Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерениям и предназначено для измерения давления в промышленных условиях. Технический результат заключается в обеспечении электрического сквозного соединения, стабильной работы и упрощения измерительных операций. Емкостный датчик абсолютной величины давления 10 включает подложку 14, имеющую электрод 24, расположенный на ней, и диафрагменный узел 12, расположенный на подложке 14. При увеличении давления диафрагма 16 прогибается, соприкасается с электродом 24 (в сенсорном режиме) и изменяет электрическую емкость датчика 10. Измерение изменения емкости позволяет определить изменение давления. Скрытое сквозное соединение используется для определения изменения электрической емкости полости под диафрагмой 16 и таким образом измерения давления. Вакуумное состояние в полости обеспечивается соответствующим выбором толщины измерительного электрода и изолирующего слоя, подвергнутых термообработке, и герметическим соединением диафрагменного узла 12 с подложкой 14. 2 с. и 19 з.п. ф-лы, 18 ил.

Данное изобретение относится к устройству для измерения давления в промышленных условиях, в частности имеет целью разработать емкостный датчик абсолютной величины давления с высокой стабильностью, низким потреблением электроэнергии, широким диапазоном защиты от избыточных давлений, имеющий механически прочную конструкцию, хорошую линейность характеристики и повышенную чувствительность при использовании средств подавления нуля.

Несмотря на то что изобретение имеет целью, в частности, разработку емкостных датчиков абсолютной величины давления и, таким образом, будет описано со ссылкой на конкретные, относящиеся к этому примеры, понятно, что данное изобретение может быть полезно и в других областях и применениях, таких как датчики ускорения и силы и актюаторы диафрагменного типа.

Устройство в соответствии с данным изобретением предпочтительно работает в сенсорном режиме. Датчики, работающие в сенсорном режиме, рассмотрены, например, в докладе Динга и др. "Кремниевые емкостные датчики давления, работающие в сенсорном режиме" на зимнем ежегодном собрании Американского общества инженеров-механиков (ASME) 25 ноября 1990 г.

Вкратце, работа датчиков сенсорного режима заключается в следующем. В емкостных датчиках давления, использующих, например, диафрагму определенного типа (независимо от сенсорного или несенсорного режимов работы) при повышении воздействующего на диафрагму давления диафрагма прогибается. Прогиб приводит к изменению величины зазора под диафрагмой. Изменение величины зазора вызывает изменение электрической емкости, которое измеряется и используется для определения давления. В сенсорном режиме диафрагма прогибается до соприкосновения с нижележащей поверхностью. Величина изменения электрической емкости пропорциональна площади соприкосновения.

Однако известные датчики не обладают полезными характеристиками устройства в соответствии с данным изобретением, такими как вакуумно-плотный зазор или соединение с площадью под диафрагмой с использованием скрытых электродных структур, обеспечивающих электрическое сквозное соединение и удобство измерительных операций. Более того, в известных датчиках существуют проблемы со стабильностью и явлением гистерезиса, которые преодолены в датчике в соответствии с настоящим изобретением.

Кроме того, в патенте США N 5264075, выданном на имя Занини-Фишера и др. , рассматривается способ изготовления кремнестеклянных емкостных датчиков абсолютной величины давления. Однако известный способ изготовления крайне сложен, и получаемые датчики имеют различную структуру.

Вообще говоря, обычные емкостные датчики абсолютной величины давления работают в ограниченном температурном диапазоне приблизительно от -50^oC до 100^oC. Более того, неизвестны датчики, которые могут выдерживать заданные рабочие температуры и давления и гораздо более высокие (во много раз превышающие рабочие значения) технологические температуры и давления. Например, заделка датчика в шину является только одним примером окружающей среды, критерии которой не удовлетворяются обычными датчиками. Более того, большинство известных серийных устройств низкой и средней стоимости имеют проблемы с временным дрейфом базового уровня в полевых условиях. Таким образом, точность обычно хуже, чем ±1% при работе приблизительно в течение одного года в полевых условиях без калибровки. Предложенная конструкция позволяет обойти эти проблемы, связанные с применением датчиков в промышленных условиях.

