Тензопреобразователь давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/04 

(Л

С

Использование: в измерительной технике для измерения давлений жидкостей и газов в интервале температур 20-300°С без введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления. Сущность изобретения: тензопреобразователь мембранного типа, в котором на окисленной кремниевой подложке 1 выращены поликремниевые тензорезисторы 2, соединенные алюминиевой разводкой 3 в мостовую схему. Тензорезисторы легированы бором до концентрации (5,1-7.5) 10 и расположены у краев квадратной мембраны 7. Питание моста осуществляется от генератора тока, при этом происходит самокомпенсация температурой зависимости выходного сигнала и температурный коэффициент выходного сигнала тензоп- реобразователя находится в пределах (Ч),01Н+0.01)%/град. 2 ил. 1 табл.

Фиг. 2

00 Сд О

00 00

со

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов в интервале температур (+20)-(+300)°С без введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления,

Известен тензопреобразователь мембранного типа, работающий в диапазоне температур (-60)-(+200)°С. содержащий мост из монокремниевых тензорезисторов выращенных на монокристаллической сапфировой подложке. Тензорезисторы легированы бором, расположены у краев круглой мембраны о плоскости (001) параллельно и перпендикулярно радиусу вдоль направлений 110 . Под действием давления на тензопреобразователь два тензорезистора увеличивают свое соп ротивление, а два - уменьшают, При этом сопротивление RJ тензорезистора номерj зависит как от деформации поверхности сапфира в месте расположения тензорезистора (Ј), так и от температуры (Т)

Rj Rj(e,T).-:

Деформация е пропорциональна приложенному давлению Р

(Т)Р,

где А (Т).- коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.

Сопротивление j-тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, меняется следующим образом

Rj R(T)(1+Kj(e.T)),.2

где Kj ( Ј , Т) - коэффициент тензочувстви- тельности тензорезистора номер j.

В тензопреобразоаателе тенэорезисто- ры соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается s эиде

Квых (Ј, Т} - ипит (Ki {е, Т) - Кг (е, Т))/2 (2),

где Unur напряжение питания.

Если же питание моста осуществляется от генератора тока, то тогда выходной сигнал имеет вид

ивых (е. Т) J™r R СП (Ki (е. Т}- Кг ( Е, т))/2 (3),

где 1Пит - ток питания.

Для ориентации тензорезисторов в направлениях 110 в плоскости (100). которая используется в указанном устройстве, в широком диапазоне температур справедливо соотношение

Ki(e,T) (e,T) K-(e.T)

(4)

Ю С учетом соотношения (4) уравнения (2) и (3) принимают вид

15

11вых(е, Т)иПитК(е,Т)(5)

при питании от генератора напряжения, и ивых (е , Т) 1Пит R (Т) К (Б , Т) (6)

при питании от генератора тока. .Выходной сигнал мостовой схемы не зависит от температуры, если выполняется условие:

тки - 100% UbfxfeT) n m ТКивы -ЩЖП Т° (7)

45

50

55

30

35

40

Если ввести обозначения

- Я

коэффициент тензочуэствительности; 100% dRCe O.T)

.V-g

ткк

TKR.

температурный

темпераК(е -ОТ) турный коэффициент сопротивления;

ТКА 0 - температурный

I

коэффициент упругого преобразования; и продифференцировать уравнения (5) и (6), то получают

ТШвых ТКК + ТКА(8)

при питании от генератора напряжения, и ТШвых ТКК + TKR + ТКА(9)

при питании от генератора тока.

Если учесть, что I ТКА I«ITKR |, | ТКК I, то условие температурной независимости выходного сигнала (7) перепишется в виде

ТКК-0(10)

при питании от генератора напряжения, и TKR + TKK 0(11)

при питании от генератора тока.

Для тензопреобразовэтелей на монокристаллическом кремнии условие (10) не

может выполняться, поскольку коэффициент тензочувствительности монокремния зависит от температуры в интервале концентраций (1017-1020) . В то же время условие (11). при котором происходит самокомпенсация температурной зависимости выходного сигнала, может выполняться при оптимальной концентрации легирующей примеси. Для структуры кремний на сапфире это значение находится в диапазоне (8 + 0,8)1019 и условие (11) выполняется в интервале температур (-60Н+200)°С.

