ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ЖЕСТКИМ ЦЕНТРОМ
SENSOR OF ABSOLUTE PRESSURE OF HIGH ACCURACY BASED ON SEMICONDUCTING SENSITIVE ELEMENT WITH RIGID CENTRE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред.
Известна конструкция датчика давления с чувствительным элементом на основе структуры «кремний на сапфире» [1], который жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой (с образованием полости) и установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную гофрированную мембрану, содержащую токоведущие дорожки. При деформации сформированных на чувствительном элементе тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную цепь, на ее выходе возникает электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенному измеряемому давлению.
Известна конструкция чувствительного элемента датчика давления мембранного типа [2], представляющая собой монокристаллический кремниевый кристалл n-типа проводимости, планарная сторона которого ориентирована по кристаллографической плоскости (100) с углублением на тыльной стороне кристалла, образующим квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформированы четыре однополосковых тензорезистора p-типа проводимости таким образом, что их продольные оси параллельны одной из главных осей мембраны, совпадающей с кристаллографическим направлением [110].
Известна конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, чувствительный элемент которого выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной рабочей стороны которой сформированы диффузионные резисторы и герметично присоединена защитная крышка с вакуумной полостью, со второй стороны выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, на мембране сформирован жесткий центр [3].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, выбранного в качестве прототипа [4]. Такой датчик содержит корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и профилированного полупроводникового кристалла (квадратного), в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр (квадратной формы). Профилированный полупроводниковый кристалл соединен электростатическим способом со стеклянным основанием в вакууме, между ними образована вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений. На рабочей части чувствительного элемента сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь.
Существенные признаки прототипа, общие с заявленным устройством, следующие: корпус со штуцером, герметизирующая контактная колодка, металлическая мембрана, несжимаемая жидкость.
1
2
3
4
Общим недостатком конструкций чувствительных элементов датчиков давления, описанных в [1-4], является сравнительно большая нелинейность измерительной цепи, которая обусловлена тем, что расположенные на кристалле тензорезисторы, воспринимающие относительные положительные деформации, и тензорезисторы, воспринимающие относительные отрицательные деформации, неодинаково деформируются. Вследствие этого происходит неодинаковое изменение сопротивлений тензорезисторов смежных плеч мостовой измерительной цепи. Появляется погрешность от нелинейности мостовой измерительной цепи, снижающая точность измерения. Нелинейность измерительной цепи датчика зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч измерительной цепи ε, ε, ε, ε [5]. Для тензорезисторных датчиков, у которых относительное изменение сопротивления одного плеча обычно не превышает 0,01, при k=1 величина нелинейности составляет ~ 0,3÷0,6%, если рабочими являются два плеча. Кроме того, известные технические решения не обеспечивают высокую чувствительность (из-за неоптимального расположения тензорезисторов на кристалле), технологичность (из-за отсутствия возможности оптимального расположения тензорезисторов при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента) и надежность (из-за возможности разрушения тонкой части полупроводникового кристалла при воздействии перегружающих давлений).
Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения нелинейности измерительной цепи датчика.
Данная цель достигается тем, что в известном датчике абсолютного давления, содержащем корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов, в соответствии с предлагаемым решением, размер жесткого центра определен из соотношения:
ж.ц.
где h - толщина жесткого центра, которая выбрана из соотношения:
т.ч.
где h - толщина тонкой части полупроводникового кристалла, при этом центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения:
т.ч.
где L - размер тонкой части полупроводникового кристалла;
1
т.ч.
ж.ц.
r(L, l) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные положительные деформации;
ж.ц.
l - размер жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла;
k - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 1;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 1;
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>ж</mi><mo>.</mo><mi>ц</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>т</mi><mo>.</mo><mi>ч</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная
в соответствии с таблицей 1;
Таблица 1
индекс i
коэффициент k<sub>i</sub>
0
0,904
1
0,048
2
0,061
а центры других тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенного из соотношения:
2
т.ч.
ж.ц.
где r(L, l) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные отрицательные деформации;
l - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 2;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 2;
<mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>ж</mi><mo>.</mo><mi>ц</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>т</mi><mo>.</mo><mi>ч</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная
в соответствии с таблицей 2;
Таблица 2
индекс i
коэффициент l<sub>i</sub>
0
0,079
1
0,936
2
-0,031
На фиг.1 показана конструкция предлагаемого датчика абсолютного давления повышенной точности. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, герметизирующую контактную колодку 3, металлическую мембрану 4, несжимаемую жидкость 5, полупроводниковый чувствительный элемент 6. Несжимаемая жидкость заливается через трубку 7, расположенную в контактной колодке 3.
