Датчик давления, выполненный на основе нанотензометров, связанных с резонатором

Изобретение относится к датчику давления из полупроводникового материала, содержащему корпус (1), образующий камеру (2) под вторичным вакуумом, по меньшей мере один резонатор (3), расположенный в камере и подвешенный при помощи гибких перекладин (4) по меньшей мере к одной упругодеформирующейся диафрагме (3), закрывающей камеру, которая содержит также средства (7, 12) возбуждения резонатора, заставляющие вибрировать резонатор, и средства отслеживания частоты вибрации резонатора. Средства отслеживания содержат по меньшей мере один первый подвешенный пьезорезистивный тензометр (9), один конец которого закреплен на одной из перекладин и один конец которого закреплен на диафрагме. Резонатор и первый тензометр образуют легированные зоны, по существу идентичные по своей природе и по концентрации. Технический результат – повышение чувствительности датчика. 20 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к датчику давления текучей среды, который можно использовать, например, на колесе транспортного средства для отслеживания давления накачки шины этого колеса.

В случаях применения, требующих использования малогабаритных датчиков, как известно, прибегают к датчикам, выполненным посредством травления на пластинках из кристаллического материала. Такой датчик давления, называемый резонирующим и имеющий лучшие характеристики по сравнению с известными микродатчиками с тензометром на диафрагме, содержит корпус, образующий камеру, по меньшей мере один резонатор, расположенный в камере и подвешенный при помощи гибких перекладин по меньшей мере к одной упругодеформирующейся диафрагме, закрывающей камеру. Камера содержит также средства возбуждения резонатора для создания в нем вибрации и средства отслеживания частоты вибрации резонатора. При этом деформирующаяся диафрагма взаимодействует с резонатором так, чтобы деформация диафрагмы под действием давления окружающей текучей среды приводила к соответствующему изменению частоты резонатора. Средства возбуждения выполнены с возможностью заставлять резонатор вибрировать на его резонансной частоте, а средства отслеживания являются, например, емкостными элементами или тензометрами, которые выдают в блок управления сигнал, отображающий частоту вибрации резонатора. Блок управления выполнен с возможностью вычисления давления, действующего на диафрагму, на основании выявленной частоты.

Однако многие из этих датчиков обладают ограниченной чувствительностью.

Емкостное отслеживание, являющееся сложным в доводке, является менее эффективным, чем отслеживание при помощи тензометра, во всяком случае теоретически. На практике отслеживание при помощи тензометров оказывается относительно малоэффективным.

Для повышения чувствительности датчиков схему блока управления усложнили с целью обработки сигналов, выдаваемых тензометрами. Это приводит к повышению стоимости и увеличению общего габарита датчика, которые не могут компенсироваться достаточным повышением его чувствительности.

Задачей изобретения является по меньшей мере частичное решение проблемы этой недостаточной чувствительности.

В датчиках давления с диафрагмой, резонатором и тензометром кристаллический материал является полупроводниковым материалом, на котором тензометр выполняют посредством легирования поверхности полупроводникового материала. Однако, как выяснилось, происходит нежелательная миграция легирующих добавок на уровне тензометра по всей его длине, которая снижает чувствительность указанного тензометра. Измерение оказывается слишком чувствительным к температуре и подвержено искажению в течение времени.

Согласно изобретению предусмотрен датчик давления из полупроводникового материала, содержащий корпус, образующий камеру под вторичным вакуумом, по меньшей мере один резонатор, расположенный в камере и подвешенный при помощи гибких перекладин по меньшей мере к одной упругодеформирующейся диафрагме, закрывающей камеру, которая содержит также средства возбуждения резонатора, заставляющие вибрировать резонатор, и средства отслеживания частоты вибрации резонатора. Средства отслеживания содержат по меньшей мере один первый подвешенный пьезорезистивный тензометр, один конец которого закреплен на одной из перекладин и другой конец которого закреплен на диафрагме. Резонатор и первый тензометр образуют легированные зоны, по существу идентичные по своей природе и по концентрации.

