Датчик абсолютного давления с интегральным преобразователем температуры

Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в малогабаритных датчиках абсолютного давления и температуры в электрический сигнал.
Известен датчик давления с нормализованным или цифровым выходом, содержащий корпус и установленные в нем: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и по меньшей мере один канал, выполненный в корпусе, для подвода давления среды, при этом ЧЭД снабжен контактными площадками на защитной крышке за пределами соединения ИС и крышки, а крышка выполнена из кремния встроенной по технологии производства ИС и размещена на ИПД, кристалл ИС размещен на встроенной защитной крышке, все механические соединения ЧЭД и встроенной защитной крышки выполнены низкотемпературной пайкой стеклом, а ИС и ЧЭД - клеем-герметиком, по контурам механических соединений интегральных деталей ЧЭД выполнены защитные канавки, а электрические соединения - методами микроэлектронных технологий. Патент РФ на изобретение № 2564378, МПК G01L 9/04, 27.09.2015. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности измерения температуры потока рабочей среды датчика абсолютного давления.
Полезная модель устраняет недостатки прототипа.
Техническим результатом полезной модели является возможность измерения температуры потока рабочей среды датчика абсолютного давления.
+
+
+
+
+
+
+
+
Технический результат достигается тем, что датчик абсолютного давления с интегральным преобразователем температуры, содержащий корпус и установленные в нем чувствительный элемент абсолютного давления с интегральным преобразователем давления и контактными площадками, средства электрических соединений чувствительного элемента абсолютного давления и один канал, выполненный в корпусе для подвода давления среды, механическое соединение интегрального преобразователя давления и основания выполнено слоем легкоплавкого стекла, и чувствительного элемента абсолютного давления с корпусом выполнено клеем-герметиком, электрические соединения чувствительного элемента абсолютного давления выполнены методами микроэлектронных технологий, имеется вакуумированная полость для чувствительного элемента абсолютного давления, и антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса, датчик абсолютного давления в корпусе с выводами содержит штуцер для подачи номинального давления со стороны лицевой части интегрального преобразователя давления, расположенным между первым и седьмым выводами корпуса по периметру корпуса, содержит чувствительный элемент абсолютного давления, соединенный алюминиевыми контактными площадками с выводами корпуса алюминиевой проволокой в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка первой алюминиевой проволокой - с вторым выводом, четвертая алюминиевая контактная площадка второй алюминиевой проволокой с - третьим выводом, пятая алюминиевая контактная площадка третьей алюминиевой проволокой - с четвертым выводом, шестая алюминиевая контактная площадка четвертой алюминиевой проволокой - с пятым выводом и седьмая алюминиевая контактная площадка пятой алюминиевой проволокой - с шестым выводом; чувствительный элемент абсолютного давления содержит интегральный преобразователь давления, состоящий из кремния n-типа проводимости, и на лицевой стороне которого сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, средства электрических соединений и алюминиевые контактные площадки, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне которого сформирована травлением механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью, где толщина утоненной части мембраны составляет от 10 мкм до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя давления, и с тремя жесткими центрами кремниевой мембраны, места соединения которых являются местами концентрации механических напряжений; основание чувствительного элемента абсолютного давления выполнено из кремния в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с размерами горизонтальных граней квадратной формы, равными размерам интегрального преобразователя давления, где интегральный преобразователь давления и основание чувствительного элемента абсолютного давления герметично соединены одним слоем легкоплавкого стекла в областях контакта соединения, где образована вакуумированная полость между оборотной механической стороной интегрального преобразователя давления и основанием чувствительного элемента абсолютного давления для дальнейшего измерения абсолютного давления; температурный датчик, выполненный в виде интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки, созданного отдельным кристаллом, имеющим эпитаксиальный слой, выполненным из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем оксида кремния, и подложку, выполненную из кремния n-типа проводимости, с двумя алюминиевыми контактными площадками, на лицевой стороне для катода со сформированной областью для омического контакта n-типа проводимости с подложкой n-типа проводимости и анода диода, содержащего эпитаксиальный слой, выполненным из кремния n-типа проводимости, алюминиевую контактную площадку, являющуюся также десятой алюминиевой контактной площадкой, и сформированный напыленный подслой металла из молибдена, подвергнутый термической обработке в инертной среде, при этом подслой металла из молибдена ограничен краями диэлектрического слоя оксида кремния; со структурой первого охранного кольца расположенного по периметру области анода, и со структурой второго охранного кольца расположенного с первым охранным кольцом в одной плоскости и имеющего одинаковую форму и площадь поперечного сечения с первым охранным кольцом соосного первому охранному кольцу p-типа проводимости и расположенного вне области анода с расстоянием между кольцами, равным сумме расстояний распространения областей пространственных зарядов каждого охранного кольца p-типа проводимости на половину расстояний между охранными кольцами p-типа проводимости при подаче потенциала, близкого к пробивному обратному напряжению каждого из охранного кольца p-типа проводимости в отдельности, при этом область контакта к аноду, охранные кольца p-типа проводимости и десятая алюминиевая контактная площадка интегрального преобразователя температуры имеют форму прямоугольника с закругленными углами; и соединенного оборотной стороной с корпусом клеем-герметиком, и на лицевой стороне десятой алюминиевой контактной площадкой шестой алюминиевой проволокой - с седьмым выводом и одиннадцатой алюминиевой контактной площадкой седьмой алюминиевой проволокой - с первым выводом, и имеется антикоррозионная защита, которая выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса на поверхности интегрального преобразователя температуры.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлен вид сбоку сборки датчика абсолютного давления.
