Интегральный тензопреобразователь Советский патент 1991 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динамических режимах.

Целью изобретения является повышение чувствительности за счет увеличения выходного сигнала непосредственно от тензопреобразователя.

На фиг.1 изображена конструкция интегрального тензопреобразователя; на фиг.2 - полная мостовая схема из тенэорезисторов R,- 1Ц..

На фиг.1 обозначено: 1 - упругий элемент из кремния n-типа и плоскостью ориентации (001), 2 - прямоугольная мембрана упругого элемента; 3 - периферия (контур) мембраны; 4 - токоведущие коммутационные дорожки}5, 6 - контактные площадки для подключения источника питания j 7,8- контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы; R., пЛ - резистивные участки тензорезисторов U, и RJ с положительной чувствительностью; RЈ, R - резистивные участки тензорезисторов R 2. и R q, с отрицательной чувствительностью. X - короткая ось прямоугольной мембраны, Y - длинная ось прямоугольной мембраны, а, Ьд - ши JQ рина и длина мембраны соответственно .

Тензометрический преобразователь содержит упругий элемент 1 из кремния n-тииа марки КЭФ-4,5 и ориентации )5 (001). В упругом элементе 1 анизотропным травлением кремния сформирована мембрана 2 прямоугольной формы. Отношение ширины aw прямоугольника к его длине Ь выбрано равным 0,6 из 20

интервала г 0,58-0,62, Отноше- ЬЛ

ние Й# 0.6 является оптимальным

из условия обеспечения в центре мемб- пп а2лл

„ряжения Ои - 0,09 г,

тактные площадки 5 и 6, а тия выходного сигнала - к площадки 7 и 8.

Интегральный тензопрео работает следующим образо

Механические напряжени мации). возникающие в мем пример, под действием дав вают в резистивных участк тензорезисторов RJ и R растяжения, в результате ны их сопротивлений увели (имеют положительную чувс В резистивных участках R зорезисторов R и R во формации сжатия, в резуль величины их сопротивлений ся (имеют отрицательную ч ность) . На периферии 3 ме вдоль короткой оси X буду вать продольные напряжени

- 0,49 Ч и попере

h2.

раны максимальной разности продочь- ных и поперечных U и„ напряжений,

h2

м

.л (Г,

Су -Gu.

которая Ра|наио0макс оХо-У „

0,046 гг Ч- HS поверхности мембЬм30

раны 2 методами полупроводниковой

технологии (диффузией или ионным легированием) сформированы тензо- резисторы R. р-типа проводимости, соединеннее меткду собой в полную мостовую схему. Тензорезисторы R и R-J состоят каждый из трех

периферии 3 мембраны вдол оси Y будут действовать п

напряжения

СГХ - 0,012 r

35

равных резистивных участков R и R., в тенэорезисторы R. - из участков R и R. Резистивные участки R1 и Rj расположены соответственно на длинной оси Y у периферии 2. мембраны 2, вдоль длинной оси Y вблизи центра мембраны и вдоль короткой оси X у периферии дс 3 мембраны (фиг.1). Резистивные участки R и RJ расположены соответственно перпендикулярно короткой оси X у периферии 3 мембраны 2. вдоль короткой оси X вблизи центра мембраны и перпендикулярно длинной оси Y у

периферии 3 мембраны 2 (фиг.1). Ре ( зистивные участки Rj- R и Rj™ R

каждого тензорезистора последовательно соединены друг с другом токоведупоперечные напряжения Сц

Ь2м

г q. В центре мембраны

действовать разность напр Дб1 0,046 При во

АА

нии вмембране 2 механиче женийсуммарные относител нениясопротивлений резис стковтензорезисторов R ны повеличине: Og $о

+ 0,065 ч а сумм сительные изменения сопро

50

55

резистивных участков тенз

R0 и R4 равны по величин

-o.oe bft-q.

Чувствительность же мо тенэопреобразователя с пр

мембраной будет равна: S

Для тензогтреобразовате ной мембраной (когда Ьм вительность мостовой схемы на: S OJ -ptf- f

щими коммуникационными дорожками 4. Для подключения источника питания на поверхности мембраны сформированы методом вакуумного напыления

тактные площадки 5 и 6, а для сня- тия выходного сигнала - контактные площадки 7 и 8.

