Полупроводниковый тензопреобразователь Советский патент 1988 года по МПК G01L9/04 

1Ч

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преоб разования механических величин в электрический сигнал , и является .усовершенствованием известного тензопреобразователя - по авт.ев „ № 934257„

Цель изобретения - повышение точ-. ности измерений в широком диапазоне д температур за счет уменьшения разб роса значений температурной погреш ности чувствительности} обусловленно- ,го технологическим разбросом кон- центраций дырок в тензорезисторах. 15 Сущность дополнительного изобре- тения состоит в том, что уменьшение разброса значений указанной величины достигается путем использования ее зависимости от отношения ширины тен- 20 зорезистора Ъ к его толщине h

На фиГо показан тензорезистор,

поп еречное сечение; на фиг о 2 - зави

симости температурного коэффициента

сопротивления (ТКС) и температурно- 25

го коэффициента тензочувствительности (ТКТ) от величины --- для тензорезисторов, изготовленных из кремния с концентрацией дырок- р 7,0 х ЗО X 10 см ; на фиг „ 3 - полученные экспериментально значения величин Ъ/h и P/PQ) при которых чувствительность тензопреобразователя с мосто- вой тензосхемой, запитанной от гене™ - ратора тока, не зависит -от температуры; на фиг. 4 - тензопреобразова- тель; на фиг 5 - температурные зависимости чувствительности преобразо- вателейо.дО

Современная технология легирования эпитаксиальных пленок кремния на сапфировых подложках позволяет получать заданное значение концентрации дырок с погрешностью в пределах, 45 i:13%, что дает разброс значений температурной погрешности чуствитель- ности тензопреобразователей вокруг нулевого значения в пределах .10,05% Однако механические и термические деформации подложки в направлении, перпендикулярном-оси тензорезистора (фиГо1), передаются в его объем не полностью, Чем меньше величина b/h, .тем меньше при задан- - ной деформации подложки среднее значение поперечной деформации тензорезистора, поэтому такие электрофизи™ ческие характерист1-1ки гетероэпитак50

,

д 5 0

5

О О

5 -

0

сиальных тензорезисторов, как ТКС и ТКТ, зависит от величины Ъ/Ъо Это позволяет, воздействием на величину b/h, уменьшить разброс значений температурной погрешности чувствительности тензопреобразователей при их серийном производстве (фиг, 2 и З). Связь величин Ъ/h и Р/Рд (фиг„3) опи- сьюается эмпирической формулой b/li ( Р/РО) .5 где - концентрация дырок, обеспечивающая равный нулю температурный коэффициент чувствительности тензопреобразователей с ршрокими (b/h 7/ 40) тензорезисторами и зависящая от материала упругого эле- ментао Как видно из фиГоЗ, для любой концентрации дырок из интервала (о,7 l,0)pjj можно указать такое значение - величины Ъ/h из интервала (З - 40), при котором чувствительность тензопреобразователя не зависит от температуры

Предлагаемый полупроводниковый, тензопреобразователь (фиг„4) содержит упругий элемент 1, выполненный в виде закрепленной по контуру круглой сапфировой мембраны, на поверхности которой расположены гетероэпитакси- альные кремниевые тезорезисторы 2 - проводимости, соединенные в мостовую схемуо Контактные площадки 3 служат для присоединения микропроводников к тензосхеме, .

Плоскость сапфировой мембраны имеет кристаллографическую ориентацию (1012), тензорезисторы расположены в плоскости (001) кремния и ориентированы вдоль кристаллографических направлений 1107 кремния, Чустви- тельность такого тензопреобразова,те- ля при PJ 7, и b/h -7 40 практически не зависит от температу- ры в интервале от -50 до 250°С (,кривая а)о С учетом технологического разброса слои кремния на различных сапфировых подложках имеют концентрацию дырок от 5 10 до 7,. х X 10 см-,

Тензорезисторы изготавливают из слоя кремния толщиной 2-3 мкм известными методами фотолитографии.Для обеспечения необходдаюго значения величины, b/h перед проведением фотолитографии определяются конкретные значения толщины кремния, h и концентрации дырок РО -В зависимости от полученных значений h и р выбирают фото- шаблон, обеспечивающий при проведении

3141

фотолитографии необходимую величину Ъ/h, На фиг, 5 показаны температурные зависимости чувствительности преобразователей, тензорезисторы которых изготовлены из кремния с одной концентрацией дырок р 0,8р 5,7 X

10

см

-3

но имеют

значения

5 (кривая б) н Ъ/h 40 (. ii вая с)о

Таким образом, путем выбора необходимой величины Ъ/h можно в несколько раз уменьшить температурную погрешность чувствительности тензопреоб- разователейо

Формула изобретения

Полупроводниковый тензопреобразо- ватель по авт.св. № 934257, о т л и- чаю-щийся тем, что, с целью по6

вышения точности измерений в широком диапазоне температур за счет уменьшения разброса значений температурной

погрешности чувствительности, обусловленного технологическим разбросом концентраций дырок в тензорезисторах, последние имеют величину отношения ширины Ъ к толщине h, определяемую

Б зависимости от концентрации дырок из выражения

(I.-2-)- при 0,7.-Е- 0,975j РоРО

540 при 0,975 2-; 1,

РО - критическая концентрация

дырок, обеспечивающая рав- Иый нулю температурный коэффициент чувствительности тензопреобразовате- лей с широкими (b/h 40) тензорезисторами.

Ь h

где р.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для преобразования механических величин в электрический сигнал Цель дополнительного к авт.свид. СССР № 934257 изобретения - повышение точности измерений в широком диапазоне температур. Для этого необходимо уменьшить разброс значений температурной погрешности чувствительности, обусловленный технологическим разбросом концентраций дырок в тензорезисторак. Уменьшение разброса значений температурной погрешности достигается путем использования ее зависимости от отношения ширины гете- розпитаксиального кремниевого тензо- резистора к его толщине. Новым в тен- зопреобразователе является использование тензорезисторов с величиной отношения их ширины Ъ к толщине h, определяемой в зависимости от концентрации дырок по формуле

А / У /, / /, / / /, у, / /

l Х./ , / /)

-- А ,, У у. / / I

./X /

,,. /,,JL

ТКС, ГКТ, %/Y 0.2

-0,2

О

20

,, У у. / /

./X /

,,. /,,JL

0

60

80

B/h а%.2

W

0,7 . 0.80.3

/ U8. J

V

p/p

ФигЛ

fO

50100150

иг.5

200 t.C