Чувствительный элемент частотного преобразователя усилий и способ определения области приложения усилий в чувствительном элементе преобразователя усилий Советский патент 1990 года по МПК G01L1/18 

в (/

С

И:й)бретение относится к контроль- о- Иэмерительиой технике и предназнаено для измерения как статических так н динамических усилий в различно- «- го рода автоматических снсткма-к и становках.

Целью изобретения является повьиаё- ие чувствительности.

На фиг, 1 изображеиз схема чайтот- 1@ ого преобразователя усилий с ительным элементом; на фиг,, 2 - оЛьт-амперная характеристика чузст ви гельного элемента частотного аэователя yci-ший,15

Устройство содержит чувствительный элемед1т 1 жесткое основание 2., О1 шческие контакты 3 и 4 регултгуе- гчый источник 5 питания постолниого токЗд ограничительный резистор 6, час-20 тотомер 7.

Чувствительный элемент 1 представ- Я|ЕТ собой р п-структуру5 выполненизгаэ из высокоомного кремния с удельным сопротивпением 250 Ом/см, легирован- 25 ного фосфором. Концентрация фосфора .N лежит в пргделах 10 Np ; 10 см С одной стороны структуры проведена компенсация фосфора золотоК} при этом электрошь с донорных уровней - 30 фосфора переходят на акцепторные уровни золота. Концентрация золота снижается от поверхности ди( и в объеме чувствительного элемента леит в пределах N ., N д 2М,;. При - ц.е таком соотношении ко нцентра1лий полностью заполнен электронами нижний акцепторный уровень золота и частич- ко, либо полностью верхний. С.противоположной с-тороны стрз ктуры про- 40 ведена диффузия алюминия до концент- рацт-и , лежащей в пределах . .чем создана р -область о Такая структура чувствительного элемента обеспечивает S-об- д,- разную во ль т-амперную характеристику -К является достаточыы1-{ условием для генерации колебаний тока под действием приложенного усилия

Чувствительный элемент устакавли- вэют на жесткое основание 2 и тем СйМзГМ исключают возможность цки изгиба. Затем с помощью,омичес- кюс коктахтов 3 и 4 ч ствительнгяй элемент включают в цепь регулируемо ГО источника 5 питания постоянного тска в прямом направлений.

Ограничительный резистор 6 включен в цепь для ограничения то-ка ,че.

50

55

рез пог упроЕодиикоБую структуру. Измеряемое усилие прикладьшают к р -области чувстзительного элементаs а выходной частотный.сигнал снимают с резистора б который .регт- стрнруется частотомером 7 проградуированным а единицах усилий.

При подаче напряжения в прямом направлении на тюлупрозодниковую структуру р -п-переход открыт Напряженность поля распределена по структуре чувствительного элемента в соответствии с неравнокерностьго распределения концентрацни носителей по его длине н неравномерностью юс компексацнИо По мере увеличения напряжения и соответственно напряженности поля до критического уровня происходит энергетнческ1ш разогрев электронов;, находящихся- на дз фочных уровнях золотгч как в п-,, так и в р -областяхс При Э7 ом за счет неравномерности распределения исходной концентрации напряженность поля по. длине структуры мэменяется неодинаково н энергии электронов Taicse различ нь,: В месте наибольшей концентрации носителей напряженность поля максимальна и энергетический разогрев носителей максимален. Часть электронов получает энергио, достаточную дл перехода с компенсмр пощего дырочного энергетического уровня в зону проводимости что вызывает уменьшение со противления и дальнейшее уве.гшчение напряженности поля в этом месте а это. в свою очередь,, соответственно увеличивает количество носителеЙ5 пе реходящкх в зону проводимости Происходит лавинообразный процесс, при- водяший к полному выбросу электронов с ,дьтроч1лгл энергетических уровней компенсации в зону проводимости. Структура переходят в состояние отрицательного дифференциального сопротивления, в ней образуется шнур тока, .Сопротивление чувствительного элеме та в резко падает до двух порядков. Напряженность электрического поля резко возрастает. При этом напряжение9 приложенное к ч ув с т 1.и те л ьн оку эле ме н ту j пр ак тиче с- ки полностью падает на область максн ivsajibHou проводимости (область шнура тока)с Вследствие резкого увеличения проводимс}сти в области шнура тока происходит перераспределение .плотности тока по площалзи чувств;- телького

