RU1830138C - Тензопреобразователь давлени - Google Patents

Abstract

Использование: в измерительной технике дл  измерени  давлений жидкостей и газов в интервале температур 20-300°С без введени  дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давлени . Сущность изобретени : тензопреобразователь мембранного типа, в котором на окисленной кремниевой подложке 1 выращены поликремниевые тензорезисторы 2, соединенные алюминиевой разводкой 3 в мостовую схему. Тензорезисторы легированы бором до концентрации (5,1-7.5) 10 и расположены у краев квадратной мембраны 7. Питание моста осуществл етс  от генератора тока, при этом происходит самокомпенсаци  температурой зависимости выходного сигнала и температурный коэффициент выходного сигнала тензоп- реобразовател  находитс  в пределах (Ч),01Н+0.01)%/град. 2 ил. 1 табл.

Description

(Л

С

Фиг. 2

00 Сд О

00 00

со

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  давлени  жидкостей и газов в интервале температур (+20)-(+300)°С без введени  дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давлени ,

Известен тензопреобразователь мембранного типа, работающий в диапазоне температур (-60)-(+200)°С. содержащий мост из монокремниевых тензорезисторов выращенных на монокристаллической сапфировой подложке. Тензорезисторы легированы бором, расположены у краев круглой мембраны о плоскости (001) параллельно и перпендикул рно радиусу вдоль направлений 110 . Под действием давлени  на тензопреобразователь два тензорезистора увеличивают свое соп ротивление, а два - уменьшают, При этом сопротивление RJ тензорезистора номерj зависит как от деформации поверхности сапфира в месте расположени  тензорезистора (Ј), так и от температуры (Т)

Rj Rj(e,T).-:

Деформаци  е пропорциональна приложенному давлению Р

(Т)Р,

где А (Т).- коэффициент упругого преобразовани , который определ етс  конструкцией тензопреобразовател  и упругими характеристиками примен емых в нем материалов .

Сопротивление j-тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давлени , мен етс  следующим образом

Rj R(T)(1+Kj(e.T)),.2

где Kj ( Ј , Т) - коэффициент тензочувстви- тельности тензорезистора номер j.

В тензопреобразоаателе тенэорезисто- ры соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напр жени  записываетс  s эиде

Квых (Ј, Т} - ипит (Ki {е, Т) - Кг (е, Т))/2 (2),

где Unur напр жение питани .

Если же питание моста осуществл етс  от генератора тока, то тогда выходной сигнал имеет вид

ивых (е. Т) J™r R СП (Ki (е. Т}- Кг ( Е, т))/2 (3),

где 1Пит - ток питани .

Дл  ориентации тензорезисторов в направлени х 110 в плоскости (100). котора  используетс  в указанном устройстве, в широком диапазоне температур справедливо соотношение

Ki(e,T) (e,T) K-(e.T)

(4)

Ю С учетом соотношени  (4) уравнени  (2) и (3) принимают вид

15

11вых(е, Т)иПитК(е,Т)(5)

при питании от генератора напр жени , и ивых (е , Т) 1Пит R (Т) К (Б , Т) (6)

при питании от генератора тока. .Выходной сигнал мостовой схемы не зависит от температуры, если выполн етс  условие:

тки - 100% UbfxfeT) n m ТКивы -ЩЖП Т° (7)

45

50

55

30

35

40

Если ввести обозначени 

- Я

коэффициент тензочуэствительности; 100% dRCe O.T)

.V-g

ткк

TKR.

температурный

темпераК (е -ОТ) турный коэффициент сопротивлени ;

ТКА 0 - температурный

I

коэффициент упругого преобразовани ; и продифференцировать уравнени  (5) и (6), то получают

ТШвых ТКК + ТКА(8)

при питании от генератора напр жени , и ТШвых ТКК + TKR + ТКА(9)

при питании от генератора тока.

Если учесть, что I ТКА I«ITKR |, | ТКК I, то условие температурной независимости выходного сигнала (7) перепишетс  в виде

ТКК-0(10)

при питании от генератора напр жени , и TKR + TKK 0(11)

при питании от генератора тока.

Дл  тензопреобразовэтелей на монокристаллическом кремнии условие (10) не

может выполн тьс , поскольку коэффициент тензочувствительности монокремни  зависит от температуры в интервале концентраций (1017-1020) . В то же врем  условие (11). при котором происходит самокомпенсаци  температурной зависимости выходного сигнала, может выполн тьс  при оптимальной концентрации легирующей примеси. Дл  структуры кремний на сапфире это значение находитс  в диапазоне (8 + 0,8)1019 и условие (11) выполн етс  в интервале температур (-60Н+200)°С.

Кроме того известен тензопрербразо- ватель мембранного типа с рабочим температурным диапазоном (-60)-(+200)°С,  вл ющийс  прототипом изобретени , содержащий полный мост из поликремниевых тензорезисторов, легированных бором и расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремни , ориентированной в плоскости (100), контактные площадки , соедин ющие тензорезисторы в измерительный мост, подключены к источнику питани  (генератору напр жени ). Два тензорезистора (первый и второй) расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии, а два других (третий и четвертый) расположены в центре мембраны параллель.ю первому и второму тензорезисторам. Тензопреобразователь имеет размеры 4,5 мм 3.5 мм 0,38 мм, размеры мембраны 2,5 мм 1,5 мм 30 мкм и изготовлен стандартными методами микроэлектронной технологии. Если выбрать систему координат с началом в центре мембраны , а осью Y параллельно короткой стороне , то с учетом указанного расположени  тензорезисторов при подаче давлени  сопротивление j-тензорезистора будет иметь следующий вид:

Rj(e, Т) R(T) (1 + Siev0) + St ехш (12),

где Si - продольный коэффициент тензочувствительности;

St - поперечный коэффициент тензочувствительности;

ЈX.Y - диагональные компоненты тензора деформации мембраны в месте расположени  j-тензорезистора.

При условии, что размеры тензорезисторов много меньше размеров мембраны, можно считать их точечными с координатами

Rl(X - О, Y 0,75 мм), Рз(Х О, Y - 0),

а значени  компонент тензора деформации указаны дл  номинального давлени  Рнои 1 бар и имеют величины

еуЮ-ОЛО-3, Јх(1) 0, Јv(2) - -0,33 , Јх(2) - -0.08 .

Тогда при номинальном давлении сопротивлени  плеч моста будут следующими

Ri(PHoHT)R(T}(1+0,)

-3

Р2(РноМ Т) R(T) (1-0,33 Sii-з

-0,08 St)

(13)

При используемом в прототипе способе питани  моста (От генератора напр жени ) выходной сигнал моста при номинальном давлении записываетс  в виде

ивых (Рном. Т) - ипит (Ri (Рном, Т) - R2 (Рном, Т))/2 Упит (1,03 Si +

+ 0,08St)(14)

и определ етс  в основном величиной продольного коэффициента тензочувствительности . а его температурный коэффициент определ етс , в основном, температурной зависимостью продольного коэффициента

тензочувствительности.

Однако, указанное устройство обладает существенным недостатком: выходной сигнал тензопреобразовател  измен етс  с температурой с температурным коэффициентом- 0,08% /град.

Значени  продольного и поперечного коэффициентов тензочувствительности имеют один пор док величины, поэтому в уравнении (14) можно пренебречь вторым

членом и тогда выходной сигнал определ етс  только продольной тензочувствитель- ностыо:

Unix (Рном Т) иПит 1.03 S1 /2. (15).

Продифференцировав уравнение (15), получим температурный коэффициент выходного сигнала

50

TKUB

TKSt

(16).

Т1/с 100% dSt где TKSi -Q TTTT температурный коо1 О I

эффициент продольной тенэочувствитель- ности.

Из уравнени  (16) видно, что температурный коэффициент выходного сигнала указанного тензопреобразовател  определ етс  температурным коэффициентом продольной тензочувствительности. В указанном тензопреобразователе поликремниевые тензорезисторы легированы бором до концентрации 9-1019 (концентрацию можно определить из известной дозы легиро- вани  4,5 10 и известной толщины сло  поликремни  0,5 10 см). Известно, что при такой степени легировани  коэффициент тензочувствительности поликристаллического кремни  р-типа зависит от температуры. По- этому согласно (16) и по вл етс  температур- на  зависимость выходного сигнала тензрпреобразовател .

Дл  устранени  температурной зависимости «и- одного сигнала тензоп- реобразовател  необходимо введение дополнительных средств компенсации, что делает датчик более громоздким и дорогим.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение температурной зависимости выходного сигнала тензопреобразовател .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном тензопреобразователе давлени  третий и четвертый тензорезисторы располагаютс  на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питани  выполн етс  в виде генератора тока, при этом степень легировани  тензорезисторов находитс  в интервале (5.1-7,5).

