Чувствительный элемент датчика механических величин
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 (9/06
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 (21) 4757722/10 (22) 13.11.89 (46) 30.09.92. Бюл, N 36 (71) Институт полупроводников AH УССР (72) В,Н.Ермаков, B.Â.Êîëîìîåö, Л.И.Панасюк и В., Е, Родионов (56) 1, Физика электронно-дырочных переходов и полупроводниковых приборов, Л.: Наука, 1969, с. 147-151, 2, Кривоносов И,И. Электромеханические измерительные преобразователи давления высокотемпературных сред. M., 1965, с. 68-71, Авторское свидетельство СССР
¹ 198770, кл, G 01 B 7/18, 1966. (54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) Изобретение относится к тензометрии и может быть использовано в системах автоматического управления, контроля и измерения деформаций, усилий, ускорений, перемещений, а также в медицинской технике, Цель изобретения — повышение точности механоэлектрического преобраИзобретение относится к тензометрии и может быть использовано в системах автоматического управления, контроля и измерения деформаций, усилий, ускорений, перемещений, а также в медицинской технике, В настоящее время в качестве электромеханических преобразователей используются чувствительные элементы как на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов, так и на основе полупроводниковых приборов, например диодов или транзисторов, „„SU „„1765731 А1 зователя, расширение рабочего диапазона по давлению, обеспечение температурной стабильности датчиков, Предложено в качестве чувствительных элементов датчиков механических величин использовать типовую усилительную интегральную микросхему с дифференциальным входом на полевых транзисторах с р-п-переходом, сформированную на кристалле 2 кремния. При этом, система температурной компенсации микросхемы обеспечивает температурную стабилизацию параметров преобразователя в рабочем диапазоне температур, а использование монокристаллической основы с диффузионными р-и-переходами позволяет существенно расширить диапазон механических нагрузок. В ыходной сигнал микросхемы, используемой в качестве механоэлектрического преобразователя, может быть реализован в виде напряжения, тока или частоты периодических колебаний, пропорциональных внешней нагрузке, и имеющих значения, достаточные для функционирования регистрирующих приборов. 7 ил. о (л
В работе t1) описаны результаты изучения влияния неоднородной деформации на юмам электрические характеристики кремнйевых р-п-переходов, при этом было показано, что в области усилий, не превышающих некото- а рых критических значений F<> наблюдались обратимые деформационные изменения прямой и обратной ветвей ВАХ (упругая деформация), а при Р>F
Исключая из рассмотрения область F>F В книге (2) представлены данные использования в качестве электромеханического преобразователя полевого транзистора, управляющий электрод которого выполнен в виде диэлектрической подложки. Было показано, что положение ВАХ полевого транзистора зависит от прикладываемой силы, поскольку при этом изменяется сечение канала. Как указано в (3), использование канального транзистора позволяет управлять с помощью направленного усилия крутизной ВАХ, причем зависимость крутизны BAX от усилия близка к линейной. Предмет изобретения в (3) сформулирован "как применение канального транзистора в качестве тензодатчика". Однако возможности использования отдельно взятого полевого транзистора в качестве механоэлектрического преобразователя существенно ограничены в связи с наличием значительной температурной зависимости его характеристик, что допускает его использование как преобразователя лишь при фиксированной температуре. Авторами с целью повышения точности механоэлектрического преобразователя, расширения рабочего диапазона по давлению, обеспечения температурной стабильности датчика предложено использовать в качестве датчика механических величин .стандартную усилительную интегральную микросхему с дифференциальным входом на полевых транзисторах с р-п-переходом. При этом в отличие от преобразователя на единичном полевом транзисторе система температурной компенсации прибора (включающая и чувствительный к прикладываемому усилию или давлению полевой транзистор) обеспечивает температурную стабильность параметров.в рабочем диапазоне температур, а выходной сигнал микросхемы может быть использован в виде напряжения, тока или частоты периодических колебаний, пропорциональных внешней нагрузке и усиленных интегральной микросхемой до значений, достаточных для функционирования регистрирующих приборов или подачи непосредственно на устройства управления работой ЭВМ. Конструктивно датчик механических величин представляет собой промышленную интегральную микросхему с входом на полевых транзисторах с р-п-переходом, к затвору одного из которых (или к затворам обоих входных полевых транзисторов дифференциальной схемы — в случае противоположных знаков прикладываемой деформации) с помощью системы передачи механического усилия прикладывается направленная нагрузка. Конструктивные варианты системы передачи нагрузки (давления) представлены на фиг,1, 3, 5, 7, Индуцируемый механической нагрузкой сигнал после соответствующего преобразования и усиления интегральной микросхемой снимается с выхода ИС. На фиг.2, 4, 6 представлены зависимости выходного напряжения микросхемы от приложенной нагрузки. Изобретение иллюстрируется следующими примерами, Пример 1, Датчик механического усилия реализован на основе типовой интегральной микросхемы 140 УД 8Б (фиг.1). Стержень 1 для передачи усилия упирается клинообразным основанием в область затвора входного полевого транзистора на рп-переходе интегральной микросхемы, сформированной на кристалле 2 кремния направляющая втулка 3 служит для фиксации положения передающего усилие стержня 1, имеющего прямоугольное сечение, и упирающегося в область затвора полевого транзистора, сформированного на кристалле 2, смонтированного в корпусе 4. На фиг,2 представлена зависимость выходного напряжения микросхемы от нагрузки P. Пример 2. На фиг,7 представлено изображение датчика давления, изготовленного на основе интегральной технологии. Чувствительная к давлению окружающей среды мембрана 5 сформирована методом анизотропного травления в области монокристалла кремния, свободной от усилительных каскадов микросхемы, а входные полевые транзисторы формируются на мембране в областях, имеющих разные знаки деформации, что позволяет увеличить чувствительность датчика, На основе предложенного устройства представляется возможным реализовать датчики абсолютного, относительного или избыточного давления в зависимости от того, какое давление выбирается в полости под мембраной датчика в качестве исходного (эт алонкого) давления, 1765731 Формула изобретения Применение промышленной усилительной интегральной микросхемы на полевых транзисторах с р-и-переходом в качестве чувствительного элемента датчика механических величин, 17б5731 1765731 0,5 опь Фиг. 7 Составитель О,Полев Редактор 1,Лошкарева Техред М.Моргентал Корректор А,Ворович Заказ 3381 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ЮЦ е Ряаюа с 3м06н6!Ку ИОл955( ми p-n- p-рр Оо 09 Фцг. 6 
