Чувствительный элемент давления с повышенной механической прочностью

Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использована в малогабаритных преобразователях давления в электрический сигнал.
+
Известен микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, содержащий корпус, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления с интегральным преобразователем давления, основание, а также лицевой и оборотный механические предохранительные упоры, выполненные из одного материала и соединенные слоями легкоплавкого стекла в вакууме, состоящие из симметричных крестообразных выступов, расположенных симметрично продольной и поперечной плоскостям симметрии трех жестких центров на мембране с прочностью, достаточной, чтобы выдержать перегрузочное давление, превышающее критическое давление разрушения мембраны интегрального преобразователя давления, и с зазором между тремя жесткими центрами и выступами упоров в 1,5-5,0 раз больше, чем свободное перемещение мембраны при номинальном давлении в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров с механическими упорами при превышении номинального давления, где оборотный упор имеет одинаковые габариты с габаритами интегрального преобразователя давления и жестко связан с периферической частью мембраны интегрального преобразователя давления и с выполненной в нем полостью, а также содержащий, по меньшей мере, один канал с окном в корпусе для подвода давления измеряемой среды к полости механического предохранительного упора, и лицевой механический упор имеет габариты меньше расстояния между контактными площадками интегрального преобразователя давления, но больше утоненной части мембраны, и жестко связан с периферической частью мембраны интегрального преобразователя давления и с выполненной в нем полостью, а также содержащий отверстии, расположенные за пределами проекции выходного окна канала подвода давления измеряемой среды к утоненной части мембраны, и мембрана интегрального преобразователя давления выполнена с утолщенной опорной периферической частью. Интегральный преобразователь давления состоит из оборотной механической стороны с утолщенной частью, утоненной частью и тремя жесткими центрами, сформированными путем глубокого анизотропного травления, и лицевой стороны, на которой с помощью процесса диффузионного легирования сформированы четыре тензорезистора p-типа проводимости, объединенные в мостовую схему алюминиевыми металлизированными дорожками с металлизированными контактными площадками и токоведущими областями p-типа проводимости. На лицевой и оборотной сторонах интегрального преобразователя давления выполнены защитные канавки. Патент РФ на изобретение № 2564376, МПК G01L 19/06, 27.09.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая перегрузочная механическая прочность чувствительного элемента давления при подаче давления со стороны квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления, поскольку лицевой упор имеет меньшие объемные габариты и создается с помощью более усложненного технологического маршрута.
Полезная модель устраняет недостатки прототипа.
Техническим результатом полезной модели является увеличение перегрузочной механической прочности чувствительного элемента давления при подаче давления со стороны квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент давления с повышенной механической прочностью содержит интегральный преобразователь давления, имеющий лицевую сторону с тензорезисторами, средствами электрических соединений и контактными площадками, объединенными в мостовую схему, и оборотную механическую сторону с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью и с тремя жесткими центрами квадратной кремниевой мембраны; основание, имеющее отверстие для подвода давления измеряемой среды к утоненной части квадратной кремниевой мембраны; оборотный механический упор чувствительного элемента давления, жестко связанный с утолщенной частью квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления и с выполненной в нем полостью, а также имеющий отверстия для подвода давления измеряемой среды к утоненной части квадратной кремниевой мембраны, а также оборотный механический упор имеет симметричный крестообразный выступ, расположенный симметрично продольной и поперечной плоскостям симметрии трех жестких центров на квадратной кремниевой мембране и с прочностью, достаточной, чтобы выдержать перегрузочное давление, превышающее критическое давление разрушения квадратной кремниевой мембраны; при этом квадратная кремниевая мембрана интегрального преобразователя давления выполнена с возможностью свободного перемещения утоненной части и трех жестких центров квадратной кремниевой мембраны под действием номинального давления в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров с оборотным механическим упором при превышении номинального давления, то есть с зазором между тремя жесткими центрами и крестообразным выступом оборотного механического упора в 1,5-5,0 раз больше, чем свободное