ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ С ОДНИМ ЖЕСТКИМ ЦЕНТРОМ
INTEGRATED PRESSURE TRANSDUCER WITH ONE SOLID CENTRE

Изобретение относится к области электронных устройств, созданных на основе интегральных технологий изготовления датчиков и преобразователей механических величин в электрические, преимущественно - к измерительной технике, и может быть использовано для измерения механических воздействий (давления, силы, ускорений и т.д.).
Предпочтительно изобретение предназначено для обеспечения высокоточных измерений в области малых давлений от 0,1 кПа до 100 кПа в широком интервале температур с верхним пределом до +125°С.
Известен (см. журнал "Датчики и системы", №2, подписан в печать 28.05.1999, стр.52-55) интегральный преобразователь давления, выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в два моста Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны над дном соответствующей канавки размещены тензорезисторы четырех плеч моста Уитстона. Причем на мембране сформировано два равнозначных тензомоста: один с одной стороны от концентратора, другой с другой, причем тензорезисторы из обоих плеч моста с одним знаком изменения сопротивления расположены над соответствующей канавкой параллельно краю жесткого центра, а тензорезисторы из обоих плеч моста с другим знаком изменения сопротивления расположены параллельно краю мембраны. Основным недостатком данной конструкции является большой размер концентратора, составляющий более двух длин тензорезистора, и неоднородность температурного поля в мембране, возникающая при работе одного тензомоста, а также недостатком данного преобразователя давления является расположение тензорезисторов каждых двух плеч моста Уитстона в разных зонах возникновения тензонапряжений, что способствует повышению разбалансированности и возрастанию нелинейности получаемого электрического сигнала и к дополнительным погрешностям.
Известен полупроводниковый датчик давления по патенту США № US 4236137 A "Semiconductor transducers employing flexure frames" заявитель "Kulite Semiconductor Products Inc", опубл. 25.11.1980. Известный датчик давления и его интегральный преобразователь с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено центрально-симметричное углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона. Такое выполнение тонкой части мембраны из-за ее относительно малой площади приводит к низкой чувствительности преобразователя (см. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983, 136 с.).
Наиболее близким по своей технической сущности, поставленной технической задаче и методам ее решения является патент РФ №2005295 С1, заявитель Научно-исследовательский институт авиационного оборудования, опубл. 30.12.1993. Известный датчик давления так же, как из предыдущего патента, и его интегральный преобразователь с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено центрально-симметричное углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны расположены тензорезисторы. Центральные тензорезисторы одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, а периферийные транзисторы другого знака тензочувствительности расположены за пределами контура мембраны. Такое расположение тензорезисторов позволяет работать мосту Уитстона в сбалансированном режиме только при воздействии избыточного давления со стороны тензорезисторов. Основным недостатком известного преобразователя давления является расположение тензорезисторов двух плеч моста Уитстона в разных зонах возникновения тензонапряжений, что требует специальных условий для создания сбалансированного моста Уитстона и способствует повышению разбалансированности при нарушении этих условий и возрастанию нелинейности получаемого электрического сигнала. При этом изменение направления результирующего давления приведет к еще большим величинам нелинейности и снижению чувствительности, что ограничивает функциональные возможности преобразователя и эффективность его работы.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности преобразования давления в электрический сигнал при малых значениях механического воздействия и расширение функциональных возможностей интегрального преобразователя давления с одним жестким центром.
Указанная техническая задача решается тем, что интегральный преобразователь давления с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, причем не менее 10% площади дна тонкой части мембраны расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Такое выполнение интегрального преобразователя давления позволяет уменьшить неравномерность распределения тензонапряжений по тонкой части мембраны в местах расположения тензорезисторов, что позволяет снизить нелинейность преобразования давления при малых его величинах, повысить чувствительность преобразователя.
Параметры интегрального преобразователя давления, в частности нелинейность и чувствительность, сохраняются при воздействии избыточного давления на мембрану с первой или второй ее стороны, что расширяет функциональные возможности преобразователя.
В интегральном преобразователе давления выполнение монокристаллической кремниевой пластины, которая ориентирована в плоскости (100) и имеет n-тип проводимости, а тензорезисторы имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011], позволяет использовать хорошо отлаженные и широко используемые технологические процессы и оборудование. При этом при стабильных высоких качественных показателях изготовления преобразователей достигаются улучшенные функциональные возможности работы тонких частей мембраны.
В интегральном преобразователе давления выполнение продольных границ плоского дна каждой канавки мембраны параллельными обоим тензорезисторам и имеющими длину не менее 0,7 длины тензорезистора позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы.
