Интегральный тензопреобразователь давления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5 0011 9/О ИЗОБРЕТЕНИЯ ТЕЛЬСТВУ ПИСАН И ВТОРСКОМУ СВ 1(71) Научно-исследовательский технолоческий институт приборостроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1290110, кл. 6 01 1 9/04, 1987,Авторское свидетельство СССРМ 1613888, кл. О 019/04, 1988.(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ(57) Использование: изобретение можбыть использовано при изготовлении по и О Изобретение относится к контрольноизмеритвльной технике и может быть использовано в области приборостроения, в частйссти" при изтотовлении полупрбводниковых датчиков"давлейия, силы, ускорения мембранного типа,Известные интегральные тензопреобразователи, изготовленные из монокристаллического кремния; в которых тензорезисторы, тензотранзисторы расположены на упругбй мембране, в основном в зонах "закрепления ее;"где существуют наибольшие значения механических напряжений и которые направлены "в Сторону максимальных значений пьезорезистивных коэффициентов.Основным недостатком преобразователей является низкое значение чувствительности, а также" нелинейность выходного сигнала из-за "недостаточно оптимального размещения тензорезисторов, Поскольку расйбложение тензорезисторов в зоне за- крепЛения мембраны, как известно, ведет к искажению сигнала, к нелинейности, осоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССРЫ , 17 б 5730 А проводнйковых датчиков давления мембранного типа, Целью изобретения является повышение чувствительности и уменьшение нелинейности сигнала преобразователя. Сущность; в интегральном тензопреобразователе давления тензорезисторы сформированы в зоне максимальных напряжений, имеющей прямоугольную форму со сторонами Сх=1/2 Ь, СУ=а/2 Ь, в которой дополнительно расположены также компенсирующие тензбрезисторы Я причем каждый тензорезистор схемы расположен под углом к центральной линии мембраны в направлении максимального тензоэффекта, 5 ил,бенно это существенно для тонких мембран, и поэтому, при изготовлении приборов, авторы, указанных выше изобретений, вынуждейы смещать тензорезистор из зоны закрепления, т,е. зоны наибольших механических напряжений.Наиболее близким по технической сущности идостигнутофу результату к предлагаемому является йрйнятый за прототип преобразователь давления, содержащий прямоугольную полупроводниковую мембрану, защемленную по контуру, и диффузионные тензорезисторы одного типа проводимости, сформированные на мембране сориентацией вдоль длинных сторон мембраны и включенные по мостовой схеме, причем два тензорезистора, включеннйе в протйвбположные плечи мост,размещены на периферии мембраны на линии, проходящей через середину ее длинных сторон а, два других тензорезистора расположены соответственно каждый в зоне пересечения биссектрис углов мембраны, причем глубина легированной областитензорезисторов составляет 0,16-0,20 от толщины мембраны, а отношение длинной стороны а мембраны к короткой стороне Ь выбрано из условия а;Ь2,Недостатками известного преобразователя являются нелинейность выходного сигнала и низкая чувствительность, так как два тензорезистора, расположенные в зоне закрепления, дают существенное искажение сигнала на выходе, кроме того, отсутствуют компенсирующие и термокомпенсирующие тензорезисторы, а это не позволяет сбалансировать схему, что естественно снижает чувствительность,Целью изобретения является повышение чувствительности и линейность выходной характеристики преобразователя.