Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор
Владельцы патента RU 2511209:
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. Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор содержит полимерную подложку на которой одной своей поверхностью полностью лежит тензочувствительная полоска. На противоположной поверхности полоски расположены металлопленочные площадки, которые частично перекрывают ее, кроме средней и концевых частей. Диэлектрическая разделительная пленка закрывает центральную часть тензочувствительной полоски и части металлопленочных площадок. Перекрывая концевые части всех пленок расположены две контактные площадки, при этом расстояние между указанными контактными площадками больше, чем расстояние между металлопленочными площадками, но меньше, чем длина разделительной диэлектрической пленки. Изобретение обеспечивает уменьшение механических напряжений между элементами, участвующими в передаче деформации объекта на тензочувствительную полоску. 4 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.), особенно для измерений в динамических процессах.
Известен 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 этом решении тензочувствительная пленка выполнена из висмута.
Недостатком этого тензорезистора является его низкая тензочувствительность.
К предлагаемому изобретению наиболее близко техническое решение, представляющее собой наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, носитель из металлической фольги, сформированные с одной стороны носителя разделительную диэлектрическую пленку, выполненную на ней в виде полоски, тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и металлопленочные площадки (статья «Полупроводниковые тензорезисторы на основе моносульфида самария для космических аппаратов. Преобразование деформации», научно-технический журнал ФГУП «НПО им. С.А.Лавочкина», №2, 2012 г., стр.33-37, рис.3).
Недостатком прототипа является наличие в цепи элементов, участвующих в передаче деформации объекта на тензочувствительную пленку тензорезистора, элемента с очень большой жесткостью - металлического носителя, на котором сформированы другие пленки.
Когда объект деформируется, нижние слои полимерной подложки тензорезистора, прилегающие к объекту, повторяют эту деформацию, тогда как верхние слои подложки, прилегающие к носителю, находятся под действием разнонаправленных сил - снизу действуют вязкоупругие силы связующего (полимерной подложки), а сверху сопротивляется деформации металлический носитель. Имея в виду тот факт, что модуль упругости металла на два порядка выше, чем модуль упругости полимера, мы можем с уверенностью сказать, что деформация носителя будет меньше, чем деформация объекта, к тому же присутствуют сопутствующие неприятные факторы, например ползучесть. И все это усугубляется с повышением температуры.
Надо отметить, что вся тензометрия на сегодняшний день - металлическая (фольговая) и описанная выше проблема свойственна и ей, только в меньшей степени, так как фольга чувствительного элемента существенно тоньше (3-5 мкм). Мы здесь не учитываем силовые факторы, исходящие от напыленных тонких пленок (разделительная диэлектрическая, тензочувствительнаяя, металлопленочная), так как они очень тонки, а основной силовой фактор исходит от носителя, выполненного из относительно толстой (10 мкм) фольги.
Следовательно, для создания идеальных условий передачи деформации, необходимо избавиться от носителя. В то же время носитель нужен для конденсации тонких пленок, которая происходит при очень высоких температурах.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении механических напряжений между элементами, участвующими в передаче деформации объекта на тензочувствительную полоску.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, как и указанный наиболее близкий к нему известный тензорезистор, содержит полимерную подложку, носитель из металлической фольги, сформированные с одной стороны носителя разделительную диэлектрическую пленку, выполненную на ней в виде полоски, тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и металлопленочные площадки.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом тензорезисторе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, все элементы тензорезистора расположены симметрично на полимерной подложке, взаимно перекрывая друг друга. Тензочувствительная полоска одной своей поверхностью полностью лежит на полимерной подложке. На противоположной поверхности тензочувствительной полоски расположены металлопленочные площадки, которые частично перекрывают тензочувствительную полоску, кроме ее средней и концевых частей. Диэлектрическая разделительная пленка закрывает центральную часть тензочувствительной полоски и части металлопленочных площадок. Носитель представляет собой две площадки, выполняющие роль контактов и перекрывающие концевые части всех пленок, при этом расстояние между указанными контактными площадками больше, чем расстояние между металлопленочными площадками, но меньше, чем длина разделительной диэлектрической пленки.
В предлагаемом техническом решении, избавившись от носителя, как от элемента, на котором сформированы все пленки, был исключен самый жесткий из элементов, участвующих в передаче деформации объекта на тензочувствительную пленку тензорезистора, а выполнив его, в конечном итоге, в виде двух наружных контактных площадок, была также обеспечена пайка выводных проводников к площадкам на порядок комфортнее, чем в прототипе, так как в последнем припаиваться приходится к тонким металлопленочным площадкам с угрозой пробоя во время пайки через поры диэлектрика на носитель. Промежуточные контактные площадки (металлопленочные площадки) могут быть напылены из другого материала с целью обеспечения, с одной стороны, хорошего электрического контакта с тензочувствительной пленкой, с другой - электрического контакта с наружными фольговыми (бывший носитель) контактными площадками. Еще одно назначение промежуточных контактных площадок (металлопленочные площадки) - удаление чувствительной зоны от массивных наружных (фольговых) контактных площадок во избежание их влияния на процесс передачи деформации.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - общий вид тензорезистора;
- на фиг.2 - продольный разрез А-А тензорезистора;
- на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б тензорезистора;
- на фиг.4 - поперечный разрез В-В тензорезистора.
