МИКРОДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам измерения давлений жидкостей и газов, и может быть использовано в измерительно-информационных, контрольно-управляющих, атоматизированных и т. д. системах в качестве первичного преобразователя давления.

Известен полупроводниковый измеритель давления [1] , содержащий полупроводниковую мембрану, металлический корпус, металлическое кольцо, изолирующий кольцеобразный элемент, дно с выводами и стеклянными изолирующими спаями, упругий оловяносвязывающий промежуточный элемент, отверстие для подачи давления на мембрану через металлическое покрытие и электрический изолирующий слой, множество связывающих элементов (металлизированных поверхностей и клеевых соединений), чувствительный к температуре элемент и тонкопленочные резисторы.

Известный измеритель давления имеет сложную конструкцию и технологию изготовления, вызванные наличием множества деталей и узлов, их соединениями друг с другом с помощью промежуточных элементов, кроме того, данный измеритель представляет не завершенный датчик давления, а лишь мембранный модуль, оформленный конструктивно в вышеописанном конструктивном исполнении (т. е. представляет собой лишь измерительный преобразователь, а не датчик). В данном измерителе отсутствует электронный блок усиления сигнала, вследствие чего величина его выходного сигнала мала. Массогабаритные параметры и стоимость высоки. Его диапазон измерения невелик, так как он содержит один мембранный модуль, который имеет слой зафиксированный расчетный диапазон измерения, вне этого интервала (диапазона) измерения работы или метрологические характеристики датчика не гарантируются.

Наиболее близким аналогом-прототипом предлагаемого микродатчика давления является промышленно выпускаемый у нас в стране преобразователь измерительный гидростатического давления "Сапфир-22 ДГ" [2] . Данный преобразователь относится к поколению полупроводниковых датчиков, однако он крайне сложен, содержит большое количество деталей и узлов, имеет большие габариты и массу. Например, его габариты составляют 190х223х258 мм, масса - 13,6 кг. У предлагаемого микродатчика аналогичные параметры составляют: Ф 20х32 мм и масса не более 50 г.

Как у прототипа, так и у аналога диапазон измерения невелик из-за наличия одной мембраны со своим фиксированным диапазоном измерения, выше которого ломается мембрана, а ниже не обеспечиваются необходимые метрологические характеристики. Для измерения объектов с широко изменяемым диапазоном давлений потребуется некоторое количество датчиков с разными пределами измерений, что практически делает данное измерение невозможным.

Предлагаемый микродатчик давления обладает рядом существенных признаков, которые позволяют уменьшить вес и габариты датчика и повысить его чувствительность. Особенностью выполнения датчика является размещение электронного блока (усилительная, компенсационная и другие схемы) на боковой поверхности полупроводникового чувствительного элемента, на торцовой поверхности которого сформирована мембрана с интегральной измерительной схемой.

На фиг. 1 и 2 показан предлагаемый датчик.

Микродатчик давления содержит полупроводниковое основание 1 в виде полого цилиндра (стакана) или куба из монокристаллического кремния, дно 2 которого выполняет функцию мембраны, на которой сформированы тензорезисторы 3, составляющие измерительную схему. На боковой поверхности 4 выполнена электронная схема микродатчика (усилитель, схема температурной компенсации, выпрямитель, стабилизатор и т. д. ). Измерительная схема из тензорезисторов 3 соединяется с электронным блоком, расположенным на боковой поверхности 4, с помощью перемычек 5. Высота боковой поверхности рассчитывается из условия размещения всех компонентов электронного блока. Толщина мембраны рассчитывается согласно диапазону измерения, а толщина стенок боковой поверхности S по крайней мере на порядок больше из тех соображений, чтобы она не подвергалась деформациям при предельном значении диапазона измерения давления для данного конкретного микродатчика давления. Это требование должно выполняться прежде всего для того, чтобы компоненты электрической схемы (электронного блока) не подвергались деформациям и не вносили искажения в измеряемый сигнал. Основание цилиндра (куба) выполнено с утолщением стенки 6, создавая таким образом мощное опорное кольцо с большой жесткостью, исключающее передачу деформаций или механических напряжений на ту часть цилиндра (куба), где расположены компоненты электронного блока. Собственно, если стенки цилиндра (куба) достаточно толсты, выполнять указанное утолщение не обязательно.

