Датчик силы

 

Изобретение может быть использовано при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем . Для повышения точности устройства скоба 3 вьтоЛнена из трех слоев 4-6 полупроводникового материала двух типов проводимости, а вибропреобразователь образован выступами 8,9 с Токовыводами 10, 11 и перемычкой 2. При подаче переменного напряжения к токовыводам 10 или 11 и токовьгооду 7 в перемычке 2 возбуждаются поперечные колебания с частотой (Л и «и. 2

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН сйма!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 383.1 220/24-10 (22) 29.12.84 (46) 15.07.86. Бюп. У 26 (71) Научно-исследовательский и конструкторский институт испытательных машин, приборов и средств измерения масс (72) А.A.Цывин, И.А.Макаров, N.M.Парфенов и Е.Д.Румянцев (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

И- 189185, кл. G Oi L 1/10.

Авторское свидетельство СССР

Р 1016701 ь кл. G 01 L 1/10, 1981. (5И 4 G 01 L 10 6 (54) ДАТЧИК СИЛЫ (57) Изобретение может быть использовано при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем. Для повышения точности устройства скоба 3 выполнена из трех слоев 4 — 6 полупроводникового материала двух типов проводимости, а вибропреобразователь образован выступами 8,9 с токовыводами 10, 11 и перемычкой 2. При подаче переменного напряжения к токовыводам 10 или 11 и токовыводу 7 в перемычке 2 возбуждаются поперечные колебания с частотой

124А512 ее собственных колебаний н свободном ем приложенного усилия частота колесостоянии, В зависимости от дефор- баний вибропреобразователя буцет мемации упругого элемента пед дейстни- няться,, ) ил.

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании датчиков механических параметров с вибропреобразователем.

Целью изобретения является ловы- 5 шение точности.

На фиг. 1 представлен датчик силы, с закрепленным на упругом элементе чувствительным элементом, общий вид; на фиг. 2 — конструкция чувствительного элемента.

Силоизмерительный датчик состоит из упругого элемента 1, на котором закреплен вибропреобразователь 2 со

1 й) скобой 3, изготовленные монолитно из одного монокристалла полупроводника, например кремния.

Монолитная скоба 3 состоит иэ трех, расположенных параллельно основанию скобы слоев 4 — 6 полупроводника различного типа проводимости, Например, нижний слой 4 состоит из кремния и-типа проводимости с уцель" ным сопротивлением p = 7„5 Ом см; . средний слой 5 состоит из кремния р+ -типа с удельным сопротивлением

= 0 001 Ом см, а верхний слой 6 состоит из кремния n"òèïà проводи.мости с удельным сопротивлением

3,5 Ом см. Слои выполнены по интегральной технологии, при этом верх ний слой 6 имеет три разрыва, нскрывающие поверхность центрального слоя 5 н трех местах. К одной из вскрытых областей слоя 5 изготовлен токовы- 35

Вод 7 °

Вибропреобразователь 2 расположен симметрично продольной 0-0 и поперечной О -О осям скобы 3, изготовленной из кремния р -типа проводимости с p = 0,001 Ом rM и монолитно соединен с площадками S и 9 третьего слоя 6.

Вибропреобраэователь 2 выполнен в форме нити и снабжен двумя токовыводами 10 и 11 из кремния р+-типа проводимости с р 0,001 Ом см. К

ToKQBüèoäàì присоединены выводные проводники 12 из микропронода.

Технология изготовления чувствительных элементов датчиков силы основывает я на методе управляемого анизотропного травления кремния с подтравлинанием (стоп-процесс) и сводится к следующим основным операцияме

Кремниевая пластина и-типа проводимости с удельным сопротивлением

3„5-7.5 Ом см. сильно легируется бором до концентрации ) 5 10 см на глубину 3-5 мкм.

Пленка кремния выполняет две функции: служит барьером, тормозящим процесс травления кремния по вертикали, выполняет роль возбуцителя колебаний вибропреабразователя,, когда к ней и вибропреобразователю прикладывается переменное напряжение.

