Проектирование упругого элемента

Наиболее распространенным материалом упругого элемента (УЭ) интегрального тензорезисторного преобразователя (ИТП) является кремний, в котором методом термической диффузии или ионной имплантацией примеси созданы тензорезистивные слои. В качестве материала упругих элементов применяется и сапфир, на котором методом эпитаксиальной технологии выращивается слой кремния. Во всех случаях разработка ИТП включает проектирование упругого элемента как обязательный этап.

Упругие элементы ИТП различаются по типу: столбиковые, мембранные, балочные, струнные. В свою очередь, в пределах типа упругие элементы различаются по форме, например, круглые и квадратные мембраны, балочки прямоугольные и криволинейных очертаний. Различие типов и форм связано с необходимостью измерения различных механических величин в разнообразных условиях. Первоначальные варианты ИТП имели УЭ столбикового или балочного типов, в которых материал в области расположения тензорезисторов находился в условиях одноосного напряжения состояния. В настоящее время широкое распространение получил УЭ мембранного типа и профилированные структуры с концентраторами напряжений, в которых тензорезисторы находятся в условиях сложного напряженного состояния, возникающего при действии измеряемой механической величины.

Упругие элементы столбикового типа в виде параллелепипеда сечением S=a·b и высотой h при обычном своем использовании в датчиках механических величин подвергаются одноосному сжатию. Отлично от ноля только продольная компонента тензора напряжения – x = F/S, где F - сжимающая нагрузка. Материал УЭ находится в условиях однородного напряженного состояния за исключением области вблизи торцов. В пределах участка с однородным напряжением чувствительность тензорезистора зависит только от кристаллографической ориентации тензорезистора, но не от его местоположения. Такой особенностью не обладают тензопреобразователи с УЭ мембранного или балочного типов.

В настоящее время нашли большое применение УЭ мембранного типа с круглой или квадратной мембраной. Под воздействием измеряемой механической нагрузки в УЭ возникает сплошное напряженное состояние. Аналитически поле напряжений мембраны при произвольном характере нагружения и защемления получить сложно, поэтому широко применяются различные варианты приближенного описания. Наиболее широко известно приближенное решение для круглой, жесткозащемленной мембраны, подвергающейся равномерно распределенной нагрузке. При этом должны выполняться соотношения:

где W, h, D, R – соответственно прогиб, толщина, диаметр и радиус мембраны.

В первоначальных работах, посвященных расчету напряженного состояния УЭ, мембрана рассматривалась в изотропном приближении. Сейчас применение этого приближения не является оправданным, поскольку имеется решение с более корректным учетом особенностей упругих элементов из кремния. Для упругой жесткозащемленной мембраны на поверхности УЭ отличны от нуля только три компоненты тензора напряжений:

,

,

где ; R – радиус мембраны; q –интенсивность нагрузки; - приведенные координаты точек.

Жесткое закрепление мембраны обеспечивает стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам. Осуществляется жесткое закрепление мембраны диффузионной сваркой или пайкой высокотемпературным припоем к прочному металлическому корпусу. Современный уровень технологии позволяет получать модули, у которых корпус и мембрана выполняются как одно целое. Мембраны при этом могут иметь круглую или квадратную форму.

На рис.3.2 показаны конструкции мембран. Материалом мембран корпуса является монокристаллический сапфир или монокристаллический кремний.

Рис.3.2. Конструкции мембран для установки полупроводниковых

тензорезисторов

Как указывалось, для изготовления тензорезисторов наиболее широко применяется кремний. Он обладает высокой тензочувствительностью, химически инертен, достаточно механически прочен, выдерживает нагрев до 550 - 600 °С.

Это позволяет изготавливать тензодатчики различные как по форме, так и по назначению, высокостабильных полупроводниковых тензорезисторов на основе германия и кремния.

Технология изготовления играет решающую роль в создании полупроводниковых тензодатчиков с требуемыми электрическими и механическими свойствами, в обеспечении стабильности и повторяемости свойств.