преобразователями и преобразователь

Заявляемое техническое решение относится к измерительной технике, именно - к способам измерения физических величин пьезорезистивными преобразователями и к преобразователям, их осуществляющим.

Известен способ измерений физических величин пьезорезистивными преобразователями, заключающийся в том, что к пластине (упругому эле- менту) прикладывают сосредоточенную (в случае датчиков силы) или рас- пределенную силу (силу давления в случае датчиков давления, силу инерции в случае акселерометров ...), пропорциональную измеряемой величине, де- формируют пластину, передают механические напряжения на тензорезисто- ры, сформированные в/на пластине (упругом элементе) и снимают с тензос- хемы преобразователя выходной сигнал.

Этот способ измерений осуществляется существующими пьезорези- стивными преобразователями.

Качество преобразователя механических величин (совокупность его основных характеристик: чувствительности, быстродействия и массы груза в случае акселерометров; чувствительности, быстродействия и размеров мем- браны в случае датчиков давления) определяется энергией деформации упру- гого элемента при измерении величины, равной измеряемому преобразовате- лем диапазону. Чем меньше энергия деформации, тем выше качество преобразователя.

Так, для пьезорезистивных акселерометров энергия деформации W рав- на:

W = к х ₀ ² / 2 = m а ₀ ² / ω ₀ ² , где:

к - жесткость упругого элемента; ao - диапазон измерений акселерометра;

хо - смещение груза при воздействии ускорения ао

m - масса груза

соо - собственная частота акселерометра.

Если энергия деформации упругого элемента первого акселерометра в 100 раз меньше энергии деформации упругого элемента второго акселеро- метра, то :

- при том же диапазоне измерений (т.е. чувствительности) и той же собст- венной частоте первый акселерометр имеет в 100 раз меньшую массу гру- за или;

- при той же массе груза и той же собственной частоте в 10 раз меньшим диапазоном измерений (т.е. в 10 раз большей чувствительностью);

- при той же массе груза и том же диапазоне измерений (т.е. чувствительно- сти) в 10 раз большей собственной частотой, т.е. в 10 раз более широким рабочим частотным диапазоном.

Энергия деформации тензорезисторов преобразователя - это мини- мальная энергия, обеспечивающая возможность измерения им физической величины. Если энергия деформации упругого элемента преобразователя близка к этой величине, преобразователь обладает наилучшими основными характеристиками, близкими к предельным возможным теоретически.

Известный способ измерения физических величин требует (предпола- гает) деформирования всей пластины (упругого элемента) или значительной ее части, а не только тензорезисторов. Поэтому энергия деформации пласти- ны (упругого элемента) в известном способе многократно превышает энер- гию деформации собственно тензорезисторов, а качество преобразователей, осуществляющих известный способ, т.е. совокупность их основных характе- ристик, многократно уступает предельно достижимой совокупности основ- ных характеристик.

Повышение совокупности основных характеристик в известном спо- собе измерений достигается за счет профилирования пластины (упругого элемента) и формирования в ней концентраторов напряжений (над которыми располагают тензорезисторы) с минимальными толщинами и линейными размерами, что уменьшает энергию деформации пластины, которая, однако, все равно многократно превышает энергию деформации собственно тензоре- зисторов.

В настоящее время толщины концентраторов напряжений в преобразо- вателях, осуществляющих известный способ измерений, уменьшены до ве- личин порядка 5 мкм, а их линейные размеры до величин порядка 30-50 мкм. Дальнейшее существенное продвижение в этом направлении практически невозможно по ряду причин:

- исходные пластины кремния имеют толщину около 450 мкм, и получение сверхтонких концентраторов напряжений с малым разбросом по толщине (определяющим разброс чувствительности при изготовлении преобразо- вателей и разброс характеристик отдельных тензорезисторов в самом пре- образователе) технологически крайне затруднительно;

- при переходе к сверхтонким концентраторам напряжений все более нега- тивное влияние на метрологические характеристики преобразователей (временную и температурную стабильность начального сигнала и чувст- вительности, гистерезис и т.д.) оказывают слои окисла и металлизации, располагаемые на поверхности пластины (упругого элемента) и обла- дающие невысокими упругими характеристиками.

Таким образом, известный способ измерения и осуществляющие его преобразователи не позволяют обеспечить близких к предельным теоретиче- ски возможным чувствительности, быстродействия, малых размеров.

Известный способ измерений и осуществляющие его преобразователи требуют жесткой периферии пластины (упругого элемента) для обеспечения ее деформирования в процессе измерений; кроме того, механические напря- жения, создаваемые в тензорезисторах при измерении, должны быть точно пропорциональны измеряемой величине, чего нельзя обеспечить при малой жесткости периферии. Это не позволяет уменьшить размеры пластины (а значит и размеры преобразователя в целом) до величин, меньших одного мм.

Наконец, технология объемной обработки кремния, необходимая для создания осуществляющих известный способ измерений преобразователей с профилированными упругими элементами, плохо совместима с технологией формирования схем усиления и обработки сигнала. Это затрудняет одновре- менное изготовление преобразователя и схем усиления и обработки (в виде интегральной схемы на одном кристалле) и не позволяет снизить стоимость их изготовления.

Таким образом, известный способ измерений и осуществляющие его пьезорезистивные преобразователи обладают рядом недостатков:

- недостаточно высокими основными характеристиками (чувствительно- стью, быстродействием, значительными габаритами);

- значительным разбросом чувствительности;

- сложной технологией изготовления, плохо совместимой с технологией из- готовления схем усиления и обработки сигнала;

- практической невозможностью дальнейшего повышения основных харак- теристик, в частности, кардинального уменьшения размеров преобразова- телей до сотен (не говоря уже о десятках) микрон вместо 1- 4 мм в на- стоящее время.

Наиболее распространены осуществляющие известный способ измере- ний пьезорезистивные преобразователи [1, 3], , в которых профилированная пластина, с тензорезисторми, расположенными над концентраторами напря- жений, выполнена из нелегированного или слаболегированного кремния п- типа проводимости плоскости { 100}, наиболее широко используемого в микроэлектронике. Тензорезисторы формируются из сильнолегированного кремния р-типа проводимости ориентации типа [ПО] диффузией [1] или ионным легированием [3] и не выступают над поверхностью пластины. В то же время существуют пьезорезистивные преобразователи [2] на основе гете- роэпитаксиальных структур «кремний на сапфире», в которых непрофилиро- S ванная пластина выполнена из сапфира, а тензорезисторы - из эпитаксиаль- ной пленки кремния, выращенной на сапфире. В них тензорезисторы имеют вид мезаструктур и выступают над поверхностью пластины. Выполнение тензорезисторов в виде мезаструктур обусловлено только технологией их формирования из сплошной пленки кремния (стравливанием остальных уча- стков пленки кремния при формировании тензосхемы преобразователя) и не несет никаких дополнительных функций.