Далее со стороны легированной пленки р -типа проводимости выращиФ вается эпитаксиальный слой и-типа с удельным сопротивлением 3,5-7,5 Омх см толщиной 2-5 мкм (толщина определяется требуемым зазором мелку вибропреобразователем и вторым слоем).

После чего на эпитаксиальный слой осаждается или выращивается пленка защитного диэлектрика Si или

Si0, в которой формируются окна в форме вибропреобразователей с контактньп я площадками. В окна производится диффузия или ионное легиронание бора до концентрации

>5 10" см на глубину 0,5-2 мкм (определяется толщиной нибропреобразонателя). Затем произноДится ме— талли".-ация контактных площадо-:, например алюминием, защита контактных площадок и мест закрепления: вчбро-. преобраэователя перед травлением кремния, удаление защитного диэлектрика и травление вскрытого кремния и-типа н травителе, состоящем из этилендиамина, пирокатехина и неды. Тра1244512 ного и определенного) закрепления концов вибропреобразователя и устранения паразитных термоупругих напряжений, возникающих в нити, при использовании разнородных материалов для скобы, нити и узлов закрепления.

Таким образомконструкция предлагаемого датчика более технологична чем все известные идля ееизготовления приемлемы групповыеприемы изготовления,используемые вмикроэлектронике.Особенности конструкции и современные возможности технологии позволяют изготовить вибропреобразователи вмонолитном испол15 нении со скобой в миниатюрных и субминиатюрных размерах. Оптимальными следует считать размеры нити 3--50iOO,b=5-iO,h=0,5-2 мкм и соответственно размер скобы 5 = 2-5, Ь = 0,5- 2О . 1,0 и h = 0,2-0,4 мм.

Датчики изготовленные на основе таких вибропреобразователей с учетом хорошей повторяемости геометрических и физических параметров нитей при

25 групповых процессах, будут обладать идентичными, воспроизводи ыми характеристиками, что обеспечит.их полную взаимозаменяемость и унификацию на практике.

30 .

Формула изобретения

Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3906/44.Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 витель имеет нулевую скорость травления кремния с концентрацией бора

) 5 10" см

При травлении кремния происходит формообразование вибропреобразователей, так как в указанном травителе травится только и-тип, а р — не

4 травится. После травления пластина тщательно промывается, сушится и поступает на операцию разделения на дискретные чувствительные элементы датчиков силы.

Датчик силы работает следующим образом, Между одним из токовыводов 10 или 11 к кристаллу, например 9 и токовыводу 7 через выводные проводники

12 прикладывается переменное напряжение (не показано), частота которого близка к собственной частоте меха нических колебаний нити. 3а счет электростатического взаимодействия заряженной нити (вибропреобразователя) и заряженного центрального слоя

5 скобы возникают поперечные колебания нити 2, равные ее собственной частоте колебаний в свободном (ненагруженном) состоянии. При приложении измеряемого усилия F к датчику частота колебаний вибропреобразователя 2 будет изменяться и зависеть от деформации упругого элемента 1, При колебаниях нити 2 ее электрическое сопротивление R изменяется с удвоенной частотой по отношению .к частоте механических колебаний нити. Следовательно, прикладывая к токовыводам 10 и 11 нити постоянное электрическое напряжение (не показа.но) через вибропреобразователь 2 потечет перемейный. (пульсирующий) ток, частота изменений которого будет служить информацией о величине действующей силы.

Использование предлагаемого датчика силы с монолитно изготовленным вибропреобразователем и скобой позволяет повысить точность измерений в 2-3 раза по сравнению с известным за счет более качественного (надежСоставитель А.Э

Редактор Ю.Середа Техред В.Кадар

Датчик силы, содержащий упругий элемент, скобу с токовыводом и закрепленным на ней вибропреобразователем в виде монокристалла с двумя токовыводами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, скоба выполнена из трех слоев полупроводникового материала двух типов проводимости, при этом вибропреобразователь образован двумя выступами и перемычкой между ними в материале одного из наружных слоев и размещен симметрично относительно продольной и поперечной осей скобы, внутренний слой с токовыводом и перемычка вибро- преобразователя с двумя токовыводами выполнены р-типа проводимости, а наружные слои — п-типа проводимости. кономов

Корректор А.Зимокосов