На фиг. 2 представлен вид сверху сборки датчика абсолютного давления.
На фиг. 3 представлен вид сбоку интегрального преобразователя давления.
На фиг. 4 представлен вид сверху с интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки.
На фиг. 5 представлен вид сбоку интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - корпус датчика абсолютного давления;
2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 - выводы корпуса датчика абсолютного давления;
3 - чувствительный элемент абсолютного давления;
4.1, 4.2 - клей-герметик;
5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 5.10, 5.11 - алюминиевые контактные площадки;
6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7 - алюминиевая проволока;
7 - интегральный преобразователь давления чувствительного элемента абсолютного давления из кремния n-типа проводимости;
8 - основание чувствительного элемента абсолютного давления;
9 - лицевая сторона интегрального преобразователя давления;
10 - оборотная механическая сторона интегрального преобразователя давления в виде квадратной кремниевой мембраны;
11 - тензорезисторы интегрального преобразователя давления p-типа проводимости;
12 - средства электрических соединений интегрального преобразователя давления;
13 - утоненная часть квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления;
14 - утолщенная часть квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления;
15.1, 15.2, 15.3 - жесткие центры квадратной кремниевой мембраны;
16 - слой легкоплавкого стекла;
17 - штуцер в корпусе датчика абсолютного давления;
18.1, 18.2 - коррозионностойкое кремнийорганическое защитное покрытие;
19 - вакуумированная полость;
20 - интегральный преобразователь температуры в виде диода Шоттки;
21 - анод интегрального преобразователя температуры;
22 - катод интегрального преобразователя температуры;
23 - оборотная сторона интегрального преобразователя температуры;
24 - лицевая сторона интегрального преобразователя температуры;
25 - эпитаксиальный слой n-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;
+
26 - подложка n-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;
+
+
27 - область для омического контакта n-типа проводимости с подложкой n-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;
28 - подслой металла из молибдена между кремнием и алюминием;
+
29.1, 29.2 - охранные кольца p-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;
30 - диэлектрический слой оксида кремния.
