Тензопреобразователь давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую квадратную мембрану с продольными и поперечными тензорезисторами, мембрана имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной. Технический результат - увеличение выходного сигнала тензопреобразователя давления. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Известен тензопреобразователь давления мембранного типа с мембраной, имеющей два концентратора механического напряжения (деформации) [1]. Все тензорезисторы расположены поперек оси симметрии мембраны (поперечные тензорезисторы): два между ее краем и концентратором механического напряжения (1 и 3 тензорезисторы) и два в центре мембраны между двумя концентраторами механического напряжения (2 и 4 тензорезисторы). Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление R_j тензорезистора j зависит от деформации (ε ) поверхности мембраны в месте расположения резистора

R_j=R_j(ε ).

Деформация ε пропорциональна приложенному давлению P

ε =А(Т)P,

где А(Т) - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.

Сопротивление j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как:

R_j=R(l+Kε _j), j=1, 2, 3, 4,

где К - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора.

В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде:

U_вых.=U_пит.(Кε ₁-Кε ₂+Кε ₃-Кε ₄)/4, (1)

где U _num. - напряжение питания моста,

ε ₁, ε ₂, ε ₃, ε ₄ - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.

Коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов кремния р-типа равны:

K=-(1+v_Si)m₄₄,

где v_Si - коэффициент Пуассона кремния,

m₄₄ - коэффициент эластосопротивления кремния p-типа.

Тензорезисторы расположены так, что ε ₁=ε ₃, ε ₂=ε ₄ и имеют разные знаки. Тогда формула (1), без учета знаков деформаций тензорезисторов, может быть записана в виде:

U_вых.=U_пит.К(ε ₁-ε ₂)/2.

Наличие концентраторов механических напряжений на мембране позволяет увеличить деформацию в местах расположения поперечных тензорезисторов из кремния p-типа по сравнению с плоской мембраной и соответственно увеличить выходной сигнал мостовой схемы до 50% без увеличения нелинейности выходного сигнала мостовой схемы [1].

Недостатками рассмотренной конструкции тензопреобразователя давления является то, что в этой конструкции используются только поперечные тензорезисторы. Поэтому данная конструкция возможна исключительно при использовании тех материалов, у которых коэффициент тензочувствительности поперечных тензорезисторов близок по абсолютной величине к коэффициенту тензочувствительности продольных тензорезисторов, как, например, в кремнии p-типа проводимости, у которого коэффициенты тензочувствительности поперечных и продольных тензорезисторов равны по абсолютной величине, а также указанная конструкция не допускает миниатюрное исполнение с продольными тензорезисторами.

Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси. Тензопреобразователь давления изготовлен методами микроэлектронной технологии.

Механические напряжения в плоской квадратной мембране (Фиг.3) имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (Т_L) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (T₁) и связаны с деформациями следующими соотношениями:

ε _L=S₁₁· T_L+S₁₂· T_t, ε _t=S₁₂· T_L+S₁₁· T_t

где S₁₁ и S₁₂ - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.

Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T_L>>T_t и ε _t≈ 0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:

U_вых.=U_пит.(K_Lε _L1-K_tε _L2+K_Lε _L3-K_tε _L4)/4, (2)

где K_L - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,

K_t - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,

ε _L1, ε _L2, ε _L3, ε _L4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что при типичных размерах мембраны 2000× 2000 мкм² и тензорезисторов 200× 20× 0,5 мкм³, 150× 15× 0,5 мкм³, 100× 10× 0,5 мкм³ средние механические напряжения (средние деформации), действующие на продольные тензорезисторы, расположенные у края мембраны, меньше максимальных соответственно на 35%, 27%, 18% (см. Фиг.1 Приложения). Учитывая, что коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов из поликристаллического кремния соответственно равны 36 и -11.2, выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного (резисторы - точечные и расположены на краю мембраны) соответственно на 26%, 21%, 14%.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение выходного сигнала тензопреобразователя давления.

Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления мембранного типа с продольными и поперечными тензорезисторами, расположенными у края мембраны, мембрана не плоская, а имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной.

На Фиг.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления, на Фиг.2 - разрез тензопреобразователя давления по А-А, на Фиг.3 и 4 - зависимости безразмерных механических напряжений T_L/T_Lmax и T₁/T_Lmax от безразмерной координаты х/а в мембране с тонкой средней частью.

Тензопреобразователь давления (Фиг.1) содержит: 1 – мембрану; 2 - поперечные тензорезисторы, расположенные на мембране 1; 3 - продольные тензорезисторы, расположенные на мембране 1; 4 - алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 2, 3; 5 - контактные окна к тензорезисторам.

На Фиг.2 приведен разрез тензопреобразователя давления по А-А: 1 – мембрана; 6 - подложка (опорное основание); 7 - изолирующий окисел на поверхности мембраны 1; 8 - защитный окисел.

Квадратная мембрана 1 (см. Фиг.1, 2) расположена в средней части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением подложки 6 из монокристаллического кремния со слоем изолирующего окисла 7 и имеет разную толщину, причем у краев толще, чем в средней части. На поверхности мембраны 1 (см. Фиг.1) методами микроэлектронной технологии сформированы поперечные 2 и продольные 3 тензорезисторы. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла 8, в котором вскрыты окна под контактные площадки 5.

Устройство работает следующим образом.

При действии давления на тензопреобразователь давления происходит деформация мембраны 1, которая передается поперечным 2 и продольным 3 тензорезисторам. Механические напряжения вдоль оси симметрии мембраны в зависимости от безразмерной координаты х/а в мембране с общим размером а× а=2000× 2000 мкм², толщиной толстой части 30 мкм и толщиной тонкой части 25 мкм, размером 1800× 1800 мкм², рассчитанные методом конечных элементов, приведены на Фиг.4.

Продольные 3 и поперечные 2 тензорезисторы расположены на толстой части мембраны, продольные 3 от до а поперечные 2 от до Средние механические напряжения в продольных тензорезисторах меньше максимальных на 4%, а не на 18%, как в случае плоской мембраны при длине тензорезисторов 100 мкм. Для поликремниевых тензорезисторов с коэффициентами тензочувствительности продольных тензорезисторов К_L=36 и поперечных тензорезисторов K_t=-11.2 выходной сигнал мостовой схемы, вычисленный по формуле (2), будет меньше максимально возможного (тензорезисторы - точечные и расположены на краю мембраны) на 6%.

Таким образом, по сравнению с прототипом выходной сигнал мостовой схемы увеличивается на 12%.

Литература

1. L.В. Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.17, No.1, 83-87.

2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.

Формула изобретения

Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую мембрану, на которой расположены продольные и поперечные тензорезисторы, отличающийся тем, что мембрана имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4