RU2243517C2 - Тензопреобразователь давления - Google Patents
Тензопреобразователь давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2243517C2 RU2243517C2 RU2002115672/28A RU2002115672A RU2243517C2 RU 2243517 C2 RU2243517 C2 RU 2243517C2 RU 2002115672/28 A RU2002115672/28 A RU 2002115672/28A RU 2002115672 A RU2002115672 A RU 2002115672A RU 2243517 C2 RU2243517 C2 RU 2243517C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strain
- pressure transducer
- gage
- strain gauges
- islands
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления содержит прямоугольную мембрану с диэлектриком и двумя поперечными и двумя продольными (относительно оси симметрии мембраны) тензорезисторами на ее наружной поверхности, выполненную из монокристаллического кремния, и опорное основание. На поверхности диэлектрика сформированы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала, в которых созданы тензорезисторы. Техническим результатом предложенного тензопреобразователя является увеличение его чувствительности (увеличение выходного сигнала). 2 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.
Известен тензопреобразователь давления мембранного типа, содержащий мост из монокристаллических кремниевых тензорезисторов, выращенных на монокристаллической сапфировой подложке [1]. Для электрической изоляции друг от друга тензорезисторы выполнены в виде мезаструктур и покрыты сверху слоем защитного окисла. Тензорезисторы расположены у краев круглой мембраны в плоскости (100) параллельно (параллельные тензорезисторы) и перпендикулярно (перпендикулярные тензорезисторы) радиусу вдоль направлений <110>. Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление Rj тензорезистора j зависит от деформации (ε ) поверхности сапфира в месте расположения тензорезистора
Rj=Rj(ε ).
Деформация ε пропорциональна приложенному давлению Р
ε =А(Т)Р,
где А(Т) - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.
Сопротивление Rj j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как
Rj=R(1+Kjε j), j=1, 2, 3, 4,
где Kj - коэффициент тензочувствительности тензорезистора номер j. В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему с двумя параллельными и двумя перпендикулярными тензорезисторами, выходной сигнал которой, при питании от генератора напряжения, записывается в виде
где Uпит - напряжение питания;
K1, К3 - коэффициенты тензочувствительности продольных тензорезисторов;
К2, К4 - коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов;
ε 1, ε 2, ε 3, ε 4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов кремния на сапфире, для наиболее тензочувствительного направления [110] соответственно имеют вид
где ν c=0,277 - коэффициент Пуассона сапфира;
m44 - коэффициент эластосопротивления кремния р-типа.
Коэффициент χ связан с отношением ширины резистора (b) к его толщине (d) экспериментальным соотношением
При типичных размерах тензорезисторов 200× 20× 0,5 мкм3, 150× 15× 0,5 мкм3, 100× 10× 0,5 мкм3 коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов уменьшаются соответственно на 2 и 8%, 4 и 16%, 7 и 32%. При равенстве деформаций ε 1=ε 2=ε 3=ε 4 выходной сигнал мостовой схемы будет меньше соответственно на 3, 6 и 12%.
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 мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси. Тензопреобразователь давления изготовлен методами микроэлектронной технологии. Эффект уменьшения тензочувствительности тензорезисторов, изготовленных в виде мезаструктур, является общим для любых мезаструктур из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезистору.
Продольный и поперечный коэффициенты тензочувствительности поликремниевых тензорезисторов, согласно [3, 4], могут быть записаны в виде
где КL и Кt, - коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов, имеющих отношения длины и ширины тензорезистора к его толщине равное бесконечности;
и - коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов, имеющих конечные отношения длины и ширины тензорезистора к его толщине;
L и b - полудлина и полуширина резистора;
λ - коэффициент равный 1,5· 10-6 м для рассматриваемых слоев поликристаллического кремния на окисленной кремниевой пластине [4].
При типичных размерах тензорезисторов 200× 20× 0,5 мкм3, 150× 15× 0,5 мкм3, 100× 10× 0,5 мкм3 коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов, также как и для кремния на сапфире, будут меньше соответственно на 2 и 7,5%, 2 и 10%, 2 и 15%.
Недостатком указанного тензопреобразователя давления является то, что выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного из-за неполной передачи деформации от подложки к тензорезисторам в виде мезаструктур. Например, если тензорезисторы имеют размеры 200× 20× 0,5 мкм3, 150× 15× 0,5 мкм3, 100× 10× 0,5 мкм3, то при равенстве деформаций ε 1=ε 2=ε 3=ε 4 и КL=36, Кt=-11,2, выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного соответственно на 3, 4, 5%.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного сигнала тензопреобразователя давления.
Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления мембранного типа, содержащем выполненную из монокристаллического кремния прямоугольную мембрану с опорным основанием и слоем диэлектрика на наружной поверхности, на слое диэлектрика созданы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала, в которых легированием сформированы тензорезисторы.
На фиг.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления: 1 - островки нелегированного полупроводникового материала, созданные на слое диэлектрика 2, 3 - поперечные тензорезисторы, сформированные, например, легированием в островках из нелегированного полупроводникового материала 1, 4 - продольные тензорезисторы, сформированные, например, легированием в островках из нелегированного полупроводникового материала 1, 5 - алюминиевая разводка, соединяющая тензорезисторы, 6 - контактные окна к тензорезисторам, на фиг.2 приведен разрез тензопреобразователя давления по А-А: 7 - опорное основание (подложка), 2 - диэлектрик (изолирующий окисел) на поверхности мембраны 9, 8 - защитный окисел, 9 - мембрана.
