Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью Российский патент 2020 года по МПК G01L9/04 H01L29/84 

Описание патента на изобретение RU2732839C1

Полупроводниковый преобразователь давления относится к области измерительной техники, в частности, к полупроводниковым чувствительным элементам, применяемым в датчиках давления и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления жидких и газообразных сред.

Известен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий квадратную профилированную мембрану, профиль которой представляет собой чередующиеся трапеции. По краям мембраны расположены 4 полупроводниковых тензорезистора, сформированные диффузионным методом и объединенные в мостовую схему [Патент US 4,467,656].

Известен полупроводниковый преобразователь давления в виде жесткозащемленной мембраны с профилем в виде гофра, при этом форма гофра обеспечивается технологией травления полупроводниковой мембраны [Патент US 5,209,118].

Недостатком известных преобразователей давления является низкая чувствительность.

Из известных, наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий жесткозащемленную профилированную кремниевую мембрану, сечение которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, при этом широкий участок профиля сечения расположен симметрично вертикальной оси сечения, а узкий участок профиля прилегает вплотную к области жесткой заделки мембраны [Патент US 4,236,137].

К недостаткам рассматриваемого устройства можно отнести снижение прочности мембраны, так как наиболее тонкий участок профиля мембраны расположен в области жесткой заделки, в которой под действием измеряемого давления возникают максимальные механические напряжения, а также возможность возникновения дополнительной погрешности выходного сигнала за счет расположения широкого участка сечения в центре мембраны, вследствие чего центральная часть мембраны будет вести себя как инерционная масса при воздействии вибраций и ускорений. Кроме того, погрешность линейности прототипа хоть и несколько ниже погрешности линейности плоской мембраны одинаковой прочности, является недостаточной для соответствия к современным требованиям, предъявляемым к современным средствам измерения механических величин.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение чувствительности полупроводникового преобразователя давления и увеличение точности за счет снижения погрешности линейности выходного сигнала.

Это достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем жесткозащемленную профилированную кремниевую мембрану, сечение которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенными в полную мостовую схему, согласно предлагаемому изобретению профиль сечения мембраны содержит широкие участки, расположены с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения таким образом, что координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1.

Введение предложенной конструкции, содержащей жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой содержит широкие участки, расположены с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения таким образом, что координата сопряжения широкого и узкого участков равна Y = 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, позволяет повысить чувствительность преобразования за счет перераспределения механических напряжений, возникающих в мембране преобразователя под действием измеряемого давления, а также снизить погрешность линейности за счет расположения широких участков профиля в области жесткой заделки мембраны.

Предлагаемое устройство поясняется на фиг. 1 - 5.

На фиг. 1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий жесткозащемленную кремниевую мембрану (1), профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, отношение ширины участков составляет 3,6:1, координата точки сопряжения участков (2) определяется соотношением Y = 0,567 R, где R – радиус мембраны. На верхней части мембраны расположены тензорезисторы (3), объединенные в полную мостовую схему.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на мембрану преобразователя, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. За счет предложенного сочетания широких и узких участков профиля мембраны, а также определенных в результате численного моделирования геометрических соотношений размеров участков, чувствительность преобразования выше, чем у прототипа, при этом погрешность линейности выходного сигнала меньше, чем у прототипа.

Относительное изменение сопротивления тензорезисторов, расположенных в области заделки полупроводниковой кремниевой мембраны радиально и тангенциально, определяется по формуле .

ΔR R = π 44 2 ( σ l σ t ) , ((1)

где σl и σt - радиальное и тангенциальное механические напряжения соответственно, π44 – компонент тензора тензорезистивных коэффициентов, являющийся характеристикой материала тензорезисторов [Gad-el-Hak M. The MEMS handbook. – CRC press, 2001].

При использовании полной мостовой схемы выходное напряжение определяется выражением , где Uвых – напряжение питания мостовой схемы. Чувствительность S преобразователя давления определяется отношением выходного напряжения преобразователя к входному давлению и при использовании преобразователя давления и тензорезисторов из одного и того же материала при одинаковом напряжении питания чувствительность преобразователя можно выразить как отношение разности радиального и тангенциального механических напряжений к приложенному давлению

. ((2)

Погрешность линейности определяется в соответствие с
ГОСТ 22520-85, при этом линейная зависимость строится по данным численного моделирования методом наименьших квадратов [ГОСТ 22520-85 Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия].

