Чувствительный элемент частотного преобразователя усилий и способ определения области приложения усилий в чувствительном элементе преобразователя усилий

СОЮЗ ССВЕТСНИХСОЕЬЛИСТИЧЕСНИКРЕСПУБЛИИ 5001 Ь 1 онтЦель итель ще стктуры личные макси одное. об УДАРСТВЕИНЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРИТЮ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСГВУ(54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭПЕМЕйТ ЧАСТОТИО-1 О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УСИЛИЙ И СПОСОБОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЛАСТИ ПРИЛОЖЕВИЯ УСИЛИЙ В ЧУВСТВИТЕЛЬНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УСИЛИЙ(57) Изобретение от рольно-измерительно изобретения - повью ности, Определяется вования йнура тока путем припокенйя ус точки структурйи о мальной чувствитель му сигналу на прило Величина измеряемог зуется в выходной с ной форме. Частота прямо пропорциональ приложенного усилия 2 ил. носится к к й технике. ение чувств область су данной стру илия в раз пределения ности по вь )кенное усил о усилия пр игнал в час колебаний т но зависит2 с.п. фИобретение относится к контрольно"измерительной технике и предназначено для измерения как статических, так и динамических усилий в различно-;з ГО родя явтОмятических сисРемах и установках.Целью изобретения является повышение чувствительности.11 а фиг. 1 изображена схема ЧЯ 1.Тот. ного преобразователя усилий с чувст" вительным элементом; на фиг 2 ВОЛЬТ-ампериал характеристика чувс "5- БиГельнОГО элемента частотно 10 преобразователя усилий.Устройство содержит чувствительный элемент 1, жесткое основание 2 оминеские контакты 3 и 4, регулируемый источник 5 питания постоянного ток Я, Огра 51 итп 1 тельный резистор 6 частотомер 7.Чувствительный элемент 1 представляет собой р-п-структуру, выполненную иэ высокоомного кремния с удельным сопротивлением 25 О Ом/см легирован ного фосфором. Концентрация ФосФО 15 Я 11 лежит в пределах 10" с ис 10 си, вС одной стороны структуры проведена компенсация фосфора золотом при . Этом электроны с донорных уровней ЗО Фосфора переходят на акцепторные уровни золота. Концентрация золота снижается от поверхности днах)уз 1 П 1 и в объеме чувствительного элемента лежит в пределах И с И с 2 И,. 11 ОИ.э 5 таком соотношении концентраций пол- НОСТЬЮ 9 ЯПОЛНЕН ЭЛЕКТООНЯМИ НИЖНИЙ акцепторный уровень золота и частичнор либо полностью - верхний. С.про= тнвоположнОЙ стороны струк"1 уры прО1 О ведена дифЪузия ялюминия НО концентрации И,11, лежащей в пределах10 си (2 1 О см, чем создана р+-область, Такал структура чувствительного элемента обесгечивает Б-об,- разную Вольт-ямпериую Характеристик 1.и является достаточным условием для генерации колебаний тока под действием приложенного усюп 1 яЧувствительный элемент у тянавлиБают на жесткое основание 2 и тем самым исключают возможность деформа - цик изгиба. Затем с помощью,омических контактов 3 и 4 чувствительныйзле 1 чент вкл 1 очяют в цепь ре Гулиремого источника 5 питания постоянноготока в прямом направленииОграничительный резистор 6 включен в цепь для ограничения тока череэ пс 11 упроводни 110 вую Струк уру меряемое усилие прикладь 1 вают к р -Об ласти чувстэнтелького элемента, я выходи Ой час тотцый си 1 к ял с иимают с резистора 6, который,регистрируется часго 1 омером 7, проградуировяиным в единицах усилий.При подаче капряжения в прямом направлении ца пслупроводцикову 1 о структуру рф-и-переход открыт, Напряженность поля распределена по структуре чувствительного элементав соответствии с неравномерностью распределения концентрации носителей по егс длине и неравномерностью их компенсации. Бс мере увеличения напряжения и соответственно нагряженности поля до критического уровня происходит энергетический разогрев электронов находящихся" ня дырочных уровнях золота как в п-, так и в р -Областях. Бри этом эа счет неравномерности распределения иходкой концентрации напряженность поля по. длине структуры 11 эмецяетс 51 цеодикяко ;во ц энергии электронов также различны,. В месте наибольшей концентрации носителей напряженность поля максимальна и энергетический разогрев носи".