Способ настройки интегральных тензометрических мостов
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензометрических мостов, изготавливаемых по интегральной микроэлектронной технологии на основе металлопленочных тензорезисторов. Цель изобретения - повышение i-очности в условиях действия неравномерного температурного поля за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности. Достигают указанную цель за счет уменьшения общего температурного коэффициента сопротивления тензомоста. Суть уменьшения состоит в окислении тензомоста в кислородной плазме, причем каждое плечо тенчомоста состоит из двух идентичных тензорезисторов, л по одному ия них защищены диэлектрическим слоем. Последующие исключения температурного выходного сигнала осуществляют шунтированием запшщенного тензорезистора необходимого плеча тензомоста и балансированием незащищенного тензорепистора смежного плеча параллельным подключением переменного сопротивления. 2 ил. (Л
СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических
РЕСПУБЛИН р1)5 С 01 В 7/18. 01 ..1И
ЙА1
1.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ по изОБРетениям и ОтнРцтиям
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4619796/28 (22) 14. 12.88 (46) 15.0?.91. Бюл, Р 6 (72) .В.A.ÇèíîIIüåâ, А.И.Ворожбитов, О.Н,К1рмлшевл и Е.R.Ïåñêîâ (53) 531.781.2(088.8) (56) Авторское свидетельство ССГР
У 1368621, кл, 0 01 В 7/18, 1986. (54) СПОСОБ НАГТРОРКИ ИНТЕГРАЛБНЬ1Х
ТЕНЗОМЕТРИЧГСКИХ 1IOCTOH (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензометрических мостов, изготавливаемых по интегральной микроэлектронной технологии на основе металлопленочных тензореэисторов. 11ель изобретения повышение 1-очности в условиях дейИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тенэометрических мостов, изготавливаемых по интегральной микроэлектронной технологии на < снопе металлопленочных тензорезисторов.
Целью изобретения является попышение точности в условиях действия неравномерного температурного поля за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности.
На фиг. 1 схематично представлен тензометрический мост; на фиг.2 схема включения тенэометрического моста при его настройке.
Интегральный тенэометрический мост, сформированный на мембране 1, „„SU„„1627826 А 1
2 ствия неравномерного температурного поля за счет уменьшения аддитнвной температурной погрешности. >7остнгают укаэанную цель эл счет уменьшения общего температурного коэффициента сопротивления тенэомостл. Суть уменьшения состоит в окислении тензомоста в кислородной пллзме, причем каждое плечо тензомоста состоит из двух идентичных тенэорезисторов, л по одному из них защищены 11и-.лектрнческим слоем. Последующие исключения температурного выходного сигнллл осуществляют шунтировлннем зл1пн1енного тензорезнстора необходимого плеча тензомоста и балансированием незащищенного тензорезистора смежного плеча параллельным подключением переменного сопротивления. 2 ил. содержит замкнутую мостовую схему, каждое плечо которой состоит из пары тензорезисторов 2 и 3, 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9, восемь контактн1,1х площадок 10-17, каждая из которых соединяет концы тензорезисторов. В каждом плече мостовой схемы по одному тензорезистору покрыт11 защитным диэлектрическим слоем 18, -Io тензорезисторы 2, 4, 6 и 8. Другие тензорезисторы 3, 5, 7 и 9 ve элщищень1 диэлектрическим слоем. Клждлл пара тенэорезисторов в плече моста, злщиЩЕННЫЕ И НЕЗЗ111И11ЕННЫЕ, ИДЕНТИЧНЫ ПО месту и направлению расположения нл мембране, а все восемь тенэореэисторов изготовлены иэ одного материала в одном технологическом цикле. Те«1627826 муле 0 (t) = Upu (t) Uou.м
Рассчитывают величину требуемого термокомпенсационного шунта по формуле зометрический мост с помощью контактных площадок 10-17 подключен к источнику 19 питания и регистратору
20 напряжения. Кроме того, с помощью контактных площадок осуществляется
5 подключение испытуемогo шунта, а затем термокомпенсационного шунта к защищенному тензорезистору, например, 5 и переменного сопротивления в смеж- 10 ное плечо тензомоста к незащищенному тензорезистору, например тензорезистору 3.
