Полупроводниковый чувствительный элемент датчика давления
Полезная модель предназначена для обеспечения высокоточного измерения давлений в широком диапазоне температур и давлений. Предлагаемое изобретение заключается в том, что чувствительный элемент крепится к основанию, представляющем собой стеклянную пластину, через специальное отверстие. Чувствительный элемент выполнен из полупроводникового материала - кремния с напыленными на него тензорезисторами, а основание - из стекла. Основание жестко крепится к корпусу датчика давления. Материалы, из которых выполнены полупроводниковый чувствительный элемент, стеклянное основание и металлический корпус датчика давления подобраны таким образом, что имеют одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения. В корпусе датчика давления имеется отверстие с резьбовым соединением и углубление для крепления резиновой прокладки, компенсирующей внутренние напряжения датчика давления, передаваемые от корпуса датчика давления на металлический корпус чувствительного элемента, если чувствительный элемент вворачивается в материал с отличными характеристиками температурного коэффициента линейного расширения. 1 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при разработке конструкций полупроводниковых датчиков давления для обеспечения высокоточного измерения давлений в широком диапазоне температур и давлений.
Известен датчик давления по патенту России N 1464055, содержащий полупроводниковую мембрану и полупроводниковый корпус, между которыми размещены слой диэлектрика, поликристаллический слой полупроводника и слой стекла, равный по толщине слою полупроводника [1].
Недостатком этого датчика давления является сложность конструкции, поскольку для обеспечения механической и электрической развязки кристалла преобразователя от корпуса в опорное основание вводится три слоя: диэлектрик, поликремний и стекло, каждый из которых требует полировки, подгонки по толщине, что значительно усложняет как конструкцию, так и технологию изготовления датчика. Кроме того, технология усложняется в связи с необходимостью создания микрорельефа поверхности диэлектрика для снижения неравномерности распределения термомеханических напряжений.
Известен полупроводниковый преобразователь давления по патенту России N 1742656, предназначенный для измерения давления жидких и газообразных сред, содержащий корпус, опорный элемент, выполненный из двух отрезков трубок, и кремниевую мембрану с тензорезисторами [2].
Недостатком данного преобразователя давления является применение двух слоев стекла с различными коэффициентами линейного расширения, что может лишь частично улучшить термомеханическую развязку кристалла от корпуса, причем в ограниченном диапазоне температур.
Известен также полупроводниковый чувствительный элемент, который содержит упругий элемент в виде полупроводниковой мембраны со сформированными на ней методами полупроводниковой технологии тензосхемой, состоящей из тензорезисторов и контактной металлизации. На поверхности мембраны нанесена изолирующая пленка, а в теле мембраны вытравлена приемная полость. Упругий элемент жестко соединен со стеклянной буксой и компенсатором в виде диска из полупроводникового материала. В стеклобуксе и диске - компенсаторе сформированы соосные отверстия. К компенсатору через пленку из полупроводникового материала присоединен металлостеклянный элемент, состоящий из стеклодиска и металлической трубки, соединенных неразъемно. Трубка и отверстие в стеклодиске расположены соосно с мембраной и отверстиями [3]. Недостатком этого чувствительного элемента является технологическая сложность изготовления и невозможность достижения в этой конструкции полной компенсации силовых упругих деформаций со стороны корпуса на чувствительный элемент.
Наиболее близким по технической сущности является микроэлектронный датчик давления по патенту России №2169912, выполняемый из двух и более частей со специфической Т-образной формой. Верхняя часть этого датчика полностью идентична с кремниевым чувствительным элементом по конфигурации, размерам и кристаллографической ориентации, а нижняя часть основания выполняется из кремния, стекла или керамики таким образом, что ее внешние размеры полностью вписываются в размеры углубления под мембраной. Недостатком этого датчика является наличие мембраны, соединенной с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента,
выполнение верхней части основания из кремния, что значительно увеличивает стоимость датчиков. [4].
Наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый чувствительный элемент, который содержит упругий элемент в виде полупроводниковой мембраны со сформированными на ней методами полупроводниковой технологии тензосхемой, состоящей из тензорезисторов и контактной металлизации. На поверхности мембраны нанесена изолирующая пленка, а в теле мембраны вытравлена приемная полость. Упругий элемент жестко соединен со стеклянной буксой и компенсатором в виде диска из полупроводникового материала. В стеклобуксе и диске - компенсаторе сформированы соосные отверстия. К компенсатору через пленку из полупроводникового материала присоединен металлостеклянный элемент, состоящий из стеклодиска и металлической трубки, соединенных неразъемно. Трубка и отверстие в стекподиске расположены соосно с мембраной и отверстиями [4].
Недостатком этих чувствительных элементов является сложность конструкции и соединение тензокристалла с основанием стеклянным припоем. Такая технология соединения выполняется при температуре 420°С в течение 30 минут. По техническим требованиям кремниевые кристаллы интегральных преобразователей ИПД2 допускается подвергать термообработке при температуре от 360°С до 420°С не более 30 минут, поскольку может вызвать выход из строя тензорезисторов.
Целью полезной модели является упрощение конструкции, повышение точности измерения величины давления или разности давлений, увеличение надежности работы датчиков давления.
