Интегральный преобразователь давления
INTEGRATED PRESSURE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к полупроводниковым датчикам давления с мостовой измерительной цепью и может быть использовано в различных системах контроля и (или) измерения давления жидкостей и газов.
Известна матрица интегральных преобразователей давления [Патент RU 2362236 C1, G01L 9/04], содержащая несколько интегральных преобразователей давления (ИПД) на основе тонких кремниевых мембран с тензорезистивными чувствительными элементами, включенными по мостовой схеме. Для достижения высокого разрешения и высокой точности измерения тактильного давления, ИПД сформированы на едином монокристаллическом кремниевом кристалле с равномерным шагом по двум ортогональным направлениям и соединены в единую электрическую схему слоем металлизации с внешними выводами, предназначенными для подачи напряжения питания на тензомост и регистрации выходного электрического сигнала, пропорционального приложенному давлению, с каждого ИПД, а также измерения температуры кристалла с помощью интегрального диффузионного резистора или диода.
Недостатками данного технического решения является низкая точность, обусловленная различием температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) и сопротивлений тензорезисторов вследствие технологического разброса при формировании резисторов и низкая надежность, обусловленная высокой сложностью монтажа и большими габаритными размерами матрицы при сравнительно малой толщине кристалла.
Известен полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации [Патент RU 2537517 C1, G01L 9/00], содержащий полупроводниковый кристалл, вырезанный в виде пластины. При этом в пластине выполнена тонкостенная диафрагма, в которой сформированы четыре тензорезистора измерительной мостовой схемы, а также два тонкопленочных резистора, подключенных первыми выводами к базе транзистора, а вторыми выводами соответственно к его эмиттеру и коллектору. Тонкопленочные резисторы выполнены из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления. На полупроводниковом кристалле вне тонкостенной диафрагмы расположены дополнительный тензорезистивный мост и резистор с высоким температурным коэффициентом сопротивления, имеющий отдельные от общей схемы выводы. Полупроводниковый кристалл расположен на подставке, состоящей из стеклянной подложки и полой цилиндрической металлической подставки с наружной резьбой, изготовленных из материалов с одинаковыми коэффициентами теплового расширения.
Недостатком данного технического решения является недостаточная точность в части температурного ухода начального выходного сигнала и величины начального выходного сигнала, обусловленных различием температурных коэффициентов сопротивлений (ТКС) и сопротивлений тензорезисторов соответственно, вследствие технологического разброса при формировании резисторов. Еще одним недостатком является низкая надежность, обусловленная более сложным циклом изготовления за счет напыления двух тонкопленочных резисторов и формирования транзистора.
+
+
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является интегральный преобразователь давления [Патент RU 2278447 C2, G01L 9/04], содержащий кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой мембраной в центре кристалла с обратной стороны. На рабочей поверхности кристалла сформированы радиальные и тангенциальные тензорезисторы р-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему. Соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуществлено с помощью специально созданных за пределами мембраны и за ее переходными областями промежуточных высоколегированных областей р-типа проводимости, которые охватывают часть мембраны, переходную область и часть кремниевого основания. Промежуточные области р-типа проводимости имеют одинаковые размеры и форму.
Недостатком прототипа является низкая точность, обусловленная высокой температурной погрешностью, за счет различия температурных коэффициентов тензорезисторов и разбаланса начального выходного сигнала на чувствительном элементе.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности преобразователя.
Поставленная цель достигается тем, что в интегральном преобразователе давления, содержащем кремниевый кристалл n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой мембраной в центре кристалла с обратной стороны, на рабочей поверхности которого сформированы радиальные тензорезисторы р-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки в мостовую схему, согласно предлагаемому изобретению мембрана выполнена квадратной, на поверхности которой с обратной стороны кристалла методом анизотропного травления сформирован квадратный жесткий центр, при этом по периметру мембраны и жесткого центра с рабочей стороны кристалла выполнены одинаковые по форме и размерам тензорезисторы, соединенные попарно, образуя четыре полумоста с возможностью выбора идентичных рабочих тензорезисторов для настройки температурных уходов выходного сигнала, а на рабочей поверхности кристалла вне зоны мембраны выполнены гальванически развязанные три группы сопротивлений из последовательно соединенных резисторов с возможностью выборки номинала сопротивления для настройки выходных сигналов и четыре последовательно соединенных терморезистора, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру рабочей поверхности кристалла.
