Микроэлектронный датчик давления
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления. Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции, повышение прочности и увеличение надежности датчика давления. Технический результат достигается тем, что в микроэлектронном датчике давления, состоящем из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, прокладки, герметично соединенной со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, в которой со стороны пластины выполнено углубление, аналогичное по форме углублению в ней, кристаллографическая ориентация прокладки совпадает с кристаллографической ориентацией кремниевой пластины, и основания, выполненного из кремния, стекла или керамики и герметично соединенного с прокладкой слоем стекла, основание выполнено со ступенькой, причем внешние боковые размеры верхней части основания больше или равны размеру углубления в прокладке, а внешние боковые размеры нижней части основания полностью идентичны внешним боковым размерам кремниевой пластины, при этом минимальная высота нижней части основания равна 0,75-1,25 высоты кремниевой пластины, а максимальная высота нижней части основания на 40-60 мкм меньше его полной высоты, на мембране выполнен, по крайней мере, один жесткий центр.
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам давления.
Известен датчик разности давлений, представляющий собой кремниевый чувствительный элемент, в центральной части которого с одной стороны выполнено углубление, образующее мембрану, а с другой стороны сформированы диффузионные тензорезисторы; чувствительный элемент помещен в кожух из термопластика и закрыт крышкой из нержавеющей стали. В кожухе и крышке выполнены отверстия для подвода давления к мембране чувствительного элемента. Недостатком такой конструкции является разница в коэффициентах линейного температурного расширения материалов чувствительного элемента и кожуха, которая приводит к передаче на мембрану чувствительного элемента деформаций и напряжений, возникающих в кожухе датчика, что в свою очередь, вызывает дополнительные погрешности и приводит к снижению точности измерений. Дж. Фрайден Современные датчики. Справочник. М.: Техносфера, 2006, стр. 368. Аналог.
Известен микроэлектронный датчик давления, состоящий из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, и из основания, герметично соединенного со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, основание имеет Т-образную форму и состоит не менее чем из двух герметично соединенных стеклом частей, нижняя часть основания выполнена из кремния, стекла или керамики, а остальные части основания выполнены из кремния, причем в верхней части основания со стороны чувствительного элемента выполнено углубление, аналогичное углублению в чувствительном элементе, кристаллографическая ориентация верхней части основания совпадает с кристаллографической ориентацией чувствительного элемента, а внешние боковые размеры нижней части основания меньше боковых размеров углубления. Недостатками прототипа являются ограниченный линейный участок преобразовательной характеристики, за пределами которого существенно возрастает погрешность нелинейности, и пониженная чувствительность датчика давления, обусловленные использованием плоской мембраны; недостаточная прочность Т-образного основания из-за наличия углубления в его верхней части со стороны чувствительного элемента; недостаточная прочность и надежность соединения основания с корпусом датчика из-за малой площади нижней части Т-образного основания; сложность сборки датчика из-за необходимости использования центрирующих втулок, повышенные требования к точности обеспечения размеров как деталей оснований, так и направляющих. Патент Российской Федерации 
2169912, МПК: G01L 9/04, 2001 г. Прототип.
Полезная модель устраняет указанные недостатки.
Техническим результатом полезной модели является увеличение чувствительности и повышение точности измерения давления, упрощение конструкции, повышение прочности и увеличение надежности датчика давления.
Технический результат достигается тем, что в микроэлектронном датчике давления, состоящем из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, прокладки, герметично соединенной со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, в которой со стороны пластины выполнено углубление, аналогичное по форме углублению в ней, кристаллографическая ориентация прокладки совпадает с кристаллографической ориентацией кремниевой пластины, и основания, выполненного из кремния, стекла или керамики и герметично соединенного с прокладкой слоем стекла, основание выполнено со ступенькой, причем внешние боковые размеры верхней части основания больше или равны размеру углубления в прокладке, а внешние боковые размеры нижней части основания полностью идентичны внешним боковым размерам кремниевой пластины, при этом минимальная высота нижней части основания равна 0,75-1,25 высоты кремниевой пластины, а максимальная высота нижней части основания на 40-60 мкм меньше его полной высоты, на мембране выполнен, по крайней мере, один жесткий центр.
Полезная модель поясняется фигурами 1-3.
