Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор
Владельцы патента RU 2481669:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.). Предлагаемый тензорезистор содержит полимерную подложку 1, разделительную диэлектрическую пленку 2, например, из моноокиси кремния, тензочувствительную пленку 3 из моносульфида самария, расположенные на ее концах металлические контактные площадки 4, и металлические пленки, выполненные в виде полосок 5, расположенных на тензочувствительной пленке 3, параллельно и на расстоянии друг от друга, при этом они через одну соединены с противоположными контактными площадками 4 и выполняют роль шунтов, а незашунтированная часть тензочувствительной пленки приобретает форму меандра. Изобретение обеспечивает возможность получения тензорезистора с высокой тензочувствительностью и низким электрическим сопротивлением при малых размерах. 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).
Известен тензорезистор (SU 1717946, G01B 7/16, 7/18, опубл. 07.03.1992), содержащий тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и диэлектрическую подложку из силикатного стекла.
Недостатком такого решения является ограниченная область применения: определение напряженного состояния внутри массы бетона или других затвердевающих материалов.
Известны также тензорезисторы, имеющие подложку, тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и разделительную диэлектрическую пленку (патенты: WO 99/24804, G01L 1/22, 25/00, 27/00, опубл. 15.12.1994 и RU 2367062, H01L 29/84, опубл. 10.09.2009). В данных технических решениях подложка выполнена из металла или органического материала, например стекла, и служит упругим элементом. Недостатком данных тензорезисторов является ограниченная область применения, т.к. они могут использоваться только в интегральных схемах на упругих элементах датчиков механических величин и не могут быть использованы в прочностных испытаниях для измерения деформации, хотя имеют большую тензочувствительность за счет использования тензочувствительного элемента из моносульфида самария.
Указанные решения рассматриваются в качестве аналогов только потому, что в них, в качестве чувствительного элемента, используется поликристаллическая пленка моносульфида самария. На самом деле эта пленка выполнена интегрально с упругим элементом (в описании аналогов он неверно называется подложкой), то есть является с ним единым целым и не может использоваться самостоятельно в качестве наклеиваемого тензорезистора. Указанная пленка не имеет подложку в соответствии с ГОСТ 20420-75 «ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ. Термины и определения», а может конденсироваться на разделительную диэлектрическую пленку, если упругий элемент металлический, или непосредственно на упругий элемент, если он является диэлектриком.
Известны полупроводниковые тензорезисторы, которые могут быть использованы в прочностных испытаниях для измерения деформации, в частности, наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, чувствительным элементом которого является кремниевая пластина, укрепленная на полимерной подложке, и концы которой соединены с контактными площадками перемычками из золотой проволоки (И.Немец, «Практическое применение тензорезисторов, «Энергия», 1970, стр.9).
Нелинейность характеристик, большая зависимость от внешних воздействий (температуры, света) не позволяет реализовать преимущества, появляющиеся вследствие большой тензочувствительности, а очень большая трудоемкость, а следовательно, и цена делают их недоступными для широкого использования. Тензочувствительная пластина из кремния вырезается из монокристалла вдоль кристаллографической оси (111) для р-типа, а для n-типа вдоль кристаллографической оси (100). Коэффициент тензочувствительности такой пластины более ста, тогда как поликристаллическая пленка из кремния имеет коэффициент тензочувствительности около двадцати.
Наиболее близким техническим решением является, взятый в качестве прототипа, наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и металлические контакты на концах тензочувствительной пленки (Д.Т.Анкудинов, К.Н.Мамаев, «Малобазные тензодатчики сопротивления», «Машиностроение», 1968, стр.47-50). В решении, взятом за прототип, тензочувствительная пленка выполнена из висмута и имеет низкую тензочувствительность.
Недостатком прототипа является его низкая тензочувствительность.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в получении тензорезистора с высокой тензочувствительностью и низким электрическим сопротивлением при малых размерах.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и расположенные на ее концах контактные площадки, снабжен разделительной диэлектрической пленкой, на которую напылена выполненная из моносульфида самария тензочувствительная пленка, на которой, в свою очередь, осаждены металлические пленки в виде полосок, расположенные параллельно и на расстоянии друг от друга, при этом они через одну соединены с противоположными контактными площадками и выполняют роль шунтов, а незашунтированная часть тензочувствительной пленки приобретает форму меандра.
Контактные площадки выполнены металлическими, диэлектрическая пленка может быть моноокисью кремния толщиной 0.001÷0.003 мм, металлическая шунтирующая пленка может быть выполнена из алюминия толщиной 0.0005÷0.001 мм.
Все указанные размерные интервалы определены опытным путем. Выход за указанные границы или ухудшает метрологические характеристики, или усложняет технологический процесс.
