RU2463687C1 - Bounded semiconductor strain gauge - Google Patents
Bounded semiconductor strain gauge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2463687C1 RU2463687C1 RU2011125614/28A RU2011125614A RU2463687C1 RU 2463687 C1 RU2463687 C1 RU 2463687C1 RU 2011125614/28 A RU2011125614/28 A RU 2011125614/28A RU 2011125614 A RU2011125614 A RU 2011125614A RU 2463687 C1 RU2463687 C1 RU 2463687C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carrier
- strain
- film
- mcm
- thickness
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).The invention relates to measuring technique and can be used both in strength tests to determine the stress state of structures, and as a sensitive element in sensors of mechanical quantities (force, pressure, weight, displacement, etc.).
Известен тензорезистор (SU 1717946, G01B 7/16, 7/18, опубл. 07.03.1992), содержащий тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и диэлектрическую подложку из силикатного стекла.Known strain gauge (SU 1717946, G01B 7/16, 7/18, publ. 07.03.1992) containing a strain-sensitive strip of samarium monosulfide, pads and a dielectric substrate of silicate glass.
Недостатком такого решения является ограниченная область применения: определение напряженного состояния внутри массы бетона или других затвердевающих материалов.The disadvantage of this solution is the limited scope: determination of the stress state inside the mass of concrete or other hardening materials.
Известны также тензорезисторы, имеющие подложку, тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и разделительную диэлектрическую пленку (патенты: WO 99/24804, G01L 1/22, 25/00, 27/00, опубл. 15.12.1994 и RU 2367062, H01L 29/84, опубл. 10.09.2009). В данных технических решениях подложка выполнена из металла или органического материала, например стекла, и служит упругим элементом. Недостатком данных тензорезисторов является ограниченная область применения т.к. они могут использоваться только в интегральных схемах на упругих элементах датчиков механических величин и не могут быть использованы в прочностных испытаниях для измерения деформации, хотя имеют большую тензочувствительность за счет использования тензочувствительного элемента из моносульфида самария.Also known are strain gauges having a substrate, a strain-sensitive strip of samarium monosulfide, contact pads and a separating dielectric film (patents: WO 99/24804,
Указанные решения рассматриваются в качестве аналогов только потому, что в них, в качестве чувствительного элемента, используется поликристаллическая пленка моносульфида самария. На самом деле эта пленка выполнена интегрально с упругим элементом (в описании аналогов он неверно называется подложкой), то есть является с ним единым целым и не может использоваться самостоятельно в качестве наклеиваемого тензорезистора. Указанная пленка не имеет подложку в соответствии с ГОСТ 20420-75 «ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ. Термины и определения», а может конденсироваться на разделительную диэлектрическую пленку, если упругий элемент металлический, или непосредственно на упругий элемент, если он является диэлектриком.These solutions are considered as analogues only because in them, as a sensitive element, a polycrystalline film of samarium monosulfide is used. In fact, this film is made integrally with an elastic element (in the description of analogues it is incorrectly called a substrate), that is, it is a single whole with it and cannot be used independently as a glued strain gauge. The specified film does not have a substrate in accordance with GOST 20420-75 "TENSOR RESISTORS. Terms and definitions ”, and can condense on a separating dielectric film if the elastic element is metallic, or directly on the elastic element if it is a dielectric.
Известны полупроводниковые тензорезисторы, которые могут быть использованы в прочностных испытаниях для измерения деформации, в частности наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, чувствительным элементом которого является кремниевая пластина, укрепленная на полимерной подложке, и концы которой соединены с контактными площадками перемычками из золотой проволоки (И.Немец, «Практическое применение тензорезисторов, «Энергия», 1970, стр.9).There are known semiconductor strain gauges that can be used in strength tests to measure strain, in particular a glued semiconductor strain gauge, the sensitive element of which is a silicon wafer mounted on a polymer substrate, and the ends of which are connected to the contact pads by jumpers made of gold wire (I. German, " The practical use of strain gages, Energy, 1970, p. 9).