На Фиг. 1 показан продольный разрез конструкции микроэлектронного датчика давления, где 1 - корпус микроэлектронного датчика давления, 2 - чувствительный элемент, 3 - гермовыводы, 4 - металлические проводники, 5 - крышка, 6, 7 - отверстия для подвода давления.
На Фиг. 2 - вид сверху на датчик с установленным чувствительным элементом, где 8 - контактная площадка.
На Фиг. 3 - продольный разрез чувствительного элемента, где 9 - кремниевая пластина, 10 - прокладка, 11 - основание, 12, 13 - углубления, 14 - мембрана, 15 - жесткий центр, 16 - диффузионные тензорезисторы, 17, 18 - отверстия для подвода давления, 19 - соединительный слой, h - зазор между прокладкой и верхней частью основания.
Чувствительный элемент 2 (см. Фиг. 1) закрепляется в корпусе 1 микроэлектронного датчика давления посредством приклейки, пайки припоем, эвтектическим сплавом или стеклом. Подключение датчика давления к схеме обработки сигнала производится через металлостеклянные гермовыводы 3, электрические соединения которых с контактными площадками 8 (см. Фиг. 2) осуществляются металлическими проводниками 4 методом термокомпрессионной, ультразвуковой или контактной микросварки. Для защиты чувствительного элемента от механических повреждений корпус датчика давления закрывается защитной крышкой 5, в центральной части которой выполнено отверстие 6 для подвода давления. В случае датчика избыточного или дифференциального давления в корпусе 1 также предусматривается отверстие 7 для сообщения мембраны чувствительного элемента 2 с окружающей средой (для измерения избыточного давления) или подвода второго канала давления (для измерения разности давления). Для датчика абсолютного давления данное отверстие не выполняется.
Чувствительный элемент 2 (см. Фиг. 3) состоит из кремниевой пластины 9, прокладки 10 и основания 11, герметично соединенных между собой слоем 19 стекла или эвтектического сплава. В центральной части кремниевой пластины 9 со стороны прокладки 10 выполнено углубление 12, не выходящее на край пластины, по крайней мере, с одним центральным выступом, образующее мембрану 14 с жестким центром 15. В верхней части мембраны 14 чувствительного элемента 2 сформированы четыре диффузионных тензорезистора 16, объединенных в мостовую схему.
Внешние боковые размеры прокладки 10 совпадают с внешними боковыми размерами кремниевой пластины 8, высота прокладки 10 составляет 0,75-1,25 высоты кремниевой пластины 9. В верхней части прокладки 10 со стороны кремниевой пластины 9 выполняется углубление 13, идентичное по форме мембране 14. В случае датчика избыточного или дифференциального давления с другой стороны прокладки 10 предусматривается отверстие 17 для подвода давления. Наличие жесткого центра 15 и углубления 13 позволяют ограничить прогиб мембраны 14, и, тем самым, в несколько раз увеличить ее стойкость к воздействию перегрузочного давления.
Боковые размеры верхней части основания 11 меньше внешних боковых размеров кремниевой пластины 9 и прокладки 10, так что между прокладкой 10 и нижней частью основания 11 образуется зазор h, но больше или равны размеру углубления 13 в прокладке 10, чтобы помимо эффективной развязки обеспечивалась достаточная прочность соединения основания с прокладкой, поскольку в процессе эксплуатации мембрана 14 может подвергаться воздействию перегрузки со стороны углубления 13.
При эксплуатации датчиков разности давлений, у которых размер углубления 13 в прокладке 10 превышал размеры верхней части основания 11, при гидроударе, действующем со стороны углубления 13, наблюдалось разрушение не только мембраны 14, но и прокладки 11 по контуру, расположенному между границами углубления 13 и внешними границами верхней части основания 11. Расчетным путем установлено и на опытных образцах чувствительных элементов подтверждено, что применение оснований с размерами верхней части меньше размеров углубления в прокладке снижает прочность прокладки на 7-15% относительно варианта, когда указанные размеры совпадают, а в случае, когда размеры верхней части основания превышают размеры углубления в прокладке, можно добиться увеличения прочности прокладки на 20-35%.