Для емкостных датчиков абсолютной величины давления одной из наиболее трудных проблем является конструирование и изготовление электрических сквозных соединений от герметически плотной эталонной полости до легкодоступного для проведения измерений места. Следовательно, разработка надежного способа изготовления электрического сквозного соединения на уровне пластины при низкой себестоимости становится все более и более важной задачей в производстве и герметизации датчиков.

Разработано несколько структур электрических сквозных соединений. Одним из способов является вакуумное уплотнение с использованием сквозного соединения на базе p-n-перехода. В этом способе кремний N-типа используется для формирования верхних структур диафрагмы и датчика. Верхний электрод представляет собой P⁺ кремниевую диафрагму. Нижний электрод, однако, выполняется из двух отдельных металлических структур на стеклянной подложке пластины. Диффузионные P⁺ сквозные соединения изготовляются в кремнии N-типа и используются для объединения двух частей во время анодного (электростатического) процесса соединения. Поэтому, герметически плотная полость с многочисленными сквозными соединениями может быть изготовлена этим способом, используя процесс на уровне пластины.

Однако эта структура сквозных соединений имеет те же проблемы, что и p-n-переходы. Неудовлетворительная защита переходов ухудшает рабочие характеристики датчика вследствие шума перехода и обратных токов утечки. В дополнении к защите перехода способ ионной имплантации предложен для формирования сквозных P⁺ соединений с целью уменьшения ступенек поверхности, порождаемых диффузией. Таким образом, число улучшений, требуемых для производства датчиков давления с хорошими характеристиками, становится избыточным.

Были также разработаны другие грубые способы, имеющие технологические и/или рабочие недостатки. В одном из способов канал электрического сквозного соединения протравливается в кремниевой разделительной перегородке. После объединения кремниевого диафрагменного узла и стеклянной подложки с помощью электростатического (анодного) соединения электрод подложки выводится из полости к внешней контактной площадке через небольшой канал. С целью обеспечения герметически плотной полости для емкостного датчика абсолютной величины давления это небольшое отверстие канала сквозного соединения уплотняется. Для этой цели в качестве уплотнителя используется стеклянная фритта.

Непосредственное вакуумное уплотнение выполняется в вакуумной печи. Устройство со стеклянной фриттой соответствующего состава, применяемой для уплотнения канала, помещается в вакуумную печь и нагревается в заданном режиме до температуры, при которой стеклянная фритта плавится. Затем печь охлаждается до комнатной температуры и электрическое сквозное соединение уплотняется.

Другим относительно грубым способом уплотнения эталонной полости с помощью процесса на уровне пластины является вакуумное уплотнение способом распыления пленки пирексова стекла над отверстием канала. Канал глубиной один микрон протравливается в кремнии для того, чтобы упростить процесс уплотнения. Изготовленная кремниевая маска закрывает большую часть площади устройства за исключением области формируемого канала. Эта маска юстируется с пластиной устройства и закрепляется на ней. Затем составные пластины помещаются в установку распыления. Стеклянная 3-микронная пленка или изолирующая пленка другого типа осаждается способом распыления для уплотнения канала глубиной 1 микрон.

Настоящее изобретение предлагает новый и улучшенный емкостный датчик абсолютной величины давления, который устраняет отмеченные выше и другие трудности.

Создан емкостный датчик абсолютной величины давления с механически прочной конструкцией и высокой надежностью. Этот датчик состоит из подложки с осажденным на ней электродом и диафрагменного узла, герметически соединенного с подложкой. Предпочтительно, при повышении давления диафрагма прогибается и соприкасается с электродом (работа в сенсорном режиме), изменяя электрическую емкость под диафрагмой. Способ скрытых электрических сквозных соединений используется для продления электрода на подложке из-под диафрагмы для измерения изменения емкости и таким образом определения измеряемого давления.

Другой характеристикой данного изобретения является то, что герметическое уплотнение датчика обеспечивает уплотнение области датчика, где электрод выводится под диафрагмой в легкодоступную часть датчика.

