тавити у вигляді структурної схеми, показаної на малюнку 1.2. Рольелемента, що сприймає тиск, виконує мембрана, яка, деформуючись, передає вплив через шток (передавальний елемент) на балку (пружний елемент УЕ). Деформація пружного елемента викликає появу механічних напружень в тензорезисторами (ТР), включених в схему вторинного перетворювача, де можуть використовуватися підсилювачі і перетворювачі сигналу а також подстроєчниє елементи, за допомогою яких здійснюється настроювання і компенсація схеми приладу.
- корпус перетворювача; 2 - мембрана; 3 - шток; 4 - балка; 5 - тензорезистор; 6 - кріплення мембрани і балки; 7 - вихід; 8 - постійний або підбудовується резистор
Малюнок 1.1 - тензорезисторного перетворювач тиску
Історично розвиток механоелектричного перетворювачів відбувалося в кілька етапів таким чином, що на кожному черговому етапі інтегрувалися окремі фізико-конструктивні елементи перетворювача, представлені структурною схемою. Дійсно, на першому етапі інтеграція зводилася до об'єднання сприймає, передавального і пружного елементів. Перетворювач тиску, відповідний етапу I показаний на малюнку 1.3 (а). Тензорезистори приклеєні безпосередньо до мембрани, одночасно виконує функції сприймаючого і пружного елементів. Пристрій такого типу відрізняється простотою конструкції. Відсутність таких деталей, як передають важелі, кріплення збільшує надійність перетворювача і знижує її вартість. Однак даний тип перетворювача має знижену точність і помітну температурну залежність вихідного сигналу, обумовлені нестійкістю клейового з'єднання, розкидом параметрів тензорезисторів і додатковим навантаженням, яку дають мембрані чутливий елемент і клей. Крім того, сумарна жорсткість мембрани із закріпленим на ній тензоелементом стає настільки великою, що така конструкція придатна тільки для вимірювання порівняно високих тисків, починаючи з частки мегапаскалей і більше.
Етап II показаний на малюнку 1.3 (б) відповідає інтеграції перетворюючого елемента (тензорезистора) з мембраною. З появою технології виготовлення плівкових мікросхем, стало можливим створення перетворювачів, в яких на мембрані напилю плівкові тензоелементи. При цьому було вирішено й питання отримання однорідної мембрани. Надзвичайно мала маса такого тензоелемента дозволяє зняти проблему дополн?? тельной навантаження мембрани. Такими приладами можна вимірювати порівняно низький тиск. Цей метод забезпечує з'єднання чутливого елемента з мембраною фактично на молекулярному рівні і дає можливість підвищити точність, стійкість до механічних впливів.
а) б) в)
г) д) е)
- тензорезистор; 2 - мембрана; 3 - підстава мембрани; 4 - кришка
Малюнок 1.3 - Принципові конструкції тензорезисторних перетворювачів тиску, які відповідають різним етапам фізико-конструктивної інтеграції: а - I; б, в - II; г - III; д - IV; е - V
Наступний крок, показаний на малюнку 1.3 (в), який, відповідає тому ж етапу II фізико-конструктивної інтеграції, передбачає створення повністю однорідної тонкої кремнієвої мембрани з розташованими на ній дифузійними TP. Слід зазначити, що цей крок на шляху розвитку перетворювачів являє собою новий рівень технологічної інтеграції. Застосування методів інтегральної електроніки при виготовленні таких перетворювачів призвело до збільшення їх надійності, чутливості, точності, до зменшення габаритів, маси і підвищенню стабільності при зміні температури навколишнього середовища. Однак проблема точного позиціонування зони закладення однорідної кремнієвої мембрани продовжувала стримувати подальше поліпшення характеристик перетворювачів.
Етап III фізико-конструктивної інтеграції, показаний на малюнку 1.3 (г) відкриває нову еру в розвитку не тільки перетворювачів тиску, а й перетворювальної техніки взагалі. Розвиток методів локального контрольованого травлення напівпровідникових матеріалів дозволило створити перетворювач тиску з повністю інтегральним чутливим елементом (ЧЕ), що представляє собою тонку кремнієву мембрану з виготовленими на ній дифузійними TP, причому мембрана обрамлена масивною підставою, що представляє з нею єдиний монокристал. Таким чином, на цьому етапі інтегруються вже елементи внутрішньої конструкції перетворювача, а саме вузол закладення і підстава тонкої мембрани.
Це дозволило всі проблеми, пов'язані з точністю і надійністю, вирішувати на етапі виробництва кристала чутливого елемента за допомогою технології мікроелектроніки. Оскільки мікроелектронна технологія заснована на груповому способі виробництва, то, крім поліпшення основних технічних характеристик, була кардинально вирішена проблема зменшення вартості перетворювачів.
Етап IV, що відноситься до малюнка 1.3 (д)...