Минимальная высота нижней части основания 11 по прочностным показаниям не должна быть меньше 0,75-1,25 толщины кремниевой пластины 9, максимальная высота определяется технологическими возможностями обеспечения зазора h при соединении прокладки 10 и основания 11. При пайке стеклом максимальная высота нижней части основания должна быть как минимум на 40-60 мкм меньше его полной высоты.
Жесткий центр 15 выступает в роли концентратора напряжений и позволяет увеличить чувствительность и линейность преобразовательной характеристики чувствительного элемента. Введение двух дополнительных концентраторов напряжений в конструкцию чувствительного элемента (на фигурах не показано) позволяет при большей толщине мембраны дополнительно повысить чувствительность и снизить погрешности датчика, не поддающиеся компенсации, в частности температурный гистерезис нуля и чувствительности, за счет уменьшения площади мембраны в области размещения тензорезисторов.
Работа микроэлектронного датчика давления происходит следующим образом.
Давление измеряемой среды, подаваемое через отверстие 6 в крышке 5 корпуса 1 датчика, вызывает деформацию мембраны 14 с жестким центром 15 чувствительного элемента 2, образованной углублением 12, которая преобразуется в электрический сигнал посредством изменения электрического сопротивления диффузионных тензорезисторов 16, объединенных в мост Уитстона. Для сообщения мембраны 15 с окружающей средой (при измерении избыточного давления) или подвода к ней второго канала давления (при измерении дифференциального давления) в корпусе 1, основании 11 и прокладке 10 предусматриваются отверстия 7, 18 и 17 соответственно. Электрический сигнал с тензорезисторов 16, снимаемый с контактных площадок 8, через металлические проводники 4 и гермовыводы 3 передается на электронную схему датчика для его обработки и нормализации (при необходимости). Герметичное соединение кремниевой пластины 9, прокладки 10 и основания 11 достигается с помощью соединительных слоев 19 из стекла или эвтектического сплава.
При воздействии рабочего давления, величина которого может достигать десятков мегапаскалей, а также при изменении температуры внешней среды, корпус 1 датчика, оказывается подверженным деформации. Для уменьшения влияния температурной деформации корпуса 1 на кремниевую пластину 9 и мембрану 14, выполняется развязка в виде прокладки 10 и основания 11. Развязка, препятствующая распространению деформации на кремниевую пластину 9, получается при выполнении основания со ступенькой, при этом боковые размеры верхней части основания меньше внешних боковых размеров кремниевой пластины 9 и прокладки 10, так что между прокладкой 13 и нижней частью основания 17 образуется зазор h, но больше или равны размеру углубления 12 в прокладке 10. Применение такой развязки обеспечивает жесткость крепления конструкции, при этом не происходит уменьшения площади соединения чувствительного элемента 2 с корпусом 1 датчика и отпадает необходимость использования специальных направляющих втулок для центровки основания относительно прокладки и чувствительного элемента при его сборке. Подбор высоты углубления 13 в прокладке 10, в 2-3 раза превышающей прогиб мембраны 14 при номинальном давлении, позволяет в несколько раз увеличить стойкость мембраны к воздействию перегрузочного давления, действующего со стороны размещения диффузионных тензорезисторов 16.
Преимуществами предлагаемого микроэлектронного датчика давления являются простота конструкции, удобство сборки, повышенная стойкость к давлению, действующему на отрыв, высокая линейность преобразовательной характеристики и стабильность работы при воздействии температур в широком диапазоне.
Микроэлектронный датчик давления, состоящий из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами; кремниевой прокладки, герметично соединенной со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, в которой со стороны пластины выполнено углубление, аналогичное по форме углублению в ней, кристаллографическая ориентация прокладки совпадает с кристаллографической ориентацией кремниевой пластины, и основания, выполненного из кремния, стекла или керамики и герметично соединенного с прокладкой слоем стекла, отличающийся тем, что основание выполнено со ступенькой, причем внешние боковые размеры верхней части основания больше или равны размеру углубления в прокладке, а внешние боковые размеры нижней части основания полностью идентичны внешним боковым размерам кремниевой пластины, при этом минимальная высота нижней части основания равна 0,75-1,25 высоты кремниевой пластины, а максимальная высота нижней части основания на 40-60 мкм меньше его полной высоты, на мембране выполнен, по крайней мере, один жесткий центр.
