МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЬ
MULTIFUNCTIONAL MEASUREMENT MODULE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании многофункциональных интегральных датчиков, обеспечивающих одновременное измерение давления, ускорения, температуры.
Известен чувствительный элемент для датчиков давления, силы, акселерометров. Чувствительный элемент содержит мембрану из полупроводникового материала с резисторами на лицевой стороне, основное утолщение из того же материала для заделки края мембраны с тыльной стороны. Чувствительный элемент снабжен дополнительным утолщением для заделки края мембраны с лицевой стороны, выполненным из того же материала [1].
Недостатком является низкая собственная частота и ограниченный диапазон при использовании чувствительного элемента для измерения ускорения, а также низкий рабочий температурный диапазон функционирования чувствительного элемента.
Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа, является преобразователь физических величин, имеющий чувствительные элементы измерения давления, вибрации/ускорения, температуры. Чувствительный элемент измерения давления представляет собой профилированный участок кремниевой подложки со сформированными на нем сенсорными элементами, объединенными в измерительный мост Уитстона, нечувствительным к ускорению и вибрации. Чувствительный элемент измерения ускорения содержит сенсорные элементы в виде измерительного моста Уитстона. Чувствительный элемент измерения температуры выполнен в виде резистора. Чувствительные элементы измерения давления, ускорения и температуры выполнены в едином монолитном исполнении на полупроводниковой кремниевой подложке, закрепленной между двумя крышками-изоляторами.
Чувствительный элемент давления вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный прикладываемому давлению и не зависимый от воздействующего ускорения. Чувствительный элемент вибрации/ускорения вырабатывает выходной сигнал, пропорциональный воздействующей вибрации/ускорению и не зависимый от прикладываемого давления. Измерительные схемы чувствительных элементов выполнены в виде объединенных в мостовую схему Уитстона пьезорезисторов [2].
Недостатком является низкая собственная частота и ограниченный диапазон при измерении воздействующей вибрации/ускорения.
Целью заявляемого изобретения является расширение собственной частоты и диапазона измерения ускорения, расширение температурного диапазона, а также обеспечение одновременного измерения давления, ускорения, температуры.
Поставленная цель достигается тем, что в многофункциональном модуле измерения физических величин, включающем чувствительный элемент измерения давления, представляющий собой профилированный участок кремниевой подложки со сформированной на нем мостовой измерительной схемой Уитстона, чувствительный элемент измерения ускорения, содержащий мостовую измерительную схему Уитстона, чувствительный элемент измерения температуры, выполненный в виде терморезистора, причем чувствительные элементы измерения давления, ускорения и температуры выполнены в едином монолитном исполнении на полупроводниковой кремниевой подложке, закрепленной между двумя стеклами-изоляторами, согласно изобретению чувствительный элемент измерения ускорения выполнен в виде инерционной массы, закрепленной на полупроводниковой кремниевой подложке гибким упругим подвесом, мостовые измерительные схемы Уитстона чувствительных элементов давления и ускорения выполнены на основе поликристаллического кремния на диэлектрическом слое на планарной стороне полупроводниковой кремниевой подложки, причем в стеклах-изоляторах выполнены углубления со стороны размещения инерционной массы чувствительного элемента измерения ускорения для её свободного перемещения.
Выполнение чувствительного элемента измерения ускорения в виде инерционной массы, закрепленной на полупроводниковой кремниевой подложке гибким упругим подвесом, приводит к значительным деформациям гибкого упругого подвеса при воздействии ускорения, что, в свою очередь, приводит к значительному разбалансу измерительного моста, и позволяет увеличить выходной сигнал. А выполнение в стеклах-изоляторах зазора со стороны размещения инерционной массы чувствительного элемента измерения ускорения приводит к её свободным перемещениям в двух направлениях при воздействии ускорения, что позволяет расширить диапазон измерений ускорения.
Чувствительный элемент измерения ускорения не испытывает воздействующего давления в силу размещения над инерционной массой защитного стекла-изолятора.
Выполнение измерительных схем на основе поликремния на слое диэлектрика позволяет значительно увеличить температурный диапазон измерений за счет ухода от изолирующего p-n- перехода измерительных мостовых схем, присущего традиционной микроэлектронной технологии.
Техническая сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1, 2, 3 представлен многофункциональный модуль измерения физических величин. Он включает в себя чувствительный элемент (1) измерения давления, выполненный в виде профилированного участка полупроводниковой кремниевой подложки (2) ориентации (100), профилирование осуществляется посредством анизотропного травления полупроводниковой кремниевой подложки (2) на глубину, определяемую необходимой толщиной мембраны (3), на мембране (3) с планарной стороны полупроводниковой кремниевой подложки (2) сформирована мостовая измерительная схема Уитстона (4) на слое диэлектрика (5), измерительная схема (4) представляет собой легированные примесью поликремниевые тензорезисторы (6).
