Інтегральний перетворювач тиску

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических воздействий (давления, силы и т.д.). Известна конструкция полупроводникового датчика давления [1], содержащая мембрану из кремния, на которой методами интегральной технологии созданы четыре тензорезистора. Для обеспечения линейности нагрузочной характеристики танзорезисторы размещаются на мембране и ориентируются относительно кристаллографических осей таким образом, чтобы при их включении в дифференциальную мостовую схему вы ходной сигнал линейно изменялся при нагружении мембраны. Недостатками этого датчика являются значительный разброс номиналов тензорезисторов, их температурных коэффициентов сопротивления, а также величины тензочувствительности. Высокой также является погрешность, обусловленная нелинейностью нагрузочной характеристики, так как для линеаризации используются тензорезисторы, у которых величины различны (тензорезисторы расположены в различных местах мембраны и имеют разную кристаллографическую ориентацию). Перечисленные выше недостатки приводит к ухудшению метрологических характеристик датчика давления: основной и дополнительной температурных погрешностей нуля, погрешности нелинейности. Уменьшение погрешности нелинейности в датчике давления, который описан в статье [2] достигается использованием тензорезисторов с одинаковыми величинами коэффициентов которые зависят как от зонной структуры полупроводникового материала, так и от кристаллографической ориентации тензорезистора. Этот датчик мы выбираем за прототип. Этот датчик давления содержит упругий элемент в виде круглой, профилированной, кремниевой мембраны, в центре которой расположена жесткая область в виде островка. Мембрана ориентирована в плоскости (110). Островок отделен от оправы мембраны долиной, толщина мембраны в которой меньше, чем ее толщина в области островка. На плоской поверхности мембраны, напротив долины, отделяющей оправу мембраны от островка, сформированы две пары тензорезисторов ориентированных в кристаллографическом направлении . Тензорезисторы включены в дифференциальную мостовую схему. При подаче давления на мембрану одна пара тензорезисторов подвергается деформации близкой к одноосному растяжению, а другая - к сжатию. Поскольку мембрана обладает радиальной симметрией, то ее деформация о местах расположения каждой пары тензорезисторов будет одинакова, но отличаться знаком. В этом случае величини коэффициентов описывающие зависимость сопротивления тензорезисторов от величины механической деформации, будут одинаковы для всех тензорезисторов и при включении их в дифференциальную мостовую схему (вы ходной сигнал мостовой схемы пропорционален разности сопротивлений в плечах моста) погрешность, обусловленная нелинейностью зависимости (1) будет достаточно малой. Однако этому датчику присущи все недостатки интегральных датчиков с чувстви тельным элементом в виде тензорезистивного моста. Большие величины основной и дополнительной погрешностей нулевого сигнала, обусловлены, различием как температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов, так и их величины. Существенный вклад в эти погрешности вносит также неоднородность легирования тензорезисторов и разброс их геометрических параметров. Задача изобретения состоит в повышении точности преобразования механической деформации в электрический сигнал. Задача изобретения решается тем, что в интегральном преобразователе давления, содержащем выполненную за одно целое с оправой профилированную с одной стороны кремниевую мембрану, с жесткой центральной частью в виде островка, а также тензоэлемент, расположенный на плоской стороне мембраны, напротив долины, отделяющей оправу мембраны от островка, согласно изобретению, мембрана ориентирована в кристаллографической плоскости (100) и зеркально симметрична относительно каждой из двух плоскостей семейства (110), проходящих через центр мембраны перпендикулярно ее плоскости, а тензоэлемент выполнен в виде двух идентичных тензорезисторов, примыкающих к проекциям краев долины на плоскую сторону мембраны, при этом, каждый из терморезисторов снабжен двумя токовыми вводами, ориентированными в кристаллографическом направлении (100), и, перпендикулярно вводам, двумя выводами для снятия напряжения, причем один токовый ввод каждого из тензорезисторов соединен с первой клеммой источника питания, вторая клемма которого, через введенные токозадающие резисторы, связана с соответствующими другими токовыми выводами тензорезисторов, выводы для снятия напряжения которых попарно соединены друг с другом. На мембране в пределах долины сформированы два ребра жесткости о виде балок, причем тензоэлемент расположен напротив одной из них, а суммарная толщина мембраны в областях балок больше мембраны толщины мембраны в области долины, но меньше толщины мембраны а области островка. Для сведения к минимуму погрешностей, обусловленных изменением температуры, тензорезисторы должны располагаться на мембране таким образом, чтобы они имели симметричные условия теплоотвода как на массивные части кристалла, так и во внешнюю среду. Это снижает градиент температуры на мембране в области расположения тензорезисторов и уменьшает погрешность нуля. Применительно к заявляемому объекту минимизация погрешности достигается тем, что с источником питающего напряжения соединяется непосредственно пара вводов тензорезисторов, равноудаленных от плоскости семейства (110), проходящей через середину долины перпендикулярно плоскости мембраны, причем сигнал снимается с соединенных попарно выводов, лежащих на различных расстояниях от указанной плоскости. На фиг.1 показана мембрана преобразователя давления. Мембрана имеет оправу 1 и жесткую центральную часть в виде островка 3. Долина 2 отделяет оправу 1 мембраны от островка 3. Плоская часть мембраны лежит в кристаллографической плоскости семейства (100). На плоской стороне мембраны расположены тензорезисторы 4. На фиг.2 показана мембрана с ребрами жесткости 5, расположенными зеркально симметрично относительно каждой из плоскостей семейства (110), проходящих через центр мембраны перпендикулярно ее плоскости. На фиг.3 показана схема включения тензорезисторов. Питание схемы осуществляется источником напряжения величиной С помощью сопротивлений и устанавливается величина выходного сигнала в отсутствие нагрузки на мембране (баланс схемы). Работает интегральный преобразователь следующим образом. При подаче напряжения питания на токовые вводы (6, 7, 6', 7') тензорезисторов между вводами будет протекать ток, В отсутствие нагрузки на мембране ее проводимость в области расположения тензорезисторов будет изотропной и электрическое напряжение на выводах (8, 9, 8', 9') буде т отсутствовать. При нагружении мембраны ее проводимость станет анизотропной и на выводах (8, 9, 8', 9') появится разность потенциалов, причем один из тензорезисторов будет подвержен деформации близкой к одноосному сжатию, а другой - растяжению, т.е. знак деформации будет различен для каждого из них. При включении тензорезисторов по схеме, представленной на фиг.3, выходной сигнал преобразователя не будет зависеть от однородной деформации в области расположения тензотранзисторов, так как она изменит выходной сигнал на выводах каждого тензорезистора в одинаковой мере, а результирующий сигнал, равный разности напряжений на выводах (8, 9, 8', 9'), не изменяется. Таким образом, главными техническими преимуществами заявляемого объекта являются высокая линейность нагрузочной характеристики, малый уход нулевого сигнала с изменением температуры, малая чувствительность к деформациям мембраны, возникающей при корпусировании. Перечисленные выше преимущества позволяют повысить точность измерения преобразователя.