Интегральный чувствительный элемент датчика механических величин Советский патент 1979 года по МПК G01P15/02 G01L7/08 

(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН If - угол наклона, an- текущее значение радиуса. Деформация тензореэисторов будет определяться кривизной поверхности в месте их расположения . и их удалением от срединной недёформируемой при изгибе плоскости балки -НН - толщина балки: Ввиду значительной величины Н.де формации , обусловленные закреплением, будут велики. Расположение тензорезисгоров на периферии мем- . браны, на расстоянии &« (0,4-0,6) Д рядом с местом крепления к корпусу приводит к непосредственной передаче деформаций от крепления на тензорезисторы Приближение же тензорезисторов к центру мембраны, т.е. удаление их от места крепления мем браны, с целью уменьшения влияния закрепления,приводит в рассматрива мом ЧЭк падению чувствительности из-за уменьшения величины плеча. Кроме того, рассмотренный ЧЭ об ладает значительной чувствительностью к градиенту температуры изза удаленности тензорезисторов смеж ных -плеч моста друг от друга. При наличии градиента температуры - разность температур тензорезисторов смежных плеч дТ будет равна; , где Еа(0,4-0,б)Д, а Ддиаметр мембраны. Различие темпера тур тензорезисторов смежннлх плеч приведет к дополнительной ошибке измерения. По этой же 1ричине (уда ленность тензорезисторов смежных плеч моста друг от друга) будет ве лик разброс параметров резисторов по отношению друг к другу. При любом интегральном методе получения тензорезисторной схемы (диффузия, эпитаксия, напьЙ1ение) характеристи ки получаеглых тензорезисторов опре деляются локальными параметрами процесса (температура, концентрация примесей и т.д.). Из-за наличия градиентов по этим параметрам при получении схемы получаемый раз брос характеристик тензорезисторов тем больше, чем дальше они расположены друг от друга. Так, различие удельного сопротивления пленки не -пластине в структурах кремний на сапфире доходит согласно ТУ до 10%, в то время к1ак в резисторах, расположенных в непосредственной близости, этот разброс не превышает 1-2%. Целью изобретения является повы шение резонансной частоты и стабильности характеристик преобразов теля. Это достигается тем, что в изве стном чувствительном элементе, сод жащем мембрану, снабженную с одной стороны углублениями, соединенными пазами, над которыми располагаются одинаковые ориентированные тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, в мембране выполнено четное число пазов, попарно симметричных относительно центра мембраны, а тензорезисторы, включенные в смежные плечи моста, расположены с плос КОЙ стороны мембраны у границ пазов на расстоянии, не большем трети ширины паза, причем толщина мембраны связана с толщиной мембраны под тензорезисторами соотношением-j 8 . На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого ЧЭ; на фиг. 2 взаимное расположение тензорезисторов относительно друг друга и границ паза на фиг. 3 - возможный вариант выполнения паза; на :фиг. 4 - возможные конструктивные решения ЧЭ в составе узлов крепления в датчиках давления, вибрации, силы, ЧЭ содержит мембрану 1 с выполненными на ней с одной стороны углублениями 2, соединенными пазами 3, над которыми располагаются тензорезисторы 4, 5, 6, 7, 8 расположенные на расстоянии Ь , не большем трети ширины паза d от его границ 9. Возможно два расположения тензорезисторов смежных плеч моста. В первом случае тензорезисторы располагаются поперек паза по диаметру мембраны (резисторы 5, 6). Другое возможное выполнение тензорезисторов - вдоль паза, перпендикулярно диаметру мембраны (резисторы 7, 8) При любом выполнении резисторы располагаются параллельно друг другу, у противоположных границ паза 9, на расстоянии в, не большем трети ьшрины паза о1 от них. Оба паза 3 располагаются на равном расстоянии от центрального участка 10 мембраны и края (периферийной части) мембраны 11. Пазы могут быть выполненными Ъаздвоеннмми на две части 12 и 13, проходящие непосредствен-, но над тензорезисторами 4, в то врё rw как часть 14 мембраны; расположенная между резисторами 4, выполнена с неуменьте,нноЛ толщиной. составе датчика давления (фиг. 4а) ЧЭ крепится к корпусу 15 своей периферийной частью 11, в составе датчика вибрации ЧЭ (фиг.4б) крепится к корпусу 15 центральной частью, в то время как к периферии ЧЭ крепится груз 16. В составе датчика силы к корпусу крепится периферия мембраны, а к центру шток 17. Устройство работает следующим образом. При воздействии измеряемого механического параметра (например ускорение) корпус вместе с центральным участком 10 мембраны смещается относительно ее периферийной части 11, мембрана деформируется, причем деформация максимальна в месте расположения пазов и близка к нулю в центре и на периферии мембраны, ее жесткость гораздо выше из-за большей толщины. При этом центральная и периферийная части мембраны смещаются плоскопараллельно, вследствие чего смещение груза определяется лишь смещением границ пазов относительно друг друга, равным:

