АЛМАЗНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области электроники, а именно к конструкции алмазного датчика давления, который может быть использован в различных видах промышленности для измерения давления при воздействии повышенной температуры, ионизирующего излучения, химически агрессивных сред.
Из уровня техники известны конструкции датчиков давления емкостного типа. Принцип работы этих датчиков основан на изменении емкости конденсатора от приложенной нагрузки на одну из обкладок конденсатора [Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. / Перевод под ред. А.С. Обухова, т.
., Мир, 1992, с. 383].
1.М
.
Также из уровня техники известна конструкция емкостного датчика давления, содержащего первую кремниевую пластину, на которой расположены термоусадочные элементы, и чувствительный элемент из поликристаллического CVD-алмаза, скрепленный с упомянутыми термоусадочными элементами [патент US 6613601 В1, опубл 02.09.2003]. Датчик работает следующим образом. При воздействии давления на чувствительный элемент он прогибается, меняя расстояние между первым электродом и вторым, которым является слой металлизации первой пластины кремния, и меняет, таким образом, емкость. При этом пропорционально изменению емкости меняется выходной сигнал в специальной измерительной схеме, в которую датчик включен. Изменение выходного электрического сигнала пропорционально перемещению мембраны, которое, в свою очередь, пропорционально давлению, вызывающему это перемещение.
Недостатками указанной конструкции являются:
- сравнительно ограниченная точность измерения за счет паразитной емкости между электродом мембраны и металлизацией неподвижного электрода, рядом с которым он расположен;
- необходимость формирования на алмазной мембране контактной площадки для приварки электрода в связи с низкой адгезией наносимых на алмаз металлических слоев;
- сложность производства, связанная с необходимостью приварки электрода к тонкой алмазной мембране.
Улучшение параметров алмазного датчика давления может быть достигнуто разделением слоя металлизации на неподвижном основании на две части, при этом электроды привариваются только к металлизации неподвижного основания.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является алмазный датчик давления [патент RU 89240 U1, опубл. 27.11.2009]. Указанный алмазный датчик давления содержит первую кремниевую пластину со слоем металлизации, например, из алюминия, являющуюся первым электродом, термоусадочные элементы (столбики), выполненные из полиуретана. Кроме того, алмазный датчик давления содержит вторую кремниевую пластину с отверстием в ней, чувствительный элемент из поликристаллического CVD-алмаза в виде пленки поликристаллического CVD-алмаза. Чувствительный элемент покрыт слоем металлизации. К слою металлизации чувствительного элемента присоединен второй электрод.
.
Поликристаллический CVD (Chemical Vapor Deposition) алмаз широко известен из уровня техники (см., например, Ральченко В., Конов В. CVD-алмазыПрименение вэлектронике // Электроника, Выпуск 4/2007).
Указанный алмазный датчик имеет широкий диапазон измерений, он является универсальным. Однако широта диапазона и универсальность указанного алмазного датчика давления отрицательно влияет на точность измерений.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении точности измерений и упрощении технологии производства датчика давления.
Технический результат достигается тем, что в алмазном датчике давления, содержащем основание, выполненное из первой кремниевой пластины, на котором расположены термоусадочные столбики, и мембрану, скрепленную с упомянутыми столбиками и выполненную путем нанесения пленки поликристаллического CVD-алмаза на поверхность второй кремниевой пластины с отверстием, при этом обращенные друг к другу стороны основания и мембраны покрыты слоем металлизации, слой металлизации на основании разделен на два контакта, к каждому из которых присоединен электрод.
Таким образом, исключаются технологические операции формирования контактной площадки на мембране и приварки электрода к слою металлизации мембраны. Точность измерений повышается за счет исключения паразитной емкости между электродом мембраны и основанием и снижения влияния геометрических размеров слоя металлизации на мембране на величину емкости датчика давления.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен алмазный датчик давления в разобранном виде, общий вид.
На фиг. 2 изображено основание в процессе изготовления алмазного датчика давления после нанесения слоя металлизации (алюминия) и приварки алюминиевых электродов, вид сбоку.