Интегральный тензопреобразователь работает следующим образом.

Механические напряжения (дефорг мации). возникающие в мембране 2, например, под действием давления, вызывают в резистивных участках R и RJ тензорезисторов RJ и R деформацию растяжения, в результате чего величины их сопротивлений увеличиваются (имеют положительную чувствительность) В резистивных участках R и R тензорезисторов R и R возникают деформации сжатия, в результате чего величины их сопротивлений уменьшаются (имеют отрицательную чувствительность) . На периферии 3 мембраны 2 вдоль короткой оси X будут действовать продольные напряжения СГ

- 0,49 Ч и поперечные напh2.

пп а2лл

ряжения Ои - 0,09 г,

h2

На

м

0

периферии 3 мембраны вдоль длинной оси Y будут действовать продольные

напряжения А

СГХ - 0,012 .q

5

с

2м

поперечные напряжения Сц - 0,064

Ь2м

г q. В центре мембраны 2 будет

действовать разность напряжений Дб1 0,046 При возникновеАА

нии вмембране 2 механических напря женийсуммарные относительные изменениясопротивлений резистивных участковтензорезисторов R и R г равны повеличине: Og $о +

+ 0,065 ч а суммарные относительные изменения сопротивлений

резистивных участков тензорезисторов

R0 и R4 равны по величине:QD д.

-o.oe bft-q.

Чувствительность же мостовой схемы тенэопреобразователя с прямоугольной

мембраной будет равна: S 0,12/н 4. -.

Для тензогтреобразователя с квадратной мембраной (когда Ьм ам) чувствительность мостовой схемы будет равна: S OJ -ptf- f чувстви„

тельность тенэопреобразователя с прямоугольной мембраной в 1,2 раза выше, чем у тензопреобразователя с квадратной мембраной. Изменение - сопротивлений тензорезисторов, вызванное деформацией, преобразуется в в изменение электрического напряжения, которое снимается с контактных площадок 7 и 8 при подключении им источника питания к контактным площадкам 5 и 6.

Формула изобретения Интегральный тензопреобразователь содержащий профилированный упругий элемент из кремния п-типа с мембраной и сформированные в площади мембраны с планарной стороны на плоскости (001) тензорезисторы мостовой схемы р-ти- па проводимости, отличающий- с я тем, что, с целью повышения чувствительности, мембрана упругого элемента выполнена прямоугольной формы,

2244°

причем отношение ширины прямоугольник ка к его длине выбрано в интервале 0,58-0,62, а тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными, каждый из трех равных резистивных участков, которые соединены последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов

Ю с положительной чувствительностью рас положены соответственно перпендикулярно короткой оси у периферии мембраны, вдоль короткой оси вблизи центра мембраны и перпендикулярно длинной

15 оси у периферии мембраны, а реэистир- ные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на длинной оси у периферии мембраны, вдоль длин20 ной оси вблизи центра мембраны и

вдоль короткой оси у периферии мембраны .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в статических и динамических режимах. Цель изобретения - повышение чувствительности за счет увеличения выходного сигнала непосредственно от тензопреобразователя. Интегральный тензопреобразователь содержит профилированный упругий элемент из кремния п-типа, мембрана которого сформирована анизотропным травлением, тензорезисторы мостовой схемы р-типа проводимости сформированы в площади мембраны с планарной стороны на плоскости (001) методами полупроводниковой технологии, причем мембрана упругого элемента выполнена прямоугольной формы с отношением ширины и длины 0,58 - 0,62, а тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными каждый из трех равных резистивных участков, которые соединены последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно короткой оси у периферии мембраны, вдоль короткой оси вблизи центра мембраны и перпендикулярно длинной оси у периферии мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на длинной оси у периферии мембраны, вдоль длинной оси вблизи центра мембраны и вдоль короткой оси у периферии мембраны.

Фиг1

fm.l