Полупроводниковый тензопреобразователь
Иллюстрации
Реферат
Союз Советскнн . Социалистических
Республик
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
<п>934258 (6t) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 27.11.78(21) 2688144/18-10 с присоединением заявки М (23) Приоритет
Опубликовано 07.06.82. Бюллетень Эй21
Дата опубликования описания 07.06.82 (Sl)M. Кл.
С 01 L 9/06
С 01 Ь 1/18
Гоеударсикнный комитет
СССР но делам нэебретеннй
K открытий (53) УДК531 ° 787 (088.8) (72) Автор изобретения с,, 9 1
В.Н.Стучебников ч .; .-.
Государственный научно-иссле овательс " Hl&YH7! т .- -,.-; (7l ) Заявитель д щ„„у теплоэнергетического приборостроения "НИИтеплоЩзйбе1Ф= (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОПРЕО6РАЗОВАТЕЛЬ
Изобретение относится к приборостроению, а именно к полупроводниковым тензопреобразователям теплотехнических и механических величин, и может быть использовано для изме" рения усилия, давления и т.д.
Известен полупроводниковый преобразователь, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической сапфировой под" ложки с расположенными на ней эпитак. симальными тензорезисторами из монокристаллической пленки кремния р-ти-. па с концентрацией дырок Р = (1,43,2) ° 10"9 см E13.
Недостаток этого тенэопреобразователя заключается в значительной температурной зависимости выходного сигнала, что требует для получения преобразователя высокой точности сложной электронной схемы температурной компенсации с индивидуальной настройкой, а нелинейный характер зависимости ограничивает диапазон рабочих температур.
Наиболее близким к изобретению ,по технической сущности и достигаемому эффекту является тензопреобразователь, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической сапфировой подложки с расположенными на ней двумя тенэочувствительными схемами, в одной
10 из которых эпитаксиальные тензорезисторы изготовлены из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3 5 1019 9 -10 "9 см 3 а в друI5 гой - с концентрацией дырок 1,8 10
3 ° 10 см, буричем первая схема подключена к источнику постоянного тока, а вторая - постоянного напряжения и обе схемы - к электронному преобразователю сигнала E23 .
Недостатком известного устройства является то, что измерение производится каждой схемой в определенном
934258
S о
35 диапазоне температур, что приводит к снижению точности.
Цель изобретения - повышение точности тенэопреобразователя.
Поставленная цель достигается тем, что в тенэопреобразователь введены переключающее устройство и эпитаксиальный терморезистор, выполненный из кремния, легированного бором концентрацией дырок 3,5-10
qg
3 ° 10 см расположенный в недеформируемой зоне сапфировой подложки и включенный в цепь управления переключающего устройства, входы которого соединены с выходами тензос чувствительных схем, а выход соединен с входом электронного преобразователя сигнала.
На фиг. 1 показан чувствительный элемент полупроводникового тензопреобразователя давления, разрез и вид сверху; на фиг. 2 - электрическая блок-схема полупроводникового тензопреобразователя на фиг. 3график зависимости относительного изменения сопротивления терморезистора от температуры; на фиг. 4 - график температурной зависимости выходных сигналов тензосхем и управляемого переключающего устройства.
Чувствительный элемент полупроводникового тензопреобразователя давления (фиг.1) представляет собой металлическую мембрану 1, выполненную заодно с корпусом 2,.который содержит полость для подачи давления Р, с прикрепленной к ней известным способом (например, пайкой) сапфировой, подложкой 3, вырезанной по кристаллографической плоскости (1012). На подложке 3 сформированы эпитаксиальные тензорезисторы 4, изготовленные из пленки кремния, легированного бором с концентрацией дырок 4,5-10 см
19 -3 расположенные у внешнего. края мембраны 1 попарно вдоль и поперек радиуса мембраны в кристаллографических направлениях (110) и (110) кремния и соединенные в мостовую схему 1 с контактными площадками 5. Кроме того, на подложке 3 сформированы методом избирательной диффузии бора эпитаксиальные тенэорезисторы 6, изготовленные из пленки кремния, легированного бором с концентрацией дырок
2 10 см -, а также расположенные у внешнего края мембраны 1 попарно вдоль и поперек радиуса мембраны в
1 кристаллографических направлениях (110) и (1 10) и соединенные в мостовую схему II с контактными площадками j. На подложке 3 сформирован также эпитаксиальный термореэистор 8 с контактными площадками 9, изготовленный из пленки кремния, легированного бором с концентрацией дырок
4,5 ° 10" см, и расположенный на недеформируемой части подложки 3 над боковой стенкой корпуса 2.