Таким образом, тензометр входит в контакт с остальной частью материала датчика только своими концами. За счет этого возможное проходное сечение для легирующих добавок значительно уменьшилось, что ограничивает возможность их миграции. Это же относится и к однородности легирующих добавок по природе (бор, фосфор, мышьяк…) и по концентрации. Кроме того, подвешивание тензометра к диафрагме позволяет удерживать резонатор и тензометр по существу на одной линии уровня во время их перемещения за пределы плоскости в ответ на давление, что облегчает обработку сигналов, выдаваемых тензометром.

Предпочтительно тензометр находится в вакууме, предпочтительно во вторичном вакууме, чтобы улучшить стабильность и эффективность измерения (добротность, коэффициент датчика…). Действительно, взаимодействие между тензометром и молекулами газа, которые могли бы содержаться в камере, оказывается ограниченным, что позволяет избегать захвата зарядов, вязкого трения и т.д.

Предпочтительно тензометр имеет прямоугольное поперечное сечение, длина стороны которого меньше 1 мкм и предпочтительно приблизительно равна 250 нм.

Таким образом, проходное сечение для миграции легирующих добавок является очень небольшим. Кроме того, это обеспечивает более широкий диапазон для размещения тензометра.

Предпочтительно в этом случае тензометр имеет длину менее 10 мкм и предпочтительно приблизительно равную 3 мкм.

Таким образом, тензометр является исключительно компактным, что позволяет уменьшить габарит датчика.

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающих частных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 схематично показана часть датчика согласно первому варианту осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 2 схематично показана часть датчика согласно второму варианту осуществления изобретения, вид сверху;

на фиг. 3 схематично показана часть датчика согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид сверху.

Как показано на фиг. 1, датчик давления согласно первому варианту осуществления изобретения содержит корпус 1, в данном случае по существу в виде параллелепипеда, образующий камеру 2 под вторичным вакуумом (в этом варианте осуществления давление не превышает 10^-5 атмосферы).

Резонатор 3 в виде единого груза расположен в камере 2 и подвешен при помощи гибких перекладин, обозначенных общей позицией 4, к упругодеформирующейся диафрагме, закрывающей камеру 2 (диафрагма 5 перекрывает верхний проем камеры 2 и расположена в плоскости, параллельной листу фигуры 1).

Резонатор 3 по существу имеет форму параллелепипеда с прямоугольным сечением, как показано на фиг. 1. Длина сейсмической массы резонатора 3 по существу составляет от 20 до 40% общей длины резонатора 3, предпочтительно составляет 25%. Резонатор 3 не входит в прямой контакт с диафрагмой 5.

Перекладины 4 образуют две стойки подвески резонатора 3, расположенные с двух сторон от него и связанные с двумя площадками 6, жестко соединенными с диафрагмой. Перекладины 4 могут быть продублированы в виде пар параллельных перекладин. Площадки 6 выполнены в виде единой детали с тонкой частью диафрагмы 5 и выступают относительно этой диафрагмы. Площадки 6 расположены таким образом, чтобы деформация диафрагмы 5 приводила к продольному перемещению площадок 6, которое передается на перекладины 4.

Камера 2 содержит также средства возбуждения резонатора 3, которые выполнены с возможностью принудительного вибрирования резонатора 3. В данном случае средства возбуждения содержат пары расположенных друг против друга электродов 7, образующие преобразователь, которые при подаче электрического напряжения создают силу перемещения, действующую на резонатор 3, что приводит к возвратно-поступательному движению резонатора 3 в направлении 8, параллельном диафрагме 5 и перпендикулярном к перекладинам 4.

Датчик содержит средства отслеживания частоты вибрации резонатора 3. Средства отслеживания содержат тензометры 9, работающие дифференциально, расположенные перпендикулярно к перекладинам 4 и подвешенные, каждый, одним концом, закрепленным на одной из перекладин 4, и одним концом, закрепленным на диафрагме 5, в частности на площадке 10 диафрагмы 5. Площадки 10 выполнены в виде единой детали с тонкой частью диафрагмы 5 и выступают относительно этой диафрагмы. Площадки 10 расположены таким образом, чтобы деформация диафрагмы 5 приводила к продольному перемещению площадок 10, которое не передается на тензометры 9.

