полупроводниковый тензопреобразователь

Формула изобретения

1. Полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему, сформированную на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок (3,5÷9)·10¹⁹ см^-3 и включающую в свои плечи тензочувствительные и подстроечные резисторы с перемычками для настройки разбаланса моста, отличающийся тем, что к диагонали питания мостовой тензосхемы подключен шунтирующий резистор с перемычками для подстройки его сопротивления, сформированный из того же слоя кремния, что и тензосхема.

2. Полупроводниковый тензопреобразователь по п.1, отличающийся тем, что перемычки, предназначенные для подстройки сопротивления шунтирующего резистора, размещены вне области деформации сапфировой подложки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям механических величин, основанным на тензорезистивном эффекте.

Известен полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую схему, состоящую из четырех кремниевых тензорезисторов, к которой параллельно диагонали с источником питания подключен термозависимый резистор. При правильном (оптимальном) подборе сопротивления термозависимого резистора чувствительность (диапазон изменения выходного сигнала) тензопреобразователя мало зависит от температуры [1].

Недостатком такого тензопреобразователя является необходимость подбора и подключения внешнего терморезистора, что уменьшает надежность преобразователя и усложняет его изготовление. Дополнительным недостатком является разброс значений чувствительности (диапазона изменения выходного сигнала) для различных образцов тензопреобразователей, который обусловлен разбросом геометрических размеров их упругих элементов.

Известен другой полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему с планарными тензорезисторами на поверхности упругого элемента. Между тензорезисторами напылены перемычки, разрывом которых при питании тензосхемы от генератора тока обеспечивается настройка чувствительности тензопреобразователя к заданному значению [2]. Такое решение позволяет снизить разброс значений чувствительности различных образцов тензопреобразователей и тем самым повысить точность измерений тензопреобразователями с унифицированной градуировочной характеристикой, т.е. тензопреобразователями, которым присвоена единая градуировочная характеристика.

Недостатком такого тензопреобразователя является то, что перемычки, разрывом которых осуществляется изменение его чувствительности, расположены в тензорезисторах, т.е. в области поверхности упругого элемента, где деформации, вызванные измеряемой величиной, имеют максимальное значение. При разрыве перемычек неизбежно возникают дефекты (царапины и др.) на поверхности упругого элемента, что снижает надежность тензопреобразователей. Кроме того, погрешность настройки чувствительности тензопреобразователей к заданному значению остается достаточно грубой (около 10% от диапазона изменений выходного сигнала) из-за невозможности размещения в тензорезисторах перемычек, обеспечивающих малое изменение чувствительности (менее 1%).

Прототипом предлагаемого изобретения является полупроводниковый тензопреобразователь, содержащий измерительную мостовую тензосхему, сформированную на сапфировой подложке из гетероэпитаксиальното слоя монокристаллического кремния с концентрацией дырок (3,5...9)·10¹⁹ см^-3, причем тензосхема включает в свои плечи тензочувствительные и подстроечные резисторы с перемычками для настройки разбаланса моста. При определенной (оптимальной) концентрации дырок в кремнии из указанного интервала и питании тензосхемы от генератора тока чувствительность тензопреобразователя сохраняет практически постоянное значение в интервале изменения температуры от -50 до -200°С [3]. Перемычки в подстроечных резисторах обеспечивают возможность настройки начального разбаланса тензосхемы к заданному (обычно нулевому) значению.

Недостатком прототипа является большой разброс значений чувствительности (диапазона изменения выходного сигнала) для различных образцов тензопреобразователей, вызванный разбросом геометрических размеров (прежде всего толщины) их упругих элементов.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности тензопреобразователей с унифицированной градуировочной характеристикой за счет уменьшения разброса значений их чувствительности.

Дополнительной целью является повышение надежности и упрощение процедуры настройки тензопреобразователей.

Поставленная цель достигается тем, что к диагонали питания мостовой тензосхемы подключен дополнительный шунтирующий резистор с перемычками для подстройки его сопротивления, причем шунтирующий резистор сформирован из того же слоя кремния, что и тензосхема.

Кроме того, перемычки, предназначенные для подстройки сопротивления шунтирующего резистора, расположены вне области деформации поверхности сапфировой подложки.

