ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ С ТРЕМЯ ЖЕСТКИМИ ЦЕНТРАМИ
INTEGRATED PRESSURE TRANSDUCER WITH THREE SOLID CENTRES

Изобретение относится к области электронных устройств, созданных на основе интегральных технологий изготовления датчиков и преобразователей механических величин в электрические, преимущественно - к измерительной технике, и может быть использовано для измерения механических воздействий (давления, силы, ускорений 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.
Известен интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами по патенту США № US 6006607 A (Piezoresistive pressure sensor with sculpted diaphragm, заявитель MAXIM INTEGRATED PRODUCTS INC. опубл. 28.12.1999), который выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из четырех параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую три жестких центра, полученных таким образом, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещен тензорезистор одного из плеч моста Уитстона. При этом жесткие центры имеют выступы, соответствующие размерам тензорезисторов. Форма, т.е. пространственная геометрическая конфигурация, и относительные размеры выступов и жестких центров не оговорены в формуле и описании патента и без доказательств или ссылок на физические обоснования возможности достижения таких свойств утверждается, что такое выполнение должно "сбалансировать любые эффекты от напряжений, возникающие от жестких центров", а "ориентация тензорезисторов в указанном направлении нейтрализует (уравновешивает, сбалансирует) помехи общего вида от эффектов напряженного состояния, возникающих из-за компоновочных и установочных напряжений при одновременном обеспечении высокой чувствительности" преобразователя. При этом утверждается, что такое выполнение преобразователя давления позволяет достичь хорошей линейной зависимости выходного сигнала от давления. С указанными утверждениями сложно согласиться, так как при прочих равных условиях увеличенный размер площади, занимаемой каждым жестким центром, относительно площади, необходимой для размещения измерительной части, включающей собственно тензорезисторы, части жестких центров и тонкие части мембраны, объединенные в измерительное устройство и изменяющие сопротивление тензорезисторов от давления на диафрагму, зависят от площади тонкой части мембраны. А если ее часть занимают жесткие центры, не участвующие в работе измерительной части, то такое выполнение тонкой части мембраны из-за ее относительно малой площади приводит к более низкой чувствительности преобразователя (см. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. 136 с.). При этом сложная конфигурация жестких центров и соответствующей внешней границы тонкой части мембраны усложняет и повышает затраты на производство преобразователей давления.
Известен интегральный датчик и преобразователь давления с тремя жесткими центрами по патенту США № US 6351996 B1 (Hermetic packaging for semiconductor pressure sensors, заявитель MAXIM INTEGRATED PRODUCTS INC, опубл. 05.03.2002), в котором имеется описание преобразователя давления с тремя жесткими центрами, с признаками идентичными в ранее указанном патенте США № US 6006607 А, по результатам анализа текста описания, в указанной части можно утверждать, что также, как в патенте США № US 6006607 А, при прочих равных условиях увеличенный размер площади, занимаемой каждым жестким центром относительно площади, необходимой для измерительной части, включающей собственно тензорезисторы, части жестких центров и тонкие части мембраны, объединенные в измерительное устройство и изменяющие их сопротивление тензорезисторов от давления на диафрагму, зависят от площади тонкой части мембраны. А если ее часть занимают жесткие центры, то такое выполнение тонкой части мембраны из-за ее относительно малой площади приведет к более низкой чувствительности преобразователя, (см. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. 136 с.). При этом сложная конфигурация жестких центров и соответствующей внешней границы тонкой части мембраны усложняет и повышает затраты на производство преобразователей давления.
