Интегральный датчик давления

 

Интегральный датчик давления относится к измерительной технике и может быть использован при разработке и изготовлении миниатюрных датчиков давления с полупроводниковым упругим элементом. Цель изобретения - уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления , обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя. Сущность изобретения: интегральный датчик давления содержит профилированный упругий элемент 1 из полупроводникового материала, тонкая мембрана 2 которого выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,5-0,65, а отношение длины основания 3 креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2-0,3, тензорезисторы Ri-R4 мостовой схемы выполнены составными из пяти резистивных участков каждый, которые соединены последовательно друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 5, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью RI и РЗ расположены соответственно вдоль оснований 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны 2, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностью R2 и R4 расположены соответственно перпендикулярно основаниям 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны 2, Источник питания подключен к контактным площадкам 6 и 7, выходной сигнал мостовой схемы снимается с контактных площадок 8 и 9. Положительный эффект: благодаря повышению жесткости тонкой мембраны 2 исключается ее статический прогиб, чувствительность повышается примерно в б раз. 1 ил. ел VI ю а о го ю

C0IQ3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

rs>)s 6 01 L 9/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4920544/10 .(22) 21,03.91 (46) 23,02,93. Бюл. N. 7 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Ю.А,Зеленцов (56) Патент США М 4530244, кл, G 01 1. 9/06, 1984.

Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи, M., 1983, с.61. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Интегральный датчикдавления относится к измерительной технике и может быть использован при разработке и изготовлении миниатюрных датчиков давления с полупроводниковым упругим элементом. Цель изобретения — уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя. Сущность изобретения; интегральный датчик давления содержит профилированный упругий элемент 1 из полупроводникового материала, тонкая мембрана 2 которого выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стоИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в статических и динамических режимах, Известны интегральные датчики, содержащие профилированный упругий элемент из полупроводникового материала с тонкой мем„„Я2„„1796929 А1 роне выбрано в интервале 0,5 — 0,65, а отношение длины основания 3 креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2 — 0,3, тензорезисторы R> — R4 мостовой схемы выполнены составными из пяти резистивных участков каждый, которые соединены последовательно друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 5, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов с положительной чувствительностью

R> и Йз расположены соответственно вдоль оснований 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны 2, а резистивные участки второй пары тензорезисторов с отрицательной чувствительностьe Rz и R4 расположены соответственно перпендикулярно основаниям 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями

3 и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны 2, Источник питания подключен к контактным площадкам 6 и 7, выходной сигнал мостовой схемы снимается с контактных площадок 8 и 9. Положительный эффект; благодаря повышению жесткости тонкой мембраны 2 исключается ее статический прогиб, чувствительность повышается примерно в 6 раз, 1 ил. браной квадратной формы, выполненной травлением и в площади которой с планарной стороны методами полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы мостовой измерительной схемы.

Тензорезисторы мостовой схемы располагаются нв периферии тонкой мембраны и

1796929 при возникновении в мембране упругого элемента механических напряжений от воздействия измеряемого давления одна пара тензорезисторов испытывает напряжения сжатия (тенэорезисторы с отрицаЛR тельной чувствительностью — — ф- < О), а вторая пара — напряжения растяжения (тензореэисторы с положительной чувствитель р . 10 ностью — — > О). Причем механические

R напряжения, возникающие в точках наружной поверхности мембраны, прямо пропорциональны величине измеряемого давления, квадрату стороны мембраны и обратно пропорциональны квадрату ее толщины. При необходимости же измерения давлений меньше 10 Па (< 1,0 кГс/см )

5 г возникает сложность получения упругих элементов с тонкими (не более 15 мкм) мем- 20 бранами при одновременном увеличении их размеров из полупроводникового материала, например из монокристаллического кремния.

Обусловлено это тем, что из-за существенного различия в температурных коэффициентах линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, которым защищается поверхность тонкой мембраны с интегральными тензореэисторами измерительной схемы (например, для кремния аз =-3,7 1061/ С, а для диоксида кремния азюг = 1,6 10 1/ С) на границе полупроводниковый материал— защитный материал возникают остаточные термоупругие деформации, которые приво- 35 дят к статическому прогибу такой мембраны еще в ненагруженном состоянии (при отсутствии измеряемого давления).

Недостатком таких интегральных датчиков является сложность создания упругого элемента с профилированной тонкой квадратной мембраной при одновременном увеличении ее размеров для измерения малых и очень малых давлений без статического прогиба мембраны.

Наиболее близким по технической cywности к изобретению является интегральный преобразователь давления, содержащий профилированный упругий. элемент из полупроводникового материала с мембраной 50 квадратной формы, в площади которой с планарной стороны сформированы методами полупроводниковой технологии интаральные тенэорезисторы мостовой схемы.

