Интегральный тензопреобразователь

Интегральный тензопреобразователь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерениям механических напряжений в статических и динамических режимах. Цель изобретения повышение чувствительности за счет увеличения выходного сигнала тензопреобразователя. Тензометрический преобразователь содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, в котором анизотропным травлением сформированы профилированная мембрана 2 и жесткий центр 3. На поверхности мембраны 2 методом полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы PI - РА, соединенные между собой в полную мостовую схему. Для подключения источника питания на поверхности упругого элемента сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала - контактные площа дки 9 и 10. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

O )) 0 4) (ям G 01 1/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K ABT0PCKOMY CBNQETEfl6CTBY

1 (21) 4837694/28 (22) 11.06.90 (46) 30,12.92. Бюл. N. 48 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Ю,А.Зеленцов (56) Измерения, контроль, автоматизация.

Труды ЦНИИТЭИ. Приборостроения, М.;

1983, вып!(45), с. 30-32, Патент Великобритании М 212202?, кл.

G 01 L 1/00, 1982, (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерениям механических напряжений в статических и динамических режимах. Цель иэобретения— повышение чувствительности эа счет увеличения выходного сйгнала тенэопреобразователя. Тензометрический преобразовател ь содержит упругий элемент 1 из полуп роводникового материала, в котором анизотропным травлением. сформированы профилированная мембрана 2 и жесткий центр 3. На поверхности мембраны 2 методом полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы P1 — Рп, соединенные между собой в полную мостовую схему. Для подкл)очения источника питания на поверхности упругого элемента сформированы методами вакуумного напылейия и фотолитографии контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала — контактные площадки 9 и 10. 4 ил.

1784848

45 аг с4в = 0,1875 пм

К вЂ” 1 р а м

Gag =0,1875 пм

Кг

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динамических режимах.

Известен интегральный тензопреобразователь, содержащий профилированный упругий элемент с жестким центром из полупроводникового материала одного типа йровоДимости, о площади мембраны кото- рого с планарной стороны на плоскости (001) сформированы методами полупроводниковой технологии тензорезисторы мостовой схемы противоположного типа проводимости.

Недостатком такого тенэопреобразователя является недостаточная высокая величина выходного сигнала непосредственно от преобразователя. .Известен интегральный тенэопреобраэователь, содержащий упругий элемент с . профилированной мембраной и утолщенным центром из полупроводникового материала одного типа проводимости, в площади мембраны которого с планарной стороны сформированы тензореэисторы мостовой схемы противоположного типа проводимости.

Тенэопреобраэователь характеризуется недостаточно высокой величиной выходного сигнала из-эа применения мембраны упругого элемента и жесткого центра квадратной формы и расположения тензорезисторов на мембране (001) только вдоль внешнего и внутреннего ее контуров.

Изгибные механические напряжения вдоль осей симметрии мембраны ох и сгу, возникающие под действием деформации, в точках пересечения (А и В) с внешним и внутренним контурами мембраны соответственно равны;

2 2» с4д = — 0,1875 рам, К ,,12 г

2 2

Оуд = — 0,1875,и; рам К вЂ” 1 2 К2 где Р— давление, равномерно распределенное по площади мембраны; ам — размер стороны квадратной мембраны;

Ьм — толщина мембраны; р- коэффициент Пуассона материала

5 мембраны; ам

К - — — отношение размера стороны а> ам квадратной мембраны к размеру ао стороны квадратного жесткого центра.

10 Относительное изменение сопротивления тензорезистора запишется следующим . образом:

Ь

15 Я р = л11Ох +Ы2 У +Ыбтбу где Ы1, л12, л16 — продольный, попереч-! ный и сдвиговый пьеэорезистивные коэффициенты;

0x, оу, х6 — продольное, поперечное и сдвиговое напряжение в плоскости мембраны упругого элемента.

При расположении тензорезисторов, например р-типа, на квадратной мембране с квадратным жестким центром, ориентированной в плоскости (001), вдоль внешнего и внутреннего контура мембраны, относительные изменения сопротивления для тензорезисторов у внешнего контура (вблизи точки А) составят а2 Кг 1 дед = 0,047 тг44 " (1 —,и );

35 а для тензорезисторов у внутреннего контура (вблизи точки В жесткого центра) составят

40 г г

Ong = — 0,047 л44 (1 —,и ); рам К вЂ” 1 2 К2 так как л 11 = 0,25 к14, л12 = — 0,25 г44, а баб=0, где тг44- главный пьезорезистивный коэф50 фициент для р-типа тензореэисторов.