Поставленная цель достигается тем, что в интегральном тензопреобразователе давления, содержащем полупроводниковую мембрану прямоугольной формы с отношением длинной а и короткой Ь сторон а:Ь2, при этом стороны ориентированы по взаимноперпендикулярным кристаллографическим направлениям 110, а на планарной стороне мембраны, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100); сформированы две пары рабочих тензорезисторов р-типа проводимости с глубиной легирования 0,16-0,20 от толщины мембраны, и включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, причем каждый тензорезистор второй пары расположен в пересечении биссектрис углов мембраны, где на планарной стороне ее в прямоугольной зоне, по форме подобной форме мембраны, со сторонами 0,5 Ь и (а,5 Ь) сформированы дополнительные регулировочные тензорезисторы, при этом каждый тензорезистор первой пары рабочих тензорезисторов расположен на прямой, соединяющей точки пересечения биссектрис углов мембраны, причем одни дополнительны регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембраны, а другие - перпендикулярно ей,Физическая сущность распределения механических напряжений в прямоугольной мембране, защемленной по краям, состоит в том, что она определяется жесткостью и нагрузкой. Так при распределенной нагрузке характер распределения напряжений у пластин с соотношением сторон 1,5:1 и более, например 2:1 (см. фиг,1 а, б), показывает, что напряжения (см,фиг.2 а, б, в, г; фиг,За, б) увеличиваются при удлинении ИТП не только в точках наибольшими значениями и что наибольшие моменты (напряжения),возрастая, остаются наибольшими, а придальнейшем увеличении отношения сторондо 3;1 рост напряжений уже незначителенв т,ч, и максимальность значений, которые в5 свою очередь приближенно равны напряжениям в прямоугольной пластине со стороной "а", стремящейся к бесконечности.Напряжения по центральной линии(вдоль наибольшей длины) достигают своей10 наибольшей величины не в центре плиты, ав точках пересечения биссектрис (фиг.2 а, вточках 5.11, фиг.За - в т.9.13), Изгибающиемоменты (напряжения) в точках поперечного (меньшего) пролета уменьшаются от се 15 редины к закреплению. Эпюра значений вэтом сечении может быть выражена с достаточной точностью параболой и поэтому нанекотором среднем участке (вблизи центральных линий) напряжения не изменяются20 (фиг.2 в, г, фиг,Зб),Расчет(см.фиг.2 а, б, в, г, фиг.За, б), показал, что напряжение в точках зоны защемления достигают значений такого жепорядка по величине, что и для ряда внут 25 ренних точек, т.е, точек в зоне центральныхлиний и которые имеют отрицательные значения противоположные внутренним. точкам,Таким образом, напряжения, как в про 30 дольном направлении пластины, так и в поперечном (например, вдоль центральныхлиний), изменяясь, проходят через нулевыезначения и принимают отрицательные значения на границе защемления, Поэтому,35 можно выделить участок по форме подобный форме мембраны со стороны 0,5 Ь и(а,5 Ь), где положительные напряжения вточках, расположенных рядом, отличаютсянезначительно, что позволяет в этой зоне40 сформировать и дополнительные регулировочные тензорезисторы и первую пару рабочих тензорезисторов, причем каждыйрезистор этой первой пары расположен напрямой, соединяющий точки пересечения45 биссетрис углов мембраны,Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг,1 а представлена мембрана с соотношением сторон 1,5:1 (4,5 хх 10 см х 3 10 см) с нанесенной на нее50 сеткой для расчета, на фиг,1 б - с соотношением сторон 2;1 (4 10 см х 2 10 см) ирассчетной сеткой; на фиг,2 а - эпюры напряжений ( о,сту ) на планарной сторонепластины, рассчитанные по методу сеток55 вдоль линии (11, Х 111 - центральная линия),на фиг.2 б - напряжения сто, оу по боковойлинии(11, ХИ) вдоль удлиненной стороны; нафиг.2 в - о, Оу по центральной линии (ХИ 1,И 1) в поперечном направлении; на фиг,2 г -10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ох, ду в поперечном направлении по линии (ХХ, И 1), параллельной центральной линии; на фиг.За - распределение напряжений ( ох, ау) по центральной линии вдоль длинной стороны; на фиг.