Результат интеллектуальной деятельности: НАКЛЕИВАЕМЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕНЗОРЕЗИСТОР

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано 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 р-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.

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в получении тензорезистора с высокой тензочувствительностью и низким электрическим сопротивлением при малых размерах.

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, содержащий полимерную подложку, тензочувствительную пленку и расположенные на ее концах контактные площадки, снабжен разделительной диэлектрической пленкой, на которую напылена выполненная из моносульфида самария тензочувствительная пленка, на которой, в свою очередь, осаждены металлические пленки в виде полосок, расположенные параллельно и на расстоянии друг от друга, при этом они через одну соединены с противоположными контактными площадками и выполняют роль шунтов, а незашунтированная часть тензочувствительной пленки приобретает форму меандра.

Контактные площадки выполнены металлическими, диэлектрическая пленка может быть моноокисью кремния толщиной 0.001÷0.003 мм, металлическая шунтирующая пленка может быть выполнена из алюминия толщиной 0.0005÷0.001 мм.

Все указанные размерные интервалы определены опытным путем. Выход за указанные границы или ухудшает метрологические характеристики, или усложняет технологический процесс.

Получение высокой тензочувствительности (80-100) приводит к повышению электрического сопротивления 500-1000 кОм, что не удобно для сопряжения с последующими преобразователями, поэтому снижение сопротивления тензорезистора за счет увеличения ширины и уменьшения длины тензочувствительного элемента (рабочая часть в форме меандра) позволяет использовать его со стандартной аппаратурой. Применение меандра позволило уменьшить его габариты, сделать компактным.

Предлагаемое изобретение поясняются чертежами, на которых представлены:

- на фиг.1 - тензорезистор в плане;

- на фиг.2 - поперечный разрез тензорезистора;

- на фиг.3 - эквивалентное изображение тензорезистора с развернутым меандром.

Предлагаемый тензорезистор (фиг.1 и 2) содержит полимерную подложку 1, например, из лака ВЛ - 931, толщиной 0.02÷0.03 мм, разделительную диэлектрическую пленку 2, например, из моноокиси кремния толщиной 0.002÷0.003 мм, тензочувствительную пленку 3 из моносульфида самария толщиной 0.0003÷0.001 мм, расположенные на ее концах металлические контактные площадки 4 (например, константан), и металлические пленки, например, из алюминия толщиной 0.0005÷0.001 мм, выполненные в виде полосок 5, расположенных на тензочувствительной пленке 3, параллельно и на расстоянии друг от друга, при этом они через одну соединены с противоположными контактными площадками 4 и выполняют роль шунтов, а незашунтированная часть тензочувствительной пленки приобретает форму меандра.

В отличие от всех известных тензорезисторов, тензочувствительная фольговая «решетка» которых имеет, как правило, форму меандра, по которому электрический ток протекает вдоль его полосок, в рассматриваемом тензорезисторе электрический ток протекает не вдоль, а поперек полосок незашунтированной части тензочувствительной пленки, имеющей также форму меандра, что и позволяет снизить его электрическое сопротивление, сохранив высокой тензочувствительность при малых размерах.

Рассмотрим составляющие формулы для вычисления электрического сопротивления:

R=ρ·L/B·H,

где R - электрическое сопротивление проводника (полупроводника),

ρ - удельное электрическое сопротивление проводника (полупроводника),

L - длина проводника (полупроводника),

B·H - поперечное сечение проводника,

где В - ширина проводника,

Н - толщина проводника.

Итак, мы знаем режимы конденсации полупроводникового материала, когда он имеет очень большую тензочувствительность, но при этом у него высокое удельное электрическое сопротивление ρ, а следовательно, и сопротивление R. Рассмотрим оставшиеся члены в приведенной выше формуле. Стоящую в числителе длину проводника (полупроводника) L мы не можем уменьшать слишком сильно. В сложившемся технологическом процессе чувствительный элемент тензорезистора имеет размеры 0.3 мм × 0.3 мм или 0.2 мм × 0.2 мм, а толщина осажденной тензочувствительной пленки 3 - 0.0005 мм. Таким образом, единственная величина, на которую мы можем повлиять существенно, это ширина тензорезисторной пленки 3. Если ее просто увеличивать в десятки раз, тензорезистор примет уродливую форму, как это изображено на фиг.3, где между вытянутыми в ширину контактными площадками 4 расположена тензочувствительная пленка 3, поэтому рабочая часть тензочувствительной пленки 3 была «свернута» в меандр.

Вычислим - во сколько раз можно уменьшить сопротивление тензорезистора, изображенного на фиг.1. Очевидно, что шириной В тензорезистора является часть периметра металлической пленки, включающего шунтирующие полоски 5, а точнее от точки «d» до точки «с» (d и с - начальные и конечные точки рабочей части периметра шунта).

В=1·(2n-1)+b·(n-1)+а·n+(d-а),

где n - количество шунтирующих полосок, соединенных с одной контактной площадкой.

l - длина шунтирующей полоски;

а - ширина шунтирующих полосок;

b - длина перемычки меандра.

Рассчитаем коэффициент уменьшения сопротивления для изображенного на фиг.1, 2 тензорезистора: n=3; L=а; l=14·а; b=3а;

В=1·(2n-1)+b·(n-1)+a·n+(b-a)=81·a,

то есть по сравнению с обычным тензрезистором, имеющим форму квадрата В=L=а, ширина в рассматриваемом тензорезисторе в 81 раз больше, т.е. сопротивление уменьшилось в 81 раз. Если требуется еще большее уменьшение сопротивления, увеличивают «l» или «n».

Таким образом, предложенная конструкция тензорезистора позволяет снизить его электрическое сопротивление, сохранив высокую тензочувствительность при малых размерах.