Интегральный тензопреобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динамических режимах. Цель изобретения - повышение чувствительности за счет увеличения выходного сигнала непосредственно от тензопреобразователя. Интегральный тензопреобразователь содержит профилированный упругий элемент из кремния п-типа, мембрана которого сформирована анизотропным травлением, тензорезисторы мостовой схемы р-типа проводимости сформированы в площади мембраны с планарной стороны на плоскости (001) методами полупроводниковой технологии, причем мембрана упругого элемента выполнена прямоугольной формы с отношением ширины и длины 0,58 - 0,62, а тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными каждый из трех равных резистивных участков, которые соединены последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно короткой оси у периферии мембраны, вдоль короткой оси вблизи центра мембраны и перпендикулярно длинной оси у периферии мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на длинной оси у периферии мембраны, вдоль длинной оси вблизи центра мембраны и вдоль короткой оси у периферии мембраны.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЕЕЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (S>)S С 01 . 1/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4675472/10 (22) 11.04.89 (46) 23.08.91. Бюл. Р 31 (72) 19.А.Зеленцов (53) 531.781 (088.8) (56) Патент СЕ1А Р"- 4530244, кл. 73-727, 1985.

Ваганов В.If. Интегральные тенэопреобразователи. — H.: Энергоатомиздат, 1983, с.38-39.. (54) Ш1ТЕГРАЛЫ!ЫЙ ТЕНЗОПРЕОБГАЗОBATEJIb (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динами ческих режимах. Цель изобретения повышение чувствительности эа счет увеличения выходного сигнала непосредственно от тензопреобразователя. Интегральный тенэопреобразователь содержит профилированный упругий элемент из кремния п-типа, мембрана которого сформирована анизотропным травлением, тензорезисторы мостовой схеИзобретение относится к иэмери" тельной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динамических режимах.

Целью изобретения является .повышение чувствительности за счет увели" чения выходного сигнала непосредственно от тензопреобраэователя.

На фиг.! изображена конструкция интегрального тенэопреобразовате„„80„„1672244 A т

2 мы р-типа проводимости сформированы в площади мембраны с планарной стороны на плоскости (001) методами полупроводниковой технологии, причем мембрана упругого элемента выполнена прямоугольной формы с отношением ширины и длины 0,58-0,62,а тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными каждый иэ трех равных реэистивных участков, которые соединены последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тенэореэисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно короткой оси у пЕриферии мембраны, вдоль короткой оси д вблизи центра мембраны и перпендикулярно длинной оси у периферии мембраны, а резистивные участки второй пары тенэореэисторов с отрицательной чувст- С вительностью расположены соответст-. венно на длинной оси у периферии мембраны, вдоль длинной оси вблизи центра мембраны и вдоль короткой оси у периферии мембраны. ля; на фиг.2 — полная мостовая схема из тензорезисторов К вЂ” R .

На фиг.1 обозначено: 1 — упругий элемент из кремния п-типа и плоскостью ориентации (001), 2— прямоугольная мембрана упругого элемента; 3 — периферия (контур) мембраны; 4 — токоведущие коммутационные дорожки 5, 6 - контактные площадки( для подключения источника питания1

7, 8 — контактные площадки для сня1672244 тия выходного сигнала с мостовой схемы; К, Р > — резистивные участки

l тензорезйсторов R u R с положи1

l тельной чувствительностью; R<, R + резистивные участки тензорезисторов

R > и Р I1. с отрицательной чувствительностью. Х вЂ” короткая ось прямоугольной мембраны, Y - длинная ось прямоугольной мембраны, ам, Ь вЂ” ширина и длина мембраны соответственно.

Тензометрический преобразователь содержит упругий элемент 1 из кремния п-типа марки 1(ЭФ-4,5 и ориентации (001). В упругом элементе 1 анизотропным травлением кремния сформирована мембрана 2 прямоугольной формы. Отношение ширины аМ прямоугольника к его длине Ьи выбрано равным 0,6 из ам интервала — — = 0 58-0 62. Отноше1 1 t

М ние --- = 0.6 является оптимальным ам ьм . иэ условия обеспечения в центре мемб- 25 раны максимальной разности продольных 61 и поперечных Gq> напряжений, котоРаЯ РаУна 66 ОМПКС ЬУО -(0

Ьм

0,046 — — q. На поверхности мембм 30 раны 2 методами полупроводниковой технологии (диффузией или ионным легированием) сформированы тензорезисторы R<- РЧ, р-типа проводимости, соединенные между собой в полную мостовую схему. Тензорезисторы