Чувствительность же мостовой схемы тензопреобраэователя, составленной из таких тензореэисторов, будет равна;

55 г г

$-0,094 4 " (1 —,и) (122м Кг

1784846

Целью изобретения является повышение На фиг, 1 представлен профилирован. чувствительностизасчетувеличения выход- ный упругий элемент с мембраной пр моного сигнала тензопреобразователя.. угольной формы (размер сторон мембраны то достигается тем, что в интеграль- а х bM) и с жестким центром квадратной ном тензопреобразователе, содержащим 5 формы(размер сторон жесткого центра а, х упругий элемент с профилированной мемб- ао); на фиг. 2 — профилированный упругий раной, выполненной из полупроводнйково- элемент с мембраной квадратной формы го материала одного типа проводимости и (размер сторон мембраны а> х а,) и с жестжестким центром, на поверхности мембра- ким центром прямоугольчой формы (размер ны которого с планарной стороны сформи- 10 сторон жесткого цен гра ао x bp); на фиг, 3— рованы тензорезисторы мостовой схемы профилированный упругий элемент с мембпротивоположного типа проводимости, раной прямоугольной формы (размер стокаждый из тензорезисторбв мостовой схе- рон мембраны ам х b ) и с жестким центром мы выполнен в виде четырех последователь- прямбугольной формы (размер сторон жесно соединенных одинаковых резистивных 15 ткого центра ао х Ьо); на фиг. 4 — полная участков, мембрана упругого элемента вы- мостовая схема Йз тензорезисторов Ri — R4. полнена с внешним контуром прямоуголь- Тензометрический преобразователь соНой формы, жесткий центр выполнен в виде держит упругий элемент 1 из полупроводнипараллелепипеда, расположенного симмет- кового материала напри например, кремния рично в центре мембраны. резистивные уча- 20 п-типа марки КЭФ-405 с ориентацией (001). стки пары тензорезисторов с В упругом элементе 1 анизотропным травположительной чувствительностью распо- лением сформированы профилированная ложены соответственно на соответствую- мембрана 2 и жесткий центр 3. Конструктивщих противоположных сторонах мембраны но профилированный упругий элемент высимметрично относительно центра и парал- 25 полнен следующих вариантов; мембрана 2 лельно этим сторонам и на противополож- прямоугольной формы — жесткий центр 3 ных сторонах внутреннего контура квадратной формы, мембрана 2 квадратной мембраны симметрично относительно цен- формы — жес1кий центр 3 прямоугольной тра мембраны и перпендикулярно этим сто- формы, мембранз 2 прямоугольной формы— ронгм, резистивные участки пары 30 жесткий центр 3 прямоугольной формы, тензорезисторов с отрицательной чувстви- На поверхности мембраны 2 методами тельностью расположены соответственйо: полупроводниковой технологии (диффузией на тех же сторонах мембраны симметрично или ионным легированием) сформированы относительно ценгра и перпендикулярно тензорезисторы R> — R4, например. р-типа этим сторонам и на тех же сторонах внут- 35 проводимости, соединенные между собой в реннего контура мембраны симметрично полнуюмостовуЮсхему. Причемтензорезиотносительно центра мембраны и парал- стары R1 и йз состоят кмкдый из четы ех лельно этим сторонам. равных резистивных учаСтков Rl и R3 а

