Датчик тиску

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. Цель изобретения увеличение чувствительности и упрощение конструкции датчика давления, содержащего измерительный мост с двумя тензочувствительными полупроводниковыми элементами, сформированными в общей мембране Для этоготензоэлементы 3-6 выполнены в виде двух горизонтальных биполярных транзисторов с общей эмиттерной областью, а области двух коллекторов расположены во взаимно перпендикулярных направлениях относительно эмиттера. В качестве базы используется сама мембрана. Использование тензотраизисторов позволяет увеличить чувствительность датчика, а общие эмиттер и база позволяет уменьшить размеры датчика и упростить его конструкцию. 2 ил. Изобретение относится к области тензометрии и может быть использовано в устройствах измерения давления и автоматике. Известны датчики давления, содержащие измерительный мост из двух тензочувствительных элементов (обычно тензорезисторов) и двух нагрузочных резисторов, в диагональ которого включен вольтметр [1]. При деформации тензочувствительных элементов их сопротивление изменяется в противоположных направлениях, что приводит к разбалансу моста, выходной сигнал регистрируется вольтметром, напряжение на котором растет с увеличением деформации, Из указанных аналогов в качестве прототипа может быть взят датчик содержащий круглую мембрану, выполненную из монокристалла кремния одного типа проводимости, на которой сформированы первый и второй полупроводниковые тензочувстви тельные элементы другого типа проводимости, снабженные омическими контактами [2] Недостатком датчика является его низкая тензочувствительность Цель изобретения - увеличение чувствительности датчика Цель достигается тем, что первый и второй тензочувствительные элементы выполнены в виде горизонтальных биполярных транзисторов с общим эмиттером, с общей базой и с первым и вторым коллекторами, при этом проводящий промежуток первый коллектор - общий эмиттер ориентирован параллельно радиусу мембраны, проводящий промежуток второй коллектор - общий эмиттер - перпендикулярно радиусу мембраны а омический контакт базы размещен на одинаковом расстоянии от первого и второго коллекторов. 12-92 с ю со 00 VI 00 1723878 Увеличение чувствительности осуществляется использованием усилительных свойств транзисторов. При деформации пластины полупроводника, являющейся базой, изменяется сопротивление базы rg кажд о г о т р а н з и с т о р а из-за о б ы ч н о г о тензорезистивного эффекта. Ток Іб базы каждого транзистора может быть определен из выражения 1 = E/(R6 + гб), б (1) где Е - напряжение источника питания; Кб - сопротивление резистора, включенного в цепь базы. Выходной ток 1к коллектора каждого транзистора определяется из выражения !к = п21э[б=П21эЕ/(Кб + Гб), (2) где ti2i э ~ коэффициент передачи тока транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером. Как видно из выражения (2), изменение 1 из-за обычного тензорезистивного эффекб та усиливается в h2i 5 раз. На фиг. 1 дана структурная схема датчика давления на фиг. 2 - электрическая схема. В нижней части дискообразной пластины полупроводника 1 сделана конусообразная выемка, а в оставшейся тонкой мембране 2 сформированы элементы двух транзисторов: общий эмиттер 3, омический контакт к базе (мембране) 4, коллекторы 5 и 6. Кроме того, датчик содержит двухколлекторный транзистор 7, резистор 8, задающий ток базы, нагрузочные резисторы 9 и 10 в цепях коллекторов, вольтметр 11. Датчик давления работает следующим образом. При отсутствии деформации мембраны 2 сопротивления базы первого транзистора re, (между э м и т т е р о м 3 и коллектором 5) и второго гб 2 (между 3 и 6) равны, а следовательно равны токи коллекторов 5 и 6. Падения напряжений на нагрузочных резисторах 9 и 10 одинаковы, и напряжение на вольтметре 11 равно нулю. При изгибе мембраны 2 (вверх или вниз) изменяются сопротивления ге, и гб г причем кристаллографическая ориентация мембраны 2 выбрана так, что знаки изменений противоположны, например гб, растет, а гьг уменьшается. Это приводит к росту тока через коллектор 5 первого транзистора и уменьшению тока через коллектор 6 второго. Следовательно, напряжение на резисторе 9 растет, а на резисторе Юуменьшается. Поэтому происходит разбаланс моста и на 5 Ю 15 20 25 30 35 40 45 50 55 пряжение на вольтметре 11 растет с увеличением изгиба мембраны. Опытные образцы датчиков давления изготавливались на основе пластины из пкремния с р = 200 Ом см, ориентированной в плоскости (001). Размеры мембраны: диаметр 1 мм, толщина 15 мкм. Размеры всех областей (3-6) по 30 х 30 мкм с расстоянием между ними 50 мкм. Области 3, 5 и 6 имели проводимость р -типа, область 4-п -типа. Все они изготавливались методом диффузии. При токе базы 1 мА, Е=20 В, на резисторах 9~10 по 60-80 кОм, чувствительность датчика составляла 3 - мВ/(кПа В). Преимуществом предлагаемого датчика по сравнению с мембранным датчиком на тензорезисторах является на порядок большая чувствительность и меньшие размеры самих тензоэлементов, что позволяет уменьшить и размеры самой мембраны. Известны также мембранные датчики, в которых тензоэлементами являются биполярные транзисторы, расположенные в мембране отдельно друг от друга. Преимущество предлагаемого датчика, состоящее в его меньших размерах и более простой конструкции, при этом сохраняется, так как размеры двух транзисторов, у которых эмиттер и база общие, всегда меньше размеров двух отдельных транзисторов Датчик изготавливается по обычной промышленной технологии и может выпускаться любым заводом полупроводниковых приборов. Формула изобретения Датчик давления, содержащий круглую мембрану, выполненную из монокристалла кремния одного типа проводимости, на которой сформированы первый и второй полупроводниковые тензочувствительные элементы другого типа проводимости, снабженные омическими контактами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, первый и второй тензочувствительные элементы выполнены в виде биполярных горизонтальных транзисторов с общим эмиттером, с общей базой и с первым и вторым коллекторами, при этом проводящий промежуток первый коллектор - общий эмиттер ориентирован параллельно радиусу мембраны, проводящий промежуток второй коллектор - обидой эмиттер - перпендикулярно радиусу мембраны, а омический контакт базы размещен на одинаковом расстоянии от первого и второго коллекторов. 1723878 Фиг Л Редактор А.Купрякова Составитель И.Викулин Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая Заказ 1111/ДСП Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101