Интегральный тензопреобразователь давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

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

Известные интегральные тензопре- образователи, изготовленные из монокристаллического кремния, в которых тензорезисторы, тензотранзисторы расположены на упругой мембране, в основном в зонах закр епления ее, где существуют наибольшие значения механических напряжений и которые направлены ё сторону максимальных значений пьезорезистивных коэффициентов.

Основным недостатком преобразователей является низкое значение чувствитель- Hoctn, а также нелинейность выходного сигнала из-за недостаточно оптимального размещения тензорезисторов. Поскольку распбложение тензорезисторов в зоне закрепления мембраны, как известно, ведет к искажению сигнала, к нелинейности, особенно это существенно для тонких мембран, и поэтому, при изготовлении приборов, авторы, указанных выше изобретений, вынуждены смещать тензорезистор из зоны закрепления, т.е. зоны наибольших механических напряжений.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому является принятый за прототип преобразователь давления, содержащий прямоугольную полупроводниковую мембрану, защемленную по контуру, и диффузионные тензорезисторы одного типа проводимости, сформированные на мембране с ориентацией вдоль длинных сторон мембраны и включенные по мостовой схеме, причем два тензорезистора, включенные в противоположные плечи мостз.. размещены на периферии мембраны на линии, проходящей через середину ее длинных сторон а, два других тензорезистора расположены соответственно каждый в зоне пересечения биссектрис углов мембраны, причем глубина легированной области

(Л

С

vi о ел VI

CJ

о

тензорезисторов составляет 0,16-0,20 от толщины мембраны, а отношение длинной стороны а мембраны к короткой стороне Ь выбрано из условия a:b 2.

Недостатками известного преобразователя являются нелинейность выходного сигнала и низкая чувствительность, так как два тензорезистора, расположенные в зоне закрепления, дают существенное искажение сигнала на выходе, кроме того, отсутствуют компенсирующие и термокомпенсирующие тензорезисторы, а это не позволяет сбалансировать схему, что естественно снижает чувствительность.

Целью изобретения является повышение чувствительности и линейность выходной характеристики преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в интегральном тензопреобразователе давления, содержащем полупроводниковую мембрану прямоугольной формы с отношением длинной а и короткой b сторон а:Ь 2, при этом стороны ориентированы по взаим- ноперпендикулярным кристаллографическим направлениям 110, а на пленарной стороне мембраны, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), сформированы две пары рабочих тензорезисторов р-типа проводимости с глубиной легирования 0,16-0,20 от толщины мембраны, и включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, причем каждый тензорезистор второй пары расположен в пересечении биссектрис углов мембраны, где на планарной стороне ее в прямоугольной зоне, по форме подобной форме мембраны, со сторонами 0,5Ь и (а- 0,5Ь) сформированы дополнительные регулировочные тензорезисторы, при этом каждый тензорезистор первой пары рабочих тензорезисторов расположен на пря- мой, соединяющей точки пересечения биссектрис углов мембраны, причем одни дополнительны регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембраны, а другие - перпендикулярно ей.

Физическая сущность распределения механических напряжений в прямоугольной мембране, защемленной по краям, состоит в том, что она определяется жесткостью и нагрузкой. Так при распределенной нагрузке характер распределения напряжений у пластин с соотношением сторон 1,5:1 и более, например 2:1 (см. фиг.1а, б), показывает, что напряжения (см,фиг.2а, б, в, г; фиг.За, б) увеличиваются при удлинении ИТП не только в точках наибольшими значениями и что наибольшие моменты (напряжения),

возрастая, остаются наибольшими, а при дальнейшем увеличении отношения сторон до 3:1 рост напряжений уже незначителен в т,ч, и максимальность значений, которые в

свою очередь приближенно равны напряжениям в прямоугольной пластине со стороной а, стремящейся к бесконечности.

Напряжения по центральной линии (вдоль наибольшей длины) достигают своей

наибольшей величины не в центре плиты, а в точках пересечения биссектрис (фиг.2а, в точках 5.11, фиг.За - в т.9.13). Изгибающие моменты (напряжения) в точках поперечного (меньшего) пролета уменьшаются от середины к закреплению. Эпюра значений в этом сечении может быть выражена с достаточной точностью параболой и поэтому на некотором среднем участке (вблизи центральных линий) напряжения не изменяются

(фиг.2в, г, фиг,36),

Расчет (см.фиг.2а, б, в, г, фиг.За, б), показал, что напряжение в точках зоны защем- ления достигают значений такого же порядка по величине, что и для ряда внутренних точек, т.е. точек в зоне центральных линий и которые имеют отрицательные значения противоположные внутренним точкам.

Таким образом, напряжения, как в продольном направлении пластины, так и в поперечном (например, вдоль центральных линий), изменяясь, проходят через нулевые значения и принимают отрицательные значения на границе защемления Поэтому,

можно выделить участок по форме подобный форме мембраны со стороны 0,5Ь и (а-0,5Ь), где положительные напряжения в точках, расположенных рядом, отличаются незначительно, что позволяет в этой зоне

сформировать и дополнительные регулировочные тензорезисторы и первую пару рабочих тензорезисторов, причем каждый резистор этой первой пары расположен на прямой, соединяющий точки пересечения

биссетрис углов мембраны,

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1а представлена мембрана с соотношением сторон 1,5:1 (4,5 х х 10 см х 3 10 см) с нанесенной на нее

сеткой для расчета, на фиг. 1 б - с соотношением сторон 2:1 (4 см х 2 см) и рассчетной сеткой; на фиг,2а - эпюры напряжений ( стх , Оу ) на планарной стороне пластины, рассчитанные по методу сеток

вдоль линии (III, XIII - центральная линия), на фиг.2б - напряжения ох , Оу по боковой линии (II, XIV) вдоль удлиненной стороны; на фиг.2в -сгх , Оу по центральной линии (XVIII, VIII) в поперечном направлении; на фиг.2г Ox , су в поперечном направлении по линии (XIX, VII), параллельной центральной линии; на фиг.За - распределение напряжений ( Ох , Оу) по центральной линии вдоль длинной стороны; на фиг.Зб-CTx , Оу по централь- ной линии в поперечном к пластине направлении. Центральные линии - линии симметрии.