Сопоставительный анализ предлагаемого и известного полупроводниковых тензопреобразователей показывает, что предлагаемое устройство позволяет:

- уменьшить погрешность измерений тензопреобразователей с унифицированной градуировочной характеристикой благодаря подключению к диагонали питания мостовой тензосхемы дополнительного шунтирующего резистора с подстраиваемым сопротивлением;

- упростить процедуру настройки выходного сигнала тензопреобразователей благодаря возможности проведения раздельной настройки их начального сигнала и диапазона изменений выходного сигнала;

- повысить надежность тензопреобразователей благодаря выносу за пределы упругого элемента перемычек, предназначенных для подстройки сопротивление шунтирующего резистора.

Сущность изобретения заключается во введении в измерительную тензосхему, состоящую из четырех тензорезисторов, дополнительного резистора, шунтирующего диагональ питания тензосхемы, позволяющего осуществлять точную настройку входного сопротивления тензосхемы к значению, которое при питании схемы от генератора тока обеспечивает унификацию диапазона изменения выходного сигнала различных образцов тензопреобразователей. При этом, благодаря тому, что шунтирующий резистор изготавливается из того же слоя кремния, что и тензосхема, не нарушается условие самокомпенсации температурной погрешности чувствительности тензопреобразователя, т.е. при питании тензосхемы от генератора тока чувствительность тензопреобразователя сохраняет постоянное значение в широком интервале изменения температуры.

Заявителю не известны технические решения, обладающие в совокупности указанными отличительными существенными признаками, обеспечивающими достижение полученного результата.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена электрическая схема тензопреобразователя, где:

R₁; R₂; R₃; R ₄ - тензорезисторы;

R_1П; R_2П , R_3П; R_4П - подстроечные резисторы в плечах тензосхемы;

R_Ш - шунтирующий резистор;

R_ШП - подстроечный резистор;

1, 2, 3 и 4 - электрические контакты тензосхемы.

На фиг.2 представлен топологический рисунок мостовой тензосхемы и конструкция полупроводникового тензопреобразователя, где:

1, 2, 3, 4 - электрические контакты тензосхемы;

5 - тензорезисторы;

6 - подстроечные резисторы с перемычками для настройки начального сигнала тензосхемы;

7 - шунтирующий резистор;

8 - перемычки дня подстройки сопротивления шунтирующего резистора;

9 - тензосхема;

10 - сапфировая подложка;

11 - металлический корпус.

Принцип настройки чувствительности поясняется анализом математического выражения для диапазона изменения выходного сигнала предлагаемого тензопреобразователя.

При питании постоянным током электрической схемы, представленной на фиг.1, выходное напряжение между контактами 2 и 4 (напряжение разбаланса схемы) определяется выражением:

где i - ток питания;

R_вх - входное сопротивление тензосхемы;

i·R_вх - напряжение питания тензосхемы;

R₁; R ₂; R₃; R₄ - сопротивления тензорезисторов.

В приведенном и последующих аналитических выражениях для упрощения анализа будем считать, что сопротивления подстроечных резисторов R_1П; R_2П; R_3П, R_4П и R_ШП равны нулю.

Входное сопротивление схемы R_вх можно рассчитать с помощью выражения:

При формировании тензосхемы кремниевые тензорезисторы ориентируют и размещают на поверхности упругого элемента (например, круглой мембраны) таким образом, чтобы при воздействии измеряемой механической величины (например, давления) два из них увеличивали свое сопротивление, а два других уменьшали. При этом в процессе работы тензопреобразователя с большой точностью выполняются соотношения:

Подставляя соотношения (2) и (3) в формулу (1), получим следующее для напряжения разбаланса тензосхемы:

Зависимость сопротивлений тензорезисторов от деформации упругого элемента описывается формулами:

где К₁ и К₂ - коэффициенты тензочувствительности тензорезисторов;

- характеристическая деформация поверхности упругого элемента (например, деформация поверхности круглой мембраны вдоль радиуса у внешнего контура мембраны);

R₀₁ и R₀₂ - начальные значения сопротивлений тензорезисторов.

