Интегральный полупроводниковый датчик давления

(5 ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) содержащем опорное основание, упру мембрану, ребра жесткости, выполненн форме прямоугольных балок. и тензочу и- вительные элементы, упругая мембранаполнена с жестким центр расположенным в обеих ее сторон, толщ которого меньше толщины опорного о вания на расчетную максимальную вел ну прогиба мембраны, а каж тензорезистор выполнен из двух резис И- . ных участков с разнополярной чувствитностью, соединенных друг с другом, при пары разнополярных тензорезисторов положены продольно на ребрах жестко 1 ил. ю ев тинститутф ом, ина сно- ичидый тив- ельчемрас-сти,янов СССРПРОВОДН рении дав в интегра ике давлен е- ь- я Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления,Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения нелинейности изменения сопротивления тензорезисторов от давления.На фиг. 1 показан датчик давления, содержащий упругий элемент 1 из полупроводникового материала; мембрану 2 упругого элемента; жесткий центр 3; опорное основание 4 упругого элемента; ребро жесткости 5 в форме прямоугольной балки; тензорезисторы 6 мостовой схемы; внешний контур 7 мембраны упругого элемента; внутренний контур 8 мембраны упругого элемента; токоведущие коммутационные дорожки 9, контактные площадки 10, 11 для подключения источника питания; контактные площадки 12, 13 для снятия выходного сигнала с мостовой схемы. Показаны также Х, У - оси симметрии упругого элемента; й 1й з - резистивные участки тензорезисторов К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследо вател ьскизических измерений(54) ИНТЕ.ГРАЛЬНЫЙ ПОЛУКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Использование. при измения, Сущность изобретения:ном полупроводниковом датч й и й с отрицательной чувствительностью;й 2, й 4 - резистивные участки тензорезисторов й 2 и й 4 с положительной чувствитель- Я ностью; ам; ао - размер стороны мембраны и жесткого центра соответственно; Н, п 0 - толщина опорного основания и жесткого центра соответственно; ЬХ, Ьтр- суммарная Оо толщина мембраны и ребра жесткости и глу- ф бина травления мембраны с ее планарной ЬЭ стороны соответственно.Интегральный полупроводниковый дат- (Я чик давления содержит упругий элемент 1 (Я из полупроводникового материала, например, из кремния и-типа марки КЭФ,5 с ориентацией (001). Направления осей сим- ф метрии упругого элемента (Х и У) совмещены с кристаллографическими осями 100 и (010, В упругом элементе 1 с толщиной Н, равной толщине исходной кремниевой пластины, локальным, например, анизотропным травлением, с ее непланарной стороны сформированы тонкая упругая мембрана 2 с размером сторон ахам и толщиной и(суммарная толщина мембраны и ребра жесткости) и жесткий центр 3 с размером сторон ах ас, толщиной п 0. Толщина Ь, жесткого центра 3 выбрана меньше толщины Н опорного основания 4 на величину прогибэ мембраны 2. Жесткий центр 3 одновременно является ограничительным упором для перемещения упругой мембраны 2 при воздействии распределенного или осесимметричного измеряемого давления с планарной стороны упругой мембраны. Опорное основание 4 служит для жесткого закрепления упругого элемента. С плэнарной стороны упругой мембраны 2 локальным, например, анизотропным травлением кремния выполнены ребра жесткости 5 в форме прямоугольной балки толщиной Ьр, шириной В и одновременно образован контур жесткого центра 3 на планарной стороне мембраны 2, являющийся дополнительным концентратором механических напряжений, Каждый тензорезистор в мостовой измерительной схеме выполнен из двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью, Пэры разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости 5, Так, тензорезисторы с отрицаЬВ тельной чувствительностью ( с 0 ), например В 1 и Вз, выполнены из резистивных участков В 1 и Вз соответственно, которые расположены вдоль осей симметрии Х и У перпендикулярно внешнему контуру 7 мембраны 2, А тензорезисторы с положительной чувствительноЬВстью ( ) О ), например В 2 и В 4 выполнены из резистивных участков В 2 и Ва соответственно, которые расположены1вдоль осей симметрии Х и У перпендикулярно внутреннему контуру 8 мембраны 2, Резистивные участки каждого тензорезистора соединены друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 9. Для подключения источника питания служат контактные площадки 10, 11, а для снятия выходного сигнала с мостовой схемы - контактные площадки 12, 13.Интегральный датчик давления работает следующим образом.Под действием измеряемого распределенного или Осесимметричного давления мембрана 2 упругого элемента 1 совместно с ребрами жесткости 5 испытывают плоский изгиб (измеряемое давление воздействия на упругую мембрану со стороны расположения измерительной схемы). В результате в мембране 2 и ребрах жесткости 5 возникают механические напряжения (продольные%и поперечные о), характер распределения которых по площади упругой мембраны (между внешним и внутренним контурами мембраны) имеет строго линейную зависимость, что является одним из достоинств мембраны с жестким центром по сравнению . с плоской мембраной. Эти напряжения (деформации) вызывают в резистивных участках тензорезисторов деформацию растяжения или сжатия, что приводит к изменению величин их электрического сопротивленияТак, например, резистивные участки В 1 и Вз тенэорезисторов В 1 и Вз, расположенные вдоль осей симметрии Х, У упругой мембраны перпендикулярно внешнему контуру 7 мембраны 2, испытывают деформацию сжатия и уменьшают величину сопротивления (тенэорезисторы с отрицательной чувствительностью). А резистивные участки В 2 и В 4 тензореэисторов В 2 и В 4,1расположенные вдоль осей симметрии Х, У упругой мембраны перпендикулярно внутреннему контуру 8 мембраны 2, испытывают деформацию растяжения и увеличивают величину сопротивления (тензорезисторы с положительной чувствительностью), В результате на выходе мостовой схемы появляется сигнал разбаланса, пропорциональный величине измеряемого давления. При достижении номинального значения давления жесткий центр, как элемент конструкции упругого элемента, выполняющий одновременно роль ограничительного упора, предотвращает возможность прогиба мембраны сверх требуемой величины, тем самым исключает механическое разрушение упругой мембраны, Сформированный одновременно с созданием ребер жесткости на планарной стороне упругого элемента, контур жесткого ценТра является дополнительным концентратором механических напряжений, повышающий чувствительность измерительной схемы датчика.ф о р мул а и зоб рете н и я Интегральный полупроводниковый датчик давления, содержащий опорное основание, упругую мембрану, ребра жесткости, выполненные в форме прямоугольных балок, и тензочувствительные элементы, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения нелинейности изменения сопротивления тензорезисторов от давления, упругая мембрана выполнена с жестким центром, расположенным в обеих ее сторон, толщина которого меньше толщины опорного основания на расчетную максимальную величину прогиба мембраны, а каждый тензорезистор выполнен из181 Р 455 двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью, соединенных друг с другом, причем пары разнополярных тензод 1 оставитель Ю,Зеленцовехред М.Моргентал Корректор Н,Ревс. еда Тираж. . Подписноенного комитета по изобретениям и открыти3035,Москва,Ж, Раушская наб., 4/5 при ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 1571 ВНИИПИ Государст резисторов расположены продольно на ребрах жесткости,