Нелинейность характеристик, большая зависимость от внешних воздействий (температуры, света) не позволяет реализовать преимущества, появляющиеся вследствие большой тензочувствительности, а очень большая трудоемкость, а следовательно, и цена делают их недоступными для широкого использования. Тензочувствительная пластина из кремния вырезается из монокристалла вдоль кристаллографической оси (111) для p-типа, а для n-типа вдоль кристаллографической оси (100). Коэффициент тензочувствительности такой пластины более ста, тогда как поликристаллическая пленка из кремния имеет коэффициент тензочувствительности около двадцати.The non-linearity of the characteristics, a large dependence on external influences (temperature, light) does not allow to realize the benefits arising from the high strain sensitivity, and the very high complexity, and therefore the price, make them inaccessible for widespread use. A silicon strain gauge plate is cut from a single crystal along the (111) crystallographic axis for the p type, and for the n type, along the (100) crystallographic axis. The strain sensitivity coefficient of such a plate is more than one hundred, while the polycrystalline silicon film has a strain sensitivity coefficient of about twenty.
Наиболее близким техническим решением является взятый в качестве прототипа наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и металлические контакты на концах тензочувствительной пленки (Д.Т. Анкудинов, К.Н. Мамаев, «Малобазные тензодатчики сопротивления», «Машиностроение», 1968, стр.47-50). В решении, взятом за прототип, тензочувствительная пленка выполнена из висмута и имеет низкую тензочувствительность.The closest technical solution is a glued semiconductor strain gauge taken as a prototype, containing a polymer substrate, a strain-sensitive film and metal contacts at the ends of a strain-sensitive film (DT Ankudinov, KN Mamaev, “Low-base resistance strain gauges”, “Mechanical Engineering”, 1968 pg. 47-50). In the solution taken as a prototype, the strain-sensitive film is made of bismuth and has a low strain-sensitivity.
Недостатком прототипа является его низкая тензочувствительность и наличие поперечной чувствительности.The disadvantage of the prototype is its low strain sensitivity and the presence of lateral sensitivity.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении осевой чувствительности к деформации и уменьшении поперечной чувствительности.The invention is aimed at achieving a technical result, which consists in increasing the axial sensitivity to deformation and reducing the transverse sensitivity.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.Below, when disclosing the invention and considering its specific implementation, other types of achieved technical result will be named.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, в отличие от наиболее близкого к нему известного, снабжен носителем из металлической фольги, выполненным в виде нити с широкими площадками на ее концах (в форме гантели), и разделительной диэлектрической пленкой, сформированной на носителе и повторяющей его форму, при этом тензочувствительная пленка представляет собой поликристаллический моносульфид самария, сформирована на диэлектрической пленке и также повторяет форму носителя. Металлические контакты сформированы на широких площадках тензочувствительной пленки и соединены с концами ее нити, а полимерная подложка сформирована на обратной стороне носителя. Ширина нити находится в пределах 50÷200 мкм, полимерный материал подложки представляет собой, например, лак ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм, а носитель может быть выполнен из константановой фольги толщиной 3÷10 мкм. Диэлектрическая разделительная пленка, выполненная, например, из моноокиси кремния SiO толщиной 1÷3 мкм, отделяет от проводящего материала (носителя) часть измерительной схемы - тензочувствительную пленку с контактными площадками.To achieve the specified technical result, the proposed glued semiconductor strain gauge, in contrast to the closest known to it, is equipped with a metal foil carrier made in the form of a thread with wide areas at its ends (in the form of a dumbbell), and a release dielectric film formed on the carrier and repeating its shape, while the strain-sensitive film is a polycrystalline samarium monosulfide, formed on a dielectric film and also repeats the shape of the nose Itel. Metal contacts are formed on wide areas of the strain-sensitive film and are connected to the ends of its filament, and a polymer substrate is formed on the back of the carrier. The width of the thread is in the range of 50 ÷ 200 μm, the polymer material of the substrate is, for example, varnish VL-931 with a thickness of 20 ÷ 30 μm, and the carrier can be made of constantan foil with a thickness of 3 ÷ 10 μm. A dielectric separation film made, for example, of silicon monoxide SiO with a thickness of 1 ÷ 3 μm, separates from the conductive material (carrier) a part of the measuring circuit — a strain-sensitive film with contact pads.
