Микроэлектронный датчик давления

 

Изобретение предназначено для обеспечения высокоточного измерения давлений в широком диапазоне температур и давлений. Предлагаемое изобретение заключается в том, что основание датчика выполняется из двух или более частей и имеет специфическую Т-образную форму. Верхняя часть основания полностью идентична с кремниевым чувствительным элементом по конфигурации, размерам и кристаллографической ориентации, а нижняя часть основания выполняется из кремния, стекла или керамики таким образом, что ее боковые внешние размеры вписываются в размеры углубления под мембраной. Основание может выполняться как сборным из названных частей, так и в виде единого целого из кремния. Соответствующие конструктивные элементы датчика жестко соединены с помощью стекла. Изобретение позволяет повысить точность измерения абсолютной величины давления или разности давлений, а также расширить диапазон рабочих температур и повысить надежность датчика. 1 ил.

Изобретение предназначено для обеспечения высокоточного измерения давлений в широком диапазоне температур и давлений.

Известен датчик давления по патенту России N 1464055, предназначенный для конструирования полупроводниковых датчиков давления, содержащий полупроводниковую мембрану и полупроводниковый корпус, между которыми размещены слой диэлектрика, поликристаллический слой полупроводника и слой стекла, равный по толщине слою полупроводника [1].

Недостатком известного датчика давления является сложность конструкции, поскольку для обеспечения механической и электрической развязки кристалла преобразователя от корпуса в опорное основание вводится три слоя: диэлектрик, поликремний и стекло, каждый из которых требует полировки, подгонки по толщине, что значительно усложняет как конструкцию, так и технологию изготовления датчика. Кроме того, технология усложняется в связи с необходимостью создания микрорельефа поверхности диэлектрика для снижения неравномерности распределения термомеханических напряжений.

Известен полупроводниковый преобразователь давления по патенту России N 1742656, предназначенный для измерения давления жидких и газообразных сред, содержащий корпус, опорный элемент, выполненный из двух отрезков трубок, и кремниевую мембрану с тензорезисторами [2].

Недостатком данного преобразователя давления является применение двух слоев стекла с различными коэффициентами линейного расширения, что может лишь частично улучшить термомеханическую развязку кристалла от корпуса, причем в ограниченном диапазоне температур.

Наиболее близким по технической сущности является датчик давления с полевым тензорезистором фирмы Моторола, состоящий из чувствительного элемента с измерительным мостом из диффузионных тензорезисторов в области мембраны, выполненной на кремниевой пластине, основания, в котором для дифференциальных датчиков может быть выполнено отверстие, соединительного слоя из стекла. Недостатком этого датчика является действие деформаций и напряжений, возникающих на корпусе датчика и передающихся через основание на кристалл кремния и мембрану, на которой расположены тензочувствительные элементы.

Остаточное действие температурной деформации приходится затем устранять путем подключения специально разрабатываемой схемы формирования сигнала /3/.

Целью изобретения является повышение точности измерения абсолютной величины давления или разности давлений, расширение диапазона рабочих температур и повышение надежности датчика.

Цель достигается тем, что датчик давления выполнен следующим образом: микроэлектронный датчик давления, состоящий из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, и из основания, герметично соединенного со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, отличающийся тем, что основание имеет Т-образную форму и состоит не менее чем из двух герметично соединенных стеклом частей, нижняя часть основания выполнена из кремния, стекла или керамики, а остальные части основания выполнены из кремния, причем в верхней части основания со стороны чувствительного элемента выполнено углубление, аналогичное углублению в чувствительном элементе, кристаллографическая ориентация верхней части основания совпадает с кристаллографической ориентацией чувствительного элемента, а внешние боковые размеры нижней части основания меньше боковых размеров углубления.

В том случае, если основание выполняется сборным, его нижняя часть может быть выполнена из стекла или керамики. Таким образом, жесткие требования к материалам технологического процесса снимаются.

Поскольку предлагаемая конструкция устраняет влияние термомеханических деформаций корпуса на чувствительный элемент, оказывается возможным выполнить жесткое соединение всех элементов конструкции с помощью соединительных слоев из стекла. Это увеличивает надежность датчика, его стойкость к ударным воздействиям, вибрациям, нестационарным перепадам давления, срок его службы.

Исследования характеристик опытных партий кристаллов микроэлектронных датчиков давления, сконструированных предлагаемым образом, показали, что в диапазоне температур от -60 до +100^oC температурные коэффициенты дрейфа "нуля" и их нелинейности идентичны, а характеристики температурных коэффициентов чувствительности также идентичны в предлагаемых микроэлектронных датчиках давления и при закреплении чувствительных элементов на жидком клее.

Новизна изобретения подтверждается тем, что в конструкции впервые применены зеркально идентичные чувствительный элемент и верхняя часть основания, что упрощает технологический цикл их производства, позволяет улучшить точность и добиться существенного улучшения воспроизводимости характеристик выпускаемых датчиков давления. Впервые предлагается Т-образная форма основания, применение которой позволяет существенно улучшить термомеханическую развязку кристалла от корпуса.