Еще одной характеристикой данного изобретения является способ изготовления датчика, включающий вытравливание первой и второй выемок на первой стороне кремниевой пластины так, что выемки отделены разделительной перегородкой и образуют чувствительную полость и электродную полость. Затем металлический электрод осаждается на отдельную стеклянную, кремниевую или другую подходящую подложку и изолирующий, в частности стеклянный, слой осаждается поверх металлического электрода. Пластина и отдельная стеклянная подложка соединяются. Вторая сторона пластины, противоположная первой стороне, затем вытравливается для формирования диафрагмы и детектирующей области датчика. Электрод пропускается под разделительной перегородкой в электродную полость и уплотняется.

Еще одним аспектом данного изобретения является процесс уплотнения, включающий выбор соответствующей толщины электрода и изолирующего, в частности стеклянного, слоя.

Еще одним аспектом данного изобретения является процесс уплотнения, включающий термическую обработку электрода и изолирующего, в частности стеклянного, слоя на стеклянной, кремниевой или другой подходящей подложке.

Еще одним аспектом данного изобретения является датчик, имеющий механически прочную конструкцию, способную выдерживать суровые окружающие условия, связанные с производством, установкой и/или эксплуатацией.

Преимуществом данного изобретения является то, что определение и измерение давления реализовано в простой конструкции.

Другим преимуществом данного изобретения является то, что стабильность, хорошие рабочие характеристики и высокая надежность являются следствием механически прочной конструкции.

Другое преимущество заключается в том, что удобное сквозное соединение электрода для измерения выполнено с соответствующим выбором материалов и параметров термообработки.

Еще одним преимуществом является то, что предпочтительно в сенсорном режиме датчик обладает необходимой линейной характеристикой с подавлением нуля, защитой от перегрузок и высокой чувствительностью.

Дальнейший диапазон применений настоящего изобретения становится очевидным из подробного описания, приводимого ниже. Должно быть понятно, однако, что подробное описание и конкретные примеры, показывающие предпочтительные варианты выполнения данного изобретения, даны только в целях иллюстрации, т. к. другие изменения и модификации в рамках идеи и объема данного изобретения становятся очевидными для специалистов в этой области.

Признаки настоящего изобретения проявляются в конструкции, расположении и комбинациях различных частей устройства, в то время как цели изобретения достигаются так, как далее более полно объясняется и специально указывается в пунктах изобретения и иллюстрируется приложенными чертежами, на которых: фиг. 1 представляет собой полный вид предпочтительного варианта выполнения данного изобретения; фиг. 2 представляет собой вид сверху устройства, показанного на фиг. 1; фиг. 3 представляет собой поперечное сечение устройства, показанного на фиг. 1 (вдоль линии 3-3 фиг. 2); фиг. 4 представляет собой поперечное сечение вдоль линии 4-4 фиг. 2; фиг. 5 представляет собой поперечное сечение вдоль линии 5-5 фиг. 2; фиг. 6 представляет собой вид части поперечного сечения устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий нежелательные пустоты, которые ухудшают уплотнение; фиг. 7 представляет собой вид части поперечного сечения устройства, показанного на фиг. 1, иллюстрирующий предпочтительное уплотнение; фиг. 8(a) - 8(i) иллюстрируют предпочтительный способ изготовления устройства, показанного на фиг. 1; фиг. 9 представляет собой поперечное сечение устройства, показанного на фиг. 1, работающего в сенсорном режиме;
фиг. 10 представляет собой характеристическую кривую давление - напряжение устройства, показанного на фиг. 1.

Преимуществами кремниевого емкостного датчика абсолютной величины давления в соответствии с данным изобретением являются высокая стабильность, низкое потребление электроэнергии, механически прочная конструкция, нечувствительность к избыточным давлениям в широком диапазоне, большой диапазон измерений и встроенное средство, использующее способ подавления нуля, для расширения диапазона линейности и повышения чувствительности.

Данное изобретение имеет целью конструирование, изготовление и герметизацию кремниевых датчиков абсолютной величины давления для промышленных и других применений, в которых должна быть обеспечена долговременная стабильная работа в широком диапазоне измерений в неблагоприятных окружающих условиях. Настоящий датчик предпочтительно работает в сенсорном режиме со средством подавления нуля. Однако работа в несенсорном режиме также возможна. Предложенный конструктивный подход и способы монтажа обеспечивают уникальные рабочие характеристики.

