Полупроводниковый тензодатчик Советский патент 1977 года по МПК H01L41/10 

t

Изобоетевйе относится к датчикам мехаюгаескнх в акустяческвх давлений и может быть использовано в качестве преобразователе последних в апектрнческие сигналы.

Иааествы полупроводниковые тензорезисх торы, содержащие брусок или пленку из германнв, кремния или других папупроводниковых материалов с Двумя токош 1ми зпектродамя.

Пряшшп действия полупроводниковых тензо резисторов основан иа эффекте пьезосопротивления, который, как правило, сильно анизотропен. Анизотропия пьезосопргтивпения в полупроводниках обусловлена сложной структурой их энергетических зон. Кристалл сграфическая ориентация бруска или пленки, из которых затем изготавливают тензорезистор, обычно такова, что деформирующее усилие црикладыв оот в направлении максимального значения коэффициента пьезосопротивлени51; направление электрического тока обычно СОЕ падает с направлением деформаций. Вследсрвие этого ток и электрическое поле в таком бруске или пленке коллинеарны. В частности, для тензорезисторов, изготовленных из германяз И- или р - типа и кремния р - , -максимальный тензоэффект достигается, когда направление деформации и тока совпадает с кристаллографическим направлением , а для кремнияТ - типа - с lOOj.

Для преобразования механической деформации в соответствующее изменение электрического сигнала, тензорезисторы обычно используются как активные элементы потенци1 метрических (а) или мостовых (б) схем. Тензопреобраэователем фактически .является текзорезистор в совокупности с одной из указаьн ных схем.

Величина изменения падения напряжения на тензорезисторе в первом случае (а) или величина разбаланса моста во втором случае (б) служит мерой деформации.

Зависимость выходного, сигнала для схем обоих типов от величины относительного иэменения сопротивления активного элемента AR/R в общем случае нелинейна, что ocoeeitно заметно при больших деформациях и соответственно больших AR/l, достигающих 2О30% для полупроводниковых тенаорезисторов. Для устранения этого эффекта в схемах типа (а) обычно испопьёуют схемы постоянства тока, однако,- при этом требуются источники с повышенным напряжением, что в ряде случаев нежелательно. Кроме того, снижается КПД преобразователя. Схемная нелинейность может быть устранена и применением уравгновешенных мостовых схем (б), но это уопожняет процесс измерений или требует слоя ных автоматических схем, Наличие существенней температурной зависимости сопротивления .недеформированнога тензореэистора приводит к возникновению сигнала кажущейся деформадии. Так, напри мер, для тензорезистора, изготовленного из германия tJ- типа с удельным сопротивлением . 5 OjvgcM) изменение комнатной темйёратуры на 1 С вызывает такое же изменение сопротивления, как изменение нагрузки на 120130 кг/см2. Этот недостаток обычно минимизируется . путем применения ннзкоомных материалов дл иаготовпения тензорезисторов, однако,- при этом снижается тензочувствительность. Вторым методом является использование гермокомпенсации элементов схем с помощью термисторов и т.д. или наряду с деформируюмыми тензорезисторами таких же недеформируе wbix и находящихся в одинаковых с первыми те;-лпературкых условиях. Все эти методы сложны и имеют, огран№ченный температурный диапазон,Применение тензорезисторов в стандарт аой измерительной .аппаратуре требует досг таточно строгой унификации;)-их параметров прежде всего их полного сопротивления. Цель изобретения обеспечение |линеар№аации характеристик тензодатчика и температурной их стабилизации. Это достигается тем, что полупроводниковый тензодатчик имеет два дополнительных боковых электрода и полупроводникова ; плао тина ориентирована под углом к кристаллогр фическому направлению кристалла, вдоль которого коэффициент пьезосопротивления максимален. В качестве примера реализации предлагаемого полупроводникового тензодатчика бьш изготовлен слиток германия И- типа с удаль, ным сопротивлением 10 Омсм, Чувствительный элемент выпалне11 в виде й рямоугопьной пластины с размерамитх Юмм )2,5MM,, Оси X и У лежат вKpncTanjji графической плоскости (llo), причем, ось X повернута от оси ill на угол 30° в сторону оси ЮО. В.плоскости (llO) расположены два боковых, симметрично расположенных, эквипотенциальных по отношению к полю Е. , электрода. На торцы пластины боковые электроды пайкой олова с 5% сурьмы нанесены омические контакты,. При одноосной деформации в направлении оси X и приложения :в этом же направлении напряжения Uy (к токовым контактам) элекгропроводность германия становится анизотропной и, поскольку при избранной кристал ографической ориентации пластины электрическое поле Ey g приложено под углом к главным компоаен- ам тензора электропроводности, возникает поперечное поле 7Г S-tn - ufu У УУ Где Uxv и Uyy - недиагональная и диагональг-. ная компоненты тензора подвижности электронов, . . Э,д,с, vU , возникающая на боковых элек тродах, раина У Uffff Ix Для получения максимального эффекта прв прочих равных условиях выбрана такая {фИо таллогра4 1ческая ориентация пластины ref мания, чтобы отношение тг бьшо максимальным, В этом случае J 0,38 10-i-Г % где X - деформирующее усилие в напраш ©нии оси X пластинки, кг/CKf. Таким образом, . ,ъв-10- -х-- 1/х (4) jf I Экспериментально полученная завнсимость поперечной э,д,с, от деформирующего уселац, X для пластины с указанными размерами лв нейна вплоть до 2:10 кг/см. Таким образом, предлагаемый попупровой виковый тензодатчик обладает следующими преимуществами по сравнению с известными, Тензодатчик в целом представляет собой аналог мостовой схемы с использованием тензорезистора-прототипа, т,,, фактЕсчески сам по себе является преобразователем механического усилия в соответствующий алекртрический сигнал. Э,д,с, и, в случае отсутствия деформации равна нулю и линейно возрастает с роотом деформации. Вследствие этого предлагаемый прибор может использоваться с применением как статических, так и дигшмических нагрузок. При работе предлагаемого тензодатчика принципиально отсутствуют схемные нелинейности.Отсутствует температурная зависимость выходногО сигнала у недеформированного аатчика Элл.1равва нулю при любых еговом, если таковое должно быть испопьзоваTewnepaiypax,ио, н, вообще говоря, некритична.

Температурная зависимость теЕ13Очувств Предлагаемый тензодатчнк может быть

твльвости такая же, как н у тевзодатчикаг выполнен на основе монокристаллической по

прототипа, выполневнаго иа материала с лупроводниковой пленки, квм же, как и у предлагаемого датчика удель Формула изобретения ным сопротивлением.Тензодатчикна основе полупроводниковой

Датчик работает в режиме г постоянноговым кристаллографическим направлениям, с

приложеиного напряжения, поэтому КПД двумя .токовыми контактами, о т л и ч а

его БЬШ1в| чем у тензодатчика-прототйпа,ю щ и и с я тем, что с целью линеариза

Так как сам по себе датчик язвляется его характиристик и темпеоатурной их

ратором напряжения, величина его полногостабипизадии, Полупроводниковая пластана

сопротивления не существенна, а величинаснабжена двумя дополнительными боковыми

выходного сопротввлевтся важна лшпь для цв- 5электродами, являющимися эквипотенцнальлн сотасовавяя с усилительным устрсЛст-ными BJ отсутствии деформации.

401291g

пластины, ориентированной под углом к гла