Полупроводниковый датчик давления

Кемитет Рессийскей Федерации пе патентам н теваркым знакам САНИЕ ИЗОБРЕТЕ 2утолщенная часть которого граничитс тониОЙ мембрано имеющей жесткий центр, Центрв%нзй тензорезисторы одного знака тенэочувствитепьности расположее на граеиаюх участках мембреа впМ щ.зисторы другого аеа тензочувствитавности расавиаци- положены за пределами контура мембраы 8 этойй й а МИК ДАВ- расположены другие терморезисторы В корпуседатчика выпоеено ступежатое угпублеее с посадочной ступенью, на которой закретвен опорный элемент. В основу работы датчика положено иавза нение величины сопротивпеия тензорезисторовмосквой схемы при изменеее давления, Дпче обеспе аает ловьвоение точности измерена в обная ласти маатх давлеей 3 ЮФ-лк 3 ип,итут авиациФиа:рительной технике, в часпюсти к дат ввам давлениВ и позволяет повысить точность измеренасчет снижения погрешности неаеейности. Сущность изобретева датчик содержит интегральаа9 Ь Ч 9Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения механических параметров в системах контроля и управления, и может быть использовано при разработке и производстве полупроводниковых датчиков давления в газообразной или жидкой среде.Известны микроконструкция и топология полупроводникового преобразователя давления с жесткими выступами на мембране, в которых сформированы выемки в виде усеченной пирамиды, а тензореэисторы расположены в области мембраны с планарной стороны между выступами и между утолщенной периферийной частью кристалла преобразователя и выступами,Недостатком этого устройства является то, что тенэорезисторы расположены в области мембраны, где упругие деформациине достигают максимальных значений в отличии от классического варианта абсолютно жесткого эащемления мембраны по контуру. Не приводятся соотношения основных конструктивных параметров преобразователя; толщины и длины мембраны, длинымембраны и размеров жестких выступов, обуславливающих уровень тенэочувствительности и величину погрешности измерений.Наиболее близким .к предложенному 51015 30 датчику является полупроводниковый датчик давления, содержащий корпус, закрепленный в нем тензочувствительный узел из стеклянного опорного элемента и интегрального тензопреобразователя давления в З 5 виде профилированного полупроводникового монокристаллического материала с жестким центром на плоской мембране и сформированными двумя измерительными мостами тензореэисторов. 40Уменьшение влияния паразитных напряжений на точность измерения дифференциального давления достигается в датчике - прототипе совокупностью топологических, схемотехнических, конструктив ных решений, касающихся как интегрального тенэопреобразователя, так и устройства крепления его в корпусе датчика.На поверхности кремниевого тензопре образователя, ориентированной в кристалл.ографической плоскости (110), сформированы два измерительных тензомоста, Тензорезисторы первого моста для измерения дифференциального давления 55 , расположены на граничных участках мембраны около жесткого центра и около контура защемления мембраны, ориентация тензорезисторов совпадает с направлением 111, Тенэорезисторы второго моста для измерения статического давления расположены вблизи середины периферийной утолщенной части тензопреобразователя, где паразитные напряжения имеют экстремальную величину, Сигнал со второго тензомоста используется для коррекции сигнала первого моста на величину, адекватную сигналу, индуцированному паразитными напряжениями в мостовой схеме для измерения дифференциального давления,Устройство крепления тензоп р;образавателя в корпус датчика состсит из двух фиксирующих опорных элементов цилиндрической формы с каналами, имеющими аксиальную симметрию относительно оси симметрии тензопреобразователя, Первый опорный элемент из стекла "Ругех" образует неразъемные соединения с тензопреобраэователем и вторым опорным элементом из железоникелевого сплава,Благодаря соответствию в физиКо-механических параметрах опорных элементов кремния и тензопреобразователя такое устройство крепления позволяет снизить изгибные напряжения и их воздействие на мост дифференциального давления, в результате чего повышается точность измерений,Недостатками такого устройства являются необходимость сложного дополнительного устройства преобразования сигналов от двух измерительных мостов, включающего два конвертера, запоминающее устройство, программатор и регистрирующее устройство, технологические трудности в обеспечении аксиальной симметрии, обусловленные установкой тенэочувствительного узла на поверхность второго опорного элемента; отсутствие оптимальных соотношений для геометрических размеров опорных элементов и тенэопреобразователя с целью минимизации изгибных напряжений.Целью изобретения является повышение точности измерений за счет снижения погреш ности нелинейности.Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом датчике давления, содержащем корпус и закрепленный в ним с помощью стеклянного кольцевого опорного элемента интегральный тензопреобразователь, выполненный в виде сформированной в монокристаллической пластине и-типа проводимости мембраны с жестким центром и утолщенной периферийной части и иэмеоительного моста иэ тензорезисторов +р -типа проводимости, при этом тензорезисторы одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, в корпусе50 55 нелинейности при достаточно высокомуровне тензочувствительности датчика,Величина смещения периферийныхтензорезисторов определяется из эмпирического выраженияРЬХ - Кгде КтхЬ- геометрический фактор;аа - коэффициент пропорциональности,зависящий от величины максимального давления Рн и определяемый экспериментальным путем, а 4085 в диапазоне давленийР - 50+100 кПа; а - 16+185 в диапазоне Р-10 кПа,Геометрические размеры ИТПД в диапазонах давлений 0,1-50 кПа. 0,2-100кПа, 0,5-500 кПа, 1,0-1000 кПа определяются из соотношений 0,01-0,035,0,44- 0,51,ВЭТензорезисторы ориентированы в направлении 110 на кристаллографическойплоскости (100) ИТПД.