ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления жидкостей и газов.
j
Известен тензопреобразователь давления мембранного типа с мембраной, имеющей два концентратора механического напряжения (деформации) [1]. Все тензорезисторы расположены поперек оси симметрии мембраны (поперечные тензорезисторы): два между ее краем и концентратором механического напряжения (1 и 3 тензорезисторы) и два в центре мембраны между двумя концентраторами механического напряжения (2 и 4 тензорезисторы). Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление R тензорезистора j зависит от деформации (ε) поверхности мембраны в месте расположения резистора
j
j
R=R(ε).
Деформация ε пропорциональна приложенному давлению Р
ε=А·Р,
где А - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.
Сопротивление j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как:
j
t
j
R=R(1+Kε), j=1, 2, 3, 4,
t
где K - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора.
В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде:
пит.
где U - напряжение питания моста,
1
2
3
4
ε, ε, ε, ε - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов кремния р-типа равны:
t
Si
44
K=-(1+v)m,
Si
где v - коэффициент Пуассона кремния,
44
m - коэффициент эластосопротивления кремния р-типа.
1
3
2
4
Тензорезисторы расположены так, что ε=ε, ε=ε и имеют разные знаки. Тогда формула (1), без учета знаков деформаций тензорезисторов, может быть записана в виде:
вых
пит
t
1
2
U=UK(ε-ε)/2.
Наличие концентраторов механических напряжений на мембране позволяет увеличить деформацию в местах расположения поперечных тензорезисторов из кремния р-типа по сравнению с плоской мембраной и соответственно увеличить выходной сигнал мостовой схемы до 50% без увеличения нелинейности выходного сигнала мостовой схемы [1].
Недостатками рассмотренной конструкции тензопреобразователя давления является то, что в этой конструкции используются только поперечные тензорезисторы. Поэтому данная конструкция возможна исключительно при использовании тех материалов, у которых коэффициент тензочувствительности поперечных тензорезисторов близок по абсолютной величине к коэффициенту тензочувствительности продольных тензорезисторов, как, например, в кремнии р-типа проводимости в плоскости (100), где коэффициенты тензочувствительности поперечных и продольных тензорезисторов близки по абсолютной величине, а также указанная конструкция не допускает миниатюрное исполнение с продольными тензорезисторами.
Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и
содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси.
L
Механические напряжения в плоской квадратной мембране имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (T) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (Г?) и связаны с деформациями следующими соотношениями:
L
11
L
12
t
t
12
L
11
t
ε=S·T+S·T, ε=S·T+S·T,
11
12
где S и S - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.
L
t
t
Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T≫Т и ε≈0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:
пит.
где U - напряжение питания мостовой схемы.
L
K - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,
t
K - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,
L1
L2
L3
L4
ε, ε, ε, ε - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Деформации, действующие на тензорезисторы, можно представить в виде суммы двух слагаемых, первое из которых пропорционально давлению, действующему на мембрану.
Тогда выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:
где первая квадратная скобка описывает линейную, а вторая квадратная скобка нелинейную часть выходного сигнала.
*
вых
Вычитая из (2) линейную часть выходного сигнала и деля ее на U , при номинальном давлении, получим нелинейность выходного сигнала
-4
пит
Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что в квадратной мембране нелинейность деформации на краю мембраны, где расположены продольные и поперечные резисторы, имеет один знак, а так как продольный и поперечный коэффициенты тензочувствительности имеют противоположные знаки, то, как видно из (3), нелинейности деформации складываются. В результате, для того чтобы нелинейность выходного сигнала тензопреобразователя не превышала 1%, номинальному давлению соответствует деформация на краю мембраны меньше 5·10. Поэтому при U=5 В выходной сигнал тензопреобразователя не превышает 30 мВ.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейности выходного сигнала тензопреобразователя давления при увеличении его выходного сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления мембранного типа с продольными и поперечными тензорезисторами, расположенными у края жестко защемленной мембраны около осей симметрии, мембрана выполнена прямоугольной.
2
На ФИГ.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления. На ФИГ.2 - зависимости деформаций от безразмерной координаты у/а в прямоугольной мембране с размером 2а×2b=2000×3000 мкм, толщиной
y
2
40 мкм при давлении 1 атм. На ФИГ.3 - зависимость нелинейности деформации NLε от безразмерной координаты у/а в прямоугольной мембране с размером 2а×2b=2000×3000 мкм, толщиной 40 мкм при давлении 1 атм. Деформации и нелинейности деформации мембраны рассчитаны по методике, предложенной в [3].
Тензопреобразователь давления (ФИГ.1) содержит: 1 - мембрану, 2 - поперечные тензорезисторы, расположенные на мембране 1, 3 - продольные тензорезисторы, расположенные на мембране 1, 4 - алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 2, 3, 5 - контактные окна к тензорезисторам.
Прямоугольная жестко защемленная мембрана 1 (см. ФИГ.1) расположена в средней части тензопреобразователя давления. На поверхности мембраны 1 (см. ФИГ.1) сформированы поперечные 2 и продольные 3 тензорезисторы. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки 5.
Устройство работает следующим образом: при действии давления на тензопреобразователь давления происходит деформация мембраны 1, которая передается поперечным 2 и продольным 3 тензорезисторам. Продольные 3 и поперечные 2 тензорезисторы расположены у краев мембраны около ее длинных сторон около оси симметрии, параллельной короткой стороне мембраны, и имеют координаты: продольные 3 от  до  , а поперечные 2 от  до .
L
t
В случае, если отношения сторон мембраны удовлетворяют соотношению 1.4<b/a<1.6, то средние нелинейности (см. ФИГ.3) поперечных тензорезисторов 2 - положительные, а продольных тензорезисторов 3 - отрицательные. В результате, так как K и K имеют разные знаки, то, как видно из формулы (3), нелинейности, в отличие от квадратной мембраны, вычитаются. Средние деформации (см. ФИГ.2) продольных тензорезисторов при номинальном давлении 1 атм. равны
-3
-3
2
пит
0.54·10, а не 0.33·10, как в квадратной мембране с размером 2a×2а=2000×2000 мкм и толщиной 40 мкм. В результате выходной сигнал тензопреобразователя при U=5 B больше 50 мВ при нелинейности около 0.3%, а не 30 мВ при нелинейности около 1% как в квадратной мембране.
Таким образом, по сравнению с прототипом, нелинейность выходного сигнала в 3 раза меньше при большем в 1.6 раза выходном сигнале тензопреобразователя.
Литература.
1. L.В.Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.17, No.1, 83-87.
2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.
3. В.А.Гридчин, В.М.Любимский, А.В.Шапорин. Нелинейность прямоугольных диафрагм. Микроэлектроника. 2003. Т.32. с.294-394.