Тензопреобразователь давления

. 9/О 51)5 Щаа йиь.ри ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ПАТЕНТУ ский и й и М.П.С этизэция,.30, ЬВ 7,Л ьнои техни остей и га- -300 С беэ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССР(57) Использование: в иэмерителке для измерения давлений жидкзов в интервале температур 20 введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления. Сущность изобретения: тензопреобразователь мембранного типа, в котором на окисленной кремниевой подложке 1 выращены поликремниевые тензореэисторы 2, соединенные алюминиевой разводкой 3 в мостовую схему. Тензорезисторы леги 9 оованы бором до концентрации (5,1 - 7.5) 10 см и расположены у краев квадратной мембраны 7. Питание моста осуществляется от генератора тока, при этом происходит самокомпенсация температурой зависимости выходного сигнала и температурный коэффициент выходного сигнала тензопреобразователя находится в пределах (-Ю,01 НЮ,01)(, /град, 2 ил. 1 табл.1830138 3 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов в интервале температур (+20)-(+300)С без введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления,Известен тензопреобразователь мембранного типа, работающий в диапазоне температур (-60) - (+200)С, содержащий мост из монокремниевых тенэорезисторов выращенных на монокристаллической сапфировой подложке. Тензорезисторы легированы бором, расположены у краев круглой мембраны в плоскости (001) параллельно и перпендикулярно радиусу вдоль направлений110 , Под действием давления на тензопреобразователь два тензореэистора увеличиваот свое сопротивление, а два - уменьшают, Прл этом сопротивление Б 1 тензореэистора номер, зависит как от деформации поверхности сапфира в месте расположения тензорезистора ( о)., так и от температуры (Т) Овых (Е, Т) = Опит К ( Г Т)(5) 81=- 81(о, Т) Деформацля е пропорциональна приложенному давлению Р= А (Т) Р,где А П) - коэффициент упругого преобразОвания, который Опр 8 деляется конструкцией тензопреобразователя и упругими характеристиками применяемых в нем ма териалов,Сопротивление )-тензорезистора под действием деформации, возникаощей при подаче давления, меняется следующим об- РаЗОМ ТКОвы, = ТКК+ ТКА(1) при питании от генератора напряжения, и где К 1 , е, Т) - коэррициент тенэочувствительности тенэореэистора номер ).ц тензопреобраэователе тензорезисторы соединаны в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде Оных (Е, Т) -- Опят (К 1(г, Т) - К (Е, Т/2 (2),ТКК=О(10) Гдв Опят - НаПряжеНИЕ ПИтаНИя.Если жо питанйе моста Осуществляется От генератОра тОка, то тогда выходной сигнал имеет вид Оных(г, Ц.=,)пит й(Т)(К 1(о, Т)- К 2(Е, Т/2 (3) Я 1й (Т) (1 + К ( 1, Т, ) = 1,2 где 1 пит - ток питания,Для ориентации тензорезисторов в направлениях110в плоскости (100), которая используется в указанном устройстве, в 5 широком диапазоне температур справедливо соотношение К 1 ( г, Т) =- -К 2 ( г, Т) = К (е, Т) (4) 10 С учетом соотношения (4) уравнекия (2) и (3) принимаот вид при питании от генератора напряжения, и Овых (Е, Т) = пит й Я К (Е, Т) (6) при питании от генератора тока,2 О . Выходной сигнал мостовой схемы не зависит от температуры, если выполняется условие: 100 о Оных Я 1 0 (7)ОвыхЕсли ввести обозначенияТКК = - -- температурный1004 с 3 ,Ц, )коэффициент тензочувствительности;100 сЯк =О,ТКЯ. =темпераК е=,цтурный коэффициент сопротивления;100 о 4 СС 335 ТКА =А( 1)- температурныйкоэффициент упругого преобразования;и продифференцировать уравнения (5) и (6),то получают ТКО.ы, = ТКК+ ТКй+ ТКА (9) при питании от генератора тока.Если учесть, что ТКАТКй , ТКК,то условие температуркой независимостивыходного сигнала (7) перепишется в виде при питании от генератора напряжения; и ТКВ+ ТКК = 0 (11) при питании от генератора тока.Для тензопреобразователей на монокристаллическом кремнии условие (10) не(16),может выполняться, поскольку коэффициент тензочувствительности монокремния зависит от температуры в интервале концентраций (10 -10 ") см . В то же время7 Ъ -3условие (11), при котором происходит само- компенсация температурной зависимости выходного сигнала, может выполняться при оптимальной концентрации легирующей примеси, Для структуры "кремний на сапфире" это значение находится в диапазоне (8 +0,8)10 см иусловие(11) выполняется в интервале температур ( - 60(-(+200)С.