Полупроводниковый датчик давления

 

Использование: в измерительной технике при измерении давления. Сущность изобретения: с целью повышения точности за счет увеличения выходного сигнала измерительной схемы и улучшения технологичности конструкции в полупроводниковом датчике давления, содержащим упругий элемент из полупроводникового материала с опорным основанием по периметру и профилированной мембраной, конфигурация которой выполнена с двух сторон, имеющей с непланарной стороны утолщенные жесткий центр и элементы жесткости, расположенные соответственно симметрично в центре мембраны и относительно центра на продольной оси мембраны у ее периферии, и тензорезисторами мостовой схемы, размещенными на планарной стороне мембраны, элементы жесткости определенных геометрических размеров расположены дополнительно и на поперечной оси симметрии мембраны. Каждый тензорезистор выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых резистивных участков. Резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно на ребрах жесткости симметрично относительно центра упругого элемента и перпендикулярно внутреннему контуру мембраны и элементам жесткости, а резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на ребрах жесткости симметрично относительно центра упругого элемента и перпендикулярно внешнему контуру мембраны и элементам жесткости. Геометрические характеристики мембраны, ребер жесткости и элементов жесткости удовлетворяют определенным соотношениям. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления.

Известен интегральный полупроводниковый преобразователь давления, содержащий опорное основание с упругой мембраной, на которой выполнены ребра жесткости в форме прямоугольной балки с определенными геометрическими характеристиками, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью симметрии упругой мембраны, и тензочувствительные элементы, размещенные на ребре жесткости [1] Недостатком такого преобразователя является невысокая точность измерения, обусловленная нелинейностью упругого элемента, мембрана которого выполнена однородной со стороны воздействия измеряемого давления, и малой величиной выходного сигнала измерительной схемы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик давления, содержащий объемную упругую мембрану из полупроводникового материала с опорным основанием по периметру, конфигурация которой выполнена травлением с двух сторон, имеющей с непланарной стороны утолщенные жесткий центр и элементы жесткости, расположенные соответственно симметрично в центре мембраны и относительно центра на продольной оси мембраны у ее периферии, и тензорезисторами мостовой схемы, размещенными на планарной стороне мембраны над ее тонкими перемычками [2] Недостатками этого датчика давления являются невысокая точность измерения за счет малой величины выходного сигнала от воздействующего измеряемого давления, обусловленная конструкцией упругого элемента, а также сложность конструкции датчика, которая предусматривает изготовление отдельных полупроводниковых тензорезисторов и точное их закрепление на поверхности упругой мембраны над ее тонкими перемычками.

Цель изобретения повышение точности измерения за счет увеличения выходного сигнала измерительной схемы и улучшение технологичности конструкции.

Для этого в полупроводниковом датчике давления, содержащем упругий элемент из полупроводникового материала с опорным основанием по периметру и профилированной мембраной, конфигурация которой выполнена с двух сторон, имеющей с непланарной стороны утолщенные жесткий центр и элементы жесткости, расположенные соответственно симметрично в центре мембраны и относительно центра на продольной оси мембраны у ее периферии, и тензорезисторами мостовой схемы, размещенными на планарной стороне мембраны, элементы жесткости определенных геометрических размеров расположены дополнительно и на поперечной оси симметрии мембраны, а каждый тензорезистор выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых резистивных участков, причем резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно на ребрах жесткости симметрично относительно центра упругого элемента и перпендикулярно внутреннему контуру мембраны и элементам жесткости, а резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на ребрах жесткости симметрично относительно центра упругого элемента и перпендикулярно внешнему контуру мембраны и элементам жесткости, при этом геометрические характеристики мембраны, ребер жесткости и элементов жесткости удовлетворяют следующим соотношениям а_м: B 2-250; h_м h_э.ж.= 0,025-0,5; (а_о м) 2 m 0,25-25, где а_м, В длина стороны мембраны упругого элемента и ширина ребра жесткости соответственно; h_м, h_э.ж. толщина мембраны и толщина элементов жесткости соответственно; a_o, l_м, m расстояние между внешними сторонами элементов жесткости, расстояние между внутренними сторонами элементов жесткости и длина элемента жесткости соответственно.