+
+
+
+
+
+
+
+
Устройство содержит корпус 1 и установленные в нем чувствительный элемент 3 абсолютного давления с интегральным преобразователем 7 давления и контактными площадками 2, средства 12 электрических соединений чувствительного элемента 3 абсолютного давления и один канал, выполненный в корпусе 1, для подвода давления среды, механическое соединение интегрального преобразователя 7 давления и основания 8 выполнено слоем легкоплавкого стекла 16, и чувствительного элемента 3 абсолютного давления с корпусом 1 выполнено клеем-герметиком 4.1, электрические соединения чувствительного элемента 3 абсолютного давления выполнены методами микроэлектронных технологий, имеется вакуумированная полость 19 для чувствительного элемента 3 абсолютного давления и антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности 18.1 полости корпуса, датчик абсолютного давления в корпусе 1 с выводами 2 содержит штуцер 17 для подачи номинального давления со стороны лицевой части 9 интегрального преобразователя 7 давления, расположенный между первым 2.1 и седьмым 2.7 выводами корпуса 1 по периметру корпуса 1, содержит чувствительный элемент 3 абсолютного давления, соединенный алюминиевыми контактными площадками 5 с выводами 2 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6 в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка 5.3 первой алюминиевой проволокой 6.1 -с вторым выводом 2.2, четвертая алюминиевая контактная площадка 5.4 второй алюминиевой проволокой 6.2 -с третьим выводом 2.3, пятая алюминиевая контактная площадка 5.5 третьей алюминиевой проволокой 6.3 - с четвертым выводом 2.4, шестая алюминиевая контактная площадка 5.6 четвертой алюминиевой проволокой 6.4 - с пятым выводом 2.5 и седьмая алюминиевая контактная площадка 5.7 пятой алюминиевой проволокой 6.5 - с шестым выводом 2.6; чувствительный элемент 3 абсолютного давления содержит интегральный преобразователь 7 давления, состоящий из кремния n-типа проводимости, и на лицевой 9 стороне которого сформированы тензорезисторы 11 p-типа проводимости, средства 12 электрических соединений и алюминиевые контактные площадки 5, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне 10 которого сформирована травлением механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью 14, утоненной частью 13, где толщина утоненной части 13 мембраны составляет от 10 мкм до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя 7 давления, и с тремя жесткими центрами 15 кремниевой мембраны, места соединения которых являются местами концентрации механических напряжений; основание 8 чувствительного элемента абсолютного давления выполнено из кремния в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с размерами горизонтальных граней квадратной формы равными размерам интегрального преобразователя 7 давления; где интегральный преобразователь 7 давления и основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления герметично соединены одним слоем легкоплавкого стекла 16 в областях контакта соединения, где образована вакуумированная полость 19 между оборотной механической стороной 10 интегрального преобразователя давления и основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления для дальнейшего измерения абсолютного давления; температурный датчик, выполненный в виде интегрального преобразователя 20 температуры в виде диода Шоттки, созданного отдельным кристаллом, имеющим эпитаксиальный слой 25, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем 30 оксида кремния, и подложку 26, выполненную из кремния n-типа проводимости, с двумя алюминиевыми контактными площадками 5.10, 5.11 на лицевой стороне 24 для катода 22 со сформированной областью 27 для омического контакта n-типа проводимости с подложкой 26 n-типа проводимости и анода 21 диода, содержащего эпитаксиальный слой 25, выполненным из кремния n-типа проводимости, алюминиевую контактную площадку 5.10, являющуюся также десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10, и сформированный напыленный подслой металла 28 из молибдена, подвергнутый термической обработке в инертной среде, при этом подслой металла 28 из молибдена ограничен краями диэлектрического слоя 30 оксида кремния; со структурой первого охранного кольца 29.1 расположенного по периметру области 21 анода, и со структурой второго охранного кольца 29.2, расположенного с первым охранным кольцом 29.1 в одной плоскости и имеющего одинаковую форму и площадь поперечного сечения с первым охранным кольцом 29.1, соосного первому охранному кольцу 29.1 p-типа проводимости и расположенного вне области анода 21 с расстоянием между кольцами 29.1, 29.2 равным сумме расстояний распространения областей пространственных зарядов каждого охранного кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости на половину расстояний между охранными кольцами 29.1, 29.2 p-типа проводимости при подаче потенциала близкого к пробивному обратному напряжению каждого из охранного колец 29.1, 29.2 p-типа проводимости в отдельности, при этом область контакта к аноду 21, охранные кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости и десятая алюминиевая контактная площадка 5.10 интегрального преобразователя температуры 20 имеют форму прямоугольника с закругленными углами; и соединенного оборотной стороной 23 с корпусом 1 клеем-герметиком 4.2, и на лицевой стороне 24 десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10 шестой алюминиевой проволокой 6.6 - с седьмым выводом 2.7 и одиннадцатой алюминиевой контактной 5.11 площадкой седьмой алюминиевой проволокой 6.7 с первым выводом 2.1, и имеется антикоррозионная защита, которая выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности 18.2 полости корпуса 1 на поверхности интегрального преобразователя 20 температуры.