На чертеже представлена конструкция микроэлектронного датчика давления, где 1 - диффузионные тензорезисторы; 2 - чувствительный элемент; 3 - углубление; 4 -мембрана; 5 - соединительный слой; 6 - верхняя часть основания; 7 - нижняя часть основания; 8 - отверстие в основании для датчиков избыточного и дифференциального давлений.

Диффузионные тензорезисторы 1 предназначены для преобразования тензометрического сигнала в электрический, чувствительный элемент 2 обеспечивает преобразование механического напряжения деформации в тензометрический сигнал, для чего в нем создается углубление 3 и образуется мембрана 4, на которой и размещаются диффузионные тензорезисторы 1. Чувствительный элемент крепится на основании, которое может быть монолитным или состоять из двух частей - верхней 6 и нижней 7. В верхней части основания выполняется идентичное углубление 3. Чувствительный элемент 2, верхняя часть основания 6 и нижняя часть основания 7 герметично соединяются слоями из стекла 5. Для создания датчиков избыточного и дифференциального давлений предусматривается отверстие в основании 8.

Принцип работы датчика заключается в преобразовании деформаций чувствительного элемента 2 в электрический сигнал посредством изменения электрического сопротивления диффузионных тензорезисторов 1. Датчик в сборке устанавливается в корпус, после чего может использоваться для измерения давлений жидкостей и газов. Чувствительный элемент 2 деформируется под действием приложенного к нему измеряемого давления. При подаче эталонных сигналов снимается характеристическая зависимость выходного сигнала микроэлектронного датчика давления от подаваемой величины давления, на основе которой строится градуировочная характеристика датчика. Трудность заключается в том, что при изменении температуры внешней среды корпус датчика, который находится в контакте с ней, оказывается подверженным деформации, вызванной этим изменением. Для того, чтобы свести влияние температурной деформации корпуса на чувствительный элемент 2 и мембрану 4 к минимуму, выполняется дополнительная развязка между нижней 6 и верхней 7 частями основания, которая препятствует распространению деформации на чувствительный элемент 2. Такую развязку удается получить, если сделать боковой размер нижней части основания 7 меньше по величине, чем размер углубления 3 под мембраной 4 между чувствительным элементом 2 и верхней частью основания 6. Микроэлектронный датчик давления приобретает при этом Т-образную форму, как показано на фиг. 1. При обеспечении такой развязки оказывается возможным обеспечить жесткость крепления конструкции, применяя соединительные слои из стекла 5.

Для оценки характеристик предлагаемого датчика была воссоздана серия датчиков по технологии прототипа и серия датчиков предлагаемой конструкции, Испытания проводились для партии из 6 датчиков. Проведенные испытания показали, что температурные коэффициенты "нуля "в положительной и отрицательной областях температур, рассчитываемые по формулам ТКО⁺ = (U₊₇₀-U₁₀)/U_M•100%, ТКО^- = (U_-50-U₁₀)/U_M•100%, где U_-50, U₁₀, U₊₇₀ - сигналы, снимаемые с выходной диагонали измерительного моста соответственно при контрольных температурах - 50^oC, +10^oC и +70^oC, U_M - сигнал питания измерительного моста, уменьшились, в среднем, в 3-4 раза и не превышают значения 0.15%/10^oC. Разброс температурного коэффициента чувствительности уменьшился в 6 раз, что говорит о повышенной воспроизводимости датчиков и меньших затратах на их градуировку и калибровку. Коэффициент нелинейности температурной зависимости нуля уменьшился в 10 раз и не превышает 0.2%.

Таким образом, преимуществами предлагаемого микроэлектронного датчика давления являются высокая точность, улучшенная воспроизводимость параметров и стабильность работы при воздействии температур в широком диапазоне.

Источники информации 1. Патент РФ N 1464055, кл. G 01 L 9/04. Датчик давления, 1989 г.

2. Патент РФ N 1742656, кл. G 01 L 9/04. Датчик давления, 1992 г.

3. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. М.: Мир, 1992 г., ч. 2, стр. 194 - прототип.

Формула изобретения

Микроэлектронный датчик давления, состоящий из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, и из основания, герметично соединенного со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, отличающийся тем, что основание имеет Т-образную форму и состоит не менее чем из двух герметично соединенных стеклом частей, нижняя часть основания выполнена из кремния, стекла или керамики, а остальные части основания выполнены из кремния, причем в верхней части основания со стороны чувствительного элемента выполнено углубление, аналогичное углублению в чувствительном элементе, кристаллографическая ориентация верхней части основания совпадает с кристаллографической ориентацией чувствительного элемента, а внешние боковые размеры нижней части основания меньше боковых размеров углубления.

РИСУНКИ

Рисунок 1