Цель достигается тем, что датчик давления выполнен следующим образом: датчик давления состоит из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, основание выполнено из стекла. Чувствительный элемент крепится к основанию. Стеклянное основание жестко крепится к корпусу чувствительного элемента. Материалы, из которых выполнены полупроводниковый чувствительный элемент, стеклянное основание и металлический корпус датчика давления подобраны таким образом, что имеют одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения. В корпусе датчика давления имеется отверстие с резьбовым соединением и паз для крепления резиновой прокладки, компенсирующей внутренние напряжения чувствительного элемента.
Предлагаемая конструкция чувствительного элемента датчика давления гораздо проще в изготовлении, поскольку имеет только две соединяемые между собой пластины - полупроводниковую и стеклянную.
Поскольку предлагаемая конструкция устраняет влияние термомеханических деформаций корпуса на чувствительный элемент, оказывается возможным выполнить жесткое соединение элементов конструкции с помощью диффузионной сварки. Это увеличивает надежность датчика давления, его стойкость к ударным воздействиям, вибрациям, нестационарным перепадам давления, срок его службы.
Исследования характеристик опытных партий кристаллов датчиков давления, сконструированных предлагаемым образом, показали, что в диапазоне температур от -60 до +100°С температурные коэффициенты дрейфа "нуля" и их нелинейности идентичны, а характеристики температурных коэффициентов
чувствительности также идентичны в предлагаемых чувствительных элементах датчиков давления и при закреплении чувствительных элементов на жидком клее.
Новизна полезной модели подтверждается тем, что в конструкции применены чувствительный элемент, выполненный из кремния и основание из стекла, имеющие одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения, а это упрощает технологический цикл их производства, позволяет улучшить точность и добиться существенного улучшения воспроизводимости характеристик выпускаемых датчиков давления.
На чертеже представлена конструкция датчика давления, где 1 - чувствительный элемент с тензорезисторами; 2 - углубление; 3 - мембрана; 4 - стеклянное основание; 5 - отверстие в основании; 6 - металлический корпус чувствительного элемента; 7 - отверстие в корпусе чувствительного элемента; 8 - углубление в корпусе чувствительного элемента; 9 - резиновая прокладка; 10 - резьбовое крепление датчика; 11 - корпус датчика давления.
Тензорезисторы чувствительного элемента преобразовывают тензометрический сигнал в электрический, то есть чувствительный элемент 1 обеспечивает преобразование механического напряжения деформации в тензометрический сигнал, для чего в нем создается углубление 2 и образуется мембрана 3, на которой размещаются тензорезисторы. Чувствительный элемент 1 крепится на стеклянном основании 4, которое является монолитным. Чувствительный элемент 1 и стеклянное основание 4 соединяются между собой. Для создания датчика предусматривается отверстие в основании 5. Стеклянное основание жестко соединено с металлическим корпусом чувствительного элемента 6, в котором выполнено отверстие 7, расположенное соосно по отношению к отверстию в основании 5. В металлическом корпусе чувствительного элемента выполняется углубление 8 для крепления резиновой прокладки 9. Крепление корпуса чувствительного элемента датчика 6 к корпусу датчика давления 11 производится с помощью резьбового соединения 10.
Принцип работы датчика заключается в преобразовании деформаций чувствительного элемента 1 в электрический сигнал посредством изменения электрического сопротивления тензорезисторов. Датчик в сборке устанавливается в корпус 11, после чего может использоваться для измерения давлений жидкостей и газов. Чувствительный элемент 1 деформируется под действием приложенного к нему измеряемого давления. При подаче эталонных сигналов снимается характеристическая зависимость выходного сигнала микроэлектронного датчика давления от подаваемой величины давления, на основе которой строится градуировочная характеристика датчика. Трудность заключается в том, что при изменении температуры внешней среды корпус датчика, который находится в контакте с ней, оказывается подверженным деформации, вызванной этим изменением. Для того, чтобы свести влияние температурной деформации корпуса на чувствительный элемент 1 к минимуму, датчик давления крепится к основанию методом диффузионной сварки. Для предотвращения воздействий деформаций от корпуса датчика давления на корпус чувствительного элемента в специально выполненное углубление в корпусе чувствительного элемента ставится резиновая прокладка 9, амортизирующая эти силовые воздействия. Резьбовое соединение 10 корпуса чувствительного элемента 6 и корпуса датчика давления 11 обеспечивает их жесткое соединение, уменьшая возможность их взаимного смещения.
Преимуществами предлагаемого датчика давления являются высокая точность, улучшенная воспроизводимость параметров и стабильность работы при воздействии температур в широком диапазоне.
Полупроводниковый чувствительный элемент датчика давления, содержащий полупроводниковую мембрану с выполненным под ней углублением, которое является приемной полостью тензокристалла, на полупроводниковой мембране сформированы соединенные в измерительный мост тензорезисторы, причем периферийная часть мембраны жестко скреплена с соосно расположенным с ней стеклянным основанием, в котором имеется отверстие, стеклянное основание жестко соединено с металлическим корпусом чувствительного элемента датчика давления, в металлическом корпусе имеется отверстие, расположенное соосно отверстию в стеклянном основании, материалы, из которых выполнены полупроводниковый чувствительный элемент, стеклянное основание и металлический корпус чувствительного элемента, имеют одинаковые температурные коэффициенты линейного расширения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и надежности работы датчика давления, металлический корпус чувствительного элемента датчика имеет резьбовое крепление и углубление, в котором размещается резиновая прокладка, служащая амортизатором внутренних давлений, передаваемых от корпуса датчика на металлический корпус чувствительного элемента.