елей максимален. Часть электронов получает эцергк 5 о, достаточную для перехода с ко 11 пенс 11 руащего дырочкогоэнергетического уровня в эоцу проводимости, что вызывает уменьшение сопротивления и дальнейшее увеличеиие:напряженности пс 51 я в этом месте, аэто, в свою очередь, соответственно увеличивает количество носителей, переходяц 7 кх Б зону проводимости Про исходит лавинообразный процесс, приБодяп 51 й к полному выбросу электро нов с дырочкых энергетических уровней компенсации в зону проводимости, Структура переходит в состояние отрицательного днеренцкального сопротивления, в ней Образуется шнур така, .Сопротинлекне чувствительногоэлемента в шкуре резко падает до двух порядков. Капряжекцость электрического поля резко возрастает. Прн этом йапряжение, приложенное к чувствительному элементу пвактически полностью падает на область максимальной проводимас:и ,Область шкура гока) Вследствие резкого увелцчекия проводимости в области шнура тока происходит перераспределение плотносТО 1 Я ПО П 55 ОЩЯН ЦУНГТВЧтаЛЬ 11 ОГО140024 элемента. Напряженность электри еского поля в шнуре тока возрастает, а вне его резко падает. Уменьшение напряженности поля вне шнура тока вы 5 зывает процесс деиониэации электронов и постепенный их переход на компенсирующий уровень. В и-области переход носителей на компенсирующий уровень приводит к уменьшению проводимости и еще большему падению напряженности поля. В р-области уменьшение количества свободных электро" нов вне шнура тока вызывает увеличение скорости объемной рекомбинации электронов у стенок шнура тока и постепенное их разрушение. Начинается процесс разрушения шнура. Сопротивление шнура в р -области увеличивается, начинается новое распределение напряженности электрического поля по структуре: в области шнура она падает, вне шнура растет. Уменьшение напряженности электрического поля в шнуре приводит к переходу части 25 электронов на уровни компенсации золота. Происходит второй лавинообразный процесс разрушения шнура., Плот" ность тока в шнуре постоянно падает, и при некотором ее критическом значении шнур гаснет, после чего состояние структуры возвращается к исходному и весь процесс повторяет-, ся. Таким образом в структуре возникают колебания тока, обусловлен 35 . ные возникнове кием и раз рушением шнура тока. Область существования шнура тока строго определенна для данной полупроводниковой структуры, Определяется область существования шнура тока данной структуры (экспериментально) путем приложения усилия в различные точки структуры и определения максимальной чувствительности (области шнура тока) по вь- .ходному сигналу на приложенное усилие. Затем эта область с помощью метки фиксируется и таким образом получается область существования шнуратока для данной структур.Прк приложении измеряемого усишяи область существования шнура токапроисходит изменение расстояния междуатомами в полупроводниковой структуре. Это приводит к увеличению энергии,взаимодействия атомов решетки, изменению расположения энергетических эонодна относительно другой, а соответственно и изменению ширины запрещенной зонь 1. При изменении ширины запрещенной зоны изменяется прямо пропорционально частота колебаний в полупроводниковой структуре, обусловленнаявозникновением и распадом шнура тока,Таким образом, величина измеряемогоусилия, прикладываемого в областьсуществования шнура тока, преобразуется"в выходной сигнал в частотнойФорме, причем частота колебаний токав полупроводниковой структуре прямопропорционально зависит от приложенного усилия. Измерение частоты выходного сигнала частотомером, проградуированным в единицах усилий, позволяет однозначно определить величинуиэмеряемого усилия, приложенного кчувствительному элементу. Формула изобретенияЧувствительный элемент частотного преобраэователя усилий, содержащий монолитный кристалл с силовводящими поверхностями, размещенный на жестком основании, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности, монолитный кристалл выполнен в виде пластины из высокоомного кремния, легированного фосФором19 "3 до концентрации 10 с М . с 10 см одна поверхность пластины дополнительно легирована золотом до концентрации К, лежащий в пределах Нс К П с 2 М, другая поверхность - алюминием до концентрации И ; лежащей в пределах 10.с Хс 2 10 см , при этом Идъ И2, Способ определения области приложенкя усилий в чувствительном элементе преобразователя усилий, выполненном иэ монолитного кристалла, о тл и ч а ю щ к й с я тем, что формиру ют в чувствительном элементе шнур тока путем увеличения напряженности электрического поля до критическогозначения, фиксируют область существования шнура тока к прикладывают в6 эту область измеряемое усилие.