Интегральный кремниевый тензоакселерометр [1], осуществляющий известный способ измерения, содержит упругий элемент в виде консольной кремниевой балки с концентратором напряжений и с соединенными в мосто- вую схему диффузионными тензорезисторами, расположенными над концен- тратором с плоской стороны балки, при этом свободный конец консоли явля- ется инерционной массой. При воздействии ускорения силы инерции, дйствуюшщие на свободный конец консоли, деформируют балку, в концен- траторе напряжений возникают (изгибные) механические напряжения Т _хх и Туу (оси X и Улежат в плоскости пластины вдоль и поперек тензорезисторов, а ось Z перпендикулярна плоскости пластины), передающиеся на тензорёзи- сторы, изменение сопротивления которых приводит к возникновению вы- ходного сигнала, который снимают с выхода тензосхемы. К верхней поверх- ности тензорезисторов усилие не прикладывают, и механические напряжения Tzz, Tzx, T _zy равны нулю (во всяком случае, их величины пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями Т _хх и Т _уу ).

Так же функционирует осуществляющий известный способ измерения преобразователь давления [2]. При воздействии измеряемого давления его упругий элемент (непрофилированная сапфировая пластина) деформируется, механические (изгибные) напряжения Т _хх , Т _ху , Τ^ передаются на эпитакси- альные тензорезисторы, что приводит к измененению их сопротивлений и появлению на выходе тензосхемы сигнала, пропорционального измеряемому давлению. Поскольку к верхней поверхности тензорезисторов усилие не при- кладывается, механические напряжения Т _к , T _zx , T _zy равны нулю (во всяком случае их величины пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями Τχχ,

Осуществляющий известный способ измерения пьезорезистивный пре- образователь (акселерометр) [3], наиболее близкий к заявляемому пьезорези- стивному преобразователю, содержит профилированный упругий чувстви- тельный элемент из кремния ориентации { 100}, работающий на изгиб, в виде пластины с концентраторами напряжений и сформированными над концен- траторами напряжений методом ионной имплантации тензорезисторами р- типа проводимости ориентации [ПО] и функционирует аналогичным обра- зом. При воздействии ускорения силы инерции, действующие на свободный конец консоли, деформируют пластину упругий элемент), в концентраторах напряжений возникают (изгибные) механические напряжения Т _хх и Т _уу (оси X и Улежат в плоскости пластины вдоль и поперек тензорезисторов, а ось Ζ перпендикулярна плоскости пластины), передающиеся на тензорезисторы, изменение сопротивления которых приводит к возникновению выходного сигнала, который снимают с выхода тензосхемы. К верхней поверхности тен- зорезисторов усилие не прикладывают, и механические напряжения Т _щ , Ί^, T _zy равны нулю (во всяком случае, их величины пренебрежимо малы по сравнению с напряжениями Т _хх и Т _уу ). Чувствительность тензорезисторов из кремния р-типа, лежащих в плоскости и ориентированных в направлении ти- па [ПО] к механическим напряжения Т _хх и T _w максимальна, а к механиче- ским напряжениям Т _и , T _zx и T _zy близка к нулю.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в:

- повышении основных характеристик (чувствительности, быстродействия, уменьшении габаритов) пьезорезистивных преобразователей, осуществ- ляющих заявляемый способ измерений физических величин;

- уменьшении разброса чувствительности преобразователей;

- упрощении технологии изготовления преобразователей и ее совместимо- сти с технологией изготовления схем усиления и обработки сигнала; W

7

- уменьшении размеров преобразователей, в перспективе до сотен (и даже десятков) микрон.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе измере- ния физических величин пьезорезистивными преобразователями, заключаю- щемся в том, что на преобразователь воздействуют сосредоточенной или распределенной силой, пропорциональной измеряемой величине, деформи- руют пластину, передают механические напряжения на тензорезисторы, сформированные в/на пластине (упругом элементе) и регистрируют выход- ной сигнал с тензосхемы преобразователя, силой воздействуют на поверхно- сти тензорезисторов (хотя бы одного тензорезистора), так что нормальные и/или сдвиговые механические напряжения T^, T _zx , T _zy в деформируемых тензорезисторах (для оси Z, перпендикулярной плоскости пластины, в/на которой сформированы тензорезисторы, и осей X и Y, лежащих в плоскости пластины,), являются определяющими (доминирующими) в изменении со- противлений тензорезисторов и формировании выходного сигнала, а усилия, прикладываемые к отдельным тензорезисторам, равномерно распределяют по их поверхности (площади).

Кроме того, в способе измерения физических величин пьезорезистив- ными преобразователями для повышения чувствительности и обеспечения создания механических напряжений разного знака в тензорезисторах, лежа- щих в смежных плечах моста, точку приложения силы, воздействующей на группу деформируемых тензорезисторов, могут сместить относительно об- ласти расположения группы деформируемых тензорезисторов, так что на группу деформируемых тензорезисторов действует изгибающий момент, и результат его воздействия является определяющим (доминирующим) в изме- нении сопротивлений тензорезисторов и формировании выходного сигнала тензосхемы.

В пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем заявляемый способ измерений, содержащем пластину со сформированными в ней (на ней) тензорезисторами, над поверхностью пластины со стороны тензорези- W

