Микроэлектромеханический датчик давления

Изобретение относится к измерительным приборам в области микросистемной техники. Датчик давления содержит корпус, чувствительный элемент, мембрана которого расположена на опорном кристалле, в котором выполнено сквозное отверстие и гермокомпенсационные элементы. Опорный кристалл и мембрана чувствительного элемента выполнены из монокристаллического кремния. Опорный кристалл сопряжен с корпусом датчика посредством соединительной трубки. Согласно изобретению термокомпенсационные элементы выполнены планарно в виде вытравленных углублений прямоугольного сечения в опорном кристалле на поверхности, противоположной расположению чувствительного элемента, при этом центральный элемент имеет форму окружности, ось вращения которого совпадает с осью симметрии опорного кристалла, элемент, находящийся на периферии опорного кристалла, имеет форму контура круга с центром, совпадающим с осью симметрии опорного кристалла, с четырьмя вырезами в форме дуг окружностей меньшего радиуса, чем радиус круга, сопряженных с контуром круга. При этом центры окружностей меньшего радиуса лежат на пространственных диагоналях опорного кристалла за контуром круга. Изобретение обеспечивает повышение надежности и стабильности работы, разрешения выходных характеристик и точности микродатчика давления. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительным приборам в области микросистемной техники, в частности к микродатчикам давления.

Учет как внешних, так и внутренних факторов, нарушающих точность измерения требуемых физических параметров, является критичным при создании высокоточных микродатчиков. Особое внимание уделяется операции по корпусированию чувствительного элемента (далее - ЧЭ), ввиду важной роли, которую она играет в конечных параметрах готового прибора. Среди многих предложенных концепций по механической развязке ЧЭ с. корпусом датчика наиболее устойчивые решения получило направление, согласно которому упаковка ЧЭ может быть выполнена гораздо эффективнее, если требуемые параметры по согласованию конструкционных элементов микродатчика уже заложены в буферном слое или опорном кристалле.

Известен микродатчик давления с опорным кристаллом, описанный в статьях [Hsieh С.-С., Hung С.-С., Li Y.-II. Investigation of a pressure sensor with temperature compensation using two concentric wheatstone-bridge circuits // Modern mechanical engineering. 2013. Vol. 3. P. 104-113; Lee K.-W., Wise K. D. SENSIM: a simulation program for solid-state pressure sensors // IEEE transactions on electron devices. 1982. Vol. ED-29. No. 1. P. 34-41] и патенте US 4129042 (November 1977). Микродатчик содержит опорный кристалл, который состоит из нескольких пластин кремния или боросиликатных стекол, соединенных при помощи электростимулированной (анодной) сварки и объединенных с кристаллом ЧЭ. Существенным недостатком построения ЧЭ микродатчика давления на массивном промежу точном слое кремния или боросиликатного стекла является требование, что все входящие в ЧЭ и опорный кристалл слои должны иметь согласование между тепловыми коэффициентами расширения (ТКР) материала. При этом операция анодного соединения двух кристаллов приводит к преднапряженному состоянию в мембране ЧЭ, что негативно сказывается на характеристиках тензорезисторов и приводит к начальной разбалансировке моста в электрической схеме, в которую включается ЧЭ. Также сказывается присутствие дефектов в опорном кристалле, которые могут привести к изначальной деформации (короблению) мембраны ЧЭ при электростимулированной спайке слоев.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленному техническому решению являются микродатчики, содержащие опорные кристаллы гофрированной формы, описанные в книге [Beeby S., Ensel G., Kraft М., White N. MEMS mechanical sensors. Lon.: Artech house MEMS, library. 2004. 281 р.], статье [Offereins H. L., Sandmaier H. Novel stress free assembly technique for micromechanical devices // Microsystem technologies 90. Berlin. September 10-13. 1990. P. 515-520] и патенте SU 1544120 A1, опубликованном от 15.02.1994 (прототип). Микродатчик содержит опорный кристалл, выполненный из монокристаллического кремния, с обеих сторон кристалла сформированы канавки. Эти углубления представляют собой термокомпенсационные элементы. Опорный кристалл выполняет роль буферного слоя и является узлом развязки, обеспечивающим существенное уменьшение передачи механических напряжений от корпуса датчика к ЧЭ. Недостатком такой конструкции является сложность в изготовлении в части получения заданных кристаллографических плоскостей развитого рельефа поверхности опорного кристалла с помощью жидкостного травления с обеих сторон и, соответственно, увеличение стоимости изготавливаемой конструкции, а также недостаточная надежность из-за возникновения эффекта хрупкости при монтаже в областях высокой дефектности (пересечение двух и более кристаллофафических плоскостей в конструкции опорного кристалла). Для случая, когда вместо набора кольцевых термокомпенсаторов используется набор элементов, располагающихся на контуре в форме квадрата, поскольку размеры мембраны ЧЭ могут варьироваться в широком диапазоне, возникает рассогласование по кристаллографическим направлениям среди термокомпенсационных элементов.