перемещение утоненной части и трех жестких центров квадратной кремниевой мембраны при номинальном давлении; и лицевой механический упор чувствительного элемента давления, где все элементы чувствительного элемента давления сформированы из кремния и соединены соосно слоями легкоплавкого стекла в вакууме последовательно между основанием и оборотным механическим упором чувствительного элемента давления в области контакта соединения, а также между оборотным механическим упором чувствительного элемента давления и интегральным преобразователем давления в области утолщенной части квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления, лицевой механический упор чувствительного элемента давления выполнен в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы, а также сформирован из кремния и соединен слоями легкоплавкого стекла, расположенных по периметру лицевого механического упора, в вакууме с интегральным преобразователем давления в области утолщенной части квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления, где ширина слоев легкоплавкого стекла меньше, чем расстояние между контактной площадкой интегрального преобразователя давления и гранью между утолщенной частью и утоненной частью квадратной кремниевой мембраны, и длина слоев легкоплавкого стекла лежит в диапазоне от 1/2 до 3/4 размеров стороны лицевого механического упора чувствительного элемента давления, при этом размер стороны основания правильной четырехугольной призмы лицевого механического упора чувствительного элемента давления меньше расстояния между контактными площадками интегрального преобразователя давления, но больше утоненной части квадратной кремниевой мембраны; где квадратная кремниевая мембрана интегрального преобразователя давления имеет возможность для свободного перемещения утоненной части и трех жестких центров квадратной кремниевой мембраны вдоль оси симметрии чувствительного элемента давления под действием номинального давления, подаваемого со стороны квадратной кремниевой мембраны, в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров квадратной кремниевой мембраны с лицевым механическим упором в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы чувствительного элемента давления при превышении номинального давления, за счет толщины зазора, образующего полость при заданной толщине слоев легкоплавкого стекла между интегральным преобразователем давления и лицевым механическим упором в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы чувствительного элемента давления, а также между лицевым механическим упором чувствительного элемента давления и лицевой стороной интегрального преобразователя давления в четырех углах лицевого механического упора чувствительного элемента давления, там где отсутствует соединение слоями легкоплавкого стекла, формируются отверстия для подвода давления измеряемой среды с лицевой стороны интегрального преобразователя давления.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1–4.
На фиг. 1 представлен вид сверху чувствительного элемента давления.
На фиг. 2 представлен продольный разрез чувствительного элемента давления по оси симметрии (разрез А-А на фиг.1).
На фиг. 3 представлен продольный разрез чувствительного элемента давления (разрез Б-Б на фиг. 1).
На фиг. 4 представлен вид сверху оборотной механической стороны интегрального преобразователя давления.
В таблице приведены результаты математического расчета для сравнительного анализа двух видов лицевых механических упоров чувствительного элемента давления.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 – интегральный преобразователь давления;
2 – основание чувствительного элемента давления;
3 – оборотный механический упор чувствительного элемента давления;
4 – лицевой механический упор чувствительного элемента давления;
5 – лицевая сторона интегрального преобразователя давления;
6 – оборотная механическая сторона интегрального преобразователя давления в виде квадратной кремниевой мембраны;
7 – тензорезисторы интегрального преобразователя давления;
8 – средства электрических соединений интегрального преобразователя давления;
9 – контактные площадки интегрального преобразователя давления;
10 – утолщенная часть квадратной кремниевой мембраны;
11 – утоненная квадратной кремниевой часть мембраны;
12.1, 12.2, 12.3 – жесткие центры квадратной кремниевой мембраны;
13 – полость между интегральным преобразователем давления и оборотным механическим упором;
14 – полость между интегральным преобразователем давления и лицевым механическим упором;
15 – отверстие для подвода давления в основании;
16 – отверстия для подвода давления на лицевом механическом упоре;
17 – отверстия для подвода давления на оборотном механическом упоре;
18.1, 18.2, 18.3 – слои легкоплавкого стекла;
19 – крестообразный выступ оборотного механического упора;
20 – продольная плоскость симметрии трех жестких центров на квадратной кремниевой мембране;
21 – поперечная плоскость симметрии трех жестких центров на квадратной кремниевой мембране.
