Датчик давления

 

Изобретение относится к датчикам давления с защитой хрупкой мембраны от избыточного давления. Датчик включает подложку из хрупкого материала и мембранную сборку, закрепленную на подложке и герметично соединенную по периферии с подложкой. При подаче давления центральная часть мембраны прогибается в сторону подложки. Прогиб мембраны воспринимается тензодатчиками, которые определяют давление. Мембрана снабжена множеством отдельных выполненных за одно целое с мембраной опорных столбиков на стороне, обращенной к подложке. При высоких избыточных давлениях мембрана прогибается к подложке и опорные столбики удерживают мембрану от перемещения с целью избежания отказа или поломки мембраны. Количество опорных столбиков может быть различным, например четыре или шестнадцать. На подложку может быть нанесен тонкий слой диоксида кремния для компенсирования небольшого перемещения опорных столбиков для уменьшения напряжения, возникающего в мембране при возрастании избыточного давления. Технический результат заключается в обеспечении надежной защиты мембраны от разрушения под воздействием чрезмерного давления. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к датчику давления с прогибающейся мембраной, выполненной из хрупкого материала, которая прогибается под действием давления относительно основания и которая снабжена опорой, предохраняющей от повреждения при высоких избыточных давлениях относительно обычного диапазона измерений.

В технике известен полупроводниковый датчик давления, содержащий несущую подложку, мембрану с ободом, закрепленным на подложке, и мембранную перегородку, прогибающуюся под действием давления в сторону подложки (см. EP 0339981, МПК 6 G 01 L 9/06, 1989 г.).

Подвергающаяся избыточному давлению мембрана, выполненная из хрупкого материала, требует защиты от повреждений.

В общем такую защиту осуществляют путем установки поверхности мембраны поперек лицевой поверхности подложки, которой может быть придана такая конфигурация, которая совпадает с конфигурацией прогнутой мембраны так, что когда на мембрану действует давление, слегка превышающее максимальное расчетное давление, она опирается на подложку.

Предпочтительно, чтобы большая часть мембраны опиралась на лицевую поверхность подложки. Для обеспечения полной опоры по всей прогнутой части мембраны при избыточном давлении используют выемки, как в подложках, так и в мембранах.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении надежной защиты мембраны от разрушения под воздействием чрезвычайно высокого давления.

Указанный результат достигается тем, что датчик давления, содержащий подложку, мембрану, выполненную из хрупкого материала, причем мембрана имеет обод, закрепленный на подложке, и мембранную перегородку, которая выполнена с возможностью прогиба под действием давления в сторону подложки, содержит множество столбиков, сформированных на мембранной перегородке за одно целое с мембранной перегородкой, имеющих внешние концевые поверхности для контактирования с обращенной к мембране лицевой поверхностью подложки и образующих упор, когда мембранная перегородка прогнута в сторону подложки на заданную величину.

Кроме того датчик давления содержит слой оксида, сформированный на подложке и образующий поверхностный слой материала, который отличается от материала столбиков, для обеспечения легкого сдвига концов столбиков при их контакте с подложкой.

К тому же подложка датчика выполнена из кремния, а поверхностный слой сформирован из диоксида кремния.

Кроме того поверхностный слой подложки, выполненной из диоксида кремния, имеет толщину три микрона.

К тому же поверхность подложки, обращенная к столбикам, в областях, совмещенных с центральными частями прогибающейся мембранной перегородки, утоплена на большую глубину, чем у краев подложки, прилегающих к ободу.

Кроме того в датчике давления на мембранной перегородке имеется множество столбиков, содержащее по меньшей мере четыре столбика.

В датчике давления на мембранной перегородке могут быть равномерно размещены 16 столбиков.

Защита от избыточного давления в датчике обеспечивается множеством коротким столбиков или выпуклостей, сформированных на мембране или, если требуется, на подложке, которые будут поддерживать прогибающуюся при избыточном давлении мембрану в множестве точек на мембране, обеспечивая опору и защиту от избыточного давления. За счет использования множества коротких столбиков жесткость мембраны не увеличивается и она ведет себя так, как будто столбики отсутствуют до тех пор, пока не будет приложено избыточное давление. Это упрощает процесс производства датчика давления в связи с тем, что имеет место расширение интервала ограничения хода при превышении давления, поскольку мембрана с меньшей жесткостью имеет больший ход, чем мембрана с большим жестким центром.

