Полупроводниковый тензопреобразователь Советский патент 1982 года по МПК G01L9/06 G01L1/18 

(5) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

I

Изобретение относится к приборостроению, а именно к полупроводниковым тензопреобразователям теплотехнических и механических величин, и может быть использовано для измерения усилия, давления и т.д.

Известен полупроводниковый преобразователь , содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической сапфировой подложки с расположенными на ней эпитаксимальными тензорезисторами из монокристаллической пленки кремния р-ти-. па с концентрацией дырок Р (1, 3,2) v10 см-2. СП.

Недостаток этого тензопреобразователя заключается в значительной температурной зависимости выходного сигнала, что требует для получения преобразователя высокой точности сложной электронной схемы температурной компенсации с индивидуальной настройкой, а нелинейный характер зависимости ограничивает диапазон рабочих температур.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является тензопреобразователь, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокристаллической сапфировой подложки с расположенными на ней двумя тензочувствительными схемами, в одной

to из которых эпитаксиальные тензорезисторы изготовлены из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3, 9-10 см-, а в другой - с концентрацией дырок 1,810

15 , причем первая схема подключена к источнику постоянного тока, а вторая - постоянного напряжения и обе схемы - к электронному преобразователю сигнала Г23.

Я

.

Недостатком известного устройства является то, что измерение производится каждой схемой в определенном диапазоне температур, что приводит к снижению точности. Цель изобретения - повышение точности тензопреобразователя. Поставленная цель достигается тем, что в тензопреобразователь вве дены переключающее устройство и эпитаксиальный терморезистор, выпол ненный из кремния легированного бором 5 кон1;ентрацией дырок °ЗЮ см, расположенный в недеформируемой зоне сапфировой подложки и включенный в цепь управления переключающего устройства, входы которого соединены с выходами тензочувствительных схем, а выход соединен с входом электронного преобразователя сигнала. На фиг. 1 показан чувствительный элемент полупроводникового тензопреобразователя давления, разрез и вид сверху, на фиг. 2 - электрическая блок-схема полупроводникового тензопреобразователй на фиг. 3 график зависимости относительного изменения сопротивления терморезисто ра от температуры) на фиг. - график температурной зависимости выходных сигналов тензосхем и управляемо го переключающего устройства. Чувствительный элемент полупровод никового тензопреобразователя давления (фиг.1) представляет собой метал лическую мембрану 1, выполненную заодно с корпусом 2, который содержит полость для подачи давления Р, с прикрепленной к ней известным способом (например, пайкой) сапфировой . подложкой 3 вырезанной по кристаллографической плоскости (1012). На подложке 3 сформированы эпитаксиальные тензорезисторы k, изготовленные из пленки кремния, легированного бором с койцентрацией дырок А, 5 10 см расположенные у внешнего края мембраны 1 попарно вдоль и поперек радиу са мембраны в кристаллографических направлениях (110) и (110) кремния и соединенные в мостовую схему I с контактными площадками 5. Кроме того

на подложке 3 сформированы методом избирательной диффузии бора эпитаксиальные тензорезисторы 6, изготовленные из пленки кремния, легированного бором с концентрацией дырок 2 , а также расположенные у внешнего края мембраны 1 попарно вдоль и поперек радиуса мембраны в

электронного преобразователя 13 сигнала подключен выходной сигнал Ujj(P) тензосхемы II, выходной сигнал которой не зависит от температуры в этом интервале температур (кривая Ц на фиг.4). При равенстве температуры измеряемой среды t- сопротивление терморезистокристаллографических направлениях (110) и (110) и соединенные в мостовую схему II с контактными площадками 7. На подложке 3 сформирован также эпитаксиальный терморезистор 8 с контактными площадками 9. изготовленный из пленки кремния, легированного бором с концентрацией дырок 4,510 см, и расположенный на недеформируемой части подложки 3 над боковой стенкой корпуса 2. Мостовая тензосхема П (фиг.2) запирается от источника 10 постоянного напряжения постоянным напряжением UQ, мостовая тензосхема I - от источника 11 постоянного тока постоянным током ig, причем величина U,, и ig подбираются так, что при температуре 10 -50 С выходные сигналы обеих тензосхем при определенном давлении Р одинаковы: Uj (Р) Uj(P). Выходы тензосхем I и II соединены с входами управляемого переключающего устройства 12 релейного типа, например триггера, выход которого соединен с входом электронного преобразователя 13 сигнала. В цепь управления переключащего устройства 12 включен терморезистор В, величина которого R(tg) подобрана так, что при t R(to) RO, где RQ - сопротивление , при котором происходит переключение устройства 12 из одного стабильного положения в другое. Полупроводниковый тензопреобразователь давления работает следующим образом. При подаче давления Р (фиг.1) сапфировая подложка 3 изгибается вместе с мембраной 1, деформируя . кремниевые тензорезисторьг и 6, так что на выходах тензосхем I и II появляются выходные сигналы U-r(P) и U0(P). Поскольку в области низких температур, например от -200 до , сопротивление терморезистора R(t) остается меньше величины RQ (фиг.З), то переключающее устройство 12 находится в одном стабильном состоянии, при котором к входу pa становится равным RQ (фиг.З) и переключающее устройство 12 переходит скачком в другое стабильное положение, при котором к входу электронного преобразователя 13 сигнала подключается выход UjCP) тензосхемы I, который при дальнейшем повышении температуры, например, от -50 до +20Q°C также не зависит от температуры (кривая 15 на Фиг.). Поскольку в этом интервале температур сопротивление терморезистора остается больше R (фиг.3)1 то переключающее устройство 12 остается в одном положении. При понижении температуры переключающее устройство 12 переходит в другое стабильное состояние при R(t) Rg, т.е. при to -50°С. Таким образом, выходной сигнал переключающего устройства 12 Jj(P) при -50°С t +2000 J(P) при -2000с t -50° не зависит от температуры во всем рабочем интервале температур (кривая 16 на фиг.). Использование предлагаемого устройства повышает точность преобразо вания за счет исключения температур ной погрешности выходного сигнала тенэопреобразователя. Кроме того, возможно использование прибора D автоматических системах регулирования. Формула изобретения Полупроводниковый тензопреобраз ватель, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде монокр 6 таллической сапфировой подложки с расположенными на ней двумя тензочувствительными схемами, в одной из которых эпитаксиальиые тензорезисторы изготовлены из кремния, легированного борюм с концентрацией дырок 3,5-109- 9-10 Зсм-, а в другой - с концентрацией дырок 1,810 - , причем первая схема подключена к источнику постоянного тока, а вторая - к источнику постоянного напряжения и обе схемы - к электронному преобразователю сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения температурного диапазона, в н.его введены переключающее устройство и эпитаксиальный терморезистор, выполненный из кремния, легированного бором с концентрацией дырок 3, , расположенный в недеформируемой зоне сапфировой подложки и включенной в цепь управления переключающего устройстг ва, входы которого соединены с выходами тензочувстаительных схем, а выход соединен с входом электронного преобразователя сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Электронная техника, сер. II, вып. 2, 1976, с. 43. 2, Авторское свидетельство СССР по заявке IP 2582086/18-10, кл. G 01 L 9/0. 20.02.78.

-wo

Л%7 -/Л 7Г Й7/Л7

/

fi/fto

. . .у

100

юо

ff

. . .4V

УЛ