Интегральный тензопреобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01L1/00 

-0,1875

рам п2

К2-1

22

дкв -0, К 71 О /О- ИмК

Изобретение относится к измерениям механических напряжений в статических и динамических режимах. Цель изобретения повышение чувствительности за счет увеличения выходного сигнала тензопреобразо- вателя. Тензометрический преобразователь содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, в котором анизотропным травлением сформированы профилированная мембрана 2 и жесткий центр 3. На поверхности мембраны 2 методом полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы PI - РА, соединенные между собой в полную мостовую схему. Для подключения источника питания на поверхности упругого элемента сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площадки 7 и 8, а для снятия выходного сигнала - контактные площа дки 9 и 10. 4 ил.

Оуд -0,1875- Им

ра2, . К2-1 „. .

К

V

ОхВ 0,1875- -- b ПмК

ОуВ 0,1875- -| Ьм

раЈ .

где р - давление, разномерно распределенное по площади мембраны;

45

так как 0,25Л44 , 12 -0.25Л44 ,

а те 0 ,

где ЩА главный пьезорезистивный коэф- фициент для р-типа тензорезисторов.

Чувствительность же мостовой схемы тензопреобразователя, составленной из таких тензорезисторов, будет равна:

S 0,094 Л44

А.

П2м

К2-1

О -АО

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

Это достигается тем, что в интегральном тензопреобразователе, содержащим упругий элемент с профилированной мембраной, выполненной из полупроводникового материала одного типа проводимости и жестким центром, на поверхности мембраны которого с планарной стороны сформированы тензорезисторы мостовой схемы противоположного типа проводимости, каждый из тензорезисторбв мостовой схемы выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых розистивных участков, мембрана упругого элемента выполнена с внешним контуром прямоугольной формы, жесткий центр выполнен в виде параллелепипеда, расположенного симметрично в центре мембраны, резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно на соответствующих противоположных сторонах мембраны симметрично относительно центра и параллельно этим сторонам и на противоположных сторонах внутреннего контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и перпендикулярно этим сто- ронгм, резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на тех же сторонах мембраны симметрично относительно центра и перпендикулярно этим сторонам и на тех же сторонах внутреннего контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и параллельно этим сторонам.

Устройство поясняется фиг. 1 - 4.

На фиг. 1-3 обозначены: 1 - упругий элемент из полупроводникового материала и плоскостью ориентации (001); 2 - профилированная мембрана упругого элемента; 3 - жесткий центр; 4 - внешний контур профилированной мембраны; 5 - внутренний контур профилированной мембраны; 6 - то- коведущйе коммутационные дорожки; 7, 8 - контактные площадки для подключения источника питания; 9, 10 - контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы; RI 1, Рз1 - резистивные участки тензорезисторов RI и Нз с положительной чувствительностью; R21, R41 - резистивные участки тензорезисторов R2 и RA с отрицательной чувствительностью; X, Y - оси симметрии; ам, Ьм - ширина и длина мембраны соответственно; а0, Ь0 - ширина и длина жесткого центра соответственно;

ДЯ

-5- чувствительность тензорезисторов. к

На фиг. 1 представлен профилирован ный упругий элемент с мембраной прямоугольной формы (размер сторон мембраны дм х Ьм) и с жестким центром квадратной 5 формы (размер сторон жесткого центра а0 х Эо); на фиг. 2 - профилированный упругий элемент с мембраной квадратной формы (размер сторон мембраны ам х ам) и с жестким центром прямоугольной формы (размер

0 сторон жесткого центра а0 х Ь0); на фиг, 3 - профилированный /пругий элемент с мембраной прямоугольной формы (размер сторон мембраны ам х Ьм) и с жестким центром прямоугольной формы (размер сторон жес5 ткого центра а0 х Ь0); на фиг. 4 - полная мостовая схема из тензорезисторов RI - RA. Тензометрический преобразователь содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например, кремния

0 n-типа марки КЭФ-405 с ориентацией (001). В упругом элементе 1 анизотропным травлением сформированы профилированная мембрана 2 и жесткий центр 3. Конструктивно профилированный упругий элемент вы5 полней следующих вариантов: мембрана 2 прямоугольной формы - жесткий центр 3 квадратной формы, мембрана 2 квадратной формы - жесткий центр 3 прямоугольной формы, мембрянэ 2 прямоугольной формы 0 жесткий центр 3 прямоугольной формы.