Тензометры 9 расположены таким образом, что образуют дифференциальные пары, работающие поочередно на растяжение/сжатие и с противоположной фазой. Средства отслеживания расположены таким образом, что тензометры 9 вибрируют в дифференциальном режиме растяжения-сжатия за пределами своего резонансного диапазона, образуя мост Уитстона. Это позволяет разделить участие температуры в сигнале и участие давления в сигнале, так как в общем режиме присутствует только температура, тогда как в динамическом дифференциальном режиме присутствуют и температура, и давление.

В рамках изобретения тензометры выполнены с возможностью измерения сопротивления, характеризующего частоту резонатора, а не измерения емкости, характеризующей амплитуду деформации диафрагмы, как это происходит в известных датчиках.

Площадки 10 находятся вблизи площадок 6, и тензометры 9 связаны с перекладинами 4 вблизи соединения перекладин 4 с площадками 6 таким образом, что крепление тензометров 9 на перекладинах 4 находится в зоне, составляющей от 5 до 15% (предпочтительно от 8 до 9%) длины перекладин 4.

Каждый тензометр 9 имеет прямоугольное поперечное сечение, большая сторона которого имеет длину, меньшую 1 мкм и предпочтительно приблизительно равную 250 нм, и малая сторона которой имеет длину до более низкого порядка величины.

Каждый тензометр 9 имеет длину менее 10 мкм и предпочтительно около 3 мкм.

Датчик и, в частности, резонатор 3, диафрагма 5, перекладины 4, площадки 6, 10 и тензометры 9 выполнены посредством травления на пластинке кристаллического материала, такого как кремний, например, легированный азотом или углеродом, поликристаллический кремний или поликремний, или полимер с жидкими кристаллами.

Резонатор и тензометры расположены таким образом, что образуют легированные зоны, по существу идентичные по природе и концентрации.

Выполнение датчика в соответствии с изобретением позволяет изготавливать датчики, имеющие разные диапазоны давления, на одной подложке кристаллического материала, предпочтительно меняя, например, размеры диафрагм и резонаторов.

В дальнейшем описании второго варианта осуществления и третьего варианта осуществления элементы, идентичные или аналогичные описанным выше элементам, имеют такие же цифровые обозначения.

Как показано на фиг. 2, на которой представлен второй вариант осуществления, корпус 1 имеет форму рамки, на которой расположены компланарные диафрагма 5.1 и диафрагма 5.2.

При этом образована полость, в которой расположен резонатор 3, подвешенный к диафрагме 5.1 и к диафрагме 5.2 при помощи перекладин 4. Обе перекладины 4 имеют один конец, закрепленный на резонаторе 3, и противоположный конец, закрепленный на площадке 6.1, 6.2.

Датчик содержит первые тензометры 9.1A, 9.2A, идентичные тензометрам 9 из первого варианта осуществления, один конец которых закреплен на площадке 10,1, 10.2, неподвижно соединенной с диафрагмой 5.1, 5.2 соответственно, и противоположный конец которых неподвижно соединен с перекладинами 4 таким образом, что первые тензометры 9.1A, 9.2A, перпендикулярные перекладинам 4 и параллельные диафрагмам 5.1, 5.2, образуют дифференциальные пары. Один из тензометров 9.1A находится под натяжением, тогда как другой из тензометров 9.1A находится под сжатием и наоборот. Это же относится и к тензометрам 9.2A. Первые тензометры 9.1A, 9.2A работают так же, как и тензометры 9 из первого варианта осуществления. Каждая из площадок 6 расположена в зоне, составляющей от 20% до 60% (предпочтительно составляющей 35%) половины размера диафрагмы датчика, предпочтительно вдоль малой оси от центра диафрагмы 5.1, 5.2.