На фиг.2 показана 3D-модель полупроводникового чувствительного элемента датчика абсолютного давления, состоящего из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме. На тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8 сформирован жесткий центр 11. Между полупроводниковым кристаллом 8 и стеклянным основанием 9 находится вакуумированная полость 12, обеспечивающая измерение абсолютного давления.
1
2
На рабочей части полупроводникового кристалла 8 сформирована мостовая измерительная цепь 13 (фиг.3,а), состоящая из четырех идентичных тензорезисторов 14-17 (фиг.3,б). Центры тензорезисторов 14, 16, воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии R от центра кристалла, определенного из соотношения (3), а центры тензорезисторов 15, 17, воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии R от центра кристалла, определенного из соотношения (4).
Рассмотрим пример.
т.ч.
т.ч.
Возьмем размер тонкой части полупроводникового кристалла L=2,5 мм, толщину тонкой части полупроводникового кристалла h=30 мкм.
В соответствии с выражением (2) определим минимальную толщину жесткого центра:
ж.ц.
т.ч.
h≥4·h=4·30 мкм=120 мкм.
ж.ц.
Примем h=200 мкм. В соответствии с выражением (1) определим минимальный размер жесткого центра:
ж.ц.
Примем l=1 мм.
Подставив значения в формулу (3), получим:
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>т</mi><mo>.</mo><mi>ч</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>1,166</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow><mrow><mn>2,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,933</mn></mrow>
При этом относительное расстояние
2
Аналогично вычислим расстояние R в соответствии с формулой (4) и таблицей 2.
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>т</mi><mo>.</mo><mi>ч</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>0,561</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow><mrow><mn>2,5</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,449</mn></mrow>
При этом относительное расстояние
ж.ц.
ж.ц.
Соотношение для размера жесткого центра l в соответствии с (1) определено исходя из того, что минимальный размер жесткого центра не может быть меньше, чем отношение толщины жесткого центра h к тангенсу 6 угла α=54,4° - угла травления кремния [6], умноженное на 2 (фиг.3,а), т.е.
ж.ц.
т.ч.
ж.ц.
т.ч.
ж.ц.
ж.ц.
т.ч.
Соотношение для минимальной толщины жесткого центра h в соответствии с (2) было получено в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При определенных значениях размера тонкой части полупроводникового кристалла L, размера жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла, l, толщины тонкой части полупроводникового кристалла h изменялась толщина жесткого центра h и фиксировались данные о максимальных относительных положительных деформациях и максимальных относительных отрицательных деформациях. По полученным данным были построены зависимости абсолютных значений максимальных относительных положительных деформаций 18 и максимальных относительных отрицательных деформаций 19 от отношения толщины жесткого центра h к толщине тонкой части полупроводникового кристалла h (фиг.4). Из данных зависимостей установлено, что при выполнении соотношения (2) максимальные относительные положительные деформации и максимальные относительные отрицательные деформации принимают постоянные значения.
1
2
т.ч.
ж.ц.
т.ч.
ж.ц.
т.ч.
т.ч.
ж.ц.
ж.ц.
т.ч.
т.ч.
ж.ц.
т.ч.
Соотношения для относительных расстояний расположения тензорезисторов r и r, входящие в формулы (3) и (4), были получены в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При определенных значениях толщины тонкой части полупроводникового кристалла h, толщины жесткого центра h, удовлетворяющей условию (2), размера тонкой части полупроводникового кристалла L изменялись значения размера жесткого центра l в диапазоне от значения, удовлетворяющего условию (1), и до значения, стремящегося к размеру тонкой части полупроводникового кристалла L, и определялись значения относительных деформаций на границе тонкой части, т.е. на расстоянии L/2, значения относительных деформаций на границе жесткого центра, т.е. на расстоянии l/2, а также значение расстояния от центра кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение. На фиг.5 показаны зависимости относительных деформаций ε на рабочей части полупроводникового кристалла 8 при изменении отношения размера жесткого центра l к размеру тонкой части мембраны l, где кривая 20 - значения относительных деформаций на границе тонкой части полупроводникового кристалла, т.е. на расстоянии L/2 от центра кристалла; кривая 21 - значения модуля относительных отрицательных деформаций на границе жесткого центра, т.е. на расстоянии l/2 от центра кристалла; кривая 22 - значения модуля максимальных относительных отрицательных деформаций на некотором расстоянии от центра кристалла. Было установлено, что относительные деформации 20 и 21 на границах тонкой части и жесткого центра полупроводникового кристалла имеют различные значения, следовательно, размещение тензорезисторов в данных местах приводит к повышению нелинейности мостовой измерительной цепи датчика. Значения максимальных относительных отрицательных деформаций 22 находятся на некотором отдалении от жесткого центра. Затем определялись значения расстояний от центра кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение, а относительные положительные деформации принимают значение, равное по модулю максимальным относительным отрицательным деформациям. Полученные данные аппроксимировались полиномом в диапазоне от значения, удовлетворяющего условию (1), и до значения, стремящегося к размеру тонкой части полупроводникового кристалла L, в итоге были получены выражения (3) и (4).
