gauge itself is made by one of the known methods [1-4], and to eliminate or reduce the influence of temperature on its conversion characteristic compensate for its temperature coefficient of resistance (TCR) by the fitting method, which consists in annealing at a certain temperature, a certain time, which depends on the material of the film.
Основным недостатком известного способа является то, что отжигом не удается в широком интервале температур добиться термокомпенсации. Кроме того, процесс отжига длительный, плохо сочетается с одновременным измерительным контролем значения ТКС.The main disadvantage of this method is that annealing fails in a wide temperature range to achieve thermal compensation. In addition, the annealing process is long; it does not fit well with the simultaneous measurement control of the TCS value.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Целью настоящего изобретения является повышение точности термокомпенсации с одновременным снижением трудоемкости изготовления термокомпенсированного пленочного тензорезистора.The aim of the present invention is to improve the accuracy of thermal compensation while reducing the complexity of manufacturing a thermally compensated film strain gauge.
Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что технология изготовления тонкопленочного термокомпенсированного тензорезистора включает в себя напыление на гибкую диэлектрическую подложку резистивных слоев, формирование контактных площадок, формирование методом фотолитографии чувствительных элементов тензорезистора, измерение сопротивлений которых в процессе подгонки ТКС тензорезистора осуществляют омметром, подключенным к соответствующим контактным площадкам, причем тензорезистор изготавливают из двух материалов с различными величинами и знаками ТКС, формируют на подложке два соединенных последовательно чувствительных элемента, объединенные выводы, которых соединяют с контактной площадкой, расположенной с одной стороны подложки, а два оставшихся вывода подключают к контактным площадкам, находящимся в непосредственной близости с другой стороны подложки, осуществляют термокомпенсацию подгонкой соотношения сопротивлений чувствительных элементов лучом лазерного инструмента подгонки.The technical result achieved is ensured by the fact that the manufacturing technology of a thin-film thermocompensated strain gage includes spraying resistive layers on a flexible dielectric substrate, forming contact pads, forming sensitive elements of the strain gage by photolithography, the measurement of the resistances of which in the process of fitting the TKS strain gage is carried out with an ohmmeter connected to the corresponding contact areas moreover, the strain gauge is made of two materials different values and signs of the TCS, form on the substrate two connected in series sensitive elements, the combined leads, which are connected to a contact pad located on one side of the substrate, and the two remaining leads are connected to contact pads located in the immediate vicinity on the other side of the substrate, provide thermal compensation adjustment of the ratio of the resistances of the sensitive elements by the beam of a laser fitting tool.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления.Information confirming the possibility of implementation.
Согласно работе [1, с. 129] для пленочного тензорезистора, установленного на свободно расширяющийся образец с заданным коэффициентом линейного расширения, температурная характеристика для небольшого интервала температур описывается уравнением:According to [1, p. 129] for a film strain gauge mounted on a freely expandable sample with a given coefficient of linear expansion, the temperature characteristic for a small temperature range is described by the equation:
где α - температурный коэффициент сопротивления пленочного элемента;where α is the temperature coefficient of resistance of the film element;
βм - температурный коэффициент линейного расширения материала образца (детали), на который установлен тензорезистор;β m - temperature coefficient of linear expansion of the material of the sample (part) on which the strain gauge is installed;
βч - температурный коэффициент линейного расширения чувствительного элемента тензорезистора;β h - temperature coefficient of linear expansion of the sensitive element of the strain gauge;
t0, t - начальная и конечная температура диапазона температур;t 0 , t is the initial and final temperature of the temperature range;
Кпр - коэффициент преобразования деформации чувствительным элементом:To pr - the conversion coefficient of deformation by the sensitive element:
Кпр=δR/δlK ave = δR / δl
δR и δl - относительные приращения сопротивления и длины тензорезистора.δR and δl are relative increments of resistance and strain gauge length.