Способ настройки интегрального тензометрического моста осуществляют следующим образом.
После формирования тензомоста, состоящего из тензорезисторов 2-9, например, из нихрома, на мембрану 1 наносят защитный диэлектрический
20 слой 18, например, из окиси кремния, с перекрытием по поверхности четырех тензорезисторов, включенных в каждое плечо тензомоста, например тензорезисторов 2, 4, б и 8. Затем окисляют 25 в кислородной плазме тензометрический мост, размещенный нл мембране 1, в результате чего величина ТКС незащищенных тензорезисторов достигает отрицательных значений. Подключают к тенз р мосту источник 19 питания, регистратор 20 напряжения и определяют начальный выходной сигнал (11„), Изменяют температуру на мембране до заданной величины и определяют началь35 ный выходной сигнал Uо(1), затем рас считывают изменение начального выходного сигнала от влияния заданной тем-. уры О По (t) U (t) Uо его знаку определяют необходимое пле-40 чо, куда подключают испытуемый шунт
21 к защищенному диэлектрическим покрытием тензореэистору, например, 4 и одновременно балансируют тензомост по начлльнОму выходному сигна 45 лу подключением в смежное плечо переменного сопротивления 22 параллельно незащищенному тензорезистору, например, 3. Определяют начальный выходной сигнал при нормальной и заданной температурах Uou e Uou (t) со50 ответственно и находят изменение сигнала от влияния температуры по форгде ru — величина сопротивления испытуемого шунтл; г — величина сопротивления термокомпенслционного шунтл.
Включают в место испытуемого шунта термокомпенсационный шунт с величиной, полученной расчетным путем по формуле (1). Балансируют тензомост изменением величины переменного сопротивления.
Сущность способа заключается в уменьшении общего ТКС тензомоста за счет изменения ТКС до величины отрицательных значений у каждого из пар тензорезисторов, включенных во все четыре плеча тензомоста с последующим достижением полной компенсации температурногn ухода начального выходного сигнала путем шунтирования защищенного тензорезисторл в выявленном плече тензомоста и балансированием параллельным подключением к незащищенному тензорезистору переменного сопротивления.
Механизм изменения ТКС у незащищенных тензорезпсторов до величины отрицательных знлчений и практически полного сохранения ТКС у зл(вгщенных тензорезисторов на прежнем уровне от окисления в кислородной плазме тензомоста заключается в следующем.
При большой мощности окислительных процессов образование оксидных пленок происходит как на поверхности тензорезисторл, так и внутри по границам зерен, из которых состоит тело тенэорезисторл. В результате в незащищенных тензорезисторах после окисления перенос зарядов осуществляется наряду с обычным характерным для металлов переносом внутри зерен, еще и через узкие окисные (диэлектрические) зазоры между зернами.
Механизмами, ответственными за перенос заряда, являются термоэлектроннля эмиссия и туннелировлние. Переход электронов облегчается при повышении температуры, так как сопротивление диэлектриков с увеличением температуры падает. Таким образом, положительная проводимость в зернах нейтрализуется отрицательной между зернами, что и обуславливает при больших мощностях окисления появле5 16278 ние отрицательных ТКС в незащищенных тензорезисторах. Защищенные пленки
t диэлектрическим слоем практически не окисляются по поверхности, тем более, 5 по границам зерен внутри тела пленки.
Следовательно, величина ТКС в защищенных тензорезисторах при окислении тензомоста остается неизменна. Сопровождающееся при окислении изменение величин сопротивлений (наряду с изменением их ТКС) самокомпенсируется мостовой схемой, так как во всех четырех плечах моста включены по одному незащищенному тензорезистору, а разброс величин изменения сопротивлений компенсируется предусмотренным балансировочнь»м переменнь»м сопротивлением.