Устройство поясняется фиг. 1 — 4. тензорезисторы К2 и В4 — из уччс Я с тков 2 и а фиг. -3 обозначены: 1 — упругий 40 R4 . Резистивные участки R l и йз располоэлемент иэ полупроводникового материала жены соответственно вдоль внешнего кони плоскостью ориентации (001); 2 — профи- тура 4 профилпрованной мембраны 2 лированная мембрана упругого элемейта; 3 вблизи его середины (вблизи точек А и А1 на — жесткий центр; 4 — внешний контур про-, пересечении осей симметрии Х и Y с внешфилированной мембраны; 5 —. внутренний 45 ним контуром) и перпендикулярно внутренконгур профилированной мембраны; 6 — то- нему контуру 5 мембраны (вблизи жесткого коведущие коммутационные дорожки; 7,3 — центра 3) вблизи егс середины (вблизи точек контактные площадки для подключения ис- . В и В1 на пересечении осей симметрии Х и точника питания; 9, 10 — контактные пло- Y с внутренним контуром) (фиг. 1 — фиг. 3), щадки для снятия выходного сигнала с 5Ь Резистивные участки Я2 и R4 расположены мо тов с ой схемы; В1, Вз — резистивные уча- соответственно перпендикулярно внешнестки тензорезисторов R1 и Вз с паложитель-. муконтуру4 мембраны вблизи его середины ной чувствительностью; Й2, R4 . — (вблизиточек А и А1) и параллельно внутренрезйстивные участки тензорезисторов Az и нему контуру 5 мембраны вблизи его cepeR4 с отрицательной чувствительностью; Х, 55 дины (вблизи точек В и В1), Резистивные — осйсимметрии; а<, b — ширина и длина участки R1 — Яз и К2 — й4 каждого тензомемб аны соответ р соответственно; a„b — ширина резистсра последовательно соединены друг и длина жесткого центра соответственно; с другом токоведущм и коммутационными — чувствительность TGH3op03wc Торо8 питания на поверхности упругого элемента

1784846

K1 = —, Кз ам, ам а bo

1 (эа пределами профилированной мембраны 2) сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площади 7 и 8, а для снятия выходного сигнала — контактные площадки 9 и 10.

Интегральный тензопреобразователь работает следующим образом.

Механические напряжения (деформации), возникающие в мембране 2, например, под действием давления, вызывают в реэистивных участках К1 и йз теизореэи1 1 сторов R1 и Вз, расположенных вдоль внешнего контура 4 профилированной мембраны, деформацию сжатия, а в реэистивных участках R1 и Яз, расположенных

"перпендикулярно внутреннему контуру 5 профилированной ме(лбраны (вблизи жесткого центра), деформацию растяжения, в результате чего величины их сопротивлений увеличиваются (имеют положительную чувЛ ствительность, т.е. >О). В резистивнйх участках 821 и R4 тенэорезисторов R2 и

R4, расположенных перпендикулярно внешнему контуру 4 мембраны и параллельно внутреннему контуру 5 мембраны, эти же механические напря>кения уменьшают величину их сопротивлений (тенэореэисторы

R2 и R4 имеют отрицательную чувствительность, т.е. (0 ), М

Так, например для yr(pyroro элемента с мембраной прямоугольной формы и с жестким центром квадратйой формы (фиг, 1) изгибные механические напряжения с(и (:г в точках А(ам/2; 0) A1(0; Ьм/2), В{ао/2; О), В1(0; ао/2) поверхности мембраны 2 соответст- . венно (логуг быть представлены выражениями:

Ром (k -(< м а„,, ("

*-0.482- 1*— 3A h> 10(ф7(4елс4 (»г >» >»»

Ром

>(S g (057(4c>pc+ k (i -o4s2

РЬм Рсг; аi Ь h„, )»О57(4c tc б»»„ -0,462 г, + ° —, >

o» Ьм (+О,57(4сг с+ б -а,ва "

Хв» h÷ «О,5Ц4сг © »», РЬ,„с4 Ц -(6 -o4вг

Й» h„1 0,5J14c +c+

Для ynpyroro элемента с мембраной квадратной формы и с жестким центром прямоугольной формы (фиг. 2) изгибные механические напряжения (,.сгу в точках с

5 координатами А(ам/2; О), А1(0; ам/2), В(ао/2:

О), В1(0; bo/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями:

10 р агм K1 — 1

0»»д = — 0,1875

h2ì К21

Р агм К3 — 1 (хУА = — 0,1875 2 »и пм

20 г

%в =01875

25 oyer = 0,1875 г /4;

paM Кг г1

Ь »,»

0xA = — 0,1875— ра2 К

1 Л2 K) ,и; г

GyA = — 0,1875 — . рам К3 — 1

1 Ьг

Яагм . К

%»д = 0,1875 ",и;

Ь2 Я

Р агм K) — I

40 0yB1 = 0,1875.

"м

Для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и жестким центром прямоугольной формы (фиг, 3) изгибные ме45 хаиические напряжения о, и о в точках

А(а»л/2; О) А1(0; bM/2), В(ао/2; О), В1(0; Ь>/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями

ХХ - ° h „(qSJ(4c +с+ (»Ð» ао Ь р 4 рс4 kг-(b„ (О,SJ(4c sc< (»г 4 b > (>>„-О46g.

