Интегральный тензопреобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании преобразователей механических величин. Цель изобретения - увеличение чувствительности и уменьшение величины и температурного дрейфа разбаланса. Тензопреобразователь содержит однородную полупроводниковую пленку, нанесенную на всю поверхность упругого элемента и электрические контакты к пленке. Электрические контакты расположены рядами вдоль направления максимального тензочувствительности пленки в узлах гипотетической ортогональной сетки с квадратными ячейками. Тензопреобразователь содержит не менее трех рядов контактов и трех контактов в ряду. Направление рядов контактов для кремниевой пленки, поверхность которой совпадает с плоскостью (100) и упругого элемента в виде прямоугольной мембраны, параллельно ближайшей линии заделки мембраны и составляют угол 45с направлением < 100 > при использовании пленки p-типа и параллельно или перпендикулярно направлению < 100 > при использовании пленки n-типа. В тензопреобразователе используется мостовая схема включения с различными вариантами объединения контактов для съема сигнала. 14 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании преобразователей механических величин. Цель изобретения - увеличение чувствительности и уменьшение величины и температурного дрейфа разбаланса. На фиг. 1 приведен пример структурно-топологической схемы размещения электрических контактов и разводки на упругом элементе тензопреобразователя в общем случае; на фиг. 2-10 - примеры схемы включения тензопреобразователя, содержащего девять контактов; на фиг. 11 - структурно-топологическая схема тензопреобразователя, содержащего девять контактов; на фиг. 12 - разрез А-А на фиг. 11; на фиг. 13 и 14 - примеры реализации кристалла тензопреобразователя при использовании упругого элемента прямоугольной и квадратной форм соответственно. Преобразователь (фиг. 1) содержит упругий элемент 1, на поверхности которого сформирована тонкая однородная кремниевая пленка 2. В ограниченной области упругого элемента к поверхности кремниевой пленки 2 сформированы электрические контакты 3-6, расположенные рядами, в узлах гипотетической регулярной ортогональной сетки с квадратными ячейками, таким образом, что направления рядов контактов параллельны близлежащей линии заделки элемента и составляют угол 45^о с направлением <100> в кремнии при использовании кремниевой пленки р-типа, и параллельны либо перпендикулярны направлению <100> при использовании кремниевой пленки n-типа. Работа преобразователя основана на сдвиговом тензоэффекте в кремнии, заключающемся в возникновении электрического поля, перпендикулярного распространению носителя при деформации полупроводника, и осуществляется следующим образом: между контактами 3, расположенными друг относительно друга на расстояниях, равных двум ячейкам гипотетической сетки по всей площади расположения контактов, и контактами 4, расположенными на противоположных контактам 3 углах ячеек сетки, подается напряжение питания. На остальных контактах 5 и 6 устанавливается напряжение приблизительно равное половине напряжения питания. При воздействии измеряемой величины на преобразователь возникает анизотропия проводимости кремниевой пленки 2, приводящая к изменениям потенциалов на контактах 5 и 6, причем знаки приращений напряжений на контактах 5, расположенных друг относительно друга на расстояниях, равных двум ячейкам сетки по всей площади размещения контактов, и на контактах 6, расположенных на противоположных контактам 5 углах ячеек сетки, противоположны. В качестве выходного сигнала берется напряжение между выбираемыми в результате предварительных измерений определенным узлом контакта 5 и определенным узлом контакта 6 либо группой электрически объединенных узлов 5 и группой электрически объединенных узлов контактов 6. Учитывая случайный характер таких величин, как начальный разбаланс и его температурный дрейф, а также большое количество различных вариантов съема сигнала с преобразователя, вероятность получения малых значений начального разбаланса и его температурного дрейфа очень велика. На фиг. 2-10 приведены примеры схемы включения тензопреобразователя, содержащего три ряда контактов с тремя контактами в ряду. Уже в данном случае число вариантов включения равно девяти, а при увеличении числа контактов оно резко возрастает по геометрической прогрессии. Преобразователь, согласно схематичному включению на фиг. 10, содержит (фиг. 11) на упругом элементе 1, на поверхности которого сформирована однородная кремниевая пленка 2, девять электрических контактов 3-6. Контакты расположены центрально-симметрично относительно контактов 4, при этом две попарно объединенных пары контактов 6 и 5 соответственно расположены на равных