Модуль включает в себя чувствительный элемент (7) измерения ускорения, который представляет собой инерционную массу (8) на гибком упругом подвесе (9), выполненную посредством анизотропного травления полупроводниковой кремниевой подложки (2), гибкий упругий подвес (9) закреплен на полупроводниковой кремниевой подложке (2) с планарной стороны путем высвобождения инерционной массы (8) при анизотропном травлении и имеет толщину, определяемую диапазоном измерения ускорения. На гибком упругом подвесе (9) с планарной стороны полупроводниковой кремниевой подложки (2) выполнена мостовая измерительная схема Уитстона (10) на слое диэлектрика (5). Мостовая измерительная схема Уитстона (10) представляет собой легированные примесью поликремниевые тензорезисторы (11).
Модуль включает в себя чувствительный элемент (12) измерения температуры и представляет собой терморезистор, выполненный диффузией примеси в полупроводниковую кремниевую пластину (2) в открытые окна диэлектрического слоя (5).
Полупроводниковая кремниевая подложка (2) закреплена между двумя стеклами-изоляторами (13, 14),
Устройство работает следующим образом.
При воздействии прикладываемого давления Р мембрана (3) прогибается, передавая деформацию поликремниевым тензорезисторам (6), объединенным в мостовую измерительную схему Уитстона (4), что при питании мостовой измерительной схемы Уитстона (4) приводит к его разбалансу и появлению выходного напряжения, пропорционального прикладываемому давлению. Подмембранная полость (15) может быть либо вакуумирована, в таком случае измеряемое давление будет абсолютным, либо заполнена газовой средой произвольного состава для создания опорного давления. В данном случае измеряемое давление будет избыточным. Давление может подаваться либо с планарной стороны чувствительного элемента (1), как показано на фиг.1, либо с непланарной стороны. В данном случае в нижнем стекле-изоляторе (14) выполняется сквозное отверстие (16) для подачи давления.
Расположение мостовой измерительной схемы Уитстона (4) на диэлектрическом слое (5) позволяет устранить ток утечки, характерный диффузионной технологии, и позволяет повысить температурный диапазон работы чувствительного элемента (1) измерения давления. Подача питания мостовой измерительной схемы Уитстона (4) чувствительного элемента (1) измерения давления и контроль выходного сигнала осуществляется с контактных площадок (17).
Чувствительный элемент (1) не воспринимает ускорение вследствие малой инерционности за счет малых геометрических размеров профилированного участка и малой толщины мембраны (3).
При воздействии ускорения гибкий упругий подвес (9) чувствительного элемента (7) измерения ускорения прогибается за счет соединения с инерционной массой (8). Возникающая деформация передается поликремниевым тензорезисторам (11), объединенным в мостовую измерительную схему Уитстона (10) чувствительного элемента (7) измерения ускорения, что при питании мостовой измерительной схемы Уитстона (10) приводит к его разбалансу и появлению выходного напряжения, пропорционального прикладываемому ускорению. Чувствительный элемент (7) измерения ускорения не испытывает воздействующего давления в силу размещения инерционной массы между защитными стеклами-изоляторами (13, 14). В стеклах-изоляторах (13, 14) сформированы углубления (18, 19) достаточной глубины для перемещения инерционной массы (8) при воздействии ускорения а в двух направлениях. Наличие пространства, необходимого для свободного перемещения инерционной массы (8), расширяет динамический и частотный диапазоны измерения ускорения.
Расположение мостовой измерительной схемы Уитстона (10) на диэлектрическом слое (5) позволяет устранить ток утечки, характерный диффузионной технологии, и позволяет повысить температурный диапазон работы чувствительного элемента (7) измерения ускорения.
Подача питания мостовой измерительной схемы Уитстона (10) чувствительного элемента (7) измерения ускорения и контроль выходного сигнала осуществляется с контактных площадок (20).
Чувствительный элемент (12) измерения температуры обеспечивает необходимую температурную чувствительность за счет изменения электрического сопротивления, связанного с изменением концентрации носителей заряда в диффузионном слое при изменении температуры. Чувствительный элемент (12) измерения температуры расположен на периферии полупроводниковой кремниевой подложки (2) на «жесткой» её части и не испытывает воздействие прикладываемых давления и ускорения. Для контроля электрического сопротивления чувствительного элемента (12) измерения температуры используются контактные площадки (21).
Техническим результатом является увеличение частотного и динамического диапазона измерения ускорения за счет формирования чувствительного элемента измерения ускорения в виде инерционной массы на упругом подвесе, увеличение температурного диапазона измерения давления и ускорения за счет применения конструктивно-технических решений формирования измерительных схем на основе поликристаллического кремния, а также возможность одновременного измерения давления, ускорения, температуры.
Источники информации
1. Патент РФ №2106610 от 10.03.1998. "Чувствительный элемент", (G01L1/22, G01L9/04), Кобылянский П.А., Тиняков Ю.Н., Мишачев В.И., Михайленко В.А.
2. Патент US 7,178,403 B2 от 20.02.2007. "Transducer responsive to pressure, vibration/acceleration and temperature and methods of fabricating the same". (G01L9/00), Anthony D. Kurtz.