Интегральный преобразователь давления Советский патент 1990 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в области приборостроения, в частности при изготовлении полупроводниковых элементов мембранного типа.

Цель изобретения - повышение чувствительности и уменьшение габаритов интегральногоо полупроводникового преобразователя давления.

На фиг. 1 представлена полупроводниковая мембрана и расположение тензорези- сторов (вид сверху): на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (глубина легированной области тензорб3.исторов).

Интегральный полупроводниковый преобразователь давления состоит из совпада- ющей с кристаллографической плоскостью (100), прямоугольной мембраны 1, на которой расположены тензорезисторы 2 р-типа проводимости глубиной до 0,16-0,2 от толщины, например, тонкой меньше 50 мкм мембраны 1. Стороны 3 мембраны 1 ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений семейства 110 . Два

. тензорезистора 2 RI, Ri расположены в се- редине длинных сторон, а два тензорезистора 2 R2, R2 - в зоне пересечения биссектрис (пунктирная линия), так как проведенные исследования напряженного состояния шарнирноопертых и жестко защемленных по сторонам 3 прямоугольных слабо анизотропных мембран при равномерно распределенной нагрузке показывают, что в зоне пересечения биссектрис напряжения на 5-10% больше, чем в центре. Тензорезисторы соединены в мостовую схему.

Как показывают расчеты длину и ширину (сторон 3) прямоугольной мембраны необходимо выбирать из соотношения а : b 2 для защемленной по контуру и а : b : 5 для опертой.

При этом наибольшие по абсолютному значению изгибающие моменты получаются на контуре в серединах длинных сторон пластины.

Эти же расчеты показывают, что наибольший прогиб и изгибающие моменты

имеют место уже при

-|- 1,75. а при-|- 2

имеет место незначительное их увеличение, которое сравнимо со значением прогиба изгибающих моментов (напряжений) при

в

Дальнейшее сравнение относительных величин прогиба, изгибающих моментов показывает, что в случае пластинки с весьма вытянутым прямоугольным контуром прогиб вследствие заделки по контуру уменьшается в пять раз, а механические напряжения (изгибающие моменты), например, длр- - 1,5 при заделке краев уменьВ

шаются примерно на 7%.

Интегральный преобразователь работает следующим образом.

Давление (например, газа, жидкости и т.д.) от-«равномерно распределенной нагрузки q, действующей на мембрану 1, и в результате деформации (напряжений) в зо- не тензорезисторов 2 мембраны, изменяется сопротивление тензорезисторов RiRi R2R2 и на выходе с моста (не показан) изменяется выходное напряжение. Чем больше механическое напряжение в мембране 1, тем сильнее сигнал (ток) и поэтому отпадает необходимость в мощных вторичных приборах по усилению сигнала.

В преобразователе тензорезисторы R2 R2 имеют увеличение напряжения на 5-10%, а также на 21-14% увеличение напрях ения для всех тензорезисторов, располагаемых в ортотропной мембране.

0

5

Увеличение на 20% нагрузки на мембрану, в которой тензорезисторы расположены а зоне максимальных напряжений, может увеличить электрический сигнал в 2,4 раза. Поэтому увеличение суммарного напряжения на 31 % за счет учета анизотропии мембраны ведет к увеличению электрического сигнала на выходе в 2,4 раза при той же начальной нагрузке. Это обеспечивает повышение чувствительности при ограничении габаритов преобразователя, что позволяет рнизить питание напряжения и увеличить срок работы преобразователя.

Формула изобретения Интегральный преобразователь давления, содержащий прямоугольную полупроводниковую мембрану, защемленную по. контуру, и диффузионные тензорезисторы одного типа проводиг.ости, сформирован0 ные на мембране с ориентацией вдоль длинных сторон мембраны и включенные по мостовой схеме, причем два тензорезисто- ра, включенные в противоположные плечи моста размещены на периферии мембраны на линии, проходящей через середину ее длинных сторон, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и уменьшения габаритов, в нем два других тензорезистора расположены соответственно каждый в зоне пересечения биссектрис углов мембраны, причем глубина легированной области тензорезисторов составляет 0,16-0,2 от толщины мембраны, а отношение днинной стороны а мембраны к

5 короткой стороне b выбрано из условия

а .Ь 2.

5

0

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с повышенной чувствительностью и пониженной величиной питающего напряжения. Цель - повышение чувствительности и уменьшение габаритов. Это достигается тем, что тензорезисторы 2 располагаются на прямоугольной мембране 1 в зоне максимальных напряжений на пересечении биссектрис. При этом длину и ширину мембраны выбирают по представленным соотношениям, а глубину легированной области каждого тензорезистора выбирают 0,16 - 0,2 от толщины мембраны. 2 ил.

Фиг. I