Полупроводниковый преобразователь давления

 

Использование: изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано для измерения давления. Цель изобретения: повышение точности измерения и улучшение технологичности конструкции. Сущность изобретения: в преобразователе давления, содержащем мембрану с жестким центром 5 и утолщенной периферийной частью 6, элемент жесткости в виде замкнутого дополнительного выступа 4, и тензорезисторами 7 (R₁ - R₄), мембрана, жесткий центр 5, утолщенная периферийная часть 6 мембраны и дополнительный выступ 4 выполнены прямоугольной формы, каждый тензорезистор 7 выполнен в виде последовательно соединенных, резистивных участков, которые расположены на мембране как в тангенциальном, так и радиальном направлении, при этом резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно вдоль сторон периферийного контура 8 мембраны и дополнительного выступа 4 и перпендикулярно сторонам дополнительного выступа 4 и жесткого центра 5, а резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно сторонам периферийного контура 8 мембраны и дополнительного выступа 4 и вдоль сторон дополнительного выступа 4 и жесткого центра 5, причем толщина h_m мембраны и толщины h_b дополнительного выступа удовлетворяют соотношению h_m : h_b = 0,03 - 0,2. 1 ил.

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

Известен полупроводниковый преобразователь, содержащий профилированный упругий элемент с жестким центром из полупроводникового материала одного типа проводимости, в площади мембраны которого с планарной стороны сформированы тензорезисторы мостовой схемы противоположного типа проводимости (журнал "Измерения, контроль, автоматизация" труды ЦНИИТЭИ приборостроения, М. 1983, вып. 1 (45), с. 30-42). [1] Тензорезисторы мостовой схемы располагаются попарно вдоль стороны внешнего контура мембраны вблизи ее середины и вдоль стороны внутреннего контура мембраны (у жесткого центра) вблизи ее середины. При возникновении в мембране такого упругого элемента механических напряжений от воздействия измеряемого давления первая пара тензорезисторов, расположенная у внешнего контура мембраны, испытывает напряжение сжатия, которые увеличивают их сопротивления (тензорезисторы с положительной чувствительностью а вторая пара тензорезисторов, расположенная у внутреннего контура мембраны, испытывает напряжение растяжения, которые уменьшают их сопротивления (тензорезисторы с отрицательной чувствительностью ).

Недостатком такого преобразователя является невысокая точность измерения из-за недостаточной величины выходного сигнала от воздействующего измерительного давления, обусловленная как конструкцией упругого элемента, так и применяемым топологическим вариантом интегральных тензорезисторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является интегральный тензопреобразователь, содержащий мембрану с жестким центром и утолщенной периферийной частью, элементом жесткости в виде замкнутого дополнительного выступа, распложенного на равном удалении от жесткого центра и утолщенной периферийной части, тензорезисторами, расположенными по разные стороны от дополнительного выступа (авт. св. СССР N 1553856, кл. G 01 L 9/04). [2] Общими признаками предлагаемого изобретения и прототипа являются применение профилированного упругого элемента с жестким центром и элементом жесткости в виде замкнутого дополнительного выступа, расположенного на равно удалении от жесткого центра и утолщенной периферийной части, из полупроводникового материала одного типа проводимости и тензорезисторами мостовой схемы другого типа проводимости, расположенными по разные стороны от дополнительного выступа.

Недостатком известного интегрального тензопреобразователя является невысокая точность измерения из-за малой величины выходного сигнала от воздействующего измеряемого давления. Существенными недостатками являются сложность подбора тензорезисторов с идентичными параметрами по номиналу и ТКС, что увеличивает трудоемкость, а также нетехнологичность топологии тензорезисторов из-за криволинейной их конфигурации.

Изобретение направлено на повышение точности измерения за счет увеличения выходного сигнала измерительной схемы и улучшение технологичности конструкции.

Согласно изобретению в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем мембрану с жестким центром и утолщенной периферийной частью, элементом жесткости в виде замкнутого дополнительного выступа, расположенного на равном удалении от жесткого центра и утолщенной периферийной части, и тензорезисторами, расположенными по разные стороны от дополнительного выступа, мембрана, жесткий центр, утолщенная периферийная часть мембраны и дополнительный выступ выполнены прямоугольной формы, каждый из тензорезисторов выполнен в виде последовательно соединенных, одинаковых резистивных участков, которые расположены на мембране как в тангенциальном, так и в радиальном направлении, при этом резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно вдоль сторон периферийного контура мембраны и дополнительного выступа и перпендикулярно сторонам дополнительного выступа и жесткого центра, а резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно сторонам периферийного контура мембраны и дополнительного выступа и вдоль сторон дополнительного выступа и жесткого центра, причем толщина мембраны и толщина дополнительного выступа удовлетворяют соотношению h_m h_b 0,03 0,2.

