НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР
BOUNDED SEMICONDUCTOR STRAIN GAUGE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и 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 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 p-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. Кроме того, недостатком данной конструкции является невозможность подгонки (подстройки) ее параметров под конкретные условия измерительного эксперимента.
Наиболее близким техническим решением является взятый в качестве прототипа наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и металлические контакты, расположенные на противоположных концах тензочувствительной пленки (Д.Т.Анкудинов, К.Н.Мамаев. «Малобазные тензодатчики сопротивления», «Машиностроение», 1968, стр.47-50). В решении, взятом за прототип, тензочувствительная пленка в виде двух полосок выполнена из висмута и имеет низкую тензочувствительность, а полоски из тензочувствительной пленки соединены последовательно, что приводит к невозможности изменения сопротивления и получения нужного сопротивления.
Недостатком прототипа является его низкая тензочувствительность, наличие поперечной чувствительности и невозможность изменения сопротивления для получения нужных параметров.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении осевой чувствительности к деформации, уменьшение поперечной чувствительности и обеспечение возможности уменьшить электрическое сопротивление тензорезистора за счет параллельного соединения тензорезисторов, располагающихся на нитях, то есть суммарное сопротивление будет в n раз меньше и изменять его после наклейки путем обрыва нитей.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Данный технический результат достигается тем, что тензорезистор, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и металлические контакты, расположенные на противоположных концах тензочувствительной пленки, снабжен носителем из металлической фольги, выполненным в виде двух площадок, соединенных нитями шириной 50÷200 мкм каждая. Кроме того, тензорезистор снабжен разделительной диэлектрической пленкой, сформированной на носителе и повторяющей его форму, при этом тензочувствительная пленка является поликристаллическим моносульфидом самария, сформирована на диэлектрической пленке и также повторяет форму носителя. Металлические контакты сформированы на площадках и частично на нитях тензочувствительной пленки, шунтируя ее, при этом незашунтированные части нитей тензочувствительной пленки электрически соединены между собой параллельно. Полимерная подложка закреплена на обратной стороне носителя. Кроме того, длина полосок металлических контактов, расположенных на нитях из моносульфида самария, может быть одинакова или различна и от одной к другой изменяется по нелинейному закону. Также возможно выполнение, когда длина полосок металлических контактов, расположенных на нитях из моносульфида самария, различна и от одной к другой изменяется по линейному закону.
Таким образом, в предлагаемом тензорезисторе за счет использования носителя из термостойкого материала в виде тонкой металлической фольги (константан) стало возможным применить на полимерной подложке в качестве тензочувствительной пленки моносульфид самария и, соответственно, повысить чувствительность тензорезистора к деформациям.
Выполнение носителя с осажденными на нем диэлектрической и тензочувствительной пленкой из моносульфида самария в форме решетки, образованной двумя площадками, соединенными нитями, каждая из которых шириной 50÷200 мкм, позволяет получить тензорезистор практически без поперечной чувствительности, для прочностных испытаний. Данный результат также обеспечивается за счет использования носителя из тонкой металлической фольги, дающей возможность применения литографических процессов для получения нужной топологии: формирование тонких нитей, которые подвергаются минимально или совсем не подвергаются поперечной деформации. Выполнение рабочей части тензорезистора (поликристаллические пленки) в виде тонких нитей позволяет снизить поперечную тензочувствительность, которая зависит от толщины, которая находится в пределах 3÷10 мкм и ширины нитей (50÷200 мкм), а также от толщины и жесткости полимерной подложки.
Удельное сопротивление моносульфида самария высокое, и для того, чтобы снизить результирующее сопротивление тензорезистора, нити из моносульфида самария, являясь, собственно, резисторами, включены параллельно, что снижает токовую нагрузку на отдельный резистор, уменьшая при этом рассеиваемую мощность и, следовательно, температуру самопрогрева. Кроме того, обрывая нити уже наклеенного тензорезистора, можно изменять его сопротивление.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - общий вид тензорезистора с шестью рабочими нитями;
- на фиг.2 - продольный разрез А-А; проходящий по нити,
- на фиг.3 - продольный разрез Б-Б, проходящий между нитями,
- на фиг.4 - поперечный разрез В-В;
- на фиг.5 - носитель с разделительной и тензочувствительной пленками в плане без нанесенных контактов;
- на фиг.6 - общий вид тензорезистора, у которого длина нитей металлических контактов изменяется по линейному закону;
- на фиг.7 - общий вид тензорезистора, у которого длина нитей металлических контактов изменяется по нелинейному закону;
- на фиг.8 - эквивалентная электрическая схема шестинитевого тензорезистора.