Данные по рабочим характеристикам этого емкостного датчика абсолютной величины давления приведены ниже:
диапазон рабочих температур от -150 до 200^oC;
диапазон давлений: возможно перекрытие полной шкалы давлений от 10^-4 до 10³ psi (фунтов на квадратный дюйм);
избыточное давление: от 200 до 200000% полной шкалы, или 500 psi (фунтов на квадратный дюйм);
технологическое давление до 500 psi (фунтов на квадратный дюйм) в течение нескольких часов;
технологическая температура до 300^oC в течение нескольких часов;
точность порядка ± 1,5% по всей шкале в течение 5-10 лет;
гистерезис менее 1% по всей шкале в течение 5-10 лет; и
источник питания - 3-30 В (5-15 милливатт) (при использовании CP-10 схемы интерфейса емкость - напряжение).

Рассмотрим теперь чертежи, на которых только для целей иллюстрации, а не в ограничительных целях, показаны предпочтительные варианты выполнения данного изобретения. Фиг. 1 и 2 показывают общий вид предпочтительного варианта выполнения данного изобретения. Датчик 10 состоит из двух основных компонентов - кремниевого диафрагменного узла 12 и стеклянной или кремниевой подложки 14.

Узел 12 предпочтительно имеет квадратную или прямоугольную форму и формируется из кремния, легированного бором (P⁺), с использованием способа P травления с ограничением (или может быть использован кремний, легированный азотом, с использованием способа травления p-n-перехода с ограничением). Диафрагменный узел 12 включает область 15, в которой расположена диафрагма 16, и область 17, имеющая отверстие 18. Эти области ограничены относительно толстой разделительной перегородкой 20 и относительно толстой рамой 22.

Электрод 26, предпочтительно состоящий из трех металлических слоев, а именно двух внешних слоев из хрома и внутреннего слоя из платины (Cr-Pt-Cr), формируется на подложке 14. Электродные слои из хрома обеспечивают лучшее сцепление, в то время как платиновый слой обеспечивает высокую проводимость. Электрод 24 используется для контакта с диафрагмой 16 и располагается в области 28 под отверстием 18. Более того, как будет объяснено со ссылками на фиг. 4 и 5, электрод 24 расположен не непосредственно на подложке 14, а на изолирующем, в частности стеклянном, слое, находящемся на этой подложке. Электрод 26 простирается до области 28 и области 30, съюстированной с диафрагмой 16.

Точные размеры датчика изменяются в зависимости от диапазона измеряемых давлений и максимальных температур и давлений, которые должен выдерживать датчик. Например, в датчике с рабочим давлением приблизительно 100 psi (фунтов на квадратный дюйм) и при максимальном давлении 400 psi (фунтов на квадратный дюйм) и при максимальной температуре 250^oC ширина b диафрагмы 16 равна 250 микронам, длина а диафрагмы 16 равна 750 микронам, толщина перегородки 20 равна 500 микронам и высота перегородки 20, равная 300 микронам, совпадает с толщиной 75 мм кремниевой пластины. Размеры рамы 22 выбираются в соответствии с толщиной и высотой перегородки 20. Понятно, что любые другие удобные размеры могут быть применены при условии достижения целей настоящего изобретения.

Важно, как это очевидно из предпочтительных вышеприведенных размеров, что перегородка 20 и рама 22 изготавливаются в виде толстых механически прочных структур. Преимуществом такой конструкции является то, что датчик 10 способен выдерживать предельные температуры и давления во время изготовления, установки и эксплуатации. Датчик может адаптироваться для применения в относительно суровых внешних условиях, например таких как внедрение датчика в автомобильную шину для измерения, таким образом, давления. Для специалистов в данной области понятно, что соответствующие электронные схемы могут быть использованы с датчиком для отслеживания изменений электрической емкости (напряжения), регистрируемых датчиком. Более того, электронные схемы могут использоваться для дистанционного отслеживания таких изменений.

