Интегральный датчик давления

СОК)3 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 5)5 6 01 1 9/О ИЕ ОБРЕТЕНИ ПИС ВТОРСКОМУ С ТЕЛЬСТВ(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Интегральный датчикдавления относится к измерительной технике и может бытьиспользован при разработке и изготовлении миниатюрных датчиков давления с полупроводниковым упругим элементом. Цельизобретения - уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны приотсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширенияполупроводникового материала мембраныи материала защитного слоя. Сущность изобретения; интегральный датчик давлениясодержит профилированный упругий элемент 1 из полупроводникового материала,тонкая мембрана 2 которого выполнена крестообразной формы с неодинаковыми подлине сторонами креста, причем отношениекороткой стороны креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,5 - 0,65, а отношение длины основания 3 креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2 - 0,3, тензорезисторы Я 1 - Й 4 мостовой схемы выполнены составными из пяти резистивных участков каждый, которые соединены последовательно друг с другом токоведущими Коммутационными дорожками 5, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью Й 1 и Вз расположены соответственно вдоль оснований 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны 2, а резистивнце участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительно стью Я 2 и Й 4 расположены соответственноперпендикулярно основаниям 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны 2, Источник питания подключен к контактным площадкам 6 и 7, выходной сигнал мостовой схемы снимается с контактных площадок 8 и 9, Положительный эффект; благодаря повышению жесткости тонкой мембраны 2 исключается ее статический прогиб, чувствительность повышается примерно в 6 раз, 1 ил. браной квадратнойтравлением и в площной стороны методатехнологии сформирмостовой измерителТензорезисторылага ются на перифвр тельо для диная к измспользотических датчики, содеугий элементла с тонкой ме ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) Изобретение относит ной технике и может быть измерения давления в ста мических режимах,Известны интегральны жащие профилированный у полупроводникового матери 796929 А 1 формы, выполненной ади которой с планарми полупроводниковой ованы тензорезисторы ной схемы.мостовой схемы распоии тонкой мембраны ипри возникновении в мембране упругого элемента механических напряжений от воздействия измеряемого давления одна пара тензорезисторов испытывает напряжения сжатия (тенэорезисторы с отрицэЬЙтельной чувствительностью -- Й -О), а вторая пара - напряжения растяжения (тензореэисторы с положительной чувствительЛЙ, 10 ностью --О). Причем механическиеЙнапряжения, возникающие в точках наружной поверхности мембраны, прямо пропорциональны величине измеряемого давления, квадрату стороны мембраны и 15 обратно пропорциональны квадрату ее толщины. При необходимости же измерения давлений меньше 10 Па ( 1,0 кГс/см )5 г возникает сложность получения упругих элементов с тонкими (не более 15 мкм) мем бранами при одновременном увеличении их размеров из полупроводникового материала, например из монокристаллического кремния. Обусловлено это тем, что из-за существенного различия в температурных коэФфициентах ли нейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, которым защищается поверхность тонкой мембраны с интегральными тензореэисторами измерительной схемы (например, для кремния аз = 3,7 1061/ С, а для диоксида кремния авог = 1,6 10 1/0 С) на границе полупроводниковый материал - защитный материал возникают остаточные термоупругие деформации, которые приво дят к статическому прогибу такой мембраны еще в ненагруженном состоянии (при отсутствии измеряемого давления).Недостатком таких интегральных датчиков является сложность создания упругого элемента с профилированной тонкой квадратной мембраной при одновременном увеличении ее размеров для измерения малых и очень малых давлений без статического прогиба мембраны.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интегральный преобразователь давления, содержащий профилированный упругий. элемент из полупроводникового материала с мембраной квадратной формы, в площади которой с пленэрной стороны сформированы методами полупроводниковой технологии интегральные тенэорезисторы мостовой схемы, Однако интегральный датчик с упругим элементом, имеющим тонкую квадратную мембрану, характеризуется статическим прогибом мембраны в ненэгруженном состоянии, определяющим начальную деформацию мембраны и ограничивающим при-. менение такого упругого элемента в конструкциях датчиков малых давлений.