Датчик абсолютного давления с интегральным преобразователем температуры содержит корпус 1 датчика абсолютного давления, имеющий круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху, с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления, имеющими круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху, расположенными по периметру корпуса 1 датчика абсолютного давления и высота выводов 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 при рассмотрении вида сбоку не регламентирована, но является не больше высоты внутренней части корпуса 1 датчика абсолютного давления, а также взаимное расположение которых также может быть любым и, в частности, симметричным; штуцер 17 в корпусе 1 датчика абсолютного давления для подачи номинального давления на чувствительный элемент 3 абсолютного давления с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления, расположенным по периметру корпуса 1 датчика абсолютного давления совместно с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления между и первым 2.1 и седьмым 2.7 выводами корпуса 1 датчика абсолютного давления и имеющего круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху. В корпусе 1 датчика абсолютного давления расположен чувствительный элемент 3 абсолютного давления, соединенный с корпусом 1 датчика абсолютного давления клеем-герметиком 4.1 и алюминиевыми контактными площадками 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 с выводами 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, например, в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка 5.3 первой алюминиевой проволокой 6.1 - с вторым выводом 2.2, четвертая алюминиевая контактная площадка 5.4 второй алюминиевой проволокой 6.2 - с третьим выводом 2.3, пятая алюминиевая контактная площадка 5.5 третьей алюминиевой проволокой 6.3 - с четвертым выводом 2.4, шестая алюминиевая контактная площадка 5.6 четвертой алюминиевой проволокой 6.4 - с пятым выводом 2.5 и седьмая алюминиевая контактная площадка 5.7 пятой алюминиевой проволокой 6.5 - с шестым выводом 2.6; состоящий из интегрального преобразователя 7 давления квадратной формы любых размеров в пределах габаритных размеров корпуса 1 датчика абсолютного давления (вид сверху), и основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления из единого материала из кремния в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с размерами горизонтальных граней квадратной формы равными размерам интегрального преобразователя 7 давления и с вертикальными гранями, попарно расположенными параллельно вертикальным граням паза в корпусе 1 датчика абсолютного давления; основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления нигде не соприкасается с корпусом 1 датчика абсолютного давления кроме соединения горизонтальной грани основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления с корпусом 1 датчика абсолютного давления с помощью клея-герметика 4.1 и область между основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления и корпусом 1 датчика абсолютного давления может быть любой формы и размеров. Конструкция корпуса 1 датчика абсолютного давления со всеми составляющими представлена на фиг. 1 и 2.
Интегральный преобразователь 7 давления, представленный на фиг. 2 и 3, состоит из кремния n-типа проводимости и содержит лицевую сторону 9, на которой сформирована по планарной технологии электрическая мостовая схема и оборотную механическую сторону 10 в виде квадратной кремниевой мембраны, способной деформироваться при подаче давления. Лицевая сторона 9 содержит совокупность электрически связанных компонентов, состоящих из тензорезисторов 11 p-типа проводимости, средств 12 электрических соединений и алюминиевых контактных площадок 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке, при этом тензорезисторы 11 являются плечами мостовой измерительной схемы, где, например, первое плечо расположено между пятой 5.5 и шестой 5.6 алюминиевыми металлизированными контактными площадками, второе плечо расположено между шестой 5.6 и седьмой 5.7 алюминиевыми металлизированными контактными площадками, третье плечо расположено между четвертой 5.4 и третьей 5.3 алюминиевыми металлизированными контактными площадками и четвертое плечо расположено между третьей 5.3 и седьмой 5.7 алюминиевыми металлизированными контактными площадками. Первое плечо соединяется со вторым плечом средствами 12 электрических соединений, проходящих через шестую алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.6, второе плечо соединяется с третьим плечом средствами 12 электрических соединений, проходящих через седьмую алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.7, третье плечо соединяется с четвертым плечом средствами 12 электрических соединений, проходящих через третью алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.3, первое плечо и третье плечо не соединяются в корпусе 1 датчика абсолютного давления и разъединены на пятую 5.5 и четвертую 5.4 алюминиевые металлизированные контактные площадки, соответственно.
