Тензопреобразователь давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления содержит выполненную из монокристаллического кремния плоскую квадратную мембрану с продольными и поперечными тензорезисторами. Поперечные тензорезисторы расположены на краю мембраны, причем продольные тензорезисторы частично выходят за ее пределы. Технический результат - упрощение технологии изготовления при неизменном выходном сигнале тензопреобразователя. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Известен тензопреобразователь давления мембранного типа [Патент SU 1830138 A3, G01L 9/04], содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской квадратной мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси.

Механические напряжения в плоской квадратной мембране имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (T_L) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (T_t) [В.А.Гридчин. Проектирование кремниевых интегральных тензопреобразователей с квадратными упругими элементами. - В кн.: Полупроводниковые тензорезисторы / Новосибирск, 1985, с.97-108] и связаны с деформациями следующими соотношениями:

где S₁₁ и S₁₂ - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.

Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T_L>>T_t, и ε_t≈0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:

где K_L - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,

K_t - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,

ε_L1, ε_L2, ε_L3, ε_L4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что при типичных размерах мембраны 2000×2000 мкм² и тензорезисторов 200×20×0.5 мкм³, 150×15×0.5 мкм³, 100×10×0.5 мкм³ средние механические напряжения (средние деформации), действующие на продольные тензорезисторы, расположенные у края мембраны, меньше максимальных (у края мембраны) соответственно на 35%, 27%, 18%. Учитывая, что коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов из поликристаллического кремния соответственно равны 36 и -11.2, выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного (резисторы - точечные и расположены на краю мембраны) соответственно на 26%, 21%, 14%.

Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [В.А.Гридчин, Грищенко А.В., В.М.Любимский, А.В.Шапорин. Тензопреобразователь давления. Патент на изобретение RU 2237873, С2G 01 L 9/04], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий продольные и поперечные тензорезисторы, расположенные у краев квадратной мембраны, выполненной из монокристаллического кремния, которая имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной.

При действии давления на тензопреобразователь давления происходит деформация мембраны, которая передается поперечным и продольным тензорезисторам. Механические напряжения вдоль оси симметрии мембраны в зависимости от безразмерной координаты х/a в мембране с общим размером a×a=2000×2000 мкм, толщиной толстой части 30 мкм и толщиной тонкой части 25 мкм, размером 1800×1800 мкм², рассчитанные методом конечных элементов, приведены на фиг.4.

Продольные и поперечные тензорезисторы расположены на части мембраны с большей толщиной, продольные от до а поперечные от до Средние механические напряжения в продольных тензорезисторах меньше максимальных на 4%, а не на 18%, как в случае плоской мембраны при длине тензорезисторов 100 мкм. Для поликремниевых тензорезисторов с коэффициентами тензочувствительности продольных тензорезисторов K_L=36 и поперечных тензорезисторов K_t=-11.2 выходной сигнал мостовой схемы, вычисленный по формуле (2), будет меньше максимально возможного (тензорезисторы - точечные и расположены на краю мембраны) на 6%.

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что мембрана имеет сложную форму и для ее изготовления необходимо проведение большего количества технологических операций, что приводит к усложнению технологии изготовления.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления при неизменном выходном сигнале тензопреобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что в тензопреобразователе давления, содержащем тензорезисторы и выполненную из монокристаллического кремния квадратную мембрану, последняя выполнена плоской, поперечные резисторы расположены на краю мембраны, а продольные тензорезисторы частично выходят за пределы мембраны.

На ФИГ.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления, на ФИГ.2 - разрез тензопреобразователя давления по А-А, на ФИГ.3 -зависимости безразмерных механических напряжений от безразмерной координаты в мембране.

Тензопреобразователь давления (ФИГ.1) содержит: 1 - поперечные тензорезисторы, расположенные на квадратной мембране 3, 2 - продольные тензорезисторы, расположенные на квадратной мембране 3, 3 - квадратную мембрану, 4 - алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 1, 2, 5 - контактные окна к тензорезисторам.

На ФИГ.2: 6 - подложка (опорное основание), 7 - слой изолирующего окисла на поверхности квадратной мембраны 3, 8 - слой защитного окисла.

Квадратная мембрана 3 (см. ФИГ.1, ФИГ.2) расположена в средней части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением подложки 6 из монокристаллического кремния со слоем изолирующего окисла 7. На поверхности мембраны 3 (см. ФИГ.1) методами микроэлектронной технологии сформированы поперечные 1 и продольные 2 тензорезисторы. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла 8, в котором выполнены окна под контактные площадки 5.

Тензопреобразователь работает следующим образом: при действии давления на тензопреобразователь происходит деформация мембраны 3, которая передается поперечным 1 и продольным 2 тензорезисторам. Как показывают расчеты численными методами, механические напряжения достигают максимального значения у границы мембраны и затухают за ее пределами. Скорость затухания механических напряжений при постоянной толщине подложки зависит от толщины мембраны, и чем толще мембрана, тем дальше за ее пределы распространяются механические напряжения [А. Chouaf, Ch. Malhaire, M. Le Berre, M. Dupeux, F. Pourroy, D. Barbier. Stress analysis at singular points of micromachined silicon membranes. Sensors and Actuators // 84 (2000) 109-115; V.A.Gridchin, V.V.Grichenko, V.M.Lubimsky, A.V.Shaporin, J.H.Lee. Design Features for High Pressure Transducers // The Second IEEE - Russia Conference 1999. High Power Microwave Electronics: Measurements, Identification, Applications (MEMIA' 99). Novosibirsk. 1999. p.III.26-III.29; Гридчин В.А., Грищенко В.В., Любимский В.М., Шапорин А.В. Механические напряжения у краев квадратных кремниевых диафрагм // Микроэлектроника, т.34, 2005. С.212-218].

Механические напряжения вдоль оси симметрии мембраны в зависимости от безразмерной координаты х/a в мембране с общим размером a×a=2074×2074 мкм², толщиной толстой части 245 мкм, рассчитанные методом конечных элементов, приведены на ФИГ.3. Центры поперечных тензорезисторов 1 находятся на краю мембраны, а продольные тензорезисторы 2 расположены от до Средние механические напряжения продольных тензорезисторах меньше максимально возможных, также как в прототипе, на 4%. Для поликремниевых тензорезисторов с коэффициентами тензочувствительности продольных тензорезисторов K_L=36 и поперечных тензорезисторов K_t=-11.2 выходной сигнал мостовой схемы, вычисленный по формуле (2), будет меньше максимально возможного (тензорезисторы - точечные и расположены на краю мембраны) на 6%.

Таким образом, по сравнению с прототипом выходной сигнал мостовой схемы остается тем же, а для создания плоской мембраны требуется меньшее количество технологических операций, что упрощает технологию изготовления тензопреобразователя.

Тензопреобразователь давления, содержащий поперечные тензорезисторы и продольные тензорезисторы и выполненную из монокристаллического кремния квадратную мембрану, отличающийся тем, что мембрана выполнена плоской, поперечные тензорезисторы расположены на краю мембраны, причем продольные тензорезисторы частично выходят за пределы мембраны.