Обратимся теперь к фиг. 3 и ссылаясь также на фиг. 1 и 2, из которых видно, что диафрагменный узел 12 электростатически соединен с подложкой 14 и образует емкостный датчик давления 10. Электрическая емкость датчика определяется площадью диафрагмы 16 (a х b) и электрода 26, величиной зазора под диафрагмой (d - d_min) и диэлектрической проницаемостью воздуха или вакуума. Емкость выражается следующим образом:

где dxdy = dA - элементарная площадь диафрагмы;
ε_o - диэлектрическая проницаемость воздуха или вакуума;
ε_g - диэлектрическая проницаемость стекла (слой 32);
d - расстояние между диафрагмой и подложкой.

Таким образом, в области соприкосновения (в сенсорном режиме): d = d_min
так, что

и

Зазор формируется способом травления кремния (как будет объяснено со ссылками на фиг. 8(а) - 8(i)), а d_min представляет собой заданную толщину изолирующего слоя 32 на электроде 26. Величина зазора d_min равна расстоянию между верхней стороной изолирующего, в частности стеклянного, слоя и подложкой. Непостоянство d_min, как показано в приведенном примере кривизной изолирующего слоя над электродом на фиг. 3, считается пренебрежимо малым. Так как для формирования кремниевой диафрагмы предпочтительно применяется способ P⁺ травления с ограничением, то толщина диафрагмы h зависит от толщины P⁺ слоя, которая может точно контролироваться. Предпочтительно, d_min равна 0,3-3,0 микрона во всех соответствующих областях. Однако любые другие удобные размеры d_min, также как размеры всех остальных компонентов, могут применяться при условии достижения преимуществ настоящего изобретения.

Вакуумно-плотная полость 34 формируется под диафрагмой 16. Электрод 26 проходит под перегородкой 20 и соединяет контактную площадку 36 электрода 26 (расположенную в отверстии 18) с электродом 26 в вакуумно-плотной полости 34. Соответственно, изменение электрической емкости полости 34 в результате изменения давления, воздействующего на диафрагму 16, успешно детектируется.

На фиг. 2, 4 и 5 показано относительное положение электродов 24 и 26. На электрод 26 осажден изолирующий слой 32. Электрод 24 располагается на изолирующем слое 32 так, что изолирующий слой 32 лежит между и разделяет/стратифицирует электроды, как показано на фиг. 4. Далее, как видно на фиг. 5, электрод 24 частично расположен под разделительной перегородкой 20, но не доходит до полости 34, таким образом обеспечивая контакт с диафрагмой 16 через перегородку 20 и поддерживая вакуум в полости 34.

Как видно на фиг. 3 и 4, электрод 26 проходит из полости 34 под разделительной перегородкой 20 к отверстию 18. Трудности, возникающие в этой конструкции, связаны с обеспечением поддержания вакуума в полости 34. В частности, для специалистов в данной области понятно, например, что пустоты 38 и 40 могут образовываться между разделительной перегородкой 20 и изолирующим слоем 32 в результате создания краями электрода 26 небольшого гребня или выступа в изолирующем слое под разделительной перегородкой 20 (фиг. 6). Эти пустоты 38 и 40 препятствуют надежному поддержанию вакуумного состояния в полости 34. Чтобы преодолеть эту трудность, в предпочтительном варианте выполнения изобретения, показанном на фиг. 7, толщина электрода 26 и изолирующего слоя 32, т. е. d_min тщательно выбирается, а процессы соединения и/или термообработки подбираются так, чтобы изолирующий слой 32 формировался или деформировался и заполнял пустоты 38 и 40. Предпочтительно, толщина электрода 26, в том числе, в области под перегородкой 20 равна приблизительно 0,1-0,3 микрона, а толщина изолирующего слоя 32 равняется приблизительно 0,3-3,0 микрона. Таким образом, вакуумное уплотнение обеспечивается на поверхности раздела разделительной перегородки 20 и изолирующего слоя 32 и на поверхности раздела электрода 26 и изолирующего слоя 32.

Способ изготовления датчика 10 со скрытым сквозным соединением (иллюстрируется на фиг. 8(а) - 8(i). Как видно, процесс начинается с кремниевой пластины 42 p-типа с ориентацией <100> (фиг. 8(а)). Травитель КОН (или любой другой подходящий травитель) используется для травления пластины и получения необходимых выемок 44 и 46 в пластине 42 (фиг. 8(b)). Затем проводят диффузию бора для формирования диафрагменного P⁺ слоя толщиной h (фиг. 8 (с)).