Кроме того известен тензопрербразо- ватель мембранного типа с рабочим температурным диапазоном (-60)-(+200)°С, являющийся прототипом изобретения, содержащий полный мост из поликремниевых тензорезисторов, легированных бором и расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100), контактные площадки, соединяющие тензорезисторы в измерительный мост, подключены к источнику питания (генератору напряжения). Два тензорезистора (первый и второй) расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии, а два других (третий и четвертый) расположены в центре мембраны параллель.ю первому и второму тензорезисторам. Тензопреобразователь имеет размеры 4,5 мм 3.5 мм 0,38 мм, размеры мембраны 2,5 мм 1,5 мм 30 мкм и изготовлен стандартными методами микроэлектронной технологии. Если выбрать систему координат с началом в центре мембраны, а осью Y параллельно короткой стороне, то с учетом указанного расположения тензорезисторов при подаче давления сопротивление j-тензорезистора будет иметь следующий вид:

Rj(e, Т) R(T) (1 + Siev0) + St ехш (12),

где Si - продольный коэффициент тензочувствительности;

St - поперечный коэффициент тензочувствительности;

ЈX.Y - диагональные компоненты тензора деформации мембраны в месте расположения j-тензорезистора.

При условии, что размеры тензорезисторов много меньше размеров мембраны, можно считать их точечными с координатами

Rl(X - О, Y 0,75 мм), Рз(Х О, Y - 0),

а значения компонент тензора деформации указаны для номинального давления Рнои 1 бар и имеют величины

еуЮ-ОЛО-3, Јх(1) 0, Јv(2) - -0,33 , Јх(2) - -0.08 .

Тогда при номинальном давлении сопротивления плеч моста будут следующими

Ri(PHoHT)R(T}(1+0,)

-3

Р2(РноМ Т) R(T) (1-0,33 Sii-з

-0,08 St)

(13)

При используемом в прототипе способе питания моста (От генератора напряжения) выходной сигнал моста при номинальном давлении записывается в виде

ивых (Рном. Т) - ипит (Ri (Рном, Т) - R2 (Рном, Т))/2 Упит (1,03 Si +

+ 0,08St)(14)

и определяется в основном величиной продольного коэффициента тензочувствительности. а его температурный коэффициент определяется, в основном, температурной зависимостью продольного коэффициента

тензочувствительности.

Однако, указанное устройство обладает существенным недостатком: выходной сигнал тензопреобразователя изменяется с температурой с температурным коэффициентом- 0,08% /град.

Значения продольного и поперечного коэффициентов тензочувствительности имеют один порядок величины, поэтому в уравнении (14) можно пренебречь вторым

членом и тогда выходной сигнал определяется только продольной тензочувствитель- ностыо:

Unix (Рном Т) иПит 1.03 S1 /2. (15).

Продифференцировав уравнение (15), получим температурный коэффициент выходного сигнала

50

TKUB

TKSt

(16).

Т1/с 100% dSt где TKSi -Q TTTT температурный коо1 О I

эффициент продольной тенэочувствитель- ности.

Из уравнения (16) видно, что температурный коэффициент выходного сигнала указанного тензопреобразователя определяется температурным коэффициентом продольной тензочувствительности. В указанном тензопреобразователе поликремниевые тензорезисторы легированы бором до концентрации 9-1019 (концентрацию можно определить из известной дозы легиро- вания 4,5 10 и известной толщины слоя поликремния 0,5 10 см). Известно, что при такой степени легирования коэффициент тензочувствительности поликристаллического кремния р-типа зависит от температуры. По- этому согласно (16) и появляется температур- ная зависимость выходного сигнала тензрпреобразователя.

Для устранения температурной зависимости «и- одного сигнала тензоп- реобразователя необходимо введение дополнительных средств компенсации, что делает датчик более громоздким и дорогим.

