SU1024697A1

SU1024697A1 - Small-base strain gauge thermal pickup

Info

Publication number: SU1024697A1
Application number: SU823402374A
Authority: SU
Inventors: Александр Иванович Дрожжин; Александр Петрович Ермаков
Original assignee: Воронежский Политехнический Институт
Priority date: 1982-02-22
Filing date: 1982-02-22
Publication date: 1983-06-23

Abstract

МАЛОБАЗНЫЙ ТЕНЗОТКРМОДАТЧИК, содержащий нитевидный кюнокристалл кремни , на котором сформирован р-п переход с притыкающими к нему участками с проводимостью р-типа и п-типау и три точечных омических контакта, один из которых размещен на участке с провЬдимостью п-типа, а два - -на участке с проводимостью р-типа, отличающийс тем, что, с целью повьшени точности измерений деформации и температуры, участки с проводимостью р-типа и п-типа расположены последовательно по длине монокристалла , каждый из двух крайних омических контактов расположен на монокристалле на рассто нии не менее 10 его диаметров от соответствующего торца, а средний омический контакт расположен на рассто нии от р-п перехода , равном К Уи SP L- 1. SPp SH где In - рассто ние.от среднего контакта до р-п перехода; L - рассто ние от контакта, расположенного на участке с проводимостью п-типа, до р-п перехода;.S К и К - коэффихдаенты.тенэочувстви (Лтельности на участках с проводимостью р-типа и п-типа; С Ор и 1 - удельна проводимость легиS рованного кремни на участ-, ках с проводимостью р-типа s и п-типа; SP и S. - площади поперечного сечени участков с проводимостью р-типа и п-типа. IND u Oi СОA SMALL BASE STRETCHER containing a filamentous silicon kunokrystal on which a pn junction is formed with areas with p-type and p-type conductivity attached to it and three ohmic point contacts, one of which is located on the site with n-type conductance, and two -in the area with p-type conductivity, characterized in that, in order to improve the accuracy of measurement of deformation and temperature, the areas with p-type and p-type conductivity are arranged sequentially along the length of the single crystal, each of the two extreme ohmic contacts placed on a single crystal at a distance of not less than 10 of its diameters from the corresponding end, and the average ohmic contact is located at a distance from the pn junction equal to K Ui SP L- 1. SPp SH where In is the distance from the average contact to p -n transition; L is the distance from the contact located on the site with n-type conductivity to the p-junction; S K and K are the coefficients of shade sensitivity (It is in areas with p-type and n-type conductivity; C Op and 1 - the conductivity of alloyed silicon in areas with p-type s and p-type conductivity; SP and S. are the cross-sectional areas of p-type and p-type conductivity. IND u Oi CO

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к полупроводниковым датчикам дл измерени деформаций и температур.The invention relates to a measurement technique, namely semiconductor sensors for measuring strain and temperature.

Известен малобазный тензодатчик, содержащий нитевидный монокристалл кремни и три точечных омических контакта , один из которых расположен в средней части монокристалла, а два на торцах -монокристалла 1.Known low-base strain gauge containing filamentary silicon single crystal and three point ohmic contacts, one of which is located in the middle of the single crystal, and two at the ends of the single crystal 1.

Однако точность измерени деформа ций этим датчиком ограничена вли нием краевого эффекта, про вл нлцегос в зоне каждого торца, а измерение температуры таким датчиком вообще невозможно.However, the accuracy of deformation measurement by this sensor is limited by the influence of the edge effect, which manifests itself in the zone of each end, and temperature measurement by such a sensor is generally impossible.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту вл етс малобазный тензодатчик, содержащий нитевидный монокристалл кремни , на котором сформирован р-п переход с примыкающими к нему участками с проводимостью р-типа и п-типа, расположенными один на другом на поверхност монокристалла, и три точечных омичес ких контакта, один из которых размещен на участке с проводимостью п-типа , а два - на участке с проводимостью р-типа 2.The closest to the invention to the technical essence and the achieved effect is a low-base strain gauge containing a filamentary silicon single crystal, on which a pn junction is formed with adjacent p-type and p-type conductivity located one on another on the surface of the single crystal, and three point ohmic contacts, one of which is located at the site with n-type conductivity, and two - at the site with p-type conductivity 2.

Однако известный тензотермодатчик не обеспечивает высокой точности измерени деформации вследствие вли ни краевого эффекта, а измерение температуры по сопротивлению р- п перехода происходит с невысокой точностью вследствие наличи чувствитёльностй рт п перехода к деформации монокристалла. ГHowever, the known strain gauge sensor does not provide high accuracy of strain measurement due to the influence of the edge effect, and temperature measurement by the resistance of the pn junction occurs with low accuracy due to the presence of sensitivity of the pn n junction to single crystal deformation. R

Цель изобретени - повышение точности измерений деформации и температуры .The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement of strain and temperature.