На чертеже показаны упругий элемент 1 из полупроводникового материала, мембрана 2 упругого элемента толщиной h_м h_Σ -h_р.ж, элементы 3 жесткости толщиной _hэ.ж. жесткий центр 4 толщиной Н, ребро 5 жесткости в форме прямоугольной балки толщиной h_р.ж. внешний контур 6 мембраны упругого элемента, тензорезисторы 7 мостовой схемы, внешняя сторона 8 элемента жесткости, внутренняя сторона 9 элемента жесткости, токоведущие коммутационные дорожки 10, опорное основание 11 упругого элемента толщиной Н, контактные площадки 12 и 12а для подключения источника питания, контактные площадки 13 и 13а для снятия выходного сигнала с мостовой схемы, оси симметрии Х, Y упругого элемента, резистивные участки R'₁, R'₃ тензорезисторов R₁ и R₃ с отрицательной чувствительностью < 0, резистивные участки R'₂, R'₄ тензорезисторов R₂ и R₄ с положительной чувствительностью > 0, размер стороны внешнего контура мембраны а_м и расстояние l_м между внутренними сторонами элементов жесткости, а_о, l_o расстояние между внешними сторонами элементов жесткости и размер сторон жесткого центра соответственно, B, m ширина ребра жесткости и длина элемента жесткости соответственно, Н, h_м, h_Σ, h_э.ж., h_р.ж. толщина опорного основания, толщина мембраны, суммарная толщина мембраны и ребра жесткости, толщина элемента жесткости, толщина ребер жесткости соответственно, А, В, С, D, E, F, G, K особые точки мембраны упругого элемента.

Полупроводниковый датчик давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например из кремния n-типа марки КЭФ-4,5 с ориентацией (001). Направления осей симметрии упругого элемента (Х и Y) совмещены с кристаллографическими осями [100] и [010] В упругом элементе 1 с толщиной Н, равной толщине исходной кремниевой пластины, локальным, например анизотропным, травлением с непланарной стороны сформированы мембрана 2 упругого элемента с размером сторон а_м x а_м и толщиной h_м, элементы 3 жесткости толщиной h_э.ж. (h_Σ < h_э.ж. ≅Н) и размером ˙ m (B ≅ m < l_м), расположены симметрично относительно центра упругого элемента на взаимно перпендикулярных осях симметрии Х и Y, и жесткий центр 4 толщиной Н и размером l_o x l_o, расположенный симметрично в центр упругого элемента. С планарной стороны упругого элемента 1 локальным, например анизотропным, травлением кремния выполнены ребра 5 жесткости в форме прямоугольной балки шириной В и толщиной h_р.ж., расположенные вдоль взаимно перпендикулярных осей симметрии, и одновременно образованы внешний контур 6 мембраны размером а_м х а_м и толщиной h_м и жесткий центр 4 размером l_o x l_o и толщиной Н. На ребрах 5 жесткости размещены интегральные тензорезисторы 7 мостовой измерительной схемы. Причем каждый тензорезистор выполнен составным из четырех резистивных участков, расположенных вдоль осей симметрии перпендикулярно внешнему контуру 6 мембраны 2 и внешней 8 или внутренней 9 сторонам элементов 3 жесткости. Тензорезисторы с отрицательной чувствительностью ( < 0 < 0) например R₁ и R₃ выполнены из резистивных участков R'₁ и R'₃ соответственно, которые расположены перпендикулярно внешнему контуру 6 мембраны упругого элемента и перпендикулярно внутренним сторонам 9 элементов 3 жесткости. Тензорезисторы с положительной чувствительностью ( > 0 > 0), например R₂ и R₄, выполнены из резистивных участков R₂ и R₄ соответственно, которые расположены перпендикулярно внешним сторонам 8 элементов 3 жесткости и перпендикулярно сторонам жесткого центра 4. Резистивные участки каждого тензорезистора соединены последовательно друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 10. Для подключения источника питания служат контактные площадки 12 и 12а, а для снятия выходного сигнала с мостовой схемы контактные площадки 13 и 13 а. Опорное основание 11 служит для жесткого закрепления упругого элемента.