Формула для расчетл величины термокомпенслционного шунта (1) спрлвед- 20 лива при условии линейной зависимости изменения сопротивлен1111 тензорезисторов моста оТ темперлтуры и независимости оТ темперятурь» сопротивления шунта и блллнсировочного сопро- 25 тивления. При подключении испытуемого шунта и одновременной блллнсировки параллельным подключением в смежное плечо достигают определенного уходя сигнала от темпеРатУРы (»1((u (t)), 3Î пропорционлльногo геличи1»е испытуемого шунта (г ). R ..ре.зуиьтлте срлви, II1 пения отношения уходл начлльного выхoJIного сигналя с tloJII
Из приведенных 3.ообрлжений вытекает выражение (1).
В качестве примера рлссмлтривлется настройка тензомостл, с1»ормировлнно1 о на мембране методом тонкопленочнойT ехнологии, тензорезисторы, нлпример из материала Х20Н75Ю, ТКГ которых после формирован»1я находится 13 пределах (1-6) 10 1/ С. Наносят слой ди электрического покрытия, например, из моноокиси кремния, нл поверхность тензорезисторов 2, 4, 6 и 8 с полным их перекрытием. Окисляют тензометрический мост в кислородной плазме на пример, в течение 1,5-2 ч с мощностью окисления 250-350 Вт, после чего ТКС незащищенных тензорезисторов снижа-6 ется до пределов минус 5 ° 10 — ми"
36 6 нус 2110 1/4С, а ТКС защищенных тензорезисторов практически Ile меняется, Замеряют величину ухода начального выходного сигнала в температурном диапазоне ?00 С без испытуемого шунта и по знаку полученного значения подключают в необходимое плечо к злщищенному тензорезистору испытуемый шунт. Замеряют величину ухода начального выходного сигнала в том же температурном диапазоне с подключенным испытуемым шунтом. Рассчитывают величину требуемого термокомпенсационного шунта и подключают его в место испытуемого шунта. Далее проверяют температурный уход начального выходного сигнала с подкл»о»енным термокомпенслционным шунтом Ь((О,,„ (t)) . Рассчитывают величину относи| ельной IIorpellIIIOсти ($) с учетом того, что Ilopvllpn13allный выходной сигнал тензомостл рлвен
1О МВ.
При необходимости проведения более точной настройки (более точного определения величины термокомпенслционного п»унта) необходимо повторить нлстройку вторичн >, причем 13с-пытуемым шунтом будет с1»уж»1ть получен»п и термокомпенсац»1онный шунт, В результат» точность настройки повыллется, л температурнля погрешность г1111жлс тся практически нл порядок по срл»111о11и1о со знл »гнием, IloJIó÷åíí»I;I lip»1 ервичной настройке.
Ф о р м у л л и з о б р е т е н и ч
Способ нлстройки и11тегрлльных тензометрических мос -o»3, злключающийся
В ТОм чTo измеряют начальный Вь!ход ной сигнал моста дHóõ газли lllllx температур, по 311ëê ò и.-;11ене1 ия 11лчлль— ного выходного с1»гнлл» моста о13ределяют плечо моста, в которое lloll, ключают шунт и блллнсируют тензомост, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с цель1о повыг1ения точности в условиях действия нерлвномерного температурного полл зл счет уменьшения аддитивной тс»;пературной погрешности, перед измерением нлчлльного выходного сигнллл нлносят нл поверхность четырех тензорезисторов, включенных в каждое плечо тензомоста, за»(ит»1ь»й слой, окисляют в кислородной плазме тензометрический мост до достижения отрицательных -,нлчений температурного коэдфицие11тл
1627826
Составитель Е.!!елина
Техред М.Дидык
Корректор М.!)!ароши
Редактор 10.Ñåðåäà
Подписное
Тираж 383
Заказ 330
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101 сопротивления в незащищенных тензорезисторах, шунт подключают к защищенному тензорезистору, мост балансируют подключением переменного балансировочного сопротивления в смежное плечо моста параллельно незащищенному тензорезистору, после балансировки моста вновь измеряют измепением начального выходного сигнала моста с включенным шунтом и переменным балансировочным сопротивлением, рассчитывают требуемую величину термокомпенсационного шунта и включают era вместо ранее установленного шунта и вновь балансируют мост переменным балансировочным сопротивле