В данном изобретении кремниевую кристаллическую пластину вытравливают для получения тонкого участка, который образует прогибающуюся перепонку мембраны, и маскируют, оставляя множество столбиков высотой, равной первоначальной толщине кристаллической пластины, из которой формируется мембрана. Для крепления мембраны к подложке оставляют обод, окружающий множество столбиков.

В процессе травления опорные столбики приобретают по существу пирамидальную форму.

Было также обнаружено, что наличие диоксида кремния на поверхности подложки, который не такой хрупкий, как чистый кремний, позволяет слегка сдвигать столбики в тонком слое диоксида кремния после того, как столбики соприкоснутся с опорным слоем и возникнет избыточное давление. Прогибающаяся по дуге мембрана вызывает некоторый наклон столбиков на небольшой угол, когда они соприкасаются с подложкой. При возрастании давления происходит небольшой сдвиг концов столбиков относительно опорного слоя. Слой диоксида кремния создает электрическую изоляцию подложки от поверхностного слоя, который на ней закреплен. Слой диоксида кремния также увеличивает возможности датчика по восприятию избыточного давления за счет того, что позволяет опорным столбикам изменять свое положение, тем самым избегая более опасных уровней напряжения в мембране. Твердая кремниевая поверхность базового слоя без слоя диоксида кремния уменьшает возможность сдвига столбиков при возрастании избыточного давления.

Изобретение поясняется конкретным вариантом его воплощения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1 схематично изображает датчик давления (поперечное сечение); фиг. 2 изображает поверхность подложки при удаленном слое мембраны; фиг. 3 изображает опорные столбики мембраны, разрез по линии II-II на фиг. 1; фиг. 4 схематично изображает в сильно увеличенном виде движение опорных столбиков от момента соприкосновения с подложкой до условия наложения избыточного давления; фиг. 5 изображает один опорный столбик (вид сверху) с элементами вытравленной поверхности, если бы его конфигурация определялась травлением без соседних столбиков; фиг. 6 - разрез по линии V-V на фиг. 5.

На фиг. 1 изображен датчик давления, обозначенный позицией 10. Датчик 10 давления является датчиком низкого давления, например, в диапазоне измерений до 206,8428 кПа, либо в масштабе, либо в абсолютных единицах, но который может измерять избыточное давление, во много раз большее этого диапазона. Датчик давления должен иметь отверстие в подложке для сообщения с областью мембраны. Датчик давления согласно изобретению должен быть блоком определения емкости. Аналогичные датчики давлений, известные в данной области техники, в общем случае должны выдерживать от трех до восьмикратного номинального давления без разрушения. Настоящий датчик давления выдерживает избыточное давление в 5-10 раз больше, чем аналогичная мембрана без столбиков.

Датчик 10 давления содержит подложку или слой хрупкого материала, обозначенный позицией 12. Такой материал может представлять собой полупроводник, например, кремний, который является предпочтительным вариантом, но также может быть таким хрупким материалом, как стекло, сапфир, кварц или тому подобное. Подложка поддерживает мембранную сборку 14, которая включает внешний элемент - обод 16, охватывающий прогибающуюся мембрану или перегородку 18. Прогиб мембранной перегородки 18 под действием давления определяется толщиной мембранной перемычки в области, прилегающей к ободу 16. Эта область показана позицией 20 на сторонах мембранной перегородки на фиг. 1 и 3, а также толщиной между столбиками. Величина прогиба в рабочем диапазоне мембранной перегородки очень мала, и, если происходит чрезмерный прогиб, то мембрана ломается.

