Полупроводниковый тензодатчик
О П И С А Н И Е ()401291
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
Сокзэ Советских
Социалистических
Республик
tt АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. санд-ву(22) Заявлено 06.07.71 (21) 1675684/26-25 с присоединением заявки №(23) Приоритет
2 (51) М. Кл, Н 01 Ь 41/10
Государственный комитет
Сомта тйнннотроа СССР ао делам изобретений и отнрытни (43) Опубликовано05,08,77,Бюллетень № 29 (53) УДК 621.382 (088.8) (45) Дата опубликования описания 05Я9.77 (72) Авторы изобретения
В, А. Романов, И. П, Жадько и Б. К Сердега (73} Заявитель
Институт полупроводников AH Украинской ССР (54) ТЕ Н ЗОДАТ ЧИК
Изобретение относится к датчикам механических и акустических давлений и может быть использовано в качестве преобразователя последзеих в электрические сигналы, Известны пюетупроводниковые тензорезисторы, содержацтие брусок или пленку иэ германия, кремния или других полупроводниковых материалов с Двумя токовыми. апектродвмие
Принцип действия полупроводниковых тенэо-1О реетисторов основан на эффекте пьеэосопротивления, который, как правило, сильно анизотропен. Анизотропия пьезосопргтивления в
Э полупроводниках обусловлена сложной структурой их энергетических эон. Кристаллогра- 15 фическая ориентация бруска или пленки, из которых затем изготавливают тенэорезистор, обычно такова, что деформируюшее усилие зтрикладьтвают в направлении максимального значения коэффициента пьеэосопротивленитп 20 направление электрического тока обычно совпадает с направлением деформации. Вследствие этого ток и электрическое поле в таком бруске или пленке коллинеарны. В частности, для тензореэисторов, наготовленных нз гер- 25 мани,и а- и . P — типа и кремния P - типа, .максимальный тенэоэффект достигается, когда направление деформации н тока совпадает с крнсталлографическим направлением
jill), а для кремниятт- типа - с (100(.
Для преобразования механической деформации в соответствующее изменение электрического сигнала, тензореэисторы обычно используются как активные элементы потенциометрических (а) или мостовых (б) схем. Тензопреобразователем фактически, является тет эорезнстор в совокупности с одной иэ укаэанных схем, I
Величина изменения падения напряжения на тенэорезисторе в первом случае (a) или величина разбаланса моста во втором случае (б) служит мерой деформации.
Зависимость выходного. сигнала для схем обоих типов от величины относительного изменения сопротивления активного элемента д /3 в обшем случае нелинейна, что особенно заметно при больших деформациях и соответственно больших hRjR, достигаюшнх 2030% для полупроводниковых тензорезисторов, 401291
Для устранения этого эффекта в схемах типа (a) обычно используют схемы постоянства тока, однако,. при этом требуются источники с повышенйым напряжением, что в ряде случаев нежелательно. Кроме того, снижается
КПД преобразователя. Схемная нелинейность . может быть устранена и применением урав новешенных мостовых схем (б), но это уоложняет процесс измерений или требует слож ных автоматических схем. 10
Наличие, существенной температурной зависимости сопротивления,недеформированнога . тензорезистора приводит к возникновению сигнала "кажущейся деформации", Так, например, дпя тензорезистора, изготовленного из германия и,- типа с удельным сопротивлением . 5 Оьцсм изменение комнатной темтйзратуры на 1 С вызывает такое же изменение сопротивления, как изменение нагрузки на 120130 кг/см2.
26
Этот недостаток обычно минимиэируется . путем применения низкоомных материалов для изготовления тенэорезисторов, однако,: при этом снижается тензочувствительность.
Вторым методом является использование Р термокомпенсации алементов схем с помощью термисторов и т.д, или наряду с деформируемыми тензорезисторами таких же недеформируе мых и находящихся в одинаковых с первыми температурШ лх условиях.
Все эти методы сложны и имеют, ограни» ченный температурный диапазон;
Применение тензорезисторов в стандарч ной измерительной, аппаратуре требует достаточно строгой унификации, - их параметров, прежде всего их полного сопротивления.