элемента. Напряженность электр} ческо го поля в шнуре тока возрастает, а вне его резко падает. Уменьшение напряженности поля вне шнура тока вызывает процесс денонизации элек7 ро- нов и постепенный их переход на компенсирующий уровень. В п-области переход носителей на компенсируювдгй уровень приводит к уменьшению проводимости и еще большему паденшо напряженности поля. В р-области уменьшение количества свободных электронов вне шнура тока вызывает увеличение скорости объемной рекомбинации электронов у стенок шнура тока и постепенное их разрушение. Начинается процесс разруше1 ия шнура. Сопротивление шнура в р -области увеличивается, начинается новое распределение напряженности электрического поля по структуре: в области шнура она падает, вне шнура растет. Уменьшение напряженности электрического поля в шнуре приводит к переходу части электронов на уровни компенсации золота. Происходит второй лавинообразный процесс разрушения шнура. Плотность тока в шнуре постоянно падает, и при некотором ее критическом значении шнур гаснет, после чего состояние структуры возвращается к исходному и весь процесс повторяетг ся. Хаким образом в структуре возникают колебания тока, обус-повлен- ные возникновением и разрушением шнура тока. Область сутцествования шнура тока строго определенна для данной полупроводниковой структуры. Определяется область существования шнура тока данной структуры (экспериментально) путем приложения усилия в различные точки структуры и определения максимальной чувствительности (области шнура тока) по вЪ ходкому сигналу на приложенное усилие. Затем эта область с помощью метки фиксируется и таким образок получается область существования шнура тока для данной структуры

При приложении измеряемого ус1-1лия в область существов1ания шкура roses происходит изменение расстояния межд атомаки в полупроводниковой структу-

0

5

ре. Это приводит к увеличению энергии, вэаимодейстння птомов решетки, изменению расположения энергетическтс зон одна относительно другой, а соответственно и изменению ширины запрещенной зоны. При изменении шириш запрещенной зоны изменяется прямо пропорционально частота колебаний в полупроводниковой структуре, обусловленная возникновением и распадом шнура тока. Таким образом, величина измеряемого усилил, прикладываемого в область существования шнура тока, преобразу- выходной сигнал в частотной форме, причем частота колебаний тока Б полупроводниковой структуре прямо пропорционально зависит от приложенного усилия. Измерение частоты выходного сигнала частотомером, проградуи- рованным в единицах усилий, позволяет однозначно определить величину измеряемого усилия, приложенного к чувствительному элементу.

25

Формула изобретения

1.ЧувствительньпЧ элемент частотного преобразователя усилий, содержа щий монолитный кристалл с силовводя- 0 щими поверхностями, размещенный на жестком основании, отличающийся тем, что, с целью повьиения чувствительности, монолитный кристалл выполнен в виде пластины из высокоом- ного кремния, легированного фосфором до концентрации 10 N х, 10 , одна поверхность пластины дополнительно легирована золотом до концентрации N|, лежащий в пределах N NQ 2N 0 ДРУГ йя поверхность - алюминием до концентрации N/jj лежащей в пределах N д «iZ-10 см при этом ..

2,Способ определения области приложения усилий в чувствительном элементе преобразователя усилий, выполненном КЗ монолитного кристалла, о т- лн чающийся тем, что формирую от в чувствительном элементе шнур тока путем yвeлзiчeния напряженностн электрического поля до критического значения, фиксируют область сущест- вовання шнура тока и прикладывают в

эту область измеряемое усилие,б

0

Ff.

j ™::z:

/Vxx

I I

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повыпение чувствительности. Определяется область существования шнура тока данной структуры путем приложения усилия в различные точки структуры и определения максимальной чувствительности по выходному сигналу на приложенное усилие; . Величина измеряемого усилия преобразуется в выходной сигнал в частотной форме. Частота колебаний тока прямо пропорционально зависит от п{)иложчнного усилия. 2 с.п. ф-лы, 2 шт.

1,1:

и