Задачей изобретения является разработка микроэлектромеханического датчика давления, конструкция которого позволяет осуществить механическую изоляцию ЧЭ микродатчика для уменьшения механических напряжений в ЧЭ, передающихся от корпуса прибора, вызванных его температурным расширением (сжатием).

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение надежности и стабильности работы, разрешения выходных характеристик и точности микродатчика давления.

Технический результат достигается тем, что разработанный микроэлектромеханический датчик давления содержит корпус с приемным портом, чувствительный элемент, мембрана которого расположена на опорном кристалле квадратной формы, в котором выполнено сквозное отверстие и термокомпенсационпые элементы. Опорный кристалл и мембрана чувствительного элемента выполнены из монокристаллического кремния. Опорный кристалл сопряжен с корпусом датчика посредством соединительной трубки с помощью стекловидного припоя или одной из разновидностей эпоксидных смол. Микроэлектромеханический датчик давления отличается тем, что термокомпенсационпые элементы выполнены планарно в виде вытравленных углублений прямоугольного сечения в опорном кристалле на поверхности противоположной расположению чувствительного элемента, при этом центральный элемент имеет форму окружности, ось вращения которого совпадает с осью симметрии опорного кристалла, элемент, находящийся на периферии опорного кристалла, имеет форму контура круга с центром, совпадающим с осью симметрии опорного кристалла, с четырьмя вырезами в форме дуг окружностей меньшего радиуса, чем радиус круга, сопряженных с контуром круга. При этом центры окружностей меньшего радиуса лежат на пространственных диагоналях опорного кристалла за контуром круга.

Предлагаемое техническое решение поясняют следующие фигуры.

На фигуре 1 представлен схематичный вид в разрезе микроэлектромеханического датчика давления.

На фигуре 2 - вид опорного кристалла.

На фигуре 3 - вид опорного кристалла снизу и форма термокомпенсационных элементов.

На фигурах введены следующие обозначения:

1 - опорный кристалла из монокристаллического кремния;

2 - сквозное отверстие в опорном кристалле для поступающего давления;

3 - центральный термокомпенсациоиный элемент;

4 - периферийный термокомпенсационный элемент;

5 - мембрана чувствительного элемента микродатчика давления из монокристаллического кремния;

6 - соединительная трубка;

7 - корпус;

8 - приемный порт для поступающего давления. Устройство работает следующим образом.

Мембрана чувствительного элемента микродатчика давления 5 располагается на опорном кристалле из монокристаллического кремния 1, центральная часть которого закрепляется с помощью соединительной трубки 6 в корпусе 7 посредством стекловидного припоя или одной из разновидностей эпоксидных смол.

При этом область контакта соединительной трубки 6 не превышает 20-40% от нижней грани опорного кристалла 1, уменьшение области контакта опорного кристалла с корпусом способствует снижению области распространения деформаций. На опорном кристалле 1 планарно с одной стороны поверхности (противоположной поверхности на которой расположен ЧЭ) выполнены термокомпенсационные элементы 3-4 в виде вытравленных углублений прямоугольного сечения. Давление газа, подаваемое через приемный порт 8, соединительную трубку 6 и сквозное отверстие 2, деформирует мембрану 5, после чего происходит изменение выходного сигнала с первичной схемы ЧЭ. В условиях изменения температуры сам датчик и все входящие в него конструкционные элементы подвергается линейному расширению (сжатию) во всех направлениях. Это приводит к возникновению неоднородных механических напряжений в чувствительном элементе. Влияние температуры наиболее критично в плоскости мембраны датчика 5, то есть в направлении <100> (проходящего вдоль одной из сторон опорного кристалла 1), согласно обозначению, индексов Миллера. В мембране 5 наблюдается поле деформаций на различных участках. Для компенсации подобных эффектов в опорном кристалле выполнены термокопенсационные элементы 3-4, учитывающие анизотропность кристаллографической решетки кремния. С этой целью элемент 3 имеет форму окружности, ось вращения которого совпадает с осью симметрии опорного кристалла, а элемент 4, находящийся на периферии опорного кристалла, имеет форму контура круга с центром, совпадающим с осью симметрии опорного кристалла 1, с четырьмя вырезами в форме дуг окружностей меньшего радиуса, чем радиус круга, сопряженных с контуром круга, при этом центры окружностей меньшего радиуса лежат на пространственных диагоналях опорного кристалла 1 за контуром круга - в направлении наибольшей плотности элементарной ячейки кремния. Вырезы в форме периферийного термокомпенсационного элемента 4 выполнены таким образом, чтобы при термическом воздействии плоскость (110) имела бы симметричное расхождение относительно других кристаллографических плоскостей направлений <100> , <010>, что также будет справедливо для зеркальной плоскости отражения. Опорный кристалл 1 позволяет релаксировать возникающие механические напряжения за счет термокомпенсационных элементов 3-4. В отличие от существующего прототипа достаточно выполнить одну модификацию поверхности опорного кристалла 1, то есть требуется топологическое изменение рельефа только с одной стороны, чтобы повысить прочностные характеристики, надежность и стабильность работы микродатчика.

