Преобразователь давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить чувствительность преобразователя. На одной стороне полупроводниковой пластины 2 выполнено углубление 3 в виде обращенной четырехгранной пирамиды. в которой расположен жесткий центр. На противоположной стороне пластины 2 сформирован чувствительный элемент 6, повернутый на угол 10-35 относительно диагонали основания пирамиды, при котором в элементе будут создаваться под действием давления максимально возможные напряжения сдвига. По обе стороны от элемента 6 вьшолнены геттеры 14с размещенными под ними молекулярными структурами на пластине 2 под слоем окисла. Благодаря наличию молекулярных структур в области потенциальных контактов 13 элемента 6 возникают большие сдвиговые напряжения , преобразуемые в разность по- § Фенциалов, пропорциональную давлению среды. 4 ил. сл rwj ОЮ /irjoi L700 ю sn ел 00 ч со фи. 2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я) 4 С 01 L 9/01

ВСЕ1;С!1,З И

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

10И

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3736785/24-10 (22) 03.05.84 (46) 07.09.86. Бюл. ¹ 33 (71) Одесский технологический институт холодильной промышленности (72) С.П.Костенко, В.А.Мазур, Д.И.Биднык, А.И.Остапчук и В.А.Преснов (53) 531 787 (088.8) (56) .Авторское свидетельство СССР № 1029011, кл. G 01 L 9/08, 1983.

Авторское свидетельство СССР № 718736, кл, G 01 1 9/06, 1980. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измери тельной технике и позволяет повысить чувствительность преобразователя. На одной стороне полупроводниковой пластины 2 выполнено углубление 3 в виде обращенной четырехгранной пирамиды, SU„, 126éàóÂÀ1 в которой расположен жесткий центр.

На противоположной стороне пластины

2 сформирован чувствительный элемент о

6, повернутый на угол 10-35 относительно диагонали основания пирамиды, при котором в элементе будут создаваться под действием давления максимально возможные напряжения сдвига.

По обе стороны от элемента 6 выполнены геттеры 14 с размещенными под ними молекулярными структурами на пластине

2 под слоем окисла. Благодаря наличию молекулярных структур в области потенциальных контактов 13 элемента

6 возникают большие сдвиговые напряжения, преобразуемые в разность потенциалов, пропорциональную давлению среды. 4 ил.

1255879.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению давления жидких и газообразных сред.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

На фиг.1 показан предлагаемый преобразователь, разрез; на фиг,2 — полупроводниковая пластина, на планарной стороне которой сформирован чувствительный элемент; на фиг.3 — сечение А-А на фиг.2; на фиг.4 — обращенная четырехгранная пирамида, чувствительный элемент и геттеры, расположенные в пространстве с системой координат (100), (010), (001) .

Устройство содержит корпус 1, в котором установлена полупроводниковая пластина 2, в которой выполнено углубление 3 на стороне 4, а на противоположной стороне 5 сформирован тензочувствительный элемент 6, представляющий собой тензорезистор с попереч-! ной пьезоЭДС. В корпусе 1 размещен также упругий элемент 7 с ицентичным углублением 8, имеющим гакже форму обращенной четырехгранной пирамиды.

Упругий элемент 7 представляет собой полупроводниковую пластину„ сформированную в едином технологическом процессе, в которой электрические параметры чувствительного элемента 6 не отвечают предъявленным требованиям.

Жесткий центр 9 размещается в углублениях 3 и 8, при этом упругий элемент 7 и полупроводниковая пластина 2 соединены между собой и с корпусом посредством гибкой связи 1.0, например резиноподобным компаундом.

Полупроводниковая пластина 2 при этом свободно лежит на буртике 11 корпуса 1. Тензорезистор с поперечной пьезоЭДС имеет токовые контакты 12 и потенциальные контакты 13, по обеим сторонам которых расположены геттеры

14. Между слоем окисла 15 и поверх, ностью 16 полупроводниковой пласгины

2 непосредственно под геттерами 14 расположены молекулярные структуры

17, содержащие, например, натрий.

Вершина обращенной четырехгранной пирамиды 3 расположена над потенциа-льными контактами 13 тензорезистора

6. QcH симметрии тензорезистора 6 повернуты относительно осей системы координат (100) и (010) плоскости (001) пластины 2 на угол 10-35, причем оптимальным является угол 22 30, о < при котором наблюдаются максимальные напряжения сдвига. Указанные оси системы координат совпадают по <направлению с диагоналями основания четы5 рехгранной пирамиды, в результате чего поверхности, ограничивающие углубление вида обращенной пирамиды, являются плоскостями (III), (III), (ХЕХ), (III).

К потенциальным контактам 13 подходят токопроводящие дорожки 18, которые можно выполнить в виДе многослойной металлизации, первым компонентом которой является вольфрам.

