SU1765730A1 - Интегральный тензопреобразователь давлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение может быть использовано при изготовлении полупроводниковых датчиков давл ени  мембранного типа. Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и уменьшение нелинейности сигнала преобразовател . Сущность: в интегральном тензопреобразователе давлени тензорези- сторы сформированы в зоне максимальных напр жений, имеющей пр моугольную форму со сторонами , Cy a-1/2b, в которой дополнительно расположены также компенсирующие тензорезисторы R0, причем каждый тензорезистор схемы расположен под углом к центральной линии мембраны в направлении максимального тензоэффекта, 5 ил.

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в области приборостроени , в частности при изготовлении полупроводниковых датчиков давлени , силы, ускорени  мембранного типа.

Известные интегральные тензопре- образователи, изготовленные из монокристаллического кремни , в которых тензорезисторы, тензотранзисторы расположены на упругой мембране, в основном в зонах закр еплени  ее, где существуют наибольшие значени  механических напр жений и которые направлены ё сторону максимальных значений пьезорезистивных коэффициентов.

Основным недостатком преобразователей  вл етс  низкое значение чувствитель- Hoctn, а также нелинейность выходного сигнала из-за недостаточно оптимального размещени  тензорезисторов. Поскольку распбложение тензорезисторов в зоне закреплени  мембраны, как известно, ведет к искажению сигнала, к нелинейности, особенно это существенно дл  тонких мембран, и поэтому, при изготовлении приборов, авторы , указанных выше изобретений, вынуждены смещать тензорезистор из зоны закреплени , т.е. зоны наибольших механических напр жений.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому  вл етс  прин тый за прототип преобразователь давлени , содержащий пр моугольную полупроводниковую мембрану , защемленную по контуру, и диффузионные тензорезисторы одного типа проводимости, сформированные на мембране с ориентацией вдоль длинных сторон мембраны и включенные по мостовой схеме , причем два тензорезистора, включенные в противоположные плечи мостз.. размещены на периферии мембраны на линии , проход щей через середину ее длинных сторон а, два других тензорезистора расположены соответственно каждый в зоне пересечени  биссектрис углов мембраны , причем глубина легированной области

(Л

С

vi о ел VI

CJ

о

тензорезисторов составл ет 0,16-0,20 от толщины мембраны, а отношение длинной стороны а мембраны к короткой стороне Ь выбрано из услови  a:b 2.

Недостатками известного преобразовател   вл ютс  нелинейность выходного сигнала и низка  чувствительность, так как два тензорезистора, расположенные в зоне закреплени , дают существенное искажение сигнала на выходе, кроме того, отсутствуют компенсирующие и термокомпенсирующие тензорезисторы, а это не позвол ет сбалансировать схему, что естественно снижает чувствительность.

Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности и линейность выходной характеристики преобразовател .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в интегральном тензопреобразователе давлени , содержащем полупроводниковую мембрану пр моугольной формы с отношением длинной а и короткой b сторон а:Ь 2, при этом стороны ориентированы по взаим- ноперпендикул рным кристаллографическим направлени м 110, а на пленарной стороне мембраны, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), сформированы две пары рабочих тензорезисторов р-типа проводимости с глубиной легировани  0,16-0,20 от толщины мембраны , и включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, причем каждый тензорезистор второй пары расположен в пересечении биссектрис углов мембраны , где на планарной стороне ее в пр моугольной зоне, по форме подобной форме мембраны, со сторонами 0,5Ь и (а- 0,5Ь) сформированы дополнительные регулировочные тензорезисторы, при этом каждый тензорезистор первой пары рабочих тензорезисторов расположен на пр - мой, соедин ющей точки пересечени  биссектрис углов мембраны, причем одни дополнительны регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембраны, а другие - перпендикул рно ей.

Физическа  сущность распределени  механических напр жений в пр моугольной мембране, защемленной по кра м, состоит в том, что она определ етс  жесткостью и нагрузкой. Так при распределенной нагрузке характер распределени  напр жений у пластин с соотношением сторон 1,5:1 и более , например 2:1 (см. фиг.1а, б), показывает , что напр жени  (см,фиг.2а, б, в, г; фиг.За, б) увеличиваютс  при удлинении ИТП не только в точках наибольшими значени ми и что наибольшие моменты (напр жени ),

возраста , остаютс  наибольшими, а при дальнейшем увеличении отношени  сторон до 3:1 рост напр жений уже незначителен в т,ч, и максимальность значений, которые в

свою очередь приближенно равны напр жени м в пр моугольной пластине со стороной а, стрем щейс  к бесконечности.

Напр жени  по центральной линии (вдоль наибольшей длины) достигают своей

наибольшей величины не в центре плиты, а в точках пересечени  биссектрис (фиг.2а, в точках 5.11, фиг.За - в т.9.13). Изгибающие моменты (напр жени ) в точках поперечного (меньшего) пролета уменьшаютс  от середины к закреплению. Эпюра значений в этом сечении может быть выражена с достаточной точностью параболой и поэтому на некотором среднем участке (вблизи центральных линий) напр жени  не измен ютс 

(фиг.2в, г, фиг,36),

Расчет (см.фиг.2а, б, в, г, фиг.За, б), показал , что напр жение в точках зоны защем- лени  достигают значений такого же пор дка по величине, что и дл  р да внутренних точек, т.е. точек в зоне центральных линий и которые имеют отрицательные значени  противоположные внутренним точкам .