Предлагаемый тензорезистор содержит полимерную подложку 1, выполненную, например, из лака ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм, носитель 2, выполненный из тонкой (3÷10 мкм) металлической (например, константан) фольги, сформированную на носителе 2 диэлектрическую разделительную пленку 3 (например, моноокись кремния SiO) толщиной (1÷3 мкм) и выполненную на пленке 3 тензочувствительную пленку 4 из моносульфида самария (SmS) толщиной 0,5÷1 мкм. Носитель 2 после литографических операций представляет собой две площадки 5, соединенные нитями 6 шириной 50÷200 мкм каждая (форма решетки) (фиг.5). Осажденные на носитель 2 в вакууме последовательно диэлектрическая 3 и тензочувствительная 4 пленки также повторяют его форму (площадки 5, соединенные нитями 6) (фиг.5). Металлические контакты 7 выполнены, например, из никеля толщиной 1-2 мкм и сформированы частично на площадках 5, выполняя, собственно, роль электрических контактов, и частично на нитях 6 тензочувствительной пленки 4, выполняя роль шунтов, т.е. шунтируя ее, при этом незашунтированные части нитей 6 тензочувствительной пленки 4, являясь, собственно, резисторами, электрически соединены между собой параллельно. Таким образом, величина незашунтированной части тензочувствительной пленки 4 (черный цвет) на нитях 6 или одинакова (фиг.1) или различна (фиг.6 и 7), а следовательно, различно и сопротивление. Российский ГОСТ определяет следующий ряд сопротивлений тезорезисторов: 100, 200, 400 и 800 Ом; Западный стандарт 120 и 350 Ом. Понятно, что, используя тензорезистор с шестью нитями, можно охватить все стандарты. Полимерная подложка 1 сформирована на обратной стороне носителя 2.
Все указанные размеры определены опытным путем. Выход за их пределы или ухудшает метрологические характеристики или усложняет технологический процесс.
Применение тонкой фольги в качестве носителя 2 объясняется тем, что испарение и конденсация пленки 4 моносульфида самария происходит при высоких температурах. Так, температура испарителя равна 2600÷3000°C. Осаждение диэлектрической 3, тензочувствительной 4 пленок и металла контактов 7 на носитель 2 осуществляют при температуре последнего в 350÷400°С, т.е. ее не выдержит ни одно полимерное связующее, а испарения из полимера при нагревании не позволяют достичь высокого вакуума, поэтому полимерную подложку 1 формируют с другой стороны носителя 2 после конденсации пленок 3, 4 и металла контактов 7.
Другое преимущество тонкой металлической фольги в качестве носителя 2 - возможность применения литографических процессов для получения нужной топологии и, в частности, возможность формирования тонких нитей 6, которые, в зависимости от размеров, подвергаются минимально, или не подвергаются совсем, поперечной деформации, что позволяет получать тензорезисторы без поперечной чувствительности для прочностных испытаний. Форма носителя 2 и пленок 3 и 4 до нанесения контактов 7 и формирования на нем подложки 1 показана на фиг.5, при этом пленки 3 и 4 имеют, соответственно, такую же форму и размеры.
В зависимости от режимов испарения и осаждения, получают пленки моносульфида самария с различными метрологическими характеристиками. Величины сопротивления (r), тензочувствительности (K) и температурного коэффициента сопротивления (α) коррелируются между собой, причем увеличение одной величины приводит к увеличению двух других. Из этого следует, что при получении тензорезисторов с большой чувствительностью (80÷100) они имеют также большое сопротивление (r) (100÷200 кОм). Используя тензорезисторы с N количеством нитей, можно, при прочих равных условиях, уменьшить сопротивление в N раз: R=r/N.
Кроме того, обрывая нити уже наклеенного тензорезистора, можно изменять его сопротивление.
На фиг.6 изображен полупроводниковый тензорезистор, в котором участки 8 контактов 7 на нитях 6 поликристаллической пленки 4 имеют различную длину, которая изменяется по линейному закону от нити к нити, а следовательно, имеют различную длину и незашунтированные участки поликристаллической пленки 4 (черный цвет), которая также изменяется по линейному закону от нити к нити.
Тогда обрыв какой-либо из нитей 6 приведет к скачкообразному изменению сопротивления уже наклеенного тензорезистора. Описанная возможность очень удобна для балансировки тензомостов в датчиках механических величин, так как при наклеивании тензорезисторы всегда изменяют сопротивление. Величина скачка зависит так же от количества нитей.
Нелинейный закон, по которому изменяются длины участков 8 контактов 7 и соответственно незашунтированные участки нитей 6 пленки 4 (резисторы), осуществлен в тензорезисторе, представленном на фиг.7. Для этого случая наибольший практический интерес представляет вариант, когда при последовательном обрыве нитей 6 (r) скачок сопротивления имеет одну и ту же величину.
Суммарное сопротивление (R) для случая, когда сопротивления на нитях 6 равны, а количество нитей 6 - шесть (фиг.1), определяется по формуле: R=r/6, а в случае с различным сопротивлением нитей 6 (фиг.6 и 7) суммарное сопротивление определяется по формулам параллельного соединения резисторов.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет получить технический результат, заключающийся в увеличении осевой чувствительности к деформации, уменьшении поперечной чувствительности и обеспечении возможности уменьшить электрическое сопротивление тензорезистора и изменять его после наклейки.