RU2237873C2 - Тензопреобразователь давления - Google Patents
Тензопреобразователь давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2237873C2 RU2237873C2 RU2002116176A RU2002116176A RU2237873C2 RU 2237873 C2 RU2237873 C2 RU 2237873C2 RU 2002116176 A RU2002116176 A RU 2002116176A RU 2002116176 A RU2002116176 A RU 2002116176A RU 2237873 C2 RU2237873 C2 RU 2237873C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strain
- membrane
- pressure
- thickness
- longitudinal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую квадратную мембрану с продольными и поперечными тензорезисторами, мембрана имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной. Технический результат - увеличение выходного сигнала тензопреобразователя давления. 4 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.
Известен тензопреобразователь давления мембранного типа с мембраной, имеющей два концентратора механического напряжения (деформации) [1]. Все тензорезисторы расположены поперек оси симметрии мембраны (поперечные тензорезисторы): два между ее краем и концентратором механического напряжения (1 и 3 тензорезисторы) и два в центре мембраны между двумя концентраторами механического напряжения (2 и 4 тензорезисторы). Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление Rj тензорезистора j зависит от деформации (ε ) поверхности мембраны в месте расположения резистора
Rj=Rj(ε ).
Деформация ε пропорциональна приложенному давлению P
ε =А(Т)P,
где А(Т) - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.
Сопротивление j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как:
Rj=R(l+Kε j), j=1, 2, 3, 4,
где К - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора.
В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде:
Uвых.=Uпит.(Кε 1-Кε 2+Кε 3-Кε 4)/4, (1)
где U num. - напряжение питания моста,
ε 1, ε 2, ε 3, ε 4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов кремния р-типа равны:
K=-(1+vSi)m44,
где vSi - коэффициент Пуассона кремния,
m44 - коэффициент эластосопротивления кремния p-типа.
Тензорезисторы расположены так, что ε 1=ε 3, ε 2=ε 4 и имеют разные знаки. Тогда формула (1), без учета знаков деформаций тензорезисторов, может быть записана в виде:
Uвых.=Uпит.К(ε 1-ε 2)/2.
Наличие концентраторов механических напряжений на мембране позволяет увеличить деформацию в местах расположения поперечных тензорезисторов из кремния p-типа по сравнению с плоской мембраной и соответственно увеличить выходной сигнал мостовой схемы до 50% без увеличения нелинейности выходного сигнала мостовой схемы [1].
Недостатками рассмотренной конструкции тензопреобразователя давления является то, что в этой конструкции используются только поперечные тензорезисторы. Поэтому данная конструкция возможна исключительно при использовании тех материалов, у которых коэффициент тензочувствительности поперечных тензорезисторов близок по абсолютной величине к коэффициенту тензочувствительности продольных тензорезисторов, как, например, в кремнии p-типа проводимости, у которого коэффициенты тензочувствительности поперечных и продольных тензорезисторов равны по абсолютной величине, а также указанная конструкция не допускает миниатюрное исполнение с продольными тензорезисторами.
Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси. Тензопреобразователь давления изготовлен методами микроэлектронной технологии.
Механические напряжения в плоской квадратной мембране (Фиг.3) имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (ТL) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (T1) и связаны с деформациями следующими соотношениями:
ε L=S11· TL+S12· Tt, ε t=S12· TL+S11· Tt
где S11 и S12 - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.
Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны TL>>Tt и ε t≈ 0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:
Uвых.=Uпит.(KLε L1-Ktε L2+KLε L3-Ktε L4)/4, (2)
где KL - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,
Kt - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,
ε L1, ε L2, ε L3, ε L4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что при типичных размерах мембраны 2000× 2000 мкм2 и тензорезисторов 200× 20× 0,5 мкм3, 150× 15× 0,5 мкм3, 100× 10× 0,5 мкм3 средние механические напряжения (средние деформации), действующие на продольные тензорезисторы, расположенные у края мембраны, меньше максимальных соответственно на 35%, 27%, 18% (см. Фиг.1 Приложения). Учитывая, что коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов из поликристаллического кремния соответственно равны 36 и -11.2, выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного (резисторы - точечные и расположены на краю мембраны) соответственно на 26%, 21%, 14%.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного сигнала тензопреобразователя давления.
Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления мембранного типа с продольными и поперечными тензорезисторами, расположенными у края мембраны, мембрана не плоская, а имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной.
На Фиг.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления, на Фиг.2 - разрез тензопреобразователя давления по А-А, на Фиг.3 и 4 - зависимости безразмерных механических напряжений TL/TLmax и T1/TLmax от безразмерной координаты х/а в мембране с тонкой средней частью.