R 1 и R q состоят каждый из трех

I 1 равных резистивных участков R R )3

I в тенэорезисторы R и Ry — из учаI I стков R< n RЧ. Резистивные уча-! 40 стки Р < и R< расположены соответственно на длинной оси Y у периферии 2 мембраны 2, вдоль длинной оси Y вблизи центра мембраны и вдоль короткой оси Х у периферии

3 мембраны (фиг.1). Резистивны» участ-! 1 ки К и Р> расположены соответст1 венно перпендикулярно короткой оси

Х у периферии 3 мембраны 2. вдоль короткой оси Х вблизи центра мембраны

50 и перпендикулярно длинной оси Y y периферии 3 мембраны 2 (фиг.1). På(t зистивные участки К - R и К вЂ” R< каждого тенэорезистора последовательно соединены друг с другом токоведущими коммуникационными дорожками 4.

Для подключения источника питания на поверхности мембраны сформированы методом вакуумного напыления контактные площадки 5 и 6, а для снятия выходного сигнала — контактные площадки 7 и 8 °

Интегральный тензопреобразователь работает следующим образом.

Иеханические напряжения (дефор-. мации). возникающие в мембране 2, например, под действием давления, вызывают в резистивных участках К и R тензорезисторов R f и R3 деформацию растяжения, в результате чего величины их сопротивлений увеличиваются (имеют положительную чувствительность)

I 1

В резистивных участках К и К + тен Д H К4 формации сжатия, в результате чего величины их сопротивлений уменьшаются (имеют отрицательную чувствительность), На периферии 3 мембраны 2 вдоль короткой оси Х будут действовать продольные напряжения С7 а ц

= — 0,49 — .-- и и поперечные напм

a м ряжения (j y = — 0,09, — q. Ha

Ьм периферии 3 мембраны вдоль длинной оси Y будут действовать продольные

Ь м напряжения (. ) = — 0,012 †-- q u

Х Ь2М поперечные напряжения С = — 0,064

Ь2м -т и . В центре мембраны 2 будет

h ч действовать разность напряжений

b>

bG = 0,046 h+ q. При возникновеМ нии в мембране 2 механических напря жений суммарные относительные изменения сопротивлений резистивных уча-. стков тенэорезисторов R и К рав» л ны IIo величине. 8 = ()g = +

+ 0,065 ц — N- q, а суммарные отном сительные изменения сопротивлений резистивных участков тензорезисторов равны по в.личине fR = 3

Ь2

Rl1, = -0,06 1i(- - q.

ЧЧ h ù

Чувствительность же мостовой схемы тенэопреобраэователя с прямоугольной мембраной будет равна: $ p 12>ll = Й .

44Ьз

Для тенэопреобраэователя с квадратной мембраной (когда b a ) чувстiu M вительность мостоВой схемы будет равл а и на: $ = О,1 114 „,, т.е. чувствиМ

167

Составитель Н.Вовчук

Редактор А.Кондрахина Техред A.Kðàâ÷óçñ

Корректор Л.Патай

Заказ 3152- Тираж 337 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101 тельность тенэопреобразователя с прямоугольной мембраной в 1,2 раза выше, чем у тензопреобразователя с квадратной мембраной. Изменение сопротивлений тензореэисторов, вызванное деформацией, преобразуется в в изменение электрического напряжения, которое снимается с контактных площадок 7 и 8 при подключении им источника питания к контактным площадкам 5 и 6. формула изобретения

Интегральный тенэопреобраэователь содержащий профилированный упругий элемент из кремния и-типа с мембраной и сформированные в площади мембраны с планарной стороны на плоскости (001) тензорезисторы мостовой схемы р-типа проводимости, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения чувствительности, мембрана упругого элемента выполнена прямоугольной формы, 2244

6 причем отношение ширины прямоугольни ка к его длине выбрано в интервале

0,58-0,62, а тензорезисторы мостовой

5 схемы выполнены составными, каждый из трех равных резистивных участков, которые соединены последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов

1Q с положительной чувствительностью рас, положены соответственно перпендикулярно короткой оси у периферии мембраны, вдоль короткой оси вблизи центра мембраны и перпендикулярно длинной оси у периферии мембраны, а реэистивные участки второй пары тензореэисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на длинной оси у периферии мембраны, вдоль длин20 ной оси вблизи центра мембраны и вдоль короткой оси у периферии мемб" раны.