Поверхность обода 16 прикреплена к подложке 12. Например, для соединения мембраны с верхней поверхностью 28 подложки может использоваться стеклянная смесь-фритта, обозначенная позицией 24, или основание и мембрана могут быть соединены на ободе посредством анодной сварки или сплавления. При соединении мембранного кольца с подложкой образуется камера, обозначенная номером 26 ниже мембранной перегородки 18 и над верхней поверхностью 28 подложки 12. Вакуум создается, когда мембранное кольцо герметично прикреплено к подложке 28 фриттой 24. Измеряемое давление или усилие прикладывается, как показано стрелкой 22, к верхней поверхности 30 мембранной перегородки 18. Это заставляет перегородку выгибаться по направлению к подложке 12. Величина прогиба может быть измерена соответствующими тензодатчиками, обозначенными позицией 22 на верхней поверхности 30 мембранной перегородки для индикации величины приложенного усилия или давления как функция прогиба.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения для того, чтобы обеспечить опору для мембранной перегородки 18 при ее прогибе вниз, и предотвращения растрескивания мембраны, повреждения или другого разрушения, на мембранной перегородке 18 и на стороне, противоположной той, к которой приложено усилие или давление, формируется множество опорных столбиков, обозначенных позицией 36. Эти столбики 36 обращены к верхней поверхности 28 подложки или базового слоя 12. Как показано на фиг. 3, имеется 16 таких столбиков, но может использоваться разное количество. Например, для защиты от избыточного давления может использоваться четыре, восемь или девять столбиков в качестве упора для мембранной перегородки 18 в зависимости частично от размера мембраны.

Столбики 36 формируют путем вытравливания кристаллической пластинки кремния или другого материала, из которого изготовлена мембрана. Мембранная перегородка 18 вытравливается до требуемой толщины в пакетном процессе с использованием соответствующей маски, которая формирует столбики 36, по существу, в пирамидообразные образования, которые, как показано, имеют плоские вершины 38 такой же высоты от поверхности 30, что и высота поверхности обода 16, которая соприкасается с подложкой 12. Если требуется, столбики могут быть разной высоты, чтобы получить равномерный контакт подложки с плоской поверхностью по всей мембране, принимая во внимание, что под давлением мембрана имеет дугообразную форму.

Как показано на фиг. 2, верхняя поверхность 28 подложки 12 имеет в некоторых местах углубления относительно плоскости областей, близких к краям, где крепится обод мембраны. Для взаимодействия со столбиками вдоль двух сторон и между смежными угловыми участками 28C расположены участки 28A. Угловые участки 28C имеют меньшую глубину, чем другие участки. Участки 28A утоплены больше, чем участки 28C, но ближе к столбикам, чем центральный участок, обозначенный номером 28B (самая глубокая выемка). Разница в заглублении предусмотрена для адаптации к разности в прогибе, поскольку мембранная перегородка 18 будет прогибаться больше в центре, чем в областях, прилегающих в ободу 16. В ступеньки на поверхности 28 подложки 12 обеспечивают, по существу, одновременный контакт между углами и внешними рядами столбиков 36 и поверхностной частью 28C и 28A, и между столбиками, расположенными около центра мембранной перегородки 18, и участком поверхности 28B. Как было указано, тот же самый эффект может быть получен при плоской поверхности 12 и в столбиках 36 разной высоты, с самыми короткими столбиками 36 около центра мембранной перегородки 18.

Когда мембранная перегородка 18 прогибается, вершины 38 столбиков 36 соприкасаются с соответствующими участками поверхности 28A, 28B и 28C и удерживаются от дальнейшего прогиба при возрастающем давлении. Избыточное давление, приложенное по линии 22, может превышать обычное рабочее давление во много раз, не приводя к повреждению мембранной перегородки 18.

Следует указать, что когда в подложке используется кремний, желательно иметь на поверхности электрически изолирующий слой и, как показано на фиг. 1 и 4, слой 40 (около трех микрон толщиной), выделенный штриховкой, является диоксидом кремния, который выращивается на поверхности кремниевой подложки. Однако было обнаружено, что поскольку мембранная перегородка 18 выгибается по направлению к подложке, столбики 36 слегка наклоняются так, что угол или край, обозначенный позицией 42, плоской вершиной 38 может войти в контакт с верхней поверхностью 28 подложки 12 раньше, чем имеющие плоские поверхности 38 столбики 36 войдут в контакт со слоем 40 по всей ширине плоской поверхности 38. Когда мембранная перегородка 18 прогибается дальше под действием возрастающего давления, столбики 36 стремятся повернуться, как показано по стрелке 44 (поскольку тогда мембранная перегородка становится менее выгнутой) до полной опоры на концевые поверхности 38. Если мембранная перегородка 18 после первоначального контакта слегка движется, угол столбика погружается в диоксид кремния и стремится образовать в нем небольшой канал или выемку. Если зацепление происходит с необработанной кремниевой поверхностью, то скольжение будет меньше, что может привести к разрушению мембраны.