Расстояние от периферийного тензорезистора до граничного контура кольцевогоучастка сопряжения ИТПД с опорным элементомЖ 02 Н . размер посадочной ступени в углублении на корпусе датчика,равный ширине М кольцевого участкасопряжения, толщина опорного элемента и толщина основания корпусаг гНг0,025 и Нз 0,016В ЬВ йопределены экспериментально и вытекают из необходимости снижениявлияния паразитных напряжений на точность измерений, обусловленных разницейв физико-механических константах (модуляЮнга, коэффициента термического расширения) материалов тензочувствительногоузла монокристаллического кремния ИТПДна стекле типа "Ругех" опорнбго элемента,а также процессом диффузионного соединения ИТПД и опорного элемента в электростатическом поле,Снижение влияния паразитных напряжений на точность измерений при условиивыполнения заданных соотношений для М,Н 2 и Нз достигается тем, что величина модуля Юнга материала основания корпуса, скоторым сопрягается тенэочувствительныйузел, близка к величине модуля Юнга мате,риала ИТПД, Например, для монокристаллического кремния и сплава Ее - й (40)величина модуля Юнга составляет соответственно 1700 кгс/мм и 1570 кгс/мм . При2 г 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 этом воздействующие на ИТПД изгибные напряжения, обусловленные разницей величины модуля Юнга материалов ИТПД и опорного элемента (700 кгс/мм для стекла типа "Ругех"). имеют минимальную величину.Углубление на корпусе датчика позволяет повысить аксиальную симметрию канала тензочувствительного узла и отверстия в корпусе, так как смещение тензочувствительного узла при монтаже в отверстие корпуса ограничивается допусками на размеры отверстия и опорного элемента,Расположение терморезистора за пределами граничного участка мембраны в утолщенной части ИТПД вблизи пъезорезистора по сравнению с известными техническими решениями, когда термореэисторы расположены в пределах мембраны или на ее границе, позволяет более точно определять величину нестационарной температуры в области тензорезисторов, Это обусловлено тем, что тепловые сопротивления такой мембраны и периферийной утолщенной части ИТПД различны по величине. Поэтому в результате изменения температуры измеряемой среды, величина температуры на мембране и величина температуры в периферийной части ИТПД будут отличаться тем больше, чем больше разница тепловых сопротивлений,Кроме того, в случае формирования терморезисторов на поверхности мембраны, возникают дополнительные паразитные напряжения, обусловленные воздействием термомеханических процессов в локальных областях мембраны, снижающие точность измерений.В соответствии с предложенным техническим решением разработаны и изготовлены опытные партии датчиков дифференциального давления на четыре диапазона 0,1-50 кПа, 0,2-100 кПа, 0,5-500 к Па и 1,0-1000 к Па,По результатам исследований датчиков, величина погрешности нелинейности составила 0,1 - 0,2, а тензочувствительности 35- 50 мв/В для диапазонов давления 0,1-50 кПа, 0,2-100 кПа,Датчики для диапазонов давления 0,5- 500 кПа и 1,0 - 1000 кПа находятся в настоящее время в ггроцессе лабораторных исследований,56) Авторское свидетельство СССРМ 1404852, кл, 6 019/04, 1986.Патент США М 4972116, кл. 6 01 . 7/08,1990.Формула изобретения1, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус. и закрепленный в нем с помогцью стеклянного кольцевого опорного элемента интегральный тензопреобразовгтель, выполненный в виде сформированной в монокристалличес кой пластине и-типа проводимости мембраны с жестким центром и утолщенной периферийной частью и измерительного моста из тензорезисторов р -типа проводимости, при этом тензорезисторы одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, отличающийся тем, что в нем в корпусе со стороны кольцевого опорного элемента выполнено ступенчатое углубление с образованием основания и посадочной ступени размером, равным ширине кольцевого опорного элемента, при этом кольцевой опорный элемент закреплен на ступени, а геометрические размеры мембраны определяются из соотношений0,01Ь/а - 0,035;0,44Ь/а0,51,где Ь, а, Ь - толщина мембраны, радиус мембраны, радиус жесткого центра соответственно,причем тензорезисторы другого знака термочувствительности расположены эа пределами контура мембраны в области ее периферийной утолщенной части и смещень от контура з,зщемления мембраны наоасстояниеРнЛг(=К ч5 где Рн - максимальное давление;К=йф Ь/а;ы - коэффициент пропорциональности,зависящий от величины максимального давления, определяемый экспери 10ментальным путем,2, Датчик по п,1, отличающийся тем,что в нем расстояние от тензореэистора,расположенного в области периферийнойутолщенной части мембраны, до граничного контура кольцевого участка сопряжениямембраны с кольцевым опорным элементом определяется иэ соотношения0,02 Н 1где Н 1 - толщина периферийной утолщенной части мембраны.3, Датчик по пп, 1 и 2 отличающийсятем, что в нем тощина Н 2 кольцевого опор 25ного элемента и толщина Нз основаниякорпуса датчика определяются из соотношенииН 20,025 а /Ь6,Нз001 ба /ЬЬ30 4, Датчик по пп.1 - 3, отличающийсятем, что он снабжен одним или несколькими терморезисторами, расположенными запределами граничного участка мембраны вее периферийной утолщенной части вблизи тензорезисторов.2005295 Составитель Л.ЕвтееТехред М,Моргентал Корректор О,Густи Редактор А,Б Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента313035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 аказ 3431 зводственно.издательСкий комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10