Датчик содержит два вторых тензометра 9.1B и два вторых тензометра 9.2B, один конец которых закреплен на площадке 11.1, 11.2 вблизи соответствующих диафрагм 5.1, 5.2, но не будучи соединенным с последними, и противоположный конец которых закреплен на резонаторе 3 таким образом, что вторые тензометры 9.1B, 9.2B, параллельные относительно перекладин 4 и диафрагм 5.1, 5.2, работают в противоположной фазе. Два тензометра 9.1B работают под натяжением, тогда как два тензометра 9.2B работают под сжатием, и наоборот.

Во время использования на диафрагмы 5.1, 5.2 действует соответственно давление P1, P2.

Первые тензометры 9.1A и 9.2A позволяют измерять сигнал, пропорциональный величине (P1+P2)/2.

Вторые тензометры 9.1B и 9.2B позволяют измерять сигнал, пропорциональный величине ΔP=P1-P2. Таким образом, если P1>P2, тензометры 9.1B будут в основном под сжатием, и тензометры 9.2B будут в основном под удлинением, и наоборот, если P1<P2.

Как показано на фиг. 3, согласно третьему варианту осуществления корпус 1, имеющий форму параллелепипеда, в данном случае содержит четыре боковых проема доступа к камере 2 (по одному проему на каждой из сторон корпуса 1). Эти проемы закрыты диафрагмами, образующими первую пару диафрагм 50.1 и вторую пару диафрагм 50.2, при этом каждая пара диафрагм закрывает проемы двух противоположных сторон корпуса 1 и образует таким образом полость, которая будет находиться под вторичным вакуумом. Корпус 1 расположен таким образом, что на первую пару диафрагм 50.1 и на вторую пару диафрагм 50.2 действуют разные давления (измерение дифференциального давления). Для этого корпус 1 содержит по меньшей мере один не показанный первый проем доступа к диафрагмам 50.1 первой пары диафрагм 50.1 и по меньшей мере один не показанный второй проем доступа к диафрагмам 50.2 второй пары диафрагм 50.2, при этом указанные проемы выходят, например, на противоположные поверхности корпуса 1. При этом датчик можно расположить таким образом, чтобы диафрагмы 50.1 входили в контакт с текучей средой, давление которой необходимо измерить, и чтобы на диафрагмы 50.2 действовало другое давление, то есть либо измеряемое давление, либо контрольное давление.

Перекладины 40 распределены на две первые пары параллельных между собой перекладин 40.1 и две вторые пары параллельных между собой перекладин 40.2, соединяющих с парами диафрагм 50.1, 50.2 четыре попарно противоположные стороны резонатора 3. Перекладины 40.1, соединенные с диафрагмами 50.1, перпендикулярны к указанным диафрагмам 50.1, и перекладины 40.2, соединенные с диафрагмами 50.2, перпендикулярны к указанным диафрагмам 50.2. Перекладины 40.1, 40.2 соединены напрямую с тонкой частью диафрагм 50.1, 50.2. Первые пары перекладин 40.1 по существу перпендикулярны ко вторым парам перекладин 40.2.

Датчик содержит восемь тензометров 90.1A, 90.1B, 90.2A, 90.2B, каждый из которых связан с одной из перекладин 40.1, 40.2, вибрирующих в дифференциальном режиме растяжения-сжатия за пределами своего диапазона резонанса и образующих по меньшей мере один мост Уитстона.

Тензометры 90.1A, связанные с перекладинами 40.1 одной из первых пар перекладин 40.1, расположены перпендикулярно к перекладинам 40.1, и тензометры 90.1B, связанные с перекладинами 40.1 другой из первых пар перекладин 40.1, расположены параллельно перекладинам 40.1. Тензометры 90.2A, связанные с перекладинами 40.2 одной из вторых пар перекладин 40.2, расположены перпендикулярно к перекладинам 40.2, и тензометры 90.2B, связанные с перекладинами 40.2 другой из вторых пар перекладин 40.2, расположены параллельно перекладинам 40.2.

