Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента



Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента
Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента
Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента

 


Владельцы патента RU 2558675:

Васильев Валерий Анатольевич (RU)
Москалев Сергей Александрович (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах измерения, контроля и управления. Датчик абсолютного давления содержит корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу, выполненному в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием, на плоской поверхности профилированного монокристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь. Центры тензорезисторов расположены на расстоянии l от взаимно перпендикулярных осей Ox и Oy, проведенных через центр мембраны, лежащих в ее плоскости и параллельных границам тонкой части мембраны с основанием полупроводникового чувствительного элемента, которое определено из соотношения:

где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла; hм - толщина мембраны полупроводникового кристалла. Технический результат - повышение чувствительности устройства. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах измерения, контроля и управления.

Известны полупроводниковые датчики давления с тензорезисторами, сформированными в полупроводниковом чувствительном элементе. Тензорезисторы объединены в мостовую измерительную цепь [1, 2].

Известна конструкция чувствительного элемента датчика давления мембранного типа [3], представляющая собой монокристаллический кремниевый кристалл n-типа проводимости, планарная сторона которого ориентирована по кристаллографической плоскости (100) с углублением на тыльной стороне кристалла, образующим квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформированы четыре однополосковых тензорезистора p-типа проводимости таким образом, что их продольные оси параллельны одной из главных осей мембраны, совпадающей с кристаллографическим направлением [110].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, выбранного в качестве прототипа [4]. Такой датчик содержит корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу. Полупроводниковый чувствительный элемент выполнен в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием. На плоской поверхности профилированного кристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь. Внутри чувствительного элемента между кристаллом и стеклянным основанием находится вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений.

Общим недостатком конструкций чувствительных элементов датчиков давления, описанных в [1-4], является недостаточно высокая чувствительность, обусловленная тем, что расположенные на границе мембраны тензорезисторы испытывают деформации, которые не являются максимально возможными для профилированных кристаллов с квадратной мембраной. Как было установлено, максимальные относительные деформации находятся на относительном расстоянии r max м от центра мембраны, и это расстояние зависит от отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм/hм.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности за счет оптимального расположения тензорезисторов в зонах максимальных относительных деформаций. Кроме того, задачей предлагаемого изобретения является повышение точности за счет повышения чувствительности.

Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности за счет расположения тензорезисторов в зонах максимальных относительных деформаций. При этом с повышением чувствительности повышается и точность. Кроме того, техническим результатом является повышение технологичности изготовления датчика, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов, обеспечивающее максимальную чувствительность проектируемых датчиков, при различных отношениях размера мембраны к ее толщине aм/hм.

Это достигается тем, что в датчике абсолютного давления повышенной чувствительности, содержащем корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу, выполненному в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием, на плоской поверхности профилированного монокристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь, в соответствии с предлагаемым решением центры тензорезисторов расположены на расстоянии l от взаимно перпендикулярных осей Ox и Oy, проведенных через центр мембраны, лежащих в ее плоскости и параллельных границам тонкой части мембраны с основанием полупроводникового чувствительного элемента, которое определено из соотношения:

l = a м 2 0,99 1 0,948 e 0,359 a м h м , ( 1 )

где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла; hм - толщина мембраны полупроводникового кристалла.

На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого датчика абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, герметизирующую контактную колодку 3, металлическую мембрану 4, несжимаемую жидкость 5, полупроводниковый чувствительный элемент 6. Несжимаемая жидкость заливается через трубку 7, расположенную в контактной колодке 3.

На фиг. 2 отдельно показан полупроводниковый чувствительный элемент датчика. Он состоит из профилированного монокристалла кремния 8 плоскости (100) толщиной Нкр с квадратной мембраной размером ам и толщиной hм, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием 9 (фиг. 2, б). На плоской поверхности профилированного кристалла 8 сформированы тензорезисторы R10-R13, объединенные в мостовую измерительную цепь. Тензорезисторы, нормальные к оси Ox, занимают такую же площадь, что тензорезисторы, нормальные к оси Oy, а длина тензоэлементов тензорезисторов, нормальных к оси Oy, равна ширине тензорезисторов, нормальных к оси Ox.

