Полупроводниковый датчик давления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления и позволяет повысить точность измерений за счет снижения погрешности нелинейности. Сущность изобретения: датчик содержит интегральный тензопреобразователь давления, периферийная утолщенная часть которого граничит с тонкой мембраной имеющей жесткий центр. Центральные тензорезисторы одного знака тензочувавитепьности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, а периферийные транзисторы другого знака тензочувствительностм раслопожены за пределами контура мембраны В этой же области вблизи периферийных тензорезмсторов расположены другие терморезисторы В корпусе датчика выполнено ступенчатое углубление с посадочной ступенью, на которой закреплен опорный элемент. В основу работы датчика положено изменение величины сопротивления тенэорезисторов мостовой схемы при изменении давления Датчик обеспечивает гкжыиюние точности измерений в области малых давлений. Зэлф-лы.3иа

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

Ь

Ч

Кемитет Рессийсюй Федерации пе патентам н теваркым знакам (23) 5033827/10 (22) 246332 (46) 30.1233 Бкш hh 47 48 (71} Нау «ю- следовательский юститут авиациа®ого оборудования (72) Соколов ЛВ (73) Научно-исследовательский т«ктитут авиационного оборудования (М) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

»»: Ф« ритепьной технике, в частности к дат нам давпени и позволяет повысить точность измерена за счет снижения погрешности немнейности. Сущность изобретееж датчик содержит интегралыа и

»»» »

„» щ (1ц гомзм 1 (5Ц 64 01 утолщенная часть которого граничит с тонюОй мембрано имтхон ей жесткий центр . $8HTp8fhHao тензорезисторы одного знака тензочувствитеаьности рааюпожее на грант«ых участках мембран в

МФ зисторы другого аеа тензочувствитавности расположены за пределами контура мембраы В этой

» Ф расположены другие терморезисторы В корпусе датчика вытавено ступежатое углубпе«е с посадочной ступенью„на которой закретвен опорный элемент. В основу работы датчика положено иавнение величины соаротивпеия тензорезисторов мостовой схемы при изменеее давления. Датчжт обеспе«аает ловьаоение точности измерена в области мактх давпеюй 3 шф-л ьс3ип, t

2005295

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения механических параметров в системах контроля и управления, и может быть использовано при разработке и производстве полупроводниковых датчиков давления в газообразной или жидкой среде.

Известны микроконструкция и топология полупроводникового преобразователя давления с жесткими выступами на мембране, в которых сформированы выемки в виде усеченной пирамиды, а тензореэисторы расположены в области мембраны с планарной стороны между выступами и между утолщенной периферийной частью кристалла преобразователя и выступами.

Недостатком этого устройства является то, что тенэорезисторы расположены в области мембраны, где упругие деформации не достигают максимальных значений в отличии от классического варианта абсолютно жесткого эащемления мембраны по контуру. Не приводятся соотношения основных конструктивных параметров преобразователя; толщины и длины мембраны, длины мембраны и размеров жестких выступов, обуславливающих уровень тенэочувствительности и величину погрешности измерений.

Наиболее близким .к предложенному

30 датчику является полупроводниковый датчик давления, содержащий корпус, закрепленный в нем тензочувствительный узел из стеклянного опорного элемента и интегрального тензопреобразователя давления в виде профилированного полупроводникового монокристаллического материала с жестким центром на плоской мембране и сформированными двумя измерительными мостами тензореэисторов. .40

Уменьшение влияния паразитных напряжений на точность измерения дифференциального давления достигается в датчике — прототипе совокупностью топологических, схемотехнических, конструктив- "5 ных решений, касающихся как интегрального тенэопреобразователя, так и устройства крепления его в корпусе датчика.