8

сторов расположена дополнительная структура, соединенная (контактирую- щая) с поверхностью тензорезисторов и действующая на группу тензорези- сторов (на поверхность тензорезисторов), соединенных (контактирующих) со структурой, силой, пропорциональной измеряемой величине, участки пла- стины или/и структуры, граничащие с тензорезисторами, заглублены, так что тензорезисторы, соединенные своей поверхностью со структурой, или/и уча- стки структуры, контактирующие с тензорезисторами, имеют вид мезаструк- тур, т.е. выступают относительно прилегающих к ним участков пластины или/и структуры.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений, для повышения прочности и стабильности ха- рактеристик преобразователя структура (или хотя бы ее нижний слой, приле- гающий к тензорезисторам) может быть выполнена заодно с пластиной и тензорезисторами, т.е. собственно пластина, тензорезисторы и соединенная с ними структура (или хотя бы ее нижний слой, прилегающий к тензорезисто- рам) могут быть сформированы из одной цельной заготовки.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений, для повышения чувствительности, стабильно- сти его характеристик и уменьшения разброса параметров тензорезисторов, тензорезисторы тензосхемы, соединенные в мост Уитстона (или дифферен- циально, т.е. в полумост), могут быть одинаково ориентированы параллельно друг другу и расположены у вершин условного прямоугольника так, что два тензорезистора, образующие противоположные плечи моста (для полумоста тензорезистор, образующий плечо полумоста, либо два тензорезистора, со- единенные последовательно и образующие плечо полумоста), расположены на одной стороне прямоугольника у его смежных вершин и ориентированы параллельно этой стороне, а два других тензорезистора (для полумоста тен- зорезистор, образующий смежное плечо полумоста, либо два тензорезистора, соединенные последовательно и образующие смежное плечо полумоста) рас- положены на противоположной стороне прямоугольника аналогичным обра- зом.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем заявляемый способ измерений, для защиты преобразователя от значительно превышающих диапазон измерений воздействий измеряемой величины, в пластине может быть сформирован соединенный (контактирующий) со структурой выступ (мезаструктура), например, прямоугольный, центр кото- рого совпадает с центром условного прямоугольника, площадь выступа су- щественно (в несколько раз) больше суммарной площади группы деформируемых тензорезисторов, выступ ориентирован так же, как и условный прямоугольник, длина выступа (его размер в направлении, параллельном сторонам условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы) существенно (в несколько раз) больше длины сторон условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, а его ширина существенно (в несколько раз) меньше ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезисторов).

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем заявляемый способ измерений, для дополнительного повышения прочности в поперечном направлении выступ (мезаструктура) в центре условного прямо- угольника может быть выполнен раздвоенным и обе его половины располо- жены симметрично относительно центра условного прямоугольника.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем заявляемый способ измерений, для защиты преобразователя от значительно превышающих диапазон измерений воздействий измеряемой величины, рас- стояние от центра условного прямоугольника до краев структуры в одном или в обоих направлениях (параллельным сторонам условного прямоуголь- ника) может существенно (в несколько раз) превышать ширину условного прямоугольника (длину сторон без тензорезисторов).

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений, для обеспечения измерений ускорений, пер- пендикулярных плоскости пластины, структура может быть консольно под- вешена на соединенных (контактирующих) с ней тензорезисторах, тензоре- зисторы расположены с одной стороны от центра тяжести структуры так, что стороны условного прямоугольника, на которых лежат тензорезисторы, пер- пендикулярны прямой, соединяющей центр тяжести структуры и центр ус- ловного прямоугольника, расстояние от центра тяжести структуры до центра условного прямоугольника не меньше удвоенной ширины условного прямо- угольника (длины сторон без тензорезиторов), а длина сторон условного прямоугольника, на которых находятся тензорезиторы, существенно (в не- сколько раз) превышает длину сторон без тензорезисторов.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений, для обеспечения измерений ускорений, парал- лельных плоскости пластины, центр тяжести структуры может быть распо- ложен над центром условного прямоугольника на расстоянии от него (то есть от поверхности пластины), во всяком случае, не меньшем его ширины (длины сторон условного прямоугольника без тензорезисторов), стороны ус- ловного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, перпен- дикулярны направлению, вдоль которого измеряется ускорение), а длина сторон условного прямоугольника, на которых находятся тензорезиторы, су- щественно (в несколько раз) превышает длину сторон без тензорезисторов.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений, для обеспечения измерений ускорений, парал- лельных плоскости пластины по двум осям, условный прямоугольник может быть выполнен в виде квадрата, центр тяжести структуры расположен над центром квадрата на расстоянии от него (то есть от поверхности пластины), во всяком случае, не меньшем его стороны, стороны квадрата ориентированы вдоль направлений измеряемых компонент ускорения, а на пластине сфор- мированы две тензосхемы, расположенные на двух противоположных сто- ронах квадрата каждая Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений, для обеспечения измерений давления структу- ра может быть частично или полностью соединена с пластиной по перимет- ру, в структуре или/и в пластине сформированы утоненные гибкие области, отделяющие жесткую область в центральной части структуры или/и пласти- ны от ее жесткого периметра, центр условного прямоугольника, расположен- ного на пластине на жесткой области (или под жесткой областью, если она сформирована только в структуре), удален от центра тяжести жесткой облас- ти как геометрической фигуры на расстояние, не меньшее удвоенной шири- ны условного прямоугольника (длины сторон без тензорезистров), стороны условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, пер- пендикулярны прямой, соединяющей центр условного прямоугольника и центр тяжести жесткой области как геометрической фигуры, причем в случае формирования утоненных гибких областей и в структуре, и в пластине, они, как и жесткая область в центре структуры или/и пластины, выполнены оди- наковой формы и расположены друг над другом.

Кроме того, в пьезорезистивном преобразователе, осуществляющем за- являемый способ измерений и измеряющем давление, для повышения ста- бильности характеристик структура может быть частично или полностью со- единена с пластиной по периметру, в структуре или/и в пластине сформированы утоненные гибкие области, отделяющие сформированные в центральной части структуры или/и пластины две одинаковые симметричные относительно центра структуры и пластины жесткие области друг от друга и от жесткого периметра, причем в случае формирования утоненных гибких областей и в структуре, и в пластине, они, как и жесткие области в центре структуры или/и пластины, выполнены одинаковой формы и расположены друг над другом, в каждой жесткой области пластины расположен условный прямоугольник, причем его центр расположен на расстоянии от центра тя- жести жесткой области как геометрической фигуры не меньшем удвоенной ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезистров), ус- ловные прямоугольники расположены на жестких областях симметрично друг другу относительно центра структуры и пластины, стороны условных прямоугольников, на которых расположены тензорезисторы, ориентированы перпендикулярно прямой, соединяющей центры условных прямоугольников, причем в каждом условном прямоугольнике расположены два или четыре тензорезистора, и тензорезисторы, расположенные симметрично относи- тельно центра структуры и пластины в разных условных прямоугольниках (разных жестких областях), образуют противоположные плечи моста (одно плечо полумоста).

Сущность заявляемого изобретения поясняется фигурами:

На фиг. 1 и 2 показаны система координат, связанная с пластиной, ме- ханические напряжения, создавемые в пластине и тензорезисторах в процес- се измерения, пластина, структура и один из соединенных со структурой тен- зорезисторов, а также состаляющие силы, действующей на тензорезистор со стороны структуры. Фиг.1 - поперечное, фиг. 2 - продольное сечение преоб- разователя в месте расположения тензорезистора.

На фиг. 3 и 4 показано выполнение заявляемого пьезорезистивного преобразователя в общем случае (схематично): расположение тензорезисто- ров на пластине и возможное расположение и направление силы F ₀ , дейст- вующей на группу деформируемых тензорезисторов со стороны структуры в общем случае, и сил F _x , F _Y , F _z , используемых в разных вариантах исполнения преобразователя. Фиг.З - вид сбоку, фиг. 4 - вид сверху.