Эта цель достигаетс тем, что в малобазном тензотермодатчике, содержащем нитевидный монокристалл кремни , на котором сформирован р-п переход с примыкак цими к нему участками с проводимостью р-типа и п - типа , и три точечных омических, контакт один из которых размещен на участке с проводимостью п-типа, а два - на участке с проводимостью р-типа, участки с проводимостью р-типа и п-типа расположены последовательно по длине монокристалла, каждый из двух крайних омических контактов расположен на монокристалле на рассто нии не менее 10 его диаметров от соответствующего торца, а средний омический контакт расположен на рассто нии от р-п перехода, равномThis goal is achieved by the fact that in a low-base strain gauge sensor containing a silicon filamentous single crystal, on which a pn junction with adjacent p-type and p-type conductivity is formed, and three ohmic point contacts, one of which is located on the site with n-type conductivity, and two - on a p-type conductivity section, p-type and n-type conductivity sections are located successively along the length of a single crystal, each of the two extreme ohmic contacts located on a single crystal at a distance of not less than 10 its diameter ditch from the corresponding end, and the average ohmic contact is located at a distance from the pn junction equal to

//

1 1 Ч . -Р г п 1,1 к о S р Ур и1 1 H -P g p 1.1 to about S p Ur and

где IP - рассто ние от среднего контакта до р-п перехода; where IP is the distance from the average contact to the pn junction;

(. - рассто ние-от контакта, расположейного на участке с проводимостью п-±ипа, до , р-п перехода; Кр и К - коэффициенты тензочувствительности на участках с проводимостью р-типа и п-типа; Рр РИ удельна проводимость легированного кремни на участках с проводимостью р-типа и п-типа;(. - distance-from the contact located on the site with the conductance of p- ± ip, to the pn junction; Kp and K are the stress-sensitivity coefficients on the sites with p-type and p-type conductivity; Рр РИ conductivity of the doped silicon in areas with p-type and p-type conductivity;

;Sp иS - площади поперечного сечени участков с проводимостью р-типа и п-типа.; Sp and S is the cross-sectional area of areas with p-type and p-type conductivity.

На чертеже представлен тензотермодатчик , общий вид.The drawing shows the strain gauge, General view.

Малобазный тензотермодатчик содержит нитевидный монокристалл 1 кремни с ориентацией от роста 111, на котором сформирован р-п переход 2 с примыкающими к нему участками 3 и 4 . с проводимостью соответственно р-типа и п-типа, и три точечных омических контакта 5, 6 и 7, причем контакты 5 и 7 расположены на рассто нии 1 не менее 10 диаметров монокристалла от соответствующих торцев, а контакт 6 - на рассто нии от р-п перехода , определ емой формулой (1)„The low-base strain gauge sensor contains a filament-like monocrystal 1 of silicon with orientation 111 of growth, on which a pn junction 2 with adjacent portions 3 and 4 is formed. with p-type and p-type conductivity, respectively, and three point ohmic contacts 5, 6, and 7, and contacts 5 and 7 are located at a distance of at least 10 diameters of a single crystal from their respective ends, and contact 6 is at a distance from p -n transition, defined by the formula (1) „

Участок 3 имеет проводимость р-тиг па и коэффициент тензочувствительности К«90 до 110. Он образует тензочувствительный элемент датчика. Участок .4 нитевидного монокристалла 1 кремни , заключенный между контактами 6 и 7, образует термочувствительный элемент. Участки 3 и 4 с различной проводимостью можно получить, например , методом диффузии или при выращивании нитевидных кристаллов. Последний метод позвол ет получать ри п-области, имеющие одинковые свойства и нужные размеры одновременно на партии монокристаллов. Section 3 has the conductivity p-tig pa and the coefficient of strain sensitivity K 90 to 110. It forms a strain-sensing element of the sensor. Plot .4 filament single crystal 1 silicon, enclosed between contacts 6 and 7, forms a temperature-sensitive element. Sections 3 and 4 with different conductivities can be obtained, for example, by diffusion or by growing threadlike crystals. The latter method allows one to obtain ri p-regions with the same properties and the required dimensions simultaneously on a batch of single crystals.

Малобазный тензотермодатчик принципиально возможно изготовить и из крупногомонокристалла полупроводника , пользу сь существующей технологией , например выпиливанием, шлифовкой , травлением и т.д. Однако дешевле , проще и с лучшими характеристиками можно ИЗГОТОВИТЬ; полупроводниковые тензотермодатчики из нитевидных кристаллов. Это св зано с тем, что нитевидные кристаллы можно получать в процессе роста нужных paiSMeров и формаf ориентированные в строго определенных кристаллографических направлени х, соответствующих наибольшей тензочувствительности. Теплова инерци таких приборов мала л/. /(1-3) и дает возможность практически безынерционно измер ть температуру малых объектов, труднодоступных мест, быстропротекающих процессов .A low-base strain gauge sensor is in principle possible to be made from a single-crystal semiconductor using the existing technology, for example, cutting, grinding, etching, etc. However, it is cheaper, simpler and with better characteristics can be MADE; semiconductor strain gauges of filamentary crystals. This is due to the fact that whiskers can be obtained in the process of growth of the desired paiSMerov and shapef oriented in well-defined crystallographic directions corresponding to the highest strain sensitivity. The heat inertia of such devices is small l /. / (1-3) and makes it possible to measure the temperature of small objects, hard-to-reach places, and fast processes almost without any excuse.