Кроме того известен тензопреобразователь мембранного типа с рабочим температурным диапазоном (-60) - (+200)С, являющийся прототипом изобретения, содержащий полный мост из поликремниевых тензорезисторов, легированных бором и расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (1 00), контактные площадки, соединяющие тензореэисторы в измерительный мост, подключены к источнику питания (генератору напряжения). Два тензорезистора (первый и второй) расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии, а два других (третий и четвертый) расположены в центре мембраны параллель.ю первому и второму тензореэисторам. Тензопреобразователь имеет размеры 4,5 мм 3,5 мм 0,38 мм, размеры мембраны 2,5 мм 1,5 мм 30 мкм и изготовлен стандартными методами микроэлектронной технологии. Если выбрать систему координат с началом в центре мембраны, а осью У параллельно короткой стороне, то с учетом указанного расположения тензорезисторов при подаче давления сопротивление )-тензореэистора будет иметь следующий вид: Вф, Т) = В(Т) (1 + 3 ОР) + Зт ц(0) (12),где Я - продольный коэффициент тензочувствительности;- поперечный коэффициент тензочувствительности;Е,у 0) - диагональные компоненты тензора деформации мембраны в месте расположения )-тензорезистора.При условии, что размеры тензорезисторов много меньше размеров мембраны, можно считать их точечными с координатами В (Х = О, У = 0,75 мм), Вз(Х = О, У = О),а значения компонент тензора деформации указаны для номинального давленияРном - 1 бар и имеют величины- - 0,3310, кх =- - 0.0810. 5Тогда при номинальном давлении сопротивления плеч моста будут следующими Вт(Рном Т) = В(Т)(1+ 0,7 10 Я)10 Й 2(Рном Т) В(Т) (1 - 0,33 10 3 -15 При используемом в прототипе способепитания моста (от генератора напряжения) выходной сигнал моста при номинальном давлении записывается в виде 20 Оаых (Рном, Т) = Опит (Й (Рном, Т) В 2 (Рном, Т/2 = Опит (1,03 Я++0,0831) 10 /2 (14)и определяется в основном величиной продольного коэффициента тензочувствительности, а его температурный коэффициент определяется, в основном, температурной зависимостью продольного коэффициента 30 тензочувствительности,Однако, указанное устройство обладаетсущественным недостатком: выходной сигнал тензопреобразователя изменяется с температурой с температурным коэффици ентом - 0,08/град.Значения продольного и поперечногокоэффициентов тензочувствительности в имеют один порядок величины, поэтому в уравнении (14) можно пренебречь вторым 40 членом и тогда выходной сигнал определяется только продольной тензочувствительиостью: Оеых (Рном Т) = Ооит 1,03 10 3 /2, (15), 45Продифференцировав уравнение (15),получим температурный коэффициент выходного сигнала 3 ЮЪ бЗгде ТКЯ = --- температурный ко 5эффициент продольной тенэочувствитель ности,Из уравнения (16) видно, что температурный коэффициент выходного сигнала . указанноо тензопреобраэователя определяется температурным коэффициентом про-0,06 0,01 Результаты проведенных исследованийприведены в таблице, В таблице также указаны значения температурного коэффициента выходного сигнала, рассчитанные поформуле (21), 5Из таблицы видно. что в указанном интервале концентраций происходит самокомпенсация температурной зависимостивыходного сигнала,Таким образом по сравнению с прототипом, выходной сигнал которого меняется стемпературой с температурным коэффициентом - 0.08;/град, в предлагаемом устройствепроисходит уменьшение температурного коэффициента выходного сигнала в интервале 15концентраций(5,1-7,5) 10 см до значенийю -з1 ТКОвых = 0 01%/град,Формула изобретенияТензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристалли ческого кремния прямоугольную мембрану с опорным основанием и слоем окиси кремния на наружной поверхности, на которой расположены четыре поликремниевых тензорезистора р-типа проводимости, легированных бором, причем два из них. первый и второй, расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии. и контактные площадки. соединяющие тензорезисторы в измерительный мост, подключенный к источнику питания, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, в нем третий и четвертый тензорезисторы расположены на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питания выполнен в виде генератора тока, при этом степень легирования тензорезисторов находится в интервале 5,1 - 7,5) 1019 см .