В пределах подачи номинального давления с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя давления происходит деформация квадратной кремниевой мембраны в пределах геометрии вакуумированной полости 19 и, как следствие, меняется сопротивление тензорезисторов 11, расположенных на лицевой стороне 9 интегрального преобразователя 7 давления, приводящее к изменению электрического сигнала, снимаемого с алюминиевых контактных площадок 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 интегрального преобразователя 7 давления. Квадратная кремниевая мембрана на оборотной стороне 10 интегрального преобразователя 7 давления имеет утоненную часть 13, утолщенную часть 14 и три жестких центра 15.1, 15.2, 15.3. Оборотная сторона 10 интегрального преобразователя 7 давления в виде квадратной кремниевой мембраны создается анизотропным травлением. Три жестких центра 15.1, 15.2, 15.3 квадратной кремниевой мембраны могут иметь как квадратное, так и другое сечение, любых геометрических размеров в зависимости от требований к элементу. Исходя из экспериментальных результатов, толщина утоненной части 13 квадратной кремниевой мембраны в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 10 мкм до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя 7 давления. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 13 квадратной кремниевой мембраны. Изготовление утоненной части 13 квадратной кремниевой мембраны толщиной менее 10 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 13 квадратной кремниевой мембраны существенно падает чувствительность интегрального преобразователя 7 давления. Три жестких центра 15.1, 15.2, 15.3 и утолщенная часть 14 квадратной кремниевой мембраны, грани пересечения трех жестких центров 15.1, 15.2, 15.3 и утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны с утоненной частью 13 квадратной кремниевой мембраны, расположенные параллельно, образуют области механических напряжений. В областях механических напряжений с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления расположены тензорезисторы 11.
Интегральный преобразователь 7 давления и основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, высота которого при рассмотрении вида сбоку не регламентирована, но является не больше высоты внутренней части корпуса 1 датчика абсолютного давления, изготовлены из единого материала, в качестве которого используется кремний, в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с размерами горизонтальных граней квадратной формы равными размерам интегрального преобразователя 7 давления, и жестко связаны между собой в местах контакта соединения в области утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя 7 давления слоем легкоплавкого стекла 16 при помощи технологии пайки элементов в вакууме. Герметичное соединение слоем легкоплавкого стекла 16 оборотной стороны 10 интегрального преобразователя 7 давления и основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления сохраняет состояние вакуума в вакуумированной полости 19 между элементами чувствительного элемента 3 абсолютного давления, что позволяет измерять абсолютное давление, то есть давление, подаваемое потоком рабочей среды на лицевую сторону 9 интегрального преобразователя 7 давления относительно вакуума. Свободный ход квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления до основания 8 чувствительного элемента абсолютного давления при подаче номинального преобразуемого давления достигается за счет толщины слоя легкоплавкого стекла 16. Форма вакуумированной полости 19 может быть любой и, в частности, ограничена объемом между оборотной стороной 10 интегрального преобразователя 7 давления, основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления и слоем легкоплавкого стекла 16.
Температурный датчик или интегральный преобразователь 20 температуры, представленный на фиг. 4 и 5 и выполненный в виде отдельного кристалла диода Шоттки, соединен оборотной стороной 23 с корпусом 1 датчика абсолютного давления высокотемпературным клеем 4.2 и на лицевой стороне 24 алюминиевыми контактными площадками 5.10, 5.11 для катода 22 и анода 21 диода Шоттки с выводами 2.1, 2.7 корпуса алюминиевой проволокой 6.7, 6.6, соответственно. Интегральный преобразователь 20 температуры в виде отдельного кристалла диода Шоттки может иметь любое расположение на корпусе 1 датчика давления и, в частности, в предлагаемой области размещения между выводом 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления и штуцером 17 датчика абсолютного давления. Высота интегрального преобразователя 20 температуры не регламентирована.
Интегральный преобразователь 20 температуры имеет актуальное применение совместно с чувствительным элементом 3 абсолютного давления в едином корпусе 1 датчика абсолютного давления, поскольку данные элементы расположены непосредственно рядом друг с другом и интегральный преобразователь 20 температуры может предоставлять данные о температуре потока рабочей среды датчика абсолютного давления, как в качестве датчика температуры, так и в качестве источника информации о температуре для более прецизионной компенсации температурной погрешности чувствительного элемента 3 абсолютного давления внешней схемой обработки выходного сигнала.
В отличие от прототипа поток рабочей среды датчика абсолютного давления подается с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления в небольшую полость корпуса датчика абсолютного давления, что структурно не реализуемо в прототипе, так как давление от потока рабочей среды подается с оборотной механической стороны 10 интегрального преобразователя 7 давления, где отсутствует возможность размещения отдельного интегрального преобразователя 20 температуры и его электрического соединения с выводами 2 корпуса 1 датчика абсолютного давления. Дополнительно отсутствует возможность моментального измерения температуры, влияющей на характеристики элементов выходного сигнала, расположенных на лицевой стороне 9 интегрального преобразователя 7 давления.