Стеклянная подложка 14 предварительно подготавливается до электростатического соединения с пластиной 42. Электрод 26 напыляется (фиг. 8(d)) и затем покрывается изолирующим слоем 32 распыляемого стекла типа 7740 или стекла эквивалентного состава (фиг. 8(е)), который полностью изолирует электрод 26 от диафрагмы 16, когда диафрагма соприкасается с дном полости 34. Затем изолирующий слой над контактной площадкой 36 (фиг. 3) удаляется травлением стекла через маску. И, наконец, электрод 24 напыляется на слой 32 для обеспечения контакта с пластиной 42 (диафрагмой 16).

Предпочтительно, система - подложка 14, электрод 26 и изолирующий слой 32 - подвергается термообработке. Сначала система нагревается до температуры 500-550^oC и выдерживается приблизительно в течение получаса, так что слой 32 деформируется и облегает электрод 26. Затем система выдерживается приблизительно в течение получаса при температуре 350-400^oC. Это позволяет стеклу в системе релаксировать и придти в тепловое равновесие, обеспечивая необходимый температурный коэффициент. После этого кремниевая пластина 42 электростатически соединяется со стеклянной подложкой 14 при температуре 350-400^oC (фиг. 8(f). И, наконец, система медленно охлаждается приблизительно в течение одного часа.

Затем осуществляется вытравливание кремния с пластины 42 на большую глубину с использованием травителя EDP (или травителя КОН, или другого подходящего травящего раствора) для формирования диафрагмы 16 и покрывающего слоя 48 для вскрытия электрода (фиг. 8(g)). После разделения на кристаллы покрывающий электрод слой 48 вскрывается (фиг. 8(h)). Изолирующий слой под покрывающим слоем 48 и над контактной площадкой 36 удаляется до создания соединения с электродом 26 (контактной площадкой 36) (Фиг. 8(i). Готовое устройство 10 снабжается затем выводами и размещается в корпусе.

В этой конструкции не предусматривается создание отдельного сквозного соединительного канала в кремнии p-типа. Тонкое металлическое сквозное соединение, т. е. электрод 26, расположенный под анодной соединительной областью, формируется на стеклянной подложке 14. До анодного соединения с кремниевым диафрагменным узлом 12 изолирующий слой 32 из пленки пирексова стекла осаждается способом распыления на стеклянную подложку 14 и поверхность электрода на стеклянной подложке 14 за исключением области контактной площадкой 36. Этот слой 32 служит одновременно как промежуточный слой при анодном соединении и как изолирующий слой нижнего электрода при работе в сенсорном режиме.

Устройство 10 на фиг. 8(а) - 8(i) обладает многими преимуществами, такими как низкая стоимость, уплотнение на уровне пластины и хорошие рабочие характеристики. Использование двухступенчатого процесса распыления стекла - первая операция по соединению кремния (42) со стеклом (14) и вторая операция по заданию d_min поверх электрода (26) - позволяет повысить чувствительность датчика.

Предпочтительным рабочим режимом емкостного датчика давления 10 является сенсорный режим. Датчики, работающие в этом режиме, обладают гораздо лучшими рабочими характеристиками по сравнению с обычными емкостными датчиками в некоторых промышленных применениях, в которых желательно осуществлять контроль за давлением в широком диапазоне. При правильной конструкции и изготовлении датчик 10, как показано на фиг. 9, работает с диафрагмой 16, соприкасающейся с электродом 26 через изолирующий слой 32. Площадь соприкосновения изменяется как линейная функция приложенного давления. Следовательно, емкость изменяется в соответствии с уравнениями [1] и [2] и почти линейно зависит от приложенного давления при работе в сенсорном режиме.

Типичные характеристики датчика приведены на фиг. 10, на которой можно выделить три рабочие области. Область 1 является областью нелинейного несенсорного режима, т. е. диафрагма и изолирующий слой не контактируют друг с другом. Показано типичное нелинейное соотношение между электрической емкостью и давлением. Область 2 характеризуется переходными характеристиками, при которых диафрагма 16 датчика 10 начинает соприкасаться с изолирующим слоем 32 электрода 26. Небольшой скачок наблюдается на кривой в результате общих электрических емкостей соприкасающихся и несоприкасающихся площадей. В области 3 наблюдается почти линейное соотношение между электрической емкостью и давлением. Это свойство в основном обусловлено вкладом площади соприкосновения, которая возрастает при увеличении давления. Эта линейная область работы обеспечивает значительные, ранее неизвестные преимущества в рабочих характеристиках.

