Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям деформации материала. Цель изобретения ра ну Ч( ак сширение диапазона измерения в сторомалых давлений. Устройство предназнэIHO для применения в качестве злизатора состава газов, сверхчувствительного микрофона, датчика давления, силы , линейного,ускорения, температуры и других подобных устройств в качестве унифицированного преобразователя деформации кремниевой мембраны п электрический сигнал. Измерение с высокой точностью малых перемещений (от единиц до сотен ангстрем ) достигается за счет эффекта туннельного тока, возникающего между металлической иглой, расположенной на пьезоэлементе, и кремниевой мембраной.при малых расстояниях между ними. Подачей высокого напряжения на электрическую ось X пьезоэлемента можно регулировать расстояние между острием мглы, расположенной на механической оси Y пьезозлемента, и кремниевой мембраной по величине туннельного тока. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 В 7/18

СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ домст80 сссР

СПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (2 ) 4902657/28 (2 ) 16.01.91 (4 ) 30.08.93. Бюл. М 32 (7 ) В.Г.Фадин и Н.И.Кузнецов (5 ) Патент США М 3782182, к . G 01 В 7/18, 1974.

Авторское свидетельство СССР

1052848, кл. 6 01 В 7/18, 1982. (5 ) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (5 ) Изобретение относится к иэмерительн и технике, а именно к измерениям деформ ции материала. Цель изобретенил —. р сширение диапазона измерения в сторон малых давлений. Устройство предназнач но для применения в качестве а алиэатора состава газов, сверхчувствит,льного микрофона, датчика давления, сиИзобретение относится к измерительн и технике, а именно к измерению деформ ции материала, изготавливаемого м тодами микроэлектронной технологии, в к честве унифицированного преобразоват ля деформации в электрический сигнал.

Цель изобретения — расширение диапаэс на измерения о сторону малых перемещений и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что д тчик давления. содержащий мембрану из э ектропроводного кремния с опорным осн ванием и контактной площадкой и соедин нный с ней токовывод, снабжен р эмещенным на опорном основании мемб аны изоляционным слоем, медной плас иной. закрепленной на изоляционном

„„. Ы „„1 838754 А3 лы, линейного. ускорения, температуры и других подобных устройств в качестве унифицирован ного преобразователя деформации кремниевой мембраны в электрический сигнал. Измерение с высокой точность о малых перемещений (от единиц до сотен ангстрем) достигается за счет эффекта туннельного тока, возникающего между металлической иглой, расположенной на пьезоэлементе, и кремниевой мембраной.при малых расстояниях между ними. Подачей высокого напряжения на электрическую ось

Х пьезоэлемента можно регулировать расстояние между острием иглы, расположенной на механической оси Y пьезоэлемента, и кремниевой мембраной по величине туннельного тока. 2 ил. слое, закрепленным на пластине своими концами пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда, двумя токовыводами, соединенными с соответствующими концами пьезоэлемента, и закрепленной в средней части пьезоэлемента обращенной в сторону мембраны металлической иглой с токовыводом.

На фиг.1 представлена структурная схема датчика давления; на фиг.2 — электрическал схема датчика давления.

Датчик давления содержит мембрану 1, изготовленную из монокристалла кремния одного типа проводимости, пьезоэлемента в форме naраллелепипеда 2 с закрепленной на нем по механической оси Y металлической иглой 3. Пьезоэлемент 2 крепитсл сво1838754 ими концами на медной пластине 4, закрепленной на изоляционном слое 5. По электрической оси Х пьезоэлемента 2 нанесены контактные площадки 6 с токовыводами 7.

На мембрану 1 нанесена контактная площадка 8 с токовыводом 9, а к металлической игле 3 подключен токовывод 10.

Датчик давления работает следующим образом (фиг.2). В исходном состоянии конец металлической иглы 3, обращенный в сторону мембраны 1,устанавливается на малом расстоянии (от единиц до сотен ангстрем) от кремниевой мембраны 1. Если теперь приложить напряжение порядка

1000 В от управляемого источника напряжения 11 по электрической осиф пьезоэлемента 2, игла 3 переместится по механической оси Y в направлении мембраны.1 на рассто. яние, необходимое для возникновения туннельного тока, возникающего между иглой

3 и мембраной 1 по токовыводам 9 и 10 от источника опорного напряжения 12.

Таким образом; регулировкой высокого напряжения от источника 11 можно выбрать начальное значение туннельного тока. При воздействии какихлибо внешних факторов кремниевая мембрана 1 будет деформироваться в направлении иглы 3. Туннельный ток, протекающий через нагрузку 13, усиливается усилителем 14 и через цепь 15 обратной связи управляет напряжением источника 11, устанавливая прежнее значение туннельного тока за счет изменения расстояния между мембраной 1 и иглой 3, Изменение напряжения управляемого источника напряжения.11 соответствует первмещению мембраны 1. Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый

5 датчик обладает новыми свойствами: уменьшает нижнюю границу измеряемых деформаций на порядок и ниже (до единиц ангстрем), т.е, повышает чувствительность за счет эффекта туннельного тока; повыша10 ет точность измерения за счет линейности шкалы, так как маль1м перемещениям мембраны (единицы-десятки ангстрем) соответствует значительное изменение напряжения, приложенного к пьезоэлемен15 ту (десятки-сотни вольт).

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий мембрану из электропроводного кремния с опорным основанием и контактной площадкой и

20 соединенный с ней токовывод, о т л и ч а ющ и и с- я тем, что, с целью расширения диапазона измерения в сторону малых давлений,, он снабжен размещенным на опорном основании мембраны изоляционным

25 слоем, медной пластиной, закрепленной на изоляционном слое, закрепленным на пластине своими концами пьезоэлементом, выполненным в виде прямоугольного параллелепипеда, двумя токовыводами. со30 единенными с соответствующими концами пьезоэлемента, и закрепленной в средней части пьезоэлемента обращенной в сторону мембраны металлической иглой с токовыводом.

1838754 I

Составитель Н.Кузнецов

P дактор С.Кулакова Техред М.Моргентал Корректор В.Петраш

3 каз 2922 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитата по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101