Мостовая тензосхема II (фиг.2) запирается от источника 10 постоянного напряжения постоянным напряжением мостовая тензосхема 1 — от источника 11 постоянного тока постоянным током iO> причем величина U 0 u i 0 подбираются так, что при температуре и о — †-50 С выходные сигналы обеих о тензосхем при определенном давлении
Р одинаковы: Ц (Р) = Uu(P), Выходы тенэосхем I u II соединены с входами управляемого переключающего устрой,ства 12 релейного типа, например триггера, выход которого соединен с входом электронного преобразователя
13 сигнала. В цепь управления переключающего устройства 12 включен термореэистор 8, величина которого
3ф R(t>) подобрана так, что при tg =
= -50 С R(t(,) R>, где Rp coilpoтивление, при котором происходит переключение устройства 12 из одного стабильного положения в другое..Полупроводниковый тензопреобразователь давления работает следующим образом.
При подаче давления P (фиг.1) сапфировая подложка 3 изгибается
40 вместе с мембраной 1, деформируя кремниевые тензореэисторы 4 и 6, так что на выходах тенэосхем I u II появляются выходные сигналы U>(P) и U (Ð). Поскольку в области йизких
45 температур, например от -200 до
-50 С, сопротивление терморезистора
R(t) остается меньше величины Ro (фиг.3), то переключающее устройство 12 находится в одном стабильном состоянии, при котором к входу электронного преобразователя 13 сигнала подключен выходной сигнал
0;,(Р) тенэосхемы 11, выходной сигнал которой не зависит от температуры
s этом интервале температур (кривая 14 на фиг.4).- При равенстве температуры измеряемой среды t
= -50 С сопротивление терморезистора становится равным Ео (фиг.3) и переключающее устройство 12 переходит скачком в другое стабильное по-. ложение, при котором к входу электронного преобразователя 13 сигнала подключается выход U (P) тенэосхеI мы 1, который при дальнейшем повышении температуры, например, от
-50 до +200оС также не зависит от температуры (кривая 15 на фиг.4) .
Поскольку в этом интервале температур сопротивление термореэистора остается больше йо (фиг.3), то переключающее устройство 12 остается в одном положении. При понижении температуры переключающее устройство 12 переходит в другое стабильное состояние при R(t) = R<, т.е. при о 50оС
Таким образом, выходной сигнал переключающего устройства 12 ЗТ(р) при -50оC < t g +200оС 1(р) U (P) при -200DC $ t < -50 C не зависит от температуры во всем рабочем интервале температур (кривая 16 на фиг.4).
Использование предлагаемого устройства повышает точность преобразования эа счет исключения температурной погрешности выходного сигнала тензопреобразователя. Кроме того
1 возможно использование прибора в автоматических системах регулирова ния.
934258 таллической сапфировой подложки с расположенными на ней двумя тензо" чувствительными схемами, в одной иэ которых эпитаксиальные тензореэис5 торы изготовлены из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3,5 ° 10" - 9 10" см, à а дру" гой - с концентрацией дырок
1,8 10 - 3 10 осм, причем первая схема подключена к источнику постоянного тока, а вторая - к ;сточнику постоянного напряжения и обе схемы - к электронному преобразователю
;сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения температурного диапазона, в него введены переключающее устройство и эпитаксиальный термореэистор, выполненный иэ кремния, ле"
20 гированного бором с концентрацией ды" рок 3,5. 10 1- 3 10 ñì расположен" ный в недеформируемой зоне сапфировой подложки и включеннЫй в цепь управления переключающего устройст-.
25 ва, входы которого соединены с выходами тензочувствительных схем, а вы" ход соединен с входом электронного преобразователя сигнала.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Электронная техника, сер, П, вып. 2, 1976, с. 43.
Формула изобретения
Полупроводниковый тензопреобраэователь, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокрис2. Авторское свидетельство СССР по заявке И 2582086/18-10, кл. G 01 L 9/04, 20.02.78.
934258
4 4
800
-f00
- 100
-N0
Составитель 8.Козлов
Техред М. Надь
Корректор И.Коста
Редактор Г.ус юю«« ю ю юю
« » » ю ю ююююююююююююююююююююююю
Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4
Зака 3913/34 Тираж 887 . Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий .113035, Иосква, N-35, Раушская наб., д. 4/5