Устройство поясняется чертежом, на котором обозначено: 1 упругий элемент из полупроводникового материала; 2 наружная часть мембраны упругого элемента толщиной h_m; 3 внутренняя часть мембраны упругого элемента толщиной h_m; 4 элемент жесткости в виде замкнутого дополнительного выступа толщиной h_b; 5 жесткий центр; 6 утолщенная периферийная часть мембраны; 7 тензорезисторы мостовой схемы R₁ R₄;
8 периферийный контур мембраны;
9 наружный контур дополнительного выступа;
10 внутренний контур дополнительного выступа;
11 контур жесткого центра;
12 токоведущие коммутационные дорожки;
13, 13а контактные площадки для подключения источника питания;
14, 14а контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы;
X, Y оси симметрии упругого элемента;
резистивные участки тензорезисторов R₁ и R₃ с отрицательной чувствительностью;
резистивные участки тензорезисторов R₂ и R₄ с положительной чувствительностью;
a_ma_o размеры сторон мембраны и наружного контура дополнительного выступа;
d_md_o размеры сторон внутреннего контура дополнительного выступа и жесткого центра;
O центр упругости элемента;
A, B, C, D, E, F, G, K особые точки мембраны упругого элемента.

Полупроводниковый преобразователь давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала одного типа проводимости, например из кремния n-типа марки КЭФ-4,5 с ориентацией (001). Направления осей симметрии X и Y упругого элемента совмещены с кристаллографическими осями [100] и [010] Мембрана упругого элемента толщиной h_m состоит из наружной 2 и внутренней 3 частей, разделенных друг от друга элементом жесткости 4 в виде замкнутого дополнительного выступа толщиной h_в, расположенного на равном удалении от жесткого центра и утолщенной периферийной части. В центре упругого элемента мембрана содержит жесткий центр 5. Тонкие части мембраны 2 и 3 толщиной h_m, элемент жесткости 4 толщиной h_в и жесткий центр 5 сформированы из кремниевой подложки толщиной H локальным, например анизотропным травлением. Утолщенная периферийная часть 6 служит для жесткого закрепления упругого элемента. С планарной стороны мембраны размещены интегральные тензорезисторы 7 противоположного типа проводимости (р-типа), соединенные в мостовую схему. Причем каждый тензоризистор выполнен составными из восьми резистивных участков, расположенных определенным образом. Так, например резистивные участки тензорезисторов R₁ и R₃ с отрицательной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно сторонам 8 и 10 периферийного контура мембраны и внутреннего контура дополнительного выступа и вдоль сторон 9 и 10 наружного контура дополнительного выступа и контура жесткого центра. Резистивные участки тензорезисторов R₂ и R₄ с положительной чувствительностью расположены соответственно вдоль сторон 8 и 10 периферийного контура мембраны и внутреннего контура дополнительного выступа и перпендикулярно сторонам 9 и 11 наружного контура дополнительного выступа и контура жесткого центра. Резистивные участки каждого тензорезистора соединены друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 12. Для подключения источника питания служат контактные площадки 13 13а, а для снятия выходного сигнала с мостовой схемы контактные площадки 14 14а.

Полупроводниковый преобразователь давления работает следующим образом.

