Мембранный блок датчика давления

 

Изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью за счет уменьшения влияния деформаций в заделке упругого элемента. С этой целью пластина выполнена с буртиком по контуру, а утолщенная часть пластины - по контуру со скосом, причем втулка-основание выполнена полой и своей торцовой поверхностью соединена с верхней плоскостью буртика. Представлены соотношения геометрических параметров мембраны. Благодаря наличию утопленного буртика осуществляется полная развязка тензочувствительных элементов от деформаций как в зоне заделки, так и от самой втулки-основания в широком диапазоне температур. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 С 01 L 9/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4396016/24-10 (22) 21.03.88 (46) 07.12.89. Бюл. У 45 (72) П.Г.Михайлов и В.И.Буланов (53) 531.787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 1068748, кл. С 01 L 9/04, 1984, (54) МЕМБРАННЫЙ БЛОК ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью за счет уменьшения влияния деформаций в заделке упругого элемента. С этой целью пласИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании и производстве миниатюрных полупроводниковых датчиков неэлектрических величин, например, датчиков давления, параметров движения.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния деформаций в заделке упругого элемента.

На фиг. 1 показан мембранный блок в сборе; на фиг. 2 — упругий элемент; на фиг. 3 — конструктивное исполнение упругого элемента с указанием базовых размеров.

Мембранный блок содержит упругий элемент 1, втулку-основание 2, изоляционньй слой 3, контактную металлизацию 4, тензочувствительный элемент 5, выемку 6 под концентратор, перемычку 7 концентратора, буртик 8, жесткий центр 9, внутреннюю кромку

„„SU„„1527525 A 1 тина выполнена с буртиком по контуру, а утолщенная часть пластины — по контуру со скосом, причем втулка-основание выполнена полой и своей торцовой поверхностью соединена с верхней плоскостью буртика. 11редставлены соотношения геометрических параметров мембраны. Благодаря наличию утопленного буртика осуществляется полная развязка тензочувствительных элементов от деформаций ... в зоне заделки, так и от самой втулки-основания в широком диапазоне температур.

3 ил.

10 буртика, кромку 11 концентратора, плоскость 12 соединения.

Мембранньй блок содержит в своем составе полупроводниковьй, например кремниевый, упругий элемент 1 в виде мембраны, в теле которой сформирова- СЛ ны тенэочувствительные элементы 5, 1Я например тензорезисторы. К упругому элементу 1 присоединена полая втулка- ф основание 2, выполненная из материала с. близким по ТКЛР с кремнием, например из стекла, ковара, кремния.

Соединение упругого элемента 1 с втулкой 2 может быть проведено элек-, тростатическим методом через клеевую прослойку. И в том и в другом случаях деформации, возникшие в плоскости 12 соединения локализуются 3ь только в зоне буртика 8 и »е распространяются в зону расположения тенэочувствительных элементов 5.

ПолупроводникоИьй упругий элемент (фиг. 2) изготавливается нэ монокрис1527 "25 тал.чиче ского материала. Конфигурация его (буртик 8, выемка 6, жесткий центр 9, перемычка 7) задается методами микропрофилирования и кристал5 л »графической ориентацией. 1етодами полупроводниковой технологии на упругом элемента 1 формируют тензочувствительные элементы 5 в виде диффузионных или ионолегированных тензорезисторов, объединенных в схему с помощью контактной (например, алюминиевой) металлизации 4. Защита тензочувствительных элементов от внешних воздействий осуществляет5 ся путем нанесения на верхнюю плоскость мембраны изоляционного слоя 3 (нитрид кремния Б1з 1 или двуокись кремния Si0 ).Äèaïàaîí измерения определяется толщиной гг перемычки 7 концентратора. Тензочувствительные элементы 5 для увеличения их чувствительности расположены у кромки 11 концентратора. Концентраторы деформации образованы путем травления выемок 6 поп зоной расположения тензочувствительньгх элементов 5. В зоне жесткого центра 9 деформации мембраны отсутствуют. Для заделки упругого элемента 1 в корпус датчика 6 служит буртик 8, верхняя плоскость которого углублена по отношению к верхней плоскости упругого элемента на величину 1, а внутренняя кромка

10 буртика смещена по отношению к кромке 11 концентраторов (или, тоже самое, по отношению к тензочувствительным элементам) на величину Ь.

Величины 1 и Ь выбраны исходя из следующего.,При 1 < 2 h кольцевую втул- 40 ку-основание трудно фиксировать в процессе ее соединения с упругим элементом (особенно для малых, меньше

10-30 мкм, перемычек) . При 1 " 2h фиксация производится надежно даже в случае наклонных стенок, и обеспечивается развязка от механических напряжений. Визуально такая ступенька видна невооруженным глазом. Все эти факторы особенно важны при автоматизированном изготовлении датчиков в условиях массового производства.

Величина Ь выбирается из условий развязки тевзочувствичельных элемен55

ТоВ 5 от деформаций в зоне соединения. элемента 1 и втулки 2 и складывается из двух ».оставляющих: 2Н (при L (2H после деформаций зоны соединения эахг»атывает цля ма.ых h 5-10 мкм зону расположения те взоре зисторов), на практике равной 300 — 600 мкм, и 2h/

t g 6 — определяется добавкой на наклон граней.

Мембранный блок работает с.ьедующим образом.

При воздействии на упругий элемент измеряемого параметра, например давления Р»,, перемычки 7 деформируются.

Деформация перемычек передается тензорезисторам 5, которые изменяют свое сопротивление R так,,что dR пропорционально Р„. Т".нзорезисторы включены в мост. Изменение сопротивления преобразуется мостовой схемой в изменении напряжения или тока.

Этот сигнал чЕрез контактную металлизацию поступает во вторичную аппаратуру.

Благодаря наличию утопленного буртика осуществляется полная развязка тензочувствительных элементов от деформаций как в зоне заделки, так и от самой втулки-основания в широком диапазоне температур (что подтверждено в процессе испытаний), т.е. повышается точность измерения, так как исключаются такие сос.тавляющие основной погрешности измерения, как гистерезис и нелинейность, которые определяются динамикой наведенных деформационных полей.

Конфигурация упругого элемента позволяет уменьшить габариты датчика и упростить изготовление, так как процесс сборки датчика очень прост.

Конструкция технологична в изготовлении, что позволяет изготавливать такие датчики в массовом количестве и с высоким качеством. о р м у л а и з о б р е т е н и я

Мембранный блок датчика давления, содержащий упругий элемент в виде полупроводниковой пластины с утолщенной частью, в которой выполнены утонченные уча тки с закрепленными на них тензоэлементами, и соединенную с пластиной втулку-ос.нование, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет уменьшения влияния деформаций в заделке упругого элемента и уменьшения габаритов, в нем пластина с буртиком по контуру, а утолщенная часть пластины по контуру — со скосом, причем втулка-основание выполнена полой своей торцовой поверхностью соедине1527525

6 где Н вЂ” толщина пластины;

h — толщина утонченной части пластины; (— угол скоса, равный показателю аниэотропии полупроводникового материала. на с верхней плоскостью буртика, а высота 1 скоса и расстояние 1. между началом буртика и крайним тенэоэлементом определяется иэ соотношений

1 > 211;

L > 2Н+ 2L /tga, 12 фиг.8

Составитель О.Слюсарев

Редактор И.Горная Техред Л.Сердюкова

Корректор М.Шароши

Заказ 7503/47

Тираж 789

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101