Все указанные размерные интервалы определены опытным путем. Выход за их границы или ухудшает метрологические характеристики, или усложняет технологический процесс.All specified size intervals are determined empirically. Going beyond their boundaries or worsens the metrological characteristics, or complicates the process.
Таким образом, в предлагаемом тензорезисторе за счет использования носителя из термостойкого материала в виде тонкой металлической фольги (константан) стало возможным применить на полимерной подложке в качестве тензочувствительной пленки моносульфид самария и, соответственно, повысить чувствительность тензорезистора к деформациям.Thus, in the proposed strain gauge due to the use of a carrier made of heat-resistant material in the form of a thin metal foil (constantan) it became possible to use samarium monosulfide on the polymer substrate as a strain-sensitive film and, accordingly, increase the strain gauge sensitivity to deformations.
Выполнение носителя с осажденными на нем диэлектрической и тензочувствительной пленками из моносульфида самария в форме гантели, т.е. в виде двух площадок, соединенных нитью шириной в пределах 50÷200 мкм, позволяет получить тензорезистор практически без поперечной чувствительности для прочностных испытаний. Данный результат также обеспечивается за счет использования носителя из тонкой металлической фольги, дающей возможность применения литографических процессов для получения нужной топологии: формирование тонкой нити (узкая часть гантели), которая, в зависимости от размеров, подвергается минимально или совсем не подвергается поперечной деформации.The implementation of the carrier with the deposited dielectric and strain-sensitive films of samarium monosulfide in the form of a dumbbell, i.e. in the form of two sites connected by a thread with a width in the range of 50–200 μm, it is possible to obtain a strain gauge with virtually no transverse sensitivity for strength tests. This result is also achieved through the use of a carrier made of thin metal foil, which makes it possible to use lithographic processes to obtain the desired topology: the formation of a thin thread (the narrow part of the dumbbell), which, depending on size, undergoes minimal or no transverse deformation.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, on which:
- на фиг.1 - общий вид тензорезистора;- figure 1 is a General view of the strain gauge;
- на фиг.2 - продольный разрез А-А;- figure 2 is a longitudinal section aa;
- на фиг.3 - продольный разрез Б-Б;- figure 3 is a longitudinal section bB;
- на фиг.4 - поперечный разрез В-В;- figure 4 is a transverse section bb;
- на фиг.5 - наклеенный на деталь тензорезистор в недеформированом состоянии;- figure 5 - glued to the part of the strain gauge in the undeformed state;
- на фиг.6 - наклеенный на деталь тензорезистор в деформированом состоянии.- figure 6 - glued to the part of the strain gauge in a deformed state.
Предлагаемый тензорезистор содержит полимерную подложку 1, выполненную, например, из лака ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм, носитель 2, выполненный из тонкой (3÷10 мкм) металлической (например, константан) фольги, сформированную на носителе 2 диэлектрическую разделительную пленку 3 (например, моноокись кремния SiO) толщиной 1÷3 мкм и выполненную на диэлектрической пленке 3 тензочувствительную пленку 4 из моносульфида самария (SmS) толщиной 0,5÷1 мкм. Носитель 2 после литографических операций представляет собой две площадки, соединенные нитью шириной 50÷200 мкм (форма гантели). Осажденные на носитель 2 в вакууме последовательно диэлектрическая 3 и тензочувствительная 4 пленки также повторяют его форму. Металлические контакты 5 выполнены, например, из никеля толщиной 1-2 мкм и расположены на концах нити тензочувствительной пленки 4, на ее широких площадках. Полимерная подложка 1 сформирована на обратной стороне носителя 2.The proposed strain gauge contains a