Углубление вида обращенной четырехгранной пирамиды, ограниченное плоскостями (III), определяется прежде всего созданием в полупроводниковой пластине максимальных поперечных и сдвиговых напряжений при воздействии давления на упругий элемент, помимо напряжений изгиба и растях<ениясжатия. Это следует прежде всего из того, что плотноупакованные поверхности в полупроводниках типа алмаза являются плоскосгями скольжения и при давлении жесткого центра на поверхности (III) в полупроводниковой

I пластине будут создаваться большие сдвиговые напряжения. При этом пластина будет подвергаться такх<е изгибу в двух плоскостях (iio) и (100) .

При развороте чувствительного элемента в нем будут создаваться мак35 симально возможные напряжения при воздействии давления, которое передается посредством упругого элемента и жесткого центра. Поскольку область, преобразующая механические напряже4О ния в полупроводниковой пластине в электрическое напряжение, локализована вблизи потенциальных контактов тензорезистора, то вершина пирамиды располох<ена нац потенциальными кон45 тактами.

Располагая тензорезистор с поперечной пьезоЭДС на мембране под onа тимальным углом 22 30, от направления (100), можно получить чувствительность, которая будет составлять в пределе 727. по сравнению с чувствительностью тензомост".. Причем для конкретного п-типа проводимости резистора, залегающего на глубине 1,97..

-0,07 мкм при толщине мембраны около

60 мкм, R =370+10 Ом/квадрат. В других случаях чувствительность меньше.

1255879

Снабжая полупроводниковую пластину тензорезистором с поперечной пъезоЭДС в сочетании с четырехгранной пирамидой и варьируя углом поворота транзистора относительно диагонали основа- 5 ния пирамиды, можно получить чувствительность примерно в 2,5 раза боль— шую, чем для конструкции с тонкой мембраной.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии давления среды на упругий элемент 7 последний посредст- вом жесткого центра 9 преобразует распределенное давление контролируемой среды в сосредоточенную нагрузку на точки контакта жесткого центра с поверхностями (ZXX) обращенной пирамиды 3. В результате такого взаимного воздействия элементов преобразо- 2о вателя давления в полупроводниковой пластине 2 в районе потенциальных контактов 13 тензорезистора 6 с поперечной пъезоЭДС создаются большие напряжения растяжения, изгиба и сдвига, кото- рые преобразуются в разность потенциалов на контактах l 3 пропорциональную давлению среды, питающему напряжению на токовых контактах 12„ пъезорезистивным коэффициентом, зависящим от ЗО кристаллографической ориентации тензорезистора 6, а также геометрических характеристик тензорезистора. По обеим сторонам от потенциальных контактов 13 существуют области с понижен- З ной степенью упругости, т.е. с модулем сдвига, равным 1/2 (сн-с„)=1/2 х (2,35-1,58)=0,385х10 дин/см, который меньше модуля сдвига матрицы примерно в 13 раз: С =1/2(16,57-6,39)=

Н

=5,09 10 дин/см . При воздействии давления среды благодаря наличию молекулярных структур 17 с натрием в области потенциальных контактов 13 возникают сдвиговые напряжения, кото- 5 рые будут примерно в 13 раз больше, чем без молекулярных структур 17, включающих натрий. 3а счет применения углубления 3 вида обращенной пирамиды и соответствующей ориентации тензоре-gp зистора 6 относительно этой пирамиды

3 с потенциальных контактов 13 можно снимать сигнал, примерно в 2-2,5 раза: больший, чем для тензорезистора на тонкой мембране. Следовательно, суммарная чувствительность, полученная в результате влияния всех существенных признаков, будет примерно в 15 раз больше чувствительности для тензорезистора с поперечной пъезоЗДС, расположенного на тонкой мембране.

Если выполнить металлизацию 18 (фиг.3) многослойной, первым элементом которой будет вольфрам, то чувствительность может повыситься еще больше. Это объясняется по аналогичному ходу рассуждений и связано с коэффициентами упругости для вольфрама: сн =50,1 10", с, =19,8 10 дин/см

Однако выплнение металлизации многослойной удорожает стоимость преобразователя давления, целесообразность .определяется назначением.

Гибкая связь 10 позволяет исключить влияние температурных погрешностей за счет теплового расширения, а также погрешностей за.счет случайньж перекосов и пр.

Формула и з о б р е т е н и я

Преобразователь давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий элемент и полупроводниковая пластина со слоем окисла, на одной из сторон которой сформирован чувствительный элемент с контактами, а на другой выполнено углубление, в котором расположен жесткий центр со сферической поверхностью, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем выполнено углубление в виде обращенной четырехгранной пирамиды, а чувствительный о элемент повернут на 10-35 относите" льно диагонали основания четырехгран- ной пирамиды, вершина которой распо" ложена над контактами чувствительного элемента, при этом по обе стороны чувствительного элемента выполнены геттеры, под которыми расположены молекулярные структуры, размещенные на пластине под слоем окисла. (опа (ri (!л

Составитель В.Казаков

Техред И.Нерес Корректор A.Çèìîêîñîâ

Редактор В.Иванова

Заказ 4813/41 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, уп. Проектная, 4