ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА МДП-ТРАНЗИСТОРЕ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в приборах для измерения давления.
Известен электрокинетический преобразователь (см. А.с. №1295462 SU, 1987), состоящий из изоляционного корпуса, выполненного из герметизированных с двух торцов плоскопараллельных подложек, между которыми размещены полупроводниковые пластины одного типа проводимости, а электроды установлены на внутренней поверхности нижней подложки, при этом на боковых поверхностях полупроводниковых платин размещены управляющие электроды, один из которых имеет разрыв в зоне щелевого канала.
Недостатком этого преобразователя является невысокая надежность конструкции и точность измерения, вызванная тем, что необходимо поддерживать постоянными величину тока, протекающего через полупроводниковые пластины, и величину расхода жидкости через капиллярный щелевой зазор.
Известен электрокинетический преобразователь (см. А.с. №519603 SU, 1976), содержащий электрохимический диффузионный датчик, соединенный с источником питании и дифференциальным измерительным усилителем с отрицательной обратной связью, блок индикации, блок составного эмиттерного повторителя, на вход которого подключен один из
катодов датчика, а на выход через предварительно включенный параметрический стабилизатор напряжения - оба его анода, причем первый каскад повторителя выполнен на транзисторе с n-p-n структурой и его эмиттер подключен к источнику питания через переменный резистор, а блок отрицательной обратной связи выполнен в виде температурно-зависимого двухполюсника, имеющего тепловой контакт с датчиком.
Недостатком данного преобразователя является невысокая надежность устройства, обусловленная большим количеством элементной базы.
Наиболее близким устройством, принятым за прототип, является полупроводниковый датчик давления (см. А.с. №1039414 SU, 1983), содержащий полупроводниковую подложку первого типа проводимости (например, кремниевая, n-типа) со сформированными в ней диффузными областями p-типа: истока и стока, электроды истока и стока, к которым через нагрузочный резистор подключается источник напряжения истока и стока, канал, слой подзатворного диэлектрика, тензорезистивный слой, электрод затвора, состоящий из двух частей, между подложкой и одной частью которого прикладывается напряжение смещения, а обе части - через балластный резистор подключены к источнику напряжения. В подобном датчике при приложении растягивающего осевого усилия к кристаллу полупроводника происходит смещение зон, что приводит к изменению подвижности носителей в канале полевого транзистора и, следовательно, к изменению тока стока. Дополнительное изменение тока стока происходит в результате введения тензорезистивного слоя, так как при действии приложенной силы происходит изменение его сопротивления, приводящее к изменению распределения потенциала на электроде затвора.
Недостатком данного полупроводникового датчика давления является невозможность измерения в области малых давлений и небольшой выходной ток датчика.
Техническая задача: расширение диапазона измерения механического давления и усиление выходного электрического сигнала.
1
2
3
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом электрокинетическом датчике давления на МДП-транзисторе имеющийся в полупроводниковой подложке между областями стока и истока канал выполнен в виде плоского капилляра, который заполнен рабочей жидкостью и снабжен двумя металлическими мелкопористыми сетками, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками, смежные торцы канала закрыты упругими мембранами, между слоем подзатворного диэлектрика и электродом затвора отсутствует тензорезистивный слой. К электродам истока и стока через нагрузочный резистор подключен источник напряжения U. Между подложкой и одной частью электрода затвора приложено напряжение смещения U, равное напряжению отсечки, а обе части электрода затвора - через балластный резистор подключены к источнику напряжения U. Выполнение канала МДП-транзистора в виде электрокинетической ячейки, состоящей из плоского капилляра с упругими мембранами на смежных торцах канала, заполненного рабочей жидкостью и снабженного двумя металлическими мелкопористыми сетками, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками, позволяет измерять механическое давление в диапазоне от 0,1 до 1 МПа, так как широкий диапазон измерения давления является одной из важных характеристик, присущих данному типу электрокинетических устройств. Исключение тензорезистивного слоя из конструкции устройства обусловлено возможностью измерения в широком диапазоне механического давления, что достигается путем введения упругих мембран на смежных торцах канала, на которые подается механическое давление. При работе электрокинетического датчика давления на МДП-транзисторе внешнее механическое давление, воздействующее на упругие мембраны, передается через рабочую жидкость на металлические мелкопористые сетки, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками. В результате между токосъемными электродами канала за счет электрокинетического эффекта
появляется разность потенциалов, пропорциональная приложенному давлению. Изменение тока канала снимается с нагрузочного резистора в виде выходного напряжения. Дополнительное усиление электрического сигнала устройства достигается введением металлических мелкопористых сеток, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками, прохождение жидкости между которыми приводит к изменению распределения потенциала на электроде затвора МДП-транзистора, и, следовательно, к изменению тока стока. Так как механическое давление прикладывается одновременно к упругим мембранам канала и к МДП-транзистору, то в нем происходит смещение зон и изменение подвижности носителей и, в конечном счете, изменение тока стока. Напряжение на затворе является суммой двух составляющих: постоянного напряжения МДП-транзистора и разности потенциалов, появляющейся за счет электрокинетического эффекта. На выходе получается усиленный электрический сигнал между истоком и стоком, величина которого определяется напряжением на затворе. В результате, изменение механического давления на входе ведет к изменению выходного напряжения на выходе, которое может быть зарегистрировано, если дополнительно подключить измерительное устройство.
