Тензопреобразователь давления

 

Использование: техника, медицина, метеорология, научные исследования, для измерения давлений жидкостей и газов. Цель - увеличение выходного сигнала и упрощение технологии изготовления. Сущность изобретения: тензопреобразователь давления, содержит квадратный упругий элемент 1, выполненный из кремния n-типа проводимости с кристаллографической плоскостью (100), и чувствительный элемент 2, выполненный из кремния p-типа проводимости с центром, лежащим в направлении [110], расположенный на краю упругого элемента, и осями, лежащими в направлениях <100>. Чувствительный элемент 2 выполнен в виде симметричного креста, а токовые 3, 4 и потенциальные 5, 6 контакты расположены на торцевых сторонах лучей креста. Устройство позволяет увеличить значение выходного сигнала из-за выбора специальной формы области растекания токов, и упростить технологию изготовления тензопреобразователя давления. 2 ил. Ых

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения давлений жидкостей и газов в технике, медицине, метеорологии и научных исследованиях.

Известны тензопреобразователи давления, содержащие монокристаллический четырехконтактный кремниевый чувствительный элемент, имеющий форму прямоугольника с четырьмя контактами [1] принцип работы которых заключается в следующем.

На упругий элемент толщиной 15-100 мкм подается измеряемое давление. Упругий элемент прогибается под воздействием этого давления. При этом картина поля растекания токов внутри чувствительного элемента изменяется. При рассмотрении поля растекания токов было замечено, что линии напряженности электрического поля поворачиваются на угол Θ пропорциональный приложенному давлению относительно линии тока. Поэтому на потенциальных контактах чувствительного элемента, расположенных поперек направления протекания тока, появляется выходное напряжение.

Устройство [1] имеет следующий недостаток.

Токовые электроды, покрывающие всю короткую сторону чувствительного элемента, оказывают шунтирующее действие на получаемый выходной сигнал. Для устранения этого эффекта длину области растекания тока приходится увеличивать, что приводит к возрастанию габаритов чувствительного элемента и вдобавок ведет к возрастанию входного сопротивления чувствительного элемента, что нежелательно.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство [2] которое содержит квадратный упругий элемент, выполненный из кремния n типа, с кристаллографической плоскостью (100), на котором из кремния p типа сформирован чувствительный элемент прямоугольной формы. Чувствительный элемент расположен на краю упругого элемента в области максимальных деформаций. Центр области растекания токов лежит в направлении [110] Продольная ось чувствительного элемента повернута на угол 45^o относительно направления [110] Потенциальный контакт имеет длину 20 мкм, что составляет 1/10 от длины чувствительного элемента.

Устройство прототип работает следующим образом.

При наличии измеряемого давления упругого элемента возникают механические напряжения, деформирующие упругий элемент. Возникновение деформации приводит к изменению электропроводности кремния и появлению выходного сигнала на потенциальных контактах. Как показано в [2] величина выходного сигнала V_out прямо пропорциональна механическому напряжению T_xy (формула II). Это механическое напряжение имеет максимум для указанного расположения и ориентации чувствительного элемента. Располагая чувствительный элемент указанным выше образом, добиваются увеличения выходного сигнала.

Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Это устройство имеет ряд недостатков: тензопреобразователь [2] имеет область растекания токов прямоугольной формы с токовыми контактами, покрывающими всю короткую сторону и потенциальными, много меньшими по размеру токовых. При создании микроминиатюрных тензопреобразователей, когда необходимо уменьшить размеры области растекания тока (в прототипе 200 мкм), начнет сказываться шунтирующее влияние токовых электродов, что приводит к уменьшению полезного выходного сигнала. Для устранения этого нежелательного явления размеры токового электрода следует уменьшить так, чтобы последний покрывал лишь часть короткой стороны области растекания тока. В этом случае шунтирующее действие токовых электродов уменьшится, но распределение тока вблизи токового электрода станет сильно неоднородным, возникает приконтактное возрастание плотности тока, что вызовет тепловой разогрев приконтактных областей, что нежелательно. Для устранения этого приходится снижать напряжение питания, что приводит к уменьшению абсолютного значения выходного сигнала, что также нежелательно.

Конечные размеры (длина) потенциальных контактов оказывают существенное влияние на распределение потенциала внутри области растекания тока. Увеличение размеров потенциальных контактов приводит к уменьшению значения выходного сигнала тензопреобразователя. Для устранения этого отношения длины контакта к длине стороны, вдоль которой течет ток, стремятся поддерживать малым, в прототипе оно равно 0,1.

