Интегральный тензопреобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к интегральным тензопреобразователям. Цель изобретения - повышение чувствительности. Интегральный преобразователь содержит кристалл из кремния, выполненного в виде однородной полупроводниковой пленки, нанесенной на поверхность упругого элемента. На пленке расположены девять электрических контактов и дорожки металлизации. Контакты расположены центрально-симметрично относительно одного из них по восьми направлениям. Первые четыре контакта расположены на равных расстояниях от центрального контакта по взаимно перпендикулярным направлениям максимальной тензочувствительности пленки. Оставшиеся вторые четыре контакта также расположены на равных расстояниях от центрального контакта по направлениям, составляющим угол 45с направлениями максимальной тензочувствительности пленки. Расстояние от центрального контакта до любого контакта из первых четырех составляет 0,15 - 0,3 расстояния от центрального контакта до контакта из вторых четырех контактов. Тензопреобразователь реализуется по стандартной технологии. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании преобразователей механических величин. Цель изобретения - повышение чувствительности. На фиг. 1 показана структурно-топологическая схема преобразования; на фиг. 2 - схема включения тензопреобразователя; на фиг. 3 и 4 - примеры реализации кристалла преобразователя при использовании прямоугольной и квадратной мембран соответственно. Преобразователь содержит упругий элемент 1, на поверхности которого сформирована тонкая однородная кремниевая пленка 2 и девять электрических контактов 3-11. Контакты расположены центрально-симметрично относительно контакта 3. При этом четыре контакта 4-7 расположены на равных расстояниях от центрального контакта 3 по взаимно перпендикулярным направлениям максимальной тензочувствительности пленки, а оставшиеся четыре контакта 8-11 расположены на равных расстояниях от центрального контакта 3 по направлениям, соответствующим углу 45^о с направлениями максимальной тензочувствительности пленки. При этом расстояние от центрального контакта 3 до контактов 4-7, расположенных в направлениях максимальной тензочувствительности, составляет 0,15-0,3 от расстояния между центральным контактом 3 и контактами 8-11, расположенными в направлениях составляющих угол 45^оС с направлениями максимальной тензочувствительности. Электрические контакты с помощью металлизированных токоведущих дорожек соединяются с контактными площадками 12. Работа тензопреобразователя основана на сдвиговом тензоэффекте в кремнии, заключающемся в возникновении электрического поля, перпендикулярного направлению распространения носителей заряда при деформации полупроводника, и осуществляется следующим образом. Между контактом 3 и контактами 8-11 подается напряжение питания. При этом на контактах 4-7 устанавливается напряжение, приблизительно равное половине напряжения питания. При отсутствии механических напряжений в области контактов возникающее при подведении питания электрическое поле обладает зеркальной симметрией относительной осей, проходящих от центрального контакта 3 к контактам 8-11, и при этом контакты 4-7 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 одном из направлений максимальной тензочувствительности и разрежение в перпендикулярном направлении. Пары контактов 4, 6 и 5, 7 оказываются на различных эквипотенциальных линиях. Таким образом, преобразователь обеспечивает дифференциальный выходной сигнал, пропорциональный измеряемому воздействию. Один из вариантов схемы включения преобразователя (см. фиг. 2) содержит источник питания 13, включенный между контактом 3 и электрически объединенными парами контактов 4, 6 и 5, 7. В случае датчика давления кристалл преобразователя может быть выполнен следующим образом. Кристалл 14 (см. фиг. 3 и 4), выполненный из кремния n-типа проводимости с пленкой 2 р-типа в приповерхностном слое, с поверхностью, совпадающей с кристаллографической плоскостью (100), содержит упругий элемент 1 в виде прямоугольной (см. фиг. 3) или квадратной (см. фиг. 4) мембраны, стороны которой ориентированы вдоль направлений семейства <110>. Для прямоугольной мембраны электрические контакты 3-11 сформированы в ее центре, а для квадратной мембраны - на периферии мембраны, около середины ее стороны. Направления максимальной тензочувствительности пленки в данном случае совпадают с кристаллографическими направлениями <110>. Преобразователи могут быть реализованы по стандартной технологии ИС. Однородная кремниевая пленка на поверхности упругого элемента создается эпитаксией, диффузией, или ионным легированием при использовании кремниевого упругого элемента, либо гетероэпитаксией при использовании структур кремний на сапфире. Предлагаемый преобразователь обладает примерно на 30% более высокой чувствительностью по сравнению с известным, благодаря симметризации потенциала выходных контактов относительно потенциалов контактов, используемых для подвода питающего напряжения к преобразователю. (56) Авторское свидетельство СССР N 749307, кл. Н 01 L 41/08. 1978. Авторское свидетельство СССР N 1482480, кл. Н 01 L 29/84, 23.04.87.

Формула изобретения

ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий однородную полупроводниковую пленку, нанесенную на всю поверхность упругого элемента тензопреобразователя, и девять электрических контактов к пленке, расположенных центрально-симметрично относительно одного из них по восьми направлениям так, что четыре контакта расположены на равных расстояниях от центрального контакта по взаимно перпендикулярным направлениям максимальной тензочувствительности пленки, а остывшиеся четыре контакта расположены на равных расстояниях от центрального контакта по направлениям, составляющим угол 45^o с направлениями максимальной тензочувствительности пленки, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, расстояние от центрального контакта до контактов, расположенных в направлениях максимальной тензочувствительности, составляет 0,15 - 0,30 от расстояния между центральным контактом и контактами, расположенными по направлениям, составляющим угол 45^o с направлениями максимальной тензочувствительности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4