Малобазный тензотермодатчик работает следующим образом. Low-base strain gauge works as follows.

Тензотермодатчик приклеиваетс к контролируемой детали (не показана). Дл измерени деформации крнтакты 5 и 6 соедин ют со входом канала измерени относительного изменени сопротивлени .A strain gauge is glued to a test piece (not shown). To measure the strain, contacts 5 and 6 are connected to the input of the channel for measuring the relative change in resistance.

Дл измерени температуры со входом измерительного канала соедин ют контакты 6 и 7.To measure the temperature, pins 6 and 7 are connected to the input of the measuring channel.

Деформаци контролируемой детали передаетс нитевидному монокристаллу , наклеенному на ее поверхность. Однако его деформаци неоднородна по длине даже в случае, если деформаuuff . контролируемой детали под тензотермодатчиком однородна. У концов монокристалла 1 имеетс слабодеформированна область, в которой изменение сопротивлени ,обусловленное деформацией, незначительно. В средней части монокристалла 1 имеетс однородно деформированна область, в которой изменение сопротивлени ,обусловленное деформацией, имеет максимальную веш1чину. Благодар тому,что участок 3 перенесен в однородно деформированную область мoнoкpиcтaлJr a 1,The deformation of the part being monitored is transferred to a filiform monocrystal glued to its surface. However, its deformation is not uniform in length, even if it is a deformation. controlled parts under the strain gauge is homogeneous. At the ends of single crystal 1, there is a weakly deformed region in which the change in resistance due to the deformation is insignificant. In the middle part of single crystal 1, there is a uniformly deformed region in which the change in resistance due to the deformation has a maximum weight. Due to the fact that section 3 is transferred to a uniformly deformed region of the microcrystal Jr a 1,

увеличиваетс амплитуда выходного электрического сигнала датчика и повышаетс точность измерени деформации , а также быстродействие, посколь ку базой служит часть длины монокристалла 1. В то же врем включение в участок 4, используег 1й дл измерени температуры, областей с проводимостью р-типа и п - типа позвол ет Компенсировать тензочувствительностьthe amplitude of the output signal of the sensor increases and the accuracy of strain measurement is improved, as well as the speed, since the base is part of the length of single crystal 1. At the same time, the inclusion in section 4, using 1st temperature, p-type and n-type areas allows to compensate the strain sensitivity

одной области тензочувствИтельностью другой области, имеющей противоположный знак. Выбор соответствующих длин этих областей и позвол ет достичь почти полной компенсации тензочувствительности материала монокристалла 1 при измерении температуры.one area of stress sensitivities of the other area having the opposite sign. The choice of the appropriate lengths of these regions and allows one to achieve almost complete compensation of the strain sensitivity of the material of single crystal 1 when measuring temperature.

Применение предлагаемого малобазного тензотермодатчика при исследовании процессов нагружени деталей, работающих в широком температурном диапазоне, позвол ет получить более достоверные данные об услови х работы этих деталей как при лабораторных экспериментах, так и в услови х промьшшенной эксплуатации машин и механизмов .The use of the proposed low-base strain gauge in studying the processes of loading parts operating in a wide temperature range allows obtaining more reliable data on the working conditions of these parts both in laboratory experiments and in the conditions of industrial operation of machines and mechanisms.

Claims

SMALL-BASED TENSO-THERMAL SENSOR containing a whisker silicon single crystal on which a ρ-η junction is formed with adjacent sections with p-type and p-type conductivity> and three point ohmic contacts, one of which is located on the site with η-type conductivity, and two - in a section with p-type conductivity, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements of strain and temperature, sections with p-type and η-type conductivity are arranged sequentially along the length of the single crystal, each of the two extreme ohmic contacts is located on single crystal at a distance of at least 10 diameters from the corresponding end face, and the average ohmic contact is located at a distance from the p-η junction equal to where 1p is the distance from the middle contact to the p-η junction;

1 - the distance from the contact located on the site with the conductivity of η - type, to the pn junction ;. g

K - factors \ _p and tenzochuvstviK

S _p and activity in areas with pro / L conductivity of p-type and η-type; * _Г ------ - ------, у is the specific conductivity of doped silicon in areas with p-type and η-type conductivity;

cross-sectional areas of sites with p-type and η-type conductivity.

A _r ^^ 7 Ιβ In ~ * ---- *>

and two effects are 15 contacts, one of which is