Устройство содержит чувствительный элемент давления, состоящий из интегрального преобразователя давления 1 квадратной формы любых размеров (вид сверху), основания 2 квадратной формы любых размеров (вид сверху), а также оборотного механического упора 3 квадратной формы с габаритами, равными габаритным размерам интегрального преобразователя давления 1 (вид сверху) и лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления квадратной формы, грани которого расположены в диапазоне геометрии меньшей расстояния между контактными площадками 9 интегрального преобразователя давления 1, но большей утоненной части 11 квадратной кремниевой мембраны 6 (вид сверху). Все элементы изготовлены из единого материала, в качестве которого используется кремний, и жестко связаны слоями легкоплавкого стекла 18.1, 18.2, 18.3 в вакууме последовательно между основанием 2 и оборотным механическим упором 3 чувствительного элемента давления в области контакта соединения, между оборотным механическим упором 3 чувствительного элемента давления и интегральным преобразователем давления 1 в области утолщенной части 10 квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1, и между интегральным преобразователем давления 1 и лицевым механическим упором 4 чувствительного элемента давления в области утолщенной части 10 квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1 в диапазоне геометрии меньшей расстояния между контактными площадками 9 интегрального преобразователя давления 1, но большей утоненной части 11 квадратной кремниевой мембраны 6.
Интегральный преобразователь давления 1 является основным элементом структуры, содержащим лицевую сторону 5, на которой сформирована электрическая мостовая схема по планарной технологии, и оборотную механическую сторону 6 в виде квадратной кремниевой мембраны 6, способной деформироваться при подаче давления. Лицевая сторона 5 содержит совокупность электрически связанных компонентов, состоящих из тензорезисторов 7, средств электрических соединений 8 и контактных площадок 9, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке. В пределах подачи номинального давления происходит деформация квадратной кремниевой мембраны 6 и, как следствие, меняется сопротивление тензорезисторов 7, расположенных на лицевой стороне 5 интегрального преобразователя давления 1, приводящее к изменению электрического сигнала, снимаемого с контактных площадок 9 интегрального преобразователя давления 1. Квадратная кремниевая мембрана 6 имеет утоненную часть 11, утолщенную часть 10 и три жестких центра 18.1, 18.2, 18.3. Квадратная кремниевая мембрана 6 создается анизотропным травлением. Три жестких центра 18.1, 18.2, 18.3 квадратной кремниевой мембраны 6 могут иметь как квадратное, так и другое сечение, любых геометрических размеров в зависимости от требований к элементу. Исходя из экспериментальных результатов, толщина утоненной части 11 квадратной кремниевой мембраны 6 в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 20 мкм до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя давления 1. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 11 квадратной кремниевой мембраны 6. Изготовление утоненной части 11 квадратной кремниевой мембраны 6 толщиной менее 20 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 11 квадратной кремниевой мембраны 6 существенно падает чувствительность интегрального преобразователя давления 1. Три жестких центра 18.1, 18.2, 18.3 и утолщенная часть 10 квадратной кремниевой мембраны 6, грани пересечения которых с утоненной частью 11 квадратной кремниевой мембраны 6, расположенные параллельно, образуют области механических напряжений. В областях механических напряжений с лицевой стороны 5 интегрального преобразователя давления 1 расположены тензорезисторы 7.
Основание 2 имеет отверстие 15 для подвода давления к интегральному преобразователю давления 1 со стороны оборотной механической части 6. Оборотный механический упор 3 чувствительного элемента давления имеет четыре симметрично выполненные отверстия 17 относительно геометрического центра оборотного механического упора 3 чувствительного элемента давления для подвода давления к интегральному преобразователю давления 1 со стороны оборотной механической части 6, а также крестообразный выступ 19 оборотного механического упора 3, расположенный симметрично продольной 20 и поперечной плоскостям симметрии трех жестких центров 21 на квадратной кремниевой мембране 6, необходимый для частичной остановки перемещения вдоль оси симметрии чувствительного элемента и, как следствие, сохранения целостности квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1 благодаря контакту хотя бы одного серединного жесткого центра 12.2 с крестообразным выступом 19 оборотного механического упора 3 при подаче перегрузочного давления со стороны лицевой части 5 интегрального преобразователя давления 1. Оборотный механический упор 3 чувствительного элемента давления за счет сформированной геометрии имеет механическую прочность в несколько раз выше, чем у квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1. Зазор, образующий полость 13 между интегральным преобразователем давления 1 и оборотным механическим упором 3 за счет толщины соединительных слоев легкоплавкого стекла 18.2, позволяет свободно перемещаться утоненной части 11 и трем жестким центрам 12.1, 12.2, 12.3 квадратной кремниевой мембраны 6 при подаче номинального давления с лицевой стороны 5 интегрального преобразователя давления 1.
