Преобразователь давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 51)4 С 01 1. 9 ЯЯ 11 ЯЧ ДЯ ОБРЕТЕНИЯ ПИСА СТВУ(71) Одесский технологический институт холодильной промышленности(57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повыситьчувствительность преобразователя. Наодной стороне полупроводниковой пластины 2 выполнено углубление 3 в видеобращенной четырехгранной пирамиды,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ К АВТОРСКОМУ СВИДЕ в которой расположен жесткий центр. На противоположной стороне пластины 2 сформирован чувствительный элементоб, повернутый на угол 10-35 относительно диагонали основания пирамиды, при котором в элементе будут создаваться под действием давления максимально возможные напряжения сдвига.По обе стороны от элемента 6 выполнены геттеры 14 с размещенными под ними молекулярными структурами на пластине 2 под слоем окисла. Благодаря наличию молекулярных структур в области потенциальных контактов 13 элемента 6 возникают большие сдвиговые напряжения, преобразуемые в разность потенциалов, пропорциональную давлению среды. 4 ил.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению давления жидких и газообразных сред.Целью изобретения является повышение чувствительности.На фиг,1 показан предлагаемый преобразователь, разрез; на Фиг,2 - полупроводниковая пластина, на планарной стороне которой сформирован чувствительный элемент; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.2; на Фиг.4 - обращенная четырехгранная пирамида, чувствительный элемент и геттеры, расположенные в пространстве с системой координат (100), (010), (001) .Устройство содержит корпус 1, в котором установлена полупроводниковая пластина 2, в которой выполнено углубление 3 на стороне 4, а на противоположной стороне 5 сформирован тензочувствительный элемент 6, представляющий собой тензорезистор с поперечной пьезоЭДС. В корпусе 1 размещен также упругий элемент 7 с ицентичным углублением 8, имеющим также Форму обращенной четырехгранной пирамиды, Упругий элемент 7 представляет собой полупроводниковую пластину сформированную в едином технологическом процессе, в которой электрические параметры чувствительного элемента б не отвечают предъявленным требованиям.Жесткий центр 9 размещается в углублениях 3 и 8, при этом упругий элемент 7 и полупроводниковая пластина 2 соединены между собой и с корпусом посредством гибкой связи 10, например резиноподобным компаундом. Полупроводниковая пластина 2 при этом свободно лежит на буртике 11 корпуса 1. Тензорезистор с поперечной пьезоЭДС имеет токовые контакты 12 и потенциальные контакты 13, по обеим сторонам которых расположены геттеры 14. Между слоем окисла 15 и поверх. ностью 16 полупроводниковой пластины 2 непосредственно под геттерами 14 расположены молекулярные структуры 17, содержащие, например, натрий, Вершина обращенной четырехгранной пирамиды 3 расположена над потенциа-. льными контактами 13 тензорезистора6. си симметрии тензорезистора бповернуты относительно осей системыкоординат (100) и (010) плоскости(001) пластины 2 на угол 10-35 , причем оптимальным является угол 22 30,опри котором наблюдаются максимальныенапряжения сдвига. Указанные оси системы координат совпадают по направлению с диагоналями основания четы рехгранной пирамиды, в результатечего поверхности, ограничивающиеуглубление вида обращенной пирамиды,являются плоскостями (111), (111),(111), (111).К потенциальным контактам 13 подходят токопроводящие дорожки 18, которые можно выполнить в виДе многослойной металлизации, первым компонентом которой является вольфрам.Углубление вида обращенной четырехгранной пирамиды, ограниченноеплоскостями (1 П), определяется прежде всего созданием в полупроводниковой пластине максимальных поперечных О и сдвиговых напряжений при воздействии давления на упругий элемент, помимо напряжений изгиба и растяхениясжатия. Это следует прежде всего изтого, что плотноупакованные поверхности в полупроводниках типа алмазаявляются плоскостями скольжения ипри давлении жесткого центра на поверхности (111) в полупроводниковой1пластине будут создаваться большие ЗО сдвиговые напряжения. При этом пластина будет подвергаться такхе изгибув двух плоскостях (110) и (100) .