Под действием измеряемого распределенного или осесимметричного давления P наружная 2 и внутренняя 3 части мембраны упругого элемента 1 совместно с элементом жесткости 4 в виде замкнутого дополнительного выступа и жестким центром 5 испытывают плоский изгиб. В результате в мембране вблизи особых точек A, B, C, D, E, F, G и K возникают механические напряжения (продольные σ_x и поперечные σ_y ), характер распределения которых по площади мембраны (между периферийным контуром 9 дополнительного выступа и между внутренним контуром 10 дополнительного выступа и контуром 11 жесткого центра) имеет линейную зависимость. Эти напряжения (деформации) вызывают в резистивных участках тензорезисторов деформацию растяжения или сжатия, что приводит к изменению величины их электрического сопротивления. Так, например резистивные участки тензорезисторов R₁ и R₃, расположенные перпендикулярно сторонам 8 и 10 периферийного контура мембраны и внутреннего контура дополнительного выступа (вблизи особых точек A, C, F, K) и вдоль сторон 9 и 11 наружного контура дополнительного выступа и контура жесткого центра (вблизи особых точек B, D, E, G), испытывают деформацию сжатия и уменьшают величину электрического сопротивления (тензорезисторы с отрицательной чувствительностью, т.е. ). А резистивные участки тензорезисторов R₂ и R₄, расположенные вдоль сторон 8 и 10 периферийного контура мембраны и внутреннего контура дополнительного выступа (вблизи особых точек A, C, F, K) и перпендикулярно сторонам 9 и 11 наружного контура дополнительного выступа и контура жесткого центра (вблизи особых точек B, D, E, G), испытывают деформацию растяжения и увеличивают величину электрического сопротивления (тензорезисторы с положительной чувствительностью ). Уменьшение сопротивления тензорезисторов R₁ и R₃, составленных из резистивных участков а можно представить выражением:

Увеличение же сопротивления тензорезисторов R₂ и R₄, составленных из резистивных участков можно представить выражением:

где π₄₄ главный пьезорезистивный коэффициент для тензорезисторов р-типа:
отношение размера стороны мембраны к размеру стороны наружного контура дополнительного выступа;
отношение стороны размера стороны внутреннего контура дополнительного выступа к размеру стороны жесткого центра;
μ коэффициент Пуассона материала мембраны;
соотношение сторон внутреннего контура дополнительного выступа и мембраны.

Чувствительность же мостовой схемы преобразователя давления, тензорезисторы которой выполнены составными из резистивных участков, будет равна

и определяется как геометрическими размерами мембраны (a_m, d_m) и ее толщины h_m, соотношениями сторон мембраны и контура дополнительного выступа (h₁, h₂), так и соотношением толщины мембраны к толщине дополнительного выступа. Это соотношение должно быть в интервале 0,03 0,2. При величине соотношения, меньшей 0,03, существенно повышается жесткость мембраны, уменьшается ее прогиб, а соответственно уменьшается и чувствительность преобразователя давления. С уменьшением чувствительности преобразователя, уменьшается величина полезного выходного сигнала измерительной схемы, что в свою очередь снижает точность измерения. При величине же этого соотношения больше 0,2, дополнительный выступ оказывается неявно выраженным и не выполняет роли конструктивного элемента - элемента жесткости.

Изменение величины сопротивления тензорезисторов мостовой схемы вызывает на выходе преобразователя сигнал разбаланса, пропорциональный величине измеряемого давления.

Предлагаемый преобразователь давления по сравнению с прототипом обеспечивает следующие преимущества:
точность измерения повышается в 2 3 раза за счет существенного (примерно в 5 раз) увеличения выходного сигнала измерительной схемы, выполненной из составных резистивных участков тензорезисторов, расположенных определенным образом на поверхности мембраны упругого элемента;
существенно снижается саморазогрев тензорезисторов питающим электрическим током за счет использования высокоомных тензорезисторов;
повышается технологичность конструкции за счет применения резистивных участков тензорезисторов прямоугольной формы конфигурации.

Формула изобретения

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий мембрану с жестким центром, утолщенной периферийной частью, элементом жесткости в виде замкнутого дополнительного выступа, расположенного на равном удалении от жесткого центра и утолщенной периферийной части, и тензорезисторами, расположенными по разные стороны от дополнительного выступа, отличающийся тем, что в нем мембрана, жесткий центр, утолщенная периферийная часть мембраны и дополнительный выступ выполнены прямоугольной формы, а каждый из тензорезисторов в виде последовательно соединенных одинаковых резистивных участков, которые расположены на мембране как в тангенциальном, так и в радиальном направлении, при этом резистивные участки пары тензорезисторов с положительной чувствительностью расположены соответственно вдоль сторон периферийного контура мембраны и дополнительного выступа и перпендикулярно сторонам дополнительного выступа и жесткого центра, а резистивные участки пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью расположены соответственно перпендикулярно сторонам периферийного контура мембраны и дополнительного выступа и вдоль сторон дополнительного выступа и жесткого центра, причем отношение толщины мембраны к толщине дополнительного выступа составляет 0,03 - 0,2.

РИСУНКИ

Рисунок 1