Тензометрический акселерометр

(Я)4 С 0 15 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ С ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТН Е ИЗОБРЕТВИДЕТЕЛЬСТВУ ОПИСАН К АВТОРСКОМ(21 ) (22) (46) (71) рован го ст (72) (53) ( 10- расстояние междвершинами проти ных прорезей, р ных вдоль попер ум я положположенной оси У 1нститут по проек ий энергетическо "Оргэнергострой ти ензорезисто Ф - расстояние между двумя вершинами противоположных прорезей, расположенных вдоль продольной оси тензорезистора;15 - соответственно длина иширина тензорезистора,2. Акселерометр по п.1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что прорези расположены последовательно вдоль главных кристаллографических осей полупроводникового материала консоли, а тензорезистор расположен между вершинами смежных прорезей, при этом геометрические размеры их связаны между собой следующим с отношением - 4йС - , а)1 н.8борных устройснко, М.: Высшас.168-170,(54)(57) 1.ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИИ АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий корпус, инерционную массу, закрепленную в корпусе на упругой консоли из полупроводникового материала, имеющей концентратор механических напряжений в виде вырезов в месте ее крепления в корпусе и .полупроводниковые тензорезисторы, расположенные на консоли, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности акселерометра, вырезы выполчиены в виде многоугольных прорезей, тензорезисторы расположены напротив вершин прорезей и каждый.из них ориентирован поперек биссектрисы, угла вершины, при этом геометрические раз меры тензорезистора и прорези выбраны из соотношенияФ Мф о Ффумя стояние межд г углов З.Акселе отлич а консоль име вершины кот дольной оси стояния межд; - ),1;с -: 1- с,10,- размер области распрост ранения концентрации ме ных напряжений; е соотношени 3722335/2405.04.8407.01.86.БюлВсесоюзныйию организапоительстваЭ.Л.Егиазар531.768 0856) Элементы прод ред. О.Ф.Тищшкола,1982, ч.".,ис.22,37,смежными вершинампрорези;/- число вершины рези.ометр по пп. 1 и 2,ю щ и й с я тем, чт дополнительные прореых расположены на проензорезистора, а рас ними определяется12034 20 30 1Изобретение относится к измерительной технике, в частнос ги к микроэлектронным измерительным преобразователям ускорений, и может быть использовано для измерения ускорений при движении различных объектов.Цель изобретения - повышение чувствительности тенэометрического акселерометра.На фиг.1 представлена конструкция 10 тенэометрического акселерометра с полной мостовой схемой измерения; на фиг.2 - то же, с другим вариантом расположения концентраторов напряжений и с полумостовой схемой измерения; на фиг.3 - упрощенная объемная эпюра механических напряжений вблизи углов вырезов, объясняющая механизм возникновения небольших местных напряжений у концентраторов напряжений; на фиг,4 и 5 - эпюры напряжений (объемная и плоская) у концентраторов напряжений, объясняющие механизм возникновения зон концентраторов напряжений: 25Тензометрический акселерометр (фиг.1 и 2) содержит полупроводниковую пластину 1 любого типа проводимости, например, монокристаллическую кремневую пластину О -типа.Полупроводниковая пластина 1 разделена фигурными прорезями 2, являющимися концентраторами напряжений, на две части: подвижную часть 3 - инерционную массу и неподвижную35 часть 4. Таким образом, акселерометр представляет собой консольно закрепленную в корпусе (корпус условно показан штриховыми линиями) полуйроводниковую пластину с компонентами измерительной схемы на ее поверхности.На поверхности полупроводниковой пластины вблизи заделки между двумя фигурными прорезями методами микроэлектронной технологии, диффузией или ионным легированием выполнены элементы измерительной схемы - полупроводниковые тензореэисторы 5. Тензорезисторы имеют проводимость50 р-типа, т.е. обратную с пластиной проводимость и соединены между собой токопроводящими дорожками 6. Токопроводящие дорожки выполнены методами ионного легирования или металлизации и выполняют55 роль соединительных проводников между компонентами электрической схемы на пластине 1, Токопроводя 39 2щие дорожки 6 соединены с контактными площадками 7, служащими длясоединения выводных проводниковдля подключения измерительной схемыакселерометра к внешним электрическим цепям. Оси тензорезисторовнаправлены по кристаллографическимосям наибольшей чувствительности.