Полупроводниковый тензопреобразователь

 

Изобретение относится к полупроводниковым тензопреобразователям и позволяет повысить точность за счет уменьшения температурной погрешности и повысить стабильность выходного сигнала. Тензопреобразователь содержит сапфировую подлоку 1, жестко соединенную с металлической мембраной 3, выточенной заодно с корпусом 4. На поверхности сапфировой подложки 1 у контура мембраны расположены кремниевые тензорезисторы 5, ориентированные параллельно и перпендикулярно радиусу мембраны. Тензорезисторы 5 находятся на расстоянии от края сапфировой подложки 1 не менее 10 толщин подложки. С помощью токопроводящих дорожек тензорезисторы 5 соединены в тензомост. Контактные площадки обеспечивают подключение тензомоста к источнику питания и регистрацию напряжения разбаланса тензомоста при изменении давления.5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 | 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ: СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О

О

4ь

C) (21) 4803559/10 (22) 15.03.90 (46) 15.03.92. Бюл, М 10 (71) Государственный научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения (72) В, И. Суханов (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

f4 934257, кл. 6 01| 9/04, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 1404850, кл. G 01 | 9/04, 1986. (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЪ|Й ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к полупроводниковым тензопреобразователям и позволяет повысить точность за счет уменьшения,, !! Ц < . 1 71 9940 А1 температурной погрешности и повысить стабильность выходного сигнала. Тензопреобразователь содержит сапфировую. подлоку 1, жестка соединенную с металлической мембраной 3, выточенной заодно с корпусом 4. На поверхности сапфировой подложки

1 у контура мембраны расположены кремниевые тензорезисторы 5, ориентированные параллельно и перпендикулярно радиусу мембраны. Тензорезисторы 5 находятся на расстоянии от края сапфировой подложки 1 не менее 10 толщин подложки.

С помощью токопроводящих дорожек TGHзорезисторы 5 соединены в тензомост.

Контактные площадки обеспечивают подключение тензомоста к источнику питания и регистрацию напряжения разбаланса тензомоста при изменении давления.5 ил. 719940

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям механических величин в электрический сигнал, основанным на тензорезисторном эффекте.

Известен полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий чувствительный элемент в виде монокристаллической сапфировой подложки с расположенными на ее поверхности гетероэпитаксиальными кремниевыми тензорезисторами, соединенными в измерительную (мостовую или дифференциальную) тензосхему, причем тензорезисторы легированы бором до концентрации дырок р=(3,5...9) 10 9 см з. При . определенной (оптимальной) концентрации дырок из указанного интервала и питании тензосхемы от генератора тока чувствительность тензопреобразователя сохраняет практически постоянное значение в интервале температур от -50 до 200 С.

Недостатком такого тензопреобразователя является то, что оптимизация степени легирования позволяет уменьшить только мультипликативную составляющую температурной погрешности (температурную погрешность чувствительности) и практически не влияет на аддитивную составляющую температурной погрешности (температурную погрешность "нуля"), которая определяется различием температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) отдельных тензорезисторов в измерительной тензосхеме. Поэтому для уменьшения температурной погрешности измерений приходится подключать к тензосхеме дополнительные элементы, что усложняет конструкцию, уменьшает надежноСть тензопреобразователя и требует его индивидуальной настройки.

Прототипом является полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий сапфировую подложку, напаянную на поверхность круглой металлической мембра ны из титанового сплава, и расположенные на поверхности сапфировой подложки у контура мембраны гетероэпитаксиальные кремниевые тензорезисторы, соединенные в мостовую тензосхему. Причем тенэорезисторы, включенные в противоположные плечи тензомоста, ориентированы параллельно и перпендикулярно радиусу(направлению максимальной механической деформации поверхности) мембраны и имеют различные значения отношения ширины тензорезисторов к их толщине.