На фиг. 5 показано выполнение преобразователя, в котором для повы- шения его прочности и устойчивости к перегрузкам структура (или хотя бы ее нижний слой, прилегающий к тензорезисторам), пластина и тензорезисто- ры сформированы из одной цельной заготовки.

На фиг. 6 и 7 показано выполнение преобразователя, в котором для по- вышения его прочности и устойчивости к перегрузкам, в центре условного прямоугольника в пластине сформирован соединенный (контактирующий) со структурой выступ: цельный (фиг. 6) или раздвоенный (фиг. 7). W

13

На фиг. 8 и 9 показано выполнение преобразователя (акселерометра) в случае измерения им ускорения, перпендикулярного плоскости пластины, а также выполнение структуры (протяженной по горизонтали - по осям X и Y), обеспечивающее повышение прочности и устойчивости преобразователя к перегрузкам. Фигура 8 - вид сверху, фиг. 9 - вид сбоку.

На фиг. 10 и 1 1 показана конструкция преобразователя (акселерометра) в случае измерения им одной компоненты ускорения, параллельной плоско- сти пластины . Фигура 10 - вид сверху, фиг. 11 - вид сбоку.

На фиг. 12 показана конструкция преобразователя (акселерометра) в случае измерения им двух компонент ускорения, параллельных плоскости пластины (вид сверху).

На фиг. 13 показана конструкция заявляемого преобразователя - датчи- ка давления - с утоненными областями в структуре, разделяющими ее на же- сткий периметр и жесткую область в ее центральной части (вид сбоку).

На фиг. 1 и 2 показаны: часть пьезорезистивного преобразователя с пластиной 1 из кремния η-типа проводимости вырезанной в плоскости (1 11); система координат 2 с осями X, Y, расположенными в плоскости пластины и осью Z, перпендикулярной плоскости пластины; механические напряжения 3, которые могут действовать на тензорезисоры р-типа проводимости, ориенти- рованные в направлении типа [ПО] и сформированные в пластине 1 ионным легированием (на фиг. 1, 2 показан один тензорезистор 4). Такая ориентация тензорезисторов для плоскости (11 1) обеспечивают их максимальную чувст- вительность к силе f _z , которой на поверхность тензорезистора действует структура 5, соединенная (контактирующая) с поверхностью тензорезистора 4. Тензорезистор 4, для передачи силы только на него, а не на всю пластину, выполнен в виде мезаструктуры 6, т.е. выступающим относительно приле- гающих к нему областей пластины. Для этого в пластине вокруг тензорези- стора выполнены (вытравлены) углубления 7. В структуре 5 участок 8 струк- туры 5, передающий усилие на тензорезистор, также выполнен выступающим относительно остальной поверхности структуры, т.е. в виде W 201

14

мезаструктуры, при этом размеры мезаструктры 8 в структуре 5 сделаны пре- вышающими верхнюю поверхность тензорезистора 4 для того, чтобы он пе- рекрывал всю поверхность тензорезистора, несмотря на возможную неточ- ность совмещения структуры и пластины при изготовлении преобразователя. Выполнение структуры с выступом (мезаструктурой) 8 не является обяза- тельным, но позволяет не стравливать всю поверхность пластины 3, а огра- ничиться участками 7, непосредственно прилегающими к тензорезисторам. Это упрощает технологию формирования на пластине при изготовлении пре- образователя коммутационных дорожек и схемы усиления и обработки сиг- нала, и позволяет выполнить весь преобразователь в законченном виде на одном кристалле. Тензорезистор 4 через сильнолегированные области 9 элек- трически соединен с алюминиевыми металлизированными дорожками 10, изолированными от пластины 3 окисной пленкой 11, и вместе с остальными тензорезисторами (на фигурах 1, 2 не показаны) образует мостовую (или дифференциальную) схему.

В заявляемом способе измерений преобразователь может быть выпол- нен иначе, в частности, возможно.

- использование вместо кремния в качестве материала пластины других по- лупроводниковых материалов (арсенид галлия, карбид кремния, арсино- фосфид галлия и др.), обладающих значительной тензочувствительно- стью;

- использование вместо кремния η-типа в качестве материала пластины и тензорезисторов р-типа проводимости кремния р-типа и тензорезисторов η-типа проводимости соответствующих ориентаций, обеспечивающих значительную чувствительность тензорезисторов к силе f _z ;

- использование пластины и тензорезисторов другой ориентации (напри- мер, вместо Si пластины ориентации (111) может быть использована Si пластина ориентации (1 10), также применяемая в микроэлектронике, с те- ми же остальными параметрами - типом проводимости и ориентацией тензорезисторов) ; - использование для формирования тензорезисторов диффузии или эпитак- сии вместо ионного легирования;

- использование для деформации тензорезистора другого направления си- лы, которой на поверхность тензорезистора действует структура 5, т.е. ис- пользование вместо f _z сил, создающих сдвиговые напряжения в тензоре- зисторе - f _x или f _y . В общем случае это может быть сила, действующая под углом к поверхности тензорезистора и имеющая ненулевые составляющие по всем трем осям (см. фиг. 3, 4). При этом понадобится использование других ориентаций пластины и тензорезисторов, обеспечивающих макси- мальную чувствительность тензорезисторов для такого направления си- лы;

- использование других методов и материалов для обеспечения коммутации тензорезисторов .

Преобразователь функционирует следующим образом. При измерении физической величины структура 5 передает силу F ₀ , пропорциональную из- меряемой величине (сила может передаваться на саму структуру от воспри- нимающего физическую величину элемента преобразователя или формиро- ваться самой структурой, если она является воспринимающим элементом: мембраной в преобразователе давления или инерционной массой в преобра- зователе ускорения), на верхние поверхности группы тензорезисторов, с ко- торыми она соединена (находится в контакте). При этом на разные тензоре- зисторы действуют разные силы, величина и направление которых определяются величиной и направлением силы Fo, приложенной к структуре, и взаимным расположением точки приложения силы Fo к структуре и тензо- резисторов группы. На тензорезистор 4 действует сила f _z , равномерно рас- пределенная по его поверхности (площади), создающая в объеме тензорези- стора механическое напряжение Т^, равное f _z /S, где S - площадь поверхности тензорезистора. В результате сопротивление тензорезистора (в силу тензоэффекта) изменяется пропорционально измеряемой физической величине. Выходной сигнал преобразователя зависит от величины механических напряжений (в тензорезисторах), которые в рассматриваемом преобразо- вателе в каждом тензорезисторе определяются действующей на него силой и площадью поверхности тензорезистора, хорошо (с точностью до десятых до- лей процента) воспроизводимой при изготовлении преобразователя. В ре- зультате осуществляющие заявляемый способ измерений преобразователи будут иметь, в отличие от известных преобразователей, высокую воспроиз- водимость чувствительности. При измерении деформируются лишь тензоре- зисторы и прилегающие к ним области пластины и структуры, поэтому энер- гия деформации преобразователя минимальна, что обеспечивает высокие основные характеристики (см. начало описания).