Пример.

Вследствие симметрии профиля мембраны относительно вертикальной оси рассматривалась одна половина профиля. На фиг. 2 изображена половина преобразователя давления в виде круглой мембраны радиусом R = 1,5 мм, радиусом точки сопряжения узкого и широкого участков R = 0,85 мм, ширина узкого участка 10 мкм, ширина широкого участка 36 мкм. На фиг. 3 изображена половина конструкции прототипа преобразователя давления в виде круглой мембраны радиусом R = 1,5 мм, радиусом точки сопряжения узкого и широкого участков R = 1,41 мм, ширина узкого участка 17 мкм, ширина широкого участка 45 мкм. Радиус рабочей части прототипа и предложенной конструкции выбран одинаковым и равным минимально технологически достижимому значению, при котором возможна распайка проводников на поверхности мембраны. Ширина узкого участка предложенной конструкции и геометрические параметры прототипа выбраны также из условия прочности мембраны (напряжение по Мизесу не превышает допустимого значения 500 МПа) при заданной значении максимального измеряемого давления P = 200кПа.

На фиг. 4 представлено значение напряжения по Мизесу от координаты сечения преобразователя давления, которое определяет прочность мембраны.

Анализ графиков на фиг. 4 показывает, что предложенная конструкция характеризуется распределением механических напряжений, отличным от прототипа, при этом максимальное напряжение не превышает предела прочности.

Как известно, при воздействии давления на плоскую мембрану максимальные механические напряжения возникают на краю мембраны в области, непосредственно премыкающей к жесткой заделке [Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 236 с. ил.- (Б-ка расчетчика).]. При этом функция преобразования давления в механическое нпаряжение линейна только при малых прогибах мембраны (не превышающих 20 % от ее толщины). Это означает, что сохранение линейности функции преобразования не позволяет повышать чувствительность путем уменьшения толщины мембраны и сохранения ее габаритного размера (диаметра), так как это приводит к нелинейной зависимости прогиба и механического напряжения от приложенного давления. Некоторого увеличения чувствительности можно сдобиться за счет применения мембраны с жестким центром, но при этом под действием наибольших напряжений оказывается наиболее тонкий участок мембраны, прилегающий УК области заделки, т.е., снижается прочность конструкции. При использовании предложенного технического решения, согласно которому ширина крайнего участка сечения мембраны, прилегающего к области жесткой заделки больше, чем ширина центрального участка сечения, достигается увеличение прочности конструкции за счет того, что наиболее нагруженный участок сечения находится в области сопряжения широкого и узкого участков (см. фиг. 4), при этом максимальное напряжение не превышает допустимого значения по Мизесу 500 МПа. При увеличении приложенного давления от 0 до максимального значения возрастает линейность зависимости разности радиального и тангенциального напряжения на краю сечения мембраны, так как при увеличении давления центральный более узкий участок прогибается сильнее, снижая нагрузку на широкий участок сечения.

Для сравнения характеристик прототипа и предложенной конструкции были получены зависимости разности радиального и тангенциального напряжений от приложенного давления в диапазоне от 0 до 200 кПа, представленные на фиг. 5. При построении зависимостей учитывается то факт, что реальный тензорезистор, в отличии от точечного, имеет конечную длину, минимальное значение которой из технологически соображений для заданных геометрических размеров мембраны составляет 100 мкм. Поэтому значение разности радиального и тангенциального напряжений необходимо усреднять по длине тензорезистора

, ((3)

где lр – рабочая длина тензорезистора, lн и lк – координаты начальной и конечной точек тензорезистора соответственно, x – текущая координата.

Анализ фиг. 5 показывает, что максимальная погрешность линейности прототипа, определенная в соответствии с ГОСТ 22520-85, составляет 4,98%, тогда как максимальная погрешность линейности предложенной конструкции составляет 1,46 %, т.е., меньше , чем у прототипа в 3,4 раза. При этом чувствительность предложенной конструкции, определенная в соответствие с выражением (2), превышает чувствительность прототипа в 1, 37 раза (на 37 %).

