Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления Российский патент 2020 года по МПК H01L29/84 

Изобретение относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использовано в малогабаритных датчиках давления и температуры в электрический сигнал.

Известен интегральный чувствительный элемент преобразования давления с датчиком температуры, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, толщина мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, мембрана имеет утолщенную и утоненную часть и жесткий центр, места соединения которых являются местами концентрации напряжений, на лицевой стороне сформированы четыре параллельных друг другу тензорезистора р-типа проводимости, при этом тензорезисторы располагаются в местах концентрации механических напряжений, тензорезисторы объединены токоведущими областями р⁺-типа проводимости и алюминиевыми металлизированными дорожками с алюминиевыми металлизированными контактными площадками в мостовую схему, при этом тензорезисторы являются плечами мостовой измерительной схемы, первое плечо соединяется с третьим плечом токоведущей областью р⁺-типа проводимости, второе плечо соединяется с четвертым плечом токоведущей областью р⁺-типа проводимости, первое плечо соединяется со вторым плечом последовательно токоведущей областью р⁺-типа проводимости первого плеча, алюминиевой металлизированной дорожкой и токоведущей областью р⁺-типа проводимости второго плеча, третье плечо соединяется с четвертым плечом последовательно токоведущей областью р⁺-типа проводимости третьего плеча, алюминиевой металлизированной дорожкой и токоведущей областью р⁺-типа проводимости четвертого плеча, сформированный на кристалле, имеющем эпитаксиальный слой, выполненный из кремния n-типа проводимости, и подложку, выполненную из кремния р⁺-типа проводимости, и дополнительно содержит температурный датчик, выполненный непосредственно в утолщенной части мембраны чувствительного элемента, при этом в утолщенной части мембраны сформированы три последовательно соединенных алюминиевыми металлизированными дорожками изолированных диода, созданных по планарной технологии в виде р-n перехода структурой «коллектор-база», где область «коллектора» диода сформирована из кремния n⁺-типа проводимости, область «базы» диода сформирована из кремния р-типа проводимости, к каждой области в отдельности подведены алюминиевые металлизированные дорожки с алюминиевыми металлизированными контактными площадками, диоды изолированы друг от друга разделительными областями, сформированными из кремния. р⁺-типа проводимости в эпитаксиальной области, где на разделительную область подается наименьший потенциал - «земля». Патент РФ на полезную модель №167464, МПК G01L 9/04, 10.01.2017) Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является высокое энергопотребление интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки, поскольку диоды, основанные на структуре p-n-перехода, имеют завышенные значения падения напряжения при прямом смещении.

Изобретение устраняет недостатки прототипа.

Техническим результатом изобретения является снижение энергопотребления интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки.

Интегральный преобразователь температуры в виде диода Шоттки содержится в составе единой сборки в виде отдельного кристалла совместно с чувствительным элементом давления в корпусе датчика давления, что позволяет производить измерение температуры непосредственно в малогабаритном корпусе датчика давления, а также использовать для интегрального преобразователя давления любую требуемую рабочую кремниевую структуру вне зависимости от требований структуры для интегрального преобразователя температуры.

Технический результат достигается тем, что датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного

энергопотребления содержит интегральный чувствительный элемент преобразователя давления, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, толщина утоненной части мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, мембрана имеет утолщенную и утоненную часть и жесткий центр, места соединения которых являются местами концентрации напряжений, на лицевой стороне сформированы четыре параллельных друг другу тензорезистора р-типа проводимости, при этом тензорезисторы располагаются в местах концентрации механических напряжений, тензорезисторы объединены токоведущими областями р⁺-типа проводимости и алюминиевыми металлизированными дорожками с алюминиевыми металлизированными контактными площадками в мостовую схему, и содержит температурный датчик, датчик давления в корпусе с выводами, штуцером для подачи номинального давления со стороны оборотной части интегрального преобразователя давления, где штуцер расположен соосно относительно чувствительного элемента давления, и верхним отверстием в корпусе для подачи номинального давления со стороны лицевой части интегрального преобразователя давления, где верхнее отверстие расположено соосно относительно чувствительного элемента давления, датчик давления содержит чувствительный элемент давления, соединенный с. корпусом высокотемпературным клеем и алюминиевыми контактными площадками с выводами корпуса алюминиевой проволокой в следующей последовательности соединения: первая алюминиевая контактная площадка первой алюминиевой проволокой с первым выводом, вторая алюминиевая контактная площадка второй алюминиевой проволокой с первым выводом, третья алюминиевая контактная площадка третьей алюминиевой проволокой со вторым выводом, четвертая алюминиевая контактная площадка четвертой алюминиевой проволокой с третьим выводом, пятая алюминиевая контактная площадка пятой алюминиевой проволокой с четвертым выводом, шестая алюминиевая контактная площадка шестой алюминиевой проволокой с пятым выводом, седьмая алюминиевая контактная площадка седьмой алюминиевой проволокой с шестым выводом и восьмая алюминиевая контактная площадка восьмой алюминиевой проволокой с шестым выводом; датчик давления содержит интегральный преобразователь давления, состоящий из кремния n-типа проводимости и на лицевой стороне которого сформированы тензорезисторы р-типа проводимости, средства электрических соединений и алюминиевые контактные площадки, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне которого сформирована механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью и с тремя жесткими центрами кремниевой мембраны; прокладку чувствительного элемента давления, жестко связанную с утолщенной частью кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления и с выполненной в нем полостью и сквозным отверстием для подвода давления измеряемой среды к утоненной части кремниевой мембраны; основание, имеющее отверстие для подвода давления измеряемой среды к утоненной части квадратной кремниевой мембраны; где все элементы чувствительного элемента давления сформированы из кремния и соединены слоями легкоплавкого стекла в вакууме последовательно между основанием, прокладкой и интегральным преобразователем давления в областях контакта соединения и расположены соосно; температурный датчик, выполненный в виде интегрального преобразователя температуры пониженного

энергопотребления в виде диода Шоттки, созданного отдельным кристаллом, имеющем эпитаксиальный слой, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем оксида кремния, и подложку, выполненную из кремния n⁺-типа проводимости, с двумя алюминиевыми контактными площадками на лицевой стороне для катода со сформированной областью n⁺-типа проводимости для омического контакта с подложкой n⁺-типа проводимости и анода диода с структурой охранного кольца р⁺-типа проводимости, расположенного по периметру области анода, где алюминиевая контактная площадка катода диода Шоттки соединена с алюминиевой контактной площадкой с потенциалом «земля» интегрального преобразователя давления алюминиевыми проволоками на выводе корпуса датчика давления; интегральный преобразователь температуры соединен оборотной стороной с корпусом высокотемпературным клеем и на лицевой стороне девятой алюминиевой контактной площадкой девятой алюминиевой проволокой с четвертым вызодом и десятой алюминиевой контактной площадкой десятой алюминиевой проволокой с седьмым выводом.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1-9.

На фиг. 1 представлен вид сбоку сборки датчика давления с интегральным преобразователем температуры в корпусе.

На фиг. 2 представлен вид сверху сборки датчика давления с интегральным преобразователем температуры в корпусе.

На фиг. 3 представлен вид сбоку интегрального преобразователя давления.

На фиг. 4 представлен вид сверху с интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки.

На фиг. 5 представлен вид сбоку интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки.

На фиг. 6 представлен график зависимости тока от напряжения при прямом смещении на диоде Шоттки в диапазоне тока от 0 до 10 мА.

На фиг. 7 представлен график зависимости тока от напряжения при прямом смещении на диоде Шоттки в диапазоне тока от 10 мА до 1 А.

На фиг. 8 представлен график зависимости тока от напряжения при обратном смещении на диоде Шоттки.

На фиг. 9 представлен график зависимости напряжения от температуры при прямом смещении на диоде Шоттки для двух номиналов прямого тока 1 и 10 мА.

Цифрами на чертежах обозначены:

1 - корпус датчика давления;

2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 - выводы корпуса датчика давления;

3 - чувствительный элемент давления;

4.1, 4.2 - высокотемпературный клей;

5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, 5.10 - алюминиевые контактные площадки;

6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, 6.9, 6.10 - алюминиевая проволока;

7 - интегральный преобразователь давления чувствительного элемента давления из кремния n-типа проводимости;

8 - прокладка чувствительного элемента давления;

9 - основание чувствительного элемента давления;

10 - лицевая сторона интегрального преобразователя давления;

11 - оборотная механическая сторона интегрального преобразователя давления в виде квадратной кремниевой мембраны;

12 - тензорезисторы интегрального преобразователя давления р-типа проводимости;

13 - средства электрических соединений интегрального преобразователя давления;

14 - утоненная часть квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления;