Такой тензопреобразователь имеет малое значение температурной погрешности

"нуля" (температурного изменения разбаланса тензомоста в отсутствии измеряемой величины) при определенном оптимальном для каждого предела измерения соотношении размеров тензорезисторов в противоположных плечах моста, 5 Недостатком такого тензопреобразователя является зависимость температурной погрешности "нуля" от предела измерения тензопреобразователя. Указанная зависимость объясняется следующими .причина10 ми. После пайки сапфировой подложки к металлической мембране из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) сапфира и металла подложка испытывает термическую деформа15 цию сжатия, При этом в местах расположения тензорезисторов термическая деформация поверхности подложки . имеет анизотропный характер, т. е. значения деформации сжатия вдоль и поперек

20 радиуса мембраны различны. Наличие систематической составляющей деформации вдоль радиуса мембраны и ее зависимость оттемпературы вызывают различное температурное изменение сопротивлении тензо25 резисторов, ориентированных параллельно и перпендикулярно радиусу. Поэтому температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) продольных и поперечных тенэорезисторов различаются, что вызывает тем30 пературную погрешность "нуля" прибора..

Использование в противоположных плечах моста тензорезисторов с различными геометрическими размерами и соответственно различными значениями ТКС позволяет

35 компенсировать разницу в ТКС продольных и поперечных тензорезисторов, возникающую после пайки сапфировой подложки к металлической мембране. Однако значения деформации сжатия подложки зависят не

40 тол ько от температуры, но и от соотношения толщины подложки и металлической мембраны. Поскольку в серийных тензопреобраэователях для датчиков "Сапфир-22" изменение предела измерения осуществля45 ется путем изменения толщины металлической мембраны, то преобразователи с различными пределами измерения имеют разные значения температурной погрешности "нуля". Так, например, средние значе50 ния температурной погрешности "нуля" тензопреобразователей моделей Д2,5; Д16;

Д25 и Д100 (число в обозначении модели тензопреобразователя обозначает верхний предел измерения в МПа) соответственно

55 составляют -0,01 мВ/ С; +0,01/ С; +О,О4 мВ/ С и+О,17 мВ/ОС. Для уменьшения температурной погрешности "нуля" тензопреобразователей с различными пределами измерения необходимо создавать для каждого предела измерения индивидуальную

1719940 тензосхему, что усложняет проектирование и и роизводство тен зоп рео бра эователей.

Недостатком прототипа является также зависимость "нуля" измерительной схемы (начального. разбаланса тензомоста) от вре- 5 мени, что обусловлено релаксацией термических деформаций во времени.

Цель изобретения — повышение точности измерения тензопреобразователей с различными пределами измерения за счет 10 уменьшения аддитивной составляющей их температурной погрешности и улучшения временной стабильности их выходного сигнала, Поставленная цель достигается тем, что 15 все тензорезисторы измерительной схемы размещаются от края сапфировой подложки на расстоянии Х = 10 Н, где Н вЂ” толщина сапфировой подложки.

Использование изобретения обеспечи- 20 вает по сравнению с известными полупроводниковыми тензопреобразователями уменьшение температурной погрешности выходного сигнала тензопреобразователей с различными пределами измерения и тем 25 самым повышает точность, упрощает конструкцию и процесс настройки датчиков механических величин, изготовляемых на основе предлагаемых тензопреобразователей.

Сущность изобретения заключается в 30 уменьшении аддитивной составляющей температурной погрешности тензопреобразователей. и улучшении временной стабильности их выходного сигнала путем размещения всех тензорезисторов измери- 35 тельной схемы вне зоны поверхности сапфировой подложки, на которой термические деформации подложки, вызванные ее пайкой к корпусу тензопреобраэователя, имеют анизотропный характер. 40

На фиг. 1 показано сечение сапфировой подложки, напаянной на металлическое основание (Н вЂ” толщина подложки); на фиг. 2 .— эпюра напряженного состояния поверхности сапфировой подложки; на фиг. 3 — 45 зависимость аддитивной составляющей температурной погрешности тензопреобразователя от расстояния тенэорезисторов до края сапфировой подложки, выраженного в долях толщины подложки; на фиг. 4 и 5 50 — пример выполнения предлагаемого полупроводникового тензопреобразователя.