Технологические ошибки размещения потенциальных контактов друг против друга приводят к возникновению начального выходного сигнала, т.е. выходного сигнала в отсутствие измеряемого давления. Начальный выходной сигнал является температурно-зависимым и его величина обычно возрастает при уменьшении области растекания токов. При создании микроминиатюрных тензопреобразователей, когда размеры длинной стороны указанной области уменьшаются, для ослабления влияния потенциальных контактов на выходной сигнал последние приходится делать все более узкими, приближаясь к точечным, что однако, усложняет технологию изготовления, поскольку требует дополнительных операций контроля в процессе фотолитографии, что нежелательно.

Изобретение направлено на увеличение значения выходного сигнала из-за выбора области растекания токов специальной формы, и упрощение технологии изготовления.

Это достигается тем, что в известном устройстве, содержащем квадратный упругий элемент, выполненный из кремния n-типа проводимости с кристаллографической плоскостью (100) и чувствительный элемент с токовыми и потенциальными контактами, выполненный из кремния p-типа проводимости, с центром области растекания токов, лежащем в направлении [110] и расположенный на краю упругого элемента, и осями, лежащими в направлениях <100>, чувствительный элемент выполнен в форме симметричного креста, а токовые и потенциальные контакты расположены на противоположных торцевых сторонах лучей креста соответственно.

На фиг. 1 изображен общий вид тензопреобразователя давления; на фиг. 2 - общий вид чувствительного элемента.

Устройство (фиг. 1) содержит упругий элемент 1 и чувствительный элемент 2, сформированный методом интегральной технологии. Упругий элемент 1 выполнен из кремния n-типа проводимости с кристаллографической плоскостью (100), например, методом жидкостного травления в едком калии /КОН/. Чувствительный элемент 2 представляет собой тонкий слой кремния p-типа проводимости в виде симметричного креста (фиг. 2), сформированный термической диффузией, или ионной имплантацией, или эпитаксиальным наращиванием. Токовые и потенциальные контакты покрывают всю короткую сторону лучей креста и могут быть выполнены, например, напылением алюминия с последующей фотолитографией.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемое давление распределено равномерно с интенсивностью q по площади упругого элемента 1 (фиг. 1). Между токовыми контактами 3 и 4 (фиг. 2 б) приложено напряжение питания. Измеряемое давление деформирует упругий элемент, что приводит к возникновению выходного сигнала на потенциальных контактах 5 и 6. Из-за прямоугольной геометрии лучей креста в области 7 и 8 предлагаемого варианта чувствительного элемента (фиг. 2 а) так же, как и в прямоугольном чувствительном элементе [2] перенос тока происходит параллельно оси абсцисс. В области 9, которая определяет величину полезного сигнала, из-за наличия потенциальных контактов направление переноса тока в центре области 9 изменяется. Однако, благодаря тому, что длина области 9 значительно меньше ее ширины, потенциальные контакты не вносят существенного искажения в картину поля в центре области 9.

Таким образом, в отличие от прямоугольной формы чувствительного элемента [2] в предлагаемом варианте в широком интервале значений отношения длины контакта к длине чувствительного элемента отсутствует шунтирующее влияние потенциальных контактов на выходной сигнал.

Симметричная крестообразная форма чувствительного элемента обеспечивает более высокую чувствительность в широком диапазоне длин "C" потенциальных контактов, чем квадратная или используемая в [2] прямоугольная форма. Это обеспечивает более высокий выходной сигнал.

За счет того, что область растекания токов в предлагаемом варианте имеет специальную форму, температурный разогрев приконтактных областей снижается. Это связано с тем, что в силу специфичности формы симметричного креста коэффициент формы, т. е. отношение входного сопротивления к поверхностному сопротивлению для чувствительного элемента, выполненного в форме креста может быть существенно выше, чем для чувствительного элемента квадратной формы.

Предлагаемая симметричная крестообразная форма чувствительного элемента упрощает технологию изготовления тензопреобразователя давления, поскольку большая длина токовых и потенциальных контактов снижает вероятность ошибок совмещения, возникающих при выполнении фотолитографии, что не требует дополнительных операций контроля при изготовлении.

Таким образом, устройство позволяет увеличить значение выходного сигнала из-за выбора специальной формы области растекания токов и упростить технологию изготовления.

Формула изобретения

Тензопреобразователь давления, содержащий квадратный упругий элемент, выполненный из кремния n-типа проводимости с кристаллографической плоскостью (100), на котором сформирован чувствительный элемент с токовыми и потенциальными контактами, выполненный из кремния p-типа проводимости и расположенный на краю упругого элемента в области максимальных деформаций, при этом оси симметрии чувствительного элемента лежат в направлениях <100>, а его центр области растекания токов лежит в направлении [110] отличающийся тем, что в нем чувствительный элемент выполнен в виде симметричного креста, а токовые и потенциальные контакты расположены на противоположных торцевых сторонах лучей креста соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2