На подложке из монокристаллического кремния 7, ориентированной в плоскости (100) (см. фиг.1, фиг.2), со слоем диэлектрика 2 методами микроэлектронной технологии созданы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала 1, в которых сформированы поперечные 3 и продольные 4 тензорезисторы, алюминиевая разводка 5 соединяет тензорезисторы в незамкнутую мостовую схему. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла 8, в котором вскрыты окна под контактные площадки 6. Мембрана 9 (см. фиг.1 и 2) расположена в срединной части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением монокристаллического кремния.
Тензопреобразователь давления работает следующим образом: при действии давления на тензопреобразователь происходит деформация мембраны 9, которая передается островкам из нелегированного полупроводникового материала 1 с поперечными 3 и продольными 4 тензорезисторами. Островки с тензорезисторами представляют единое целое. Как видно из формул (4), при размерах островков с длиной 300 мкм, шириной 100 мкм и толщиной 0,5 мкм коэффициенты передачи деформации от подложки к мезаструктуре η L и η t близки к единице. Это означает, что деформация мембраны полностью передается островкам с продольными и поперечными тензорезисторами, соединенными в мостовую схему. В этом случае коэффициенты тензочувствительностей продольных и поперечных тензорезисторов будут соответственно равны
Таким образом по сравнению с прототипом выходной сигнал мостовой схемы, согласно (1), при равенстве деформаций ε 1,=ε 2=ε 3=ε 4 и коэффициентах тензочувствительности КL=36, Кt=-11,2 увеличивается на 5%.
Литература.
1. В.М.Стучебников. Тензорезисторные преобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Измерения, контроль, автоматизация. №4 (44), 1982, 15-26.
2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.
3. A.Lenk, Elektromechanische Sisteme, VEB Verlag Technik Berlin, 1975.
4. В.А.Гридчин, В.В.Грищенко, В.М.Любимский, А.А.Харьков. Труды V международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения". - Новосибирск, 2000, т.4, 3-7.
Claims (1)
- Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния прямоугольную мембрану с диэлектриком и тензорезисторами на наружной поверхности и опорным основанием, отличающийся тем, что на поверхности диэлектрика сформированы прямоугольные островки из нелегированного полупроводникового материала, в которых созданы тензорезисторы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002115672/28A RU2243517C2 (ru) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | Тензопреобразователь давления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002115672/28A RU2243517C2 (ru) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | Тензопреобразователь давления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002115672A RU2002115672A (ru) | 2004-03-10 |
RU2243517C2 true RU2243517C2 (ru) | 2004-12-27 |
Family
ID=34387079
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002115672/28A RU2243517C2 (ru) | 2002-06-11 | 2002-06-11 | Тензопреобразователь давления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2243517C2 (ru) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102636298B (zh) * | 2012-03-16 | 2013-12-04 | 西安交通大学 | 一种梁膜四岛结构微压高过载传感器芯片 |
-
2002
- 2002-06-11 RU RU2002115672/28A patent/RU2243517C2/ru not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2002115672A (ru) | 2004-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10775248B2 (en) | MEMS strain gauge sensor and manufacturing method | |
Sandmaier et al. | A square-diaphragm piezoresistive pressure sensor with a rectangular central boss for low-pressure ranges | |
US7733209B2 (en) | High temperature pressure transducer employing a metal diaphragm | |
KR101404268B1 (ko) | 고 감도 압저항 소자 | |
CN102798498A (zh) | 一种多量程集成压力传感器芯片 | |
US6700473B2 (en) | Pressure transducer employing on-chip resistor compensation | |
Kumar et al. | Effect of piezoresistor configuration on output characteristics of piezoresistive pressure sensor: an experimental study | |
Santosh Kumar et al. | Development of a MEMS-based barometric pressure sensor for micro air vehicle (MAV) altitude measurement | |
JP2006226858A (ja) | 変動荷重センサ及びこれを用いた触覚センサ | |
US6838303B2 (en) | Silicon pressure sensor and the manufacturing method thereof | |
EP0303875B1 (en) | Si crystal force transducer | |
JPS58182276A (ja) | 半導体圧力センサ | |
US3329023A (en) | Semiconductor strain gage transducers | |
EP1651935B1 (en) | Contact pressure sensor and method for manufacturing the same | |
JP2615887B2 (ja) | 半導体圧力センサ | |
RU2243517C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
Aravamudhan et al. | MEMS based conductivity-temperature-depth (CTD) sensor for harsh oceanic environment | |
CN208092124U (zh) | 基于固支梁的d31的压电式微波功率传感器 | |
JPS5844323A (ja) | 圧力センサ | |
RU2329480C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
RU2237873C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
EP0320299B1 (en) | Pressure transducers and a method of measuring pressure | |
Guckel et al. | Design and construction techniques for planar polysilicon pressure transducers with piezoresistive read-out | |
CN213023334U (zh) | 一种多晶硅压阻系数测试结构 | |
JPS59217374A (ja) | 半導体ひずみ変換器 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070612 |