15 - утолщенная часть квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления;

16.1, 16.2, 16.3 - жесткие центры квадратной кремниевой мембраны;

17 - полость прокладки чувствительного элемента давления;

18 - отверстие прокладки чувствительного элемента давления;

19 - отверстие основания чувствительного элемента давления;

20.1, 20.2 - слои легкоплавкого стекла;

21 - интегральный преобразователь температуры в виде диода Шоттки;

22 - оборотная сторона интегрального преобразователя температуры;

23 - лицевая сторона интегрального преобразователя температуры;

24 - анод интегрального преобразователя температуры;

25 - катод интегрального преобразователя температуры;

26 - эпитаксиальный слой n-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;

27 - подложка n⁺-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;

28 - область для омического контакта n⁺-типа проводимости с подложкой n⁺-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;

29 - охранное кольцо р⁺-типа проводимости интегрального преобразователя температуры;

30 - диэлектрический слой оксида кремния;

31 - верхнее отверстие в корпусе датчика давления;

32 - штуцер в корпусе датчика давления.

Устройство содержит корпус 1 датчика давления, имеющий круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху, с восемью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 корпуса 1, имеющими круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху и высота выводов при рассмотрении вида сбоку не регламентирована, но является не больше высоты внутренней части корпуса 1 датчика давления, а также взаимное расположение которых также может быть любым и, в частности, симметричным; верхним отверстием 31 в корпусе 1 для подачи номинального давления на чувствительный элемент давления 3 с лицевой стороны 10 интегрального преобразователя 7 давления, отверстие 31 расположено соосно относительно чувствительного элемента давления 3 и имеет любую форму и размеры, не превышающие ширины корпуса 1 датчика давления, и штуцером 32 в корпусе 1 для подачи номинального давления на чувствительный элемент давления 3 с оборотной стороны 11 интегрального преобразователя 7 давления, штуцер 32 расположен соосно относительно чувствительного элемента давления 3 и имеет любую форму и размеры, не превышающие ширины основания 9 чувствительного элемента давления. Вывод 2.8 корпуса 1 датчика давления необходим для обозначения «ключа». В корпусе 1 датчика давления расположен чувствительный элемент давления 3, соединенный с корпусом 1 высокотемпературным клеем 4.1 и алюминиевыми контактными площадками 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 с выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, например, в следующей последовательности соединения: первая алюминиевая контактная площадка 5.1 первой алюминиевой проволокой 6.1 с первым выводом 2.1, вторая алюминиевая контактная площадка 5.2 второй алюминиевой проволокой 6.2 с первым выводом 2.1, третья алюминиевая контактная площадка 5.3 третьей алюминиевой проволокой 6.3 со вторым выводом 2.2, четвертая алюминиевая контактная площадка 5.4 четвертой алюминиевой проволокой 6.4 с третьим выводом 2.3, пятая алюминиевая контактная площадка 5.5 пятой алюминиевой проволокой 6.5 с четвертым выводом 2.4, шестая алюминиевая контактнс1Я площадка 5.6 шестой алюминиевой проволокой 6.6 с пятым выводом 2.5, седьмая алюминиевая контактная площадка 5.7 седьмой алюминиевой проволокой 6.7 с шестым выводом 2.6 и восьмая алюминиевая контактная площадка 5.8 восьмой алюминиевой проволокой 6.8 с шестым выводом 2.6; состоящий из интегрального преобразователя 7 давления квадратной формы любых размеров в пределах габаритных размеров корпуса 1 датчика давления (вид сверху), прокладки 8 квадратной формы с габаритами равными габаритным размерам интегрального преобразователя 7 давления (вид сверху) и основания 9 квадратной формы любых размеров меньших, чем размеры интегрального преобразователя 7 давления (вид сверху), где все выше упомянутые, элементы чувствительного элемента давления 3 расположены соосно. Конструкция корпуса 1 датчика давления с всеми составляющими представлена на фиг. 1 и 2.