На поверхности мембраны 2 методами полупроводниковой технологии (диффузией или ионные легированием) сформированы тензорезисторы RI - RI, например, р-типа

5 проводимости, соединенные между собой в полную мостовую Причем тензорезисторы RI и Ra состоят каждый из четырех равных резистивных участков Ri и Ry . a тензорезисторы R2 и R/ - из участков R2 и

0 R41. Резистивные участки R|1 и Rs1 расположены соответственно вдоль внешнего контура 4 профилированной мембраны 2 вблизи его середины (вблизи точек А и AI на пересечении осей симметрии X и Y с внеш5 ним контуром) и перпендикулярно внутреннему контуру 5 мо.мбраны (вблизи жесткого центра 3)вблизи егс середины (вблизи точек В и BI на пересечении осей симметрии X и Y с внутренним контуром) (фиг. 1 - фиг. 3).

0 Резистивные участки Ra1 и R/i1 расположены соответственно перпендикулярно внешнему контуру 4 мембраны вблизи его середины (вблизи точек Аи Ач)и параллельно внутреннему контуру 5 мембраны вблизи его сере5 дины (вблизи точек В и BI), Резистивные участки Ri1 - Ra1 и R21 - каждого тензо- резистсрэ последовательно соединены друг с другом токоведущимй коммутационными дорожками 6. Для подключения источника питания на поверхности упругого элемента

1 (за пределами профилированной мембраны 2) сформированы методами вакуумного напыления и фотолитографии контактные площади 7 и 8, а для снятия выходного сигнала - контактные площадки 9 и 10.

Интегральный гензопреобразователь работает следующим образом.

Механические напряжения (деформации), возникающие в мембране 2, например, под действием давления, вызывают в резистивных участках RI и RS тензорези- сюров RI и Ra, расположенных вдоль внешнего контура 4 профилированной мембраны, деформацию сжатия, а в резистивных участках Ri1 и Пз , расположенных перпендикулярно внутреннему контуру 5 профилированной мембраны (вблизи жесткого центра), деформацию растяжения, в результате чего величины их сопротивлений увеличиваются (имеют положительную чув ствительность, т.е. -Q- 0 ). В резистивных участках Ra1 и R41 тензорезисторов R2 и R4, расположенных перпендикулярно внешнему контуру 4 мембраны и параллельно внутреннему контуру 5 мембраны, эти же механические напряжения уменьшают величину их сопротивлений (тензорезисторы R2 и R4 имеют отрицательную чувствительность, т.е. 0)

Так, например для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и с жестким центром квадратной формы (фиг. 1) из- гибные механические напряжения о/, и Су в точках А(ам/2:0) Ai(0: Ьм/2), В(а0/2; 0), Bi(0; а0/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями:

н л пра . ам а„

С л 0-4821Ј иа-яиЛс IT k с Ц |ucz

иЗл

рЪл

«TEWwAc

,pa

(

г

k5

Г ПЛП9| М- . t сХ8-о, 4+вд7№Лс k tf

ь Ь

k2 oT

рЪам(Мс4 .

Ь ь +а57«4Лс k|

Pb«|исгk -

GXftrO,182-T -- 40 57Hc c4 -ц-;

РЬ с kl-«

0, ьадтЛ(

f niaopQ« °г Ч мТ Г114адт 4с«4о ьГ

г , с

Vft4№l : ua5Ti4c%e ir0

Для упругого элемента с мембраной квадратной формы и с жестким центром прямоугольной формы (фиг. 2) изгибные механические напряжения а . Оу в точках с координатами А(ам/2; 0), Ai(0; ам/2), В(а0/2; 0), Bi(0; bo/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями:

д - 0,1875 -PA-J -L;

h2M

ОУА

. 0.1875-Ј|H--J ib : 12К§

h2M

0

5

0

5

0

K1 L;K3- 1 ЭоЬо

bo .2

1 - i .

tf

„ - П107С P Эм . M

OXB -0,1875 --z- 5-

hЈtf

n - Г 1 Я7г; РЭм . Kg - 1 . Оув -0.1875

MN3

0.1875 .

ПмM

22 v

л: - П 1R7R РЭм . K3 - 1 .

А1- 0.1875 .

-, n Iq7c- рам . K - 1 -0,1875- - OyBi 0,1875

рам h2M

Jizl.

КЗ

Для упругого элемента с мембраной прямоугольной формы и жестким центром прямоугольной формы (фиг, 3) изгибные механические напряжения о и cfy в точках А(ам/2; 0) Ai(0; Ьм/2). В(а0/2; 0), Bi(0; bo/2) поверхности мембраны 2 соответственно могут быть представлены выражениями

0

5

pa, i „

й .--.«ТГ-Й5 -, ТТ.1.-Ь7 с..

tf, v .

x H5, UOi5T lc24c k

Pbl(UP2kS-

Г плап Р «FCM-

b M-hr JMc t-tr

poS,

(UC

И-

:«. -diaa-1- - . .

