Интегральный тензопреобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 19) Щ 5 001 1 1/00 ский институт ф томатиэациятроения, М 12202, кл. ЕОБРАЗОО к измерениям статических и иэобретения -вил 4 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СОИДЕТЕЛЬСтВ 1 (21) 4837694/28 (22) 11,06.90 (46) 30,12.92. Бюл. Йз 48 (71) Научно-исследователь зических измерений (72) Ю,А.Зеленцов (56) Измерения, контроль, а Труды ЦНИИТЭИ. Прибор 1983, вып )45), с. 30-32,Патент Великобритании 6 01 1/00, 1982, (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗ ВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится механических напряжений в динамических режимах. ЦельГ повыщение чувствительности эасчет увеличения выходного сйгнала тензопреобразователя. Тензометрический преобразователь содержит упругий элемент 1 из полуп роводникового материала, в котором анизотропным травлением сформированы профилированная мембрана 2 и жесткий центр 3. На поверхности мембраны 2 методом полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы Р 1 - Р, соединенные между собой в полную мостовую схему. Для подключения источника питания на поверхности упругого элемента сформированы методами вакуумного напылейия и фотолитографии контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала - контактныеплощадки 9 и 10. 4 ил.1784848 45 агОхв = 0,1875пм К - 1 Кг - 1 рамОув = 0,1875пм Кг Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динамических режимах.Известен интегральный тензопреобразователь, содержащий профилированный упругий элемент с жестким центром из полупроводникового материала одного типа йровоДимости, о площади мембраны кото-рого с планарной стороны на плоскости (001) сформированы методами полупроводниковой технологии тензорезисторы мостовой схемы противоположного типа проводимости.Недостатком такого тенэопреобразователя является недостаточная высокая величина выходного сигнала непосредственно от преобразователя..Известен интегральный тенэопреобраэователь, содержащий упругий элемент с профилированной мембраной и утолщенным центром из полупроводникового материала одного типа проводимости, в площади мембраны которого с планарной стороны сформированы тензореэисторы мостовой схемы противоположного типа проводимости.Тенэопреобраэователь характеризуется недостаточно высокой величиной вьходного сигнала из-эа применения мембраны упругого элемента и жесткого центра квадратной формыи расположения тензорезисторов на мембране (001) только вдоль внешнего и внутреннего ее контуров.Изгибные механические напряжения вдоль осей симметрии мембраны Ох и Оу, возникающие под действием деформации, в точках пересечения (А и В) с внешним и внутренним контурами мембраны соответственно равны; 2 2(Ъд = - 0,1875рам К122 м г 2 2Оуд = - 0,1875и;рам, К - 12 К 2 где р - давление, равномерно распределенное по площади мембраны; ам - размер стороны квадратной мембраны;Ьм - толщина мембраны;р- коэффициент Пуассона материала 5 мембраны;дмК - -- отношение размера стороныаам квадратной мембраны к размеру ао стороны квадратного жесткого центра.10 Относительное изменение сопротивления тензорезистора запишется следующимобразом Ьдй = р = Л 11 Ох +Л 12 Оу +Л 16 тбя где д 11,д 12,Ы 6 - продольный, поперечный и сдвиговый пьеэорезистивные коэффициенты;О,Оу,й - продольное, поперечное исдвиговое напряжение в плоскости мембраны упругого элемента.При расположении тензорезисторов,например р-типа, на квадратной мембране с квадратным жестким центром, ориентированной в плоскости (001), вдоль внешнего и внутреннего контура мембраны, относительные изменения сопротивления для тензорезисторов у внешнего контура (вблизи точки А) составята 2 Кгдц, - 0,047 д 44 " (1 - ,и );35 а для тензорезисторов у внутреннего контура (вблизи точки В жесткого центра) составят40 г гдйв --- 0,047 л 44 ( 1 - ,и );рам К - 12 К 2 так как л 11 = 0,25 к 4, л 12 = - 0.25 зг 44,а т 6=0,где ли- главный пьезореэистивный коэф фициент для р-типа тензореэисторов.