×
20.10.2014
216.013.009d

Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ "ПОЛИКРЕМНИЙ-ДИЭЛЕКТРИК"

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002531549
Дата охранного документа
20.10.2014
Аннотация: Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям малых давлений и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит упругий элемент (1), выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния (2), на котором сформированы тензорезисторы (3) из поликристаллического кремния, объединенные при помощи коммутационных шин (4) в многоэлементную мостовую схему (5). Схема (5) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов (6) одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора (7), номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6). Узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы (7) включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам. Выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов. Технический результат: повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур. 2 ил.
Основные результаты: Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированные бором и объединенные при помощи коммутационных шин в мостовую схему, отличающийся тем, что тензорезисторы объединены при помощи коммутационных шин в многоэлементную мостовую схему, которая содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов в составе измерительных мостов, при этом узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам, причем выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов.

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям давлений высокотемпературных сред и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Известен преобразователь давления, содержащий кремниевый профилированный кристалл, на котором сформирована тензорезистивная мостовая схема из поликристаллического кремния, изолированная от подложки диоксидом кремния [1].

Известен преобразователь давления, в котором тензорезисторы выполнены из высоколегированного кремния и через диэлектрический слой нанесены на профилированную кремниевую мембрану [2].

Недостатками известных устройств являются низкая чувствительность преобразования, обусловленная ограничениями формирования малых толщин мембран и малой величиной тензочувствительности поликристаллического кремния.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую мембрану, покрытую изолирующим слоем двуокиси кремния, на которой размещены тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированного бором с концентрацией легирующей примеси (бора) не менее 5·10 см-3, объединенные в мостовую измерительную схему и соединенные алюминиевыми коммутационными шинами. Тензорезисторы и коммутационные шины, за исключением окон для выводных проводников, покрыты сверху пассивирующим слоем двуокиси кремния [3].

Недостатками известного устройства являются низкая точность и чувствительность преобразователя.

Изобретение направлено на повышение чувствительности и точности преобразователя в диапазоне высоких температур.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированные бором и объединенные при помощи коммутационных шин в мостовую схему, согласно изобретению, многоэлементная мостовая схема (ММС) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала и четыре дополнительных тензорезистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов в составе измерительных мостов, при этом узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам, при этом выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов.

Введение предложенной конструкции, содержащей мембрану с тензорезисторами, расположенными в местах наибольшей деформации мембраны и объединенными в ММС, позволит увеличить чувствительность преобразователя за счет возрастания полного тока и перераспределения тока внутри ММС, а также снизить погрешность начального выходного сигнала, обусловленную разбросом номиналов и ТКС тензорезисторов при изготовлении за счет того, что по мере увеличения количества элементов в ММС снижается влияние разброса параметров схемы на величину начального выходного сигнала [3, 4].

На фиг.1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, где:

1 - упругий элемент, выполненный из кремния;

2 - изолирующий слой двуокиси кремния;

3 - тензорезисторы из поликристаллического кремния;

4 - коммутационные шины;

5 - многоэлементная мостовая схема;

6 - тензорезисторы одинакового номинала;

7 - дополнительные тензорезисторы, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6).

На фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема, где:

R1-R4, R5-R8, R9-R12 - тензорезисторы (6), объединенные соответственно в три замкнутых измерительных моста;

R13-R16 - тензорезисторы (7), представляющие собой разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам для образования ММС.

Выходное напряжение ММС представляет собой разность потенциалов узлов u1 и u2.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану, деформирует тензорезисторы, которые расположены на мембране в местах наибольшей деформации таким образом, что под воздействием измеряемого давления тензорезисторы R1, R4, R5, R8, R9, R12, R13, R16, получают положительное приращение сопротивления, а тензорезисторы R2, R3, R6, R7, R10, R11, R14, R15 получают такое же по абсолютной величине отрицательное приращение сопротивления. При этом увеличивается чувствительность преобразователя по сравнению с прототипом и снижается погрешность начального выходного сигнала, представляющего собой разбаланс ММС под действием деформации, вызванная разбросом параметров тензорезисторов при изготовлении.