Центры тензорезисторов R10-R13 находятся на расстоянии l от центра мембраны, определенном из соотношения (1). Это соотношение было получено исходя из условия:

l = а м 2 r max м ( a м , h м ) , ( 2 )

где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла ( а м 2 - расстояние от центра мембраны до ее края); hм - толщина мембраны полупроводникового кристалла; r max м ( а м , h м ) - относительное расстояние, соответствующее местоположению максимальных относительных деформаций.

Соотношение для относительного расстояния r max м ( а м , h м ) , входящего в выражение (2), было получено в результате моделирования деформаций методом конечных элементов, который описан в [5, 6]. Вначале было определено, что основным геометрическим параметром формы, влияющим на местоположение максимальных относительных деформаций, является отношение размера стороны мембраны к ее толщине aм/hм. На практике это отношение обычно лежит в пределах:

5 а м h м 120. ( 3 )

К примеру, для ам=2,4 мм, толщина мембраны обычно лежит в пределах hм=20…480 мкм.

При фиксированных значениях размера стороны мембраны ам изменялась толщина мембраны hм с учетом (3). Так, в случае ам=2,4 мм толщина мембраны изменялась в диапазоне значений 20…480 мкм (обычно используемых на практике).

В процессе моделирования определялись значения расстояния, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций. Полученные данные аппроксимировались в диапазоне значений, удовлетворяющих условию (3) полиномом. В результате была определена зависимость r max м ( а м , h м ) .

Установленная зависимость относительного расстояния, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций, r max м ( а м , h м ) от отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм/hм, имеет вид:

r max м ( a м , h м ) = 0,99 1 0,948 e 0,359 a м h м . ( 4 )

На фиг. 3 представлена зависимость относительного расстояния r max м , соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций, от отношения размера стороны мембраны к ее толщине aм/hм (точки - расчет, кривая - аппроксимация).

Рассмотрим пример.

Возьмем размер мембраны полупроводникового кристалла ам=3 мм, толщину мембраны полупроводникового кристалла hм=40 мкм.

В соответствии с выражением (1), определим расстояние l, соответствующее расположению центров тензорезисторов в областях максимальной относительной деформации:

l = a м 2 r max м ( а м , h м ) = а м 2 0,99 1 0,948 е 0,359 а м h м = 3 м м 2 0,99 1 0,948 е 0,359 3 м м 0,04 м м = 1,485 м м .

При этом относительное расстояние r max м = 2 l а м = 0,99.

При размере мембраны ам=3 мм и толщине мембраны hм=300 мкм расстояние l, соответствующее расположению центров тензорезисторов в областях максимальной относительной деформации:

l = a м 2 r max м ( а м , h м ) = а м 2 0,99 1 0,948 е 0,359 а м h м = 3 м м 2 0,99 1 0,948 е 0,359 3 м м 0,3 м м = 1,525 м м .

При этом относительное расстояние r max м = 2 l а м = 1,02.

Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на металлическую мембрану 4, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость 5 полупроводниковому чувствительному элементу 6 (фиг. 1), состоящему из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме (фиг. 2а, б). В результате воздействия давления на плоской поверхности полупроводникового кристалла 8 возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 10-13, включенными в мостовую измерительную цепь. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением центров тензорезисторов 10-13 на расстоянии l от центра кристалла, определенном из соотношения (1), они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных деформаций. Благодаря такому размещению тензорезисторов повышена чувствительность датчика, за счет этого также повышена точность датчика по сравнению с прототипом.

Предлагаемый датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента обладает повышенной технологичностью, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов при различных отношениях размера стороны мембраны к ее толщине aм/hм.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается чувствительность датчика за счет расположения тензорезисторов в зонах максимальных относительных деформаций. Кроме того, повышается технологичность за счет возможности размещения тензорезисторов оптимальным образом при различных толщинах мембраны (в диапазоне от 20 до 480 мкм).

