Интегральный преобразователь давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к интегральным преобразователям, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления. Целью изобретения является повышение точности измерения при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышение чувствительнсоти. При воздействии на мембрану 2 давления, тензорезисторы, расположенные на периферии мембраны по осям ее симметрии, деформируются и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемого давлению. При воздействии на преобразователь нестационарной температуры, например, термоудара, аддитивная температурная погрешность преобразователя уменьшается за счет повышения симметрии расположения тензорезисторов, выполненных в виде резистивных полосок 4, а также оптимального выбора геометрических параметров полосок, рассчитываемых по предоставленному соотношению. Чувствительность преобразователя повышается, т.к. температура нагрева резистивных полосок равномерно распределяется по их длине и преобразователь можно питать повышенным напряжением. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным преобразователям, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления. Цель изобретения повышение точности измерения при воздействии не стационарной температуры измеряемой среды и повышение чувствительности. На фиг. 1 схематично изображен интегральный преобразователь давления; на фиг. 2 и 3 изображены тензорезисторы R₂ и R₃ в увеличенном масштабе. Интегральный преобразователь давления представляет собой монокристалл 1 из кремния, в котором способом анизотропного травления изготовлена квадратная мембрана 2, выполненная за одно целое с опорным основанием 3. Плоскость мембраны совпадает с основной кристаллографической плоскостью (001), а стороны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений <110> и <110>. Тензорезисторы R₁-R₄ p-типа проводимости выполнены диффузией бора в виде резистивных полосок и расположены на периферии мембраны, параллельно двум прилегающим сторонам и перпендикулярно двум другим прилегающим сторонам мембраны. Причем, тензорезисторы с одинаковым знаком чувствительности расположены у противоположных сторон мембраны. При этом ширина каждой последующей резистивной полоски 4, расположенной параллельно прилегающей стороне мембраны, превышает ширину предыдущей резистивной полоски (резисторы R₁ и R₃). Резистивные полоски 5, расположенные перпендикулярно прилегающим сторонам мембраны, выполнены в виде равнобедренных трапеций, причем размер основания трапеции, расположенного ближе к центральной части мембраны, превышает размер основания, расположенного ближе к периферии мембраны. Ширина резистивных полосок определяется в соответствии с заявляемым соотношением. Примерная величина коэффициента К равна 0,26666 и уточняется экспериментально. Резистивные полоски соединены между собой и другими резисторами мостовой схемы при помощи высоколегированных областей 6. Контактные площадки выполнены из алюминия. Интегральный преобразователь давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной планарной. В мембране возникают напряжения и деформации. Тензорезисторы воспринимают деформации и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемому давлению. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на преобразователь, например, аддитивная температурная погрешность уменьшается за счет повышения симметрии расположения резистивных полосок и высоколегированных коммутационных областей, а также за счет выравнивания количества коммутационных областей, соединяющих резистивные полоски в соседних плечах мостовой схемы. При выполнении геометрических размеров резистивных полосок в соответствии с представленным соотношением температура нагрева резистивных полосок равномерно распределяется по их длине и преобразователь можно питать повышенным напряжением, т.е. выходной сигнал с преобразователя, а, следовательно, и его чуствительность будет выше. Чувствительность в преобразователе повышается также за счет того, что сопротивление резистивных полосок распределено таким образом, что большая часть сопротивления резистивных полосок находится в области наибольших значений относительных изменений сопротивлений тензорезисторов. Технико-экономическим преимуществом преобразователя является уменьшение аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышение чувствительности. Кроме того, за счет равномерности распределения перегрева тензорезисторов по его длине, преобразователь может работать при повышенном напряжении питания.

Формула изобретения

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, содержащий квадратную мембрану из монокристаллического кремния n-типа проводимости, выполненную за одно целое с опорным основанием, плоскость которой совпадает с основной кристаллографической плоскостью (001), а стороны ориентированы вдоль взаимно перпендикулярных направлений <110> и расположенные по периферии по осям ее симметрии тензорезисторы в виде резистивных полосок, соединенных в измерительный мост, причем полоски двух тензорезисторов параллельны двумя противоположным сторонам мембраны, а полоски двух других тензорезисторов перпендикулярны двум другим сторонам мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения при воздействий нестационарной температуры измеряемой среды и повышения чувствительности, в нем резистивные полоски выполнены различной ширины и одинаковой длины, причем ширина каждой последующей полоски, расположенной параллельно прилегающей стороне мембраны в направлении с стороны к центру мембраны, превышает ширину предыдущей полоски, а полоски, расположенные перпендикулярно прилегающим сторонам мембраны, выполнены в виде равнобедренных трапеций, малым основанием примыкающих к стороне мембраны. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что ширина b резистивных полосок удовлетворяет следующему соотношению: где b_р минимальная ширина резистивной полоски; H толщина опорного основания; a длина стороны мембраны; h толщина мембраны; l расстояние от стороны мембраны до средней линии, ближней к центру резистивной полоски, параллельной прилегающей стороне мембраны, или высота трапеции резистивной полоски, перпендикулярной прилегающей стороне мембраны; K коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров, электрических и теплофизических характеристик мембраны, определяемый экспериментальным путем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2