Малобазный тензотермодатчик Советский патент 1983 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к полупроводниковым датчикам для измерения деформаций и температур.

Известен малобазный тензодатчик, содержащий нитевидный монокристалл кремния и три точечных омических контакта, один из которых расположен в средней части монокристалла, а два на торцах -монокристалла 1.

Однако точность измерения деформа ций этим датчиком ограничена влиянием краевого эффекта, проявлянлцегося в зоне каждого торца, а измерение температуры таким датчиком вообще невозможно.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является малобазный тензодатчик, содержащий нитевидный монокристалл кремния, на котором сформирован р-п переход с примыкающими к нему участками с проводимостью р-типа и п-типа, расположенными один на другом на поверхност монокристалла, и три точечных омичес ких контакта, один из которых размещен на участке с проводимостью п-типа, а два - на участке с проводимостью р-типа 2.

Однако известный тензотермодатчик не обеспечивает высокой точности измерения деформации вследствие влияния краевого эффекта, а измерение температуры по сопротивлению р- п перехода происходит с невысокой точностью вследствие наличия чувствитёльностй рт п перехода к деформации монокристалла. Г

Цель изобретения - повышение точности измерений деформации и температуры.

Эта цель достигается тем, что в малобазном тензотермодатчике, содержащем нитевидный монокристалл кремния, на котором сформирован р-п переход с примыкакяцими к нему участками с проводимостью р-типа и п - типа, и три точечных омических, контакт один из которых размещен на участке с проводимостью п-типа, а два - на участке с проводимостью р-типа, участки с проводимостью р-типа и п-типа расположены последовательно по длине монокристалла, каждый из двух крайних омических контактов расположен на монокристалле на расстоянии не менее 10 его диаметров от соответствующего торца, а средний омический контакт расположен на расстоянии от р-п перехода, равном

/

1 1 Ч . -Р г п 1,1 к о S р Ур и

где IP - расстояние от среднего контакта до р-п перехода;

(. - расстояние-от контакта, расположейного на участке с проводимостью п-±ипа, до , р-п перехода; Кр и К - коэффициенты тензочувствительности на участках с проводимостью р-типа и п-типа; Рр РИ удельная проводимость легированного кремния на участках с проводимостью р-типа и п-типа;

;Sp иS - площади поперечного сечения участков с проводимостью р-типа и п-типа.

На чертеже представлен тензотермодатчик, общий вид.

Малобазный тензотермодатчик содержит нитевидный монокристалл 1 кремния с ориентацией от роста 111, на котором сформирован р-п переход 2 с примыкающими к нему участками 3 и 4 . с проводимостью соответственно р-типа и п-типа, и три точечных омических контакта 5, 6 и 7, причем контакты 5 и 7 расположены на расстоянии 1 не менее 10 диаметров монокристалла от соответствующих торцев, а контакт 6 - на расстоянии от р-п перехода , определяемой формулой (1)„

Участок 3 имеет проводимость р-тиг па и коэффициент тензочувствительности К«90 до 110. Он образует тензочувствительный элемент датчика. Участок .4 нитевидного монокристалла 1 кремния, заключенный между контактами 6 и 7, образует термочувствительный элемент. Участки 3 и 4 с различной проводимостью можно получить, например, методом диффузии или при выращивании нитевидных кристаллов. Последний метод позволяет получать ри п-области, имеющие одинковые свойства и нужные размеры одновременно на партии монокристаллов.

Малобазный тензотермодатчик принципиально возможно изготовить и из крупногомонокристалла полупроводника, пользуясь существующей технологией, например выпиливанием, шлифовкой, травлением и т.д. Однако дешевле, проще и с лучшими характеристиками можно ИЗГОТОВИТЬ; полупроводниковые тензотермодатчики из нитевидных кристаллов. Это связано с тем, что нитевидные кристаллы можно получать в процессе роста нужных paiSMeров и формаf ориентированные в строго определенных кристаллографических направлениях, соответствующих наибольшей тензочувствительности. Тепловая инерция таких приборов мала л/. /(1-3) и дает возможность практически безынерционно измерять температуру малых объектов, труднодоступных мест, быстропротекающих процессов .

Малобазный тензотермодатчик работает следующим образом.

Тензотермодатчик приклеивается к контролируемой детали (не показана). Для измерения деформации крнтакты 5 и 6 соединяют со входом канала измерения относительного изменения сопротивления.

Для измерения температуры со входом измерительного канала соединяют контакты 6 и 7.

Деформация контролируемой детали передается нитевидному монокристаллу, наклеенному на ее поверхность. Однако его деформация неоднородна по длине даже в случае, если деформаuuff. контролируемой детали под тензотермодатчиком однородна. У концов монокристалла 1 имеется слабодеформированная область, в которой изменение сопротивления,обусловленное деформацией, незначительно. В средней части монокристалла 1 имеется однородно деформированная область, в которой изменение сопротивления,обусловленное деформацией, имеет максимальную веш1чину. Благодаря тому,что участок 3 перенесен в однородно деформированную область мoнoкpиcтaлJr a 1,

увеличивается амплитуда выходного электрического сигнала датчика и повышается точность измерения деформации, а также быстродействие, посколь ку базой служит часть длины монокристалла 1. В то же время включение в участок 4, используег 1й для измерения температуры, областей с проводимостью р-типа и п - типа позволяет Компенсировать тензочувствительность

одной области тензочувствИтельностью другой области, имеющей противоположный знак. Выбор соответствующих длин этих областей и позволяет достичь почти полной компенсации тензочувствительности материала монокристалла 1 при измерении температуры.

Применение предлагаемого малобазного тензотермодатчика при исследовании процессов нагружения деталей, работающих в широком температурном диапазоне, позволяет получить более достоверные данные об условиях работы этих деталей как при лабораторных экспериментах, так и в условиях промьшшенной эксплуатации машин и механизмов.

МАЛОБАЗНЫЙ ТЕНЗОТКРМОДАТЧИК, содержащий нитевидный кюнокристалл кремния, на котором сформирован р-п переход с притыкающими к нему участками с проводимостью р-типа и п-типау и три точечных омических контакта, один из которых размещен на участке с провЬдимостью п-типа, а два - -на участке с проводимостью р-типа, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений деформации и температуры, участки с проводимостью р-типа и п-типа расположены последовательно по длине монокристалла, каждый из двух крайних омических контактов расположен на монокристалле на расстоянии не менее 10 его диаметров от соответствующего торца, а средний омический контакт расположен на расстоянии от р-п перехода, равном К Уи SP L- 1. SPp SH где In - расстояние.от среднего контакта до р-п перехода; L - расстояние от контакта, расположенного на участке с проводимостью п-типа, до р-п перехода;.S К и К - коэффихдаенты.тенэочувстви(Лтельности на участках с проводимостью р-типа и п-типа; С Ор и 1 - удельная проводимость легиS рованного кремния на участ-, ках с проводимостью р-типа s и п-типа; SP и S. - площади поперечного сечения участков с проводимостью р-типа и п-типа. IND u Oi СО