Преобразователь перемещений

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: повышение точности измерения линейных перемещений. Сущность: преобразователь содержит две полупроводниковые подложки с выполненными на них истоками и каналами, отделенным р-n переходами от подложек. На подвижном узле размещены изолированные зазорами от первой и второй подложек первый и второй металлизированные затворы. Толщина слоя металлизации затворов выполняется в зависимости от толщин кремниевого участка зазора и диэлектрического слоя изоляции канала, величин их температурных коэффициентов линейных расширений и температурного коэффициента напряжения питания на стоке. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения малых линейных перемещений с высокой точностью, а более конкретно для создания преобразователя перемещений на МДП-структурах.

Известен аналогичный преобразователь перемещений [1], который содержит чувствительный элемент из МДП-транзистора с отсоединенным затвором, применяемый в делителе напряжения. Сопротивление канала проводимости транзистора при постоянном напряжении на затворе зависит от расстояния между затвором и каналом проводимости.

Недостатком известного устройства является нелинейность статической характеристики.

В качестве прототипа выбран датчик перемещения [2], выполненный в виде МДП-структуры с подвижным затвором и примесно-имплантированным каналом в подзатворной области. Глубина канала, а также отношение концентраций донорной и акцепторной примесей в зоне канала и примыкающем к нему обедненном слое выполнены так, что статическая характеристика датчика становится линейной.

Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная тем, что при изменении температуры изменяется величина начального зазора h₀, толщина диэлектрического слоя h_д, изолирующего канал проводимости, и величина напряжения питания U_ст на стоке МДП-структуры. Эти изменения оказывают существенное влияние на стабильность сопротивления канала проводимости МДП-структуры.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение точности преобразователя перемещений на МДП-структуре.

Эта задача решается тем, что в преобразователе перемещения, содержащем первую полупроводниковую подложку с выполненным на ней первым истоком, первым каналом, отделенным первым р-n переходом от подложки и первым стоком, изолированный от первой подложки зазором первый металлизированный затвор, первый диэлектрический слой, отделяющий первый канал от первого зазора, отличающийся тем, что в устройство введена вторая полупроводниковая подложка с выполненным на ней вторым истоком, вторым каналом, отделенным вторым р-n-переходом от подложки и вторым стоком и второй металлизированный затвор, второй диэлектрический слой, отделяющий второй канал от второго зазора, второй металлизированный затвор размещен на одном подвижном узле с первым металлизированным затвором, толщина слоя металлизации первого и второго металлизированных затворов выполняется в зависимости от толщины кремниевого участка h_кр зазора и величины температурных коэффициентов в соответствии с математическим выражением

h_м - толщина слоя металлизации затвора; h_кр - толщина кремниевого участка зазора; - температурный коэффициент напряжения питания на стоке; α_кр - температурный коэффициент линейных расширений кремния; h_д - толщина диэлектрического слоя; α_д - температурный коэффициент линейных расширений диэлектрического слоя; α_м - температурный коэффициент линейных расширений слоя металлизации затвора.

К существенным отличиям заявленного устройства по сравнению с известным относится то, что толщина слоя металлизации затвора зависит от толщины кремниевого участка зазора и температурных коэффициентов линейного расширения, что позволяет получить оптимальное соотношение между ними и тем самым повысить точность устройства.

Предлагаемый преобразователь перемещений иллюстрируется чертежом.

Преобразователь перемещений содержит две одинаковые кремниевые пластины 1, в которых выполнены одинаковые МДП-структуры, состоящие из стоков 2, встроенных каналов 3 проводимости и истоков 7. Каналы 3 проводимости изолированы от внешней среды диэлектрическим слоем 4 двуокиси кремния, а от тела пластины 1 р-n-переходом 5 (канал - обедненный слой). К истокам 7 и стокам 2 подключены соответствующие напряжения питания 10 и 11. Между пластинами 1 размещена центральная пластина 15, на которой выполнен подвижный узел (маятник) 8. Подвижный узел 8 соединен с центральной пластиной 15 упругой перемычкой 9, выполненной как одно целое с подвижным узлом 8. На подвижном узле 8 с обеих сторон выполнены металлизированные затворы 6. Разность между толщинами центральной пластины 15 и подвижного узла 8 является кремниевым участком h_кр, величина которого для одной стороны составляет:

где h_цп - толщина центральной пластины 15; h_пу - толщина подвижного узла 8;

Между диэлектрическим слоем 4 и затвором 6 имеется газовый зазор h₀, равный разности между кремниевым участком h_кр и толщиной металлизированного затвора 6:

где h_м - толщина слоя металлизации затвора 6.

Обе МДП-структуры включены дифференциально в мостовую схему (не показана).

Работа предлагаемого преобразователя перемещений, например, в составе акселерометра осуществляется следующим образом. В нейтральном положении зазоры между каналами 3 и затворами 6 одинаковы, перемещение у=0 и соответственно изменение сопротивления R_к канала 3 равно нулю.

где L и z - длина и ширина канала 3 проводимости; μ_n - подвижность донорной примеси проводимости в зоне канала 3; ε_г - диэлектрическая проницаемость в газовом зазоре; U_ст - напряжение питания на стоке 2 МДП-структуры.

При дифференциальном включении двух одинаковых датчиков перемещения статическая характеристика известного устройства имеет вид:

где - сопротивления каналов 3 первой и второй МДП-структур.

При наличие перемещения у≠0 сопротивление каналов 3 и их знак изменяются в соответствии с формулой (4). На выходе мостовой схемы появляется напряжение, прямо пропорциональное величине перемещения.

Подставляя сопротивления каналов 3 первой и второй МДП-структур в формулу (3), получим:

где - подзатворные емкости первой и второй МДП-структур при последовательном соединении емкости диэлектрического слоя и емкости газового зазора; - емкости газовых зазоров; ε_г - диэлектрическая проницаемость газа в зазоре между диэлектрическим слоем 4 и затвором 6; h_г1=h₀+у, h_г2=h₀-у - зазоры между каналами 3 проводимости и затворами 6 с учетом перемещений подвижных затворов 6.

После преобразований формулы (5) с учетом значений подзатворных емкостей, получим:

Заменим в формуле (6) температурно-зависимые параметры в виде:

где , , , - значения параметров при нормальных условиях; ΔТ - изменение температуры.

Подставляя (7) в (6) и вычитая из полученного результата соотношение (6), приведенное к нормальным условиям, получим:

где - суммарная погрешность преобразователя.

Из требования нулевой погрешности в (8) получим соотношение (1), которое необходимо выполнить для обеспечения минимальной погрешности.

Преобразователь перемещения, содержащий первую полупроводниковую подложку с выполненными на ней первым истоком, первым каналом, отделенным первым р-n переходом от подложки, и первым стоком, вторую полупроводниковую подложку с выполненными на ней вторым истоком, вторым каналом, отделенным вторым р-n переходом от подложки, и вторым стоком, изолированные от первой и второй подложек зазорами первый и второй металлизированные затворы, размещенные на одном подвижном узле, отличающийся тем, что толщина слоя металлизации затвора выполняется в зависимости от толщины кремниевого участка h_кр зазора и величины температурных коэффициентов в соответствии с математическим выражением

где h_м - толщина слоя металлизации затвора; h_кр - толщина кремниевого участка зазора; - температурный коэффициент напряжения питания на стоке; α_кр - температурный коэффициент линейных расширений кремния; h_д - толщина диэлектрического слоя; α_д - температурный коэффициент линейных расширений диэлектрического слоя; α_м - температурный коэффициент линейных расширений слоя металлизации затвора.