Известен интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами по патенту Российской Федерации № RU 2362132 С1 (заявитель "НПК "Технологический центр" МИЭТ", опубл. 20.07.2009), который выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из четырех параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую три жестких центра, полученных таким образом, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещен тензорезистор одного из плеч моста Уитстона. Тензорезисторы, расположенные напротив крайних канавок, примыкающих к внешним границам канавок, принадлежащих наружному контуру дна мембраны, находятся в поле тензонапряжений, отличающемся от поля тензонапряжений тензорезисторов, расположенных напротив двух внутренних канавок. Это приводит к повышению нелинейности и соответственно к повышению затрат на приборную линеаризацию характеристик преобразователя.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности преобразования давления в электрический сигнал при малых значениях механического воздействия, расширение функциональных возможностей и снижение затрат на производство интегрального преобразователя давления с тремя жесткими центрами.
Указанная техническая задача решается тем, что интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из четырех параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую полученные таким образом три жестких центра, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещен тензорезистор одного из плеч моста Уитстона, причем не менее 10% площади дна тонкой части мембраны расположено вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Такое выполнение интегрального преобразователя давления позволяет уменьшить неравномерность распределения тензонапряжений по тонкой части мембраны в местах расположения тензорезисторов, что позволяет снизить нелинейность преобразования давления при малых его величинах, повысить чувствительность преобразователя и расширить его функциональные возможности.
Параметры интегрального преобразователя давления, в частности нелинейность и чувствительность, сохраняются при воздействии избыточного давления на мембрану как с первой, так и второй ее стороны, что также расширяет функциональные возможности преобразователя.
Получаемая простая форма жестких центров и выступов, сформированных по краю углубления, позволяет без значительного усложнения подготовки производства, путем использования известных и отработанных технологических процессов, достичь улучшенных характеристик преобразователей.
В интегральном преобразователе давления выполнение монокристаллической кремниевой пластины, которая ориентирована в плоскости (100) и имеет n-тип проводимости, а тензорезисторы имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011], позволяет использовать хорошо отлаженные и широко используемые технологические процессы и оборудование. При этом при стабильных высоких качественных показателях изготовления, при широко известных и отлаженных технологических процессах производства преобразователей достигаются улучшенные функциональные возможности работы тонких частей мембраны.
В интегральном преобразователе давления выполнение продольных границ плоского дна каждой канавки мембраны параллельными тензорезистору и имеющими длину не менее 0,7 длины тензорезистора позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы.
Отношение перпендикулярного тензорезистору расстояния между границами плоского дна каждой канавки к ширине тензорезистора лежит в пределах от 0,3 до 3, позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы в условиях расположения одного тензорезистора симметрично оси канавки.
В интегральном преобразователе давления выполнение сопряжении поверхности дна тонких участков мембраны с боковыми стенками мембраны и каждого жесткого центра криволинейной поверхностью с радиусом округления от 3 до 10 мкм является оптимальным для снижения локальных напряжений и незначительно увеличивает затраты при производстве.
В интегральном преобразователе давления выполнение угла наклона боковых стенок углубления к поверхности плоского дна составляет от 130 до 85 градусов и является оптимальным для различных технологических особенностей изготовления жестких центров и плоской мембраны.
На Фиг.1 показан вид на преобразователь со второй стороны, то есть со стороны углубления.
На Фиг.2 - разрез по линии А-А Фиг.1.
Интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины 1, на первой стороне 2 (Фиг.2) которой сформированы тензорезисторы 3, 4, 5 и 6 (на Фиг.1 показаны условно, на Фиг.2 - в разрезе) и объединены электрическими связями в мост Уитстона (не показаны), а со второй стороны 7 монокристаллической кремниевой пластины 1 выполнено углубление 8, не выходящее на край пластины 1, состоящее из четырех параллельных канавок 9, 10, 11, 12 и двух его участков 13, 14, соединяющих концы параллельных канавок 9, 10, 11, 12 между собой и имеющих с ними общее плоское дно 15, которое совместно с первой стороной 2 пластины 1 образует тонкую часть мембраны, окружающую три полученных таким образом жестких центра 16, 17, 18, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки 9, 10, 11, 12 размещен тензорезистор одного из плеч моста Уитстона, соответственно 3, 4, 5 и 6.