Применение тонкой фольги в качестве носителя объясняется тем, что испарение и конденсация пленки моносульфида самария происходит при высоких температурах. Так, температура испарителя 2600°÷3000°С. Осаждение диэлектрической 3, тензочувствительной 4 и металлической (контакты 5) пленок на носитель 2 осуществляют при температуре (350÷400°С), которую не выдержит ни одно полимерное связующее, а испарения из полимера при нагревании не позволяют достичь высокого вакуума, поэтому полимерная подложка 1 оформляется с другой стороны носителя 2 после конденсации пленок 3, 4, 5.The use of thin foil as a carrier is explained by the fact that evaporation and condensation of the samarium monosulfide film occurs at high temperatures. So, the temperature of the evaporator is 2600 ° ÷ 3000 ° С. The deposition of dielectric 3, strain-sensitive 4 and metal (contacts 5) films on the
Другое преимущество тонкой металлической фольги в качестве носителя 2 - возможность, как указывалось выше, применения литографических процессов для получения нужной топологии и, в частности, возможность формирования тонких нитей, которые, в зависимости от размеров, подвергаются минимально или не подвергаются совсем поперечной деформации, что позволяет получать тензорезисторы без поперечной чувствительности для прочностных испытаний.Another advantage of thin metal foil as a
Тензорезистор работает следующим образом. По соответствующей технологии он наклеивается на поверхность исследуемой детали 6 (фиг.5). При механических силовых воздействиях деталь деформируется (растягивается или сжимается), при этом растягивается или сжимается и наклеенный на деталь 6 тензорезистор (фиг.6) на величину ΔL, получая относительную деформацию ΔL/L, что, в свою очередь, приводит к относительному изменению сопротивления (ΔR/R) тензорезистора. Величины ΔL/L и ΔR/R связаны между собой через коэффициент тензочувствительности:The strain gauge works as follows. According to appropriate technology, it is glued to the surface of the investigated part 6 (figure 5). Under mechanical forces, the part is deformed (stretched or compressed), and the strain gauge (Fig. 6) is stretched or compressed by the ΔL strain gauge (Fig. 6), obtaining a relative deformation ΔL / L, which, in turn, leads to a relative change in resistance (ΔR / R) strain gage. Values ΔL / L and ΔR / R are interconnected through the coefficient of strain sensitivity:
ΔR/R=KΔL/L,ΔR / R = KΔL / L,
где K - коэффициент тензочувствительности;where K is the coefficient of strain sensitivity;
ΔL/L - относительная деформация;ΔL / L is the relative deformation;
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.ΔR / R is the relative change in resistance.
Измерение величины относительного изменения сопротивления производится с помощью тензоусилителей (не показаны).The measurement of the relative change in resistance is carried out using strain gauges (not shown).
Таким образом, конструкция предложенного тензорезистора позволила соединить достоинства тензорезисторов, указанных в качестве аналогов и прототипа, совместив полимерную подложку с тензочувствительной пленкой из моносульфида самария, используя в качестве термостойкого носителя тонкую металлическую фольгу, которая также дала возможность получить вышеуказанную топологию, сократив поперечную чувствительность, практически, до нуля при высокой тензочувствительности моносульфида самария. Данный тензорезистор может быть использован как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).Thus, the design of the proposed strain gauge made it possible to combine the advantages of strain gauges indicated as analogues and prototype by combining the polymer substrate with a strain-sensitive film of samarium monosulfide, using a thin metal foil as a heat-resistant carrier, which also made it possible to obtain the above topology, reducing the transverse sensitivity, practically to zero at high strain sensitivity of samarium monosulfide. This strain gauge can be used both in strength tests to determine the stress state of structures, and as a sensitive element in sensors of mechanical quantities (force, pressure, weight, displacement, etc.).
