RU1822245C

RU1822245C - Integral strain transducer and method of its manufacture

Info

Publication number: RU1822245C
Authority: RU
Inventors: н Э.Л. Егиазар; Э.Л. Егиазарян
Original assignee: Кооператив "Диск"
Priority date: 1988-07-18
Filing date: 1988-07-18
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: semiconductor strain gauges. SUBSTANCE: principle of strain transducer operation is based on dependence between resistance of semiconducting material and internal stresses arising inside this material. With the respective shape of resistance strain gauge, these internal stresses may exceed stresses arising in material of strain gauge backing 1. Strain sensing elements 2 are made integral with current carrying paths 3 in the form of a layer, strain-sensitive axis of which is oriented along specified axis X of semiconducting material strip of varying width. Boundaries of this strip are symmetrical relative to specified axis X and are formed by sections of concave and convex curves alternating with constant pitches. Radius of curvature of concave curves at points nearest to specified axis is the least tolerable for strength of material used and for distance between these points, and thickness of backing 1 exceeds thickness of semiconducting material. In compliance with the method of manufacture of integral strain transducer, layer of strain sensing material is formed before application of protective mask. Protective mask shall cover only area of future strain sensing elements and current carrying paths and unprotected sections of strain sensing material are etched through its entire depth. EFFECT: improved accuracy in measuring low values of strain with high degree of linearity and stability. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой тензометрии и может быть использовано при измерении малых деформаций как самих контролируемых объектов, так и упругих элементов, устанавливаемых на эти объекты датчиков различных физических величин. The invention relates to semiconductor tensometry and can be used to measure small deformations of both the controlled objects themselves and the elastic elements installed on these objects of sensors of various physical quantities.

Цель изобретения повышение точности при измерении малых деформаций, что достигается за счет использования зависимости между сопротивлением полупроводникового материала и созданными в нем внутренними напряжениями, которые могут быть при соответствующей форме тензорезистора больше напряжений в материале подложки, а именно, выполнением тензочувствительных элементов за одно целое с токопроводящими дорожками в виде слоя, ориентированного осью максимальной тензочувствительности вдоль заданной оси полупроводникового материала переменной ширины с симметрично расположенными относительно заданной оси границами, образованными чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых, причем вогнутые кривые имеют в точках, максимально приближенных к заданной оси, один и тот же минимальный допустимый из условия прочности для данного материала и расстояния между этими точками радиус кривизны, а толщина подложки превышает толщину слоя полупроводникового материала; а также, в соответствии со способом изготовления интегрального преобразователя деформаций тем, что формирование слоя тензочувствительного материала проводят до нанесения защитной маски, защитную маску выполняют так, что она покрывает площадь изготавливаемых тензочувствительных элементов с токопроводящими дорожками, а травлению подвергают незащищенные участки поверхности тензочувствительного материала на всю его глубину. The purpose of the invention is to increase accuracy when measuring small strains, which is achieved through the use of the relationship between the resistance of the semiconductor material and the internal stresses created in it, which can be more stresses in the substrate material with the corresponding shape of the strain gauge, namely, the performance of strain-sensitive elements in a single unit with conductive paths in the form of a layer oriented by the axis of maximum strain sensitivity along a given axis of semiconductor material changes width with symmetrically located relative to a given axis boundaries, formed by alternating sections of convex and concave curves alternating with a constant pitch, and concave curves have at points as close as possible to a given axis the same minimum allowable condition of strength for a given material and the distance between these points of radius of curvature, and the thickness of the substrate exceeds the thickness of the layer of semiconductor material; and also, in accordance with the method of manufacturing an integral strain transducer in that the layer of the strain-sensitive material is formed before the protective mask is applied, the protective mask is made so that it covers the area of the manufactured strain-sensitive elements with conductive paths, and exposed sections of the surface of the strain-sensitive material are etched over the entire its depth.