Для получения на выходе тензосхемы преобразователя значительного выходного сигнала необходимо, чтобы изменения величин сопротивлений тензорезисторов в смежных плечах были противоположны по знаку. Это дос- тигается тогда, когда механические напряжения в тензорезисторах в смеж- ных плечах одинаковы, но коэффициенты тензочувствительности тензорези- сторов имеют разный знак, либо когда коэффициенты тензочувствительности тензорезисторов одинаковы, а механические напря- жения в тензорезисторах противоположны. У кремниевых тензорезисторов р- типа проводимости и ориентации [ПО], лежащих в плоскости (111) и ис- пользуемых в рассматриваемом преобразователе, коэффициенты тензочувст- вительности к одинаковы для всех направлений типа [ПО]. Поэтому не- обходимо создание в тензорезисторах смежных плеч моста механических напряжений разных знаков (т.е. обеспечения воздействия на тензорези- сторы смежных плеч сил F _z разных знаков). Кроме того, зачастую при малом диапазоне измеряемой величины силы Fo может быть недостаточно для соз- дания в тенорезисторах механических напряжений необходимой величины.

На фиг. 3 и 4 показан пьезорезистивный преобразователь, включающий в себя пластину 1 с сфорированными на ней тензорезисторами 12 и 13 тен- зосхемы (тензорезисторы 12 и 13 образуют смежные плечи моста, два тензо- W

17

резистора 12 лежат в противоположных плечах моста, так же, как два тензо- резистора 13), одинаково ориентированными параллельно друг другу и рас- пол оженными у вершин условного прямоугольника 14 так, что два тензоре- зистора 12 (для полумоста тензорезистор, образующий плечо полумоста, либо два тензорезистора, соединенные последовательно и образующие плечо полумоста), лежат на одной стороне прямоугольника у его смежных вершин и ориентированы параллельно этой стороне, а два тензорезистора 13 (для по- лумоста тензорезистор, образующий другое плечо полумоста, либо два тен- зорезистора, соединенные последовательно и образующие смежное плечо полумоста) расположены на противоположной стороне прямоугольника 14 аналогичным образом.

В преобразователе тензорезисторы могут быть расположены и иначе, чем в описанном выше примере конкретного выполнения.

Преобразователь функционирует следующим образом. При измерении физической величины структура 5 передает силу Fo, пропорциональную из- меряемой величине и смещенную по горизонтали относительно центра ус- ловного прямоугольника 15 (центра области расположения группы деформи- руемых тензорезисторов) по оси X на Lo > b (b - длина сторон условного прямоугольника без тензорезисторов), на верхние поверхности группы тен- зорезисторов (12 и 13), с которыми она соединена (находится в контакте). Рассмотрим далее случай Fo = F _z . Воздействие силы F _z , смещенной относи- тельно центра условного прямоугольника 15на расстояние L _z эквивалентно воздействию силы F _z , приложенной к центру условного прямоугольника, и момента силы М:

М = F _z х L _z .

При этом на два тензорезистора 12 действуют одинаковые силы рас- тяжения (поскольку результат воздействия момента М значительно, в L _z /b раз превышает результат воздействия сжимающей тензорезисторы силы Fo, при- ложенной к центру условного прямоугольника):

fi2 = F ₀ /4x(L _z /b - l); а на два тензорезистора 13 - одинаковые силы сжатия

f ₁₃ = F ₀ /4x(Wb + 1).

В результате сопротивления тензорезисторов 12 и 13 изменится в про- тивоположных направлениях примерно на одну величину, а на выходе тен- зосхемы (моста) появится значительный выходной сигнал. Деформации тен- зорезисторов (а значит и чувствительность преобразователя) при смещенной точке приложения силы в L _z b раз превышает деформации тензорезисторов (чувствительность преобразователя), когда сила прикладывается к центру ус- ловного прямоугольника. Это (смещение точки приложения силы) позволяет увеличить чувствительность преобразователя и обеспечить ее необходимую величину. Кроме того, при L _z /b близком или меньшем единицы, «бесполез- ные» деформации тензорезисторов, обусловленные воздействием силы, при- ложенной к центру прямоугольника, будут превышать «полезные», созда- ваемые моментом, что приводит к значительному (в два и более раз) уменьшению выходного сигнала, т.е чувствительности.

В заявляемом способе измерений и осуществляющем его преобразова- теле, помимо описанного выше расположения и направления силы Fo = F _z , могут быть использованы другие расположения и направления силы Fo, ко- торые могут потребовать и другого расположения группы деформируемых тензорезисторов относительно точки приложения силы и друг друга, напри- мер:

- сила Fo действует вдоль оси X (сила F _x на фиг. 3), а точка ее приложения расположена над центром 15 условного прямоугольника на расстоянии L _x с тем же расположением тензорезисторов, что и на фиг. 3;

- сила F ₀ действует вдоль оси Y (сила F _y на фиг. 4), а точка ее приложения расположена над центром 15 условного прямоугольника на расстоянии L _y с повернутыми на 90° условным прямоугольником и расположенными на нем тензорезисторами по сравнению с показанными на фиг. 3;

- сила F ₀ с составляющими F _0x , F _0y , F _0z (на фиг. 3 не показаны) ориентиро- вана произвольным образом по отношению к осям X, Υ, Z, а точка ее при- ложения смещена относительно центра группы деформируемых тензоре- зисторов (их центра тяжести как геометрической фигуры) на вектор Lo с составляющими Lo _x , L _0y ,Lo (см. фиг. 3). В этом случае необходимо рас- считывать, как лучше всего расположить тензорезисторы для получения максимального сигнала для этой ориентации и этого расположения точки приложения силы Fo.

При перегрузке, например при воздействии на пьезорезистивный пре- образователь гораздо большей измеряемой величины, чем измеряемый диа- пазон, происходит разрушение преобразователя, поскольку деформации в тензорезисторах и в месте их соединения со структурой превышают предель- но допустимые. Ниже даны конструктивные решения преобразователя (при- меры конкретного выполнения), обеспечивающие повышение его прочности и устойчивости к перегрузкам.