Целью изобретения является уменьшение температурной зависимости выходного сигнала тензопреобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления третий и четвертый тензорезисторы располагаются на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питания выполняется в виде генератора тока, при этом степень легирования тензорезисторов находится в интервале (5.1-7,5).

Нафиг,1 приведен общий вид тензопреобразователя (1 - подложка: 2 - поликремниевые тензорезисторы; 3 - алюминиевая разводка; 4 - контактные окна к тензорези- сторам; 5 - изолирующий окисел; 6 - защитный окисел; 7 - мембрана); на фйг.2 - разрез тензопреобразователя по А-А. Сущность изобретения состоит в следующем. На окисленной подложке монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100) (см. фиг.1) методами микроэлектронной технологии сформированы поликремниевые тензорезисторы, легированные бором, алюминиевая разводка соединяет тензорезисторы в незамкнутую мостовую схему. Для стабилизации характеристик тензопрёобраэователь покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки. Квадратная мембрана толщиной 30 мкм (см. фиг.2) расположена в срединной части тензопреобразователя и сформирована анизотропным травлением монокристаллического кремния в 30% растворе едкого кали. Размер тензоп- реобразователя 5 мм х 5 мм х 30 мкм, размер мембраны 2 мм х 2 мм х 30 мкм.

При подаче давления сопротивления тензорезисторов изменяются в соответствии с (12), а выходной сигнал имеет вид

ивых (Р, Т) 1Пит (Ri (Р. Т) - R2 (Р, Т))/2 - 1пит R(T) ((еу(1) Јv(2)) Si (ex(1)- ex(2))St)/2..07)

Температурный коэффициент выходного сигнала ТШвых легко получить из (17).

ТКУвых - ТК + TKSt/(1 + .ffi- StUTvc; , ,. , Cx -Ј0StvHM

-)Sl) TKSt f (1 + №-№s)(™

где произведена замена: ТК/э TKR - температурный коэффициент удельного сопротивления.

Из экспериментальных исследований известно, что температурные коэффициенты продольной и поперечной тензочувствительности различны (в отличие от монокристаллического кремния), а сами коэффициенты продольной и поперечной тензочувствительности находятся между собой в отношении

Si -2St

(19)

&f

Если тензорезисторы расположены на мембране тензопреобразователя так, как показано на фиг. 1, и их размеры много меньше размеров мембраны, то fix ,

,(2),

ех(1),а

.№-№

г-1

(20)

&f

С учетом изложенного уравнение (18) упрощается

ТШвых - TKpf 2 TKSi/3 + TKSt/3, (21)

а для того, чтобы выходной сигнал не зависел оттемпературы должно выполняться соотношение

ТК/ 2 TKSi/3 + TKS,/3 0. (22)

Температурные коэффициенты удел ь- ного сопротивления, продольной и поперечной тензочувствительности зависят от степени легирования, и подобрав оптимальную степень легирования поликремниевых тензорезисторов, можно добиться выполнения соотношения (22), а значит и температурно-независимого выходного сигнала.

Результаты проведенных исследований приведены о таблице. В таблице также указаны значения температурного коэффициента выходного сигнала, рассчитанные по формуле (21).

Из таблицы видно, что в указанном интервале концентраций происходит самокомпенсация температурной зависимости выходного сигнала.

Таким образом по сравнению с прототи- пом, выходной сигнал которого меняется с температурой с температурным коэффициентом-0,08%/град, в предлагаемом устройстве происходит уменьшение температурного коэффициента выходного сигнала в интервале концентраций(5,1-7,5) 1019см 3 до значений TKUBWxl 0.01% /град.

Фор.мула изобретения

Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристалли-

ческого кремния прямоугольную мембрану с опорным основанием и слоем окиси кремния на наружной поверхности, на которой расположены четыре поликремниевых тен- зорезистора р-типа проводимости, легированных бором, причем два из них, первый и второй, расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии, и контактные площадки, соединяющие тензорезисторы в измерительный мост, подключенный к источнику питания, отличающийся тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, в нем третий и четвертый тензорезисторы расположены на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питания выполнен в виде генератора тока, при этом степень легирования тензорезисторов находится в интервале (5,1-7,5) 10 см.

gcifoj