Тензопреобразователь давления

 

Использование: в измерительной технике для измерения давлений жидкостей и газов в интервале температур 20-300°С без введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления. Сущность изобретения: тензопреобразователь мембранного типа, в котором на окисленной кремниевой подложке 1 выращены поликремниевые тензорезисторы 2, соединенные алюминиевой разводкой 3 в мостовую схему. Тензорезисторы легированы бором до концентрации (5,1-7.5) 10 и расположены у краев квадратной мембраны 7. Питание моста осуществляется от генератора тока, при этом происходит самокомпенсация температурой зависимости выходного сигнала и температурный коэффициент выходного сигнала тензопреобразователя находится в пределах (Ч),01Н+0.01)%/град. 2 ил. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 (9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Вдц

1МЩф йиьр „„„„

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (2 1) 4718480/10 (22) 17.07.89 (46) 23.07.93; Бюл. М 27 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) В.А.Гридчин, В,М,Любимский и M.Ï.Сарина (73) М.fl. Ñàðèíà (56) Измерения, контроль. автоматизация, М 4(44). 1982, c,15 — 26.

industrie-electrlktelectronlc КЗО. t4 7, 1985, р.50-54. (54) ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: в измерительной технике для измерения давлений жидкостей и газов в интервале температур 20-300 С беэ

5U 1830138 АЗ введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления. Сущность изобретения: тензопреобразователь мембранного типа, в котором на окисленной кремниевой подложке 1 выращены поликремниевые тензореэисторы 2, соединенные алюминиевой разводкой 3 в мостовую схему.

Тензорезисторы легиоованы бором до концентрации (5,1 — 7.5) 10 см и расположены у краев квадратной мембраны 7. Питание моста осуществляется от генератора тока, при этом происходит самокомпенсация температурой зависимости выходного сигнала и температурный коэффициент выходного сигнала тензопреобразователя находится в пределах (-Ю,01)-(Ю,01) /град, 2 ил. 1 табл.

1830138.3

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов в интервале температур (+20)-(+300) С без введения дополнительных средств компенсации температурной зависимости выходного сигнала датчика давления, Известен тензопреобразователь мембранного типа, работающий в диапазоне температур (-60) — (+200) С, содержащий мост из монокремниевых тенэорезисторов выращенных на монокристаллической сапфировой подложке. Тензорезисторы легированы бором, расположены у краев круглой мембраны в плоскости (001) параллельно и перпендикулярно радиусу вдоль направлений

< 110 >, Под действием давления на тензопреобразователь два тензореэистора увеличива от свое сопротивление, а два — уменьшают, При этом сопротивление Rj тензореэистора номер j зависит как от деформации поверхности сапфира в месте расположения тензорезистора (о}., так и от температуры (Т}

U>><«<(, т) = Б K(r;, T) (5) Rj =- Rj (я, Т). д8формация е пропорциональна приложенному давлению Р =А(Т) Р, где А I,I) — коэффициент упругого преобразОвания, KQTopb Й Опр8деляется конструкцией тензопреобразователя и упругими характеристиками применяемых в нем ма78PNЗЛ0В

Сопротивление j-тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, меняется следующим обР83ОМ ткив« = тКК+ ткд (8) (") при питании от генератора напряжения, и где К. е, Т) — коэ<р<рициент тенэочувствительности тенэореэистора номер j.

В тензопр80браэователе тензореэисторы соединены з мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде

Бвых (С, Т) Баит (К1(@ Т) — и (e, Т})П (2), ТКК=О (10) где Баит — напряжение питания.

Если жо питанйе моста Осуществляется

От генератора тока, то тогда выходной сигнал имеет вид

Бвых(г, Ц=.}аит й(Т)(К1(о, Т)- К2(г, Т))/2 (3), Rj -- и (Т) (1 + Kl (Я, Т)), j = 1,2 где 4ит — ток питания, Для ориентации тензорезисторов в направлениях < 110 > в плоскости (100), которая используется в указанном устройстве, в широком диапазоне температур справедливо соотношение

K (r;, т) =- -К2 (г, Т) = К (е, T) (4) С учетом соотношения (4) уравнекия (2) и (3) принимают вид при питании от генератора напряжения, и

Бвых (E, T) = 1аит R (T) К (Е, Т) (6) при питании от генератора тока, . Выходной сигнал мостовой схемы не зависит от температуры, если выполняется условие:

-ТКБ 100 о Овых Е1 0 (7)

Бвых

Если ввести обозначения

ТКК = — - — температурный

100 4 d е, Цк, ) коэффициент тензочувствительности;

100 Ойдо =О, TKR. = . темпераК е=,ц турный коэффициент сопротивления;

100 Cd

35 ТКД = — У

А(1) — температурный коэффициент упругого преобразования; и продифференцировать уравнения (5) и (6), то получают

TKu«Ä = ткк+ тки+ ткд (в) при питании от генератора тока.