На фиг. 5 показан пьезорезистивный преобразователь, в котором ниж- ний слой 16 структуры 5, прилегающий к тензорезисторам (показан один тензорезистор 4), выполнен заодно с пластиной 1 и тензорезисторами, т.е. собственно пластина 1, тензорезисторы и соединенный с ними нижний слой 16 структуры 5, прилегающий к тензорезисторам, сформированы из одной цельной заготовки.

Известно, что прочность соединения материалов существенно ниже прочности однородного материала. Пусть T _zzl - предельные механические напряжения на разрыв соединения нижнего слоя 16 структуры 5 и тензорези- стора 4 в случае, если они выполнены не из цельной заготовки, а - в слу- чае, когда они выполнены из одной заготовки: Сравним два пре- образователя: первый, в котором тензорезисторы и структура выполнены не из цельной заготовки, второй - из цельной.

При воздействии на тензорезисторы силы F _z , на тензорезистор 4 будет действовать сила f _z , которая создаст в нем и в его соединении со структурой 5 (например) растягивающее механическое напряжение Т^. Пока T _zz < Т _ы1 оба преобразователя не разрушатся. При возрастании силы f _z и при превы- шении Тщ величины произойдет разрушение преобразователя с раздель- ным выполнением соединения нижнего слоя 16 и тензорезистора 4, а разру- шение преобразователя с выполнением нижнего слоя 16 и тензорезистора 4 из одной цельной заготовки произойдет лишь тогда, когда превысит ве- личину Тгй. Таким образом, выполнение нижнего слоя 16 структуры 5 (или всей структуры 5) и тензорезистора 4 из одной цельной заготовки позволяет повысить прочность преобразователя и его и устойчивость к перегрузкам.

На фиг. 6 изображен преобразователь (вид сверху), в котором в центре 15 условного прямоугольника 14 в пластине 1 сформирован соединенный (контактирующий) со структурой 5 выступ (мезаструктура), например пря- моугольный, симметричный относительно центра 15 условного прямоуголь- ника 14, площадь которого существенно (в несколько раз) больше суммарной площади группы деформируемых тензорезисторов (12 и 13), ориентирован- ный так же, как и условный прямоугольник, длина выступа (длина сторон в направлении, параллельном сторонам условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы) существенно (в несколько раз) больше длины а сторон условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисто- ры, а ширина выступа существенно (в несколько раз) меньше ширины b ус- ловного прямоугольника (длины сторон без тензорезисторов).

Воздействие на структуру некоторой силы F, и значит на тензорезисто- ры 12 и 13, эквивалентно воздействию силы F, приложенной к центру услов- ного прямоугольника и момента М = Fx L, где L - плечо силы F относитель- но центра условного прямоугольника. Выступ многократно уменьшает механические напряжения в тензорезисторах, обусловленные непосредст- венно силой F и моментом, создаваемым составляющей силы F вдоль оси Y, которые могут действовать на структуру (а зн. повышает прочность преобра- зователя), т.к. его площадь существенно больше площади деформируемых тензорезисторов 12 и 13, а изгибная жесткость по оси Y гораздо больше же- сткости тензорезисторов (так как длина выступа гораздо больше длины а ус- ловного прямоугольниика). При этом чувствительность преобразоватебля (механические напряжения в тензорезисторах 12 и 13, создаваемые момен- том М от силы Fo), снижается гораздо меньше (т.к. выступ расположен на оси симметрии условного прямоугольника и его ширина гораздо меньше ширины b условного прямоугольника).

Выполнение выступа раздвоенным при сохранении неизменной его площади (фиг. 7) значительно увеличивает его изгибную жесткость по отно- шению к моменту силы, направленной вдоль оси Y и стойкость преобразова- теля к этому воздействию.

Выполнение выступа прямоугольным является наиболее простым и технологичным, но не обязательным. Тот же полезный эффект достигается при произвольной форме выступа при условии выполнения остальных требо- ваний.

На фиг. 8, 9 (фиг. 8 - вид сверху, фиг. 9 - вид сбоку) изображен преоб- разователь (акселерометр, измеряющий ускорение вдоль оси Z), в котором расстояние от центра 15 условного прямоугольника 14 до краев структуры в одном или в обоих направлениях X и Y (параллельных сторонам условного прямоугольника 14) существенно (в несколько раз) превышает ширину b ус- ловного прямоугольника (длину сторон без тензорезисторов), т.е. L^, L^, L _yl , Ly ₂ в несколько раз больше Ь. Микрозазор δ между структурой 5 и пластиной 1 на краях структуры 5 выбран большим, чем смещение конца структуры 5 при воздействии ускорения wo, равного диапазону измерений акселерометра, но меньшим, чем смещение конца структуры 5, достигаемого при воздейст- вии ускорения w _p , приводящего к разрушению тензорезисторов или их со- единения со структурой 5, т.е. касание краем структуры 5 пластины 1 проис- ходит при воздействии ускорения w _Kac :

W ₀ < W _Kac < Wp.

Структура 5, являющейся инерционной массой акселерометра, кон- сольно подвешена на соединенных (контактирующих) с ней тензорезисторах 12 и 13, тензорезисторы (условный прямоугольник 14) расположены с одной стороны от центра тяжести структуры так, что стороны условного прямо- угольника, на которых лежат тензорезисторы, перпендикулярны прямой, со- единяющей центр тяжести структуры и центр условного прямоугольника. Структура 5 выполнена несимметричной, ее левая часть раздвоена, поэтому центр тяжести структуры 5 смещен относительно центра 15 условного пря- моугольника 14 на расстояние L _z по оси X, причем величина L _z не меньше удвоенной ширины b условного прямоугольника, а длина сторон условного прямоугольника, на которых находятся тензорезиторы, существенно (в не- сколько раз) больше длины сторон без тензорезисторов.

При воздействии ускорения < Wo вдоль оси Z на структуру 5 действу- ет сила Fo, смещенная относительно центра 15 условного прямоугольника 14 на L _z по оси X (на фиг.6 направленная вниз, к пластине 1). В результате воз- действия на тензорезисторы 12 и 13 момента М:

М = F ₀ x L _z

тензорезисторы 12 и 13 будут испытывать механические напряжения Т^:

Т _м = M/(2xSxb), где

S - площадь поверхности одного тензорезистора,

тензорезисторы 12 - растяжения, а 13 - сжатия. На выходе тензосхемы поя- вится сигнал, пропорциональный величине действующего ускорения w, за- зор на правом конце структуры 5 между структурой 5 и пластиной 1 умень- шится. Сигнал на выходе тензосхемы будет оставаться пропорциональным измеряемому ускорению w до тех пор, пока w < w _Kac . При достижении = w _Kac правый край структуры 5 коснется пластины 1. При дальнейшем увели- чении величины ускорения w, при увеличении момента М на ΔΜ механиче- ские напряжения в тензорезисторах изменятся на ΔΤ _Η :

ΔΤζζ = AM/(4xSxL _x] ), где

L _x i - протяженность структуры от центра условного прямоугольника вдоль плоскости пластины вправо,

т.е. будут расти гораздо слабее, именно в 2xL _x i/ b раз (L _xl » b). В результате прочность преобразователя (акселерометра) многократно возрастает.