Каждый тензометр 90.1A, 90.2A подвешен, при этом один его конец связан с одной из перекладин 40.1, 40.2, и другой конец связан с площадкой 100 соответствующей диафрагмы 50.1, 50.2. Каждый тензометр 90.1B, 90.2B подвешен и имеет один конец, связанный с площадкой 110.1, 110.2, неподвижно соединенной с одной из перекладин 40.1, 40.2, и один конец, напрямую связанный с тонкой частью соответствующей диафрагмы 50.1, 50.2. Площадки 110.1, 110.2 выполнены в виде единой детали с перекладиной 40.1, 40.2 и выступают относительно этой перекладины. Площадки 110.1, 110.2 расположены таким образом, чтобы деформация перекладин 40.1, 40.2 приводила к перемещению площадок 110.1, 110.2, которое передается на тензометры 90.

Тензометры 90.1A, 90.2A используют для измерения собственно давления, тогда как тензометры 90.1B, 90.2B используют для оценки влияния температуры на поведение перекладин 40.1, 40.2. Действительно, понятно, что тензометры 90.1B и 90.2B в основном измеряют тепловое расширение перекладин 40.1, 40.2. Сигналы, выдаваемые тензометрами 90.1, 90.2, A и B, проходят обработку в непоказанном и известном блоке управления, который связан с датчиком.

Тензометры 90 имеют такие же размеры, что и в первом варианте осуществления.

Средства возбуждения выполнены с возможностью перемещения резонатора 3 поочередно между двумя положениями в направлении нормали к плоскости листа фиг. 3. Средства возбуждения содержат по меньшей мере один элемент, в данном случае электрод 12 для перемещения резонатора 3 из первого положения во второе положение, и упругий элемент возврата резонатора в его первое положение. В данном случае упругий возвратный элемент образован перекладинами 40.1, 40.2.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления и охватывает любую версию, входящую в объем правовой защиты изобретения, определенный формулой изобретения.

В частности, датчик может содержать несколько резонаторов, например два резонатора. Вместе с тем очень трудно изготовить два груза, имеющих абсолютно одинаковую частоту резонанса, и один из них не будет иметь максимального показателя добротности (отношение резонансной частоты к ожидаемому изменению частоты), что повлечет за собой погрешность, возрастающую вместе с температурой.

Пары перекладин можно заменить едиными перекладинами.

Датчик можно выполнить из одной или нескольких пластинок кристаллического материала посредством травления, приклеивания и/или пайки.

Диафрагма может иметь форму с многоугольным контуром, например прямоугольную или квадратную форму, или форму с криволинейным контуром, например эллиптическую или круглую форму. В случае удлиненной формы, имеющей большую ось и малую ось, предпочтительно следует выбирать соотношение размеров малая ось/большая ось, по существу составляющее от 1 до 1/2 и предпочтительно равное 1/1,3.

Средства возбуждения могут содержать плоские электроды или электроды другой формы, например гребенчатой формы.

В варианте площадки 10 могут быть выполнены в виде единой детали вместе с площадками 6.

В варианте площадки 10 расположены вблизи резонатора 3, и тензометры 9 соединены с перекладинами 4 вблизи соединения перекладин 4 с резонатором 3.

1. Датчик давления из полупроводникового материала, содержащий корпус (1), образующий камеру (2) под вторичным вакуумом, по меньшей мере один резонатор (3), расположенный в камере и подвешенный при помощи гибких перекладин (4) по меньшей мере к одной упругодеформирующейся диафрагме (5), закрывающей камеру, которая содержит также средства (7, 12) возбуждения резонатора, заставляющие вибрировать резонатор, и средства отслеживания частоты вибрации резонатора, при этом средства отслеживания содержат по меньшей мере один первый пьезорезистивный тензометр (9), отличающийся тем, что первый тензометр подвешен и имеет один конец, закрепленный на одной из перекладин, и один конец, закрепленный на диафрагме, при этом резонатор и первый тензометр образуют легированные зоны, по существу идентичные по своей природе и по концентрации.

2. Датчик по п. 1, содержащий только один резонатор (3).