На фиг. 3 изображена в процессе изготовления алмазного датчика давления мембрана после нанесения с одной ее стороны слоя из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 12 мкм, а с другой ее  - слоя из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 3 мкм (маска для травления), вид сбоку.
На фиг. 4 изображена в процессе изготовления алмазного датчика давления мембрана после формирования лазерным лучом чувствительного элемента в виде консоли из поликристаллического CVD-алмаза и проведения по маске травления кремния, вид сверху.
На фиг. 5 - сечение А-А фиг. 3 после формирования лазерным лучом чувствительного элемента из поликристаллического CVD-алмаза, проведения по маске травления кремния и нанесения слоя металлизации (алюминий) на мембрану из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 12 мкм.
На фиг. 6 изображен алмазный датчик давления в сборе.
На фиг. 7 изображена структурная схема системы регистрации параметров алмазного датчика давления.
Алмазный датчик давления 1 содержит основание 2, выполненное из первой кремниевой пластины, слой металлизации 3 основания 2, разделенный на два контакта, с электродами 4 и 10, термоусадочные элементы (столбики) 5, выполненные из полиуретана (фиг. 1). Кроме того, алмазный датчик давления содержит мембрану, выполненную путем нанесения пленки поликристаллического CVD-алмаза 8 на поверхность второй кремниевой пластины 6 с отверстием 7 в ней. Мембрана покрыта слоем металлизации 9.
Все вышеперечисленные элементы соединяются между собой в процессе изготовления, который осуществляется в следующем порядке.
Сначала берут основание 2 (фиг. 2) и наносят на него слой металлизации 3 (алюминия) (фиг. 3), разделенный на два контакта.
После этого на вторую кремниевую пластину 6 (фиг. 3) наносят пленку 8 из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 12 мкм, а с другой стороны второй кремниевой пластины 6 наносят пленку 11 (или слой) (маску) из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 3 мкм. Далее по пленке 11 (маске) из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 3 мкм) проводят травление кремния второй кремниевой пластины 6 с обратной ее стороны, получая рабочий объем 7. После этого наносят слой металлизации 9 (алюминий) на пленку 8 из поликристаллического CVD-алмаза толщиной 12 мкм (фиг. 5).
Для окончательной сборки алмазного датчика давления сначала приваривают электроды 4 и 10 к слою металлизации 3 (фиг. 2), а затем скрепляют основание и мембрану между собой при помощи термоусадочных элементов 5 из полиуретана (более подробно процесс изготовления алмазного датчика давления описан ниже).
На фиг. 6 показана сборка алмазного датчика давления в аксонометрии. Текучую среду, давление которой необходимо измерить, подводят к рабочему объему 7 с помощью трубки 12 с выходным отверстием 13. Алмазный датчик давления имеет крышку 14.
Принцип работы алмазного датчика давления основан на изменении емкости конденсатора, образованного слоем металлизации 3, неподвижно располагающимся на основании 2, и подвижным слоем металлизации 9, располагающимся на диафрагме 8, при изменении давления текучей среды, например газа или жидкости, которая через отверстие 7 воздействует на диафрагму 8, прогибая ее. Слои металлизации 3 и 9 образуют обкладки конденсатора. При этом конденсатор фактически состоит из двух конденсаторов, соединенных последовательно, один из которых образуется первым контактом слоя металлизации 3 с электродом 4 и подвижным слоем металлизации 9, а второй - подвижным слоем металлизации 9 и вторым контактом слоя металлизации 3 с электродом 10.
При отсутствии давления среды на диафрагму 8 слой металлизации 9, располагающийся на ней, располагается параллельно неподвижному слою металлизации 3. При подаче текучей среды по трубке 12 от действия давления текучей среды на диафрагму 8 она прогнется. Вместе с ней прогнется и слой металлизации 9, располагающийся на диафрагме 8. Расстояние между ним и неподвижным слоем металлизации 3 изменится, что приведет к изменению емкости между подвижным слоем металлизации 9 и неподвижным слоем металлизации 3.
