Интегральный тензопреобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01B7/16 

№

Изобретение относится к области измерения механических величин электрическими методами. Целью изобретения является повьшение точности измерения за счет увеличения чувствительности и расширения диапазона измерений. Интегральный тензопреобразователь содержит упругий элемент, выполненный из кремния, на котором методами планарной технологии сформированы т.ензочувствительные МДП-транзисторы 13-16, объедипе п-1ые в мостовую схему преобраз.ования, а также ВДП-транзистор 17 с дополнительными электродами 11 и 12, которые служат для снятия выходного сигнала, МДП-транзистор. 17 истоком 8 и стоком 9 соединен с диагональю питания тензочувствительного моста, затвором 10 - с цепью смещения, а дополнительными электродами 11 и 12 соединен с затворами МДП-транзисторов 13-16. МДП-транзистор 17 является вторым тензочувствительным элементом, расположенньгм в зоне деформации,и его канал ориентирован таким образом, чтобы под С S действием деформации выходной сигнал с дополнительных электродов 11 и 12 был макси шлен. В связи с тем, с: что дополнительные электроды 11 и 12 соединены с затворами МДП-транзисторов 13-16, образующих противофазные половины моста, происходит го увеличение изменения напряжения на сд выходе интегрального тензопреобра зователя, вызванного тензочувстви4 тельностью последних. 4 ил. О О гит. 05

.Общий

йа.Л Изобретение относится к изменению механических величин электрическими методами и может быть использовано для измерения деформации. Целью изобретения явл-яется повышение точности измерения за счет ув личения чувствительности и расшире. кия диапазона измерений. На фиг. 1 представлен интегральный тензопреобразователь, общий вид; на фиг. 2 - топология МДП-транзистора с дополнительными электродами; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема интегрального преобразователя, на фиг. 4 - зависимост выходного сигнала интегрального тензопреобразователя от величины приложенного механического напряжения. Интегральный тензопреобразовател содержит упругий элемент 1, выпол- , ненный из кремния, .область 2, где расположен тензочувствительный мост из четырех МДП-транзисторов, и область 3, где расположен пятый МДПтранзистор с двумя дополнительными электродами, выполняющий функции вт рого тензочувствнтельного элемента. На упругом элементе 1 указана его. линия 4 закрепления. Пятый МДП-тран зистор содержит сильно л егированные области истока 5 и стока 6, проводящий канал 7, электрода. от истока, .стока и затвора соответственно, а также дополнительные сильнолегированные области с дополнительными электродами П и 12. Допол нительные электроды 11 и 12 примыка ют к боковым границам проводящего канала 7 МДП-транзистора, расположе ны между истоком 5 и стоком 6 строго друг против друга и служат ,а/1я снятия выходного сигнала. Принципиальная электрическая схе ма интегрального тензбпреобразователя содержит тензочувствительный мост из МДП-транзисторов 13-16 и МДП-транзистор 17 с дополнительными электродами 11 и 12, причем МДПтранзистор 17 электродами 8 и 9 сое динен с диагональю питания тензочувствительного моста, электродом 10 - с целью смещения, а дополнительными электродами П и 12 - с затворами МДП-транзисторов 13-16. МДП-транзисторы 13-17 на упругом элементе 1 вьтолняются методами планарной технологии в едином тех66нологическом цикле (используется для их изготовления стандартная КМОПтехнология) и располагаются на нем в зоне деформации, а именно в областях 2 и 3. Тензочувствительная схема из МДПтранзисторов 13-17 изготавливается на плоскости кремния.с ориентацией (ЮО). Каналы МДП-транзисторов 1316 ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений типа 110.. Такой выбор ориентации каналов делается с целью получения максимальной чувствительности. Размеры каналов определяются заданным выход--ным сопротивлением схемы. Остальные размеры соответствуют стандартным требованиям к топологии ЩП-транзисторных интегральных схем. Плоскость (10П) удобна тем, что на ней реализуются М7Щ-транзисгоры 13-17 с минимальными пороговыми напряжениями. МДП-транзистор 17 расположен в зоне деформации и его проводящий канал 7 ориентирован таким образом, чтобы под действием деформации выходной сигнал с дополнительных электродов 11 и 12 был максимален. Выходной сигнал с электродов 11 и 12 того же порядка, что и у тензопреобразователей с мостовой схемой преобразования, а начальный уровень сигнала, очень мал и определяется точностью операций фотолитографии и легирования при изготовлении МДПтранзистора 17. Устройство работает следующим образом. Под действием деформации токи МДП-транзисторов 13 и 16 уменьшаются, а токи МДП-транзисторов 14 и 15 увеличиваются, поэтому потенциал в средней точке полумоста, образованного МДП-транзисторами 13 и 15, уменьшается, а потенциал в средней точке полумоста, образованного МДПтранзисторами 14 и 16, увеличивается, т.е. потенциалы в средних точках изменяются противофазно, обеспечивая тем самым большой выходной сигнал. Все транзисторы 13-16 моста находятся в пологой области БАХ, что обеспечивает высокую их чувствительность к деформации (фиг. 4). Выход- . ной сигнал тензопреобразователя сильно зависит от напряж.ения на затворах МДП-транзисторов 13-16, образующих тензочувствительный мост, так как он увеличивается с ростом напряжения на затворах и уменьшается с его уменьшением. В исходном состоянии (при отсутствии деформации) разность потенциалов между дополнительными электродами 11 и 12 равна нулю, а между ними и общим выводом - половине напряжения питания. Под действием деформации между ,, дополнительными электродами 11 и 12, т.е. на боковых границах проводящего канала 7 МДП-транзистора 17, возникает разность потенциалов, пропорциональная приложенной деформации. В связи с тем, что дополнительные электроды 11 и 12 соединены с затворами МДП-транзисторов 13-16, образуЮ1ЧИХ противофазные половины моста, происходит увеличение изменения, напряжения на выходе интегрального тен зопреобразователя. Использование -предлагаемого интег рального тензопреобразователя по сравнению с известным обеспечивает возможность создания интегральных тензопреобразоватедей с выходным ; сигналом 4-6 В при деформации 2-16

/I Щ 664 и чувствительностью, достигающей 2000 ед,, увеличение чувствительности интегральных тензрпреобразователей в 4-6 раз, распшрение диапазона измерения с помощью интегрального тензопреобразователя за счет увеличения чувствительности, увеличение выхода годных интегральных тензопреобразователей. Формула изобретения Интегральный тензопреобразователь, содержащий упругий элемент с расположенным на нем тензочувствительным мостом из четырех МДП-транзйсторов, отличающийся тем, что, с целью повьштения точноети измерения, на упругом элементе расположен пятый МДП-транзистор с двумя дополнительными электродами, исток и сток которого соединены с диагональю питания тензочувотвительного моста, затвор соединен с цепью смещения, а два дополнительных электрода соединены с затворами МДП-транзнсторов, образующих противофазные половины тензочувствительного моста.

8ш

6

5

V

10 го 30 Q p rtt ozpysKO} 9az.4