ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
INTEGRATED PRESSURE TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических воздействий (давления, силы и т.д.).
Предпочтительно изобретение направлено на обеспечение высокоточных измерений в области малых давлений от 0,1 кПа до 100 кПа в широком интервале температур с верхним пределом до +125°С.
Наиболее близким по своей технической сущности является патент США № 4065970, МПК G01L 9/00, опубл. 14 мая 1976 г., автор WILNER LESLIE В. под названием "Diffused semiconductor pressure gauge". Автор предлагает интегральный преобразователь давления с круглой мембраной с боковыми срезами, расположенной в плоскости (100), на которой анизотропным травлением сформированы две широкие твердые области разной ширины (жесткие центры), вытянутые в направлении [011]. При этом между краями мембраны и краями жестких центров образуются участки мембраны с малой толщиной. Расстояние между краями жестких центров в плоскости дна мембраны в два раза больше, чем расстояние между краем мембраны и краем первого жесткого центра и в несколько раз меньше, чем расстояние между краем мембраны и краем второго жесткого центра. Четыре диффузионных резистора располагаются попарно в середине первых двух участков мембраны с малой толщиной по направлению [011], в которых по утверждению автора патента под действием давления создаются одинаковые механические напряжения. При этом под действием давления сопротивление первых двух резисторов увеличивается, а двух вторых уменьшается. Резисторы объединены в мост Уитстона. Для снижения механического гистерезиса и уменьшения сопротивления подводящих проводников связь тензорезисторов с внешней металлической разводкой на тонкой части мембраны выполнена широкими областями p-типа с той же концентрацией, что и тензорезисторы, и алюминиевыми проводниками на твердых центрах.
Предложенная конструкция позволила реализовать преобразователь на малые давления с высокой чувствительностью и хорошей линейностью. Существенным недостатком предлагаемого изобретения является неодинаковость размеров жестких центров и неравномерность их расположения. Представляется неочевидной одинаковость напряжений в зоне расположения тензорезисторов. При этом из-за несимметричности расположения жестких центров имеет место неравномерность теплоотвода от тензорезисторов и, как следствие, температурный гистерезис. В данной конструкции температурный гистерезис выходного сигнала должен быть значительным и из-за близкого расположения алюминиевых проводников к участкам мембраны с малой толщиной. Неодинаковость формы концов тензорезисторов приводит к повышенному начальному разбалансу моста.
Известны работы [1, 2], в которых приводятся характеристики интегральных преобразователей давления (ИПД) с плоской мембраной и с мембраной, на которой сформированы один или несколькими жестких центров. Использование преобразователей давления с плоской мембраной ниже границы в 100 кПа возможно, но с более низкими метрологическими характеристиками. Чем ниже величина измеряемого давления, тем тоньше должна быть мембрана. С утонением мембраны сокращается линейный участок преобразовательной характеристики и все погрешности возрастают.
В [1] для интегрального преобразователя давления с одним жестким центром все тензорезисторы идентичны по геометрии и параллельны между собой. Два из них расположены у края жесткого центра в зоне сжатия (при нагружении мембраны сверху), два у края мембраны в зоне растяжения. Идентичность всех тензорезисторов обеспечивает минимальный начальный разбаланс моста, а их тангенциальное расположение минимизирует нелинейность преобразовательной характеристики. Это объясняется тем, что в случае тангенциальных тензорезисторов они находятся в зоне равных механических напряжений, а в случае радиальных - в зоне с их переменной величиной. В случае плоской мембраны или мембраны с одним жестким центром сама конструкция радиального тензорезистора делает практически невозможным обеспечение условий равномерного распределения механических напряжений вдоль тензорезистора по сравнению с конструкцией тангенциальных резисторов.
В [2] авторы указывают, что нелинейность преобразовательной характеристики для интегрального преобразователя с тремя жесткими центрами снижается относительно значения нелинейности для интегрального преобразователя с одним жестким центром при одинаковых геометрических параметрах мембраны: площади и толщине, что позволяет повысить уровень выходного сигнала и снизить диапазон измерений в область меньших давлений, но данных о конструктивных параметрах интегральных преобразователях давления с несколькими жесткими центрами не приводится.