Интегральный преобразователь 7 давления, представленный на фиг. 2 и 3, состоит из кремния n-типа проводимости и содержит лицевую сторону 10, на которой сформирована по планарной технологии электрическая мостовая схема и оборотную механическую сторону 11 в виде квадратной кремниевой мембраны, способной деформироваться при подаче давления. Лицевая сторона 10 содержит совокупность электрически связанных компонентов, состоящих из тензорезисторов 12 р-типа проводимости, средств электрических соединений 13 и алюминиевых контактных площадок 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке, при этом тензорезисторы 12 являются плечами мостовой измерительной схемы, где, например, первое плечо расположено между третьей 5.3 и восьмой 5.8 алюминиевыми металлизированными контактными площадками, второе плечо расположено между третьей 5.3 и четвертой 5.4 алюминиевыми металлизированными контактными площадками, третье плечо расположено между шестой 5.6 и восьмой 5.8 алюминиевыми металлизированными контактными площадками и четвертое плечо расположено между пятой 5.5 и шестой 5.6 алюминиевыми металлизированными контактными площадками. Первое плечо соединяется с третьим плечом средствами электрических соединений 13, проходящих через восьмую алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.8, первое плечо соединяется со вторым плечом средствами электрических соединений 13, проходящих через третью алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.3, третье плечо соединяется с четвертым плечом средствами электрических соединений 13, проходящих через шестую алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.6, второе плечо и четвертое плечо не соединяются в корпусе 1 датчика давления и разъединены на четвертую 5.4 и пятую 5.5 алюминиевые металлизированные контактные площадки, соответственно.

В пределах подачи номинального давления происходит деформация квадратной кремниевой мембраны и, как следствие, меняется сопротивление тензорезисторов 12, расположенных на лицевой стороне 10 интегрального преобразователя 7 давления, приводящее к изменению электрического сигнала, снимаемого с алюминиевых контактных площадок 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 интегрального преобразователя 7 давления. Квадратная кремниевая мембрана имеет утоненную часть 14, утолщенную часть 15 и три жестких центра 16.1, 16.2, 16.3. Оборотная сторона 11 интегрального преобразователя 7 давления в виде квадратной кремниевой мембраны создается анизотропным травлением. Три жестких центра 16.1, 16.2, 16.3 квадратной кремниевой мембраны могут иметь как квадратное, так и другое сечение, любых геометрических размеров в зависимости от требований к элементу. Исходя из экспериментальных результатов, толщина утоненной части 14 квадратной кремниевой мембраны в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 20 мкм до значения, разного половине толщины интегрального преобразователя 7 давления. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 14 квадратной кремниевой мембраны. Изготовление утоненной части 14 квадратной кремниевой мембраны толщиной менее 20 мкм приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 14 квадратной кремниевой мембраны существенно падает чувствительность интегрального преобразователя 7 давления. Три жестких центра 16.1, 16.2, 16.3 и утолщенная часть 15 квадратной кремниевой мембраны, грани пересечения трех жестких центров 16.1, 16.2, 16.3 и утолщенной части 15 квадратной кремниевой мембраны с утоненной частью 14 квадратной кремниевой мембраны, расположенные параллельно, образуют области механических напряжений. В областях механических напряжений с лицевой стороны 10 интегрального преобразователя 7 давления расположены тензорезисторы 12.

Прокладка 8 чувствительного элемента давления 1 квадратной формы с габаритами равными габаритным размерам интегрального преобразователя 7 давления (вид сверху) имеет полость 17 квадратной формы с габаритами меньшими, чем габариты интегрального преобразователя 7 давления (вид сверху) и отверстие 18 для подвода давления измеряемой среды с оборотной стороны 11 интегрального преобразователя 7 давления, имеющее, например, квадратную форму с габаритами меньшими, чем габариты полости 17 прокладки 8 (вид сверху). Отверстие 18 прокладки 8 может иметь также и иную форму (вид сверху). Основание 9 имеет отверстие 19, например, круглой формы с диаметром равным длине стороны сквозного отверстия 18 прокладки 8 для подвода давления измеряемой среды с оборотной стороны 11 интегрального преобразователя 7 давления. Отверстие 19 основания 9 может иметь также и иную форму (вид сверху).

Все элементы чувствительного элемента давления 3, высота которого при рассмотрении вида сбоку не регламентирована, но является не больше высоты внутренней части корпуса 1 датчика давления, изготовлены из единого материала, в качестве которого используется кремний, и жестко связаны слоями легкоплавкого стекла 20.1, 20.2 в вакууме последовательно между основанием 9 и прокладкой 8 чувствительного элемента давления 1 в области контакта соединения и между прокладкой 8 чувствительного элемента давления и интегральным преобразователем 7 давления чувствительного элемента давления 1 в области утолщенной части 15 квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя 7 давления.

