ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным преобразователям, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления.

Цель изобретения повышение точности измерения при воздействии не стационарной температуры измеряемой среды и повышение чувствительности.

На фиг. 1 схематично изображен интегральный преобразователь давления; на фиг. 2 и 3 изображены тензорезисторы R₂ и R₃ в увеличенном масштабе.

Интегральный преобразователь давления представляет собой монокристалл 1 из кремния, в котором способом анизотропного травления изготовлена квадратная мембрана 2, выполненная за одно целое с опорным основанием 3. Плоскость мембраны совпадает с основной кристаллографической плоскостью (001), а стороны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений <110> и <110>.

Тензорезисторы R₁-R₄ p-типа проводимости выполнены диффузией бора в виде резистивных полосок и расположены на периферии мембраны, параллельно двум прилегающим сторонам и перпендикулярно двум другим прилегающим сторонам мембраны. Причем, тензорезисторы с одинаковым знаком чувствительности расположены у противоположных сторон мембраны. При этом ширина каждой последующей резистивной полоски 4, расположенной параллельно прилегающей стороне мембраны, превышает ширину предыдущей резистивной полоски (резисторы R₁ и R₃).

Резистивные полоски 5, расположенные перпендикулярно прилегающим сторонам мембраны, выполнены в виде равнобедренных трапеций, причем размер основания трапеции, расположенного ближе к центральной части мембраны, превышает размер основания, расположенного ближе к периферии мембраны. Ширина резистивных полосок определяется в соответствии с заявляемым соотношением. Примерная величина коэффициента К равна 0,26666 и уточняется экспериментально.

Резистивные полоски соединены между собой и другими резисторами мостовой схемы при помощи высоколегированных областей 6. Контактные площадки выполнены из алюминия.

Интегральный преобразователь давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной планарной. В мембране возникают напряжения и деформации. Тензорезисторы воспринимают деформации и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемому давлению. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на преобразователь, например, аддитивная температурная погрешность уменьшается за счет повышения симметрии расположения резистивных полосок и высоколегированных коммутационных областей, а также за счет выравнивания количества коммутационных областей, соединяющих резистивные полоски в соседних плечах мостовой схемы. При выполнении геометрических размеров резистивных полосок в соответствии с представленным соотношением температура нагрева резистивных полосок равномерно распределяется по их длине и преобразователь можно питать повышенным напряжением, т.е. выходной сигнал с преобразователя, а, следовательно, и его чуствительность будет выше. Чувствительность в преобразователе повышается также за счет того, что сопротивление резистивных полосок распределено таким образом, что большая часть сопротивления резистивных полосок находится в области наибольших значений относительных изменений сопротивлений тензорезисторов.

Технико-экономическим преимуществом преобразователя является уменьшение аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышение чувствительности. Кроме того, за счет равномерности распределения перегрева тензорезисторов по его длине, преобразователь может работать при повышенном напряжении питания.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к интегральным преобразователям, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления. Целью изобретения является повышение точности измерения при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышение чувствительнсоти. При воздействии на мембрану 2 давления, тензорезисторы, расположенные на периферии мембраны по осям ее симметрии, деформируются и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемого давлению. При воздействии на преобразователь нестационарной температуры, например, термоудара, аддитивная температурная погрешность преобразователя уменьшается за счет повышения симметрии расположения тензорезисторов, выполненных в виде резистивных полосок 4, а также оптимального выбора геометрических параметров полосок, рассчитываемых по предоставленному соотношению. Чувствительность преобразователя повышается, т.к. температура нагрева резистивных полосок равномерно распределяется по их длине и преобразователь можно питать повышенным напряжением. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, содержащий квадратную мембрану из монокристаллического кремния n-типа проводимости, выполненную за одно целое с опорным основанием, плоскость которой совпадает с основной кристаллографической плоскостью (001), а стороны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений <110> и расположенные по периферии по осям ее симметрии тензорезисторы в виде резистивных полосок, соединенных в измерительный мост, причем полоски двух тензорезисторов параллельны двумя противоположным сторонам мембраны, а полоски двух других тензорезисторов перпендикулярны двум другим сторонам мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при воздействий нестационарной температуры измеряемой среды и повышения чувствительности, в нем резистивные полоски выполнены различной ширины и одинаковой длины, причем ширина каждой последующей полоски, расположенной параллельно прилегающей стороне мембраны в направлении с стороны к центру мембраны, превышает ширину предыдущей полоски, а полоски, расположенные перпендикулярно прилегающим сторонам мембраны, выполнены в виде равнобедренных трапеций, малым основанием примыкающих к стороне мембраны. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ширина b резистивных полосок удовлетворяет следующему соотношению:

где b_р минимальная ширина резистивной полоски;
H толщина опорного основания;
a длина стороны мембраны;
h толщина мембраны;
l расстояние от стороны мембраны до средней линии, ближней к центру резистивной полоски, параллельной прилегающей стороне мембраны, или высота трапеции резистивной полоски, перпендикулярной прилегающей стороне мембраны;
K коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров, электрических и теплофизических характеристик мембраны, определяемый экспериментальным путем.