Выполнение левой половины структуры 5 раздвоенной не является W

23

обязательным. Смещение центра тяжести структуры 5 вправо от условного прямоугольника 14 может быть обеспечено и размещением на правой части структуры 5 дополнительного груза (выполненного с использованием техно- логии тонких или/и толстых пленок). Перпендикулярность сторон условного прямоугольника, на которых лежат тензорезисторы, прямой, соединяющей центр тяжести структуры и центр условного прямоугольника, обеспечивает максимальную чувствительность преобразователя к ускорения вдоль оси Z и нулевую чувствительность преобразователя к ускорениям по оси Y. При рас- стояний от центра тяжести структуры до центра условного прямоугольника не меньшем удвоенной ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезисторов) обеспечивается малость «бесполезных» деформаций, обусловленных действием собственно силы по сравнению с «полезными», создаваемыми моментом силы. Существенное (в несколько раз) превышение длины сторон условного прямоугольника, на которых находятся тензорези- торы, длины сторон без тензорезисторов обеспечивает большую жесткость и прочность преобразователя по отношению к ускорениям вдоль оси Y. В ре- зультате при воздействии ускорения вдоль оси Y деформации тензорезисто- ров будут гораздо меньше, чем их деформации при воздействии такого же ускорения вдоль оси Z. Кроме того, деформации тензорезисторов 12 и 13, лежащих друг против друга, при воздействии ускорения вдоль оси Y будут равны, так что выходной сигнал преобразователя не изменится, т.е. будет обеспечена нулевая поперечная чувствительность к ускорения вдоль оси Y. При воздействии ускорения вдоль оси X возникающий и действующий на тензорезисторы момент силы F _x будет гораздо меньше момента, действую- щего на тензорезисторы при воздействии такого же ускорения вдоль ос Z, так как плечо силы F _x гораздо меньше плеча силы Fo. Поэтому чувств итель- ность преобразователя к ускорениям вдоль оси X будет гораздо меньше чув- ствительности к ускорениям вдоль оси Z. Ее можно дополнительно умень- шить известными методами, применяемыми в существующих преобразователях с консольным упругим элементом: поворотом преобразо- вателя так, что плечо силы F _x будет равно нулю, либр схемными методами, используя сигнал с другого преобразователя, измеряющего ускорения вдоль оси X.

Максимальное повышение прочности преобразователя достигается при одновременном применении описанных выше и показанных на фигурах 5 - 9 конструктивно-технологических решений, именно, выполнении струк- туры, тензорезисторов и пластины из одной заготовки, формировании в структуре в центре условного структуры соединенного с пластиной выступа (мезаструктуры), выполнении структуры протяженной в плоскости пласти- ны, так что ее поперечные размеры гораздо больше ширины условного пря- моугольника.

На фиг. 10, 11 (фиг. 10 - вид сверху, фиг. 11 - вид сбоку) изображен преобразователь, измеряющий ускорение w _x (акселерометр, измеряющий ус- корение вдоль оси X, параллельной плоскости пластины). В нем центр тяже- сти структуры 5 расположен над центром 15 условного прямоугольника 14 на расстоянии L _x от него (т.е. от поверхности пластины), во всяком случае, не меньшем его ширины Ь, а стороны условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, перпендикулярны направлению, вдоль которо- го измеряется ускорение.

При воздействии на преобразователь ускорения w _x на структуру 5 дей- ствует сила инерции Fo:

F ₀ =m х w _x , где

m - масса груза (масса структуры 5),

точка приложения которой совпадает с центром тяжести структуры 5. Воз- действие силы Fo, смещенной относительно центра 15 условного прямо- угольника 14 эквивалентно суммарному воздействию силы Fo, приложенной к центру 15, и момента М:

М = F ₀ х L _x .

Сила Fo, приложенная к центру 15 условного прямоугольника, создает в тензорезисторах 12 и 13 одинаковые сдвиговые напряжения T _zx : T _zx = F ₀ / 4 S, где

S - площадь поверхности одного тензорезистора,

и обусловленные ей изменения сопротивлений тензорезисторов 12 и 13 оди- наковы. Поскольку они располагаются в смежных плечах моста, это не вызы- вает изменения выходного сигнала тензосхемы. Момент М создает в тензоре- зисторах 12 и 13 механические напряжения Т _и одинаковой величины, противоположные по знаку (растяжения в тензорезисторах 12 и сжатия в тен- зорезисторах 13):

Т _н = F ₀ х L _x / (2 х S х b) = m x w _x xL _x / (2 x S x b), где

m - масса груза (структуры 5).

В результате на выходе тензосхемы появляется сигнал, пропорцио- нальный действующему ускорению w _x . Для получения большой чувстви- тельности и минимизации «вредных» сдвиговых напряжений T _zx по сравне- нию с «полезными» Т _и необходимо максимально увеличивать отношение L _x / b, во всяком случае, обеспечить L _x / b > 1. При воздействии ускорения вдоль оси Y выходной сигнал тензосхемы не меняется, т.к. жесткость группы деформируемых тензорезисторов к моменту, создаваемому силой, направ- ленной вдоль оси Y в а/Ь раз больше, и, кроме того, изменения сопротивле- ний тензорезисторов 12 и 13, расположенных симметрично относительно оси, одинаковы. При воздействии ускорения вдоль оси Z выходной сигнал также не изменится, т.к. момент М равен нулю, а действие силы Fo вызывает одинаковое изменение сопротивлений тензорезисторов 12 и 13. Таким обра- зом, описанная конструкция обеспечивает нулевую поперечную чувстви- тельность преобразователя (акселерометра).

На фиг. 12 изображен преобразователь (двухосный акселерометр), из- меряющий одновременно ускорение w _x и w _y (вид сверху), в котором услов- ный прямоугольник 14 выполнен в виде квадрата, а на пластине 1 сформиро- ваны две тензосхемы, расположенные на двух противоположных сторонах условного прямоугольника (квадрата) каждая: тензосхема, осуществляющая измерения w _x , из тензорезисторов 12 на левой стороне квадрата и тензорези- сторов 13 на правой; тензосхема, осуществляющая измерения w _y , из тензоре- зисторов 19 на верхней стороне квадрата и тензорезисторов 20 на нижней. Структура 5 выполнена симметричной относительно осей X и Y, так что ее центр тяжести находится над центром 15 прямоугольника (квадрата) 14 на расстоянии L, большем стороны квадрата.

