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 также тензорезисторы, имеющие подложку, тензочувствительную полоску из моносульфида самария, контактные площадки и разделительную диэлектрическую пленку (патенты: WO 99/24804, G01L 1/22, 25/00, 27/00, опубл. 15.12.1994 и RU 2367062, H01L 29/84, опубл. 10.09.2009). В данных технических решениях подложка выполнена из металла или органического материала, например стекла, и служит упругим элементом. Недостатком данных тензорезисторов является ограниченная область применения т.к. они могут использоваться только в интегральных схемах на упругих элементах датчиков механических величин и не могут быть использованы в прочностных испытаниях для измерения деформации, хотя имеют большую тензочувствительность за счет использования тензочувствительного элемента из моносульфида самария.
Указанные решения рассматриваются в качестве аналогов только потому, что в них, в качестве чувствительного элемента, используется поликристаллическая пленка моносульфида самария. На самом деле эта пленка выполнена интегрально с упругим элементом (в описании аналогов он неверно называется подложкой), то есть является с ним единым целым и не может использоваться самостоятельно в качестве наклеиваемого тензорезистора. Указанная пленка не имеет подложку в соответствии с ГОСТ 20420-75 «ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ. Термины и определения», а может конденсироваться на разделительную диэлектрическую пленку, если упругий элемент металлический, или непосредственно на упругий элемент, если он является диэлектриком.
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.
Наиболее близким техническим решением является взятый в качестве прототипа 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 решении, взятом за прототип, тензочувствительная пленка выполнена из висмута и имеет низкую тензочувствительность.
Недостатком прототипа является его низкая тензочувствительность и наличие поперечной чувствительности.
Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в увеличении осевой чувствительности к деформации и уменьшении поперечной чувствительности.
Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Для достижения указанного технического результата предлагаемый наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор, в отличие от наиболее близкого к нему известного, снабжен носителем из металлической фольги, выполненным в виде нити с широкими площадками на ее концах (в форме гантели), и разделительной диэлектрической пленкой, сформированной на носителе и повторяющей его форму, при этом тензочувствительная пленка представляет собой поликристаллический моносульфид самария, сформирована на диэлектрической пленке и также повторяет форму носителя. Металлические контакты сформированы на широких площадках тензочувствительной пленки и соединены с концами ее нити, а полимерная подложка сформирована на обратной стороне носителя. Ширина нити находится в пределах 50÷200 мкм, полимерный материал подложки представляет собой, например, лак ВЛ-931 толщиной 20÷30 мкм, а носитель может быть выполнен из константановой фольги толщиной 3÷10 мкм. Диэлектрическая разделительная пленка, выполненная, например, из моноокиси кремния SiO толщиной 1÷3 мкм, отделяет от проводящего материала (носителя) часть измерительной схемы - тензочувствительную пленку с контактными площадками.
Все указанные размерные интервалы определены опытным путем. Выход за их границы или ухудшает метрологические характеристики, или усложняет технологический процесс.
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 пленками из моносульфида самария в форме гантели, т.е. в виде двух площадок, соединенных нитью шириной в пределах 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 тонкой нити (узкая часть гантели), которая, в зависимости от размеров, подвергается минимально или совсем не подвергается поперечной деформации.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
- на фиг.1 - общий вид тензорезистора;
- на фиг.2 - продольный разрез А-А;
- на фиг.3 - продольный разрез Б-Б;
- на фиг.4 - поперечный разрез В-В;
- на фиг.5 - наклеенный на деталь тензорезистор в недеформированом состоянии;
- на фиг.6 - наклеенный на деталь тензорезистор в деформированом состоянии.
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 диэлектрической пленке 3 тензочувствительную пленку 4 из моносульфида самария (SmS) толщиной 0,5÷1 мкм. Носитель 2 после литографических операций представляет собой две площадки, соединенные нитью шириной 50÷200 мкм (форма гантели). Осажденные на носитель 2 в вакууме последовательно диэлектрическая 3 и тензочувствительная 4 пленки также повторяют его форму. Металлические контакты 5 выполнены, например, из никеля толщиной 1-2 мкм и расположены на концах нити тензочувствительной пленки 4, на ее широких площадках. Полимерная подложка 1 сформирована на обратной стороне носителя 2.
Применение тонкой фольги в качестве носителя объясняется тем, что испарение и конденсация пленки моносульфида самария происходит при высоких температурах. Так, температура испарителя 2600°÷3000°С. Осаждение диэлектрической 3, тензочувствительной 4 и металлической (контакты 5) пленок на носитель 2 осуществляют при температуре (350÷400°С), которую не выдержит ни одно полимерное связующее, а испарения из полимера при нагревании не позволяют достичь высокого вакуума, поэтому полимерная подложка 1 оформляется с другой стороны носителя 2 после конденсации пленок 3, 4, 5.
Другое преимущество тонкой металлической фольги в качестве носителя 2 - возможность, как указывалось выше, применения литографических процессов для получения нужной топологии и, в частности, возможность формирования тонких нитей, которые, в зависимости от размеров, подвергаются минимально или не подвергаются совсем поперечной деформации, что позволяет получать тензорезисторы без поперечной чувствительности для прочностных испытаний.
Тензорезистор работает следующим образом. По соответствующей технологии он наклеивается на поверхность исследуемой детали 6 (фиг.5). При механических силовых воздействиях деталь деформируется (растягивается или сжимается), при этом растягивается или сжимается и наклеенный на деталь 6 тензорезистор (фиг.6) 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=KΔL/L,
где K - коэффициент тензочувствительности;
ΔL/L - относительная деформация;
ΔR/R - относительное изменение сопротивления.
Измерение величины относительного изменения сопротивления производится с помощью тензоусилителей (не показаны).
Таким образом, конструкция предложенного тензорезистора позволила соединить достоинства тензорезисторов, указанных в качестве аналогов и прототипа, совместив полимерную подложку с тензочувствительной пленкой из моносульфида самария, используя в качестве термостойкого носителя тонкую металлическую фольгу, которая также дала возможность получить вышеуказанную топологию, сократив поперечную чувствительность, практически, до нуля при высокой тензочувствительности моносульфида самария. Данный тензорезистор может быть использован 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.).