Таким образом, напр жени , как в продольном направлении пластины, так и в поперечном (например, вдоль центральных линий), измен  сь, проход т через нулевые значени  и принимают отрицательные значени  на границе защемлени  Поэтому,

можно выделить участок по форме подобный форме мембраны со стороны 0,5Ь и (а-0,5Ь), где положительные напр жени  в точках, расположенных р дом, отличаютс  незначительно, что позвол ет в этой зоне

сформировать и дополнительные регулировочные тензорезисторы и первую пару рабочих тензорезисторов, причем каждый резистор этой первой пары расположен на пр мой, соедин ющий точки пересечени 

биссетрис углов мембраны,

Сущность изобретени  по сн етс  чертежами , где на фиг.1а представлена мембрана с соотношением сторон 1,5:1 (4,5 х х 10 см х 3 10 см) с нанесенной на нее

сеткой дл  расчета, на фиг. 1 б - с соотношением сторон 2:1 (4 см х 2 см) и рассчетной сеткой; на фиг,2а - эпюры напр жений ( стх , Оу ) на планарной стороне пластины, рассчитанные по методу сеток

вдоль линии (III, XIII - центральна  лини ), на фиг.2б - напр жени  ох , Оу по боковой линии (II, XIV) вдоль удлиненной стороны; на фиг.2в -сгх , Оу по центральной линии (XVIII, VIII) в поперечном направлении; на фиг.2г Ox , су в поперечном направлении по линии (XIX, VII), параллельной центральной линии; на фиг.За - распределение напр жений ( Ох , Оу) по центральной линии вдоль длинной стороны; на фиг.Зб-CTx , Оу по централь- ной линии в поперечном к пластине направлении. Центральные линии - линии симметрии.

Изобретение иллюстрируетс  на фиг.4, фиг.5 конкретным расположением тензоре- зисторов на мембране. ИТП (интегральный тензопреобразователь) давлени  состоит из совпадающей с кристаллографической плоскостью (100) полупроводниковой тонкой, меньше 50 мкм, мембраны 1, на которой в пр моугольной зоне (0,5b, a-0,5b) расположены р-типа проводимости тензорезисторы 2 и дополнительные регулирующие и компенсирующие тензорезисторы R0...; стороны 3 мембраны 1 ориентированы вдоль взаимно перпендикул рных направлений семейства 110 . Дватензорезистора R2, R2 расположены в зоне пересечени  биссектрис углов мембраны, а два других рабочих тензорезистора Ri, Ri расположены на пр - мой, соедин ющей точки пересечени  биссектрис причем одни дополнительные регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мемб

ран, а другие - перпендикул рно ей.

Тензорезисторы Ri, Ri, R2, R2 образуют совместно с балансировочными R0... измерительную мостовую схему в пр моугольной (0,5b; a-0,5b) зоне, в точках которой имеем наибольшие механические напр - жени . Количество дополнительных R0... тензорезисторов определ етс  необходимостью и размерами полупроводниковой мембраны.

Подгонка в номинал тензорезисторов и начальна  балансировка мостовой схемы провод тс  путем последовательного перерезани  (скрайбированием, лазерным и т.п. методами) соединительных дорожек от R0... В результате остаетс  необходимое коли- чество дополнительных тензорезисторов. Затем на мостовую схему подаетс  напр жение питани  к двум противоположным углам моста через контактные площадки.

ИТП работает следующим образом. Под равномерным давлением q в мембране 1 возникает деформаци , котора  передаетс  рабочим Ri, RI, R2, R2 и дополнительным RO... тензорезисторам, и на выходе моста (не показан) по вл етс  измененное выходное напр жение.

Предложенное расположение тензорезисторов в пр моугольной зоне увеличивает электрический сигнал более чем в два раза.

5

10 5 0 5

0

5

0 5

0 5

По сравнению с прототипом в предлагаемом преобразователе рабочие и дополнительные компенсирующие тензорезисторы сформированы в пр моугольной зоне (в точках с наибольшим напр жением) и освобождены от вли ни  защемлени  и, следовательно, искажение сигнала исключено так же, как ранее дл  рабочей пары резисторов, расположенных в зоне пересечени  биссектрис, котора  также расположена в выделенной пр моугольной зоне. Все это позволило получить повышение чувствительности и линейность выходной характеристики преобразовател , т.е. больший сигнал, больший диапазон линейного преобразовани , лучший отвод тепла от тензорезисторов на мембране и более рациональную топологию межсоединений тензорезисторов.

Таким образом, изобретение позволит обеспечить устойчивую работу мостовой схемы, всего тензопреобразовател  и, следовательно , увеличитс  срок работы преобразовател .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   -J. 2 -

   Интегральный тензопреобразователь давлени , содержащий полупроводниковую мембрану пр моугольной формы с отношением длинной а и короткой b сторон а:Ь 2, при этом стороны ориентированы по взаимно перпендикул рным кристаллографическим направлени м , а на планарной стороне мембраны, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), сформированы две пары рабочих тензорезисторов р-типа проводимости с глубиной легировани  0,16-0,2 от толщины мембраны , включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, причем каждый тензорезистор первой пары расположен в пересечении биссектрис углов мембраны , отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности и линейности выходной характерстики преобразовател , в нем на планарной стороне мембраны в пр моугольной зоне, по форме подобной форме мембраны, со сторонами 0,5Ь и (а- 0,5Ь) сформированы дополнительные регулировочные тензорезисторы, при этом каждый тензорезистор второй пары рабочих тензорезисторов расположен на пр мой , соедин ющей точки пересечени  биссектрис углов мембраны, причем одни дополнительные регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембраны, а другие перпендикул рно ей.

   Фиг.1

   Ч Ж

   ж

   2 5 8 11 V

   И

   3 6 9 U 15

   nxV

   г ,, :

   фиг. 2

   И

   В 9 10 11 12 13 Н

   Ж

   л

   &

   fr

   4 ;/ IB

   Фиг.З

   у .д.

   IJ77

   ш