ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С АЛМАЗНОЙ МЕМБРАНОЙ

Полезная модель относится к области электроники, а именно к конструкции емкостного датчика давления с алмазной мембраной, 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. 1, М., Мир, 1992, с. 383].
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 и рабочая температура за счет наличия термоусадочных элементов между электродом мембраны и металлизацией неподвижного электрода, рядом с которым он расположен;
- существует риск короткого замыкания между электродом мембраны и металлизацией неподвижного контакта;
- сложность производства, связанная с наличием излишних элементов и необходимостью приварки электрода к тонкой алмазной мембране.
Улучшение параметров алмазного датчика давления может быть достигнуто применением алмазной мембраны особой формы, при этом сама мембрана, состоящая из высокоомного алмаза, выполняет роль изолятора между обкладками конденсатора емкостного датчика, заменяя термоусадочные элементы.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является алмазный датчик давления, описанный в источнике [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-алмазы. Применение в электронике / 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 и стабильности измерений, увеличении надежности конструкции и рабочей температуры, исключении возможности короткого замыкания во время работы и упрощении технологии производства датчика давления.
Технический результат достигается тем, что в емкостном датчике давления, состоящем из металлизированных с одной из сторон основания, выполненного из кремниевой пластины, и алмазной мембраны, алмазная мембрана, полученная путем травления толстой алмазной пленки или пластины, имеет, вследствие этого, выступы по краям пластины на стороне, противоположной нанесенному металлу, и обращена этими выступами к кремниевой пластине, которая покрыта металлизацией с этой стороны.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен алмазный датчик давления общий вид.
На фиг. 2 изображен схематический чертеж алмазной пластины с вытравленной мембраной.
На фиг. 3 показана сборка алмазного датчика давления.
На фиг. 4 структурная электрическая схема датчика давления.
Предлагаемый алмазный датчик давления содержит алмазную мембрану (2), изготовленную путем травления алмазной пленки, слой металлизации (5) мембраны (2). Кроме того, алмазный датчик давления содержит основание (4), выполненное из кремниевой пластины и покрытое слоем металлизации (3).
Все вышеперечисленные элементы соединяются между собой в процессе изготовления, который осуществляется в следующем порядке.
Сначала берут основание (4), выполненное из кремниевой пластины, и наносят на него слой металлизации (3) (алюминия).
После этого берут толстую алмазную пленку или тонкую пластину толщиной 12 мкм, с одной стороны вытравливают углубление (7) глубиной 9 мкм, а с другой стороны наносят слой металлизации (5).
Для окончательной сборки алмазного датчика давления сначала приваривают электроды (1) и (6) к слоям металлизации (3) и (5) соответственно, а затем скрепляют основание (4) и мембрану (2) между собой при помощи термоклея (более подробно процесс изготовления алмазного датчика давления описан ниже).
На фиг. 3 показана сборка алмазного датчика давления. Текучую среду, давление которой необходимо измерить, подводят к рабочему объему (8) с помощью трубки (9) с выходным отверстием (10). Алмазный датчик давления имеет крышку (11).
Принцип работы алмазного датчика давления основан на изменении емкости конденсатора, образованного слоем металлизации (3), неподвижно располагающимся на основании (4), и подвижным слоем металлизации (5), располагающимся на мембране (2), при изменении давления текучей среды, например, газа или жидкости, которая через отверстие (10) воздействует на мембрану (2), прогибая ее. При отсутствии давления среды на мембрану (2) слой металлизации (5), располагающийся на ней, располагается параллельно неподвижному слою металлизации (3), расположенному на основании (4). При подаче текучей среды по трубке (9) от действия давления текучей среды на мембрану (2) она прогнется. Вместе с ней прогнется и слой металлизации (5), располагающийся на этой мембране (2). Расстояние между ним и неподвижным слоем металлизации (3) изменится, что приведет к изменению емкости между подвижным слоем металлизации (5) и неподвижным слоем металлизации (3).
Данное изменение будет зафиксировано и преобразовано в код в преобразователе емкость-код (13), (фиг. 4, на котором изображена структурная электрическая схема датчика давления, включающего емкостный датчик (12)). После этого код будет направлен в устройство управления и сбора информации (14), а оттуда - в персональный компьютер (15).
Пленка из 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 травления пленки алмаза, позволило при разработке технологии изготовления применить стандартное технологическое оборудование для изготовления изделий микроэлектроники.
Поскольку 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 кремниевое основание со слоем металлизации в виде алюминиевой пленки, напыленной по поверхности с выведенным за его пределы проволочными электродами.
Таким образом, схема алмазного датчика давления в сборе представляет собой сэндвич из двух обкладок, соединенных посредством термоклея, полимеризованного 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 5,0×5,0×0,00012 мм, а нижняя - 5,0×8,0×0,5 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 25 пФ.
В предложенной конструкции алмазного датчика чувствительный элемент в виде мембраны изготовлен из пленки монокристаллического 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.
Таким образом, исключаются технологические операции изготовления термоусадочных элементов. Электрод приваривается не к металлизации мембраны, а к краевому выступу, что повышает качество сварки и влияет на точность измерений. Точность и стабильность измерений также повышается за счет исключения термоусадочных элементов имеющих остаточную деформацию и низкую стойкость к высокой температуре. Риск короткого замыкания исключается наличием мембраны из высокоомного алмаза, между обкладками конденсатора, образованного металлизацией самой мембраны и металлизацией кремниевого основания. Из-за этого возникает возможность увеличить емкость конденсатора за счет уменьшения расстояния между обкладками и, следовательно, дополнительно повысить точность измерений.