+
+
+
+
+
+
+
Интегральный преобразователь 20 температуры, сформирован на кристалле, имеющем эпитаксиальный слой 25, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем 30 оксида кремния, и подложку 26, выполненную из кремния n-типа проводимости. На лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры с помощью диффузионных процессов дополнительно создаются две области. Для создания катода 22 на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры формируется область 27 для омического контакта n-типа проводимости с подложкой 26 n-типа проводимости, где поверх области 27 для омического контакта n-типа проводимости с подложкой 26 n-типа проводимости напыляется алюминий для создания одиннадцатой алюминиевой контактной площадки 5.11. Область 27 для омического контакта n-типа проводимости с подложкой 26 n-типа проводимости окружает область контакта к аноду 21 интегрального преобразователя 20 температуры с равным зазором между ними, чтобы создать эквипотенциальное состояние для протекающего заряда. Для создания анода 21 на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры формируется область для контакта в виде барьера Шоттки между эпитаксиальным слоем 25 n-типа проводимости и напыленным тонким подслоем 28 металла из молибдена для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры, то есть в аноде 21 на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя температуры 20 между эпитаксиальным слоем 25, выполненным из кремния n-типа проводимости, и алюминиевой контактной площадкой 5.10 сформирован напыленный подслой 28 металла из молибдена. Для достижения характеристик интегрального преобразователя 20 температуры по падению напряжения при прямом смещении технологически промежуточная структура диода Шоттки с подслоем 28 молибдена для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры проходит термическую обработку в инертной среде. Поверх термически обработанного подслоя 28 молибдена для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры дополнительно напыляется алюминий, являющимся также десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10. Край напыленного подслоя 28 металла из молибдена ограничен между краем диэлектрического слоя 30 оксида кремния и краем напыленного алюминия, являющегося также десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10. Форма напыленного подслоя 28 металла из молибдена для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры представлена на фиг. 4 и повторяет форму анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры по типу прямоугольника с закругленными углами. Толщина напыленного подслоя 28 металла из молибдена для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры немного больше или равна толщине диэлектрического слоя 30 оксида кремния.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
По периметру области контакта к аноду 21 интегрального преобразователя 20 температуры формируется охранные кольца 29.1, 29.2 необходимые для повышения пробивного обратного напряжения в структуре интегрального преобразователя 20 температуры при обратном смещении. Для достижения характеристик интегрального преобразователя 20 температуры по повышенному пробивному обратному напряжению в момент формирования с помощью фотолитографии и диффузионных процессов областей p-типа проводимости на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры проецируется структура соосно расположенных первого охранного кольца 29.1 расположенного по периметру области анода 21, и второго охранного кольца 29.2 расположенного за пределами области анода 21 на определенно требуемом расстоянии; при этом охранные кольца 29.1 и 29.2 p-типа проводимости расположены в одной плоскости и имеют одинаковую форму и площадь поперечного сечения. Данное расстояние учитывает все основные возможные технологические погрешности, связанные с фотолитографическими и диффузионными процессами, такими как: уход легируемой примеси в основной плоскости кремниевой пластины (боковая диффузия); погрешность, связанная с клином травления диэлектрического слоя 30 оксида кремния; погрешность, связанная с рассовмещением группы слоев по фотолитографии. Два охранных кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости расположены на расстоянии распространения области пространственного заряда в половину расстояния между охранными кольцами 29.1, 29.2 при потенциале близком к пробивному обратному напряжению каждого из охранного колец 29.1, 29.2 в отдельности, то есть расстояние между охранными кольцами 29.1, 29.2 равно сумме расстояний распространения областей пространственных зарядов каждого охранного кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости на половину расстояний между охранными кольцами 29.1, 29.2 p-типа проводимости при подаче потенциала, близкого к пробивному обратному напряжению каждого из охранного колец 29.1, 29.2 p-типа проводимости в отдельности. Область контакта к аноду 21, охранные кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости и десятая алюминиевая контактная площадка 5.10 интегрального преобразователя 20 температуры имеют форму прямоугольника с закругленными углами, где радиус кривизны не регламентируется, что также необходимо для повышения пробивного обратного напряжения. Расстояние между охранными кольцами 29.1, 29.2 p-типа проводимости определяется технологическим процессом и свойствами эпитаксиального слоя 25, выполненного из кремния n-типа проводимости. Сочетание двух параллельно расположенных охранных колец 29.1, 29.2 p-типа проводимости способно значительно повысить пробивное обратное напряжение интегрального преобразователя 20 температуры. Одиннадцатая алюминиевая контактная площадка 5.11 катода 22 интегрального преобразователя 20 температуры соединена, например, через седьмую 6.7 алюминиевую проволоку с первым выводом 2.1 корпуса 1 датчика абсолютного давления. Десятая алюминиевая контактная площадка 5.10 анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры соединена, например, через шестую алюминиевую проволоку 6.6 с седьмым выводом 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления.