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 136 с.

2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы / Тульский Государственный университет - Тула, 2002. - 392 с.

3. Беликов Л.В., Разумихин В.М. Чувствительный элемент мембранного типа // Пат. 93027803 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. Заявка 93027803/10 от 18.05.1993; опубл. 27.12.1995.

4. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры. Компоненты и технологии №5. 2009. - С. 12-15.

5. Алямовский A.A. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks / А.А. Алямовский. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 784 с.

6. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation / А.А. Алямовский. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 464 с.

Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности, содержащий корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу, выполненному в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием, на плоской поверхности профилированного монокристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь, отличающийся тем, что центры тензорезисторов расположены на расстоянии l от взаимно перпендикулярных осей Ox и Oy, проведенных через центр мембраны, лежащих в ее плоскости и параллельных границам тонкой части мембраны с основанием полупроводникового чувствительного элемента, которое определено из соотношения:

где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла; hм - толщина мембраны полупроводникового кристалла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью.

Изобретение относится к измерительной технике и направлено на повышение точности измерения и стабильности технических характеристик датчиков давления. Способ измерения давления заключается в размещении датчика давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации напряжений с питающей и измерительной диагоналей моста, их преобразовании в аналоговый сигнал постоянного тока и определении по этим сигналам давления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям малых давлений и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления при автоматизации контроля технологических процессов. Техническим результатом изобретения является уменьшение температурной погрешности и повышение быстродействия.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений давления жидких и газообразных сред. Сущность: датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки и соединительных проводников.

Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом содержит корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку ЧЭД и ИС, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и по меньшей мере один канал в корпусе для подвода давления среды. ЧЭД снабжен контактными площадками, такое выполнение ЧЭД упрощает и позволяет автоматизировать процесс соединения электрическими проводниками ИПД, ИС и выходных контактов. Крышка выполнена из кремния по технологии производства ИС встроенной, т.е. размещена внутри полости корпуса на кристалле ИПД, а соединение ее с кристаллом ИПД также выполнено низкотемпературной пайкой стеклом, что, как известно, позволяет в кристалле ИПД уменьшить термические напряжения при работе. Размещение кристалла ИС на встроенной защитной крышке ИПД и их соединение клеем-герметиком улучшает условия работы и упрощает технологию сборки, т.к ЧЭД соединяется с корпусом таким же образом. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брега. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования. Техническим результатом изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы. Определение температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов проводят в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации, и определяют соответственно первый и второй дополнительные критерии стабильности по соотношениям Ψτ01j=|(α2j+α4j)-(α1j+α3j)|, Ψτ02j(α)=αij, где α1j, α2j, α3j, α4j - температурный коэффициент сопротивления 1, 2, 3, 4-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне; αij - температурный коэффициент сопротивления i-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, и если |Ψτ01j|<|Ψτ01jmax|, Ψτ02jmin<Ψτ02j(α)<Ψτ02jmax, где Ψτ01jmax, Ψτ02jmin, Ψτ02jmax - соответственно предельно допустимое максимальное значение первого дополнительного критерия стабильности, предельно допустимые минимальное и максимальное значение второго дополнительного критерия стабильности i-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

Способ настройки термоустойчивого датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы относится к области измерительной техники и предназначен для измерения давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Способ заключается во введении в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов двух компенсационных резисторов, воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на мембрану датчика, определении начального выходного сигнала и его изменении от действия температуры, определении необходимой величины сопротивлений компенсационных резисторов и закорачивании компенсационных резисторов до необходимой величины. При этом первый компенсационный резистор размещают в зоне минимального градиента температурного поля на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов, а второй компенсационный резистор размещают в зоне максимального градиента температурного поля. Причем сначала определяют необходимую величину второго компенсационного резистора при выключенном напряжении питания и воздействии нестационарной температуры и включают его в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, а затем определяют необходимую величину первого компенсационного резистора при включенном напряжении питания и стационарных температурах. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности датчика давления. 3 ил.