На фиг.1 представлена конструктивная схема электрокинетического датчика давления на МДП-транзисторе, на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг.1.
Электрокинетический датчик давления на МДП-транзисторе содержит полупроводниковую подложку 1 первого типа проводимости (например, кремниевая, n-типа) со сформированными в ней диффузными областями p-типа: истока 2 и стока 3, электроды 4 и 5 истока и стока, слой подзатворного диэлектрика 6, электрод затвора, состоящий из двух частей 7 и 8, расположенных на сторонах канала 9 по его ширине, каждая из которых имеет электрический вывод, канал 9, выполненный в виде плоского капилляра. К электродам 4 и 5 истока и стока через нагрузочный резистор 10
1
2
3
подключается источник напряжения U. Между подложкой 1 и частью 7 электрода затвора прикладывается напряжение смещения U, равное напряжению отсечки, а части 7 и 8 - через балластный резистор 11 подключены к источнику напряжения U. Смежные торцы канала 9 закрыты упругими мембранами 12 и 13, внутри канала 9 находятся две металлические мелкопористые сетки 14 и 15, одновременно являющиеся токосъемными электродами и пористыми перегородками, и рабочая жидкость 16. Выполнение канала 9 МДП-транзистора в виде электрокинетической ячейки, состоящей из плоского капилляра с упругими мембранами 12 и 13 на смежных торцах, заполненного рабочей жидкостью 16 и снабженного двумя металлическими мелкопористыми сетками 14 и 15, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками, позволяет измерять механическое давление в диапазоне от 0,1 до 1 МПа, так как широкий диапазон измерения давления является одной из важных характеристик, присущих данному типу электрокинетических устройств.
Предложенный электрокинетический датчик давления на МДП-транзисторе работает следующим образом.
Внешнее механическое давление, воздействующее на упругие мембраны 12 и 13, передается через рабочую жидкость 16 на металлические мелкопористые сетки 14 и 15, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками. В результате между токосъемными электродами 14 и 15 за счет электрокинетического эффекта появляется разность потенциалов, пропорциональная приложенному давлению. Изменение тока канала 9 снимается с нагрузочного резистора 10 в виде выходного напряжения. Дополнительное усиление электрического сигнала устройства достигается введением металлических мелкопористых сеток 14 и 15, одновременно являющимися токосъемными электродами и пористыми перегородками, прохождение рабочей жидкости 16 между которыми приводит к изменению распределения потенциала на электроде затвора МДП-транзистора 7 и 8, и, следовательно, к изменению тока стока.
Так как механическое давление прикладывается одновременно к упругим мембранам 12 и 13 канала 9 и к МДП-транзистору, то в нем происходит смещение зон и изменение подвижности носителей и, в конечном счете, изменение тока стока. Напряжение на затворе является суммой двух составляющих: постоянного напряжения МДП-транзистора и разности потенциалов, появляющейся за счет электрокинетического эффекта. На выходе получается усиленный электрический сигнал между истоком и стоком, величина которого определяется напряжением на затворе. В результате, изменение механического давления на входе ведет к изменению выходного напряжения на выходе, которое может быть зарегистрировано, если дополнительно подключить измерительное устройство.
Таким образом, предлагаемый электрокинетический датчик давления на МДП-транзисторе позволяет расширить диапазон измерения механического давления и усилить выходной электрический сигнал.