Равенство нулю температурного приращения сопротивления тензорезистора может быть обеспечено при равенстве нулю правой части уравнения (1), т.е. при условии:The temperature increment of the resistance of the strain gage can be equal to zero if the right-hand side of equation (1) is equal to zero, i.e. on condition:
Согласно работе [1] уравнение (2) используют как критерий подгонки, которую выполняют отжигом тензорезистора при определенной температуре.According to [1], equation (2) is used as a fitting criterion, which is performed by annealing the strain gauge at a certain temperature.
Такой способ подгонки заключается в изменении (уплотнении) структуры материала пленочного чувствительного элемента. Процесс отжига длится часами в термокамере, причем диапазон подгонки ТКС имеет небольшое значение. Контроль и измерение этого параметра реализовать в ходе отжига также довольно сложно из-за ограничения доступа в термокамеру.Such a fitting method consists in changing (densifying) the structure of the material of the film sensitive element. The annealing process lasts for hours in a heat chamber, and the adjustment range of the TCS is of little importance. Monitoring and measuring this parameter during annealing is also quite difficult due to limited access to the heat chamber.
Согласно патенту РФ №2133514, H 01 С 17/22, 17/24 и положительному решению на выдачу патента от 24.01.2003 по заявке №2000109988/09(0/0280) соотношения между сопротивлениями и ТКС тонкопленочных резисторов, соединенных параллельно, имеют вид:According to the patent of the Russian Federation No. 2133514, H 01 C 17/22, 17/24 and a positive decision to grant a patent dated January 24, 2003 according to application No.2000109988 / 09 (0/0280), the ratios between the resistances and the TCS of thin-film resistors connected in parallel are of the form :
где R1, R2 - сопротивления первого и второго элемента тонкопленочной резистивной структуры; α1, α2 - ТКС первого и второго резистивного элемента; α0 - ТКС интегрального тонкопленочного резистора с сопротивлением R0, полученного в результате параллельного соединения сопротивлений R1 и R2 с ТКС - α1 и α2.where R 1 , R 2 - the resistance of the first and second element of the thin-film resistive structure; α 1 , α 2 - TCS of the first and second resistive element; α 0 - TCS of an integrated thin-film resistor with resistance R 0 obtained by parallel connection of the resistances R 1 and R 2 with TCS - α 1 and α 2 .
Для интегрального резистора, полученного в результате последовательного соединения сопротивлений R1 и R2, справедливо соотношение:For the integrated resistor obtained by the series connection of the resistances R 1 and R 2 , the ratio is true:
Выбирая величину сопротивления R0 тензорезистора, отношение R1/R2, тип резистивных материалов с определенными значениями ТКС - α1, α2 и способ соединения полученных фотолитографией чувствительных тензоэлементов на подложке, можно, используя соотношения (3-4) подбирать ТКС - α0 интегрального тензорезистора в широком диапазоне значений для различных материалов образца с конкретными значениями βм (2).Choosing the resistance value R 0 of the strain gage, the ratio R1 / R2, the type of resistive materials with certain values of TCS - α 1 , α 2 and the method of joining the sensitive strain gauges obtained by photolithography on the substrate, it is possible to select TCS - α 0 integral using ratios (3-4) a strain gauge in a wide range of values for various materials of the sample with specific values of β m (2).
Точное значение α0 можно получить в результате лазерной подгонки сопротивлений R1, R2 тензочувствительных элементов, используя в режиме подгонки омметр, подключенный непосредственно к клеммам R1, а затем к R2.The exact value of α 0 can be obtained by laser fitting of the resistances R 1 , R 2 of the strain-sensing elements using an ohmmeter connected directly to the terminals R 1 and then to R 2 in the fitting mode.
На чертеже представлен вариант конструкции тонкопленочного тензорезистора, изготовленного предложенным способом.The drawing shows a design variant of a thin-film strain gauge manufactured by the proposed method.