При воздействии ускорения w _z все тензорезисторы 12, 13, 19, 20 испы- тывают одинаковые механические напряжения, обусловленные вертикальной силой инерции, создаваемой w _z , сигналы на выходе обеих тензосхем отсутст- вуют, т.е. чувствительность преобразователя по обоим измерительным кана- лам к ускорению w _z равна нулю.

При воздействии ускорения w _x тензорезисторы 12 и 13 испытывают примерно равные механические напряжения, противоположные по знаку, на выходе тензосхемы, измеряющей w _x , возникает выходной сигнал, пропор- циональный w _x . Тензорезисторы 19 и 20, расположенные симметрично отно- сительно оси Y, испытывают равные механические напряжения одного знака, на выходе тензосхемы, измеряющей w _y , выходной сигнал равен нулю, т.е. чувствительность канала, измеряющего w _y к ускорению w _x равна нулю.

При воздействии ускорения w _y тензорезисторы 19 и 20 испытывают примерно равные механические напряжения, противоположные по знаку, на выходе тензосхемы, измеряющей w _y , возникает выходной сигнал, пропор- циональный _y . Тензорезисторы 12 и 13, расположенные симметрично отно- сительно оси X, испытывают равные механические напряжения одного знака, на выходе тензосхемы, измеряющей w _x , выходной сигнал равен нулю, т.е. чувствительность канала, измеряющего w _x к ускорению w _y равна нулю.

На фиг. 13 изображен преобразователь (датчик абсолютного давления, вид сбоку), в котором составная структура 5, состоящая из нижнего слоя, вы- полненного заодно с тензорезисторами 12 и 13 и пластиной 1, и верхнего слоя 21 (полиамидной пленки), наклеенного на нижний, герметично соеди- нена верхним слоем 21 с пластиной 1 по периметру 22, а внутренняя полость вакуумирована. В результате в структуре 5 сформированы утоненные гибкие области 23, отделяющие жесткую область 24 в центральной части структуры от периметра 22 пластины 1. Условный прямоугольник расположен у одного из краев жесткой области так, что центр 15 условного прямоугольника нахо- дится на расстоянии L от центра тяжести 25 жесткой области как геометри- ческой фигуры не меньшем удвоенной ширины b условного прямоугольника (длины сторон без тензорезистров): L > 2Ь.

При воздействии на преобразователь измеряемого давления на струк- туру 5 будет действовать сила F ₀ , пропорциональная давлению. Ее величина зависит от соотношения жесткостей центральной, жесткой области структу- ры 5 и гибких областей 23, а также от доли площади, занимаемой жесткой областью 24. При малой жесткости гибких областей 23 и большой доли пло- щади, занимаемой жесткой областью 24 по сравнению с площадью гибких областей, точка приложения силы Fo практически совпадает с центром тяже- сти 25 жесткой области как геометрической фигуры. Воздействие силы F ₀ Ha тензорезисторы 12 и 13 тензосхемы эквивалентно действию силы F ₀ , прило- женной к центру 15 условного прямоугольника, и момента М = F ₀ х L. Ре- зультатом воздействия силы, приложенной к центру 15 условного прямо- угольника, являются одинаковые для всех тензорезисторов 12 и 13 напряжения сжатия, не дающие выходного сигнала. Результатом воздействия момента М являются одинаковые по абсолютной величине напряжения сжа- тия для тензорезисторов 12 и растяжения для тензорезисторов 13. В резуль- тате на выходе тензосхемы возникает сигнал, пропорциональный измеряе- мому давлению. Для того, чтобы чувствительность преобразователя была достаточно велика и напряжения от силы Fo, приложенной к центру условно- го прямоугольника, были малы по сравнению с напряжениями, обусловлен- ными моментом, необходимо, чтобы отношение L/b было достаточно велико, во всяком случае L/b > 2.

Вариантом выполнения датчика давления, обеспечивающим симмет- ричность нагружения тензорезисторов 12 и 13 тензосхемы, является вы пол - нение жесткой области в центре структуры или/и пластины разделенной гибкими утоненными областями на две одинаковые симметричные относи- тельно центра структуры и пластины жесткие области с условными прямо- угольниками, содержащими два или четыре тензорезистра, расположенных на жестких областях симметрично у краев жестких областей так, что центр условного прямоугольника находится на расстоянии L от центра тяжести жесткой области как геометрической фигуры не меньшем удвоенной ширины b условного прямоугольника (длины сторон без тензорезистров), причем тен- зорезисторы в разных жестких областях, расположенные симметрично отно- сительно центра структуры и пластины, образуют противоположные плечи моста (одно плечо полумоста).

Функционирование преобразователя аналогично функционированию рассмотренного выше преобразователя абсолютного давления.

Заявляемый способ измерений физических величин пьезорезистивными преобразователями, обеспечивающий энергию деформации преобразователя, близкую к энергии деформации тензорезисторов, и осуществляющие его преобразователи обладают принципиальными преимуществами по сравне- нию с известным способом и осуществляющими его преобразователями и обеспечивают:

- более высокие, близкие к предельно достижимым теоретически, основные характеристики (чувствительность, быстродействие, минимальные габа- риты, включая возможность уменьшения размеров преобразователя до не- скольких десятков микрон);

- минимальный разброс чувствительности;

- более простую технологию изготовления, не требующую профилирования вообще либо резко упрощающую выполнение этой операции - допустимы гораздо большие отклонения и разброс по толщине профилированных об- ластей, а сами толщины могут быть гораздо большими;

- совместимость технологии изготовления преобразователя с технологией изготовления схем усиления и обработки сигнала, что делает целесооб- разным их одновременное изготовление в одном технологическом цикле в виде одного кристалла (микросхемы), и снижает стоимость их изготовле- ния.

Литература (Источники информации) Шелепин Н.А., Брехов Р.С. Интегральный кремниевый тензоакселерометр. Патент РФ JN° 2072728 от 24.02.1994 (G01P15/12). Стучебников В.М., Суханов В.И., Хасиков В.В. Тензорезистивные чувстви- тельные элементы на основе структур «кремний на сапфире» в преобразо- вателях давления для высоких температур. Журнал «Приборы и системы управления», 1981 г., N_>3, с. 3. А. Балакирев. Акселерометры компании Measurement Specialties. Журнал «Компоненты и технологии», 2007 г., JNTQ 7.