Получение высокой тензочувствительности (80-100) приводит к повышению электрического сопротивления 500-1000 кОм, что не удобно для сопряжения с последующими преобразователями, поэтому снижение сопротивления тензорезистора за счет увеличения ширины и уменьшения длины тензочувствительного элемента (рабочая часть в форме меандра) позволяет использовать его со стандартной аппаратурой. Применение меандра позволило уменьшить его габариты, сделать компактным.
Предлагаемое изобретение поясняются чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - тензорезистор в плане;
- на фиг.2 - поперечный разрез тензорезистора;
- на фиг.3 - эквивалентное изображение тензорезистора с развернутым меандром.
Предлагаемый тензорезистор (фиг.1 и 2) содержит полимерную подложку 1, например, из лака ВЛ - 931, толщиной 0.02÷0.03 мм, разделительную диэлектрическую пленку 2, например, из моноокиси кремния толщиной 0.002÷0.003 мм, тензочувствительную пленку 3 из моносульфида самария толщиной 0.0003÷0.001 мм, расположенные на ее концах металлические контактные площадки 4 (например, константан), и металлические пленки, например, из алюминия толщиной 0.0005÷0.001 мм, выполненные в виде полосок 5, расположенных на тензочувствительной пленке 3, параллельно и на расстоянии друг от друга, при этом они через одну соединены с противоположными контактными площадками 4 и выполняют роль шунтов, а незашунтированная часть тензочувствительной пленки приобретает форму меандра.
В отличие от всех известных тензорезисторов, тензочувствительная фольговая «решетка» которых имеет, как правило, форму меандра, по которому электрический ток протекает вдоль его полосок, в рассматриваемом тензорезисторе электрический ток протекает не вдоль, а поперек полосок незашунтированной части тензочувствительной пленки, имеющей также форму меандра, что и позволяет снизить его электрическое сопротивление, сохранив высокой тензочувствительность при малых размерах.
Рассмотрим составляющие формулы для вычисления электрического сопротивления:
R=ρ·L/B·H,
где R - электрическое сопротивление проводника (полупроводника),
ρ - удельное электрическое сопротивление проводника (полупроводника),
L - длина проводника (полупроводника),
B·H - поперечное сечение проводника,
где В - ширина проводника,
Н - толщина проводника.
Итак, мы знаем режимы конденсации полупроводникового материала, когда он имеет очень большую тензочувствительность, но при этом у него высокое удельное электрическое сопротивление ρ, а следовательно, и сопротивление R. Рассмотрим оставшиеся члены в приведенной выше формуле. Стоящую в числителе длину проводника (полупроводника) L мы не можем уменьшать слишком сильно. В сложившемся технологическом процессе чувствительный элемент тензорезистора имеет размеры 0.3 мм × 0.3 мм или 0.2 мм × 0.2 мм, а толщина осажденной тензочувствительной пленки 3 - 0.0005 мм. Таким образом, единственная величина, на которую мы можем повлиять существенно, это ширина тензорезисторной пленки 3. Если ее просто увеличивать в десятки раз, тензорезистор примет уродливую форму, как это изображено на фиг.3, где между вытянутыми в ширину контактными площадками 4 расположена тензочувствительная пленка 3, поэтому рабочая часть тензочувствительной пленки 3 была «свернута» в меандр.
Вычислим - во сколько раз можно уменьшить сопротивление тензорезистора, изображенного на фиг.1. Очевидно, что шириной В тензорезистора является часть периметра металлической пленки, включающего шунтирующие полоски 5, а точнее от точки «d» до точки «с» (d и с - начальные и конечные точки рабочей части периметра шунта).
В=1·(2n-1)+b·(n-1)+а·n+(d-а),
где n - количество шунтирующих полосок, соединенных с одной контактной площадкой.
l - длина шунтирующей полоски;
а - ширина шунтирующих полосок;
b - длина перемычки меандра.
Рассчитаем коэффициент уменьшения сопротивления для изображенного на фиг.1, 2 тензорезистора: n=3; L=а; l=14·а; b=3а;
В=1·(2n-1)+b·(n-1)+a·n+(b-a)=81·a,
то есть по сравнению с обычным тензрезистором, имеющим форму квадрата В=L=а, ширина в рассматриваемом тензорезисторе в 81 раз больше, т.е. сопротивление уменьшилось в 81 раз. Если требуется еще большее уменьшение сопротивления, увеличивают «l» или «n».
Таким образом, предложенная конструкция тензорезистора позволяет снизить его электрическое сопротивление, сохранив высокую тензочувствительность при малых размерах.
Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и расположенные на ее концах металлические контакты, отличающийся тем, что он снабжен разделительной диэлектрической пленкой, на которую напылена выполненная из моносульфида самария тензочувствительная пленка, на которой, в свою очередь, осаждены металлические пленки в виде полосок, расположенных параллельно и на расстоянии друг от друга, при этом они через одну соединены с противоположными контактными площадками и выполняют роль шунтов, а незашунтированная часть тензочувствительной пленки приобретает форму меандра.