Чувствительный элемент такого тензорезистора выполнен из двух тонкопленочных элементов 1 и 2. Элемент 1 имеет сопротивление R1 и выполнен из сплава нихром (возможен константан, сплавы алюминия, титана и др.). Элемент 2 имеет сопротивление R2 и выполнен из сплава кермет (К-20С, К-30С и др.).The sensitive element of such a strain gauge is made of two thin-film elements 1 and 2. Element 1 has a resistance of R 1 and is made of nichrome alloy (constantan, aluminum alloys, titanium alloys, etc. are possible). Element 2 has a resistance of R 2 and is made of cermet alloy (K-20C, K-30C, etc.).
Чувствительные элементы 1 и 2 тензорезистора расположены на гибкой диэлектрической подложке 3, с противоположных сторон которой установлены контактные площадки 4. Конструкция такого тензорезистора имеет подгоночные перемычки 5 для регулировки (подгонки) резистивного элемента 1. Возможность регулировки (подгонки) сопротивления элемента 2 показана лазерным резом типа 6. Расположенные в непосредственной близости, определяемой сопротивлением изоляции, контактные площадки, позволяют создать единый контакт методом пайки без значительных затрат, при параллельном соединении элементов 1 и 2.Sensitive elements 1 and 2 of the strain gauge are located on a flexible dielectric substrate 3, on the opposite sides of which there are contact pads 4. The design of such a strain gauge has adjustable jumpers 5 for adjusting (fitting) the resistive element 1. The possibility of adjusting (fitting) the resistance of element 2 is shown by a laser cutter of the type 6. The contact pads located in the immediate vicinity determined by the insulation resistance make it possible to create a single contact by soldering without significant rat, with the parallel connection of elements 1 and 2.
Чувствительность по изменению сопротивлений элементов 1 и 2, соединенных последовательно, определяется какThe sensitivity to change the resistances of elements 1 and 2, connected in series, is defined as
а при их параллельном соединении:and with their parallel connection:
будет меньше для случая параллельного соединения, однако в конструкции с параллельным соединением элементов 1 и 2 общую чувствительность к механическим напряжениям можно увеличивать, увеличивая количество секций элемента 1. Кроме того, достигнуть подгонкой определенного ТКС в некотором диапазоне гораздо легче в конструкции с параллельным соединением чувствительных тензоэлементов из разнородных материалов.it will be less for the case of parallel connection, however, in a design with parallel connection of elements 1 and 2, the overall sensitivity to mechanical stresses can be increased by increasing the number of sections of element 1. In addition, it is much easier to achieve the fitting of a specific TCS in a certain range in a design with parallel connection of sensitive strain elements from dissimilar materials.
Лазерный метод подгонки в сравнении с термическим (отжигом) позволяет сократить время подгонки ТКС за счет быстродействия лазерного инструмента подгонки, повысить точность подгонки (в частности, за счет использования подгоночных секций и специальных форм лазерного реза, типа 6, см. чертеж), расширить диапазон подгонки ТКС за счет комбинирования соотношениями сопротивлений тензочувствительных элементов, типов их электрических соединений (параллельное, последовательное), а также использования специальных подгоночных секций (подгоночных перемычек 5, рис. 1).The laser method of adjustment in comparison with thermal (annealing) allows to reduce the time of fitting of the TCS due to the speed of the laser tool of adjustment, to increase the accuracy of fitting (in particular, through the use of fitting sections and special forms of laser cut, type 6, see drawing), expand the range TKS fitting by combining the ratios of resistances of the strain-sensitive elements, types of their electrical connections (parallel, serial), as well as the use of special adjustable sections (adjustable jumpers 5, Fig. 1).
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Клокова Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.1. Klokova N.P. Strain gages: Theory, methods of calculation, development. - M.: Mechanical Engineering, 1990. - 224 p.
2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинг. от.-ние, 1983. - 320 с.2. Levshina E.S., Novitsky P.V. Electrical measurements of physical quantities: (measuring transducers). Textbook manual for universities. - L .: Energoatomizdat. Lehning. Ot.-tion, 1983 .-- 320 s.
3. Полупроводниковые тензодатчики (перевод с англ.). Под редакцией М. Дина. - М.Л.: Энергия, 1965. - 216 с.3. Semiconductor strain gauges (translation from English). Edited by M. Dean. - M.L .: Energy, 1965 .-- 216 p.
