Интегральный преобразователь деформаций егиазаряна и способ его изготовления

 

Устройство и способ его изготовления относятся к полупроводниковой тензометрии и могут быть использованы при измерении малых деформаций как самих контролируемых объектов, так и упругих элементов, устанавливаемых на эти объекты датчиков различных физических величин. Цель изобретения - повышение точности при измерении малых деформаций, что достигается за счет использования зависимости между сопротивлением полупроводникового материала и созданными в нем внутренними напряжениями, которые могут быть при соответствующей форме тензорезистора больше напряжений в материале подложки 1, а именно выполнением тензочувствительных элементов 2 за одно целое с токопроводящими дорожками 3 в виде слоя ориентированного осью максимальной тензочувствительности вдоль заданной оси X полупроводникового материала переменной ширины с симметрично расположенными относительно заданной оси X границами, образованными чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых, причем вогнутые кривые имеют в точках, максимально приближенных к заданной оси, один и тот же минимальный допустимый из условия прочности для данного материала и расстояния между этими точками радиус кривизны, а толщина подложки 1 превышает толщину слоя полупроводникового материала, а также в соответствии со способом изготовления интегрального преобразователя деформаций тем, что формирование слоя тензочувствительного материала проводят до нанесения защитной маски, защитную маску выполняют так, что она покрывает площадь изготавливаемых тензочувствительных элементов и токопроводящих дорожек, а травлению подвергают незащищенные участки поверхности тензочувствительного материала на всю его глубину. Преобразователь позволяет измерять малые значения деформаций с высокой линейностью и стабильностью. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой тензометрии и может быть использовано при измерении малых деформаций как самих контролируемых объектов, так и упругих элементов, устанавливаемых на эти объекты датчиков различных физических величин. Цель изобретения повышение точности при измерении малых деформаций, что достигается за счет использования зависимости между сопротивлением полупроводникового материала и созданными в нем внутренними напряжениями, которые могут быть при соответствующей форме тензорезистора больше напряжений в материале подложки, а именно, выполнением тензочувствительных элементов за одно целое с токопроводящими дорожками в виде слоя, ориентированного осью максимальной тензочувствительности вдоль заданной оси полупроводникового материала переменной ширины с симметрично расположенными относительно заданной оси границами, образованными чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых, причем вогнутые кривые имеют в точках, максимально приближенных к заданной оси, один и тот же минимальный допустимый из условия прочности для данного материала и расстояния между этими точками радиус кривизны, а толщина подложки превышает толщину слоя полупроводникового материала; а также, в соответствии со способом изготовления интегрального преобразователя деформаций тем, что формирование слоя тензочувствительного материала проводят до нанесения защитной маски, защитную маску выполняют так, что она покрывает площадь изготавливаемых тензочувствительных элементов с токопроводящими дорожками, а травлению подвергают незащищенные участки поверхности тензочувствительного материала на всю его глубину. На чертеже представлен общий вид интегрального преобразователя деформаций. Интегральный преобразователь деформаций содержит изоляционную подложку 1, ориентированные вдоль заданной оси, например, оси Х, и расположенные на подложке вдоль этой оси Х тензочувстви- тельные элементы 2, токопроводящие дорожки 3, соединяющие начало последующего элемента 2 с концом предыдущего элемента 2, и токовыводы 4 и 5, соединенные с началом первого и концом последнего элементов 2. При этом тензочувствительные элементы 2 выполнены за одно целое с токопроводящими дорожками 3 в виде слоя, ориентированного осью максимальной тензочувствительности вдоль заданной оси Х полупроводникового тензочувствительного материала переменной ширины с симметрично расположенными относительно заданной оси Х границами, образованными чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых, вогнутые кривые имеют в точках 6, максимально приближенных к заданной оси Х, один и тот же минимальный допустимый из условий прочности для данного материала и расстояния А между этими точками 6 радиус кривизны R, а толщина подложки превышает толщину слоя полупроводникового материала. Способ изготовления интегрального преобразователя деформаций осуществляют следующим образом. В исходной пластине, играющей роль изоляционной подложки 1, например, в пластине из нелегированного полупроводникового материала, формируют слой тензочувствительного полупроводникового материала, например, диффузией или ионной имплантацией соответствующих элементов на заданную глубину. При этом ось максимальной тензочувствительности полупроводникового материала ориентируют вдоль заданной на пластине геометрической оси Х. На слой сформированного таким образом тензочувствительного полупроводникового материала наносят методом фотолитографии защитную маску с конфигурацией границ, соответствующих конфигурации тензочувствительных элементов и токоведущих дорожек изготавливаемого интегрального преобразователя деформаций. При этом маска покрывает всю площадь изготавливаемых тензочувствительных элементов и токоведущих дорожек, а ее конфигурация образована симметрично расположенными относительно заданной оси Х чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых. Вогнутые кривые имеют в точках, максимально приближенных к заданной оси Х, один и тот же минимальный допустимый из условий прочности для данного материала и расстояния между этими точками радиуса кривизны. Этот радиус определяют экспериментально при изготовлении пробных преобразователей. После нанесения маски подвергают травлению на всю глубину его залегания незащищенные участки поверхности тензочувствительного материала. Затем известными методами вскрытия окон в защитной маске с последующим нанесением слоя металла формируют токовыводы, и интегральный преобразователь деформаций может быть использован для установки на объекте. Интегральный преобразователь деформаций работает следующим образом. После закрепления подложки 1 на поверхности исследуемого объекта токовыводы 4 и 5 включают в схему измерения, например, в мостовую схему. При появлении деформаций объекта тензочувствительные элементы, расположенные в зоне повышенных концентраций напряжений 6, изменяют свое сопротивление во много раз больше, чем соединяющие их участки, играющие роль токопроводящих дорожек. Поскольку все эти элементы 2 и дорожки 3 включены последовательно, то изменение сопротивления между токовыводами 4 и 5 будет определяться изменением сопротивления тензочувствительных элементов 2, что и приведет к повышению тензочувствительности преобразователя в целом. Предлагаемый преобразователь позволяет измерять малые значения деформаций с высокой линейностью и стабильностью. Он может быть использован также в составе датчиков давления, перемещения, ускорения, упругие элементы которых по условиям эксплуатации не должны иметь существенных упругих деформаций.