Плоскость мембраны 2, где формируется интегральная измерительная схема, состоящая из резисторов 3, выбирается по одной из главных кристаллографических плоскостей, известных при создании полупроводниковых микроэлектронных датчиков. Оси тензорезисторов направлены по главным кристаллографическим направлениям, также известным в указанных датчиках. Особенностью является формирование компонентов электрической схемы на боковой поверхности.

Такое выполнение микродатчика обладает следующими достоинствами: обладает высокой точностью, линейностью и малым гистерезисом, компактен. Это достигается следующим образом.

За счет большой величины высоты чувствительного элемента l или большим соотношением l/h. В известных микродатчиках обычно величины l составляет 400 мкм (стандартная толщина исходной пластины для изготовления упруго-чувствительных элементов микродатчиков), а величина h (толщина мембраны) зависит от диапазона измерения и традиционно составляет от 10 до сотен мкм. В известных микродатчиках соотношение l/h составляет примерно 40 и менее единиц. В заявляемом устройстве предлагается увеличить это соотношение на порядок и выше при сохранении значения h (т. е. увеличивается l на порядок).

Такое увеличение высоты цилиндра продиктовано из следующих соображений.

Известно, что при закреплении такого упруго-чувствительного элемента в корпусе микродатчика при любом из известных способов в переходе корпус - соединительный элемент (материал) - упруго-чувствительный элемент возникают механические напряжения в мембране за счет разницы температурных коэффициентов линейного (и объемного) расширения указанных материалов. Эти напряжения доходят до мембраны и, соответственно, измерительной схемы, внося искажения в измеряемый сигнал, т. е. снижают точность микродатчика. Увеличивая величину l и учитывая известный закон затухания механических напряжений, достигают развязки мембраны от корпуса и соединительного слоя по механическим напряжениям.

Микродатчик давления работает следующим образом.

На микродатчик подается измеряемое давление, которое приводит к деформациям его мембраны. От напряженно-деформированного состояния мембраны измерительная схема приходит в разбаланс. Предварительно подключая входы измерительной схемы к источнику тока или напряжения, на выходе получим сигнал разбаланса, пропорциональный измеряемому давлению. (56) 1. Патент США N 3662312, кл. 338-4, 1972.

2. Информационный листок 2-й международной выставки "Метрология и метрологическое обеспечение производства". Метрология - 86. М. , Сокольники, 10-18 апреля, 1986. "Сапфир-22 ДГ".

Использование: изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления, и может быть использовано при измерении давления жидкостей и газов. Датчик обладает высокой чувствительностью, имеет малые массогабаритные параметры благодаря тому, что его чувствительный элемент, представляющий собой мембрану, и основание выполнены из единого полупроводникового исходного материала, путем выполнения уточнения в цилиндрической или кубической заготовке, а измерительная и усилительная схемы сформированы на мембране и боковой поверхности цилиндра или куба соответственно. 2 ил.

МИКРОДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ , содеpжащий основание, мембpану со сфоpмиpованной на ней тензоpезистоpной измеpительной схемой, соединенной с электpонным блоком пpеобpазования сопpотивления тензоpезистоpов в электpический сигнал, отличающийся тем, что основание и мембpана выполнены за одно целое из единой заготовки из полупpоводникового матеpиала в виде полого цилиндpа или полого куба, мембpана выполнена в виде утоненного дна полого цилиндpа или куба, а электpонный блок пpеобpазования pасположен на внешней боковой повеpхности полого цилиндpа или куба.