Цель изобретения - уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя,Согласно изобретению в интегральном датчике давления, содержащем профилированный упругий элемент из полупроводникового материала, тонкая мембрана которого сформирована локальным травлением материала упругого элемента, причем с плэнарной стороны мембраны сформированы интегральные тензореэисторы, включенные в мостовую схему и покрытые защитным слоем, мембрана упругого элемента выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине. сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,5 - 0,65, а отношение длины основания креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2 - 0,3, тензореэисторы мостовой схемы выполнены составными, иэ пяти резистивных участков каждый, соединенных последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов, с положительной тензочувствительностью, расположены, соответственно, вдоль оснований креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов, с отрицательной тензочувствительностью, расположены соответственно, перпендикулярно основаниям креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны,На чертеже изображен предлагаемый датчик, где 1 - упругий элемент из полупроводникового материала;2 - крестообразная мембрана упругого элемента; 3 - основания креста; 4 - образующие креста; 5 - токоведущие коммутационные дорожки; 6,7 - контактные площадки для подключения источника питания; 8,9 - контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы; Й 1, Йз - резистивные участки тейзорезисторов Й 1 и Йз с положительной чувствительностью; Йг, Й 4 - резистивныеучастки тензорезисторов Вг и Ва с отрицательной чувствительностью,Х, У - короткая и длинная оси симметрии соответственно;ам, Ьм - размер короткой и длинной сторон креста соответственно;Икр - длина оснований креста;А,В,С,О,О - особые точки крестообразной мембраны,Интегральный датчик давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например из кремнияи-типа марки КЭФ,5 с ориентацией (001).Направления осей симметрии Х и У совмещены с кристаллографическими осями 100)и (101), В упругом элементе 1 локальным,например аниэотропным, травлением сформирована крестообразная мембрана 2, Отношение короткой стороны ам креста к егодлинной стороне Ь выбирается из интервала0,55 - 0,65 (оптимальным является 0,6), Выборсоотношения сторон крестообразной мембраны из представленного интервала позволяет обеспечить в центре 0 мембранымаксимальную разность продольных охо ипоперечных оуо полезных механических напряжений. А зто, в свою очередь, позволяетрасполагать в центре крестообразной мембраны резистивные участки тенэорезисторов, Отношение же длины основания креста3 - б,р к его длинной стороне Ьм выбирается в интервале 0,2 - 0,3 (оптимальнымявляется 0,25) и определяет максимальную разность полезных продольных оХ ипоперечных оу механических напряжений,возникающих в особых точках крестообразной мембраны (точки В,С), А это также позволяет располагать вблизи этих точекрезистивные участки тензорезисторов,На планарной стороне крестообразноймембраны 2 методами полупроводниковойтехнологии (диффузией или ионным легировэнием) сформированы интегральные тензорезисторы В 1 - В 4 Р - типа проводимости,соединенные в полую м осто ву 1 о схему.Тензорезисторы В 1 и Вэ состоят из резистивных участков В 1 и Вз, э тензорезисторы Вг и В 4 - из резистивных участков В 2 иВ 4, Резистивные участки В 1 и Вз расположены вдоль оснований креста 3 вблизи точек пересечения образующих креста 4 иосей симметрии Х,У с его основаниями 3,. атакже вдоль короткой оси симметрии Хвблизи центра 0 крестообразной мембраны2, Резистивные участки Вг и Ва расположены перпендикулярно основаниям креста3 вблизи точек пересечения образующихкреста 4 и осей симметрии Х и У с егооснованиями 3, а также вдоль длинной оси симметрии У вблизи центра 0 крестообразной мембраны 2. Реэистивные участкиВ 1 - Вз и Вг -Ва жидкого тенэореэисторапоследовательно соединень 1 друг с другом5 токоведущими коммутационными дорожками 5, Для подключения источника питанияна планарной поверхности упругого элемента сформированы методом вакуумногонапыления контактные площадки 6 и 7, а для10 снятия выходного сигнала - контактныеплощадки 8 и 9,Интегральный датчик давления работает следующим образом,Пбд действием измеряемого давления в15 особых точках крестообразной мембраны2 (точки А,В,С,О,О) на планарной ее стороне возникают полезные механические продольные ох и поперечные оу напряжения.Эти напряжения (деформации) вызывают в20 резистивных участках тензорезисторов,расположенных вблизи особых точек, деформацию растяжения или сжатия, в ре. зультате чего величины их сопротивленийизменяются. Так вблизи точки А (фиг,1) под25 действием измеряемого давления ц возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка В 1 и Вэувеличивают относительное изменение сопротивления30г дуд = 0,122 7 га 4 (1 - 1.). С Эм Ь 2 35 а у резистивного участка Вг и В 4 уменьшают относительное изменение сопротивления4 ам 2 40 охд = - 0,122 ж 4 ( 1 - 1),12 где т - коэффициент Пуассона материала мембраны;45Ь - толщина тонкой мембраны: 7 га 4 - главный пьезорезистивный коэффициент для тензорезистора р-типа проводимости,Вблизи точки В возникают механические напряжения сжатия, которые у рези.