184437. lajstromszámú szabadalom • Integrált áramkörös elektromechanikai átalakító
1 184437 2 A találmány tárgya olyan integrált áramköri elektromechanikai átalakító szerkezet, mely alkalmas abszolút és relatív nyomás, erő, gyorsulás és más technikai mennyiségek mérésére. A kitűzött feladatot az ismert megoldásoktól alapvetően eltérő módon oldjuk meg. A javasolt szerkezet lényege, hogy a teljesen áttört, vagy üregesen kiképzett félvezető érzékelő testen a deformáció érzékeny integrált áramkör, vagy integrált áramköri elemek az áttörés, vagy az üreg körül helyezkednek el. Ma már széles körben alkalmaznak a hagyományos mechanikus rendszerek helyett azoknál nagyobb pontosságú, érzékenyebb félvezető alapú elektromechnikai átalakítókat (transducereket, transmittereket). A félvezető alapú átalakítók közös jellemzője, hogy valamely résznél mereven befogott félvezető testet tartalmaznak, amelyen deformáció érzékeny integrált áramkör vagy áramköri elem helyezkedik el, és az az integrált áramkör vagy áramköri elem a félvezető testben létrejövő, a mérendő mechanikai mennyiséggel arányos deformáció hatására valamilyen paraméterét megváltoztatja. Ilyen áramköri elem lehet pl. a bipoláris tranzisztor, amelynek deformációérzékeny paramétere a p—n átmenet karakterisztikája vagy bázisszélesség, a MOS tranzisztor, ahol ez a paraméter a csatornaszélesség vagy az inverziós réteg piezorezisztivitása, a piezorezisztív ellenállás, amelynek fajlagos ellenállása deformációfüggő, stb. A napjainkban kivitelezett rendszerek közül a legjobbaknak azok a félvezető alapú elektromechanikai átalakítók bizonyultak és terjedtek el, amelyek félvezető testje sík vagy üreges kiképzésű és a félvezető testén megfelelőek pozícionált és egy Wheatstone híd négy ágát képező integrált piezorezisztiv ellenállások helyezkednek el. Egy korszerű és a gyakorlatban megvalósított kiviteli példát javasolt a 4065 971 lastromszámú USA szabadalom. A szabadalom feltatálói az üregesen kiképezett félvezető testen oly módon helyezik el a piezorezisztiv ellenállásokat, hogy azok a félvezető test legvékonyabb részén és mindenkor a mérendő mechanikai mennyiséggel arányos közvetítő erőre merőleges síkban helyezkednek el. Az ismert megoldást az 1. ábrán mutatjuk be, ahol 1 félvezető testet, 2 üreget, 3 piezorezisztiv ellenállásokat jelenti. Az 1 ábrából tehát egyértelműen megállapítható, hogy a 3 piezorezisztiv ellenállások az 1 félvezető testnek azon a részén helyezkednek el, mely a mérendő erő hatására meghajlik. További kiviteli példát ismertet az IEEE Transactions on Electron Devices VOL, ED—26 No 12 December 1979. számában. A szerzők Sámuel K. Clark és Kensall D. Wise. A hivatkozott irodalomban a szerzők lényegében hasonló szerkezetű megoldást ismertetnek, amely a napjainkban a legjobban elterjedt. Ezen ismertetés összefoglalja e megoldások közös jellemzőit és megállapítja, hogy a piezorezisztiv ellenállások az üregesen kiképzett szilícium alapú test legvékonyabb részének felületén helyezkednek el, amely az erő hatására meghajlik. A félvezető alapú elektromechanikai átalakítók lényegesen kedvezőbb tulajdonságokat mutatnak bármely hagyományos rendszerhez képest, például nagyobb az érzékenység, kisebb a hiszterézis és a nemlinearitás, hosszabb az élettartam stb. E jelentős előnyük melett azonban számos hibájuk van, ami alól nem mentesek a legjobbnak minősített, legkorszerűbb piezorezisztiv félvezető alapú elektromechanikai átalakítók sem. Nehézséget jelent a félvezető testet befogó szerkezeti anyagok és tömítések megválasztása, ezeknek ugyanis a hőtágulás szempontjából illeszkedniük kell a félvezetőhöz, ezenkívül — nagyobb igénybevételek esetén, pl. nagy nyomások mérésekor — is megfelelően tömítettnek és elég robosztusnak kell lenniük ahhoz, hogy ne deformálódjanak. Ha a mérendő közeg a félvezetőre nézve agresszív, akkor ezeket egymástól egy közvetítő közeggel és azt lezáró fém-membránnal el kell választani, ami — főként dinamikus mérési üzemmódban — a mérési hibákat növeli. A félvezető test lehajlásának csak egy szűk tartományában lineáris, azentúl egyre nagyobb nem-linearitást mutat. Körülményes és igen kritikus művelet a félvezető test lehajló részének levékonyítása, mert ezen művelet pontosságától nagymértékben függ a rendszer érzékenysége és linearitása. A napjaink gyakorlatában megvalósított elektromechanikai átalakítókra tehát közösen jellemző, hogy a félvezető érzékelő test sík vagy üregesen kiképzett és a homogén vastagságú vagy üreges kiképzés esetén a levékonyított testen a piezorezisztiv ellenállások a félvezető test azon részén helyezkednek el, amely a mechanikai mennyiséget közvetítő erő hatására meghajlik. A találmány célja olyan mérőrendszer kidolgozása, amellyel a mechanikai mennyiségek úgy mérhetők, hogy a korszerű félvezető alapú elektromechanikai átalakítók előnyös jellemzőinek megőrzése mellett egyidejűleg azok hiányosságai és hibái csökkenthetők, illetve kiküszöbölhetők legyenek. A találmány alapja az a felismerés, hogy a rendszer nem-linearitása és hiszterézise csökkenthető, ha olyan helyzetet teremtünk, melyben a félvezető testre ható, a mérendő mechanikai mennyiségra jellemző erőhatás a félvezető test mechanikai feszültségállapotát a deformációérzékeny integrált áramköri elemek helyén lokálisan maximálisan növeli, miközben a teljes félvezető test alakja, a lehető legkisebb mértékben változik meg. Ennek eredményeként megnő a rendszer érzékenysége, ami tovább csökkenti a maximális igénybevételre vonatkoztatott nem-linearitást és hiszterézist, de a hasonlóan definiált összes egyéb hiba is csökken. A kitűzött feladatot azzal oldjuk meg, hogy a félvezető érzékelő testben teljesen áttört nyílást vagy üreget képezünk ki, és a deformációérzékeny integrált áramkör, vagy áramköri elemek, vagy az áttört nyílás körül vannak elhelyezve, vagy az üreg körüli, annak kiindulási síkjában helyezkednek el. A találmány egyik, áttört nyílással kiképzett kiviteli példáját a 2. ábrán mutatjuk be. Az abszolút és relatív nyomás, erő, gyorsulás vagy egyéb mechanikai mennyiség mérésére előnyösen alkalmazható integrált áramkörös elektromechanikai átalakító szerzeket 4 félvezető érzékelő testén 6 áttörés van kiképezve, és az 5 deformációérzékeny integ5 10 15 20 25 30 35 40 15 50 55 60 GR 2
