Способ изготовления полупроводникового тензопреобразователя с раздельными цепями питания и измерения Советский патент 1989 года по МПК G01L9/04 

4 СО

СО 00

со

Изобретение относится к тензометрии и может быть использовано для измерения механических деформаций, давления, ускорения и вибраций в из- мерительной технике.

Целью изобретения является улучшение рабочих характеристик тензопре- образователя за счет уменьшения начального выходного сигнала при от- сутствии механической нагрузки.

На фиг.1 изображен полупроводниковый тензопреобразователь, вид сверху, разрез; на фиг.2 и 3 - ориен- тационные зависимости сигнала на выходных KOHTEU Tax, расположенных перпендикулярно линиям протекания тока в плоскости (100) и (ПО); на фиг.А - злектрическая блок-схема включения полупроводникового тензо- преобразователя; на фиг.5 - изменение взаимного расположе шя токовых и выходных контактов. I

Полупроводниковый тензопреобразо- ватель (фиг.1) изготавливают следующим образом. На диэлектрической подложке 1, например сапфировой, с помощью фотолитографии формируют тензопреобразователь 2 из полупроводнико- вого материала с металлическими токовыми 3,4 и выходными 5,6 контактами. В качестве исходной заготовки может быть использована структура кремний на сапфире (КИС).

Продольная ось тензспреобразовате- ля, проходящая через середины токовых контактов 3,4, ориентирована к главным кристаллографическим осям под определенным углом, например кристалло графическому направлению Oll в плоскости (100) под углом 22,5°. При другой ориентации продольной оси тен зопрео разователя выходной сигнал при приложении механической нагрузки будет значительно меньше или вообще отсутствует | (фиг.2,3). Токовые контакты 3,4 расположены перпендикулярно выходным контактам 5,6 (фиг,1).

Они представляют собой металлические

площадки, например,из алюминия или другого металла, создающего хороший омический контакт к данному полупроводниковому материалу. Кроме того, он должен обладать хорошей адгезией для присоединения к нему металлических проводников, например, с помо1цью пайки оловосодержащим припоем. Один из контактов, например выходной кон

0

5 0 5

0 5

0

такт 5, выполнен в виде гребенки с числом элементов от 3 До 5-10 .

Нижняя граница 3 обусловлена тем, что необходимо менять расположение контакта по боковой грани полупроводниковой пластины, и число элементов, равное двум, осуществляет грубое перемещение, что практически не дает положительного эффекта.

Верхняя граница 5-10 обусловлена возможностями технологического оборудования.Изготовление единичных элементов гребенки с геометрическими, размерами, меньшими 1-2 мкм, связано с большими трудностями, т.е. необходимо очень сложное и дорогостоящее оборудование для создания фотошаблонов и металлической разводки.

То,пщина диэлектрической подложки 1 , например сапфировой, определяется толщиной исходной КНС пластины, изготавливаемой промьппленностью, и составляет от 0,2 до 0,4 мм.

Затем к токовым контактам 3,4 подключают -источник 7 постоянного тока (фиг.4). Выходной сигнал, пропорциональный величине прикладываемой механической нагрузки, должен измеряться вольтметром 8 на выходных контактах 5,6.

При пропускании тока через контакты 3,4 при нулевой механической нагрузке на выходных контактах 5,6 возникает начальный сигнал. Этот сигнал обусловлен либо не перпендикулярным расположением токовых и выходных контактов, либо неоднородностью полупроводникового материала. Это вызывает искривление линий тока, протекающих между токовыми контактами и, следовательно, приводит к нарушению перпендикулярности их к выходным контактам, В том и другом случае необходимо изменять взаимное расположение контактов. Для- этого изменяют количество единичных элементов гребенки, участвующих в работе тензопреобразова- теля, для чего разрывают, например, с помощью острого механического приспособления у основания единичные элементы (как показанр на фиг.53. Как видно из фиг.5, изменяется положение середины выходного 5 контакта, выполненного в форме гребенки, а следовательно, угол между линиями, соединяющими середины токовых и выходных контактов. Этот угол влияет на величину начального сигнала: чем

I

ои ближе к 90°, тем меньше начальный сигнал. Таким образом, разрывая и со е;хиняя единичные элементы меандра, например, с помощью пайки, находят оптимальное положение середины выходного контакта, при котором начальный сигнап по вольтметру 8 имеет наименьшее значение.