Тензосхема изготавливается таким образом, чтобы в отсутствие измеряемой величины сопротивления тензорезисторов были одинаковы, т.е. выполнялись соотношения:

Для тензорезисторов, сформированных на сапфировой подложке из гетероэпитаксиального слоя кремния с кристаллографической ориентацией по плоскости (100) с высокой точностью, выполняется соотношение:

Подставляя соотношения (5), (6) и (7) в формулу (4), получаем следующее окончательное выражение для выходного сигнала тензосхемы:

Где S= /p - коэффициент пропорциональности между измеряемой величиной p (например, давлением) и характеристической деформацией поверхности .

Экспериментальные исследования показали, что при изготовлении тензопреобразователей наблюдается разброс значении величин R₀, K₁, К₂ и S. Разброс значений указанных величин вызывает разброс значений выходного сигнала U, соответствующих одинаковому значению измеряемой величины p (разброс значений чувствительности тензопреобразователя). При этом, основной вклад в разброс значений чувствительности вносит разброс значений коэффициента S, обусловленный разбросом геометрических размеров (в первую очередь толщины) упругих элементов. Однако, как следует из выражения (7), величина U зависит также и от сопротивления резистора R_Ш. Путем целенаправленного изменения значения R_Ш можно настраивать выходной сигнал (чувствительность) тензопреобразователя.

Таким образом, благодаря подключению к диагонали питания тензосхемы шунтирующего резистора R_Ш появилась возможность подстройки чувствительности тензопреобразователя к заданному значению.

Пример выполнения предлагаемого полупроводникового тензопреобразователя приведен на фиг.2. Тензосхема 9 расположена на поверхности сапфировой подложки 10, которая в свою очередь закреплена жестким припоем на поверхности металлического корпуса 11 тензопреобразователя. Тензосхема сформирована методами фотолитографии из гетероэпитаксиального слоя монокристаллического кремния p-типа проводимости с кристаллографической ориентацией по плоскости (100). Тензорезисторы 5 расположены у контура круглой мембраны и ориентированы вдоль кристаллографического направления [110] кремния. При этом два тензорезистора ориентированы параллельно и два других перпендикулярно радиусу мембраны. При воздействии давления на мембрану такие пары резисторов изменяют свои сопротивления в противоположные стороны (два уменьшают сопротивление, а два других увеличивают). Перемычки 6 в подстроечных резисторах для балансировки тензосхемы и перемычки 8 в шунтирующем резисторе 7 находятся вне области деформации сапфировой подложки 9 (за пределами мембраны). Контактные площадки 1, 2, 3 и 4 обеспечивают подключение тензосхемы к источнику питания и измерительному прибору (например, вольтметру).

Процедура настройки предлагаемого тензопреобразователя осуществляется последовательным выполнением следующих операций:

1) тензосхема подключается с помощью контактов 1 и 3 к генератору тока и с помощью контактов 2 и 4 к вольтметру;

2) при отсутствии измеряемого давления путем разрыва перемычек 6 производится настройка начального сигнала тензосхемы;

3) на мембрану тензопреобразователя подается давление, соответствующее верхнему пределу измерения, и путем разрыва перемычек 8 в шунтирующем резисторе производится настройка к заданному значению диапазона изменения выходного сигнала.

Предлагаемый тензопреобразователь работает следующим образом. Тензочувствительная схема преобразователя запитывается постоянным током 3 мА, а к его выходным контактам подключается вольтметр. При отсутствии измеряемого давления начальный сигнал тензопреобразователя находится в пределах ±1 мВ. При подаче давления на мембрану сопротивление тензорезисторов изменяется и на выходных контактах появляется выходной сигнал. При давлении, соответствующем верхнему пределу измерения, диапазон изменения выходного сигнала составляет (100±1) мВ.

Использование предлагаемого устройства позволяет уменьшить погрешность измерений тензопреобразователей с унифицированной градуировочной характеристикой, повысить их надежность и упростить процедуру настройки.

Источники информации

1. Г.Виглеб, Датчики, М.: Мир, 1989, 196 с.

2. А.с. СССР №691682, кл. G 01 В 7/18, бюл. №38, 1979.

3. А.с. СССР №934257, кл. G 01 L 9/04, бюл. №21, 1982.