Известен патент РФ 2271523 С2, МПК G01L 9/04 опубл. 10 марта 2006 г., авторы Баринов Илья Николаевич, Козин Сергей Алексеевич под названием «Полупроводниковый преобразователь давления». Авторы предлагают конструкцию, содержащую профилированную мембрану с двумя жесткими центрами. Центр каждого из четырех тензорезисторов совпадает с краем мембраны или жесткого центра, при этом авторы не определяют расстояние между жесткими центрами. В случае, если концентраторы далеко отстоят друг от друга, то выигрыш за счет увеличения числа концентраторов будет незначительным. Кроме того, при изготовлении преобразователя небольшое рассовмещение шаблонов для формирования тензосхемы с лицевой стороны пластины и шаблона для формирования мембраны с обратной стороны приводит к попарному смещению резисторов в области с разной величиной механической напряженности, что приводит к возрастанию нелинейности преобразовательной характеристики. В патенте предлагается техническое решение, согласно которому может быть реализована толщина мембраны 2-3 мкм, а величина измеряемого давления менее 10 Па. Предлагаемое техническое решение не может быть использовано для создания тензопреобразователей с толщиной мембраны из диапазона от 15 до 30 мкм, необходимой для давлений от 0,1 до 100 кПа.
Целью изобретения является повышение эффективности преобразования давления в электрический сигнал и расширение функциональных возможностей интегрального преобразователя давления.
Цель достигается тем, что интегральный преобразователь давления выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона. Со второй стороны указанной монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из параллельных канавок и соединяющих их концы между собой полостей, имеющих общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую жесткие центры. Каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на отдельном прямолинейном тонком участке мембраны над одной соответствующей канавкой, продольная ось которой параллельна продольной оси соответствующего тензорезистора. Прямолинейный тонкий участок со второй стороны мембраны имеет ширину от 5 до 100 мкм и длину не менее 0,7 длины тензорезистора. Продольные границы указанного тонкого участка мембраны параллельны тензорезистору, а в промежутках между этими тонкими участками мембраны расположены три жестких центра.
Техническим результатом совокупности признаков изобретения является обеспечение высокоточных измерений в области малых давлений от 0,1 до 100 кПа в широком интервале температур с верхним пределом до +125°С. Интегральный преобразователь давления предлагаемой конструкции дает на выходе моста Уитстона электрический сигнал вдвое больший, чем ИПД известных конструкций при одинаковом давлении и при прочих равных условиях (размер и толщина мембраны, напряжение на входе моста Уитстона). Общая симметричность конструкции при повышенной чувствительности обеспечивает снижение температурных погрешностей, что обеспечивает повышение точности работы в более широком диапазоне температур, этим достигается расширение функциональных возможностей интегрального преобразователя давления.
Интегральный преобразователь давления имеет сопряжение поверхностей тонких участков мембраны с боковыми гранями мембраны и жестких центров, которое выполнено криволинейной поверхностью с радиусом скругления от 3 до 10 мкм.
Это делается с целью повышения стойкости и прочности мембраны к перегрузке по давлению.
На Фиг.1 представлен вид на пластину интегрального преобразователя давления со стороны схемы электрических соединений.
На Фиг.2 представлен вид на пластину интегрального преобразователя давления со стороны углубления.
На Фиг.3 - фрагмент вида Фиг 2.
На Фиг.4 представлен поперечный разрез пластины интегрального преобразователя давления.
На Фиг.1 представлен вид на пластину 1 интегрального преобразователя давления со стороны схемы электрических соединений. На пластине 1, ориентированной в плоскости (100), расположены четыре диффузионных резистора p-типа проводимости 2, 3, 4, 5, вытянутых в направлении [011] и объединенных в мост Уитстона, и схема температурной компенсации 17. Электрические связи выполнены широкими областями 15 р+-типа проводимости, соединенными с металлической разводкой 16 за пределами углубления, сформированного с другой стороны пластины (см. Фиг.2), что обеспечивает снижение температурного гистерезиса начального выходного сигнала (или уход нуля), температурного гистерезиса чувствительности и обеспечивает сохранение точностных характеристик в широком диапазоне температур.