На чертеже представлен общий вид интегрального преобразователя деформаций. The drawing shows a General view of the integral strain transducer.

Интегральный преобразователь деформаций содержит изоляционную подложку 1, ориентированные вдоль заданной оси, например, оси Х, и расположенные на подложке вдоль этой оси Х тензочувстви- тельные элементы 2, токопроводящие дорожки 3, соединяющие начало последующего элемента 2 с концом предыдущего элемента 2, и токовыводы 4 и 5, соединенные с началом первого и концом последнего элементов 2. При этом тензочувствительные элементы 2 выполнены за одно целое с токопроводящими дорожками 3 в виде слоя, ориентированного осью максимальной тензочувствительности вдоль заданной оси Х полупроводникового тензочувствительного материала переменной ширины с симметрично расположенными относительно заданной оси Х границами, образованными чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых, вогнутые кривые имеют в точках 6, максимально приближенных к заданной оси Х, один и тот же минимальный допустимый из условий прочности для данного материала и расстояния А между этими точками 6 радиус кривизны R, а толщина подложки превышает толщину слоя полупроводникового материала. The integrated strain transducer comprises an insulating substrate 1 oriented along a given axis, for example, the X axis, and strain-sensitive elements 2 located on the substrate along this axis X, conductive tracks 3 connecting the beginning of the subsequent element 2 to the end of the previous element 2, and current leads 4 and 5, connected to the beginning of the first and the end of the last elements 2. In this case, the strain-sensing elements 2 are made in one piece with the conductive tracks 3 in the form of a layer oriented by the axis of the maximum strain-sensing along the given X axis of a semiconductor strain-sensitive material of variable width with boundaries symmetrically located relative to the given X axis, formed by sections of convex and concave curves alternating with a constant pitch, concave curves have at points 6 as close as possible to the given X axis the same minimum permissible from the strength conditions for a given material and the distance A between these points 6, the radius of curvature R, and the thickness of the substrate exceeds the thickness of the layer of semiconductor material.

Способ изготовления интегрального преобразователя деформаций осуществляют следующим образом. A method of manufacturing an integrated strain transducer is as follows.

В исходной пластине, играющей роль изоляционной подложки 1, например, в пластине из нелегированного полупроводникового материала, формируют слой тензочувствительного полупроводникового материала, например, диффузией или ионной имплантацией соответствующих элементов на заданную глубину. При этом ось максимальной тензочувствительности полупроводникового материала ориентируют вдоль заданной на пластине геометрической оси Х. На слой сформированного таким образом тензочувствительного полупроводникового материала наносят методом фотолитографии защитную маску с конфигурацией границ, соответствующих конфигурации тензочувствительных элементов и токоведущих дорожек изготавливаемого интегрального преобразователя деформаций. При этом маска покрывает всю площадь изготавливаемых тензочувствительных элементов и токоведущих дорожек, а ее конфигурация образована симметрично расположенными относительно заданной оси Х чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых. Вогнутые кривые имеют в точках, максимально приближенных к заданной оси Х, один и тот же минимальный допустимый из условий прочности для данного материала и расстояния между этими точками радиуса кривизны. Этот радиус определяют экспериментально при изготовлении пробных преобразователей. In the initial plate, which acts as an insulating substrate 1, for example, in a plate of undoped semiconductor material, a layer of strain-sensitive semiconductor material is formed, for example, by diffusion or ion implantation of the corresponding elements to a predetermined depth. In this case, the axis of the maximum strain sensitivity of the semiconductor material is oriented along the geometrical axis X defined on the plate. A protective mask is applied by photolithography to the layer of the strain-sensitive semiconductor material formed in this way with a border configuration corresponding to the configuration of the strain-sensitive elements and current paths of the integrated deformation transformer to be manufactured. In this case, the mask covers the entire area of the produced strain-sensitive elements and current-carrying tracks, and its configuration is formed by sections of convex and concave curves symmetrically arranged relative to a given axis X with a constant pitch. Concave curves have at points as close as possible to a given X axis the same minimum allowable condition of strength for a given material and the distance between these points of radius of curvature. This radius is determined experimentally in the manufacture of test transducers.