Чувствительность же мостовой схемытензопреобраэователя, составленной из таких тензореэисторов, будет равна; 55 г г8 0,094 Рц 4(1 Рс)я Кг1784846Целью изобретения является повышение На фиг, 1 представлен профилирован чувствительностизасчетувеличения выход- ный упругий элемент с мембраной прмоного сигнала тензопреобразователя, . угольной формы (размер сторон мембраныто достигается тем, что в интеграль- а.х Ьм) и с жестким центром квадратной ном тензопреобразователе, содержащим 5 формы (размер сторон жесткого цен гра а, х упругий элемент с профилированной мемб- ао); на фиг. 2 - профилированный упругий раной, выполненной из полупроводнйково- элемент с мембраной квадратной формы го материала одного типа проводимости и (размер сторон мембраны а х а,) и с жест- жестким центром, на поверхности мембра- ким центром прямоугольчой формы (размер ны которого с планарной стороны сформи сторон жесткого центра ао х Ьо); на фиг, 3 - рованы тензорезисторы мостовой схемы профилированный упругий элемент с мембпротивоположного типа проводимости, раной прямоугольной формы (размер стокаждый из тензорезисторбв мостовой схе- рон мембоаны ам х Ьс) и с жестким центром мы выполнен в виде четырех последователь- прямбугольной формы (размер сторон жесно соединенных одинаковых резистивных 15 ткого центра ао х Ьо); на фиг. 4 - полная участков, мембрана упругого элемента вы- мостовая схема Йз тензорезисторов В 1 - Я 4. полнена с внешним контуром прямоуголь- Тензометрический преобразователь соНой формы, жесткий центр выполнен в виде держит упругий элемент 1 из полупроводнипараллелепипеда, расположенного симмет- кового материала напринапример, кремния рично в центре мембраны, резистивные уча п-типа марки КЭФс ориентацией (001), стки пары тензорезисторов с В упругом элементе 1 анизотропным трав- положительной чувствительностью распо- лением сформированы профилированная ложены соответственно на соответствую- мембрана 2 и жесткий центр 3, Конструктивщих противоположных сторонах мембраны но профилированный упругий элемент высимметрично относительно центра и парал полнен следующих вариантов: мембрана 2 лельно этим сторонам и на противополож- прямоугольной формы - жесткий центр 3 ных сторонах внутреннего контура квадратной формы, мембрана 2 квадратной мембраны симметрично относительно цен- формы - жес 1 кий центр 3 пргмоугольной тра мембраны и перпендикулярно этим сто- формы, мембрана 2 прямоугольной формы - ронгм, резистивные участки пары 30 жесткий центрЗпрямоугольнойформы, тензорезисторов с отрицательной чувстви- На поверхности мембраны 2 методами тельностью расположены соответственйо: полупроводниковойтехнологии(диффузией на тех же сторонах мембраны симметрично или ионным легированием) сформированы относительно центра и перпендикулярно тензорезисторы Р 1 - Я 4, например. р-типа этим сторонам и на тех же сторонах внут проводимости, соединенные между собой в рен него контура мембраны симметрично полную мостовуЮ схему. Причем тензорезиотносительно центра мембраны и парал- стары В 1 и Вз состоят каждый из четы ех дельно этим сторонам,равных резистивных участков Я 1 и Яз аУстройство поясняется фиг. 1 - 4 тензорезисторы Я 2 и Я 4 - из уччс Яс тков 2 иа фиг. -3 обозначены: 1 - упругий 40 Я 4, Резистивные участки Я и Яз располоэлемент иэ полупроводникового материала жены соответственно вдоль внешнего кони плоскостью ориентации(001); 2 - профи- тура 4 профилпрованной мембраны 2 лированная мембрана упругого