Кроме того, на рабочей поверхности кристалла для изоляции сформирован диэлектрический слой.
Повышение точности обеспечивается за счет компенсации температурной погрешности и за счет настройки разбаланса выходного сигнала.
Компенсация температурной погрешности реализуется:
- четырьмя терморезисторами, позволяющими измерять температуру окружающей среды и температуру схемы кристалла, с последующей компенсацией температурных уходов преобразователя давления;
- восемью рабочими тензорезисторами, попарно соединенными и образующими четыре полумоста, обеспечивающими настройку температурных уходов сигнала путем выбора рабочих тензорезисторов с минимальным разбросом температурных коэффициентов сопротивления и тензочувствительности.
Вместе с тем, наличие трех групп сопротивлений из последовательно соединенных резисторов с возможностью выбора номинала сопротивления обеспечивают настройку начального разбаланса выходного сигнала, тем самым повышают точность измерения давления.
Фиг. 1 - Интегральный преобразователь давления (разрез и аксонометрическая проекция).
Фиг. 2 - Электрическая схема интегрального преобразователя давления.
Интегральный преобразователь давления содержит кремниевый кристалл 1 n-типа проводимости с плоской рабочей поверхностью и тонкой квадратной мембраной 2 в центре кристалла 1 с обратной стороны. На рабочей поверхности кристалла 1 сформированы радиальные тензорезисторы 3 р-типа проводимости, соединенные с помощью металлической электрической разводки 4 в мостовую схему. На поверхности мембраны 2 с обратной стороны кристалла 1 методом анизотропного травления сформирован квадратный жесткий центр 5. По периметру мембраны 2 и жесткого центр 5 с рабочей стороны кристалла 1 выполнены одинаковые по форме и размерам тензорезисторы 3, соединенные попарно, образуя четыре полумоста R1 - R8 (фиг. 1, 2), с возможностью выбора идентичных рабочих тензорезисторов 3 для настройки температурных уходов выходного сигнала. На рабочей поверхности кристалла 1 вне зоны мембраны 2 выполнены гальванически развязанные три группы сопротивлений из последовательно соединенных резисторов R10 - R13, R14 - R17, R18-R21 (фиг. 1, 2), с возможностью выбора номинала сопротивления для настройки выходных сигналов. Четыре последовательно соединенные терморезистора R9 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру рабочей поверхности кристалла 1.
Кроме того, на рабочей поверхности кристалла 1 сформирован диэлектрический слой 6, а металлизированная контактная площадка 34 является технологической и служит для отбраковки преобразователя по величине токов утечки и напряжения пробоя на стадии изготовления преобразователя.
Интегральный преобразователь давления работает следующим образом.
На соединенные в зависимости от результатов настройки контактные площадки (8-32) подается напряжение питания измерительного моста. Значения выходного сигнала снимают с контактных площадок 7 и 33. При отсутствии давления измерительный мост находится в состоянии равновесия, а при подаче давления происходит деформация мембраны 2. При этом тензорезисторы 3 (R1-R8), выбранные по результатам настройки с наиболее схожими значениями температурного коэффициента сопротивления и расположенные по периметру мембраны 2 и жесткого центра 5 изменяют свои сопротивления и на выходе измерительного моста (7 и 33) появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.
Наличие тензорезисторов R1 - R8, трех групп сопротивлений R10 - R13, R14 - R17, R18 - R21 (фиг. 1, 2) позволяет осуществлять настройку начального выходного сигнала, температурного ухода начального сигнала, температурного ухода чувствительности преобразователя при измерении, как избыточного, так и абсолютного давления в широком интервале температур, путем создания опорного давления с одной из сторон преобразователя. Например, при создании опорного давления со стороны рабочей поверхности кристалла 1, его жесткой заделки и подачи давления с обратной стороны тензорезисторы R1, R3, R5, R7 растягиваются, а тензорезисторы R2, R4, R6, R8 сжимаются. При изменении направления задаваемого давления, наоборот, при этом происходит изменение их сопротивления и на выходе настраиваемого измерительного моста появляется сигнал, пропорциональный измеряемому давлению.