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011125614/28A RU2463687C1 (en) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | Bounded semiconductor strain gauge |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011125614/28A RU2463687C1 (en) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | Bounded semiconductor strain gauge |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2463687C1 true RU2463687C1 (en) | 2012-10-10 |
Family
ID=47079712
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011125614/28A RU2463687C1 (en) | 2011-06-23 | 2011-06-23 | Bounded semiconductor strain gauge |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2463687C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536100C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | Bonded semiconductor resistive strain gauge |
RU2548600C1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | Adhered semiconductor resistance strain gage of deformations for strength testing |
RU2688849C1 (en) * | 2018-06-25 | 2019-05-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Deformation measuring device |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU328329A1 (en) * | С. И. Балабан , Л. Г. Хоцинска | LIBRARY | | ||
SU744221A1 (en) * | 1978-05-18 | 1980-06-30 | Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Испытательных Машин, Приборов И Средств Измерения Масс | Foil strain gauge |
SU1717946A1 (en) * | 1989-07-11 | 1992-03-07 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе | Resistance strain gauge |
SU1820790A1 (en) * | 1991-05-30 | 1995-03-27 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе | Process of manufacture of semiconductor strain gauges based on samarium monosulfide |
EP1029225B1 (en) * | 1997-11-06 | 2003-10-22 | Powerco S.P.A. | A strain gauge strip and applications thereof |
RU2367062C1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Сенсор" | Semiconductor resistor |
-
2011
- 2011-06-23 RU RU2011125614/28A patent/RU2463687C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU328329A1 (en) * | С. И. Балабан , Л. Г. Хоцинска | LIBRARY | | ||
SU744221A1 (en) * | 1978-05-18 | 1980-06-30 | Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Испытательных Машин, Приборов И Средств Измерения Масс | Foil strain gauge |
SU1717946A1 (en) * | 1989-07-11 | 1992-03-07 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе | Resistance strain gauge |
SU1820790A1 (en) * | 1991-05-30 | 1995-03-27 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе | Process of manufacture of semiconductor strain gauges based on samarium monosulfide |
EP1029225B1 (en) * | 1997-11-06 | 2003-10-22 | Powerco S.P.A. | A strain gauge strip and applications thereof |
RU2367062C1 (en) * | 2008-05-15 | 2009-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Сенсор" | Semiconductor resistor |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2536100C1 (en) * | 2013-07-01 | 2014-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | Bonded semiconductor resistive strain gauge |
RU2548600C1 (en) * | 2013-11-20 | 2015-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" | Adhered semiconductor resistance strain gage of deformations for strength testing |
RU2688849C1 (en) * | 2018-06-25 | 2019-05-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Deformation measuring device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100966150B1 (en) | Pressure sensor | |
WO2015188772A1 (en) | Sensor chip for multi-physical quantity measurement and preparation method therefor | |
WO2019148726A1 (en) | Resistive strain sensor | |
KR101461694B1 (en) | Device including a contact detector | |
CN109883316B (en) | Resistance type strain sensor and strain measurement method | |
RU2463687C1 (en) | Bounded semiconductor strain gauge | |
Kumar et al. | Effect of piezoresistor configuration on output characteristics of piezoresistive pressure sensor: an experimental study | |
CN111238361A (en) | Graphene temperature strain sensor | |
Gräbner et al. | Simultaneous measurement of strain and temperature with two resistive strain gauges made from different materials | |
CN102507053A (en) | Toughened glass pressure sensor | |
CN108896235B (en) | MEMS flexible manganin-constantan composite type ultrahigh pressure sensor and manufacturing method thereof | |
RU2481669C2 (en) | Bonded semiconductor resistive strain gauge | |
RU167463U1 (en) | RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT | |
RU2463686C1 (en) | Bounded semiconductor strain gauge | |
WO2018111135A1 (en) | Deformation sensor | |
CN112710405B (en) | Temperature sensor | |
RU2505782C1 (en) | Paste-on semiconductor strain gage | |
JP5769043B2 (en) | Electrical device, integrated device, electronic circuit and temperature calibration device | |
RU129214U1 (en) | HIGH TEMPERATURE SEMICONDUCTOR TENSOR RESISTOR | |
SU1717946A1 (en) | Resistance strain gauge | |
KR101311799B1 (en) | Manufacturing method for a semiconductor pressure sensor | |
JP2017505425A (en) | System and corresponding method for determining at least part of the shape of a three-dimensional object | |
RU2606550C1 (en) | Sensitive element of pressure and temperature transducer | |
KR101318260B1 (en) | Semiconductor device and physical sensor using the same | |
RU2536100C1 (en) | Bonded semiconductor resistive strain gauge |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20171110 |