Необходимо отметить, что основания всех столбиков 36 (фиг. 1, 3 и 5) благодаря взаимодействию с травящими материалами и масками для столбиков образуют сложные поверхностные конфигурации 48. После травления образуется наклонная поверхность 48, идущая от углов, и небольшие острые выступы 48A отходят в сторону от наклонных поверхностей или ребер в местах, отстоящих от столбиков на некоторый угол, при этом наклонные поверхности оснований столбиков пересекаются в областях 50.

На фиг. 1 штрих-пунктирной линией 52 показана истинная форма столбика с толщиной оставшейся мембранной перемычки между столбиками, равной той, что показана под номером 20. Эти наклонные поверхности показаны на фиг. 3 очень схематично и не согласованы с главными сторонами столбиков. На фиг. 1 показано поперечное сечение наклонных поверхностей. Конфигурация поверхности между столбиками может быть различной без существенного влияния на эксплуатационные характеристики.

Слой 40 диоксида кремния позволяет столбикам слегка скользить и уменьшать поломки мембраны. Столбики 36 для защиты от избыточного давления, как и другие компоненты датчиков, достаточно легко изготавливать, поэтому стоимость не является существенным фактором. Столбики 36 для защиты от избыточного давления сформированы зацело как часть мембраны, но их также можно формировать выступающими из подложки.

Заглубленные поверхности подложки изменяются по форме, размерам и местоположению при изменении количества столбиков для обеспечения наилучшего контакта всех столбиков с поверхностью в одно и то же время. Например, мембрана с четырьмя столбиками будет использоваться с одной плоской поверхностью, заглубленной от обода. Для адекватной опоры различное число столбиков требует разной глубины поверхности для дискретной апроксимации выгнутой формы мембраны под давлением.

Для уменьшения давления на мембрану используется соответствующий корпус или защитная пластина. Такой корпус на чертежах не показан, поскольку он хорошо известен.

Та же самая конструкция может использоваться при емкостном распознавании прогибов мембраны путем использования проводящей пленки на плоскости, отделенной от мембраны, для формирования изолированной от мембраны емкостной пластины с соответствующими выводами, подключенными к проводящей пленке и мембране.

Формула изобретения

1. Датчик давления, содержащий подложку, мембрану, выполненную из хрупкого материала, причем мембрана имеет обод, закрепленный на подложке, и мембранную перегородку, которая выполнена с возможностью прогиба под действием давления в сторону подложки, отличающийся тем, что содержит множество столбиков, сформированных на мембранной перегородке за одно целое с мембранной перегородкой, имеющих внешние концевые поверхности для контактирования с обращенной к мембране лицевой поверхностью подложки и образующих упор, когда мембранная перегородка прогнута в сторону подложки на заданную величину.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что содержит слой оксида, сформированный на подложке и образующий поверхностный слой материала, который отличается от материала столбиков, для обеспечения легкого сдвига концов столбиков при их контакте с подложкой.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния, а поверхностный слой сформирован из диоксида кремния.

4. Датчик по п.3, отличающийся тем, что диоксид кремния имеет толщину три микрона.

5. Датчик по п.4, отличающийся тем, что поверхность подложки, обращенная к столбикам, в областях, совмещенных с центральными частями прогибающейся мембранной перегородки, утоплена на большую глубину, чем у краев подложки, прилегающих к обoду.

6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на мембранной перегородке имеется множество столбиков, по меньшей мере четыре столбика.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на мембранной перегородке равномерно размещены 16 столбиков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6