стивного участка В 1 и Вз увеличивают относительное изменение сопротивления2дув=0,10744, 2 (1 - Р)55 , пма у резистивного участка Вг и Ва уменьшают относительное изменение сопротивле- нияа 2дхв = - 0,107 зг 44(1 - ю),6 м Вблизи точки С возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка В и йз увеличивают относительное изменение сопротивления 2дхс = 0029 к 44 г (1 ф)Ьгм а у резистивного участка В 1 и В 4 уменьшают относительное изменение сопротивления2дус - -0,029 т 44 ч(1 - 1),Мм Вблизи точки О возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка В 1 и Вз увеличивают относительное изменение сопротивления а у резистивного участка В 2 и В 4 уменьшают относительное изменение сопротивления 2дно=-0,044 г 44 2 (1).Ьм Вблизи центра крестообразной мембраны 0 возникают напряжения растяжения, которые у резистивного участка В 1 и йз увеличивают относительное изменение со- противления 2дхо=0,039 л 4 2 (" )пм а у резистивного участка В 2 и В 4 уменьшают относительное изменение сопротивления 2дуо =.-0,039 жц г (1 - ф)Ьм Таким образом, резистивные участки В 1-йз тензорезисторов В 1 и йз, расположенные вблизи особых точек мембраны, увеличиваютсвои сопротивления, т,е. имеют положительную чувствительность (дя =Ьй, )й гдв 1 = дяз = 0 341 л 44 ---- ( 1 - Р ),г 1 амм а резистивные участки йг-В 4 тензорезисторов В 2 и В 4 уменьшают свои сопротивления, т,е, имеют отрицательную чувстЛВвительность (дв =- =О)й 2дйг = дй 4=-0341 44 . -( 1- Р),м2 Чувствительность мостовой схемы ин5 тегрального датчика давления, тензорезисторы которой выполнены составными из резистивных участков, расположенных вблизи особых точек крестообразной мембраны, будет равна20 25 =0,682 ж 4 - (1 - ю).Лм 25 Испытаниям были подвергнуты упругиеэлементы с профилированной тонкой квадратной мембраной (согласно прототипу) и тон кой крестообразной мем бра ной (согласно изобретению), Размер сторон квад ратной мембраны (ам х ам) был выбранравным 3,0 х 3,0 мм, толщина мембраны Ьм составила 15 мкм и 10 мкм, Размер сторон крестообразной мембраны был выбран равным Ьм = 3,0 мм, ам = 1,8 мм, длина 35 оснований креста Ьр составила 0,75 мм,толщина мембраны пм составила 15 мкм и 10 мкм. Изготовление упругих элементов с профилированными мембранами и интегральными тензорезисторами мостовой схе мы проводилось по единой технологии,Толщина защитного слоя диоксида кремния с планарной стороны мембран для обоих вариантов составила 0,5 мкм (формирование тонких мембран проводилось на за ключительном этапе изготовления, врезультате непланарная сторона мембраны защитным слоем диоксида кремния не, защищена). Статический прогиб мембран при отсутствии измеряемого давления 50 контролировался визуально под микроскопом и оценивался по изменению величины начального разбаланса мостовой схемы при напряжении питания Еп = 6,0 В.Предлагаемый интегральный датчик 55 давления, по сравнению с прототипом,обеспечивает следующие преимущества:- повышается жесткость тонкой мембраны, что исключает статический изгиб ее при отсутствии измерямо ) давления,1796929 Изобретение позволяет повысить чувствительность датчика примерно в 6 раз, что соответственно позволяет увеличивать толщину мембраны креФормула изобретения Интегральный датчик давления, содержащий профилированный упругий элемент из полупроводникового материала, тонкая мембрана которого сформирована локальным травлением материала упругого элемента, причем с планарной стороны мембраны сформированы интегральные тензорезисторы, включенные в мостовую схему и покрытые защитнымслоем,отличающийся тем, что, с целью уменьшения величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, мембрана упругого элемента выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стостообразной формы, по сравнению с толщиной мембраны квадратной формы при измерении одной и той же величины давления,5 роне выбрано в интервале 0,5-0,65, а отношение длины основания креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2 - 0,3, тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными, из пяти резистивных участков каждый, соединенных последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензореэисторов, с положительной тензочувствительностью, расположены соответственно вдоль оснований креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов, с отрицательной тензочувствительностью, расположены соответственно перпендикулярно основаниям креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны,1796929 оставитель В, Волковехред М.Моргентал Корректор С, Шекм Редактор Т. Шаго о-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 10 роизводст Заказ 645 ВНИИПИ Го Тиражтвенного комитета по иэобре113035, Москва, Ж, Рау Подписноеениям и открытиям при ГКНТ СССРкая на 645