В датчике давления 10, работающем в сенсорном режиме, положение точки соприкосновения может регулироваться конструктивными параметрами так, чтобы датчик обладал линейной характеристикой в диапазоне интересующих давлений. Это обеспечивает большую конструктивную гибкость в изготовлении датчиков для различных применений с минимальными модификациями процесса изготовления. Например, диапазон интересующих давлений для шины легкового автомобиля - порядка 50 psi (фунтов на квадратный дюйм), а диапазон интересующих давлений для шины грузового автомобиля - порядка 100 psi (фунтов на квадратный дюйм). Единственным небольшим изменением в изготовлении датчика будет различное время P⁺ диффузии.

Данное изобретение, представленное в описании, обладает значительными преимуществами. Во-первых, сквозное соединение металлического электрода 26 (предпочтительно состоящего из Cr-Pt-Cr), имеющего заданную толщину от 0,1 до 0,3 микрона, покрытого стеклянным слоем 32, имеющим заданную толщину от 0,3 до 3,0 микрона, и подвергнутого заданной термообработке, облегчает получение надежного уплотнения для вакуумированной полости 34 и все же обеспечивает доступ к электроду для измерения.

Во-вторых, конструкция датчика является механически прочной, обеспечивая стабильность, хорошие рабочие характеристики и высокую надежность. В частности, размеры рамы 22 и перегородки 20 подбираются так, чтобы выдерживать суровые внешние условия как при изготовлении, так и при эксплуатации датчика.

В-третьих, при работе предпочтительно в сенсорном режиме рабочие характеристики линейного режима улучшаются при использовании средств подавления нуля, встроенной защиты от перегрузок, а чувствительность значительно повышается. Расширение диапазона линейности зависит от толщины диафрагмы, величины зазора под диафрагмой и других размерных факторов. Подавление нуля для линейного режима работы может быть реализовано с помощью соответствующей схемы измерения. Более того, датчик защищен от избыточных давлений, т.к. диафрагма только касается подложки и не ломается, и не вызывает коротких замыканий при повышении давления. Единственным результатом избыточных давлений будет увеличение площади соприкосновения. С другой стороны, чувствительность датчика в сенсорном режиме увеличивается, так как электрическая емкость зависит от величины эквивалентного зазора, равной наименьшему возможному d_min.

Приведенное описание содержит частные предпочтительные варианты выполнения данного изобретения и не служит целям его ограничения. В виду этого, данное изобретение не ограничено только приведенными выше вариантами выполнения. Более того, понятно, что специалисты в данной области могут создать альтернативные варианты выполнения, которые не выходят за пределы объема данного изобретения.

Формула изобретения

1. Емкостный датчик давления, содержащий подложку, имеющую электрод, расположенный на ней, первую и вторую части, занимаемые этим электродом, и изолирующий слой, расположенный над этим электродом только в первой части, второй электрод, контактную подложку, диафрагменный узел на подложке, включающий рамочную конструкцию и разделительную перегородку, разделяющую первую и вторую области, первая область перекрыта диафрагмой, а вторая область выполнена в виде отверстия, первая и вторая области расположены на подложке так, что первая часть подложки съюстирована с первой областью и диафрагмой таким образом, что диафрагма, подложка, разделительная перегородка и соответствующая рамочная конструкция, определяющие первую область, образуют вакуумированную полость, а вторая часть подложки съюстирована со второй областью для облегчения доступа к электроду, разделительная перегородка, разделяющая первую и вторую области, контактирует с изолирующим слоем на электроде в первой части, при этом указанные изолирующий слой и электрод имеют заданную толщину, а изолирующий слой, деформируясь и плотно облегая электрод, создает уплотнение и поддерживает вакуумное состояние в вакуумированной полости.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что размеры рамочной конструкции и разделительной перегородки выбираются из условия обеспечения стабильности его работы при воздействии на него значительных внешних сил, давления и предельных температур.