Микроэлектромеханический датчик давления благодаря конструкции опорного кристалла и форме термокомпенсационных элементов, входящих в его состав, позволяет получить выходную характеристику с компенсацией температурного дрейфа.

Микроэлектромеханический датчик давления, состоящий из корпуса с приемным портом, опорного кристалла квадратной формы из монокристаллического кремния, в котором выполнено сквозное отверстие и термокомпенсационные элементы, сопряженного с корпусом датчика посредством соединительной трубки с помощью стекловидного припоя или одной из разновидностей эпоксидных смол, и чувствительного элемента, мембрана которого выполнена из монокристаллического кремния и расположена на опорном кристалле, отличающийся тем, что термокомпенсационные элементы выполнены планарно в виде вытравленных углублений прямоугольного сечения в опорном кристалле на поверхности, противоположной расположению чувствительного элемента, при этом центральный элемент имеет форму окружности, ось вращения которого совпадает с осью симметрии опорного кристалла, элемент, находящийся на периферии опорного кристалла, имеет форму контура круга с центром, совпадающим с осью симметрии опорного кристалла, с четырьмя вырезами в форме дуг окружностей меньшего радиуса, чем радиус круга, сопряженных с контуром круга, при этом центры окружностей меньшего радиуса лежат на пространственных диагоналях опорного кристалла за контуром круга.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения давлений на поверхности изделий дренажным методом. Предлагаемый преобразователь давления многоканальный содержит блок из 32 (возможно другое количество) кремниевых датчиков давления, блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, мультиплексор сигналов измерительных элементов, блок управления мультиплексором от микроконтроллера, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, термостабилизатор преобразователя, включающий датчик температуры, управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящей рамки, ПИ-регулятор температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя.

Изобретение относится к области измерительной техники и промышленной электроники и служит для измерения давлений на поверхности изделий дренажным методом. Предлагаемый преобразователь давления многоканальный содержит блок из 32 (возможно другое количество) кремниевых датчиков давления, блок пассивной компенсации температурной погрешности и начального разбаланса датчиков давления, мультиплексор сигналов измерительных элементов, блок управления мультиплексором от микроконтроллера, измерительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, термостабилизатор преобразователя, включающий датчик температуры, управляемые нагревательные элементы, равномерно распределенные по всей площади теплопроводящей рамки, ПИ-регулятор температуры, формирователь напряжений питания элементов преобразователя.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тензорезисторных преобразователей давления. В интеллектуальный преобразователь введен узел, отвечающий за динамическую коррекцию установочных параметров на основе измеряемого преобразователем давления.

Использование: для контроля и (или) измерения давления жидкостей и газов. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный преобразователь давления содержит кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой квадратной мембраной в центре кристалла с обратной стороны, на рабочей поверхности кристалла сформированы радиальные тензорезисторы р-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему, на поверхности мембраны с обратной стороны кристалла методом анизотропного травления сформирован квадратный жесткий центр, по периметру мембраны и жесткого центра с рабочей стороны кристалла выполнены одинаковые по форме и размерам тензорезисторы, соединенные попарно, образуя четыре полумоста, с возможностью выбора идентичных рабочих тензорезисторов для настройки температурных уходов выходного сигнала, на рабочей поверхности кристалла вне зоны мембраны выполнены гальванически развязанные три группы сопротивлений из последовательно соединенных резисторов, с возможностью выборки номинала сопротивления для настройки выходных сигналов, четыре последовательно соединенные терморезистора расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру рабочей поверхности кристалла.