Если учесть, что jTKAI«jTKR(, tTKKl, то условие температуркой независимости выходного сигнала (7) перепишется в аиде при питании от генератора напряжения; и

TKR+ TKK = 0 (11) при питании от генератора тока.

Для тензопреобразователей на монокристаллическом кремнии условие (10) не

1830138 — 0 08 10 Ят) (13) 50 ТКОемх = TKSt (16), может выполняться, поскольку коэффициент тензочувствительности монокремния зависит от температуры в интервале концентраций (10 -10 ") см . В то же время

17 2) -З условие (11), при котором происходит самокомпенсация температурной зависимости выходного сигнала, может выполняться при оптимальной концентрации легирующей примеси. Для структуры "кремний на сапфире" это значение находится в диапазоне (8

+ 0,8)10 см и условие (11) выполняется в интервале температур (— 60(— (+200) С.

Кроме того известен тензопреобразователь мембранного типа с рабочим температурным диапазоном (— 60) — (+200) С, являющийся прототипом изобретения, содержащий полный мост из поликремниевых тензорезисторов, легированных бором и расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100), контактные площадки, соединяющие тензореэисторы в измерительный мост, подключены к источнику питания (генератору напряжения). Два тензорезистора (первый и второй) расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии, а два других (третий и четвертый) расположены в центре мембраны параллель.ю первому и второму тенэореэисторам. Тензопреобразователь имеет размеры 4,5 мм 3,5 мм 0,38 мм, размеры мембраны 2,5 мм 1,5 мм 30 мкм и изготовлен стандартными методами микроэлектронной технологии. Если выбрать систему координат с началом в центре мембраны, а осью Y параллельно короткой стороне, то с учетом указанного расположения тензорезисторов при подаче давления сопротивление J-тензореэистора будет иметь следующий вид:

RJ(e, Т) = R(T) (1 + S >ev ) + S @Р (12), где Si — продольный коэффициент тензочувствительности;

Зт — поперечный коэффициент тензочувствительности; аХ,y" — диагональные компоненты тензора деформации мембраны в месте расположения J-тензорезистора.

При условии, что размеры тензорезисторов много меньше размеров мембраны, можно считать их точечными с координатами

В1(Х О, У = 0,75 мм), RQX = О, Y = О), а значения компонент тензора деформации указаны для номинального давления

Рном - 1 бар и имеют величины

ey = 0.7 10 Ac(1 = О, йР =

- — 0,33 10, кх =- — 0.08 10 .

Тогда при номинальном давлении сопротивления плеч моста будут следующими 1(рном Т) = В(Т} (1 + 0,7 10 S))

Яр(Рном Т) - R(T) (1 — 0,33 10 S1—

15 При используемом в прототипе способе питания моста (от генератора напряжения) выходной сигнал моста при номинальном давлении записывается в виде

20 Оеых (Рном Т) = Опит (Rl (Рном, Т) — R2 (Рном, Т))/2 = Опит (1,03 Ят +

+0,08 S<) 10 /2 (14) и определяется в основном величиной продольного коэффициента тензочувствительности, а его температурный коэффициент определяется, в основном, температурной зависимостью продольного коэффициента

30 тензочувствительности, Однако, указанное устройство обладает существенным недостатком: выходной сигнал тензопреобразователя изменяется с температурой с температурным коэффици35 ентом — 0,08 /град.

Значения продольного и поперечного коэффициентов тензочувствительности в имеют один порядок величины, поэтому в уравнении (14) можно пренебречь вторым

40 членом и тогда выходной сигнал определяется только продольной тензочувствительиостью:

Оеых(Рном Т) = Ооит 1,03 10 S1/2, (15).

Продифференцировав уравнение (15), получим температурный коэффициент выходного сигнала

3ЮЪ dS) где TKS> = — — температурный ко51 б. эффициент продольной тенэочувствитель55 ности.

Из уравнения (16) видно, что температурный коэффициент выходного сигнала . указанно о тензопреобраэователя определяется температурным коэффициентом про1830138 дольной тензочувствительности. В указанном тенеопреобразователе поликремниевые тенэорезисторы легированы бором до концентрации 9 10 см (концентрацию можно определить из известной дозы легирования 4,5 10 см и известной толщины слоя поликремния 0,5 10 см). Известно, что при такой степени легирования коэффициент тензочувствительности поликристаллического кремния р-типа зависит от температуры. Поэтому согласно (16) и появляется температурная зависимость выходного сигнала тензопреобразователя.