Поверхность интегрального преобразователя 7 давления и интегрального преобразователя 20 температуры, входящих в состав поверхности полости корпуса, защищаются с помощью коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия 18.1, 18.2 от воздействия коррозии.
Устройство работает следующим образом.
Датчик давления, содержащий в корпусе 1 датчика абсолютного давления чувствительный элемент 3 абсолютного давления способный измерять абсолютное давление, то есть давление, подаваемое потоком рабочей среды на лицевую сторону 9 интегрального преобразователя 7 давления с алюминиевыми контактными площадками 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, тензорезисторами 11 и средствами 12 электрических соединений относительно вакуума, и интегральный преобразователь 20 температуры способный измерять температуру потока рабочей среды на лицевую сторону 9 интегрального преобразователя 7.
При подаче номинального давления потоком рабочей среды на чувствительный элемент 3 абсолютного давления, размещенного в корпусе 1 датчика абсолютного давления с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления и соединенного с корпусом 1 датчика абсолютного давления клеем-герметиком 4.1 и алюминиевыми контактными площадками 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 с выводами 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 и имеющего вакуумированную полость 19 между интегральным преобразователем 7 давления и основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, жестко связанные слоем легкоплавкого стекла 16 в области утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя 7 давления, с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления через штуцер 17 в корпусе 1 датчика абсолютного давления для подвода давления, происходит перемещение утоненной части 13 и трёх жестких центров 15.1, 15.2, 15.3 квадратной кремниевой мембраны в вакуумированной полости 19 чувствительного элемента давления 3, где толщина слоя легкоплавкого стекла 16 между оборотной стороной 10 интегрального преобразователя 7 давления и основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления позволяет иметь свободный ход мембраны, приводящий к изменению сопротивления тензорезисторов 11 p-типа проводимости, объединенных в мостовую схему средствами 12 электрических соединений и алюминиевыми контактными площадками 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 интегрального преобразователя 7 давления, сформированных на лицевой стороне 9 интегрального преобразователя 7 давления. Подача напряжения питания и снятие выходного сигнала с чувствительного элемента давления происходит через алюминиевые контактные площадки 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, соединенные с выводами 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5.
+
При измерении температуры среды интегральным преобразователем 20 температуры, созданного в виде отдельного кристалла диода Шоттки, имеющем эпитаксиальный слой 25, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем 30 оксида кремния, и подложку 26, выполненную из кремния n-типа проводимости, и размещенного в корпусе 1 датчика абсолютного давления с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления и соединенного оборотной стороной 23 интегрального преобразователя 20 температуры с корпусом 1 датчика абсолютного давления высокотемпературным клеем 4.2 и алюминиевыми контактными площадками 5.10, 5.11 на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры с выводами 2.7, 2.1 корпуса 1 датчика абсолютного давления седьмой алюминиевой проволокой 6.7 на одиннадцатую алюминиевую контактную площадку 5.11 катода 22 интегрального преобразователя 20 температуры, где подается потенциал «земля» с помощью первого вывода 2.1 корпуса 1 датчика абсолютного давления, и шестой алюминиевой проволокой 6.6 на десятую алюминиевую контактную площадку 5.10 анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры с подслоем 28 металла из молибдена между кремнием и алюминием для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры, где подается постоянный ток с помощью вывода 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления. Номинал значения подаваемого постоянного тока может варьироваться от 0,1 мА до 1,0 А.