При серийном производстве тенэопреобразователей хорошо отработана технология пайки серебросодержащим припоем

ПСР-72 сапфировой подложки к корпусу тенэопреобразователя из титанового сплава. Пайка производится при температуре около 850 С. Поскольку ПС8-72 является жестким припоем и толщина слоя припоя (10 мкм) намного меньше толщины сапфировой подложки(0,2 мм) и титановой мембраны (0,2-2 мм), то при анализе напряженного состоя ния чувствительного элемента наличием слоя припоя можно пренебречь.

На фиг. 1 показано сечение круглой сапфировой подложки 1, напаянной на металлическое основание 2, размеры которого намного больше диаметра и толщины подложки. Из-эа различия температурных коэффициентов линейного расширения сапфира

Д-КЯP=Q 10-боC 1) ититана(П ЯP 10 оС- ) после охлаждения до комнатной температуры сапфировая подложка подвергается сжатию. Однако у края подложки в направлении ее радиуса напряжение сжатия уменьшается. Область сапфировой подложки, в которой происходит уменьшение этих напряжений на фиг.1 условно выделена пунктирной линией. Характер деформаций на поверхности сапфировой подложки условно показан на фиг. 2 кружком (в центре подложки) и эллипсами (xa краях подложки). В центре поверхность находится в состоянии изотропного сжатия, а по мере приближения к краю подложки деформация поверхности становится анизотропной, т. е. появляется различие в значениях деформации вдоль радиуса подложки ег и перпендикулярно радиусу подложки я

Величина анизотропии Ьо = E„— .г зависит от температуры и расстояния от края подложки Х выраженного в долях толщины подложки Н.

Известно, что изотропное сжатие (или растяжение) кремниевого тензорезистора практически не изменяет его сопротивление, а анизотропное — изменяет. Причем значение и знак изменения сопротивления зависят от ориентации тензорезистора относительно направления систематической составляющей деформации.

Поэтому температурное или временное изменение деформаций поверхности подложки вызывает изменение разбаланса тензомоста, содержащего продольные и поперечные(относительно радиуса мембраны) тензорезисторы, расположенные у края мембраны, и не. вызывает изменение разбаланса аналогичного тензомоста, но с тензо- резисторами, расположенными вдали от края подложки.

На фиг. 3 представлена полученная экспериментально зависимость скорости температурного изменения разбаланса тензомоста д00/ЭТ от расстояния (выраженного в долях толщины подложки) между тензорезисторами и краем подложки. Изме1719940 ложены от края подложки на расстоянии 3 мм, что составляет 15 значений толщины подложки. Плоскость сапфировой подложки имеет кристаллографическую ориентацию

5 (1012). Тензорезисторы изготовлены из слоя кремния с кристаллографической ориентацией (001) и направлены вдоль кристаллографических направлений <011> .

Концентрация носителей в тензорезисторах

10 составляет 6 10 см, Тензорезисторы соединены в тенэомост широкими, изготовленными иэ того же слоя кремния, токопроводящими дорожками 6. Поскольку ширина дорожек намного больше, а длина намного

15 меньше соответственно ширины и длины тензорезисторов, то они вносят незначительный вклад в сопротивление плеч тензомоста. Контактные площадки 7 обеспечивают подключение тенэомоста к источнику питания и

50

55 Полупроводниковый тензопреобразователь. содержащий сапфировую подложку, жестко соединенную с выполненной заодно с корпусом металлической мембраной, и расположенные на поверхности подложки у рения производятся на гетероэпитаксиальных кремниевых тензомостах, расположенных на сапфировой подложке диаметром 10 мм и толщиной 0,2 мм, которая напаивается на титановое основание диаметром 20 мм и толщиной 10 мм. Тензомосты изготавливаются из слоя кремния р-типа проводимости с концентрацией дырок 6 10 см и кристаллографической ориентацией (001), выращенного на сапфировой подложке с кристаллографической ориентацией (1012). Тензорезисторы ориентируются вдоль кристаллографических направлений