Температурный датчик, представленный на фиг. 4 и 5 и выполненный в виде интегрального преобразователя температуры интегральный преобразователь 21 температуры в виде отдельного кристалла диода Шоттки с пониженным энергопотреблением, соединен оборотной стороной 22 с корпусом 1 высокотемпературным клеем 4.2 и на лицевой стороне 23 алюминиевыми контактными площадками 5.9, 5.10 для катода 25 и анода 24 диода Шоттки с выводами 2.4, 2.7 корпуса алюминиевой проволокой 6.9, 6.10, соответственно. Интегральный преобразователь 21 температуры в виде отдельного кристалла диода Шоттки может иметь любое расположение на корпусе 1 датчика давления и, в частности, в предлагаемой области размещения между выводами 2.5 и 2.6 корпуса 1. Высота интегрального преобразователя 21 температуры не регламентирована.

Интегральный преобразователь 21 температуры имеет актуальное применение совместно с чувствительным элементом давления 3 в едином корпусе 1 поскольку данные элементы расположены непосредственно рядом друг с другом и интегральный преобразователь 21 температуры может предоставлять данные о температуре, как в качестве датчика температуры, так и в качестве источника информации о температуре для более прецизионной компенсации температурной погрешности чувствительного элемента давления внешней схемой обработки выходного сигнала. Интегральный преобразователь 21 температуры в виде диода Шоттки используемый совместно с чувствительным элементом давления 3 способен понизить энергопотребление при функционировании всей системы датчика давления.

В отличии от датчика температуры, созданного непосредственно в утолщенной части мембраны чувствительного элемента, имеющем эпитаксиальный слой, выполненный из кремния n-типа проводимости, и подложку, выполненную из кремния р⁺-типа проводимости, при этом в утолщенной части мембраны сформированы три последовательно соединенных алюминиевыми металлизированными дорожками изолированных структур диода с p-n-переходом, созданных по планарной технологии в виде р-n перехода структурой «коллектор-база», где область «коллектора» диода сформирована из кремния n⁺-типа проводимости, область «базы» диода сформирована из кремния р-типа проводимости, к каждой области в отдельности подведены алюминиевые металлизированные дорожки с алюминиевыми металлизированными контактными площадками, диоды изолированы друг от друга разделительными областями, сформированными из кремния р⁺-типа проводимости в эпитаксиальной области, где на разделительную область подается наименьший потенциал - «земля», предлагаемый вид интегрального преобразователя 21 температуры не накладывает условие на выбор структуры кремния, т.к. создается в виде отдельного элемента. Интегральный преобразователя 7 давления в чувствительном элементе давления 3 может быть получен в монокристаллической структуре кремния n-типа проводимости.

Интегральный преобразователь 21 температуры, сформирован на кристалле, имеющем эпитаксиальный слой 2 6, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем 30 оксида кремния, и подложку 27, выполненную из кремния n⁺-типа проводимости. На лицевой стороне 23 интегрального преобразователя 21 температуры с помощью диффузионных процессов дополнительно создаются две области. Для создания катода 25 на лицевой стороне 23 интегрального преобразователя 21 температуры формируется область 2 8 для омического контакта n⁺-типа проводимости с подложкой 27 n⁺-типа проводимости, где поверх области 28 для омического контакта n⁺-типа проводимости с подложкой 27 n⁺-типа проводимости напыляется алюминий для создания девятой алюминиевой контактной площадки 5.9. Область 28 для омического контакта n⁺-типа проводимости с подложкой 27 n⁺-типа проводимости окружает область контакта к аноду 24 интегрального преобразователя 21 температуры с равным зазором между ними, чтобы создать эквипотенциальное состояние для протекающего заряда. Для создания анода 24 на лицевой стороне 23 интегрального преобразователя 21 температуры формируется область для контакта в виде барьера Шоттки между эпитаксиальным слоем 2 6 n-типа проводимости и напыленным алюминием, являющимся также десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10. По периметру области контакта к аноду 24 интегрального преобразователя 21 температуры формируется охранное кольцо 29 р⁺-типа проводимости, необходимое для повышения пробивного обратного напряжения в структуре интегрального преобразователя 21 температуры при обратном смещении. Область контакта к аноду 24, охранное кольцо 29 р⁺-типа проводимости и десятая алюминиевая контактная площадка 5.10 интегрального преобразователя 21 температуры имеют форму прямоугольника с закругленными углами, что также необходимо для повышения пробивного обратного напряжения. Девятая алюминиевая контактная площадка 5.9 катода 25 интегрального преобразователя 21 температуры соединена, например, с пятой алюминиевой контактной площадкой 5.5 с потенциалом «земля» интегрального преобразователя 7 давления через пятую 6.5 и девятую 6.9 алюминиевые проволоки, соединенные с четвертым выводом 2.4 корпуса 1 датчика давления. Десятая алюминиевая контактная площадка 5.10 анода 24 интегрального преобразователя 21 температуры соединена, например, через десятую алюминиевую проволоку 6.10 с седьмым выводом 2.7 корпуса 1 датчика давления.

