ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к конструированию и изготовлению датчиков давления, включающих полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире», выполненный по планарной микроэлектронной технологии и технике анизотропного травления.
Известна конструкция датчика давления, содержащая основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек, присоединенных микросваркой, крышку, защищающую полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий [Патент ГДР №225501, кл. G01L 9/06, 1985].
Существенные признаки аналога, общие с заявленным устройством, следующие: основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание, которое герметично закреплено между корпусом и крышкой, крышка, защищающая полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий.
Недостатками известной конструкции датчика давления являются: большая длина тонких коммутационных проволочек между полупроводниковым чувствительным элементом и токопроводами, что снижает надежность сварного соединения при механических воздействиях, относительно большая сложность конструкции и трудоемкость сборки датчика в целом, жесткая связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика, что несмотря на наличие стеклянного пьедестала в определенных случаях может привести к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, передаваемых от корпуса датчика на полупроводниковый чувствительный элемент.
Известна конструкция датчика давления, содержащая упругую жесткозащемленную мембрану с опорным основанием, на которой расположен диэлектрический слой с тензочувствительными элементами и контактными площадками (полупроводниковый чувствительный элемент), цилиндрическую контактную колодку с размещенными на периферии контактами и частично расположенные на поверхности контактных площадок и диэлектрика плоские выводные проводники, соединяющие контактные площадки и контакты колодки [Патент РФ №2032156, кл. 6 G01L 9/04, 1995].
Существенные признаки аналога, общие с заявленным устройством, следующие: основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, расположенный на жесткозащемленной мембране, которая герметично закреплена между корпусом и крышкой, крышка, защищающая полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий.
Недостатками известной конструкции датчика давления являются: большая сложность конструкции, большая сложность и трудоемкость сборки датчика в целом, жесткая связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция датчика давления, содержащая полупроводниковый чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, который соединен со стеклянной или кремниевой пластиной с образованием полости между ними, крышку, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную мембрану, на которой смонтированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, при этом полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны, а в крышке и пластине выполнены отверстия [Патент РФ №2082127, кл. G01L 9/04, 1997].
Недостатками известной конструкции датчика являются соединение полупроводникового чувствительного элемента со стеклянной или кремниевой пластиной, что приводит к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, относительная сложность конструкции.
Существенные признаки прототипа, общие с заявленным устройством, следующие: корпус, герметично закрепленная между корпусом и крышкой эластичная подвеска, выполненная в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышка, герметично соединенная с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение надежности конструкции датчика давления при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений и снижение трудоемкости при изготовлении датчика в целом.
Технический результат достигается тем, что полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.
Для достижения технического результата в датчике давления, содержащем корпус, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную подвеску, выполненную в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышку, герметично соединенную с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними, полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.
На фиг.1 представлен разрез конструкции датчика абсолютного, избыточного или разности давлений. На фиг.2 представлен вид сверху со снятой крышкой.
На фиг.1: 1 - полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» с тензорезисторами, 2 - керамическая чашка, 3 - полость, 4 - корпус, 5 - крышка, 6 - эластичная гофрированная мембрана, 9 - паяное соединение, 11 - отверстия для измерения избыточного и разности давлений, 12 - надмембранная полость, 13 - подмембранная полость, 14 - эластичный компаунд.
На фиг.2: 7 - токоведущие дорожки, 8 - контактные площадки, 10 - выходные контакты для внешней электрической коммутации.
Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» 1, выполненный по планарной технологии и технике анизотропного травления, жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой 2 с образованием полости 3. Полупроводниковый чувствительный элемент установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7. На металлизированной поверхности эластичной мембраны 6 химическим методом сформированы контактные площади 8, электрически контактирующие с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента через паяное соединение 9, токоведущие дорожки 7, выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. Для измерения избыточного и разности давлений в чашке 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1 эластичным компаундом 14, например СИЭЛ.
Работа датчика основана на использовании тензорезистивного эффекта. Измеряемое давление изгибает упругий чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» 1, который жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой 2 с образованием полости 3 и установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7, что приводит к деформации расположенных на нем тензорезисторов, включенных в мостовую схему, на выходе которой формируется электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенному измеряемому давлению. Этот электрический сигнал передается через паяные соединения 9, контактные площадки 8 и токоведущие дорожки 7 на выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. Для измерения избыточного и разности давлений в чашке 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1 эластичным компаундом 14, например СИЭЛ.
Применение полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» позволяет избежать явления гистерезиса и усталостных явлений, так как в интегральных схемах на основе структуры «кремний на сапфире» отсутствует p-n-переход, в качестве упругого элемента используется сапфир, который прочнее и жестче кремния, это позволяет работать с большим уровнем деформаций, чем в других интегральных полупроводниковых чувствительных элементах; сапфир химически и радиационно стоек, поэтому интегральные схемы на основе структуры «кремний на сапфире» могут работать в условиях высокой радиации. Использование алюмосиликатной керамики в качестве керамической чашки позволяет исключить влияние монтажных и термомеханических напряжений на полупроводниковый чувствительный элемент, а также уменьшить температурную зависимость начального выходного сигнала благодаря близости температурных коэффициентов расширения алюмосиликатной керамики и лейкосапфира в кристаллографической плоскости (0112).