Температурная зависимость выходного сигнала определяется посредством коэффициентов функции влияния температуры α (температурный коэффициент ухода чувствительности) и β (температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала) [5]. По мере увеличения количества элементов в многоэлементной мостовой схеме происходит уменьшение среднего квадратичного отклонения σ, характеризующего влияние разброса параметров на величину начального выходного сигнала схемы [3].

Следует отметить, что существенное влияние на начальный выходной сигнал оказывает разбаланс мостовой схемы, обусловленный разбросом характеристик тензорезисторов, вызывающий температурную погрешность начального выходного сигнала.

Для схемы обычного полного измерительного моста при максимальном разбросе номиналов тензорезисторов, равном 10%, и значениях ТКС тензорезисторов, изменяющихся в диапазоне 0,05-0,07%/°C, по результатам схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: α=1,317265%/°C, β=0,132127%/°C для диапазона изменения температур, равного 300°C.

Для разработанной ММС, тензорезисторы которой характеризуются аналогичным разбросом характеристик, в результате схемотехнического моделирования в программе Micro-Cap получены следующие значения: α=-0,01656%/°C, β=-0,01709%/°C для диапазона изменения температур, равного 300°C. Таким образом, применение ММС позволяет снизить температурный коэффициент ухода начального выходного сигнала на порядок, а температурный коэффициент ухода чувствительности на два порядка по сравнению с прототипом.

При использовании мостовых схем чувствительность схемы определяется как отношения выходного напряжения при максимальном входном воздействии к напряжению питания, которая выражается в мВ/В. Для схемы обычного полного измерительного моста с заданным разбросом параметров при питании постоянным напряжением 6 В чувствительность составила 4,6 мВ/В, а для разработанной ММС 22,9 мВ/В. Увеличение чувствительности преобразования обусловлено возрастанием полного тока и перераспределением тока внутри ММС [3]. Таким образом, применение разработанной ММС позволяет повысить чувствительность преобразователя практически в 5 раз по сравнению с обычным измерительным мостом.

Полученные результаты подтверждают возможность повышения точности и чувствительности преобразования давления с применением предложенной конструкции в диапазоне высоких температур (до 300°C).

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур.

Источники информации

1. Гридчин В.А., Головко В.П. Интегральный тензопреобразователь мембранного типа с поликремниевыми тензорезисторами // тез. докл. всесоюзн. конф. «Датчики на основе технологии микроэлектроники» М.: МДНТП им. Ф.Э.Дзержинского. 1986. С.62.

2. А.с. (СССР) №605131 МКИ G01L 9/04 Тензометрический преобразователь // Михайлов П.Г., Саяпин В.М., Саблин А.В. - Опубл. 1978. - Бюл. №16.

3. Гридчин В.А. Драгунов В.П. Физика микросистем Новосибирск, 2004. - 416 с.

4. Кобзев Ю.В. Полупроводниковый тензопреобразователь давления, содержащий многократную мостовую схему // Датчики на основе технологии микроэлектроники. М., 1983. - с.168 - 169.

5. ГОСТ 92-4279-80. Преобразователи измерительные. Методы определения метрологических характеристик.

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий упругий элемент, выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния, на котором сформированы тензорезисторы из поликристаллического кремния, легированные бором и объединенные при помощи коммутационных шин в мостовую схему, отличающийся тем, что тензорезисторы объединены при помощи коммутационных шин в многоэлементную мостовую схему, которая содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора, номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов в составе измерительных мостов, при этом узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам, причем выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-6 of 6 items.
20.02.2014
№216.012.a330

Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с профилем,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002507491
Дата охранного документа: 20.02.2014
27.08.2014
№216.012.ee29

Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002526788
Дата охранного документа: 27.08.2014
10.07.2015
№216.013.5c61

Полупроводниковый преобразователь давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002555190
Дата охранного документа: 10.07.2015
27.11.2015
№216.013.939e