Fd

&:

2а-Е R3

а деформация с на границе пазов:

3- F d

г 2а Е h

так, что смещение (f , необходимое для создания деформации , будет t

d2

л « Ь

1 т-е-тг

где h - толщина мембраны в месте

расположения паза, с| - поперечный размер паза, Т - действующая сила. В то же время в чувствительном элементе, выбранном в качестве прототипа, прогиб 2 будет:

ei.

в; 1 | Н Н d а отношение: 9 6|;7rK h f

При изготовлении интегральных ЧЭ, как правило, используются подложки толщиной Н мкм, а травление до толщины h меньше 50 мк затрудняет дальнейшее проведение фотолитографии, поэтому характерная величина отношения и. 4 4. Соотношение -j- определяется размерми т.ен зоре зи с торов, которые зави- сят от их номинала ( кОм) . Его характерная величина равняется SflO При вышеуказанных характерных значениях 4 4 и -g- SflC предлагаемый ЧЭ позволяет получить выигрьаи в прогибе в 7т15 раз, т.е. увеличить резонансную частоту в 2, раза при той же чувствительности по сравнению с прототипом.

В рассматриваемом ЧЭ при нагружении деформации по ширине паза меняются от максимальной на одной границе паза до нуля на середине паза и до максимальной, но противоположного знака, на другой границе паза, причем измен ение деформаций по ширине паза линейно. Поэтому тензорезисторы, расположенные у противоположных границ паза, будут испытывать деформации противоположного знака и при включении в смежные плечи обеспечивают максимальный сигнал. Если размер участка, занимаемого тензорезистором г b , то его средняя деформация С будет равна:

. .O-)

При о -6 -|а обеспечивается эффективная работа тензосхемы с потерями,

.-. не превышающими 30%. .

Влияние деформаций, обусловленных закреплением ЧЭ в датчике, на стабильность характеристик ЧЭ ослабляется из-за уменьшения толщины оболочки, работающей на изгиб, в

5 месте расположения тензорезисторов с Н до Ь (т.е. примерно в 4 раза) согласно 1J и расположения пазов на равном удалении от периферии и центра мембраны. При этом деформации, обусловленные креплением мембраны к корпусу (и грузу или штоку в случае .датчиков вибрации ;или схемы) будут передаваться на пазы не непосредственно, а через

5 соответствующие участки мембраны, дополнительно уменьшаясь по величине. Следует отметить, что чувствительность к силе при этом не уменьшается, так как в отличие от прототипа она не зависит от плеча и определяется лишь шириной паза d и. толщиной мембраны в месте расположения паза К .

5 Влияние градиента температуры и разброс отдельных тензорезисторов в предлагаемом ЧЭ уменьшаются, поскольку расстояния между тензорезисторами,. лежащшии в смежных

0 плечах моста, определяющие; эти., эффекты, уменьшаются с t (0,4-тО, б) Д до d (0,054-0,15)Д, т.е. в 3412 раз. Это уменьшит разброс резисторов и различие их температур, обусловленное градиентом температуры, и повысит тем самым стабильность характеристик ЧЭ.

Выполнение паза раздвоенным, как показано на фиг. 3, позволяет без

0 12 ®иьшения чувствительности допол1нительно увеличить жесткости центральной части паза.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет в 2,5-v4

раза увеличить резонансную частоту ЧЭ, без уменьшения его чувствительности, что особенно важно при измерениях вибрации и других быстроменяющихся процессов (измерение давления силы) и улучшить стабильность характеристик ЧЭ за счет уменьшения влияния закрепления, уменьшения в Зт12 раз влияния градиента температуры и уменьшения разброса характеристик отдельных

тензорезисторов.