Изобретение предназначено для применения в океанологии и может использоваться в других областях. Сущность изобретения заключается в том, что используют распределенные термопрофилемеры, содержащие по n модулированных по погонной чувствительности по функциям {<p, (z)}, проводников.

Использование: для создания датчика давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой. Сущность изобретения заключается в том, что датчик давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) содержит корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, закрепленную и размещенную внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическую втулку с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, в отверстии цилиндрической втулки размещен винт с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта, выполненной в виде однозаходной трапецеидальной резьбы с шагом, определяемым по определенному соотношению.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в рабочих системах, имеющих баки, жидкое или газообразное рабочее тело (РТ), рабочие магистрали и исполнительный рабочий орган.

Изобретение относится к техническим устройствам для измерения давления в пластичных и сыпучих средах, в т.ч. грунтах.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и предназначено для одновременного измерения давления вне и внутри НКТ и может быть использовано для установки на оборудовании нефтяных скважин с целью получения информации для систем регулирования добычи продукции на нефтяных месторождениях страны.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Тензопреобразователь давления содержит квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой и четыре продольных тензорезистора.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к индикаторам, созданным на принципе измерения перепада давлений, для наружной установки на газовые фильтры с целью контроля степени их засорения.

Обеспечен передатчик давления рабочей текучей среды. Передатчик давления рабочей текучей среды включает в себя датчик давления, имеющий электрическую характеристику, которая изменяется в ответ на деформацию датчика давления в ответ на давление.

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дискретного измерения уровня или давления жидкости, в том числе непрозрачной, в условиях повышенной искро-, взрыво-, пожароопасности, воздействия вибраций, ударов, изменения температуры окружающей среды в диапазоне (-100…+150)°С (и более) на изделиях авиационной, ракетно-космической, морской техники, нефтегазовой отрасли.

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть применено для измерения высоты и скорости полета воздушных судов на основании использования аэрометрического метода.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложены предназначенная для соединения одноразового контейнера с прибором для измерения давления полимерная система, способ передачи давления биореактора прибору для измерения давления и измерительная система для жидкости.

Изобретение относится к технике измерения давления, а именно к устройствам, служащим для измерения циклически меняющегося давления высокотемпературного газа, например, в газовых трактах.

Передающий датчик давления технологической текучей среды имеет удаленный датчик (204) давления. Передающий датчик включает в себя корпус (104) под электронику и коммуникатор (300) контура, расположенный в корпусе (104) под электронику и конфигурируемый, чтобы передавать данные в соответствии с протоколом связи процесса.

Заявленный способ относится к технологии изготовления многослойных пленочных контактных датчиков порогового давления и может быть использован при изготовлении многослойных контактных датчиков порогового давления, закрепляемых на поверхности измеряемых объектов.

Обеспечен передатчик давления рабочей текучей среды. Передатчик давления рабочей текучей среды включает в себя датчик давления, имеющий электрическую характеристику, которая изменяется в ответ на деформацию датчика давления в ответ на давление.

Изобретение относится к измерительным приборам в области микросистемной техники. Датчик давления содержит корпус, чувствительный элемент, мембрана которого расположена на опорном кристалле, в котором выполнено сквозное отверстие и гермокомпенсационные элементы. Опорный кристалл и мембрана чувствительного элемента выполнены из монокристаллического кремния. Опорный кристалл сопряжен с корпусом датчика посредством соединительной трубки. Согласно изобретению термокомпенсационные элементы выполнены планарно в виде вытравленных углублений прямоугольного сечения в опорном кристалле на поверхности, противоположной расположению чувствительного элемента, при этом центральный элемент имеет форму окружности, ось вращения которого совпадает с осью симметрии опорного кристалла, элемент, находящийся на периферии опорного кристалла, имеет форму контура круга с центром, совпадающим с осью симметрии опорного кристалла, с четырьмя вырезами в форме дуг окружностей меньшего радиуса, чем радиус круга, сопряженных с контуром круга. При этом центры окружностей меньшего радиуса лежат на пространственных диагоналях опорного кристалла за контуром круга. Изобретение обеспечивает повышение надежности и стабильности работы, разрешения выходных характеристик и точности микродатчика давления. 3 ил.

Наверх