Предлагаемый тензорезистор содержит полимерную подложку 1, выполненную, например, из лака ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм. На полимерной подложке 1 одной своей поверхностью полностью лежит тензочувствительная полоска 2. На противоположной поверхности тензочувствительной полоски 2 расположены металлопленочные площадки 3, которые частично перекрывают ее, кроме средней и концевых частей. Диэлектрическая разделительная пленка 4 закрывает центральную часть тензочувствительной полоски 2 и части металлопленочных площадок 3. Перекрывая концевые части всех пленок (2, 3, 4) расположены две контактные площадки 5, при этом расстояние между указанными контактными площадками 5 больше, чем расстояние между металлопленочными площадками 3, но меньше, чем длина разделительной диэлектрической пленки 4. Контактные площадки 5 образованы путем литографических операций из носителя.
В процессе изготовления тензорезистора необходимо наличие носителя из фольги для конденсации на него тонких пленок 2, 3, 4, которая происходит при очень высоких температурах, т.е. носитель должен присутствовать в процессе напыления и, после формирования полимерной подложки, удален с помощью литографических операций. Именно во избежание контакта травящего раствора с тензочувствительной пленкой 2 и металлопленочными площадками 3 сформирована диэлектрическая разделительная пленка 4, которая в конечной конструкции, казалось бы, не нужна. Но носитель удален не весь, а только его средняя часть, в результате образуются две фольговые площадки 5, которые выполняют в предложенном тензорезисторе роль контактов. Длина разделительной диэлектрической пленки 4 больше расстояния между наружными контактными площадками 5, которые закрывают ее концы. Металлопленочные контакты 3 выполняют две функции. Одна из них - удаление чувствительной (не зашунтированной) части тензочувствительной полоски 2 из зоны влияния наружных контактных площадок 5, это достигается тем, что расстояние между металлопленочными площадками 3 меньше, чем расстояние между наружными контактными площадками 5. Другая функция металлопленочных площадок 3 - обеспечение надежного электрического контакта между тензочувствительной полоской 2 и наружными контактными площадками 5. Несмотря на то что тензочувствительная полоска 2 своими концами непосредственно соприкасается с наружными контактными площадками 5, это не обеспечивает надежного электрического контакта и для его реализации вводится металл-посредник (например, алюминий), из которого и выполняются металлопленочные площадки 3, которые одной стороной лежат на тензочувствительной полоске 2, а другой соприкасаются с наружными контактными площадками 5. Наличие не пленочных, как у прототипа, контактных площадок, а монолитных фольговых значительно облегчает пайку выводных проводников и исключает угрозу пробоя узла пайки на носитель. Тензорезистор работает так же, как и любые другие: по соответствующей технологии он наклеивается на поверхность исследуемой детали. При механических силовых воздействиях деталь деформируется (растягивается или сжимается), при этом растягивается или сжимается и наклеенный на деталь тензорезистор на величину ΔL, получая относительную деформацию ΔL/L, что, в свою очередь, приводит к относительному изменению сопротивления (ΔR/R) тензорезистора. Величины ΔL/L и ΔR/R связаны между собой через коэффициент тензочувствительности:
ΔR/R=КΔL/L, где
К - коэффициент тензочувствительности;
ΔL/L - относительная деформация;
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.
Измерение величины относительного изменения сопротивления производится с помощью тензоусилителей.
Конструкция предложенного тензорезистора позволила исключить самый жесткий элемент (металлический носитель) от участия в передаче деформации объекта на чувствительный элемент, соответственно, уменьшить механические напряжения между элементами, участвующими в передаче деформации объекта на тензочувствительную полоску. Кроме того, придав носителю после вытравливания функцию контактных площадок, обеспечили дополнительный комфорт при пайке выводных проводников. Это дает преимущество в различных областях применения тензорезисторов. Исключается угроза армирования при измерениях на тонких оболочках и на материалах с малым модулем упругости, появляется возможность применения относительно не жестких, но технологичных клеев. Следует иметь в виду, что ликвидация носителя под чувствительной полоской, который является аккумулятором тепла, выделяемого от рассеиваемой мощности на чувствительном элементе, приведет к большей температуре саморазогрева тензорезистора и дрейфу начальных показаний («дрефу нуля») при включении системы измерений. Но рассеиваемую мощность можно уменьшить, увеличивая сопротивление тензорезистора или уменьшая напряжение питания. Кроме того, существует целая область, где статическая составляющая и, следовательно, дрейф начальных показаний исключаются (отфильтровываются) из выходного сигнала - это область динамических измерений, где, собственно, и рекомендуется применять предлагаемый тензорезистор.
Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, носитель из металлической фольги, сформированные с одной стороны носителя разделительную диэлектрическую пленку, выполненную на ней в виде полоски, тензочувствительную пленку из поликристаллического моносульфида самария и металлопленочные площадки, отличающийся тем, что все элементы тензорезистора расположены симметрично на полимерной подложке, взаимно перекрывая друг друга, при этом тензочувствительная полоска одной своей поверхностью полностью лежит на полимерной подложке, а на ее противоположной поверхности расположены, частично перекрывая ее, кроме средней и концевых частей, металлопленочные площадки, диэлектрическая разделительная пленка закрывает центральную часть тензочувствительной полоски и части металлопленочных площадок, при этом носитель представляет собой две площадки, которые выполняют роль контактов и перекрывают концевые части всех пленок, а расстояние между указанными контактными площадками больше, чем расстояние между металлопленочными площадками, но меньше, чем длина разделительной диэлектрической пленки.