4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 535 с.4. Meizda F. Electronic measuring instruments and measurement methods: Per. from English - M.: Mir, 1990 .-- 535 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003114595/09A RU2244970C1 (en) | 2003-05-16 | 2003-05-16 | Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003114595/09A RU2244970C1 (en) | 2003-05-16 | 2003-05-16 | Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003114595A RU2003114595A (en) | 2004-12-10 |
RU2244970C1 true RU2244970C1 (en) | 2005-01-20 |
Family
ID=34978188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003114595/09A RU2244970C1 (en) | 2003-05-16 | 2003-05-16 | Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2244970C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104204749A (en) * | 2012-01-30 | 2014-12-10 | Pst传感器(私人)有限公司 | Flexible temperature and strain sensors |
WO2016112449A1 (en) * | 2015-01-13 | 2016-07-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак Технологии" | Precision resistor and method for laser trimming the resistance values thereof |
RU2703720C1 (en) * | 2018-12-07 | 2019-10-22 | Акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (АО "ОНИИП") | Method of determining the temperature coefficient of resistance of thin conducting films using a four-probe measurement method |
-
2003
- 2003-05-16 RU RU2003114595/09A patent/RU2244970C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
КЛОКОВА Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки, Москва, Машиностроение, 1990, с.224. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104204749A (en) * | 2012-01-30 | 2014-12-10 | Pst传感器(私人)有限公司 | Flexible temperature and strain sensors |
EP2810032A4 (en) * | 2012-01-30 | 2015-09-09 | Pst Sensors Pty Ltd | Flexible temperature and strain sensors |
WO2016112449A1 (en) * | 2015-01-13 | 2016-07-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак Технологии" | Precision resistor and method for laser trimming the resistance values thereof |
EA031454B1 (en) * | 2015-01-13 | 2019-01-31 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак Технологии" | Precision resistor and method for laser trimming the resistance values thereof |
RU2703720C1 (en) * | 2018-12-07 | 2019-10-22 | Акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (АО "ОНИИП") | Method of determining the temperature coefficient of resistance of thin conducting films using a four-probe measurement method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4299130A (en) | Thin film strain gage apparatus with unstrained temperature compensation resistances | |
US4331035A (en) | Geometric balance adjustment of thin film strain gage sensors | |
US3665756A (en) | Strain gauge temperature compensation system | |
US6378384B1 (en) | Force sensing transducer and apparatus | |
US7934430B2 (en) | Die scale strain gauge | |
EP0239094A2 (en) | Semiconductor strain gauge bridge circuit | |
US6729187B1 (en) | Self-compensated ceramic strain gage for use at high temperatures | |
KR100424025B1 (en) | Mechanical-electrical transducer | |
US5184520A (en) | Load sensor | |
KR100210726B1 (en) | Pressure sensor for determining the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine | |
US3130578A (en) | Strain gauge bridge calibration | |
JPH09280911A (en) | Simultaneously measuring method for pressure, distortion and temperature | |
RU2244970C1 (en) | Method for manufacturing temperature-compensated resistive-strain sensor | |
US4428976A (en) | Geometric balance adjustment of thin film strain gage sensors | |
US3448607A (en) | Strain gauge temperature compensation system | |
US7674038B2 (en) | Arrangement for temperature monitoring and regulation | |
US5309136A (en) | Electrical circuit such as a Wheatstone bridge with a resistance-adjusting portion | |
US10809136B2 (en) | Thin film sensor element for a resistance thermometer | |
JP2020521975A (en) | Strain gauges and metal strips with such strain gauges | |
RU2307997C1 (en) | Method of adjusting strain-gages | |
RU2208256C2 (en) | Method for manufacturing thin-film resistor | |
US6338271B1 (en) | Device and process for measuring the velocity of flow of a fluid | |
RU2687307C1 (en) | Integrated pressure converter | |
JPH0125425B2 (en) | ||
RU2807002C1 (en) | Strain gauge force sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050517 |