, цча h2M k

4N га чувствительность мостовой схемы тензопr ...„. °4-iv-,реобразователя будет равна

Ч, 0.57(4

poft(UC7-lc -j 2 K2 1кЈ - 1

Ч-° 4вг Г Н р 1Т;5 S4ffita()(i-/i)

в,г° 4йа ТГ 05714сг с

«M для упругого элемента с мембраной

Суммарные относительные изменения прямоугольной формы и жестким центром

сопротивлений резистивных участков тен-10 прямоугольной формы (фиг. 3) зореэисторов RI - R4 соответственно равны pqi

по величине:ftR ЈR 0,l2lfr,

- для упругого элемента с мембраной1 эпм 1+0,57(4 с Чс

прямоугольной формы и с жестким центром - - 7kf4 J 1

квадратной формы (фиг. 1).15 , k f)0 (Ц

Ч Ч аМ1 if , ,0|57 cgtCi х

ЬГ VI

Iй

tc

2/k|H kV k k

kt

- П9п k -( I г/И- п

TflJ 20 llU--krflre(ir iTf|l

„ „024 |V xа чувствительность мостовой схемы тензоп°R2 °R4 и г n U цг 40,5П4сг+С -реобразователя будет равна

( 25

L Ki кг V kz KI /J2.

8 0,241 Щ4 %--яг

а чувствительность мосювои схемы тензоп-|-,2 ,1-ь 0,5714с -(-с

реобразователя будет равна

2г / 1м 1К 1 ,. ,

S-0,482 ям fi-sг к

hg 4+0,5714с2-be4

,,. 2 / КЗ -1 К -1

I(- ±-Ji± +35 з

2, К - 1 Н 1 Изменение сопротивлений тензорези0 СТОР°° вызванное деформацией, преобразуется D изменение электрического

- для упругого элемента с мембраной напряжения, которое снимается с контакт- квадратной формы и с жестким центром ных 9 10 ПРИ подключении источника пи- прямоугольной формы (фиг. 2) тания к контактным площадкам 7 и 8.

45 Технико-экономическими преимущест- 2вами тензопреобразователя по сравнению

5Rl бк3 0,094 л/14 р|мс известным являются:

Ьмчувствительность тензопреобразователя с профилированным упругим элементом, 1C - 1 кЗ - 1 5U с°АеРжа1Дим мембрану прямоугольной фор(-Го 73-) )мы и жесткий центр квадратной формы, по вышается в 4,8-5,2 раза а зависимости от

выбора коэффициентов Ki и Ка;

и -nnQ4j&t РЭмчувствительность тензопреобразоватеR2 R4 2gg ля с профилированным упругим элементом,

содержащим мембрану квадратной формы

к --1 и - 1и жесткии центр прямоугольной формы, по( + „ ) (1 -/)вышается з 3,0-3,5 раза в зависимости от

мКзвыбора коэффициентов Ki и Кз;

чувствительность тензопреобразовате- ля с профилированным упругим элементом, содержащим мембрану прямоугольной формы и жесткий центр прямоугольной формы, повышается в 1,7-2,4 раза в зависимости от выбора коэффициентов Ki и K/j;

существенно расширяются варианты исполнения конструкций упругих элементов с профилированной мембраной и жестким центром, а также расширяются варианты исполнения топологии мостовых схем с интегральными тензорезисторами.

Формула изобретения

Интегральный тензопреобразователь, содержащий упругий элемент с профилированной мембраной, выполненный из полупроводникового материала одного типа проводимости и жестким центром, на поверхности мембраны которого с планарной стороны сформированы тензорезисторы . мостовой схемы противоположного типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет увеличения выходного сигнала тен- зопреобразователя, каждый из тензорезисторов выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых резистив- ных участков, мембрана упругого элемента выполнена с внешним контуром прямоугольной формы, жесткий центр выполнен в виде параллелепипеда, расположенного симметрично в центре мембраны, резистив- ные участки пары тензорезисторов с положительнойчувствительностью

расположены соответственно на соответствующих противоположных сторонах мемб- раны симметрично относительно центра и параллельно этим сторонам и на противоположных сторонах внутреннего контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и перпендикулярно этим сторонам, резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на тех же сторонах мембраны симметрично относительно центра и перпендикулярно этим сторонам и на тех же сторонах внутреннего контура мембраны симметрично относительно центра мембраны и параллельно

этим сторонам.

Qi(0

Фиг. 2

0

Л1

OooJ 1

/

Фиг.З

П