После нанесения маски подвергают травлению на всю глубину его залегания незащищенные участки поверхности тензочувствительного материала. Затем известными методами вскрытия окон в защитной маске с последующим нанесением слоя металла формируют токовыводы, и интегральный преобразователь деформаций может быть использован для установки на объекте. After applying the mask is subjected to etching to the entire depth of its occurrence unprotected surface areas of the strain-sensitive material. Then, using known methods of opening windows in a protective mask, followed by applying a layer of metal, current leads are formed, and the integral strain transducer can be used for installation on the object.

Интегральный преобразователь деформаций работает следующим образом. The integral strain transformer works as follows.

После закрепления подложки 1 на поверхности исследуемого объекта токовыводы 4 и 5 включают в схему измерения, например, в мостовую схему. При появлении деформаций объекта тензочувствительные элементы, расположенные в зоне повышенных концентраций напряжений 6, изменяют свое сопротивление во много раз больше, чем соединяющие их участки, играющие роль токопроводящих дорожек. Поскольку все эти элементы 2 и дорожки 3 включены последовательно, то изменение сопротивления между токовыводами 4 и 5 будет определяться изменением сопротивления тензочувствительных элементов 2, что и приведет к повышению тензочувствительности преобразователя в целом. After fixing the substrate 1 on the surface of the test object, the current leads 4 and 5 are included in the measurement circuit, for example, in a bridge circuit. With the appearance of deformations of the object, the strain-sensing elements located in the zone of increased stress concentrations 6 change their resistance many times more than the sections connecting them, playing the role of conductive paths. Since all these elements 2 and tracks 3 are connected in series, then the change in resistance between the current outputs 4 and 5 will be determined by the change in the resistance of the strain gauge elements 2, which will lead to an increase in the strain sensitivity of the transducer as a whole.

Предлагаемый преобразователь позволяет измерять малые значения деформаций с высокой линейностью и стабильностью. Он может быть использован также в составе датчиков давления, перемещения, ускорения, упругие элементы которых по условиям эксплуатации не должны иметь существенных упругих деформаций. The proposed transducer allows you to measure small strain with high linearity and stability. It can also be used as part of pressure, displacement, and acceleration sensors, the elastic elements of which under operating conditions should not have significant elastic deformations.

Claims

1. An integral strain transducer comprising an insulating substrate oriented along a given axis and disposed on the substrate one after the other along this axis of the strain-sensitive elements, conductive tracks connecting the beginning of the next element to the end of the previous element, and current leads connected to the beginning of the first and end of the last elements , characterized in that, in order to improve accuracy when measuring small deformations, the strain-sensitive elements are made in one piece with the conductive tracks in ide layer, oriented by the axis of maximum strain sensitivity along a given axis of a semiconductor strain-sensitive material of variable width with boundaries symmetrically located relative to a given axis, formed by sections of convex and concave curves alternating with a constant pitch, concave curves have the same points at points as close to the given axis as possible the minimum allowable condition of strength for a given material and the distance between these points is the radius of curvature and the thickness of the substrate is greater than t is the thickness of the semiconductor material layer.

2. A method of manufacturing an integral strain transducer, namely, that a protective mask is applied to the layer of semiconductor material by photolithography with the configuration of the boundaries corresponding to the configuration of the integral transformer being manufactured, etching of material sections is carried out and a layer of strain-sensitive material is formed, characterized in that the formation of a layer of strain-sensitive material carried out before applying the protective mask, the protective mask is performed so that it covers the area of making irradiated strain-sensitive elements with conductive paths, and exposed sections of the surface of the strain-sensitive material to its entire depth are etched.