элемейта; 3 вблизи его середины (вблизи точок А и А 1 на - жесткий центр; 4 - внешний контур про-, пересеч чии осей симметрии Х и У с виешфилированной мембраны; 5 - внутренний 45 ним контуром) и перпендикулярно внутренконгур профилированной мембраны; 6 - то- нему контуру 5 мембраны (вблизи жесткого коведущие коммутационные дорожки; 7,3 - центра 3) вблизи егс середины (вблизи точек контактные площадки для подключения ис- . В и В 1 на пересечении осей симметрии Х и точника питания; 9, 10 - контактные пло- У с внутренним контуром) (фиг. 1 - фиг. 3), щадки для снятия выходного сигнала с 5 Ь Резистивные участки Я 21 и Я 4 расположены мо товс ой схемы; В 1, Яз - резистивные уча- соответственно перпендикулярно внешнестки тензорезисторов В 1 и Яз с паложитель-. муконтуру 4 мембраны вблизи его середины ной чувствительностью; Й 2, В 4 . - (вблизиточекАиА 1)и параллельно внутренрезйстивные участки тензорезисторов Й 2 и нему контуру 5 мембраны вблизи его сереВ 4 с отрицательной чувствительностью; Х, 55 дины (вблизи точек В и В 1), Резистивные- осйсимметРии; ас, Ь - шиРина и Длина Участки Я - Яз и В 2 - Я 4 кажДого тензомемб аны соответр соответственно; аЬО - ширина резистсра последовастельно сбединены друг и длина жесткого центра соответственно; с другом токоведущюи коммутационными- чувствительностьтензорезисторов, дорожками 6, Для подключения источникапитания на поверхности упругого элемента1 (эа пределами профилированной мембраны 2) сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площади 7 и 8, а для снятия выходного сигнала - контактные площадки 9 и 10,Интегральный тензопреобразователь работает следующим образом.Механические напряжения (деформации), возникающие в мембране 2, например, под действием давления, вызывают в реэистивных участках К 1 и йз теизореэи 1 1сторов Й 1 и Вз, расположенных вдоль внешнего контура 4 профилированной мембраны,. деформацию с 1 катия, а в реэистивных участках В 1 и Вз, расположенных "перпендикулярно внутреннему контуру 5 профилированной мембраны (вблизи жесткого центра), деформацию растяжения, в результате чего величины их сопротивлений увеличиваются (имеют положительную чувЬствительность, т.е. й 0). В резистивнйх участках Вг и В 4 тенэорезисторов йг и В 4, расположенных перпендикулярно внешнему контуру 4 мембраны и параллельно внутреннему контуру 5 мембраны, эти же механические напрякения уменьшают величину их сопротивлений (тенэореэисторы Вг и Р 4 имеют отрицательную чувствительность, т,е.О)МТак, например для упрчтого элемента с мембраной прямоугольной формы и с жестким центром квадратйой формы (фиг, 1) изгибные механические напряжения с и Оу в точках Аам/2; 0) А 1(0 Ьм/2), Вао/2 О), 81(0; ао/2) поверхности мембраны 2 соответст- .венно логуг быть представлены выражениями: К 1 = - ; Кз - аам , ам аоЬо 20%в = 0,1875 25 Уув = 0,1875ЕлРам, Кг - 1Ьгм 30 Ром 11 Ом ОмС -048 гРЪ 1 л 1 цс 3 сг-ЗЬг 0057 ис с+ 3фоРом 1"г-СВ О 48 г Ъг О 5 исг+сфрЪРсг; Д б -О 4 Вг6 " Ьцм 4 фо,57 Исгс+81 Ьг 1 ФО,БТ 14 сг+Се: Ц,РЪм сф г 46 .о 4 вгс3 в,Ьгм ФО,5 Ц 4 сг+сф гг Для упругого элемента с мембранойквадратной формы и с жестким центром прямоугольной формы (фиг. 2) изгибные механические напряжения гЪ,сгу в точках с 5 координатами А(ам/2; О), А 1(0; ам/2), В(ао/2:О), В 1(0; Ьо/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями: 10 р аМм К 1 - 1од = - 0 1875 гЬгм КЯУ р а, К 3-1 Яд = - 0,1875 гК Р: пм"м Для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и жестким центром прямоугольной формы (фиг, 3) изгибные ме 45 хаиические напряжения сгх и схв точках А(ам/2; О) А 1(0; Ьм/2), В(ао/2; О), В 1(0; Ьо/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями 55Ц 1 ц 5114 сг 1 сф 1 г,Фб8 м, 1 Фодт 14 сгФсф 1РОм Рс г а а.