Полупроводниковый датчик давления работает следующим образом.

Под действием измеряемого распределенного или асимметричного давления Р мембрана 2 упругого элемента 1 совместно с ребрами 5 жесткости испытывает плоский изгиб (измеряемое давление воздействует на упругую мембрану с ее непланарной стороны). В результате в мембране 2 и ребрах 5 жесткости вблизи особых точек А, В, С, D, E, F, G, K возникают механические напряжения (продольные σ_х и поперечные σ_y), характер распределения которых по площади упругой мембраны (между внешним контуром 6 и элементами 3 жесткости, а также между элементами 3 жесткости и жестким центром 4) имеет строго линейную зависимость. Эти напряжения (деформации) вызывают в резистивных участках тензорезисторов деформацию растяжения или сжатия, что приводит к изменению величин их электрического сопротивления. Так, например, резистивные участки R'₁ и R'₃ тензорезисторов R₁ и R₃, расположенные на ребрах 5 жесткости вдоль осей симметрии Х и Y упругой мембраны перпенди- кулярно внешнему контуру 6 мембраны (точек А, К) и перпендикулярно внутренним сторонам 9 элементов 3 жесткости (точки С, F), испытывают деформацию сжатия и уменьшают величину электрического сопротивления (тензорезисторы с отрицательной чувствительностью, т.е. δ_R= < 0 ) = = 0,094π₄₄ (1-ν) + g² × · · 1+ , где π₄₄ главный пьезорезистивный коэффициент для тензорезистора р-типа проводимости; р измеряемое давление; а_м размер стороны внешнего контура мембраны; h_Σ суммарная толщина мембраны и ребра жесткости;
ν коэффициент Пуассона материала мембраны;
n₁= отношение размера стороны внешнего контура мембраны к расстоянию между внешними сторонами элементов жесткости;
g отношение расстояния между внутренними сторонами элементов жесткости к размеру сторон внешнего контура мембраны;
n₂= отношение расстояния между внутренними сторонами элементов жесткости к размеру сторон жесткого центра;
h_р.ж. толщина ребра жесткости;
В ширина ребра жесткости;
h_э.ж. толщина элементов жесткости;
m длина элементов жесткости.

Резистивные участки R'₂ и R'₄ тензорезисторов R₂ и R₄, расположенные на ребрах 5 жесткости вдоль осей симметрии Х и Y упругой мембраны перпендикулярно внешним сторонам 8 элементов 3 жесткости (точки В, G) и перпендикулярно сторонам жесткости центра 4 (точки D, E), испытывают деформацию растяжения и увеличивают величину электрического сопротивления (тензорезисторы с положительной чувствитель- ностью, т.е. δ_R= > 0)
= = 0,094π₄₄ (1-ν) + g²
× · · 1+ .

Чувствительность мостовой схемы датчика давления, тензорезисторы которой выполнены составными из резистивных участков, расположенных вблизи особых точек мембраны будет равна
S 0,188π₄₄ + g²
× · · 1+ 1- и определяется как геометрическими размерами мембраны упругого элемента, так и соотношениями толщины ребра жесткости h_р.ж. к суммарной толщине мембраны и ребра жесткости h_Σ, длины стороны внешнего контура мембраны а_м к ширине ребра жесткости В, ширины элементов жесткости к их длине m, толщины мембраны упругого элемента h_м к толщине элементов жесткости h_э.ж.