Акселерометр работает следующимобразом.Пластина 1, разделенная вырезами2 на подвижную часть 3 (инерционную массу) и неподвижную часть 4,своей неподвижной частью 4 закрепляется на объекте.Под действием инерционных сил приналичии, например, виброускорений,подвижная часть 3 совершает колебательные движения. Прогиб пластиныпроисходит в основном в зоне вырезов 2. Под действием возникающихнапряжений в этой зоне, тензорезисторы 5, включенные в мостовую схему,меняют свои параметры, т,е. получают приращения + 6 . В результатеэтого измерительная мостовая схема,сбалансированная в нормальном состоянии, приходит в состояние раэбаланса. При этом тензорезисторы наповерхности балочки расположеныв поперечно-продольных направлениях,поэтому два противоположных плечамоста получают приращение К + ьК, адва других К - й, т.е. разбалансмоста при таком конструктивномрешении - наибольший;С помощью контактных плошадок 7и токопроводящих дорожек 6 на мостовую схему подается питающее напряжение, с двух других плеч моста спомощью другой пары токопроводящихдорожек 6 и контактных площадок снимается выходной сигнал, т.е. сигнал разбаланса моста. Полученноетаким образом выходное напряжениепропорционально возникающим в зонеконцентраторов 2 механическим напряжениям и в конечном итоге является выходным сигналом акселерометра, пропорциональным измеряемым ускорениям,Вершины концентраторов напряжений, направленные в сторону тензорезисторов, имеют пилообразную форму. Вершины указанных пил. т,е. вершины углов являются центрами концентрации напряжений, Радиус у вершин углов У -ъ О, Это необходимое условиедля получения максимальных напряжений у вершины угла.Чем больше величина механических напряжений в зоне расположения полупроводниковых тензорезисторов, тем больше изменение величины их относительного сопротивления, и соответственно выше чувствительность акселерометра.Зпюры напряжений чувствительного элемента акселерометра (фиг.3) представлены без учета концентраторов механических напряжений 1 эпюры 8, (Т) и с концентраторами напряжений (эпюры 9, ).Здесь приведен фрагмент сечения по Х- Х акселерометра фиг.2).Напряжения би б складываются и суммарное напряжение 1 О - б фиг.4) у вершин углов фигурных вырезов становится равным 6 =+ба.Кривыми 11 иллюстрируются примерные формы распределения напряжений 9 в упругой консоли вблизи вершин прорезей. Здесь показано как суммируются напряжения у вершин прорезей и каким образом образуют зону концентраций напряжений,Механизм суммирования абсолютных значений напряжений представлен на/фиг,5. Величиной 1 обозначена ширина области, где можно расположить тензорезистор. Максимальное значение напряженияв зоне концентраторов выбирается из условия неразрушения конструкции акселерометра. Таким образом, у каждой вершиныА,В,С,Р (фиг.З) прорезей получаемнапряжения с местными, отдельнымивсплесками максимальных значений бЗонараспространения этих напряжений определяется экспериментально.Зона, ограниченная размером ф,мала, поэтому очень важно созданиенекоторой площади на упругом элемен О те, полностью находящейся в зоне максимальных напряжений. Эта площадьограничена размерами Ф и ИДля получения максимальной чувствительности акселерометра, созда ние отдельных местных напряжений 9является необходимым,но недостаточным условием,так как геометрическинапряжение 9 охватывает малую площадь, на которой формировать тензо резистор или тем более всю измерительную схему невозможно. Достаточным условием получения максимальных механических напряжений, охватывающих большие пространства на 25 чувствительном элементе акселерометра, являются создание не отдельныхконцентраторов местных напряжений 9,а создание сплошной зоны напряжений 10, которая полностью перекры- ЗО вает отдельный тензорезистор иливсю измерительную схему. Удовлетворить это требование можно толькопри оптимальном выборе формы, размеров и взаимного расположения одинотносительно другого вырезов в 35чувствительном элементе акселерометра.1203439 8411/48 Тираж 896 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д,4/5 Заказ Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная, 4 3