Однако интегральный датчик с упругим эле- 55 ментом, имеющим тонкую квадратную мембрану, характеризуется статическим прогибом мембраны в ненагруженном состоянии, определяющим начальную деформацию мембраны и ограничивающим при-. менение такого упругого элемента в конструкциях датчиков малых давлений.

Цель изобретения — уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, Согласно изобретению в интегральном датчике давления, содержащем профилированный упругий элемент из полупроводникового материала, тонкая мембрана которого сформирована локальным травлением материала упругого элемента, причем с планарной стороны мембраны сформированы интегральные тензореэисторы, включенные в мостовую схему и покрытые защитным слоем, мембрана упругого элемента выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине. сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,5 — 0,65, а отношение длины основания креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2-0,3, тензореэисторы мостовой схемы выполнены составными, иэ пяти резистивных участков каждый. соединенных последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов, с положительной тензочувствительностью, расположены, соответственно, вдоль оснований креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов, с отрицательной тензочувствительностью, расположены соответственно, перпендикулярно основаниям креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны.

На чертеже изображен предлагаемый датчик, где 1 — упругий элемент из полупроводникового материала;2 — крестообразная мембрана упругого элемента; 3 — основания креста; 4 — образующие креста; 5 — токоведущие коммутационные дорожки; 6,7 — контактные площадки для подключения источника питания; 8,9 — контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы; R> .,йз — резистивные участки тейзорезисторов R> и Из с положительной чувствительностью; йг, R4 — резистивные

1796929 участки тензорезисторов Rz и R4 с отрицательной чувствительностью, X, V — короткая и длинная оси симметрии соответственно; а, b — размер короткой и длинной сторон креста соответственно;

dip — длина оснований креста;

A,В,С,D,Π— особые точки крестообразной мембраны.

Интегральный датчик давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например из кремния и-типа марки КЭФ-4,5 с ориентацией (001).

Направления осей симметрии X u Y совмещены с кристаллографическими осями (100) и (101j. В упругом элементе 1 локальным, например аниэотропным, травлением сформирована крестообразная мембрана 2. Отношение короткой стороны а<,< креста к его длинной стороне bM выбирается из интервала

0,55 — 0,65 (оптимальным является 0,6). Выбор соотношения сторон крестообразной мембраны из представленного интервала позволяет обеспечить в центре 0 мембраны максимальную разность продольных охр и поперечных оУО полезных механических напряжений. А зто, в свою очередь, позволяет располагать в центре крестообразной мембраны резистивные участки тенэорезисторов. Отношение же длины основания креста

3 — dip к его длинной стороне bM выбирается в интервале 0,2 — 0,3 (оптимальным является 0,25) и определяет максимальную разность полезных продольных оХ и поперечных оу механических напряжений, возникающих в особых точках крестообразной мембраны (точки В,С). А зто также позволяет располагать вблизи этих точек резистивные участки тензорезисторов, На планарной стороне крестообразной мембраны 2 методами полупроводниковой технологии (диффузией или ионным легированием) сформированы интегральные тензорезисторы R> — «Р— типа проводимости, соединенные в полую мостовую схему.

Тензорезисторы R> и Рэ состоят из резистивных участков В< и Вз, а тензорезисторы R2 и R4 — из резистивных участков R2 и

R4, Резистивные участки R> и Вз расположены вдоль оснований креста 3 вблизи точек пересечения образующих креста 4 и осей симметрии X, Y с его основаниями 3,. а также вдоль короткой оси симметрии X вблизи центра 0 крестообразной мембраны

2. Резистивные участки Rz и R4 расположены перпендикулярно основаниям креста

3 вблизи точек пересечения образующих креста 4 и осей симметрии Х и Y с его основаниями 3. а также вдоль длинной оси симметрии Y вблизи центра 0 крестообразной мембраны 2. Реэистивные у <астки

R< — Кэ и Rz -R4 жидкого тенэореэистора последовательно соединены друг с другом

5 токоведущими коммутационными дорожками 5. Для подключения источника питания на планарной поверхности упругого элемента сформированы методом вакуумного напыления контактные площадки 6 и 7, а для

10 снятия выходного сигнала — контактные площадки 8 и 9, Интегральный датчик давления работает следующим образом, Пбд действием измеряемого давления в

15 особых точках крестообразной мембраны

2 (точки А,В,С,D,О) на планарной ее стороне возникают полезные механические продольные ох и поперечные оу напряжения.

