Чувствительный элемент датчика механических величин Советский патент 1992 года по МПК G01L9/06 

1

(21)4757722/10 (22) 13.11.89 (46)30.09.92. Бюл. №36

(71)Институт полупроводников АН УССР

(72)В.Н.Ермаков, В.В.Коломоец, Л.И.Пана- сюк и В.Е.Родионов

(56)1 Физика электронно-дырочных переходов и полупроводниковых приборов Л.: Наука, 1969, с. 147-151

2 Кривоносое И.И. Электромеханические измерительные преобразователи давления высокотемпературных сред. М., 1965, с. 68-71,

Авторское свидетельство СССР № 198770, кл.С01 В 7/18, 1966.

(54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

(57)Изобретение относится к тензометрии и может быть использовано в системах автоматического управления, контроля и измерения деформаций, усилий, ускорений, перемещений, а также в медицинской технике Цель изобретения - повышение точности механоэлектрического преобраИзобретение относится к тензометрии и может быть использовано в системах автоматического управления, контроля и измерения деформаций, усилий, ускорений, перемещений, а также в медицинской технике

В настоящее время в качестве электромеханических преобразователей используются чувствительные элементы как на основе тензочувствительных полупроводниковых материалов, так и на основе полу- проводниковых приборов, например диодов или транзисторов

зователя, расширение рабочего диапазона по давлению, обеспечение температурной стабильности датчиков Предложено в качестве чувствительных элементов датчиков механических величин использовать типовую усилительную интегральную микросхему с дифференциальным входом на полевых транзисторах с p-n-переходом, сформированную на кристалле 2 кремния При этом, система температурной компенсации микросхемы обеспечивает температурную стабилизацию параметров преобразователя в рабочем диапазоне температур, а использование монокристаллической основы с диффузионными р-п-перехода- ми позволяет существенно расширить диапазон механических нагрузок Выходной сигнал микросхемы, используемой в качестве механоэлектрического преобразователя, может быть реализован в виде напряжения, тока или частоты периодических колебаний, пропорциональных внешней нагрузке, и имеющих значения, достаточные для функционирования регистрирующих приборов. 7 ил

В работе 1 описаны результаты изучения влияния неоднородной деформации на электрические характеристики кремниевых p-n-переходов, при этом было показано, что в области усилий, не превышающих некоторых критических значений FKp наблюдались обратимые деформационные изменения прямой и обратной ветвей ВАХ (упругая деформация), а при . зафиксированы необратимые изменения, связанные с генерацией в области p-n-перехода дислокаций (неупругая деформация кристалла). Исключая из рассмотрения область ,

(Л

С

XI о ел VI

со

следует отметить как существенную нелинейность зависимостей тока от приложенного усилия (как для прямой, так и для обратной ветвей ВАХ), так и незначительную величину самого эффекта (рис.2 и 3 работы 1). Эти недостатки не позволят практически использовать исследованные на кремнии деформационные эффекты для создания чувствительных элементов датчиков механических величин.

В книге 2 представлены данные использования в качестве электромеханического преобразователя полевого транзистора, управляющий электрод которого выполнен в виде диэлектрической подложки. Было показано, что положение ВАХ полевого транзистора зависит от прикладываемой силы, поскольку при этом изменяется сечение канала. Как указано в 3, использование канального транзистора позволяет управлять с помощью направленного усилия крутизной ВАХ, причем зависимость крутизны ВАХ от усилия близка к линейной. Предмет изобретения в 3 сформулирован как применение канального транзистора в качестве тензодатчика. Однако возможности использования отдельно взятого полевого транзистора в качестве механоэлектрического преобразователя существенно ограничены в связи с наличием значительной температурной зависимости его характеристик, что допускает его использование как преобразователя лишь при фиксированной температуре.

Авторами с целью повышения точности механоэлектрического преобразователя, расширения рабочего диапазона по давлению, обеспечения температурной стабильности датчика предложено использовать в качестве датчика механических величин -стандартную усилительную интегральную микросхему с дифференциальным входом на полевых транзисторах с р-п-переходом. При этом в отличие от преобразователя на единичном полевом транзисторе система температурной компенсации прибора (включающая и чувствительный к прикладываемому усилию или давлению полевой транзистор) обеспечивает температурную стабильность параметров.в рабочем диапазоне температур, а выходной сигнал микросхемы может быть использован в виде напряжения, тока или частоты периодических колебаний, пропорциональных внешней нагрузке и усиленных интегральной микросхемой до значений, достаточных для функционирования регистрирующих приборов или подачи непосредственно на устройства управления работой ЭВМ.

Конструктивно датчик механических величин представляет собой промышленную интегральную микросхему с входом на полевых транзисторах с p-n-переходом, к затвору одного из которых (или к затворам обоих входных полевых транзисторов дифференциальной схемы - в случае противоположных знаков прикладываемой деформации) с помощью системы передачи механического

усилия прикладывается направленная нагрузка.

Конструктивные варианты системы передачи нагрузки (давления) представлены на фиг.1, 3, 5, 7.

Индуцируемый механической нагрузкой сигнал после соответствующего преобразования и усиления интегральной микросхемой снимается с выхода ИС. На фиг.2, 4, 6 представлены зависимости выходного напряжения микросхемы от приложенной нагрузки.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Датчик механического

усилия реализован на основе типовой интегральной микросхемы 140 УД 8Б (фиг.1). Стержень 1 для передачи усилия упирается клинообразным основанием в область затвора входного полевого транзистора на р- n-переходе интегральной микросхемы, сформированной на кристалле 2 кремния направляющая втулка 3 служит для фиксации положения передающего усилие стержня 1, имеющего прямоугольное сечение, и упирающегося в область затвора полевого транзистора, сформированного на кристалле 2, смонтированного в корпусе 4. На фиг.2 представлена зависимость выходного напряжения микросхемы от нагрузки Р.

Пример 2. На фиг.7 представлено изображение датчика давления, изготовленного на основе интегральной технологии. Чувствительная к давлению окружающей среды мембрана 5 сформирована методом анизотропного травления в области монокристалла кремния, свободной от усилительных каскадов микросхемы,

а входные полевые транзисторы формируются на мембране в областях, имеющих разные знаки деформации, что позволяет увеличить чувствительность датчика. На основе предложенного устройства представляется возможным реализовать датчики абсолютного, относительного или избыточного давления в зависимости от того, какое давление выбирается в полости под мембраной датчика в качестве исходного (эт алон- ного) давления.

Формула изобретения Применение промышленной усилительной интегральной микросхемы на полевых

транзисторах с p-n-переходом в качестве чувствительного элемента датчика механических величин.

USbix, В

Фиг.

Ј

s/f

/ /

QGЈ

Ъ гпф

оогOQI

ЩЭ ШЦ НЫ(1

LC199II

у / J 7 rZJ-J У7ТУ

Т

УВых

2 Г

tin

Усилительная часть

и микросхемы

Мендрано с

входными поледымц р-п-тр-рамиФиг. 7

1.S