3. Датчик по п. 2, содержащий две перекладины (4), соединяющие две противоположные стороны резонатора (3) с диафрагмой (5), при этом датчик содержит два первых тензометра (9), каждый из которых соединен с одной из перекладин.

4. Датчик по п. 3, в котором первые тензометры (9) расположены перпендикулярно к перекладинам (4).

5. Датчик по п. 3, содержащий по меньшей мере один второй подвешенный тензометр, один конец которого закреплен на резонаторе и один конец которого закреплен на диафрагме, при этом резонатор и тензометры расположены так, что образуют легированные зоны, по существу идентичные по своей природе и по концентрации.

6. Датчик по п. 5, в котором второй тензометр расположен параллельно одной из перекладин.

7. Датчик по п. 5 или 6, содержащий два вторых тензометра.

8. Датчик по п. 5, в котором первый тензометр (9), связанный с одной из перекладин (4), расположен перпендикулярно к указанной перекладине, и второй тензометр, связанный с другой из перекладин, расположен параллельно этой перекладине.

9. Датчик по п. 2, в котором перекладины распределены на две первые параллельные перекладины (4.1) и две вторые параллельные перекладины (4.2), соединяющие соответственно с диафрагмами (5.1, 5.2) четыре попарно противоположные стороны резонатора (3), при этом датчик содержит четыре пары тензометров (9.1A, 9.1B, 9.2A, 9.2B), каждая из которых связана с одной из перекладин, при этом первые перекладины по существу перпендикулярны ко вторым перекладинам.

10. Датчик по п. 9, в котором тензометр (9.1A), связанный с одной из первых перекладин (4.1), расположен перпендикулярно к первым перекладинам, и тензометр (9.1B), связанный с другой из первых перекладин, расположен перпендикулярно к первым перекладинам, и тензометры (9.2A, 9.2B), связанные со вторыми перекладинами (4.2), расположены так же, как и тензометры, связанные с первыми перекладинами.

11. Датчик по п. 9, в котором на корпусе (1) установлена первая пара диафрагм (5.1), перпендикулярных к первым перекладинам (4.1) и связанных, каждая, с одной из первых перекладин и с соответствующими тензометрами (9.1), и вторая пара диафрагм (5.2), перпендикулярных ко вторым перекладинам (4.2) и связанных, каждая, с одной из вторых перекладин и с соответствующими тензометрами (9.2), при этом корпус расположен так, чтобы на первую пару диафрагм и на вторую пару диафрагм действовали разные давления.

12. Датчик по п. 11, в котором корпус (1) содержит по меньшей мере первый проем доступа к диафрагмам (5.1) первой пары диафрагм и по меньшей мере второй проем доступа к диафрагмам (5.2) второй пары диафрагм, при этом проемы выходят на поверхности с одной стороны корпуса.

13. Датчик по любому из пп. 1-12, в котором каждая перекладина продублирована, чтобы образовать пару перекладин.

14. Датчик по п. 1, в котором перекладины (4) и тензометр (9) расположены параллельно диафрагме (5) и имеют один конец, связанный с площадкой (6, 10), выступающей из тонкой части диафрагмы.

15. Датчик по п. 1, в котором перекладины (4) расположены перпендикулярно к диафрагме (5).

16. Датчик по п. 1, в котором тензометр (9) имеет прямоугольное поперечное сечение, большая сторона которого имеет длину менее 1 мкм.

17. Датчик по п. 16, в котором тензометр (9) имеет прямоугольное поперечное сечение, большая сторона которого имеет длину около 250 нм.

18. Датчик по п. 16, в котором тензометр (9) имеет длину менее 10 мкм.

19. Датчик по п. 18, в котором тензометр (9) имеет длину около 3 мкм.

20. Датчик по п. 1, в котором средства возбуждения (7, 12) выполнены с возможностью перемещения резонатора (3) поочередно между двумя положениями.

21. Датчик по п. 1, в котором средства возбуждения содержат по меньшей мере один элемент (12) перемещения резонатора из первого положения во второе положение и упругий элемент (4) возврата резонатора в его первое положение.