Тензопреобразователь давления (Фиг.1) содержит: 1 – мембрану; 2 - поперечные тензорезисторы, расположенные на мембране 1; 3 - продольные тензорезисторы, расположенные на мембране 1; 4 - алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 2, 3; 5 - контактные окна к тензорезисторам.
На Фиг.2 приведен разрез тензопреобразователя давления по А-А: 1 – мембрана; 6 - подложка (опорное основание); 7 - изолирующий окисел на поверхности мембраны 1; 8 - защитный окисел.
Квадратная мембрана 1 (см. Фиг.1, 2) расположена в средней части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением подложки 6 из монокристаллического кремния со слоем изолирующего окисла 7 и имеет разную толщину, причем у краев толще, чем в средней части. На поверхности мембраны 1 (см. Фиг.1) методами микроэлектронной технологии сформированы поперечные 2 и продольные 3 тензорезисторы. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла 8, в котором вскрыты окна под контактные площадки 5.
Устройство работает следующим образом.
При действии давления на тензопреобразователь давления происходит деформация мембраны 1, которая передается поперечным 2 и продольным 3 тензорезисторам. Механические напряжения вдоль оси симметрии мембраны в зависимости от безразмерной координаты х/а в мембране с общим размером а× а=2000× 2000 мкм2, толщиной толстой части 30 мкм и толщиной тонкой части 25 мкм, размером 1800× 1800 мкм2, рассчитанные методом конечных элементов, приведены на Фиг.4.
Продольные 3 и поперечные 2 тензорезисторы расположены на толстой части мембраны, продольные 3 от до а поперечные 2 от до Средние механические напряжения в продольных тензорезисторах меньше максимальных на 4%, а не на 18%, как в случае плоской мембраны при длине тензорезисторов 100 мкм. Для поликремниевых тензорезисторов с коэффициентами тензочувствительности продольных тензорезисторов КL=36 и поперечных тензорезисторов Kt=-11.2 выходной сигнал мостовой схемы, вычисленный по формуле (2), будет меньше максимально возможного (тензорезисторы - точечные и расположены на краю мембраны) на 6%.
Таким образом, по сравнению с прототипом выходной сигнал мостовой схемы увеличивается на 12%.
Литература
1. L.В. Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.17, No.1, 83-87.
2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.
Claims (1)
- Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую мембрану, на которой расположены продольные и поперечные тензорезисторы, отличающийся тем, что мембрана имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002116176A RU2237873C2 (ru) | 2002-06-19 | 2002-06-19 | Тензопреобразователь давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002116176A RU2237873C2 (ru) | 2002-06-19 | 2002-06-19 | Тензопреобразователь давления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002116176A RU2002116176A (ru) | 2004-03-10 |
RU2237873C2 true RU2237873C2 (ru) | 2004-10-10 |
Family
ID=33537029
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002116176A RU2237873C2 (ru) | 2002-06-19 | 2002-06-19 | Тензопреобразователь давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2237873C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631016C1 (ru) * | 2016-07-19 | 2017-09-15 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Тензопреобразователь давления |
-
2002
- 2002-06-19 RU RU2002116176A patent/RU2237873C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2631016C1 (ru) * | 2016-07-19 | 2017-09-15 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Тензопреобразователь давления |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002116176A (ru) | 2004-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100507942B1 (ko) | 반도체용 압력 센서 | |
US8146443B2 (en) | Rotating body dynamic quantity measuring device and system | |
US3137834A (en) | Piezoresistive stress gages | |
EP1363104A2 (en) | Tilt sensor and method of forming such device | |
US6700473B2 (en) | Pressure transducer employing on-chip resistor compensation | |
US4932265A (en) | Pressure transducer using thick film resistor | |
US6838303B2 (en) | Silicon pressure sensor and the manufacturing method thereof | |
JP2615887B2 (ja) | 半導体圧力センサ | |
CN100334453C (zh) | 加速度传感器 | |
RU2237873C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
JPH08107219A (ja) | 半導体加速度センサ及び半導体加速度センサの製造方法 | |
RU2329480C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
Roylance | A MINIATURE INTEGRATED CIRCUIT ACCELEROMETER FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS. | |
EP0320299B1 (en) | Pressure transducers and a method of measuring pressure | |
RU2243517C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
RU42893U1 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
RU42894U1 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
Guan et al. | A novel 0–3 kPa piezoresistive pressure sensor based on a Shuriken-structured diaphragm | |
RU2050033C1 (ru) | Интегральный балочный тензопреобразователь | |
JPH0786617A (ja) | 半導体圧力センサ | |
Guckel et al. | Design and construction techniques for planar polysilicon pressure transducers with piezoresistive read-out | |
JPH055750A (ja) | 半導体加速度センサ | |
Igarashi | Semiconductor dynamic sensors | |
RU1830138C (ru) | Тензопреобразователь давлени | |
JP2006294892A (ja) | 一軸半導体加速度センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070620 |