В качестве конкретного примера реализации был изготовлен тензопре- образователь в виде прямоугольника с геометрическими размерами 0,3x4x5 мм. Чувствительный элемент изготавливался методом планарной технологии из р-типа кремния с удельным сопротивлением 0,002 Ом СМ. Продольная ось тгн зопреобразователя, вдоль которой сформированы токовые контакты, служащие для пропускаршя тока питания, ориентирована под углом 22,5° от кpиcJ JlлoI paфичecкoгo нaпpaвлf н,; по в плоскости (100), а выходные контакты лежат на линии, перпендикулярной продольной оси тензопргобра- зователя. У тензопреобразователя были выполнены в виде г ребенки, содержащей 3 элемента, один токовый контакт и один выходной. При рабочем токе 5 мА выходной сигнап составлял 30 mV, 1шчапьшлй сигнал в зависимости от ьзаимного расположения контактов изменялся я пределах от 5 mV до 0,03 mV.

Экспериментальные исследования показали, что у изготовленного таким способом полупроводникового тен- зо прарбразователя примерно в 30- 100 раз уменьшается начальный .иг- нал. Это ведет к улучшению рабочих характеристик. ; уменьшается возмож93890

ность появления ложного сигнала н отсутствии механической нагрузки; отпадает необходимость постоянно делать поправку на НсШ.-и-ьный сигналу упрощается обработк. 1:Иформап.ии. За счет возможности значительно уменьшать практически ,;с.бой начальп1,1й сигна.л повьш1ается кыхпд голных нзде- 10 ЛИЙ из napiUH.

Формула и 3 о б р е т и )1 и я

Способ изготовления полупроводни15 нового тензопрообразогателя с раз- дельными цепями питания и измерения путем фо1)мироваш:я на диэлектричес кой подложке тензопрообрлзозателя из полупроводникового материала с ме20 таллическими токовыми и выходными контактами с помотью фотолитографии, причем два токовьсх контакта сформированы вдоль продольной оси тензопреобразователя, а два выходных контак25 та расположены на линии, перпендикулярной продольной оси, отличаю щ и и с я тем, что, с целью улучшения рабочих характеристик тензопреобразователя за счет 1епьшения на30 чального выходного сигнала при отсутствии механической нагрузки, при формировании тензопреобразователя хотя бы один из контактор - токовьш или выходной - выполняют в виде греу бенки, затем пропускают ток через токовые контакты и, разрывая и соединяя единичные элементы гребенки, находят оптимальное положение среднего элемента гребенки, при котором

40 начальны сигнал имеет наименьшее значение.

Ofn

CoffJ

Изобретение относится к тензометрии и может быть использовано для измерения механических деформаций, давления и вибраций. Целью изобретения является улучшение рабочих характеристик тензопреобразователя за счет уменьшения начального выходного сигнала при отсутствии механической нагрузки. На диэлектрической подложке 1 с помощью фотолитографии формируют тензопреобразователь 2 из полупроводникового материала с металлическими токовыми 3,4 и выходными 5,6 контактами. Два токовых контакта сформированы вдоль продольной оси тензопреобразователя, а два выходных контакта расположены на линии, перпендикулярной продольной оси, причем один из выходных контактов (контакт 5) выполняют в виде гребенки. Затем пропускают ток через токовые контакты 3,4 и, разрывая и соединяя единичные элементы гребенки, находят оптимальное положение среднего элемента гребенки, при котором начальный сигнал имеет наименьшее значение. 1 ил.

Фиг.З

М.5