Не менее 10% площади дна 15 тонкой части мембраны, например участки 19, 20, 21 и 22, расположено вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями 23 и 24, которые совмещены с внешними границами канавок 9 и 12, принадлежащими наружному контуру плоского дна 15 мембраны. Такое выполнение интегрального преобразователя давления позволяет уменьшить неравномерность распределения тензонапряжений по тонкой части мембраны в местах расположения тензорезисторов 3, 4, 5, 6, что позволяет снизить нелинейность преобразования давления при малых его величинах, повысить чувствительность преобразователя.
Параметры интегрального преобразователя давления, в частности нелинейность и чувствительность, сохраняются при воздействии избыточного давления на мембрану с первой 2 или второй ее стороны 7, что расширяет функциональные возможности преобразователя.
В интегральном преобразователе давления выполнение монокристаллической кремниевой пластины, которая ориентирована в плоскости (100) и имеет n-тип проводимости, а тензорезисторы 3, 4, 5, 6 имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011], позволяет использовать хорошо отлаженные и широко используемые технологические процессы и оборудование. При этом при стабильных высоких качественных показателях изготовления преобразователей в условиях давно отлаженных технологий производства достигаются улучшенные функциональные возможности работы тонких частей мембраны.
1
2
В интегральном преобразователе давления выполнение продольных границ плоского дна каждой канавки 9, 10, 11, 12 параллельными соответствующему тензорезистору и с длиной l, которая составляет не менее 0,7 длины l соответствующего тензорезистора 3, 4, 5, 6, позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы.
1
2
Отношение перпендикулярного тензорезистору расстояния между границами плоского дна a каждой канавки, например 10, к ширине а соответствующего тензорезистора 4 лежит в пределах от 0,3 до 3, что позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы при расположении одного тензорезистора симметрично относительно оси канавки.
В интегральном преобразователе давления выполнение сопряжении поверхности дна 15 тонких участков мембраны с боковыми стенками 25 мембраны и каждого жесткого центра 16, 17, 18 с криволинейной поверхностью 26 с радиусом скругления от 3 до 10 мкм является оптимальным для снижения локальных напряжений и незначительно увеличивает затраты при производстве.
В интегральном преобразователе давления выполнение угла 27 наклона боковых стенок 25 углубления 8 к поверхности плоского дна 15 составляет от 130 до 85 градусов и является оптимальным для различных технологических особенностей изготовления жестких центров и плоской мембраны.
Получаемая простая форма жестких центров 16, 17, 18 и выступов 28 и 29, сформированных по краю углубления 8, позволяет без значительного усложнения подготовки производства путем использования известных и отработанных технологических процессов достичь улучшенных характеристик преобразователей и расширения их функциональных возможностей.
Интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами работает следующим образом.
Под воздействием избыточного давления, например, на первую сторону 2 пластины 1 плоское дно 15 с участками 19, 20, 21, 22 тонкой части мембраны изгибается, жесткие центры 16, 17, 18 перемещаются, в тонкой части мембраны между ними и выступами 28 и 29 создаются разнонаправленные тензонапряжения (сжатия на одних тензорезисторах 4 и 5 и растяжения на тензорезисторах 3 и 6). Поля тензонапряжений в местах расположения тензорезисторов из-за симметричной конфигурации концентраторов напряжений в виде жестких центров 16, 17, 18 и выступов 28 и 29 имеют симметричную конфигурацию, что приводит к почти одинаковому изменению сопротивления тензорезисторов, к общей сбалансированности моста Уитстона и, как следствие, к высокой линейности преобразовательной характеристики, т.е., например, зависимости выходного напряжения от давления.
Под воздействием избыточного давления на вторую сторону 7 плоское дно 15 с участками 19, 20, 21, 22 тонкой части мембраны изгибается, жесткие центры 16, 17, 18 перемещаются и создают разнонаправленные тензонапряжения (сжатия на тензорезисторах 3, 6 и растяжения на тензорезисторах 4 и 5). В остальном процесс измерения давления повторяется полностью.