При развороте чувствительногоэлемента в нем будут создаваться мак симально возможные напряжения привоздействии давления, которое передается посредством упругого элементаи жесткого центра. Поскольку область,преобразующая механические напряже О ния в полупроводниковой пластине вэлектрическое напряжение, локализована вблизи потенциальных контактовтензорезистора, то вершина пирамидырасполохена нац потенциальными кон тактами. Располагая тензорезистор с поперечной пьезоЭДС на мембране под опатимальным углом 22 30, от направления (100), можно получить чувствительность, которая будет составлять в пределе 727. по сравнению с чувствительностью тензомоста, Причем для конкретного п-типа проводимости резистора, залегающего на глубине 1,97:. +-0,07 мкм при толщине мембраны около 60 мкм, Б =370+10 Ом/квадрат. В других случаях чувствительность меньше, 1255879Снабжая полупроводниковую пластину тензорезистором с поперечной пъезоЭДС в сочетании с четырехгранной пирамидой и варьируя углом поворота транзистора относительно диагонали основа ния пирамиды, можно получить чувствительность примерно в 2,5 раза большую, чем для конструкции с тонкой мембраной.Устройство работает следующим образом.При воздействии давления среды на упругий элемент 7 последний посредст-вом жесткого центра 9 преобразует распределенное давление контролируе мой среды в сосредоточенную нагрузку на точки контакта жесткого центра с поверхностями (111) обращенной пирамиды 3. В результате такого взаимного воздействия элементов преобразо вателя давления в полупроводниковой пластине 2 в районе потенциальных контактов 13 тензорезистора 6 с поперечной пъезоЭДС создаются большие напряжения растяжения, изгиба и сдвига, кото рые преобразуются в разность потенциалов на контактах 13, пропорциональную давлению среды, питающему напряжению на токовых контактах 12 пъезорезистивным коэффициентом, зависящим от 30 кристаллографической ориентации тензорезистора 6, а также геометрических характеристик тензорезистора, По обеим сторонам от потенциальных контактов 13 существуют области с понижен- З ной степенью упругости, т.е. с модулем сдвига, равным 1/2 (с-с)=1/2 х "(2,35-1,58)=0,385 х 10 дин/см, который меньше модуля сдвига матрицы примерно в 13 раз: С =1/2(16,57-6,39)= да=5,09 10 дин/см. При воздействии давления среды благодаря наличию молекулярных структур 17 с натрием в области потенциальных контактов 13 возникают сдвиговые напряжения, которые будут примерно в 13 раз больше, чем без молекулярных структур 17, включающих натрий. За счет применения углубления 3 вида обращенной пирамиды и соответствующей ориентации тензорезистора 6 относительно этой пирамиды 3 с потенциальных контактов 13 можно снимать сигнал, примерно в 2-2,5 раза больший, чем для тензорезистора на тонкой мембране. Следовательно, суммарная чувствительность, полученная в результате влияния всех существенных признаков, будет примерно в 15 раз больше чувствительности для тензорезистора с поперечной пъезоЗДС, расположенного на тонкой мембране.Если выполнить металлизацию 18 (фиг.3) многослойной, первым элементом которой будет вольфрам, то чувствительность может повыситься еще больше. Это объясняется по аналогичному ходу рассуждений и связано с коэффициентами упругости для вольфрама: с =50,1 10, с, =19,8 10 дин/смОднако выплнение металлизации многослойной удорожает стоимость преобразователя давления, целесообразность .определяется назначением.Гибкая связь 10 позволяет исключить влияние температурных погрешностей за счет теплового расширения, а также погрешностей за счет случайньж перекосов и пр.Формула изобретенияПреобразователь давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий элемент и полупроводниковая пластина со слоем окисла, на одной из сторон которой сформирован чувствительный элемент с контактами, а на другой выполнено углубление, в котором расположен жесткий центр со сферической поверхностью, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с цельюповышения чувствительности, в нем выполнено углубление в виде обращенной четырехгранной пирамиды, а чувствительныйо элемент повернут на 10-35 относите" льно диагонали основания четырехгран-ной пирамиды, вершина которой распо" ложена над контактами чувствительного элемента, при этом по обе стороны чувствительного элемента выполнены геттеры, под которыми расположены молекулярные структуры, размещенные на пластине под слоем окисла.,Зимокос а оизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ун. Проектная, 4 4813/41 Тир ВБИИПИ Государст по делам изо 113035, Москва, Ж енного к ретений5, Раушс Подписное митета СССР открытий ая наб., д. 4/5