Интегральный полупроводниковый датчик давления

 

Использование: при измерении давления . Сущность изобретения: в интегральном полупроводниковом датчике давления, 2 содержащем опорное основание, упругую мембрану, ребра жесткости, выполненные в форме прямоугольных балок, и тензочувствительные элементы, упругая мембрана выполнена с жестким центром, расположенным в обеих ее сторон, толщина которого меньше толщины опорного основания на расчетную максимальную величину прогиба мембраны, а каждый тензорезистор выполнен из двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью , соединенных друг с другом, причем пары разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 (9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) F

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4936517/10 (22) 15.05.91 (46) 30.04.93. Бюл, М 16 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Ю. А..Зеленцов и В. В, Ульянов (56) Патент США М 511878, кл. G 01 L 9/06, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N 1210076, кл. G 01 1 9/04, 1984. (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ(57) Использование. при измерении давле-. ния, Сущность изобретения: в интегральном полупроводниковом датчике давления, Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения нелинейности изменения сопротивления тензорезисторов от давления.

На фиг. 1 показан датчик давления, содержащий упругий элемент 1 из полупроводникового материала; мембрану 2 упругого элемента; жесткий центр 3; опорное основание 4 упругого элемента; ребро жесткости 5 в форме прямоугольной балки; тензорезисторы 6 мостовой схемы; внешний контур 7 мембраны упругого элемента; внутренний контур 8 мембраны упругого элемента; токоведущие коммутационные дорожки 9, контактные площадки 10, 11 для подключения источника питания; контактные площадки f2, 13 для снятия выходного сигнала с мостовой схемы. Показаны также

Х, V— - оси симметрии упругого элемента; R1

1, R з — резистивные участки тензорезисторов

1. Ы 1812455 А1 содержащем опорное основание, упругую мембрану, ребра жесткости, выполненные в форме прямоугольных балок, и тензочувствительные элементы, упругая мембрана выполнена с жестким центром, расположенным в обеих ее сторон, толщина которого меньше толщины опорного основания на расчетную максимальную величину прогиба мембраны, а каждый тензорезистор выполнен из двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью. соединенных друг с другом, причем пары разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости.

1 ил.

RI и R с отрицательной чувствительностью;

R z, R 4 — резистивные участки тензорезисторов R2 и R4c положительной чувствительностью; а, Bp — размер стороны мембраны и жесткого центра соответственно; Н, hp— толщина опорного основания и жесткого центра соответственно; h7, h>p- суммарная толщина мембраны и ребра жесткости и глубина травления мембраны с ее планарной стороны соответственно.

Интегральный полупроводниковый датчик давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например, из кремния и-типа марки КЭФ-4,5 с ориентацией (001). Направления осей симметрии упругого элемента (Х и Y) совмещены с кристаллографическими осями (100) и (010), В упругом элементе 1 с толщиной Н, равной толщине исходной кремниевой пластины, локальным, например, анизотропным травлением, с ее непланарной стороны сформированы тонкая упругая мембрана 2 с размером сторон а хам и толщиной г1

1812455

20

30

55 (суммарная толщина мембраны и ребра жесткости) и жесткий центр 3 с размером сторон apx ap толщиной hp. Толщина hp жесткого центра 3 выбрана меньше толщины Н опорного основания 4 на величину прогиба мембраны 2. Жесткий центр 3 одновременно является ограничительным упором для перемещения упругой мембраны 2 при воздействии распределенного или осесимметричного измеряемого давления с планарной стороны упругой мембраны.

Опорное основание 4 служит для жесткого закрепления упругого элемента. С плэнарной стороны упругой мембраны 2 локальным, например, анизотропным травлением кремния выполнены ребра жесткости 5 в форме прямоугольной балки толщиной hTp, шириной

В и одновременно образован контур жесткого центра 3 на планарной стороне мембраны

2, являющийся дополнительным концентратором механических напряжений, Каждый тензорезистор в мостовой измерительной схеме выполнен из двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью, Пэры разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости 5, Так, тензорезисторы с отрицаЛR тельной чувствительностью (<О ), например R< и Йз, выполнены из резистивных участков R1 и Рз соответственно, которые расположены вдоль осей симметрии Х и Y перпендикулярно внешнему контуру 7 мембраны 2, А тензорезисторы с положительной чувствительноЛR стью (> 0 ), например Rg и R4 выполнены из резистивных участков Rz u

Ra соответственно, которые расположены

1 вдоль осей симметрии X u Y перпендикулярно внутреннему контуру 8 мембраны 2, Резистивные участки каждого тензорезистора соединены друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 9. Для подключения источника питания служат контактные площадки 10, 11, а для снятия выходного сигнала с мостовой схемы — контактные площадки 12, 13.

Интегральный датчик давления работает следующим образом.

Под действием измеряемого распределенного или осесимметричного давления мембрана 2 упругого элемента 1 совместно с ребрами жесткости 5 испытывают плоский изгиб (измеряемое давление воздействия на упругую мембрану со стороны расположения измерительной схемы). В результате в мембране 2 и ребрах жесткости 5 возникают механические напряжения (продольные т и поперечные о ), характер распределения которых по площади упругой мембраны (между внешним и внутренним контурами мембраны) имеет строго линейную зависимость, что является одним из достоинств мембраны с жестким центром по сравнению . с плоской мембраной. Эти напряжения (деформации) вызывают в резистивных участках тензорезисторов деформацию растяжения или сжатия, что приводит к изменению величин их электрического сопро-, тивления.,Так, например, резистивные участки R1 и R3 тенэорезисторов R) и R3, расположенные вдоль осей симметрии X, Y упругой мембраны перпендикулярно внешнему контуру 7 мембраны 2, испытывают деформацию сжатия и уменьшают величину сопротивления (тенэорезисторы с отрица-. тельной чувствительностью). А резистивные участки R 2 и R 4 тензореэисторов Rz и R4, 1 расположенные вдоль осей симметрии Х, Y упругой мембраны перпендикулярно внутреннему контуру 8 мембраны 2, испытывают деформацию растяжения и увеличивают величину сопротивления (тензорезисторы с положительной чувствительностью), В результате на выходе мостовой схемы появляется сигнал разбаланса, пропорциональный величине измеряемого давления. При достижении номинального значения давления жесткий центр, как элемент конструкции упругого элемента, выполняющий одновременно роль ограничительного упора, предотвращает возможность прогиба мембраны сверх требуемой величины, тем самым исключает механическое разрушение упругой мембраны, Сформированный одновременно с созданием ребер жесткости на планарной стороне упругого элемента, контур жесткого центра является дополнительным концентратором механических напряжений, повышающий чувствительность измерительной схемы датчика.

Формула изобретения

Интегральный полупроводниковый датчик давления, содержащий опорное основание, упругую мембрану, ребра жесткости, выполненные в форме прямоугольных балок, и тензочувствительные элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения нелинейности изменения сопротивления тензорезисторов от давления, упругая мембрана выполнена с жестким центром, расположенным в обеих ее сторон, толщина которого меньше толщины опорного основания на расчетную максимальную величину прогиба мембраны, а каждый тензорезистор выполнен из

1812455

Составитель Ю.Зеленцов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Редактор

Заказ 1571 Тираж .. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью, соединенных друг с другом, причем пары разнополя рных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости, )g дР