На поверхности кремниевого тензопреобразователя, ориентированной в кристалл.ографической плоскости (110), сформированы два измерительных тензомоста, Тензорезисторы первого моста для измерения дифференциального давления 55 . расположены на граничных участках мембраны около жесткого центра и около контура защемления мембраны, ориентация тензорезисторов совпадает с направлением (111), Тенэорезисторы второго моста для измерения статического давления расположены вблизи середины периферийной утолщенной части тензопреобразователя, где паразитные напряжения имеют экстремальную величину, Сигнал со второго тензомоста используется для коррекции сигнала первого моста на величину, адекватную сигналу, индуцированному паразитными напряжениями в мостовой схеме для измерения дифференциального давления.

Устройство крепления тензоп р ;образавателя в корпус датчика состсит из двух фиксирующих опорных элементов цилиндрической формы с каналами, имеющими аксиальную симметрию относительно оси симметрии тензопреобразователя. Первый опорный элемент из стекла "Ру ex" образует неразъемные соединения с тензопреобраэователем и вторым опорным элементом из железоникелевого сплава, Благодаря соответствию в физико-механических параметрах опорных элементов кремния и тензопреобразователя такое устройство крепления позволяет снизить изгибные напряжения и их воздействие на мост дифференциального давления, в результате чего повышается точность измерений, Недостатками такого устройства являются необходимость сложного дополнительного устройства преобразования сигналов от двух измерительных мостов, включающего два конвертера, запоминающее устройство, программатор и регистрирующее устройство, технологические трудности в обеспечении аксиальной симметрии, обусловленные установкой тенэочувствительного узла на поверхность второго опорного элемента; отсутствие оптимальных соотношений для геометрических размеров опорных элементов и тенэопреобразователя с целью минимизации изгибных напряжений.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет снижения погреш ности нелинейности.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом датчике давления, содержащем корпус и закрепленный в ним с помощью стеклянного кольцевого опорного элемента интегральный тензопреобразователь, выполненный в виде сформированной в монокристаллической пластине и-типа проводимости мембраны с жестким центром и утолщенной периферийной части и иэмеоительного моста иэ тензореэисторов

+ р -типа проводимости, при этом тензорезисторы одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, в корпусе

2005295 со стороны кольцевого опорного элемента выполнено ступенчатое углубление с образованием основания и посадочной ступени размером, равным ширине кольцевого опорного элемента, при этом кольцевой опорный элемент закреплен на ступени, а геометрические размеры мембраны определяются из соотношения

0,01 Я -ц G 0,035, 0,44 9 О K 0,51, h 8 где h. а, Ь вЂ” толщина мембраны, радиус мембраны, радиус жесткого центра соответственно, причем тензорезисторы другого знака тенэочувствительности расположены за пределами контура мембраны в области периферийной утолщенной части преобразователя и смещены от контура защемления мембраны на расстояние

Лх= к."а

Ри где Р66 — максимальное давление, Кhx8 о коэффициент пропорциональности, зависящий от величины максимального давления, определяемый экспериментальным путем.

Расстояние I от тензорезистора, расположенного в области периферийной утолщенной части, до граничного контура кольцевого участка сопряжения преобразователя с кольцевым опорным элементом определяется из соотношения ! Ж,02Н1 где Н1 — толщина периферийной утолщенной части преобразователя.

Толщина Нг кольцевого опорного элемента и толщина Нэ основания корпуса датчика определяются из соотношений а2 а2

Нт 0 — -„— „-0.026: Нт» --„— „-0.016

Полупроводниковый датчик давления снабжен одним или несколькими терморезисторами, расположенными за пределами граничного участка мембраны в периферийной утолщенной части преобразователя вблизи тензорезисторов.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение полупроводникового датчика давления; на фиг. 2 и 3 —.упрощенное изображение варианта топологии с тангенциальными тензорезисторами и терморезисторами и поперечное сечение тенэочувствительного узла датчика.

Интегральный тензопреобраэователь давления (ИТПД) содержит периферийную утолщенную честь 1, граничащую с тонкой мембраной 2, имеющей жесткий на изгиб центр 3.

Жесткий центр имеет с мембраной граничный участок по контуру 4 (см. фиг. 2).

Центральные тензорезисторы 5 одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого на изгиб центра, а периферийные тензорезисторы 6 другого знака тензочувствительности расположены за пределами граничного участка мембраны в области периферийной утолщенной части ИТПД.

