ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в малогабаритных полупроводниковых электромеханических преобразователях разностного давления газообразных или жидких веществ в электрический сигнал.

В патенте США [1] представлен преобразователь с несколькими чувствительными элементами, имеющими по крайней мере два выходных сигнала разных давлений, позволяющих добиться идентичности характеристик чувствительных элементов. С этой целью преобразователь содержит полупроводниковый однокристальный ЧИП, на котором сформировано несколько мембран, несколько полостей, тензодатчиков и электродов, изолирующую подложку из материалов, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) которого равен ТКЛР материала ЧИПа.

По мнению заявителей, в преобразователе давлений данной конструкции, независимо от формы изолирующей подложки, возможны значительные температурный гистерезис выходного сигнала и температурный начальный сдвиг нуля, связанные с концентрацией механических напряжений в зоне каналов подвода давлений изолирующей подложки при температурных и механических воздействиях.

В другом датчике давления [2], состоящем из одного кремневого чувствительного элемента, имеющего две полости, формирующие мембраны, на которых размещены ионоимплантированные резисторы, чувствительный элемент крепится к стеклянной опоре посредством электрического соединения. Одна из полостей чувствительного элемента вакуумирована, другая соединена с источником давления. Чувствительный элемент помещен в корпус, детали которого соединяются с помощью адгезива, вулканизирующегося при комнатной температуре.

Как и в предыдущей конструкции, в этом датчике возможны гистерезис выходного сигнала и начальный сдвиг нуля, вызываемые температурными и механическими воздействиями, а также концентрацией механических напряжений у края канала подвода измеряемого давления. Кроме того, детали корпуса этого датчика крепятся в единую конструкцию методом вулканизации адгезива, что снижает надежность и точность его работы при механических температурных воздействиях.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является преобразователь давления [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий:
- подложку из полупроводникового материала, расположенную на нижней поверхности датчика, при этом первая и вторая выемки определяют первую и вторую активные области мембраны;
- первый чувствительный элемент, расположенный на верхней поверхности подложки в пределах указанной первой активной области, определенной первой выемкой; второй чувствительный элемент, расположенный на верхней поверхности в пределах второй активной области;
- средства для подачи первого давления к верхней поверхности подложки, на которое реагирует первый и второй чувствительные подложки, на которые реагирует первый и второй чувствительные элементы;
- средства для подачи второго давления на вторую выемку, на которое срабатывает только второй чувствительный элемент;
- средства соединения первого и второго чувствительного элемента в мостовую конфигурацию для обеспечения выходного сигнала, соответствующего второму давлению, приложенному к указанной выемке, относительно указанного первого давления.

Заявленная в данном прототипе форма подложки имеет по крайней мере двух-трехкратную концентрацию механических напряжений в области второго канала подвода давления ко второй выемке при температурных воздействиях [4], что также приведет к увеличению температурного гистерезиса и начальному сдвигу нуля. Кроме того, в прототипе не приведены оптимальные относительные размеры конструкции преобразователя, при которых указанные выше метрологические характеристики измерителя были бы минимальными и обеспечивали бы высокую точность измерения давления в сложных условиях эксплуатации при механических и температурных внешних воздействиях.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в улучшении метрологических характеристик дифференциального преобразователя давления. Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в существенном снижении гистерезиса и начального сдвига нуля при температурном и механическом воздействиях.

Это достигается тем, что на монтажной платформе, выполненной в виде диска и содержащей изолированные токоподводы и два симметричных относительно центра сквозных отверстия, расположенных по диаметру, закреплены два идентичных и автономных измерительных модуля давления, каждый из которых цилиндрическим хвостовиком основания помещен в сквозном отверстии монтажной платформы с одной ее стороны, а с другой стороны в отверстиях закреплены штуцеры подвода давления.

Каждый автономный модуль содержит кремниевую подложку с выемкой, образующей мембрану с тензорезисторами, кольцеобразный стеклянный опорный элемент и основание в виде втулки буртиком и цилиндрической хвостовой частью, закрепленной в сквозном отверстии монтажной платформы. При этом внутренняя полость мембраны каналом соединяется со штуцером подвода давления.

Расстояние А между продольным осями измерительных модулей определяется соотношением А= (2,2 -2,4)d_ш, где d_ш - диаметр кольцевого стеклянного опорного элемента, а диаметр d₀ монтажной платформы определяется соотношением d₀ =(4,5 -5,0)d_ш.

Заявляемое устройство изображено на фиг.1 и 2.

Тензорезисторный дифференциальный преобразователь давления содержит полый корпус 1, соединенный с монтажной платформой 2, на которой закреплены токоподводы 3, два штуцера 4 и два идентичных автономных измерительных модуля 5, каждый из которых включает в себя кремневую подложку 6 с выемкой, образующей мембрану с тензорезисторами, кольцеобразный стеклянный опорный элемент 7, жестко соединенный с кремневой подложкой, основание 8, выполненное в виде втулки с буртиком 9, с хвостовой цилиндрической частью 10, входящей в сквозное отверстие монтажной платформы.

При подаче измеряемых давлений под каждым из двух ЧИПов формируется своя область воздействия первого или второго давления на активную часть мембраны. Возникающие при этом деформации активных областей мембран воспринимаются элементами тензорезисторных мостовых схем, напыленных на планарной поверхности ЧИПов. Вызываемые деформациями мембран и изменениями параметров тензорезисторов электрические сигналы разбалансировки мостовых схем с помощью монтажных проводников и герметичных токоподводов выводятся для передачи в последующие каскады преобразования сигнала. Общая внутренняя вакуумированная герметичная полость преобразователя создается монтажной платформой и привариваемым к ней корпусом.

Помимо отмеченного выше технического результата, обеспечиваемого предлагаемой конструкцией дифференциального преобразователя и связанного с улучшением метрологических характеристик измерителя, можно отметить следующие конструктивные и технологические преимущества этого устройства:
1) повышенная жестокость конструкции при выдерживании оптимальных геометрических размеров основного и промежуточного оснований каждого из первичных автономных преобразователей;
2) отсутствие концентратора механических напряжений при круглой форме стеклянного опорного элемента первичного автономного преобразователя;
3) равномерное температурное линейное расширение элементов конструкций первичных автономных преобразователей в сравнении с подобным явлением, протекающим в преобразователях с основаниями прямоугольной формы;
4) инвариантность к ориентации на плоскости монтажной платформы диаметра, на котором симметрично располагаются отверстия подвода измеряемых давлений, а также сами измерительные автоматные преобразователи давления.

Авторами проведена работа [4] по сравнительному анализу двух конструкций тензорезисторных дифференциальных преобразователей давления, одна из которых соответствует конструкции заявляемого технического решения, а другая - выбранному прототипу, т. е. на основе двух полупроводниковых измерительных преобразователей единой прямоугольной конструкции, укрепленной на прямоугольном стеклянном опорном элементе.

Для обеих конструкций проанализированы математические модели напряженно-деформированного состояния соединения "ковар-стекло-кремний". Результаты расчетов показывают, что напряженное состояние схемы с прямоугольным опорным элементом (прототип) более тяжелое по сравнению с преобразователем на базе кольцевых опорных элементов.

Заявляемый тензорезисторный преобразователь прост в изготовлении. Соединение элементов модулей преобразователя производят известными методами диффузионной сварки и электростатического соединения.

На предприятии заявителя проведены исследования тензорезисторных дифференциальных преобразователей давления, выполненных в соответствии с заявляемым техническим решением, которые показали, что точность преобразователей повышается на порядок по сравнению с существующими.

Источники информации
1. Патент США N 4322920.

2. Заявка ЕПВ N 0049955.

3. Патент США N 4222277.

4. НИР "Сравнительный анализ двух конструкций тензорезисторных дифференциальных преобразователей давления", 1996 г.

Изобретение используется в измерительной технике и автоматике, а именно в малогабаритных полупроводниковых электромеханических преобразователях разностного давления газообразных или жидких веществ в электрический сигнал. Тензорезисторный дифференциальный преобразователь давления содержит корпус, монтажную платформу, образующие герметичную вакуумированную камеру, измерительные полупроводниковые преобразователи давления, изолированные токоподводы, размещенные на платформе. Измерительные полупроводниковые преобразователи выполнены в виде двух идентичных автономных измерительных модулей, жестко закрепленных на монтажной платформе, каждый из которых содержит кремниевую подложку с выемкой, образующую мембрану, на планарной поверхности которой напылены тензорезисторы. Монтажная платформа выполнена в виде диска с двумя сквозными отверстиями, расположенными симметрично по ее диаметру. Измерительные модули закреплены на монтажной платформе таким образом, что хвостовые части оснований входят в сквозные отверстия платформы, соединяя внутреннюю полость мембраны со штуцером подвода давления. Расстояние между продольными осями измерительных модулей определяется из соотношения между диаметром кольцевого стеклянного опорного элемента и диаметром монтажной платформы. Технический результат - обеспечение высокой точности измерения в сложных условиях эксплуатации. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Тензорезисторный дифференциальный преобразователь давления, содержащий корпус, монтажную платформу, измерительные полупроводниковые преобразователи давления, изолированные токоподводы, размещенные на монтажной платформе, связывающие электрическими проводами мостовые схемы полупроводниковых преобразователей с последующими каскадами восприятия сигнала, отличающийся тем, что измерительные полупроводниковые преобразователи размещены в герметичной вакуумированной камере, образованной корпусом и монтажной платформой, и выполнены в виде двух идентичных автономных измерительных модулей, жестко закрепленных на монтажной платформе, каждый из которых содержит кремниевую подложку с выемкой, образующую мембрану с нанесенными на ее планарную поверхность тензорезисторами, кольцеообразный стеклянный опорный элемент и основание в виде втулки с буртиком и цилиндрической хвостовой частью, а монтажная платформа выполнена в виде диска с двумя сквозными отверстиями, расположенными симметрично по ее диаметру и совмещенными с одной стороны монтажной платформы со штуцерами подвода измеряемого давления, причем измерительные модули закреплены на монтажной платформе таким образом, что хвостовые части оснований входят в сквозные отверстия платформы, соединяя внутреннюю полость мембраны со штуцером подвода давления. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что расстояние А между продольными осями измерительных модулей А определяется отношением А = (2,2 - 2,4)d_ш, где d_ш - диаметр кольцевого стеклянного опорного элемента, а диаметр монтажной платформы d_о = (4,5 - 5,0)d_ш.