Устройство работает следующим образом.

Датчик давления, содержащий в корпусе 1 чувствительный элемент давления 3 и интегральный преобразователь 21 температуры пониженного энергопотребления, способен одновременно измерять дифференциальное давление и температуру исследуемой среды.

При подаче номинального давления на чувствительный элемент давления 3, размещенного в корпусе 1 с восьмью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 корпуса 1 и соединенного с корпусом 1 высокотемпературным клеем 4.1 и алюминиевыми контактными площадками 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 с выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8, с оборотной механической стороны 11 интегрального преобразователя 7 давления через штуцер 32 в корпусе 1 датчика давления для подвода давления, жестко связанного высокотемпературным клеем 4.1 между корпусом 1 и чувствительным элементом давления 3 датчика давления, отверстие 19 для подвода давления в основании 9 чувствительного элемента давления 3, жестко связанного слоями легкоплавкого стекла 20.2 между основанием 9 и прокладкой 8 чувствительного элемента давления 3 в области контакта соединения, а также отверстие 18 для подвода давления на прокладке 8 чувствительного элемента давления 3, жестко связанного слоями легкоплавкого стекла 20.1 в области утолщенной части 15 квадратной кремниевой мембраны интегрального преобразователя 7 давления, состоящего из кремния n-типа проводимости, происходит перемещение утоненной части 14 и трех жестких центров 16.1, 16.2, 16.3 квадратной кремниевой мембраны в полости 17 прокладки 8 чувствительного элемента давления 3, приводящие к изменению сопротивления тензорезисторов 12 р-типа проводимости, объединенных в мостовую схему средствами электрических соединений 13 и алюминиевыми контактными площадками 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 интегрального преобразователя 7 давления, сформированных на лицевой стороне 10 интегрального преобразователя 7 давления. При подаче номинального давления на чувствительный элемент давления 3 со лицевой стороны 10 интегрального преобразователя 7 давления через верхнее отверстие 31 в корпусе 1 датчика давления для подвода давления происходит перемещение утоненной части 14 и трех жестких центров 16.1, 16.2, 16.3 квадратной кремниевой мембраны в полости 17 прокладки 8 чувствительного элемента давления 3, приводящие к изменению сопротивления тензорезисторов 12, объединенных в мостовую схему средствами электрических соединений 13 и алюминиевыми контактными площадками 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 интегрального преобразователя 7 давления, сформированных на лицевой стороне 10 интегрального преобразователя 7 давления. Подача напряжения питания и снятие выходного сигнала с чувствительного элемента давления происходит через алюминиевые контактные площадки 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, соединенными с выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8.

При измерении температуры среды интегральным преобразователем 21 температуры, созданного в виде отдельного кристалла диода Шоттки, имеющем эпитаксиальный слой 2 6, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем 30 оксида кремния, и подложку 27, выполненную из кремния n⁺-типа проводимости, и размещенного в корпусе 1 с восьмью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8 корпуса 1 и соединенного оборотной стороной 22 интегрального преобразователя 21 температуры с корпусом 1 высокотемпературным клеем 4.2 и алюминиевыми контактными площадками 5.9, 5.10 на лицевой стороне 23 интегрального преобразователя 21 температуры с выводами 2.4, 2.7 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6.9, 6.10, на алюминиевую контактную площадку 5.9 катода 25 интегрального преобразователя 21 температуры подается потенциал «земля», как и на алюминиевую контактную площадку 5.5 интегрального преобразователя 7 давления, с помощью вывода 2.4 корпуса 1 датчика давления и алюминиевой проволоки 6.9 и на алюминиевую контактную площадку 5.10 анода 24 интегрального преобразователя 21 температуры подается постоянный ток с помощью вывода 2.7 корпуса 1 датчика давления и алюминиевой проволоки 6.10. Номинал значения подаваемого постоянного тока может варьироваться от 0,1 мА до 1,0 А. Зависимости падения напряжения при прямом смещении от тока на интегральном преобразователе 21 температуры представлены на фиг. 6 и 7.