Зб - сх, оу по центральной линии в йойеречном к пластине направлении, Центральные линии - линии симметрии,Изобретение иллюстрируется на фиг.4, фиг,5 конкретным расположением тензорезисторов на мембране, ИТП (интегральный тензопреобразователь) давления состоит из совпадающей с кристаллографической плоскостью (100) полупроводниковой тонкой, меньше 50 мкм, мембраны 1, на которой в прямоугольной зоне (0,5 Ь, а,5 Ь) расположены р-типа проводимости тензорезисторы 2 и дополнительные регулирующие и компенсирующие тензорезисторы Ро; стороны 3 мембраны 1 ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений семейства 110, Два тензорезистора Яг, Вг расположены в зоне пересечения биссектрис углов мембраны, а два других рабочих тензорезистора В 1, В 1 расположены на прямой, соединяющей точки пересечения биссектрис прйчем одни дополнительные регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембран, а другие - перпендикулярно ей,Тензорезисторы Й 1, В 1, Йг, йг образуют совместно с балансировочными Во измерительную мостовую схему в прямоугольной (0,5 Ь; а,5 Ь) зоне, в точках которой имеем наибольшие механические напряжения, Количество дополнительных йо тензорезисторов определяется необходимостью и размерами полупроводниковой мембраны.Подгонка в номинал тензорезисторов и начальная балансировка мостовой схемы проводятся путем последовательного перерезания (скрайбированием, лазерным и т,п. методами) соединительных дорожек от йо, В результате остается необходимое количество дополнительных тензорезисторов. Затем на мостовую схему подается напряжение питания к двум противополОжным углам моста через контактные площадки,ИТП работает следующим образом, Под равномерным давлением ц в мембране 1 возникает деформация, которая передается рабочим Й 1, Я 1, Вг, Йг и дополнительным В, тензорезисторам, и на выходе моста(не показан) появляется измененное выходное напряжение,Предложенное расположение тензорезисторов в прямоугольной зоне увеличивает электрический сигнал более чем в два раза. По сравнению с прототипом в предлагаемом преобразователе рабочие и дополнительные компенсирующие тензорезисторы сформированы в прямоугольной зоне(в точках с наибольшим напряжением) и освобождены от влияния защемления и, следовательно, искажение сигнала исключено так же, как ранее для рабочей пары резисторов, расположенных в зоне пересечения биссектрис, которая также расположена в выделенной прямоугольной зоне, Все это позволило получить повышение чувствительности и линейность выходной характеристики преобразователя, т.е. больший сигнал, больший диапазон линейного преобразования, лучший отвод тепла от тензорезисторов на мембране и более рациональную топологию межсоединений тензорезисторов.Таким образом, изобретение позволит обеспечить устойчивую работу мостовой схемы, всего тензопреобразователя и, следовательно, увеличится срок работы преобразователя. Формула изобретения Интегральный тензопреобразователь давления, содержащий полупроводниковую мембрану прямоугольной формы с отношением длинной а и короткой Ь сторон а:Ь2, при этом стороны ориентированы по взаимно перпендикулярным кристаллографическим направлейиям, а на планарной стороне мембраны, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), сформированы две пары рабочих тензорезисторов р-типа проводимости с глубиной легирования 0,16-0,2 от толщины мембраны, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, причем каждый тензорезистор первой пары расположен в пересечении биссектрис углов мембраны,отличающийся тем,что,сцелью повышения чувствительности и линейности выходной характерстики преобразователя, в нем на планарной стороне мембраны в прямбугольной зоне, по форме подобной форме мембраны, со сторонами 0,5 Ь и (а,5 Ь) сформированы дополнительные регулировочные тензорезисторы, при этом каждый тензорезистор второй пары рабочих тензорезисторов расположен на прямой, соединяющей точки пересечения биссектрис углов мембраны, причем одни дополнительные регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембраны, а другие перпендикулярно ей.1765730 О оставитель В,Пономэренехред М,Моргентал едактор Н,Коляд орректор А.Ворович Тираж Подпственного комитета по. изобретениям и о 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 каз 3381 исное ВНИИПИ Государ ткрытиям при ГКНТ СССР