В этой же области ИТПД вблизи периферийных тензорезисторов расположены терморезисторы 7, ИТПД с опорными элементом 8 образует неразъемное соединение по кольцевому участку сопряжения 9, имеющему граничный контур 10, и представляет собой тензочувствительный узел.

В корпусе 11 датчика имеется углубление 12 с профилем стенки в форме ступени

13.

Датчик работает следующем образом:;"

Измеряемое давление как результируЮщая величина от разности двух давления Р1 и Рр при воздействии на мембрану привод юг к возникновению в ней напряжений и дйформаций, которые воспринимаются тенэореэисторами мостовой схемы. При этом, поскольку сопротивления одной пары теязорезисторов, например центральных теазорезисторов 5, увеличиваются, а другой пары периферийных тенэорезисторов 5 уменьшаются с увеличением давления, на выходе мостовой схемы формируется выходной сигнал, пропорциональный сумме изменений сопротивлений отдельных тензореэисторов.

У терморезисторов 7, расположенных в направлениях минимальной тензочувствительности <100> или <010> и имеющих положительный ТКС, с ростом температуры растет величина сопротивления, в то же время влияние изменяющегося давления на ееличину сопротивления терморевистаров минимально.

Расположение периферийных тенэорвэисторов эа пределами граничного участка мембраны в области утолщенной части

ИТПД со смещением от контура защемления мембраны на расстояние hX для определенных s зависимости от диапазона давления размеров ИТПД (2а, 2b и h), соотношений между размерами ИТПД. соотношений между размерами элементов узла крепления и ИТРД определено экспериментально и вытекает из необходимости эквивалентности величины напряжений для периферийных и центральных тензореэисторов с целью минимизации погрешности

2005295

55 нелинейности при достаточно высоком уровне тензочувствительности датчика.

Величина смещения периферийных тензореэисторов определяется из эмпирического выражения

Рм лх= к где Кhxb — геометрический фактор; а а- коэффициент пропорциональности, зависящий от величины максимального давления Рн и определяемый экспериментальным путем, а 40 85 в диапазоне давлений

P -50+100 кПа; а-16+185 в диапазоне P-500-10 кПа;

Геометрические размеры ИТПД в диапазонах давлений 0,1-50 кПа. 0,2-100 кПа, 0,5-500 кПа, 1,0-1000 кПа определяются из соотношений 0,01 = — 0,035, 0,44 « — Я0,51, В

Тензорезисторы ориентированы в направлении на кристаллографической плоскости (100) ИТПД.

Расстояние от периферийного тензоре- зистора до граничного контура кольцевого участка сопряжения ИТПД с опорным элементом! «0,02Н> размер посадочной ступени в углублении на корпусе датчика, равный ширине М кольцевого участка сопряжения, толщина опорного элемента и толщина основания корпуса г г

Нг > 0,025 и Нз = 0,016

В h - В h определены экспериментально и вытекают из необходимости снижения влияния паразитных напряжений на точность измерений, обусловленных разницей в физико-механических константах (модуля

Юнга, коэффициента термического расширения) материалов тензочувствительного узла монокристаллического кремния ИТПД на стекле типа "Pyrex" опорнбго элемента, а также процессом диффузионного соединения ИТПД и опорного элемента в электростатическом поле.

Снижение влияния паразитных напряжений на точность измерений при условии выполнения заданных соотношений для М, Н2 и Нз достигается тем, что величина модуля Юнга материала основания корпуса. с которым сопрягается тенэочувствительный узел, близка к величине модуля Юнга мате.риала ИТПД, Например, для монокристаллического кремния и сплава Fe — Nl (40 (,) величина модуля Юнга составляет соответственно 1700 кгс/мм и 1570 кгс/мм . При

2 г

50 этом воздействующие на ИТПД изгибные напряжения, обусловленные разницей величины модуля Юнга материалов ИТПД и опорного элемента (700 кгс/мм для стекла типа "Pyrex" ), имеют минимальную величину.