Данное изменение будет зафиксировано и преобразовано в код в преобразователе емкость-код 15 (фиг. 7). После этого код будет направлен в устройство 16 управления и сбора информации, а оттуда - в персональный компьютер 17.
Пленка 8 поликристаллического CVD-алмаза является основным упругим элементом в алмазном датчике давления, из которого изготовлена мембрана. Благодаря таким ее уникальным свойствам, как чрезвычайно высокая твердость, высокая теплопроводность, прозрачность в широком оптическом диапазоне, большое удельное сопротивление, достигается повышение точности измерений при сохранении широкого диапазона измерений.
Использование упругого чувствительного элемента (мембраны), выполненного путем нанесения пленки поликристаллического CVD-алмаза 8 на кремниевую пластину, позволило при разработке технологии изготовления применить стандартное технологическое оборудование для изготовления изделий микроэлектроники.
При изготовлении мембраны алмазного датчика давления из алмазной пленки, нанесенной на кремниевую пластину, используется сочетание планарной технологии с другими технологиями, состоящее в применении глубокого травления кремния, для получения основного чувствительного элемента алмазного датчика: мембраны.
Использование мембраны, выполненной путем нанесения пленки поликристаллического CVD-алмаза на кремниевую пластину, позволило при разработке технологии изготовления применить стандартное технологическое оборудование для изготовления изделий микроэлектроники.
Для получения мембраны из пленки CVD-алмаза использовался процесс глубокого анизотропного травления кремния. Уникальность свойств пленки синтетического алмаза, а именно высокая химическая стойкость к любым кислотам и щелочам, позволила использовать ее и в качестве упругого элемента, и в качестве стопора глубокого травления, и в качестве маски глубокого травления кремния.
Поскольку синтетическая алмазная пленка обладает уникальными свойствами, а именно она химически стойкая практически во всех кислотах и щелочах, то формирование топологии возможно только с помощью процессов ионного травления или лазерного «рисования» элементов алмазных датчиков.
Вторая часть чувствительного элемента, исполняющая роль второй обкладки конденсатора, представляет собой сапфировое основание со слоем металлизации в виде алюминиевой пленки, напыленной по поверхности в виде двух отдельных контактов с выведенными за их пределы проволочными электродами.
Таким образом, схема алмазного датчика давления в сборе представляет собой сэндвич из двух обкладок, сочлененных посредством полиуретановых прокладок, полимеризованных в условиях повышенной температуры и давления.
Очевидно, что номинальные значения емкости в подобных конструкциях зависят от габаритных размеров составляющих деталей, перекрываемых металлизированных площадей и физико-механических свойств примененных диэлектрических материалов.
В практической реализации предлагаемой полезной модели диафрагма имеет размеры 8,0×8,0×0,3 мм, а нижняя - 8,0×8,0×0,5 мм.
В качестве базовой конструкции для алмазных датчиков давления выбраны металлостеклянные корпуса 3301.8 по КЮЯЛ 431433.023-02 ТУ (ТО-8) производства завода «МАРС» (г. Торжок). Массогабаритные характеристики корпусов: вес 13,6 г и наружный ∅12,75 при общей высоте (вместе с баллоном КЮЯЛ 433684.001-05) 15 мм представляются оптимальными. При этом понадобилась доработка корпусов введением столика для наиболее рационального использования внутреннего объема.
В конструкции выбранного типа ТО-8 предусмотрены две выходные воздушные трубки, одна из них - откачной штенгель, посредством которых при подаче избыточного давления проводится аттестация детекторов. Штенгель после использования механизма холодного отпая должен быть пропаян и закрыт защитным колпачком.
Изготовленные алмазные датчики давления по результатам измерения на измерителе цифровом L.C.R. Е7-8 имеют емкость 8 пФ.
В предложенной конструкции алмазного датчика чувствительный элемент в виде мембраны изготовлен из пленки поликристаллического CVD-алмаза. У алмаза коэффициент термического расширения в 4-6 раз ниже, чем у кремния, радиационная стойкость в 100 раз выше, а химическая стойкость является наивысшей, что позволяет расширить диапазон измерений алмазного датчика давления, повысить точность измерений при сохранении широкого диапазона измерений.