Изобретение иллюстрируется на фиг.4, фиг.5 конкретным расположением тензоре- зисторов на мембране. ИТП (интегральный тензопреобразователь) давления состоит из совпадающей с кристаллографической плоскостью (100) полупроводниковой тонкой, меньше 50 мкм, мембраны 1, на которой в прямоугольной зоне (0,5b, a-0,5b) расположены р-типа проводимости тензорезисторы 2 и дополнительные регулирующие и компенсирующие тензорезисторы R0...; стороны 3 мембраны 1 ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений семейства 110 . Дватензорезистора R2, R2 расположены в зоне пересечения биссектрис углов мембраны, а два других рабочих тензорезистора Ri, Ri расположены на пря- мой, соединяющей точки пересечения биссектрис причем одни дополнительные регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мемб

ран, а другие - перпендикулярно ей.

Тензорезисторы Ri, Ri, R2, R2 образуют совместно с балансировочными R0... измерительную мостовую схему в прямоугольной (0,5b; a-0,5b) зоне, в точках которой имеем наибольшие механические напря- жения. Количество дополнительных R0... тензорезисторов определяется необходимостью и размерами полупроводниковой мембраны.

Подгонка в номинал тензорезисторов и начальная балансировка мостовой схемы проводятся путем последовательного перерезания (скрайбированием, лазерным и т.п. методами) соединительных дорожек от R0... В результате остается необходимое коли- чество дополнительных тензорезисторов. Затем на мостовую схему подается напряжение питания к двум противоположным углам моста через контактные площадки.

ИТП работает следующим образом. Под равномерным давлением q в мембране 1 возникает деформация, которая передается рабочим Ri, RI, R2, R2 и дополнительным RO... тензорезисторам, и на выходе моста (не показан) появляется измененное выходное напряжение.

Предложенное расположение тензорезисторов в прямоугольной зоне увеличивает электрический сигнал более чем в два раза.

5

10 5 0 5

0

5

0 5

0 5

По сравнению с прототипом в предлагаемом преобразователе рабочие и дополнительные компенсирующие тензорезисторы сформированы в прямоугольной зоне (в точках с наибольшим напряжением) и освобождены от влияния защемления и, следовательно, искажение сигнала исключено так же, как ранее для рабочей пары резисторов, расположенных в зоне пересечения биссектрис, которая также расположена в выделенной прямоугольной зоне. Все это позволило получить повышение чувствительности и линейность выходной характеристики преобразователя, т.е. больший сигнал, больший диапазон линейного преобразования, лучший отвод тепла от тензорезисторов на мембране и более рациональную топологию межсоединений тензорезисторов.

Таким образом, изобретение позволит обеспечить устойчивую работу мостовой схемы, всего тензопреобразователя и, следовательно, увеличится срок работы преобразователя.

Формула изобретения

-J. 2 -

Интегральный тензопреобразователь давления, содержащий полупроводниковую мембрану прямоугольной формы с отношением длинной а и короткой b сторон а:Ь 2, при этом стороны ориентированы по взаимно перпендикулярным кристаллографическим направлениям , а на планарной стороне мембраны, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), сформированы две пары рабочих тензорезисторов р-типа проводимости с глубиной легирования 0,16-0,2 от толщины мембраны, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, причем каждый тензорезистор первой пары расположен в пересечении биссектрис углов мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и линейности выходной характерстики преобразователя, в нем на планарной стороне мембраны в прямоугольной зоне, по форме подобной форме мембраны, со сторонами 0,5Ь и (а- 0,5Ь) сформированы дополнительные регулировочные тензорезисторы, при этом каждый тензорезистор второй пары рабочих тензорезисторов расположен на прямой, соединяющей точки пересечения биссектрис углов мембраны, причем одни дополнительные регулировочные тензорезисторы расположены параллельно длинной стороне мембраны, а другие перпендикулярно ей.

Фиг.1

Ч Ж

ж

2 5 8 11 V

Использование: изобретение может быть использовано при изготовлении полупроводниковых датчиков давл ения мембранного типа. Целью изобретения является повышение чувствительности и уменьшение нелинейности сигнала преобразователя. Сущность: в интегральном тензопреобразователе давлениятензорези- сторы сформированы в зоне максимальных напряжений, имеющей прямоугольную форму со сторонами , Cy a-1/2b, в которой дополнительно расположены также компенсирующие тензорезисторы R0, причем каждый тензорезистор схемы расположен под углом к центральной линии мембраны в направлении максимального тензоэффекта, 5 ил.

И

3 6 9 U 15

nxV

г ,, :

фиг. 2

И

В 9 10 11 12 13 Н

Ж

л

&

fr

4 ;/ IB

Фиг.З

у .д.

IJ77

ш