При подаче постоянного тока между десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10 анода 24, структура которого сформирована на лицевой стороне 23 интегрального преобразователя 21 температуры из области для контакта в виде барьера Шоттки между эпитаксиальным слоем 26 n-типа проводимости и напыленным алюминием, являющимся также десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10, где по периметру области контакта к аноду 24 интегрального преобразователя 21 температуры формируется охранное кольцо 29 р⁺-типа проводимости с толщиной охранного кольца 29 существенно меньше толщины эпитаксиального слоя 26, необходимой для достаточного распространения области пространственного заряда и, как следствие, повышения пробивного обратного напряжения в структуре интегрального преобразователя 21 температуры при обратном смещении; и девятой алюминиевой контактной площадкой 5.9 катода 25 интегрального преобразователя 21 температуры, структура которого сформирована на лицевой стороне 23 интегрального преобразователя 21 температуры из области 28 для омического контакта n⁺-типа проводимости с подложкой 27 n⁺-типа проводимости, где поверх области 28 для омического контакта n⁺-типа проводимости с подложкой 27 n⁺-типа проводимости напыляется алюминий для создания девятой алюминиевой контактной площадки 5.9; при прямом смещении происходит определенное падение напряжения, являющееся по номиналу ниже, чем падение напряжения при прямом смещении у структур диодов с p-n-переходом, что позволяет использовать интегральный преобразователь 21 температуры при меньшем энергопотреблении датчика давления в целом.

Благодаря повышенному значению пробивного обратного напряжения интегрального преобразователя 21 температуры, характеристика которого представлена на фиг 8, девятая алюминиевая контактная площадка 5.9 катода 25 интегрального преобразователя 21 температуры может быть соединена с пятой алюминиевой контактной площадкой 5.5 с потенциалом «земля» интегрального преобразователя 7 давления через пятую 6.5 и девятую 6.9 алюминиевые проволоки, соединенные с четвертым выводом 2.4 корпуса 1 датчика давления. Увеличение пробивного обратного напряжения интегрального преобразователя 21 температуры необходимо, чтобы при повышении температуры измеряемой среду токи утечки интегрального преобразователя 21 температуры не оказывали влияние на характеристики чувствительного элемента давления 3.

При подаче постоянного тока между десятой алюминиевой контактной площадкой 5.10 анода 24 и девятой алюминиевой контактной площадкой 5.9 катода 25 интегрального преобразователя 21 температуры и изменении температуры происходит линейное изменение падения напряжения при прямом смещении, характеристика которого представлена на фиг. 9.

Таким образом, достигается указанный технический результат, а. именно снижение энергопотребления интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки, содержащегося в составе единой сборки в виде отдельного кристалла совместно с чувствительным элементом давления в корпусе датчика давления.

Изобретение относится к области измерительной техники и автоматики, представляет собой датчик давления с интегральным преобразователем температуры и может быть использовано в малогабаритных преобразователях давления и температуры в электрический сигнал. Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления содержит корпус с возможностью подачи дифференциального давления на чувствительный элемент давления и имеющий восемь выводов для подачи или снятия электрического сигнала с чувствительного элемента давления и интегрального преобразователя давления. Чувствительный элемент давления, способный измерять перепады давления при подаче с двух сторон элемента, содержит интегральный преобразователь давления, прокладку и основание, которые соединены между собой легкоплавким стеклом и имеют сквозные отверстия для подачи давления с оборотной стороны интегрального преобразователя давления. Чувствительный элемент давления и интегральный преобразователь температуры в виде диода Шоттки соединены с корпусом с помощью высокотемпературного клея и их алюминиевые контактные площадки соединены алюминиевой проволокой с выводами корпуса, при этом катод диода Шоттки может быть объединен с алюминиевой контактной площадкой интегрального преобразователя давления с потенциалом «земля» на едином выводе корпуса, т.к. благодаря наличию охранного кольца анода интегрального преобразователя температуры пробивное обратное напряжение имеет высокое значение. Работа диода Шоттки основана на барьерном потенциале Шоттки, что позволяет снизить падение прямого напряжения или впоследствии затрачиваемое энергопотребление относительно показателей диодов p-n-переходами. Характеристика зависимости падения напряжения на диоде Шоттки при прямом смещении на разных номиналах тока от температуры является линейной в широком диапазоне исследований. Техническим результатом является снижение энергопотребления интегрального преобразователя температуры в виде диода Шоттки. 9 ил.