Изобретение относится к оборудованию для гранулирования предварительно измельченных материалов и может быть использовано для определения напряженного состояния в клиновидном рабочем пространстве вальцово-матричных пресс-грануляторов. Прессующий ролик содержит ось с подшипниками, на которых установлена цилиндрическая обечайка, и силоизмерительное устройство, встроенное в информационно-измерительную систему. Силоизмерительное устройство состоит из двухопорных тензометрических пластин с наклеенными на них тензодатчиками, цилиндрических несущих штифтов и общей для тензометрических пластин опоры. Силоизмерительное устройство установлено в продольном сквозном пазу обечайки, в плоском основании которого по его длине выполнен ряд сквозных цилиндрических радиальных отверстий. Каждый несущий штифт установлен с кольцевым зазором в соответствующем отверстии и рабочим концом выходит на контактную поверхность обечайки, а сферической головкой опирается на тензометрическую пластину. В результате повышается точность измерения нормальных радиальных напряжений в клиновидном рабочем пространстве, обеспечивается возможность определения параметров напряженного состояния и их распределения в тангенциальном направлении и по ширине рабочих органов. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления, массы, деформаций и напряжений. Устройство содержит тензорезисторы, которые размещены в контролируемых точках объекта и соединены с внешними конденсаторами в фазирующую RC-цепочку, образуя совместно с усилителем генератор гармонических колебаний, соединенный через преобразователь частота-код и микроконтроллер, программа которого снабжена градуировочной характеристикой зависимости частоты от контролируемой массы или деформации, с цифровым индикатором. Технический результат заключается в возможности непрерывно проводить измерения с использованием двухпроводной линии связи и однотипных стандартных тензорезисторов (тензодатчиков). 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения давления на основе тензомостового интегрального преобразователя давления в широком диапазоне рабочих температур. Предложен способ измерения давления и калибровки, в котором калибровку аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей проводят при непрерывном измерении напряжений с диагоналей тензомоста отдельно для минимального и максимального значения давления при изменении температуры от минимальной до максимальной рабочей температуры и обратно, а нелинейность преобразователя от давления оценивают при изменении давления в НУ и крайних точках рабочих температур. Давление вычисляют по коэффициентам, рассчитанным при калибровке, путем последовательной компенсации аддитивной и мультипликативной температурной погрешностей, а также нелинейности преобразователя от давления. Технический результат - повышение точности измерений за счет компенсации аддитивной, мультипликативной погрешностей и нелинейности тензомостового интегрального преобразователя давления во всем диапазоне изменения рабочих температур и давления при сокращении времени и трудоемкости калибровки. 4 ил.

Изобретение относится к оборудованию для гранулирования измельченного полуфабриката растительного происхождения. Прессующий ролик пресс-гранулятора содержит обечайку, подшипники качения, торцевые крышки для фиксации обечайки относительно наружных колец подшипников и измеритель нормальных напряжений на рабочей поверхности ролика. Обечайка выполнена по меньшей мере с одним меридиональным пазом на внутренней поверхности и по меньшей мере с одним радиальным отверстием. Измеритель нормальных напряжений выполнен в виде по меньшей мере одного тензометрического штифта, установленного с зазором в соответствующем радиальном отверстии обечайки. Штифт имеет опорно-стопорную головку, расположенную в меридиональном пазу обечайки с опорой на тензометрическую пластину. На одной стороне упомянутой пластины закреплен тензодатчик. Проводники тензодатчика выведены через полость, образованную П-образным сечением колодки, по меньшей мере в одно отверстие в торцевой крышке. Колодка размещена в меридиональной пазу обечайки. В результате обеспечивается повышение точности измерения нормального напряжения на рабочей поверхности прессующего ролика. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх