ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к конструированию и изготовлению датчиков давления, включающих полупроводниковый чувствительный элемент, выполненный по планарной микроэлектронной технологии и техники анизотропного травления.

Известны конструкции датчиков давления, содержащие полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основании корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек, присоединенных микросваркой [1]
В таких конструкциях снижены механические напряжения в чувствительном элементе за счет согласования значений термических коэффициентов линейного расширения материалов чувствительного элемента, стеклянного пьедестала и корпуса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является конструкция датчика давления, содержащая полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек присоединенных микросваркой, крышку, защищающую полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий [2]
Недостатком известной конструкции датчика давления является относительно большая длина тонких коммутационных проволочек между полупроводниковым чувствительным элементом и токопроводами, что снижает надежность сварного соединения при механических воздействиях, относительно большая сложность конструкции, относительно большая сложность и трудоемкость сборки датчика в целом.

К недостаткам этой конструкции можно отнести жесткую связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика, что несмотря, на наличие стеклянного пьедестала, в определенных случаях может привести к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, передаваемых от корпуса датчика на полупроводниковый чувствительный элемент.

Целью изобретения является увеличение надежности конструкции датчика давления при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, упрощение конструкции и снижение трудоемкости при изготовлении датчика в целом.

Указанная цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный со стеклянной или кремниевой пластиной с образованием полости между ними, и крышку, введена герметично закрепленная между корпусом и крышкой эластичная подвеска, выполненная в виде гофрированной мембраны, на которой смонтированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, при этом полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны, а в крышке и пластине выполнены отверстия.

Применение эластичной гофрированной мембраны, содержащей гибкий печатный кабель и выполняющей одновременно функции токопроводов, тонких коммутационных проволочек и опорного элемента позволяет полностью развязать узел чувствительного элемента от корпуса датчика и тем самым исключить влияние монтажных и термомеханических напряжений на полупроводниковый чувствительный элемент, увеличить надежность при механических действиях и упростить конструкцию датчика, снизить трудоемкость изготовления, за счет применения групповой технологии поверхностного монтажа при установке полупроводникового чувствительного элемента на эластичную мембрану.

На фиг. 1 представлен разрез конструкции датчика абсолютного, избыточного или разности давлений. На фиг. 2 представлен вид сверху со снятой крышкой.

Датчик давления содержит полупроводниковый чувствительный элемент 1 с тензорезисторами, соединенный с методом электростатического сращивания с кремниевой или стеклянной пластиной 2, с образованием полости 3 и установленный методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7. На металлизированной поверхности эластичной мембраны 6 химическим методом сформированы контактные площади 8, электрически контактирующие с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента через паяное соединение 9, токоведущие дорожки 7, выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации.

Для измерения избыточного и разности давлений в пластине 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента 1 эластичным компаундом 14, например, СИЭЛ.

Принцип работы датчика основан на использовании тензорезистивного эффекта. Измеряемое давление изгибает упругий чувствительный элемент 1, что приводит в деформации расположенных на нем тензорезисторов, включенных в мостовую схему, на выходе которой регистрируется электрический сигнал, прямопропорциональный приложенному измеряемому давлению.

Использование: изобретение относится к датчикам давления, включающих полупроводниковый чувствительный элемент, выполненный по планарной микроэлектронной технологии, и может быть применено для измерения абсолютного, избыточного и разности давлений. Изобретение направлено на увеличение надежности конструкции при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, упрощение конструкции и снижение трудоемкости при изготовлении датчика давления. Сущность изобретения: датчик давления содержит полупроводниковый чувствительный элемент 1 с тензорезисторами, соединенный с кремниевой или стеклянной пластиной 2, герметично соединенные корпус 4 и крышку 5, в пространстве между которыми размещается герметично закрепленная эластичная гофрированная мембрана 6, имеющая металлические токоведущие дорожки 7 и контактные площадки 8, соединенные пайкой с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента 1. Новым в конструкции датчика является наличие эластичной мембраны 6, на которой методом поверхностного монтажа установлен полупроводниковый чувствительный элемент 1, полностью развязанный от корпуса датчика. 2 ил.

Датчик давления, содержащий корпус, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с кремниевой или стеклянной пластиной с образованием полости между ними, и крышку, герметично соединенную с корпусом, отличающийся тем, что в него выведена герметично закрепленная между корпусом и крышкой эластичная подвеска, выполненная в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, при этом упругий чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны, а в крышке и пластине выполнены отверстия.