При изменении рабочей температуры происходит изменение сопротивлений тензорезисторов 3 (R1 - R8), которое и из-за технологического разброса при формировании может отличаться больше, чем на 10%. На практике для выполнения термокомпенсации начального выходного сигнала и сохранения баланса мостовой схемы необходимо выполнение следующих условий:
1
2
3
4
где R, R, R, R - сопротивления тензорезисторов при НКУ,
1
2
3
4
η, η, η, η - ТКС тензорезисторов.
0
в
норм
нижн.
верхн.
Исходя из этих условий, уменьшения температурных уходов нуля и косвенно чувствительности возможно методом подбора пар тензорезисторов с одинаковым ТКС. В связи с этим наличие восьми тензорезисторов, одинаковых по форме типа «меандр» и размерам позволяет подобрать 16 возможных различных вариантов их применения, таким образом, чтобы ТКС и ТКЧ парных резисторов был максимально близок друг к другу. Для этого необходимо определить значения выходного сигнала при начальном давлении Р=Р и при номинальном давлении Р=Р по следующим формулам, при температурах 20°С (нормальная рабочая температура Т), Т и Т:
пит
где U - напряжение питания, в мВ;
t
t
R1 - R8 - значение сопротивлений резисторов при 20°С, верхней и нижней рабочей температуре.
Для определения температурного ухода начального выходного сигнала и чувствительности необходимо рассчитать чувствительность по следующей формуле:
t
в
нижн
верхн
где UР - выходной сигнал при верхнем значении измеряемого давления при температурах 20°С, Т, Т;
tР0
нижн
верхн
U - выходной сигнал при нижнем значении измеряемого давления при температурах 20°С, Т, Т.
В соответствии с рассчитанными значениями начального выходного сигнала и чувствительности необходимо рассчитать значение температурного ухода начального выходного сигнала β:
0
верхн
0
нижн
верх
нижн
где U (Т), U (Т) - значения начального выходного сигнала при верхней Т и нижней Т рабочих температурах соответственно, рассчитанные по формулам (2-17);
U (20°С) - значение чувствительности при 20°С, рассчитанное по формуле (18);
ΔT - диапазон рабочих температур.
Рассчитать значение температурного ухода диапазона изменения выходного сигнала а по формуле:
верхн
нижн
верхн
нижн
где U (Т), U (Т), U (20°С) - значения чувствительности при верхней Т, нижней Т рабочих температурах и 20°С соответственно, рассчитанные по формуле (18).
Для настройки начального выходного сигнала при измерении избыточного или абсолютного давления на рабочей поверхности кристалла вне зоны мембраны выполнены гальванически развязанные три группы сопротивлений из последовательно соединенных резисторов разного сопротивления, которые не испытывают напряжения при деформации мембраны и их сопротивление не изменяется. Это позволяет, учитывая значения температурных коэффициентов сопротивлений данных резисторов, одновременно производить более точную настройку начального выходного сигнала и температурных уходов. При этом, используя нанесенную металлизацию и золотые перемычки, возможно 42592 варианта разварки. Формирование резисторов R1-R8, R10-R21 происходит при одинаковом уровне легирования, что способствует наилучшей настройке. По результатам расчетов выбирается наилучшее по значениям начального выходного сигнала и температурным уходам сочетание резисторов.
-4
-3
В результате предложенная конструкция интегрального преобразователя давления позволяет измерять избыточное и абсолютное давление среды в диапазоне от 0 до 400 МПа (в зависимости от толщины и площади мембраны и жесткого центра) в широком температурном диапазоне (в зависимости от технологии формирования измерительной схемы), с основной приведенной погрешностью до 0,02%, температурным уходом начального выходного сигнала не хуже 3⋅10 1/°С и температурным уходом чувствительности не хуже 3⋅10 1/°С.
Технический результат заключается в повышении точности преобразователя, за счет термокомпенсации начального выходного сигнала и чувствительности и настройки начального разбаланса выходного сигнала.