Лицевой механический упор 4 чувствительного элемента давления, выполненный в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы, который совместно с лицевой стороной 5 интегрального преобразователя давления 1 и слоями легкоплавкого стекла 18.3, расположенных по периметру лицевого механического упора и имеющих ширину дорожки слоев легкоплавкого стекла 18.3 менее чем расстояние между контактными площадками 9 интегрального преобразователя давления 1 и гранью между утолщенной частью 10 и утоненной частью 11 квадратной кремниевой мембраны 6, полученную экспериментальным путем на основании потребности жесткого закрепления лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления с интегральным преобразователем давления 1, возможностью свободного внешнего соединения с контактными площадками 9 и отсутствием дополнительного существенного механического воздействия лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления на утоненную часть 11 квадратной кремниевой мембраны 6; и длину дорожки слоев легкоплавкого стекла 18.3 в диапазоне от 1/2 до 3/4 размеров стороны лицевого механического упора чувствительного элемента давления, полученную экспериментальным путем на основании потребности жесткого закрепления лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления с интегральным преобразователем давления 1 и с сохранением отверстий для подачи давления с лицевой стороны 5 интегрального преобразователя давления 1; формирует отверстия 16 для подвода давления измеряемой среды с лицевой стороны 5 интегрального преобразователя давления 1, получаемые за счет областей в углах лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления, где расположена площадь квадратной формы со стороной равной не менее чем 1/8 части стороны лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления, не содержащая соединение слоями легкоплавкого стекла 18.3, с толщиной отверстия 16 равной толщине соединительных слоев легкоплавкого стекла 18.3 между интегральным преобразователем давления 1 и лицевым механическим упором 4 чувствительного элемента давления. Зазор, образующий полость 14 между интегральным преобразователем давления 1 и лицевым механическим упором 4 за счет толщины соединительных слоев  легкоплавкого стекла 18.3, позволяет свободно перемещаться утоненной части 11 и трем жестким центрам 12.1, 12.2, 12.3 квадратной кремниевой мембраны 6 вдоль оси симметрии чувствительного элемента при подаче номинального давления с оборотной механической стороны 6 интегрального преобразователя давления 1. Лицевой механический упор 4 чувствительного элемента давления в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы жестко связан слоями легкоплавкого стекла 18.3 в вакууме с интегральным преобразователем давления 1 в области утолщенной части 10 квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1 в диапазоне геометрии, где размер стороны основания правильной четырехугольной призмы лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления меньше расстояния между контактными площадками 9 интегрального преобразователя давления 1, но больше утоненной части 11 квадратной кремниевой мембраны 6. Размер стороны основания правильной  четырехугольной призмы лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления обусловлен возможностью свободного внешнего соединения с контактными площадками и отсутствием дополнительного существенного механического воздействия лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления на утоненную часть 11 квадратной кремниевой мембраны.
Устройство работает следующим образом.