На Фиг.2 представлен вид на пластину 1 интегрального преобразователя давления со стороны углубления. На Фиг.3 - его фрагмент в увеличенном масштабе. Углубление состоит из параллельных канавок 6 и полостей 7, соединяющих их концы. Канавки 6 и полости 7 имеют общее дно 18 (Фиг.4) и совместно с первой стороной пластины 1 образуют тонкую часть мембраны, окружающую жесткие центры 12 и формируют тонкие прямолинейные участки 8, 9, 10, 11 (Фиг.4) со второй стороны мембраны с шириной а от 5 до 100 мкм и длиной в не менее 0,7 длины тензорезистора. Продольная ось 19 каждого тонкого участка, границы мембраны 14 и жесткого центра 13 в пределах прямолинейного тонкого участка расположены в направлении [011] и параллельны оси 20 соответствующего тензорезистора.
На Фиг.4 представлен поперечный разрез пластины 1 интегрального преобразователя давления. Диффузионные тензорезисторы 2, 3, 4, 5, сформированные на первой стороне пластины 1, причем каждый тензорезистор размещен на отдельном тонком участке мембраны 8, 9, 10, 11 параллельно направлению [011]. При таком расположении тензорезисторы оказываются в зоне максимальных механических напряжений и максимальной чувствительности. Ширина прямолинейного тонкого участка мембраны обеспечивает практически удвоение механических напряжений на мембране в области между гранями за счет сложения напряжений, возникающих у края отдельного жесткого центра. Дальнейшее увеличение ширины приводит к снижению чувствительности. При значении ширины ниже 5 мкм чувствительность также снижается, так как тензорезистор оказывается на толстой части мембраны. Длина прямолинейного тонкого участка мембраны обеспечивает одинаковость механических напряжений вдоль тензорезистора, что необходимо для линейности преобразовательной характеристики.
При таком расположении тензорезисторов значение нелинейности преобразовательной характеристики практически одинаково как при действии давления с первой стороны пластины, где располагается тензосхема, (работа «на прижим»), так и с обратной стороны - при работе «на отрыв». Равенство значений нелинейности в этих двух случаях расширяет возможности применения тензопреобразователей в датчиках различного назначения, например в датчиках давления-разрежения. Кроме того, такое расположение тензорезисторов устойчиво к некоторому технологическому рассовмещению и разориентации шаблонов по формированию первой и второй стороны тензопреобразователя, то есть, например, когда имеется не параллельность оси 19 тонкого участка 11 оси тензорезистора 20.
В местах соединения боковых граней мембраны 21 граней жесткого центра 22 с плоскостью (100) выполнены криволинейные поверхности сопряжения с радиусом от 3 до 10 мкм, что обеспечивает многократное повышение прочности к перегрузочным давлениям.
Источники информации
1. В.Н.Зимин, Н.Л.Данилова, В.В.Панков, Д.В.Шабратов. Базовые конструкции интегральных тензопреобразователей на ряд давлений от 0,01 до 40 МПа // Датчики и системы. 1999, № 2.
2. Н.А.Шелепин, В.В.Амеличев, Н.Л.Данилова, А.Ю.Павлов, В.В.Панков. Разработка серии интегральных преобразователей давления // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2007, № 1.
3. Патент US 4 065 970 Diffused semiconductor pressure gauge. 1978-01-03, авторы Wilner Leslie B, Becton Dickinson CO, МПК G01L 9/00, G01L 9/06.
4. Патент RU 2271523 C2, МПК G01L 9/00, опубл. 2006.01, авторы: Баринов Илья Николаевич, Козин Сергей Алексеевич, «Полупроводниковый преобразователь давления».