Формула изобретения

1. Интегральный преобразователь деформаций, содержащий изоляционную подложку, ориентированные вдоль заданной оси и расположенные на подложке друг за другом вдоль этой оси тензочувствительные элементы, токопроводящие дорожки, соединяющие начало последующего элемента с концом предыдущего элемента, и токовыводы, соединенные с началом первого и концом последнего элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при измерении малых деформаций, тензочувствительные элементы выполнены за одно целое с токопроводящими дорожками в виде слоя, ориентированного осью максимальной тензочувствительности вдоль заданной оси полупроводникового тензочувствительного материала переменной ширины с симметрично расположенными относительно заданной оси границами, образованными чередующимися с постоянным шагом участками выпуклых и вогнутых кривых, вогнутые кривые имеют в точках, максимально приближенных к заданной оси, один и тот же минимальный допустимый из условий прочности для данного материала и расстояния между этими точками радиус кривизны а толщина подложки превышает толщину слоя полупроводникового материала. 2. Способ изготовления интегрального преобразователя деформации, заключающийся в том, что на слой полупроводникового материала наносят методом фотолитографии защитную маску с конфигурацией границ, соответствующих конфигурации изготавливаемого интегрального преобразователя, проводят травление участков материала и формируют слой тензочувствительного материала, отличающийся тем, что формирование слоя тензочувствительного материала проводят до нанесения защитной маски, защитную маску выполняют так, что она покрывает площадь изготавливаемых тензочувствительных элементов с токопроводящими дорожками, а травлению подвергают незащищенные участки поверхности тензочувствительного материала на всю его глубину.

РИСУНКИ

Рисунок 1