Тепловой датчик давления

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микромеханических устройств, а именно к датчикам давления.
Известна конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления [1]. Датчик содержит электронно-индикаторный блок, два плоских присоединительных фланца, между которыми размещен мембранный блок измерительного преобразователя. Преобразователь состоит из емкостной ячейки цилиндрической формы с измерительной мембраной, размещенной в полости ее корпуса, помещенного рядом с размещенными в корпусах разделительными гофрированными мембранами.
Однако известная конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления является сложной в изготовлении, так как имеет большое количество сварных соединений.
Известна конструкция емкостного датчика давления [2]. Датчик давления содержит корпус с цилиндрическим кожухом и крышкой, электронную плату и емкостный преобразователь, а также выполненные в корпусе два мембранных блока. Преобразователь содержит полость, два гермовывода с обкладками, соединенными с электронной платой, и измерительную мембрану, закрепленную в полости между обкладками так.
Однако известный датчик характеризуется наличием заметной паразитной емкости между емкостными обкладками (электродами) и корпусными деталями датчика. Кроме того, большая масса измерительной системы (ячейки), включающей в себя мембрану, обкладки в виде стеклянных (керамических) полусфер, токоподводы, существенно снижают вибростойкость датчика. Изготовление известного датчика сопряжено со значительными технологическими трудностями, связанными с изготовлением прецизионных массивных стеклянных (керамических) полусфер и нанесением на их внутреннюю поверхность электродов (обкладок), что значительно повышает трудоемкость изделия и его себестоимость.
Известна конструкция емкостного датчика давления [3], выбранного в качестве прототипа. Датчик давления содержит кремниевую подложку, мембрану, на поверхности которой расположен нижний электрод конденсатора. Через воздушный зазор находится второй электрод, который нанесен на пластину фторида кальция, приваренной к кремниевой подложке.
Рассматриваемый датчик изготавливается следующим образом: на кремниевой подложке выращивается слой фторида кальция и слой кремния, затем напыляется слой металлизации, в подложке кремния снизу методом анизотропного травления формируется тонкая мембрана, а в подложке методом фотолитографии вытравливает окно до фторида кальция. Сверху на полученную структуру накладывается пластина кремния с предварительно напыленным слоем металлизации. Недостатками известной конструкции [3] является недостаточная технологичность из-за:
1. Срока службы, в связи с расположением одного из электродов на деформирующейся мембране;
2. Ограничений диапазона измеряемого давления;
3. Возможности замыкания обкладок конденсатора при сильном прогибе мембраны;
4. Потребляемой мощности.
Задачей настоящей полезной модели является повышение срока эксплуатации, энергоэффективности и диапазона измеряемого давления, за счет альтернативного способа детектирования давления.
Поставленная задача решается тем, что датчик давления основан на тепловом принципе детектирования. Датчик состоит из мембраны, которая подвешена над полостью, заполненной газом с минимальным коэффициентом теплопроводности. На данной мембране расположен нагреватель и чувствительный элемент, представляющий собой термопару. Через воздушный зазор расположена вторая мембрана, сформированная в утоненной кремниевой пластине.
По сравнению с прототипом предполагаемая потребляемая мощность датчика давления определяется величиной тока, подаваемого на терморезистор, который исполняет роль нагревателя, что демонстрирует высокую энергоэффективность такого датчика. Такой вывод можно сделать на основании того, что расчетная мощность предложенного датчика давления близка к нижней границе мощности емкостных датчиков давления.
Диапазон детектируемых давлений определяется только собственным шумом чувствительного элемента, исходя из следующей формулы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена конструкция датчика давления.
На фиг. 1 представлен двухмерный вид сбоку на тепловой датчик давления, где: 1 - мембрана, 2 - пластина, 3 - мембрана, 4 - чувствительный элемент, 5 - полость, 6 - пластина, 7 - адгезивный материал, 8 - пластина.
Как видно из чертежа, в отличие от прототипа, чувствительный элемент располагается на неподвижной мембране и не подвержен механическим воздействиям, что повышает срок эксплуатации датчика.
Датчик работает следующим образом. При воздействии давления на мембрану 3 она прогибается, меняя расстояние до планарного нагревателя и чувствительного элемента 4, и изменяя перераспределение температуры. При этом пропорционально изменению температуры меняется выходной сигнал в специальной измерительной схеме, в которую включен датчик. Изменение выходного электрического сигнала пропорционально изменению температуры, которое пропорционально изменению прогиба мембраны, которое, в свою очередь, пропорционально изменению внешнего давления.
2
Пример конкретного исполнения. На кремниевой (150 Вт/м⋅К) пластине 8 толщиной 670 мкм формируют мембрану 1 из оксида кремния (1.4 Вт/м⋅К) по технологии химического осаждения из газовой фазы (PECVD). Затем на мембране формируют алюминиевые шины питания и чувствительный элемент 4. Следующим шагом проводят операцию сухого травление кремниевой пластины в Bosch процессе с обратной стороны до SiO c целью формирования полости 5. Далее на пластине 2 формируют диэлектрическую мембрану 3. После этого наносят адгезив 7 и выполняют операцию соединения (бондинга) текущей структуры с пластинами 2,6. В процессе бондинга соединяемые элементы помещаются в рабочую камеру, из которой откачивается воздух от 1000 мбар (1 атм) до 0,8 мбар. Затем атмосфера рабочей камеры заполняется криптоном Kr(0.0095 Вт/м⋅К) и проводится соединение при температуре не менее 150°С.
Необходимо учитывать то, что деформация мембраны не превышает 15% от расстояния между мембраной и нагревателем, что необходимо для обеспечения чувствительности выше порога детектирования равного 0.25 мК/Па в большей части диапазона измеряемых давлений.
Для нормальной работы датчика при глубине полости 30 мкм достаточно толщины мембраны чуть более 1 мкм (при этом максимальная деформация мембраны не будет превышать 25 мкм).
Для стабильной работы датчика важно обеспечить хорошую герметизацию полости и достаточную механическую прочность мембраны (для предотвращения прикосновения мембраны к плоскости нагревателя при атмосферном давлении, что может привести к ее разрушению).
Таким образом, использование стандартных технологических операций изготовления датчика повышает его срок эксплуатации. Высокая энергоэффективность достигается за счет того, что потребляемая мощность определяется только величиной тока подаваемого на нагреватель. При этом рабочий диапазон давлений определяется собственными шумами чувствительного элемента.
Источники информации:
1. Патент RU 2545085, МПК G01L 19/00, опубл. 27.03.2015
2. Патент RU 2243518, МПК G01L 13/02, G01L 9/00, опубл. 27.12.2004.
3. Патент RU 2251087, МПК G01L 9/12, опубл. 27.04.2005 - прототип.