Нафиг,1 приведен общий вид тензопреобразовател  (1 - подложка: 2 - поликремниевые тензорезисторы; 3 - алюминиева  разводка; 4 - контактные окна к тензорези- сторам; 5 - изолирующий окисел; 6 - защитный окисел; 7 - мембрана); на фйг.2 - разрез тензопреобразовател  по А-А. Сущность изобретени  состоит в следующем. На окисленной подложке монокристаллического кремни , ориентированной в плоскости (100) (см. фиг.1) методами микроэлектронной технологии сформированы поликремниевые тензорезисторы, легированные бором, алюминиева  разводка соедин ет тензорезисторы в незамкнутую мостовую схему. Дл  стабилизации характеристик тензопрёобраэователь покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки. Квадратна  мембрана толщиной 30 мкм (см. фиг.2) расположена в срединной части тензопреобразовател  и сформирована анизотропным травлением монокристаллического кремни  в 30% растворе едкого кали. Размер тензоп- реобразовател  5 мм х 5 мм х 30 мкм, размер мембраны 2 мм х 2 мм х 30 мкм.

При подаче давлени  сопротивлени  тензорезисторов измен ютс  в соответствии с (12), а выходной сигнал имеет вид

ивых (Р, Т) 1Пит (Ri (Р. Т) - R2 (Р, Т))/2 - 1пит R(T) ((еу(1) Јv(2)) Si (ex(1)- ex(2))St)/2..07)

Температурный коэффициент выходного сигнала ТШвых легко получить из (17).

ТКУвых - ТК + TKSt/(1 + .ffi- StUTvc; , ,. , Cx -Ј0StvHM

-)Sl) TKSt f (1 + №-№s)(™

где произведена замена: ТК/э TKR - температурный коэффициент удельного сопротивлени .

Из экспериментальных исследований известно , что температурные коэффициенты продольной и поперечной тензочувствительности различны (в отличие от монокристаллического кремни ), а сами коэффициенты продольной и поперечной тензочувствительности наход тс  между собой в отношении

Si -2St

(19)

&f

Если тензорезисторы расположены на мембране тензопреобразовател  так, как показано на фиг. 1, и их размеры много меньше размеров мембраны, то fix ,

,(2),

ех(1),а

.№-№

г-1

(20)

&f

С учетом изложенного уравнение (18) упрощаетс 

ТШвых - TKpf 2 TKSi/3 + TKSt/3, (21)

а дл  того, чтобы выходной сигнал не зависел оттемпературы должно выполн тьс  соотношение

ТК/ 2 TKSi/3 + TKS,/3 0. (22)

Температурные коэффициенты удел ь- ного сопротивлени , продольной и поперечной тензочувствительности завис т от степени легировани , и подобрав оптимальную степень легировани  поликремниевых тензорезисторов, можно добитьс  выполнени  соотношени  (22), а значит и температурно-независимого выходного сигнала.

Результаты проведенных исследований приведены о таблице. В таблице также указаны значени  температурного коэффициента выходного сигнала, рассчитанные по формуле (21).

Из таблицы видно, что в указанном интервале концентраций происходит самокомпенсаци  температурной зависимости выходного сигнала.

Таким образом по сравнению с прототи- пом, выходной сигнал которого мен етс  с температурой с температурным коэффициентом-0 ,08%/град, в предлагаемом устройстве происходит уменьшение температурного коэффициента выходного сигнала в интервале концентраций(5,1-7,5) 1019см 3 до значений TKUBWxl 0.01% /град.

Фор.мула изобретени 

Тензопреобразователь давлени , содержащий выполненную из монокристалли-

ческого кремни  пр моугольную мембрану с опорным основанием и слоем окиси кремни  на наружной поверхности, на которой расположены четыре поликремниевых тен- зорезистора р-типа проводимости, легированных бором, причем два из них, первый и второй, расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии , и контактные площадки, соедин ющие тензорезисторы в измерительный мост, подключенный к источнику питани , отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  температурной погрешности, в нем третий и четвертый тензорезисторы расположены на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питани  выполнен в виде генератора тока, при этом степень легировани  тензорезисторов находитс  в интервале (5,1-7,5) 10 см.

gcifoj