Датчик давления с интегральным преобразователем температуры пониженного энергопотребления содержит интегральный чувствительный элемент преобразователя давления, имеющий лицевую и оборотную механическую стороны, на оборотной механической стороне чувствительного элемента сформирована травлением квадратная кремниевая мембрана, толщина утоненной части мембраны составляет от 20 мкм до половины толщины чувствительного элемента, мембрана имеет утолщённую и утоненную часть и жесткий центр, места соединения которых являются местами концентрации напряжений, на лицевой стороне сформированы четыре параллельных друг другу тензорезистора p-типа проводимости, при этом тензорезисторы располагаются в местах концентрации механических напряжений, тензорезисторы объединены токоведущими областями p⁺-типа проводимости и алюминиевыми металлизированными дорожками с алюминиевыми металлизированными контактными площадками в мостовую схему, и содержит температурный датчик, отличающийся тем, что датчик давления заключен в корпус с выводами и оснащен штуцером для подачи номинального давления со стороны оборотной части интегрального преобразователя давления, где штуцер расположен соосно относительно чувствительного элемента давления, и верхним отверстием в корпусе для подачи номинального давления со стороны лицевой части интегрального преобразователя давления, где верхнее отверстие расположено соосно относительно чувствительного элемента давления, датчик давления содержит чувствительный элемент давления, соединенный с корпусом высокотемпературным клеем и алюминиевыми контактными площадками с выводами корпуса алюминиевой проволокой в следующей последовательности соединения: первая алюминиевая контактная площадка первой алюминиевой проволокой с первым выводом, вторая алюминиевая контактная площадка второй алюминиевой проволокой с первым выводом, третья алюминиевая контактная площадка третьей алюминиевой проволокой со вторым выводом, четвертая алюминиевая контактная площадка четвертой алюминиевой проволокой с третьим выводом, пятая алюминиевая контактная площадка пятой алюминиевой проволокой с четвертым выводом, шестая алюминиевая контактная площадка шестой алюминиевой проволокой с пятым выводом, седьмая алюминиевая контактная площадка седьмой алюминиевой проволокой с шестым выводом и восьмая алюминиевая контактная площадка восьмой алюминиевой проволокой с шестым выводом; датчик давления содержит интегральный преобразователь давления, состоящий из кремния n-типа проводимости и на лицевой стороне которого сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, средства электрических соединений и алюминиевые контактные площадки, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне которого сформирована механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью и с тремя жесткими центрами кремниевой мембраны; прокладку чувствительного элемента давления, жестко связанную с утолщенной частью кремниевой мембраны интегрального преобразователя давления и с выполненной в нем полостью и сквозным отверстием для подвода давления измеряемой среды к утоненной части кремниевой мембраны; основание, имеющее отверстие для подвода давления измеряемой среды к утоненной части квадратной кремниевой мембраны; где все элементы чувствительного элемента давления сформированы из кремния и соединены слоями легкоплавкого стекла в вакууме последовательно между основанием, прокладкой и интегральным преобразователем давления в областях контакта соединения и расположены соосно; температурный датчик, выполненный в виде интегрального преобразователя температуры пониженного энергопотребления в виде диода Шоттки, созданного отдельным кристаллом, имеющим эпитаксиальный слой, выполненный из кремния n-типа проводимости и покрытый диэлектрическим слоем оксида кремния, и подложку, выполненную из кремния n⁺-типа проводимости, с двумя алюминиевыми контактными площадками на лицевой стороне для катода со сформированной областью n⁺-типа проводимости для омического контакта с подложкой n⁺-типа проводимости и анода диода с структурой охранного кольца p⁺-типа проводимости, расположенного по периметру области анода, где алюминиевая контактная площадка катода диода Шоттки соединена с алюминиевой контактной площадкой с потенциалом «земля» интегрального преобразователя давления алюминиевыми проволоками на выводе корпуса датчика давления; интегральный преобразователь температуры соединен оборотной стороной с корпусом высокотемпературным клеем и на лицевой стороне девятой алюминиевой контактной площадкой девятой алюминиевой проволокой с четвертым выводом и десятой алюминиевой контактной площадкой десятой алюминиевой проволокой с седьмым выводом.