55 " . . h (»О(У(4с4с (г >

Gg 0482 г ° ь h» 1<0,57(4 c c » (», > а а

Х ° .О,Щ . »1г (» О 5г(4Ог (, г

1 t 178484S

Р м брт0,4ьй Ьг ра,„

« "в, 0Фг. г

Р м б в *04ЬЕ,г с4 (Ф 0,5П4 с сс 4 рсг.пм 0,5ИФС ic с4

140,504с л с"

2 P 4С P

25 ам 1

2 !

4,1 + 0,5714с + с

S -= 0,241 Ж44 к1 — 1 ((К3 — 1 к

30 к1 — 1, % /С) Ф 2(V3 — 1

К4

К -1

f(+ 2(кг — 1

К3

К3 — 1

K) к1 — 1, кг

Суммарные относительные йэменения сопротивлений резистивных участков тенэореэисторов R> — R4 соответственно равны по величине: —. для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и с жестким центром квадратной формы (фиг, 1). г ц и

k P. ра,, ( г к4 ° "44 4г Щ57Нсг с4а чувствительность мостовой схемы тензопреобразователя будет равна г

$ =0,482W4

4+0,5714с +с" — для упругого элемента с мембраной квадратной формы и с жестким центром прямоугольной формы (фиг. 2) ..DR =Йз =0094_#_и

pам пм (+ )(1S) к1 К3

OR2 = дя4 = — 0,094 zrn4 пм () (1 p)

K) к3 а чувствительность мостовой схемы тензопреобразователя будет равна — для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и жестким центром

10 прямоугольной формы (фиг. 3)

=аР =0,{21 и ° У

Pqм 4

44 Лг 14 0,57(4 его. с 4

15 " g< g2 " " p г P 2

Рцм

,й =RR =-0,(а10

Рв= 4 44 j õ " 057И сг с4.

20 х (ц фс (ц а чувствительность мостовой схемы тензопреобразователя будет равна

Изменение сопротивлений тензорези40 сторов, вызванное деформацией, преобразуется 0 изменение электрического напряжения, которое снимается с контактных 9 и 10 при подключении источника питания к контактным площадкам 7 и 0.

Технико-экономическими преимуществами тензопреобразователя по сравнению с известным являются: чувствительность тензопреобразователя с профилированным упругим элементом, 50 содержащим мембрану прямоугольной формы и жесткий центр квадратной формы, повышается 0 4,8-5,2 раза а зависимости от выбора коэффициентов К1 и Кг; чувствительность тензопреобразовате55 ля с профилированным упругим элементом, содержащим мембрану квадратной формы и жесткий центр прямоугольпой формы, по- . вышается 0 3,0-3,5 раза в зависимости от выбора коэффициентов К1 и Кз;

1784846 чувствительность тензопреобразователя с профилированным упругим элементом. содержащим мембрану прямоугольной формы и жесткий центр прямоугольной формы, повышается в 1:,7-2,4 раза в зависимости от 5 выбора коэффициентов К1 и К4; существенно расширяются варианты исполнения конструкций упругих элементов с профилированной мембраной и жестким центром, а также расширяются варианты 10 исполнения топологии мостовых схем с интегральными тензорезисторами.

Формула изобретения

Интегральный тензопреобразователь, содержащий упругий элемент с профйлиро- 15 ванной мембраной, выполненный из полу.: проводникового материала одного типа

- проводимости и жестким центром, на поверхности мембраны которого с планарйой стороны сформированы тензорезисторы 20

:. мостовой схемы противоположного типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет увеличения вь!ходного сигнала тен зопреобразователя, каждый из тензорези- 25 сторов.выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых резистивных участков, мембрана упругого элемента выполнена с внешним контуром прямоугольной формы, жесткий центр выполнен в виде параллелепипеда, расположенного симметрично в центре мембраны, резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно на соответствующих противоположных сторонах мембраны симметрично относительно центра и параллельно этим сторонам и на и ротивоположных сторонах внутреннего контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и перпендикулярно этим сторо.нам, резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на тех же сторонах мембрайы симметричйо относительно центра и перпендикулярно этим сторонам и на тех же сторонах внутреннего ° контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и параллельно этим сторонам.

1784846

Фиг.,г

Фца. Ф

Составитель !О. Зеленцов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор С, Лисина редактор В. Трубченко

Заказ 4359 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул,Гагарина, 101