Для устранения температурной зависимости в одного сигнала тенэопреобразователя необходимо введение дополнительных средств компенсации, что делает датчик более громоздким и дорогим, Целью изобретения является уменьшение температурной зависимости выходного сигнала тензопреобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известном тенэопреобразователе давления третий и четвертый тенэореэисторы располагаются на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питания выполняется в виде генератора тока, при этом степень легирования тенэореэисторов находится в интервале (5,1-7,5) 10 см

Нафиг,1 приведен общий видтенэопреобразователя -(1 — подложка: 2 — поликремниевые тенэореэисторы; 3 — алюминиевая разводка; 4 — контактные окна к тензорезисторам; 5 —; 6 — защитный окисел; 7- мембрана); на фиг,2 — разрез тензопреобразователя по А-А. Сущность изобретения состоит в следующем. На окисленной подложке монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100) (см. фиг.1} методами микроэлектронной технологии сформированы поликремниевые тенэорезисторы, легированные бором, алюминиевая разводка соединяет тенэореэисторы в незамкнутую мостовую схему, Для стабилизации характеристик тензопреобраэователь покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки. Квадратная мембрана толщиной 30 мкм (см. фиг.2) расположена s срединной части тензопреобразователя и сформирована анизотропным травлением монокристаллического кремния в 30/(i растворе едкого кали. Размер тенэопреобразователя 5 мм х 5 мм х ЗО мкм; размер мембраны 2 мм х 2 мм х 30 мкм.

При подаче давления сопротивления тенэорезисторов изменяются в соответствии с (12), а выходной сигнал имеет вид

Uevx(P Т) Invr(R)(P, T} — йг(P, Tj)/2= (,,(Т) (((1) (г)) $,,„((1)

5 — Р)) $<<)/2. (17)

Температурный коэффициент выходного сигнала ТКО ых легко получить иэ (17).

ТКОвых ТК + TKS)/(1 + )+ TKSs / (1 + — " — )(18) где произведена замена: ТКр- TKR — температурный коэффициент удельного сопротивления.

Из экспериментальных исследований известно, что температурные коэффициенты продольной и поперечной тенэочувствительности различны (в отличие от монокристаллического кремния), а сами коэффициенты

25 продольной и поперечной тенэочувствительности находятся между собой в отношении

$ =-2$1 (19)

Если тензорезисторы расположены на мембране тензопреобразователя так, как показано на фиг. I, и их размеры многр меньше размеров мембраны, то ev = ex, (1у

35 @г (20)

С учетом изложенного уравнение (18} упрощается

ТКОвых ТКР» 2 TKSI/3 + TKSg/3, (21)

45 а для того, чтобы выходной сигнал не зависел оттемпературы должно выполняться соотношение

50 TKP+ 2 ТК$1/3 + TKSt/3 О. (22)

Температурные коэффициенты удельйого сопротивления, продольной и поперечной тенэочувствительности зависят от

55 степени легирования, и подобрав оптимальную степень легирования поликремниевых тензорезисторов, можно добиться .выполнения соотношения (22), а значит и температурно-независимого выходного сигнала;

1п

1830138

ТК, 04/град

TKSl, О /г а

TKS<, /г а

ТКО4.„, /г а

Р, см — 1Д-0,05

-0.12

-0,1 1

-0,10

5,1 10

63 109

7,5 10"

-0.01

0,06

0,07

0,08

-0,05

0.00

-0,06

0,01

Результаты проведенных исследований приведены в таблице. В таблице также указаны значения температурного коэффициента выходного сигнала. рассчитанные по формуле (21), 5

Из таблицы видно. что в указанном интервале концентраций происходит самокомпенсация температурной зависимости выходного сигнала.

Таким образом по сравнению с прототи- 10 пом, выходной сигнал которого меняется с температурой с температурным коэффициентом — 0.08,/град, в предлагаемом устройстве происходит уменьшение температурного коэффициента выходного сигнала в интервале 15 концентраций(5,1 — 7,5) 10 см до значений ю -з

ITKUsMx I = 0.01%/град.

Фор.мула изобретения

Тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристалли- 20 ческого кремния прямоугольную мембрану с опорным основанием и слоем окиси кремния на наружной поверхности, на которой расположены четыре поликремниевых тензорезистора р-типа проводимости, легированных бором, причем два из них. первый и второй, расположены у двух противоположных краев мембраны вдоль оси ее симметрии. и контактные площадки. соединяющие тензорезисторы в измерительный мост, подключенный к источнику питания. о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, в нем третий и четвертый тензорезисторы расположены на мембране у двух других ее краев в срединной их части параллельно первому и второму тензорезисторам, а источник питания выполнен в виде генератора тока, при этом степень легирования тензорезисторов находится в интервале (5,1 — 7.5) t0 см