Датчик силы Советский патент 1986 года по МПК G01L1/10 G01L1/16 

1244512

ее собственных колебаний в свободном ем приложенного усилия частота коле- состоянии, В зависимости от дефор- банки вибропреобразователя будет ме- мации упругого элемента пвд действи . мяться, , 2 .

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем

Целью изобретения является повы- шение точности.

На фи, 1 представлен датчик силы с закрепленным на упругом элементе чувствительным элементом, общий вид; на фиг, 2 - конструкция чувствительного элемента,

Силоизмерительный датчик состоит из упругого элемента 1, на котором закреплен вибропреобразователь 2 со скобой 3, изготовленные монолитно иэ одного монокристалла полупроводника, например кремния.

Монолитная скоба 3 состоит из трех, расположённых параллельно ос- нованию скобы слоев 4-6 полупроводника различного типа проводимости; Например, нижний слой 4 состоит из кремния п-типа проводимости с удельным сопротивлением р 7,5 Ом CM средний слой 5 состоит из кремния

р+ -типа, с удельным сопротивлением р 0,001 Ом-см, а верхний слой 6 состоит из кремния п-типа проводи- .мости с удельным сопротивлением

р « 3,5 Ом-см. Слои выполнены по ин тегральной технологии, при этом верх НИИ слой 6 имеет три разрыва, вскрывающие поверхность центрального слоя 5 в трех местах. К одной из вскрытых областей слоя 5 изготовлен гоковы- вод 7.

Вибропреобразователь 2 расположен симметрично продольной 0-0 к поперечной О -О осям скобы З изготовленно

из кремния р -типа провод1ямости

С р 0,001 Ом-см и монолитно соединен с площадками 8 и 9 третьего слоя 6,

Вибропреобразователь 2 вьтолнен в форме нити и снабжен двумя токовы- водами 10 и 11 из кремния p -типа проводимости с р 0,001 Ом-см. К

,

д

5

токовьшодам присоединены выводные проводники 12 из микропровода.

Технология изготовления чувствительных элементов датчиков силы основывается на методе управляемого анизотропного травления кремния с под- травливанием (стоп-процесс) и сводится к следуюпщм основкьм операциям.

Кремниеззая пластина п-типа проводимости с удельным сопротивлением 3j5-7,5 Ом-см„ сильно легируется бором до концентрации ;j. З -Ю ® см на глубину 3-5 мкм.

Пленка кремния выполняет две функции; слу:кит барьером, тормозящим процесс травления кремния по вертикали выполняет роль возбудителя колебанш; вибропреобразователя,, когда к ней и вибропреобразователго прик- ладьшается переменное напряжение.

Далее со стороны легированной пленки p -типа проводимости выращи- BiaeTCH эпитаксиальный слой п-типа с удельш 1м сопротивлением 3,5-7,5 Омх см толвдгаой 2-5 мкм-(толщина опред е- ляется требуемым зазором между вибропреобразователем и вторым слоем). После чего на эпитаксиальньй слой осаждается или вьфащивается пленка йащ-итного диэлектрика Si-jN или Sic , Е которой формируются окна в форме вибропреобразователей с кон- тактньшги площадками, В окна производится: диффузия или ионное леги- рованле бора до концентрации З -Ю на глубину 0,5-2 мкм (определяется толщиной вибропреоб- разовЕ1Теля) Затем производится металлизация контактных площадок,, например алтюминием, защита контактных п-пощадок и мест закрепления вчбро- . преобразователя перед травлением кремния, удаление защитного дизлек- трщса и травление вскрытого кремния п-типа в травителе, состоящем из эти- лендйамина, пирокатехина и воды. Тра

витель имеет нулевую скорость травления кремния с концентрацией борз /5-10 см-3.

При травлении кремния происходит формообразование вибропреобразователей, так как в указанном травителе травится только п-тип, а - не травится. После травления пластина тщательно промывается, сушится и поступает на операцию разделения на дискретные чувствительные элементы датчиков силы.

Датчик силы работает следующим образом.

Между одним из токовыводов 10 или 11 к кристаллу, например 9 и то ковыводу 7 через выводные проводник 12 прикладьшается переменное напря- .жение (не показано), частота которого близка к собственной частоте мех нических колебаний нити. За счет электростатического взаимодействия заряженной нити (вибропреобразователя) и заряженного центрального слоя 5 скобы возникают поперечные колеба кия нити 2, равные ее собственной частоте колебаний в свободном (ненагруженном) состоянии. При приложении измеряемого усилия F к датчук частота колебаний вибропреобразоват ля 2 будет изменяться и зависеть от деформации упругого элемента 1.

При колебаниях нити 2 ее электрическое сопротивление R изменяется с удвоенной частотой по отношению к частоте механических колебаний нити. Следовательно, прикладьгоая к то- ковыводам 10 и 11 нити постоянное электрическое напряжение (не показано) через вибропреобразователь 2 потечет перемейный- (пульсируюшдй) ток, частота изменений которого будет служить информацией о величине действующей силы.

Использование предлагаемого датчика силы с монолитно изготовленным вибропреобразователем и скобой позволяет повысить точность, измерений в 2-3 раза по сравнению с известным за счет более качественного (надеж

Составитель А.Экономов

Редактор Ю.Середа Техред В. Кадар

Заказ 3906/44 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

.Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,

10

5

20 25 зо

2445124

. ного и определенного) закрепления концов вибропреобразователя и устранения паразитных термоупругих напряжений, возникающих в нити, при использовании разнородных материалов для скобы, нити и узлов закрепления.

Таким образом конструкция предлагаемого датчика более технологична чем все известные идля ее изготовления приемлемы групповые приемы изготовления, используемые в микроэлектронике.Особенности конструкции и современные возможности технологии позволяют изготовить виброгЕреобразователи в монолитном исполнении со скобой в миниатюрных и суб- миниатюрных размерах. Оптимальными следует считать размеры нити 50- 100,,,5-2 мкм и соответственно размер скобы Е 2-5, b 0,5- 1,0 и h 0,2-0,4 мм.

Датчики изготовленные на основе таких вибропреобразователей с учетом хорошей повторяемости геометрических и физических параметров нитей при групповых процессах, будут облад ать идентичными, воспроизводимыми характеристиками, что обеспечит.их полную взаимозаменяемость и унификацию на практике.

20 25 зо

35

0

5

Формула изобретения

Датчик силы, содержащий упругий элемент, скобу с токовыводом и закрепленным на ней вибропреобразовате- лем в виде монокристалла с двумя то- ковыводами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, скоба выполнена из трех слоев полупроводникового материала двух типов проводимости, при этом вибропреобразователь образован двумя выступами и перемычкой между ними в материале одного из наружных слоев и размещен симметрично относительно продольной и поперечной осей скобы, внутренний слой с токовьшодом и перемычка вибропреобразователя с двумя токовыводами выполнены р-типа проводимости, а наружные слои - п-типа проводимости.

Корректор А.Зимокосов

Изобретение может быть использовано при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем. Для повышения точности устройства скоба 3 вьтоЛнена из трех слоев 4-6 полупроводникового материала двух типов проводимости, а вибропреобразователь образован выступами 8,9 с Токовыводами 10, 11 и перемычкой 2. При подаче переменного напряжения к токовыводам 10 или 11 и токовьгооду 7 в перемычке 2 возбуждаются поперечные колебания с частотой (Л и «и. 2