Введение предложенной конструкции, содержащей кремневую жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, при этом профиль сечения полупроводниковой мембраны содержит широкие участки, расположены с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения, так что координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, позволяет повысить точность преобразователя за счет снижения погрешности линейности не менее чем в три раза, а также повысить чувствительность преобразователя по сравнению с прототипом на 30 % за счет оптимального выбора координаты точки сопряжения узкого и широкого участков профиля и отношения ширины широкого участка к узкому.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности и чувствительности при измерении давления.

Источники известности

1 Патент US 4,467,656

2 Патент US 5,209,118

3 Патент US 4,236,137

4 Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 236 с. ил.- (Б-ка расчетчика).

5 ГОСТ 22520-85 Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие 4 технические условия.

6 Gad-el-Hak M. The MEMS handbook. – CRC press, 2001.

Похожие патенты RU2732839C1

название год авторы номер документа
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ 1991
  • Ворожбитов А.И.
  • Назаров В.И.
  • Педоренко Н.П.
  • Потапов А.В.
RU2010194C1
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК 1985
  • Ваганов В.И.
  • Случак И.И.
SU1385951A1
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ 1987
  • Белозубов Е.М.
  • Педоренко Н.П.
RU2041452C1
ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 2009
  • Белозубов Евгений Михайлович
  • Васильев Валерий Анатольевич
  • Васильева Светлана Александровна
  • Громков Николай Валентинович
  • Тихонов Анатолий Иванович
RU2391640C1
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ 2003
  • Тихоненков В.А.
  • Новиков А.А.
  • Тихоненков Е.В.
RU2240520C1
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОЙ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 2009
  • Белозубов Евгений Михайлович
  • Васильев Валерий Анатольевич
  • Васильева Светлана Александровна
  • Громков Николай Валентинович
RU2397460C1
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ 2013
  • Волков Вадим Сергеевич
  • Баринов Илья Николаевич
RU2526788C1
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ АДДИТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ 2003
  • Тихоненков В.А.
  • Сорокин М.Ю.
  • Тихоненков Е.В.
RU2253087C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ И ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ 2009
  • Белозубов Евгений Михайлович
  • Васильев Валерий Анатольевич
  • Чернов Павел Сергеевич
RU2398195C1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2005
  • Баринов Илья Николаевич
  • Козин Сергей Алексеевич
RU2284613C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 732 839 C1

Реферат патента 2020 года Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к полупроводниковым преобразователям давления, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных датчиков малых давлений. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит жесткозащемленную кремниевую мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, отношение ширины участков составляет 3,6:1, а координата точки сопряжения участков определяется соотношением Y = 0,567 R, где R – радиус мембраны. На верхней части мембраны расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности преобразователя давления. 5 ил.

Формула изобретения RU 2 732 839 C1

Полупроводниковый преобразователь давления содержит кремневую жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, отличающийся тем, что профиль сечения полупроводниковой мембраны содержит широкие участки, расположенные с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения, при этом координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2732839C1

ЯЧЕЙКА ЕМКОСТНОГО МИКРООБРАБОТАННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПРИЖАТОГО ТИПА С ЗАГЛУШКОЙ 2012
  • Дирксен Петер
  • Деккер Роналд
  • Хеннекен Винсент Адрианус
  • Леувенстейн Адриан
  • Марселис Боут
  • Фрейзер Джон Дуглас
RU2595800C2
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ 2004
  • Зимин Виктор Николаевич
  • Резнев Алексей Алексеевич
  • Сауров Александр Николаевич
  • Шелепин Николай Алексеевич
RU2278447C2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ 2014
  • Баринов Илья Николаевич
  • Волков Вадим Сергеевич
  • Гурин Сергей Александрович
  • Тареева Юлия Александровна
  • Евдокимов Сергей Павлович
RU2555190C1
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ 2012
  • Волков Вадим Сергеевич
  • Баринов Илья Николаевич
RU2507491C1
Машин для нанизывания табачных листьев 1935
  • Данилейко Н.Д.
SU45526A1
US 20140165735 A1, 19.06.2014
US 8511151 B2, 20.08.2013
US 20120125113 A1, 24.05.2012
US 20100326199 A1, 30.12.2010.

RU 2 732 839 C1

Авторы

Волков Вадим Сергеевич

Рыблова Елизавета Анатольевна

Даты

2020-09-23Публикация

2019-07-09Подача