Камертонный измерительный преобразователь механических напряжений и деформаций

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей силы, механических напряжений и деформаций, работоспособных при повышенных и пониженных температурах. Кремниевый камертонный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569409
Дата охранного документа: 27.11.2015
27.12.2016
№216.013.9de5

Способ изготовления интегрального микромеханического реле

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе. Технический результат: повышение надежности и временной стабильности интегрального...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002572051
Дата охранного документа: 27.12.2015
13.01.2017
№217.015.7e36

Резонансный преобразователь давления

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых датчиков давлений. Сущность: преобразователь давления содержит кремниевую мембрану (1), предназначенную для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601221
Дата охранного документа: 27.10.2016
Showing 81-90 of 267 items.
20.03.2014
№216.012.ad67

Фазовращатель

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в антеннах с электронным сканированием луча. Создан новый тип отражательного СВЧ фазовращателя на основе многощелевой линии с развязкой СВЧ поля от управляющего напряжения. Технический результат - создание фазовращателя...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510106
Дата охранного документа: 20.03.2014
27.03.2014
№216.012.aea5

Высокопрочная среднеуглеродистая комплекснолегированная сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным конструкционным сталям, закаливающимся преимущественно на воздухе, используемым для изготовления осесимметричных корпусных деталей. Сталь содержит углерод, кремний, хром, марганец, никель, молибден, ванадий, медь, серу,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510424
Дата охранного документа: 27.03.2014
27.03.2014
№216.012.aefe

Радиометр с трехопорной модуляцией

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам. Радиометр с трехопорной модуляцией содержит последовательно соединенные приемную антенну, трехвходовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510513
Дата охранного документа: 27.03.2014
27.03.2014
№216.012.af28

Защитное устройство станка

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к электрическим схемам, и может быть использовано в составе схемы включения и аварийной блокировки металлорежущих станков, в том числе зубообрабатывающих станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Технический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510555
Дата охранного документа: 27.03.2014
10.04.2014
№216.012.b212

Устройство для пропитки древесины с торца под давлением

Изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности, в частности к оборудованию сквозной пропитки древесины жидкостями. Устройство содержит сварную раму 1, с закрепленной на ней металлической трубой 2, левую конусную насадку 3, правую конусную насадку 4, ультразвуковой излучатель 5,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511302
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b510

Способ получения андроста-4,9(11)-диен-3,17-диона из фитостерина

Изобретение относится к биотехнологии. Предложен способ получения андроста-4,9(11)-диен-3,17-диона из фитостерина. Проводят микробиологическое окислительное элиминирование боковой цепи при атоме С с образованием 9α-гидроксиандрост-4-ен-3,17-диона. Отделяют биомассу. Экстрагируют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002512076
Дата охранного документа: 10.04.2014
20.04.2014
№216.012.bc75

Способ изготовления керамики на основе диоксида циркония

Изобретение относится к области технической керамики на основе диоксида циркония с трансформируемой тетрагональной (t') кристаллической фазой и может быть использовано для изготовления износостойких деталей в соединительных изделиях для волоконно-оптических линий связи, пар трения в насосах для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513973
Дата охранного документа: 20.04.2014
10.06.2014
№216.012.d170

Способ и аппаратура для обеспечения поддержки альтернативных вычислений в реконфигурируемых системах-на-кристалле

Группа изобретений относится к области микроэлектроники и вычислительной технике и может быть использована для построения высокопроизводительных вычислительных систем для обработки потоков данных в режиме реального времени. Техническим результатом является повышение эффективности вычислений за...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519387
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.07.2014
№216.012.de3f

Способ изготовления матричного фотоприемника

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых фотоприемников и может использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения. Изготовление матричного фотоприемника (МФП) из объемного материала требует утоньшения базовой области матричного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522681
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.07.2014
№216.012.de5e

Способ возведения железобетонного палубного перекрытия с большим пролетом

Изобретение относится к технологии судостроения, а именно к методам формирования палубных перекрытий судов и плавучих технических средств из железобетона, имеющих большие пролеты палубы в районе трюма. Способ возведения железобетонного палубного перекрытия с большим пролетом включает монтаж...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522712
Дата охранного документа: 20.07.2014
+ добавить свой РИД