+
+
+
+
+
+
+
+
При подаче постоянного тока между десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10 анода 21 с подслоем 28 металла из молибдена между кремнием и алюминием для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры, структура которого сформирована на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры из области для контакта в виде барьера Шоттки между эпитаксиальным слоем 25 n-типа проводимости и напыленным тонким подслоем металла из молибдена 28 для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры, поверх которого дополнительно напылён слой металла из алюминия, являющимся также десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10, где по периметру области контакта к аноду 21 интегрального преобразователя 20 температуры формируется охранные кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости (где ширина охранных колец 29.1, 29.2 не регламинтируется) с толщиной охранных колец 29.1, 29.2 существенно меньше толщины эпитаксиального слоя 25, необходимой для достаточного распространения области пространственного заряда и, как следствие, повышения пробивного обратного напряжения в структуре интегрального преобразователя 20 температуры при обратном смещении; и одиннадцатой алюминиевой контактной площадкой 5.11 катода 22 интегрального преобразователя 20 температуры, структура которого сформирована на лицевой стороне 24 интегрального преобразователя 20 температуры из области 27 для омического контакта n-типа проводимости с подложкой 26 n-типа проводимости, где поверх области 27 для омического контакта n-типа проводимости с подложкой 26 n-типа проводимости напыляется алюминий для создания одиннадцатой алюминиевой контактной площадки 5.11; при прямом смещении барьера Шоттки между эпитаксиальным слоем 25 n-типа проводимости и с термически обработанным в инертной среде подслоем 28 молибдена для анода 21 интегрального преобразователя 20 температуры происходит определенное падение напряжения и его линейное изменение при варьировании температуры внутри корпуса 1 датчика абсолютного давления, что позволяет использовать интегральный преобразователь 20 температуры в качестве датчика температуры. При обратном смещении расстояние между первым и вторым охранными кольцами 29.1, 29.2 p-типа проводимости связано с наличием возможных технологических погрешностей по фотолитографическим и диффузионным процессам. Два охранных кольца 29.1, 29.2 p-типа проводимости расположены на расстоянии распространения области пространственного заряда в половину расстояния между охранными кольцами 29.1, 29.2 при потенциале близком к пробивному обратному напряжению каждого из охранного колец 29.1, 29.2 в отдельности. Как следствие, смыкание двух областей пространственного заряда между двумя охранными кольцами 29.1, 29.2 p-типа проводимости позволяет увеличить диапазон пробивного обратного напряжения диода Шоттки. Добавление третьего охранного кольца в данной выбранной структуре эпитаксиального слоя 25 n-типа проводимости со сравнительно низким удельным сопротивлением приведет к сокращению показателя пробивного обратного напряжения интегрального преобразователя 20 температуры.
При подаче постоянного тока между десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10 анода 21 и одиннадцатой алюминиевой контактной площадкой 5.11 катода 22 интегрального преобразователя 20 температуры и изменении температуры потоком рабочей среды происходит линейное изменение падения напряжения при прямом смещении.
Благодаря повышенному значению пробивного обратного напряжения интегрального преобразователя 20 температуры потенциально одиннадцатая алюминиевая контактная площадка 5.11 катода 22 интегрального преобразователя 20 температуры может быть соединена с четвертой 5.4 или пятой алюминиевой контактной площадкой 5.5 с потенциалом «земля» интегрального преобразователя 7 давления. Увеличение пробивного обратного напряжения интегрального преобразователя 20 температуры снижает показатели токов утечки интегрального преобразователя 20 температуры при увеличении температуры. В диапазоне тока от 0,1 мкА до 1 мА увеличенное значение пробивного обратного напряжения интегрального преобразователя 20 температуры позволяет улучшить линейность характеристики по измерению температуры среды датчиком температуры при повышенных положительных температурах до 120°С.
Для минимизации влияния от воздействий коррозии на параметры интегрального преобразователя 7 давления и интегрального преобразователя 20 температуры поверхность интегрального преобразователя 7 давления и интегрального преобразователя 20 температуры, входящих в состав поверхности полости корпуса, защищаются с помощью коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия 18.1, 18.2.
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно возможность измерения температуры потока рабочей среды датчика абсолютного давления с помощью интегрального преобразователя 20 температуры в виде диода Шоттки, созданного отдельным кристаллом, и расположенным в непосредственной близости от чувствительного элемента 3 абсолютного давления.