В интегральном преобразователе давления выполнение поверхности сопряжения дна тонких участков мембраны с боковыми гранями мембраны и жесткого центра с криволинейной поверхностью с радиусом округления от 3 до 10 мкм является оптимальным для снижения локальных напряжений и незначительно увеличивает затраты при производстве.
В интегральном преобразователе давления выполнение угла наклона боковых стенок углубления к поверхности плоского дна составляет от 130 до 85 градусов и является оптимальным для различных технологических особенностей изготовления жесткого центра и плоской мембраны.
На Фиг.1 показан вид на интегральный преобразователь давления со второй стороны, то есть со стороны углубления.
На Фиг.2 - разрез по линии А-А Фиг.1.
Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром 1 выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины 2, с первой стороны 3 которой сформированы тензорезисторы 4 (показаны на Фиг.1 условно) и объединены электрическими связями в мост Уитстона (не показаны), а со второй стороны 5 монокристаллической кремниевой пластины 2 выполнено углубление 6, не выходящее на край пластины 2, состоящее из двух параллельных канавок 7, 8 и двух его участков 9, 10, соединяющих концы параллельных канавок 7 и 8 между собой и имеющих с ними общее плоское дно 11, которое совместно с первой стороной 3 пластины 2 образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр 1, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки 7 и 8 размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, соответственно 12 и 13, 14 и 15 (Фиг.2).
Не менее 10% площади плоского дна 11 тонкой части мембраны, например участки 16, 17, 18 и 19 расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями 20 и 21, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Такое выполнение интегрального преобразователя давления позволяет уменьшить неравномерность распределения тензонапряжений по тонкой части мембраны в местах расположения тензорезисторов 4, что позволяет снизить нелинейность преобразования давления при малых его величинах, повысить чувствительность преобразователя.
Параметры интегрального преобразователя давления, в частности нелинейность и чувствительность, сохраняются при воздействии избыточного давления на мембрану с первой 3 или второй 5 ее стороны, что расширяет функциональные возможности преобразователя.
В интегральном преобразователе давления выполнение монокристаллической кремниевой пластины 2, которая ориентирована в плоскости (100) и имеет n-тип проводимости, а тензорезисторы 4 имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011], позволяет использовать хорошо отлаженные и широко используемые технологические процессы и оборудование. При этом при стабильных высоких качественных показателях изготовления преобразователей в условиях давно отлаженных технологий производства достигаются улучшенные функциональные возможности работы тонких частей мембраны.
1
2
В интегральном преобразователе давления выполнение продольных границ плоского дна 11 каждой канавки 7 и 8 параллельными обоим тензорезисторам 12, 15 и имеющими длину l, которая составляет не менее 0,7 длины l соответствующего тензорезистора 12 или 15, позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы.
В интегральном преобразователе давления выполнение сопряжений поверхности плоского дна 11 тонких участков мембраны с боковыми стенками мембраны и жесткого центра криволинейной поверхностью 22 с радиусом скругления от 3 до 10 мкм является оптимальным для снижения локальных напряжений и незначительно увеличивает затраты при производстве.
В интегральном преобразователе давления выполнение угла 23 наклона боковых стенок 24 углубления к поверхности плоского дна 11 составляет от 130 до 85 градусов и является оптимальным для различных технологических особенностей изготовления жесткого центра 1 и плоского дна 11 тонкой части мембраны.
Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром работает следующим образом.
Под воздействием избыточного давления, например, на сторону 3 с участками 16, 17, 18 и 9 плоское дно 11 тонкой части мембраны изгибается, жесткий центр 1 перемещается и создает разнонаправленные тензонапряжения (сжатия на тензорезисторах 13, 14 и растяжения на тензорезисторах 12, 15). Поля тензонапряжений в местах расположения тензорезисторов из-за симметричной конфигурации концентраторов, выполненных в виде жесткого центра 1, выступов 24 и 25 имеют симметричную конфигурацию, что приводит к почти одинаковому изменению сопротивления тензорезисторов 4 и высокой линейности изменения выходного напряжения от давления. По указанной характеристике определяется измеряемое давление среды.
Под воздействием избыточного давления, например, на сторону 5 с участками 16, 17, 18 и 19 плоское дно 11 тонкой части мембраны изгибается, жесткий центр 1 перемещается и создает разнонаправленные тензонапряжения (растяжения на тензорезисторах 13, 14 и сжатия на тензорезисторах 12, 15). В остальном процесс измерения давления повторяется полностью.