Эти напряжения(деформации) вызывают в

20 резистивных участках тензорезисторов, расположенных вблизи особых точек, деформацию растяжения или сжатия, в ре. зультате чего величины их сопротивлений изменяются. Так вблизи точки А (фиг,1) под

25 действием измеряемого давления ц возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка R> и г<э увеличивают относительное изменение сопротивления

30 г

hvA = 0,122 л44 . (1 — 1 ), ц эм

35 а у рези тивного участка Rz и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

Ч ам

40 дхд = - 0,122 л44 (1 — v ), 12 где v — коэффициент Пуассона материала мембраны;

hM — толщина тонкой мембраны: л<4 — главный пьезорезистивный коэффициент для тензорезистора р-типа проводимости, Вблизи точки В возникают механические напряжения сжатия, которые у рези.стивного участка R> и Кз увеличивают относительное изменение сопротивления

2 оув = 0,107 д44 . 2" (1 — v )

55 . И« а у резистивного участка Rz и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

1796929

10 г дх0 = 0,044 ж .4 2

h5 а2 дхв =-0,107 г44 г (1 — ), м

Вблизи точки С возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка R1 и Яэ увеличивают относительное изменение сопротивления

2 дхс=0,029гг44 " (1 — ю), h а у резистивного участка RI и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

2 дус =-0,029 гт44 (1 — 1 ).

Вблизи точки D возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка R> и Яэ увеличивают относительное изменение сопротивления а у резистивного участка R2 и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

2 дУО = -0,044 ц4 2 (1 — ъ ) .

Вблизи центра крестообразной мембраны 0 возникают напряжения растяжения, которые у реэистивного участка Rq и йз увеличивают относительное изменение сопротивления

2 дхО = 0,039 76j4 2 (1 — v), пм а у резистивного участка R2 и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления аг дно=.-0,039 г 44 г" (1 — ).

Ьм

Таким образом, резистивные участки

R> Йз тензорезисторов Й1 и Вз, расположенные вблизи особых точек мембраны, увеличивают свои сопротивления, т,е. имеют положительную чувствительность (дя =

hR )

R г дв1 =- дяэ = 0,341 4 — -2 — (1 — v ), qa м а резистивные участки R2 -R4 тензорезисторов R2 и R4 уменьшают свои сопротивления, т.е. имеют отрицательную чувстЛ вительность (др =- = < О)

2 дяг = дя4= - 0,341 л44 — (1 — Р ). м 2

Чувствительность мостовой схемы ин15

5 тегрального датчика давления, тензорезисторы которой выполнены составными из резистивных участков, расположенных вблизи особых точек крестообразной мембраны, будет равна

2

S =0,682 ж 4 — - — (1 — v). ам

hM г

25 Испытаниям были подвергнуты упругие элементы с профилированной тонкой квадратной мембраной (согласно прототипу) и тон кой крестообразной мем бра ной (согласно изобретению), Размер сторон квад30 ратной мембраны (ам х а ) был выбран равным 3,0 х 3,0 мм, толщина мембраны h составила 15 мкм и 10 мкм. Размер сторон крестообразной мембраны был выбран равным bM = 3,0 мм, а = 1,8 мм, длина

35 оснований креста h

10 мкм. Изготовление упругих элементов с профилированными мембранами и интегральными тензорезисторами мостовой схе40 мы проводилось по единой технологии.

Толщина защитного слоя диоксида кремния с планарной стороны мембран для обоих вариантов составила 0,5 мкм (формирование тонких мембран проводилось на за45 ключительном этапе изготовления, в результате непланарная сторона мембраны защитным слоем диоксида кремния не защищена). Статический прогиб мембран при отсутствии измеряемого давления

50 контролировался визуально под микроскопом и оценивался по изменению величины начального разбаланса мостовой схемы при напряжении питания Ег = 6.0 В.

Предлагаемый интегральный датчик

55 давления, по сравнению с прототипом, обеспечивает следующие преимущества: — повышается жесткость тонкой мембраны, что исключает статический изгиб ее при отсутствии измеря . м<н< давления.

1796929

Изобретение позволяет повысить чувcTâèòåëüность датчика примерно в 6 раз, что соответственно позволяет увеличивать толщину мембраны креФормула изобретения

Интегральный датчик давления, содержащий профилированный упругий элемент из полупроводникового материала, тонкая мембрана которого сформирована локальным травлением материала упругого элемента, причем с планарной стороны мембраны сформированы интегральные тензорезисторы, включенные в мостовую схему и покрытые защитным слоем, о тл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью уменьшения величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, мембрана упругого элемента выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стостообразной формы, по сравнению с толщиной мембраны квадратной формы при измерении одной и той же величины давления, 5 роне выбрано в интервале 0,5-0,65, а отношение длины основания креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2 — 0,3, тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными, из пяти резистивных участков каждый, соединенных последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов, с положительной тензочувствительностью, расположены соответственно вдоль оснований креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов, с отрицательной тензочувствительностью, расположены соответственно перпендикулярно основаниям креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны.

1796929

ЬЯ

Я вЂ” И

Ю д

Составитель B. Волков

Техред Ы.Моргентал

Корректор С. Шекмар

Редактор Т. Шагова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород. ул. Гагарина, 101

Заказ 645 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5