Так, соотношение толщины ребра жесткости h_р.ж. к суммарной толщине мембраны и ребра жесткости h_Σ должно быть в интервале 0,5-0,94. При величине соотношения, меньшей 0,5, ребро жесткости оказывается неявно выраженным и, вследствие этого, не выполняет роль балки, выделенной из мембраны. При величине же этого соотношения, большей 0,94, существенно снижается прочность мембраны упругого элемента, как конструктивного элемента.

Соотношение длины стороны внешнего контура мембраны а_м к ширине ребра жесткости В должно быть в интервале 2-250. При меньшей величине этого соотношения, т. е. < 2, повышается жесткость мембраны упругого элемента, уменьшается чувствительность датчика и сужается диапазон измерения давлений. При величине же соотношения, большей 250, роль ребра жесткости (как конструктивного элемента) существенно снижается и одновременно затрудняется расположение на нем интегральных тензорезисторов.

Соотношение ширины элементов жесткости к их длине m должно быть в интервале 0,25-25. При величине соотношения, меньшей 0,25, повышается жесткость мембраны упругого элемента, уменьшается чувствительность датчика, сужается диапазон измерения давлений и уменьшается точность измерения. При величине же соотношения, большей 0,25, снижается роль элементов жесткости, как элементов конструкции, вблизи которых располагаются резистивные участки тензорезисторов, что ведет к резкому уменьшению чувствительности и соответственно величины полезного выходного сигнала датчика.

Соотношение толщины мембраны упругого элемента h_м к толщине элементов жесткости h_э.ж. должно быть в интервале 0,025-0,5. Величина этого соотношения не может быть меньше 0,025 (когда h_э.ж. ≈ Н), так как определяется толщиной исходной полупроводниковой подложки (0,3 мм или 0,4 мм). При величине же соотношения, большей 0,5, снижается роль элементов жесткости, как элементов конструкции, что ведет к резкому уменьшению чувствительности и соответственно величины полезного выходного сигнала датчика.

Предлагаемый полупроводниковый датчик давления по сравнению с прототипом обеспечивает следующие преимущества:
повышается технологичность конструкции за счет создания интегральных тензорезисторов непосредственно в "теле" мембраны упругого элемента и точного их размещения на поверхности мембраны вблизи особых точек;
повышается точность измерения в 1,5-2,0 раза при одновременном увеличении полезного выходного сигнала в 3,5-4,0 раза.

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий упругий элемент из полупроводникового материала с опорным основанием по периметру и профилированной мембраной, конфигурация которой выполнена с двух сторон и которая имеет с непланарной стороны утолщенные жесткий центр и элементы жесткости, расположенные соответственно симметрично в центре мембраны и относительно центра на продольной оси мембраны у ее периферии, и тензорезисторами мостовой схемы, размещенными на планарной стороне мембраны, отличающийся тем, что элементы жесткости расположены дополнительно и на поперечной оси симметрии мембраны, а каждый тензорезистор выполнен в виде четырех последовательно соединенных одинаковых резистивных участков, причем резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно на ребрах жесткости симметрично относительно центра упругого элемента и перпендикулярно внутреннему контуру мембраны и элементам жесткости, а резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно на ребрах жесткости симметрично относительно центра упругого элемента и перпендикулярно внешнему контуру мембраны и элементам жесткости, при этом геометрические размеры мембраны, ребер жесткости и элементов жесткости удовлетворяют следующим соотношениям:
a_м B 2-250
h_м h_э.ж. 0,025-0,5

где a_м B размер стороны внешнего контура мембраны и ширина ребра жесткости соответственно;
h_м h_э.ж. толщина мембраны и толщина элементов жесткости соответственно;
a_о l_м m расстояние между внешними сторонами элементов жесткости, расстояние между внутренними сторонами элементов жесткости и длина элементов жесткости соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1