14ель изобретения - обеспечение линеаризации характеристик тенэодатчика и температурной их стабилизации, Это достигается тем, что полупроводникоN вый тензодатчик имеет два допопнитепьжьх боковых электрода н полупроводникова: пластина ориентирована под углом к кристаллографическому направлению кристалла, вдоль которого коэффициент пьезосопротивления макЬ симален.
В качестве примера реализации предлагаемого полупроводникового тензодатчика был изготовлен слиток германия П- типа с удель-8 .ным сопротивлением 10 Ом см.
Чувствительный элемент выпопненв виде рямоугспьной пластины с размерами 1 »10мм, 1
2,5мм, =1мм, Оси Х и У лежат в кристалле графической плоскости (120), причем, ось
Х повернута от оси (111) на угол 30 в сторону оси (100j. В.плоскости {110) расположены два боковых, симметрично расположенных, эквилотенциальных IIO отношению к полю Е, эпектрода, На торцы пластины
4 и боковые апектроды пайкой олова с 5% сурьмы нанесены омические контакты.
При одноосной деформации в направлении оси X и приложении,в этом же направлении напряжения U+ (к токовым контактам) элек, гропроводность германия становится анизо» тропной и, поскольку при избранной кристалЬографической ориентации пластины апектрическое попе - - приложено под углом к е главным комйонентам тензора электропровод ности, возникает поперечное поле (4)
Ьу Ья" где U q и 0> - недиагонапьная и диагональная компоненты тензора подвижности апектронов, .
Э.д.с,,U возникающая на боковых алек тродах, райна у К. У у
Ьх г (2)
Ууу <х
Для получения максимального эффекта при прочих равных условиях выбрана такая кристалл ографическая ориентация пластины германия, чтобы отношение "" было максимальным
УУ
В этом случае х - =0,38 10 е Х (3) Г Э где Х - деформирующее усилие в направлении и Х п ин и, кг/сьР.
Таким образом, 0q=-0,Ъ8 10 4 X — Я И (4)
Экспериментально полученная зависимость поперечной э.д.с. от деформирующего усилищ
Х для пластины с указанными размерами ли» нейна вплоть до 2 ;10Зкг/см2.
Таким образом, предлагаемый попупровод» никовый тенэодатчик обладает следующими преимуществами по сравнению с известными
Тензодатчик в целом представляет собой аналог мостовой схемы с использованием тензореэистора-прототипа, т.е °,фактически сам по себе является преобразователем ме ханического усилия в соответствующий алек-. трический сигнал.
Э.д.с. U> в случае отсутствия деформации равна нулю и линейно возрастает с ростом деформации. Вследствие этого предлага емый прибор может использоваться с приме» нением как статических, так и динамических нагрузок.
При работе предлагаемого тензодатчика принципиапьно отсутствуют схемные нелиней» ности. Отсутствует температурная зависимость выходного сигнала у недеформированно401291
Составитель А, Кот
Техред 3. Фанта: Корректор С» Патрушева
Редактор И. Груэова
Заказ 2B30/46 Тираж 976 Подписное
UHHHHH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4
"> датчика З д с . равна нулю при любых его температурах. 1 емпературная зависимость) тенэочувстви-.. тельности такая же, как и у тензодатчикапрототипа, выполненного иэ материала с таким же, как и у предлагаемого датчика удель ным сопротивлением.
Датчик работает в режиме) постоянного приложенного напряжения, поэтому КПД
1О его выше, чем у тензодатчика-прототипа.
Так как сам по себе датчик является генератором напряжения, величина его полного сопротивления не существенна, а величина выходного сопротивления важна липп для пе ли согласования с усилительным устройст вом, если таковое должно быть использова- но, и, вообще говоря, некритична.
Предлагаемый тензодатчик может быть выполнен на основе монокристаллической полупроводниковой пленки.
Ф ормула изобретения
Тенэодатчик на основе полупроводниковой пластины, ориентированной под углом к глав ным кристалл ографическим направлениям, с двумя. токовыми контактами, о т л и ч а ю шийся тем, что с целью линеариэации его характиристик и темпааатурной их стабилизации, полупроводниковая пластина снабжена двумя дополнительными боковыми электродами, являющимися эквипотенцнальными в отсутствий деформации.