2
На фиг.6 показана зависимость относительного расстояния r, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение, от отношения размера жесткого центра к размеру тонкой части полупроводникового кристалла, полученные в результате моделирования деформаций методом конечных элементов (23), и по формуле (4) (кривая 24).
1
На фиг.7 показана зависимость относительного расстояния r, где относительные положительные деформации принимают значение, равное по модулю максимальным относительным отрицательным деформациям, от отношения размера жесткого центра к размеру тонкой части полупроводникового кристалла, полученные в результате моделирования деформаций методом конечных элементов (25), и по формуле (3) (кривая 26).
ж.ц.
ж.ц.
1
1
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на металлическую мембрану 4, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость 5 полупроводниковому чувствительному элементу 6 (фиг.1), состоящему из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме (фиг.2). В результате того, что на тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8 сформирован жесткий центр 11, размер l которого определен из условия (1), а толщина жесткого центра h определена из условия (2), повышается надежность датчика, т.к. при воздействии перегружающих давлений жесткий центр 11 опирается на стеклянное основание 9 и, тем самым, предотвращается разрушение тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8. В результате воздействия давления на рабочей части полупроводникового кристалла 8 возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 14-17 (фиг.3,б), включенными в мостовую измерительную цепь 13 (фиг.3,а). Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением центров тензорезисторов 15, 17, воспринимающих относительные отрицательные деформации, на расстоянии R от центра кристалла, определенного из соотношения (4), они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных отрицательных деформаций. Так как центры тензорезисторов 14, 16, воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии R от центра кристалла, определенного из соотношения (3), они оказываются в зоне относительных положительных деформаций по абсолютному значению, равных максимальным относительным отрицательным деформациям. Благодаря такому размещению тензорезисторов уменьшена нелинейность мостовой измерительной цепи датчика, за счет этого повышена точность датчика по сравнению с прототипом.
Кроме того, точность датчика повышается за счет повышения чувствительности, поскольку тензорезисторы 15 и 17 расположены в зоне максимальных относительных отрицательных деформаций, а тензорезисторы 14 и 16 - в зоне равных им относительных положительных деформаций, при этом относительные изменения сопротивлений тензорезисторов 15, 17 и 14, 16 складываются в мостовой измерительной цепи. В предлагаемом техническом решении обеспечивается высокая чувствительность благодаря оптимальному расположению тензорезисторов на кристалле. Предлагаемый датчик давления повышенной точности на основе полупроводникового чувствительного элемента с жестким центром обладает повышенной технологичностью, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента. Также предлагаемый датчик давления обладает повышенной надежностью, поскольку исключается возможность разрушения тонкой части полупроводникового кристалла при воздействии перегружающих давлений.
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность датчика за счет улучшения линейности выходной характеристики, обеспечивается высокая чувствительность и технологичность, путем размещения тензорезисторов оптимальным образом при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента.
Источники информации
1. Стефанович В.А., Лебедев Г.Б., Нелина С.Н. Датчик давления // Пат. 2392592 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. / Заявка 2009116703/28 от 30.04.2009; опубл. 20.06.2010.
2. Беликов Л.В., Разумихин В.М. Чувствительный элемент мембранного типа // Пат. 93027803 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. / Заявка 93027803/10 от 18.05.1993; опубл. 27.12.1995.
3. Данилова Н.Л., Панков В.В., Суханов В.С. Микроэлектронный датчик абсолютного давления и чувствительный элемент абсолютного давления // Пат. 2362133 Российская Федерация, МПК G01L 9/04, H01L 29/84. / Заявка 2007148423/28 от 27.12.2007; опубл. 20.07.2009.
4. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры / Компоненты и технологии. 2009, №5. - С.12.-15.
5. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.
6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы / Тульский Государственный университет - Тула, 2002 - 392 с.