О,Щ Ю Ьгм 1 О,Юцсг сц+ г(кг - 1К 3 35 К - 1 ) К 3 К 1 - 1, к 1 Суммарные относительные йзменения сопротивлений резистивных участков тенэореэисторов В 1 - В 4 соответственно равны по величине:- . для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и с жестким центром квадратной формы (фиг, 1). Рам 4Рог 1 Г- г ц 4 С г- г а чувствительность мостовой схемы тензопреобразователя будет равна г8 = 0,482 Рц 44 пг 4 +0,5714 сг+с 4- для упругого элемента с мембранойквадратной формы и с жестким центромпрямоугольной формы (фиг. 2) р агмдв 1 =Йз =0094 лцпм( К 1-1+ Кз - 1) (1 ) к 3 б дйг = дй 4 = - 0,094 л 44пм а чувствительность мостовой схемы тензопреобразователя будет равна 25а, к 1 - 1 , к - 1Р К 1 К- для упругого элемента с мембранойпрямоугольной формы и жестким центромпрямоугольной формы (фиг. 3)=3 =ОЮ344 1 г 14 0,57 Ц сгФ с Ф15кг глс Р югР м1 ф:йр:-0,(1Ф .44 11 60,57 ИСг.СФ20 х г, грФс г" гр а чувствительность мостовой схемы тензопреобразователя будет равна Изменение сопротивлений тензорези сторов, вызванное деформацией, преобразуется в изменение электрическогонапряжения, которое снимается с контактных 9 и 10 при подключении источника питания к контактным площадкам 7 и 8.Технико-экономическими преимуществами тензопреобразователя по сравнениюс известным являются:чувствительность тензопреобразователя с профилированным упругим элементом, 50 содержащим мембрану прямоугольной формы и жесткий центр квадратнои формы, повышается о 4,8-5,2 раза а зависимости отвыбора коэффициентов К 1 и К 2:чувствительность тензопреобразовате ля с профилированным упругим элементом,содержащим мембрану квадратной формыи жесткий центр прямоугольпой формы, по- .вышается в 3,0-3,5 раза в зависимости отвыбора коэффициентов К 1 и Кз;чувствительность тензопреобразователя с профилированным упругим элементом.содержащим мембрану прямоугольной форма и жесткий центр прямоугольной форма,повышается в 1,7-2,4 раза в зависимости от 5выбора коэффициентов К 1 и Ка;существенно расширяются вариантаисполнения конструкций упругих элементовс профилированной мембраной и жесткимцентром, а также расширяются варианта 10исполнения топологии мостовых схем с интегральнами тензорезисторами,Формула изобретенияИнтегральный тензопреобразователь,содержащий упругий элемент с профйлированной мембраной, выполненный из полу: проводникового материала одного типа- проводимости и жестким центром, на поверхности мембраны которого с планарйойстороны сформирована тензорезисторы 20. мостовой схема противоположного типапроводимости, о т л и ча ю щ и й с я тем,что, с целью повышения чувствительностиза счет увеличения вьходного сигнала тензопреобразователя, каждый из тензорези сторов.выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых резистивнах участков, мембрана упругого элемента выполнена с внешним контуром прямоугольной формы, жесткий центр выполнен в виде параллелепипеда, расположенного симметрично в центре мембраны, резистивнае участки пары тензорезисторов с положительнойчувствительностью расположены соответственно на соответствующих противоположнах сторонах мембраны симметрично относительно центра и параллельно этим сторонам и на и ротивоположнах сторонах внутреннего контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и перпендикулярно этим сторо.нам, резистивнае участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на тех же сторонах мембрайа симметричйо относительно центра и перпендикулярно этим сторонам и на тех же сторонах внутреннегоконтура мембраны симметрично относительно центра мембраны и параллельно этим сторонам1784846 Ре орС,Лисина В.Т ПодписноеВНИЛМ И ОТКДЫ 1 ИЯМкая наб 4/5 Зак та по изобТираж тВОннОГО кОмит 6 113035, Москва