расстояниях от центрального контакта 4 по направлениям соответственно перпендикулярным и параллельным близлежащей линии 7 заделки упругого элемента 1, а четыре контакта 3, электрически объединены и расположены на равных расстояниях от центрального контакта 4 по направлениям, составляющим угол 45^о с близлежащей линией 7 заделки упругого элемента 1. Электрическое объединение контактов осуществляется с помощью металлизированных токоведущих дорожек, оканчивающихся контактными площадками для электродов 7. Напряжение питания на датчик подается между центральным контактом 4 и контактами 3,4, а выходной - дифференциальный сигнал снимается с двух пар электрически объединенных контактов 5 и 6. При пропускании тока между контактами 4 и 3 преобразователя в области контактов в пленке кремния создается электрическое поле. При отсутствии механических напряжений в области контактов электрическое поле обладает зеркальной симметрией относительно осей, проходящих от центрального контакта 4 к контактам 3, при этом пары контактов 6 и 5 оказываются лежащими на одной эквипотенциальной линии, следовательно выходной сигнал преобразователя равен нулю. При приложении к упругому элементу 1 измеряемого воздействия, в области контактов возникают механические напряжения, приводящие к возникновению анизотропии проводимости кремния. Первоначальная симметрия электрического поля нарушается. В зависимости от направления приложения измеряемого воздействия происходит сгущение эквипотенциальных линий в направлении параллельном линии 7 заделки и разряжение в перпендикулярном направлении, либо наоборот. Пары контактов 6,5,8 оказываются на различных эквипотенциальных линиях, и т. о. преобразователь обеспечивает дифференциальный выходной сигнал, пропорциональный измеряемому воздействию. В случае датчика давления кристалл преобразователя может быть выполнен следующим образом. Кристалл 9 (фиг. 13, 14), выполненный из кремния n-типа, с пленкой 2 р-типа в приповерхностном слое, с поверхностью, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), содержит упругий элемент 1 в виде прямоугольной (фиг. 13) или квадратной (фиг. 14) мембраны, стороны которой ориентированы вдоль направлений семейства <110>. Для прямоугольной мембраны (фиг. 13) электрические контакты 3-6 сформированы в центре и расположены рядами таким образом, что направление рядов контактов параллельно близлежащей, т. е. длинной, стороне мембраны и составляет угол 45^о с направлением <100>. Для прямоугольной мембраны (фиг. 14) девять контактов 3-6 сформированы на периферии мембраны около середины ее стороны. Восемь контактов расположены центрально-симметрично относительно центрального контакта по восьми направлениям, четыре из которых составляют 45^о относительно близлежащей линии 7 заделки упругого элемента 1, и в данном случае все они совпадают с кристаллографическими направлениями <100>. Преобразователи могут быть реализованы по стандартной технологии интегральных схем. Однородная кремниевая пленка на поверхности упругого элемента создается эпитаксией, либо диффузией или ионным легированием при использовании структур кремний на сапфире. Кроме процессов, связанных с профилированием, если оно необходимо, упругого элемента, для изготовления преобразователя требуется всего два фотошаблона (контактные окна и травление металлизации). Предлагаемый тензопреобразователь обладает более высокой по сравнению с прототипом чувствительностью в случае, если в прототипе в качестве выхода используется пара контактов, удаленная от места подключения источника питания. В отличии от прототипа в выходном сигнале преобразователя за счет изменения схемы включения и выбора вариантов отсутствует высокий уровень постоянного электрического смещения. Тензопреобразователь характеризуется более низким среднестатистическим значением температурного дрейфа начального разбаланса, в силу большей свободы выбора вариантов съема выходного сигнала. Процесс настройки тензопреобразователя может производиться автоматически. (56) Авторское свидетельство СССР N 577394, кл. G 01 B 7/16, 1976. Авторское свидетельство СССР N 749307, кл. Н 01 L 41/08, 1978.

Формула изобретения

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий однородную полупроводниковую пленку, нанесенную на всю поверхность упругого элемента тензопреобразователя, и электрические контакты к пленке, расположенные рядами вдоль направления максимальной тензочувствительности пленки в узлах гипотетической ортогональной сетки с квадратными ячейками, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и уменьшения величины и температурного дрейфа разбаланса, тензопреобразователь содержит не менее трех рядов контактов и трех контактов в ряду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14