Углубление на корпусе датчика позволяет повысить аксиальную симметрию канала тензочувствительного узла и отверстия в корпусе, так как смещение тензочувствительного узла при монтаже в отверстие корпуса ограничивается допусками на размеры отверстия и опорного элемента, Расположение терморезистора за пределами граничного участка мембраны в утолщенной части ИТПД вблизи пъезорезистора по сравнению с известными техническими решениями, когда термореэисторы расположены в пределах мембраны или на ее границе, позволяет более точно определять величину нестационарной температуры в области тензорезисторов. Это обусловлено тем, что тепловые сопротивления такой мембраны и периферийной утолщенной части ИТПД различны по величине.

Поэтому в результате изменения температуры измеряемой среды, величина температуры на мембране и величина температуры в периферийной части ИТПД будут отличаться тем больше, чем больше разница тепловых сопротивлений, Кроме того, в случае формирования терморезисторов на поверхности мембраны, возникают дополнительные паразитные напряжения, обусловленные воздействием термомеханических процессов в локальных областях мембраны, снижающие точность измерений.

В соответствии с предложенным техническим решением разработаны и изготовлены опытные партии датчиков дифференциального давления на четыре диапазона 0,1-50 кПа. 0,2-100 кПа, 0,5-500 кПа и 1,0-1000 кПа.

По результатам исследований датчиков, величина погрешности нелинейности составила 0,1 — 0,2, а тензочувствительности 3550 мв/В для диапазонов давления 0.1-50 кПа, 0,2-100 кПа, Датчики для диапазонов давления 0,5500 кПа и 1,0 — 1000 кПа находятся в настоящее время в ггроцессе лабораторных исследований. (56) Авторское свидетельство СССР

М 1404852, кл, G 01 L 99//0044, 1986.

Патент США М 4972116, кл. G 01 L 7/08, 1990.

2005205

Формула изобретения

1, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК

ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус, и закрепленный в нем с помогцью стеклянного кольцевого опорного элемента интегральный тензопреобразовгтель, выполненный в виде сформированной в монокристалличес кой пластине и-типа проводимости мембраны с жестким центром и утолщенной периферийной частью и измерительного моста из тензорезисторов р -типа проводимости, при этом тензорезисторы одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, отличающийся тем, что в нем в корпусе со стороны кольцевого опорного элемента выполнено ступенчатое углубление с образованием основания и посадочной ступени размером, равным ширине кольцевого опорного элемента, при этом кольцевой опорный элемент закреплен на ступени, а геометрические размеры мембраны определяются из соотношений

0,01 h/à 0,035;

0,44 < <Ь/а < 0,51, гдв h, а, Ь - толщина мембраны, радиус мембраны, радиус жесткого центра соответственно, причем тензорезисторы другого знака термочувствительности расположены эа пределами контура мембраны в области ее периферийной утолщенной части и смещень от контура защемления мембраны на оасстояние

Рн

Л (=

К ч где Р„, — максимальное давление;

К= h ° b/à;

ы — коэффициент пропорциональности, зависящий от величины максимального давления, определяемый экспери10 ментальным путем.

2, Датчик по п.1, отличающийся тем, что в нем расстояние i от тензореэистора, расположенного в области периферийной утолщенной части мембраны, до граничного контура кольцевого участка сопряжения мембраны с кольцевым опорным элементом определяется и- соотношения ! > 0,02.Н> где H> - толщина периферийной утолщенной части мембраны.

3. Датчик по пп. 1 и 2 отличающийся тем, что в нем тощина Н2 кольцевого опор25 ного элемента и толщина Нз основания корпуса датчика определяются из соотношений

Н2 0,025 а /b h, Нз > 0016 а /Ь h.

30 4. Датчик по пп.1 — 3, отличающийся тем, что он снабжен одним или несколькими терморезисторами, расположенными за пределами граничного участка мембраны в ее периферийной утолщенной части вблизи тензорезисторов.

2005295

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 (11D) Редактор А.бер

Заказ 3431

Составитель Л.Евтеев

Техред М.Моргентал Корректор О.Густи

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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