ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2024 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно - к датчикам силы и веса.

Известен полупроводниковый датчик силы (ПДС), содержащий упругий элемент (УЭ) в виде мембраны с рычагом и мост полупроводниковых тензорезисторов (TP) [1]. К недостаткам таких датчиков (Д) следует отнести нелинейность характеристики из-за изменения длины плеча рыча при нагружении Д и принципиальная невозможность создания на его основе Д на средние и высокие нагрузки из-за рычажной конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ПДС, содержащий в качестве УЭ мембрану, снабженную по оси симметрии тонким штоком, к которому прикладывается измеряемая нагрузка величиной не более 10 кгс. Мост TP расположен с противоположной стороны мембраны на подложке, которая крепится к мембране [2]. Эта конструкция также не пригодна для измерения средних и больших нагрузок по той же причине и для нее максимальная нагрузка не должна превышать 10 кгс, к тому же она практически не защищена от паразитных поперечных сил и изгибающих моментов на входе Д.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков, повышение надежности и точности, а также расширение возможности использования различных полупроводниковых тензорезисторных структур и сплавов с высокими упругими свойствами в качестве материалов для создания УЭ.

Поставленные цели достигаются тем, что силовой шток оканчивается полусферой и ею упирается в силоприемную полусферу, а вторым концом в мембрану, имеющую со стороны штока симметричный V-образный профиль, и основанием опирающуюся на глухую и мощную цилиндрическую опору, воспринимающую основную часть измеряемого усилия, а мембрана - меньшую часть; а также тем, что на плоскую поверхность мембраны наносят тонкий слой окиси алюминия, что позволяет использовать различные сплавы с высокими упругими свойствами для изготовления УЭ и разнообразные полупроводниковые структуры с мостами TP, имеющие различные эксплуатационные свойства, с предварительным нанесением на тыльную сторону подложки, если необходимо, слоя окиси алюминия; наиболее эффективные структуры, содержащие по два моста на подложке, которая закрепляется на металлической мембране:

- из сапфира с тензорезисторами р⁺-типа проводимости, продольные оси которых совпадают с кристаллографическим направлением [110];

- из кремния п-типа проводимости с нанесенным на подложку с тыльной стороны слоем окиси алюминия и тензорезисторами р⁺-типа, продольные оси которых совпадают с направлением [111];

- из сапфира, по площади равная площади мембраны, с тензорезисторами р⁺-типа проводимости, продольные оси которых у смежных тензорезисторов расположены взаимно - перпендикулярно и совпадают с направлениями [110] и [10].

На Фиг. 1 показан разрез датчика, где Р-сила; на Фиг. 2 - схема расположения на мембране УЭ полупроводниковой структуры из 2-х мостов тензорезисторов р⁺-типа на подложке из сапфира;

на Фиг. 3 - схема расположения на мембране УЭ полупроводниковой структуры из 2-х мостов тензорезисторов р⁺ -типа на подложке п-типа проводимости; на Фиг. 4 - схема расположения на металлической мембране закрепленную на ней мембрану из сапфира, где по ее периферии располагаются 2-а моста тензорезисторов р⁺ -типа проводимости; на Фиг. 5 - электрическая схема датчика, где R1; R2; R3; R4 - сопротивления тензорезисторов в мостовой схеме, (1-3) - клеммы для подачи напряжения питания, (2-4) - для регистрации выходного сигнала. Обозначения, принятые на фигурах: 1 - мембранный УЭ; 2 - силовой шток; 3, 4 - подложки полупроводниковых структур; 3 - прямоугольные, 4 - в форме круга; 5 - силовводящая полусфера радиуса R_сф; 6 - основание датчика; 7 - измеряемая сила Р; 8 - глухие отверстия под ключ для прикручивания силовводящей полусферы к УЭ; 9 - герметизирующие уплотнения; 10 - разъемы; 11 - переходная плата для распайки выводов; D - диаметр металлической мембраны УЭ; I, II - мосты тензорезисторов.

Д работает следующим образом: при подаче на диагональ моста (1-3) напряжения питания и нагружении датчика силой Р, на выходной диагонали (2-4) формируется выходной сигнал пропорциональный силе. Предлагаемая конструкция ПДС позволяет повысить надежность и точность измерений за счет использования 2-х мостов на единой подложке и частичной фильтрации поперечных сил и изгибающих моментов на входе силового штока; расширить диапазон измеряемых нагрузок в сторону их увеличения за счет силовой разгрузки мембраны и ее использования в режиме перемещений; расширить диапазон применяемых полупроводниковых структур и номенклатуру сталей для УЭ за счет нанесения окисла алюминия на мембрану.

Источники информации, принятые автором при экспертизе:

1. Авт. свид. №645041, Мкл G01L 1/22, БИ №4, 1979.

2. Реклама ПО «Промприбор», копия рекламы прилагается.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для создания полупроводниковых датчиков силы на средние и большие нагрузки. Полупроводниковый датчик силы (ПДС) содержит мембрану с силовым штоком и мост полупроводниковых тензорезисторов (ПТР). Мембрана зажата по ее цилиндрическому основанию с двух сторон: сверху - силоприемной полусферой и по центру силопередающей площадкой полусферы, и снизу - цилиндрической опорой датчика (Д). С одной стороны мембрана имеет V-образный профиль и монолитно связанный с ней по центру силовой шток с полусферой на конце, который упирается в силопередающую площадку полусферы, а с другой стороны имеет плоскую поверхность, на которую, как и на подложку ПДС, с тыльной стороны нанесен слой окиси алюминия. На мембране закреплена подложка с двумя мостами ПТР р⁺-типа проводимости, которая имеет прямоугольную форму. Подложка выполнена в одном из трех вариантов: из сапфира, а продольные оси ПТР совпадают с кристаллографическим направлением [110]; из кремния n-типа проводимости, а продольные оси ПТР совпадают с кристаллографическим направлением [111]; из сапфира, а продольные оси ПТР расположены взаимно перпендикулярно и совпадают с кристаллографическими направлениями [110] и [10], причем площадь подложки равна площади мембраны. Технический результат - повышение точности и надежности измерений, а также возможность использования разных по свойствам структур и сталей для упругих элементов датчиков на большие нагрузки. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полупроводниковый датчик силы (ПДС), содержащий мембрану с силовым штоком и мост полупроводниковых тензорезисторов (ПТР), отличающийся тем, что мембрана зажата по ее цилиндрическому основанию с двух сторон: сверху - силоприемной полусферой и по центру силопередающей площадкой полусферы, и снизу - цилиндрической опорой датчика (Д); с одной стороны мембрана имеет V-образный профиль и монолитно связанный с ней по центру силовой шток с полусферой на конце, который упирается в силопередающую площадку полусферы, а с другой стороны имеет плоскую поверхность, на которую, как и на подложку ПДС, с тыльной стороны нанесен слой окиси алюминия; на мембране закреплена подложка с двумя мостами ПТР р⁺-типа проводимости, которая имеет прямоугольную форму.

2. ПДС по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из сапфира, а продольные оси ПТР совпадают с кристаллографическим направлением [110].

3. ПДС по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния n-типа проводимости, а продольные оси ПТР совпадают с кристаллографическим направлением [111].

4. ПДС по п.1, отличающийся тем, что подложка выполнена из сапфира, а продольные оси ПТР расположены взаимно перпендикулярно и совпадают с кристаллографическими направлениями [110] и [10], причем площадь подложки равна площади мембраны.