< 011 >кремния. Иэ фиг. 3 видно, что температурное изменение раэбаланса тензомостов, у которых тензорезисторы расположены от края подложки на расстоянии, составляющем более 10 толщин подложки, не превышает0,01 мВ/ С, Поскольку диаметр корпуса у тенэопреобразователей примерно равен диаметру сапфировой подложки, а толщина мембраны всегда меньше

10 мм и поскольку уменьшение размеров металла приводит к уменьшению анизотропии термических деформаций поверхности 2 сапфировой подложки, то требование удаления тензорезисторов от края подложки на расстояние более 10 толщин сапфира обеспечивает уменьшение аддитивной составляющей температурной погрешности тензопреобразователей со всеми возможными пределами измерения.

Экспериментальные исследования изменения со временем начального разбаланса тензомостов для друх партий тензопреобразователей, у которых тензорезисторы находятся от края подложки на расстоянии 6 и

25 значений толщины подложки, показывают, что за год среднее изменение начального разбаланса тензомостов для этих двух 4 партий тензопреобразователей соответственно составляет 0,3 и 005% от напряжения питания.

Таким образом, удаление тенэореэисторов от края подложки позволяет улучшить 4 также и временную стабильность выходного сигнала тензоп реобразователей.

Пример выполнения предлагаемого полупроводникового тензопреобраэователя приведен на фиг. 4. Тензопреобразователь содержит сапфировую подложку 1, напаянную одной своей поверхностью на круглую титановую мембрану 3, выточенную заодно с корпусом 4. На другой поверхности подложки у контура мембраны расположены гетероэпитаксиальные кремниевые тензорезисторы 5, ориентированные параллельно и перпендикулярно радиусу мембраны. Толщина сапфировой подложки составляет 0,2 мм, Тензорезисторы распорегистрацию напряжения разбаланса тензомоста. Они покрыты алюминием и вынесены за пределы плеч тензомоста. Такое решение позволяет при питании тензомоста от генератора тока исключить влияние сопротивления контактов алюминий — кремний на напряжение разбаланса тензомоста.

Полупроводниковый тензопреобразователь работает следующим образом.

В отсутствии измеряемого давления измерительная схема сбалансирована, т. е. сопротивление всех тензорезисторов измерительной схемы примерно одинакова и выходной сигнал схемы близок к нулю.

Давление среды на тензопреобразователь подается со стороны металлической мембраны. В результате мембрана деформируется и кремниевые тензореэисторы изменяют свое сопротивление. Причем тензорезисторы, ориентированные параллельно максимал ь ной механической деформации поверхности мембраны, увеличивают свое сопротивление; ориентированные перпендикулярно направлению максимальной механической деформации поверхности мембраны — уменьшают, Вследствие этого на выходе измерительной схемы появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению, Испытания предлагаемого тензопреобразователя с пределом измерения от 2,5 до

100 МПа показыва от, что значения температурной погрешности "нуля" находятся в пределах + 0,01 мВ/ С.

Формула изобретения

1719940

10 контура мембраны кремниевые тензорезисторы, ориентированные соответственно параллельно и перпендикулярно относительно направления максимальной механической деформации подложки и соединенные в измерительную тензосхему, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения температурной погрешности и улучшения временной стабильности выходного сигнала, в нем все тензорезисторы расположены от края сапфировой под5 ложки на расстоянии Х 2. 10Н, где Н— толщина подложки.

1719940

Редактор И. Касарда

Заказ 766 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул,Гагарина, 101

ОЬц Ю

cFT

Составитель B. Суханов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Л. Патай