3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что заданная толщина изолирующего слоя равняется приблизительно 0,3 - 3,0 мкм.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что заданная толщина электрода равняется приблизительно 0,1 - 0,3 мкм.

5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что вакуумированная полость выполнена так, что обладает электрической емкостью.

6. Датчик по п.5, отличающийся тем, что выполнен так, что изменение электрической емкости зависит от давления, воздействующего на диафрагму.

7. Датчик по п.6, отличающийся тем, что выполнен с возможностью соприкосновения диафрагмы с изолирующим слоем при наличии давления.

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электрод состоит из хрома и платины для обеспечения хорошей адгезии к изолирующему слою.

9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что диафрагма выполнена с возможностью прогиба и соприкосновения с изолирующим слоем в зависимости от давления, воздействующего на диафрагму, обеспечивая работу в сенсорном режиме.

10. Датчик по п.9, отличающийся тем, что выполнен с возможностью обеспечения линейного рабочего диапазона в сенсорном режиме.

11. Датчик по п.10, отличающийся тем, что выполнен с возможностью выдерживать избыточное давление за счет прогиба до соприкосновения с изолирующим слоем.

12. Датчик по п.11, отличающийся тем, что выполнен с возможностью изменения конструктивных параметров для обеспечения линейного рабочего режима соответствующего рабочему диапазону давлений.

13. Способ изготовления емкостного датчика давления, включающий вытравливание первой и второй выемок на первой стороне кремниевой пластины, причем первая и вторая выемки отделены разделительной перегородкой, проведение процесса диффузии для формирования Р⁺ слоя в указанных выемках, осаждение металлического слоя в форме электрода и контактной площадки на поверхность подложки, имеющей первую и вторую части, причем электрод расположен в первой и второй частях, а контактная площадка расположена во второй части, напыление изолирующего слоя на поверхность и электрод, напыление второго электрода на изолирующий слой, деформирование изолирующего слоя до плотного облегания электрода, соединение кремниевой пластины с подложкой так, что первая выемка съюстирована с первой частью подложки, а вторая выемка съюстирована со второй частью подложки, причем первая выемка и первая часть формируют полость, вытравливание второй поверхности, противоположной первой поверхности, пластины для формирования диафрагмы, съюстированной с первой выемкой и первой частью, и формирование покрывающего слоя, съюстированного со второй выемкой и второй частью, и удаление покрывающего слоя для образования отверстия во второй части диафрагменного узла и соответствующей части изолирующего слоя для вскрытия электрода, при этом полость уплотняют в результате деформации изолирующего слоя до плотного облегания электрода и соединения.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что дополнительно выбирают толщину изолирующего слоя для обеспечения его деформации до плотного облегания электрода.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что толщина изолирующего слоя лежит в диапазоне 0,3 - 3,0 мкм.

16. Способ по п.13, отличающийся тем, что вытравливание для формирования первой и второй выемок, диафрагмы и покрывающего слоя определяет рамочную конструкцию, размеры которой выбираются так, чтобы датчик выдерживал большие внешние силы и предельные температуры, обеспечивая тем самым стабильность.

17. Способ по п. 13, отличающийся тем, что включает также операцию по созданию вакуума в первой выемке во время соединения пластины с подложкой.

18. Способ по п.13, отличающийся тем, что деформирование и соединение включают операцию по заданной термообработке подложки и кремниевой пластины.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что операция по заданной термообработке состоит из выдерживания подложки, осажденного металлического электрода и напыленного изолирующего слоя при первой температуре приблизительно в течение получаса, выдерживания подложки, осажденного металлического электрода, напыленного изолирующего слоя и кремниевой пластины при второй температуре приблизительно в течение получаса для соединения кремниевой пластины с подложкой и медленного охлаждения подложки, осажденного металлического электрода, напыленного изолирующего слоя и соединенной кремниевой пластины приблизительно в течение 1 ч.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что первая температура приблизительно равна 500 - 550°С.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что вторая температура лежит в диапазоне 350 - 400°С для уменьшения остаточных напряжений в датчике.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10