Датчик давления

Изобретение относится к датчикам давления, включающим полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире», выполненный по планарной микроэлектронной технологии. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности конструкции датчика давления при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений и снижение трудоемкости при изготовлении датчика давления. Датчик давления содержит корпус, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную подвеску, выполненную в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышку, герметично соединенную с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками. Полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире». Упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой с образованием полости между ними. Полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к конструированию и изготовлению датчиков давления, включающих полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире», выполненный по планарной микроэлектронной технологии и технике анизотропного травления.

Известна конструкция датчика давления, содержащая основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек, присоединенных микросваркой, крышку, защищающую полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий [Патент ГДР №225501, кл. G01L 9/06, 1985].

Существенные признаки аналога, общие с заявленным устройством, следующие: основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание, которое герметично закреплено между корпусом и крышкой, крышка, защищающая полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий.

Недостатками известной конструкции датчика давления являются: большая длина тонких коммутационных проволочек между полупроводниковым чувствительным элементом и токопроводами, что снижает надежность сварного соединения при механических воздействиях, относительно большая сложность конструкции и трудоемкость сборки датчика в целом, жесткая связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика, что несмотря на наличие стеклянного пьедестала в определенных случаях может привести к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, передаваемых от корпуса датчика на полупроводниковый чувствительный элемент.

Известна конструкция датчика давления, содержащая упругую жесткозащемленную мембрану с опорным основанием, на которой расположен диэлектрический слой с тензочувствительными элементами и контактными площадками (полупроводниковый чувствительный элемент), цилиндрическую контактную колодку с размещенными на периферии контактами и частично расположенные на поверхности контактных площадок и диэлектрика плоские выводные проводники, соединяющие контактные площадки и контакты колодки [Патент РФ №2032156, кл. 6 G01L 9/04, 1995].

Существенные признаки аналога, общие с заявленным устройством, следующие: основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, расположенный на жесткозащемленной мембране, которая герметично закреплена между корпусом и крышкой, крышка, защищающая полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий.

Недостатками известной конструкции датчика давления являются: большая сложность конструкции, большая сложность и трудоемкость сборки датчика в целом, жесткая связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция датчика давления, содержащая полупроводниковый чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, который соединен со стеклянной или кремниевой пластиной с образованием полости между ними, крышку, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную мембрану, на которой смонтированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, при этом полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны, а в крышке и пластине выполнены отверстия [Патент РФ №2082127, кл. G01L 9/04, 1997].

Недостатками известной конструкции датчика являются соединение полупроводникового чувствительного элемента со стеклянной или кремниевой пластиной, что приводит к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, относительная сложность конструкции.

Существенные признаки прототипа, общие с заявленным устройством, следующие: корпус, герметично закрепленная между корпусом и крышкой эластичная подвеска, выполненная в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышка, герметично соединенная с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение надежности конструкции датчика давления при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений и снижение трудоемкости при изготовлении датчика в целом.

Технический результат достигается тем, что полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.

Для достижения технического результата в датчике давления, содержащем корпус, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную подвеску, выполненную в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышку, герметично соединенную с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними, полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.

На фиг.1 представлен разрез конструкции датчика абсолютного, избыточного или разности давлений. На фиг.2 представлен вид сверху со снятой крышкой.

На фиг.1: 1 - полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» с тензорезисторами, 2 - керамическая чашка, 3 - полость, 4 - корпус, 5 - крышка, 6 - эластичная гофрированная мембрана, 9 - паяное соединение, 11 - отверстия для измерения избыточного и разности давлений, 12 - надмембранная полость, 13 - подмембранная полость, 14 - эластичный компаунд.

На фиг.2: 7 - токоведущие дорожки, 8 - контактные площадки, 10 - выходные контакты для внешней электрической коммутации.

Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» 1, выполненный по планарной технологии и технике анизотропного травления, жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой 2 с образованием полости 3. Полупроводниковый чувствительный элемент установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7. На металлизированной поверхности эластичной мембраны 6 химическим методом сформированы контактные площади 8, электрически контактирующие с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента через паяное соединение 9, токоведущие дорожки 7, выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. Для измерения избыточного и разности давлений в чашке 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1 эластичным компаундом 14, например СИЭЛ.

Работа датчика основана на использовании тензорезистивного эффекта. Измеряемое давление изгибает упругий чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» 1, который жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой 2 с образованием полости 3 и установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7, что приводит к деформации расположенных на нем тензорезисторов, включенных в мостовую схему, на выходе которой формируется электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенному измеряемому давлению. Этот электрический сигнал передается через паяные соединения 9, контактные площадки 8 и токоведущие дорожки 7 на выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. Для измерения избыточного и разности давлений в чашке 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1 эластичным компаундом 14, например СИЭЛ.

Применение полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» позволяет избежать явления гистерезиса и усталостных явлений, так как в интегральных схемах на основе структуры «кремний на сапфире» отсутствует p-n-переход, в качестве упругого элемента используется сапфир, который прочнее и жестче кремния, это позволяет работать с большим уровнем деформаций, чем в других интегральных полупроводниковых чувствительных элементах; сапфир химически и радиационно стоек, поэтому интегральные схемы на основе структуры «кремний на сапфире» могут работать в условиях высокой радиации. Использование алюмосиликатной керамики в качестве керамической чашки позволяет исключить влияние монтажных и термомеханических напряжений на полупроводниковый чувствительный элемент, а также уменьшить температурную зависимость начального выходного сигнала благодаря близости температурных коэффициентов расширения алюмосиликатной керамики и лейкосапфира в кристаллографической плоскости (0112).

Датчик давления, содержащий корпус, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную подвеску, выполненную в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышку, герметично соединенную с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними, и отличающийся тем, что полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.