При подаче номинального давления на чувствительный элемент давления с оборотной механической стороны 6 интегрального преобразователя давления 1 через отверстие для подвода давления 15 в основании 2 чувствительного элемента давления, жестко связанного слоями легкоплавкого стекла 18.1 между основанием 2 и оборотным механическим упором 3 чувствительного элемента давления в области контакта соединения, а также отверстие для подвода давления 17 на оборотном механическом упоре 3 чувствительного элемента давления, жестко связанного слоями легкоплавкого стекла 18.2 в области утолщенной части 10 квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1, происходит перемещение утоненной части 11 и трех жестких центров 12.1, 12.2, 12.3 квадратной кремниевой мембраны 6 в полости 14 между интегральным преобразователем давления 1 и лицевым механическим упором 4 чувствительного элемента давления, приводящие к изменению сопротивления тензорезисторов 7, объединенных в мостовую схему средствами электрических соединений 8 и контактными площадками 9 интегрального преобразователя давления, сформированных на лицевой стороне 5 интегрального преобразователя давления 1. При подаче номинального давления на чувствительный элемент давления с лицевой стороны 5 интегрального преобразователя давления 1 через отверстие для подвода давления 16 на лицевом механическом упоре 4 чувствительного элемента давления, жестко связанного слоями легкоплавкого стекла 18.3 в области утолщенной части 10 квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1 и имеющего крестообразный выступ 19 оборотного механического упора 3, расположенного симметрично продольной 20 и поперечной плоскостям симметрии трех жестких центров 21 на квадратной кремниевой мембране 6, происходит перемещение утоненной части 11 и трех жестких центров 12.1, 12.2, 12.3 квадратной кремниевой мембраны 6 в полости 13 между интегральным преобразователем давления 1 и оборотным механическим упором 3 чувствительного элемента давления, приводящие к изменению сопротивления тензорезисторов 7, объединенных в мостовую схему средствами электрических соединений 8 и контактными площадками 9 интегрального преобразователя давления, сформированных на лицевой стороне 5 интегрального преобразователя давления 1.
При подаче перегрузочного давления с оборотной механической стороны 6 интегрального преобразователя давления 1 утоненная часть 11 и три жестких центра 12.1, 12.2, 12.3 квадратной кремниевой мембраны 6 перемещаются и лицевая сторона 5 интегрального преобразователя давления 1 соприкасается с лицевым механическим упором 4 чувствительного элемента давления, выполненным в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы, благодаря чему происходит частичная остановка перемещения квадратной кремниевой мембраны 6 и, как следствие, сохранение ее целостности. Лицевой механический упор 4 чувствительного элемента давления за счет сформированной геометрии имеет механическую прочность в несколько раз выше, чем у квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1. Зазор, образующий полость 14 между интегральным преобразователем давления 1 и лицевым механическим упором 4 за счет толщины соединительных слоев легкоплавкого стекла 18.3, позволяет свободно перемещаться утоненной части 11 и трем жестким центрам 12.1, 12.2, 12.3 квадратной кремниевой мембраны 6 при подаче номинального давления с оборотной механической стороны 6 интегрального преобразователя давления 1. В отличие от прототипа, содержащего усложненную форму с вытравленным крестообразным выступом, предложенный вид лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления, выполненный в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы, имеет большую механическую прочность. Технический результат был получен в ходе математического расчета и подтвержден при исследовании экспериментальных образцов чувствительных элементов давления. В таблице приведены результаты расчета для лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления с усложненной формой и вытравленным крестообразным выступом, а также с монолитной формой правильной четырехугольной призмы. Из таблицы можно сделать вывод, что при использовании лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления, выполненного в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы, относительно прототипа, содержащего усложненную форму с вытравленным крестообразным выступом, происходит снижение максимального перемещения и максимального механического напряжения квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1 и лицевого механического упора 4 чувствительного элемента давления при подаче перегрузочного давления со стороны квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1, то есть увеличивается перегрузочная механическая прочность чувствительного элемента давления.
Дополнительно лицевой механический упор 4 чувствительного элемента давления, выполненный в виде монолитной формы правильной четырехугольной призмы, может быть сформирован по более упрощенному технологическому маршруту создания элемента в отличие от усложненной формы лицевого механического упора с вытравленным крестообразным выступом, указанного в прототипе.
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно увеличение перегрузочной механической прочности чувствительного элемента давления при подаче давления со стороны квадратной кремниевой мембраны 6 интегрального преобразователя давления 1.