СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕМБРАННО-РЫЧАЖНОГО ДАТЧИКА СИЛЫ Российский патент 2023 года по МПК G01L9/04 G01L1/22 

Изобретение относится к приборостроению, а конкретно, к технологии изготовления датчиков силы на основе КНС-структур.

Известен способ изготовления мембранно-рычажного датчика силы на основе КНС-структур с упругим элементом в форме стакана с силопередающим рычагом [1]. Недостаток данного способа состоит в том, что измеряемая сила может быть приложена к рычагу в любом направлении и, в том числе, в направлении, не совпадающем с направлением продольных осей тензорезисторов. Если они не совпадают, то мембрана через рычаг будет нагружена только частью измеряемой силы и дополнительно паразитной поперечной силой, что и приводит к погрешности измерения. Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления измерительного преобразователя усилий [2], он имеет тот же недостаток. Более того, как и в [1], при закреплении КНС-структуры на мембране из титановых сплавов из-за разности ТКЛР у кремниевых тензорезисторов, монокристаллической подложки из сапфира и титановой мембраны, в подложке возникают термоупругие напряжения, которые передаются тензорезисторам и это приводит к погрешностям измерений. Более того, они меняются с изменениями температуры и во времени, что обуславливает нестабильность и ненадежность измерений.

Целями изобретения является: повышение точности, а также долговременной стабильности и надежности измерений.

Поставленные цели достигаются тем, что, до пайки КНС-структуры на мембрану, формируют монолитно связанное с ней, стаканом и рычагом ребро жесткости высотой 3…5 мм и толщиной 1…2 мм; в ребре с двух сторон делают освобождения от стенок стакана высотой 1 мм и длиной 0,5 мм, а на открытый торец стакана наносят перпендикулярно ребру жесткости две риски глубиной 0,2 мм. Затем на плоскую поверхность мембраны одним из известных способов (пиролиз, напыление в вакууме, катодное распыление, высокочастотное плазменное распыление и т.д.) наносят тонкую 20…50 мкм пленку поликристаллической окиси алюминия, через слой припоя ПСр72 толщиной 50 мкм на нее устанавливают КНС-структуру толщиной 40…80 мкм, ориентируя ее так, чтобы продольные оси тензорезисторов были перпендикулярны ребру жесткости, и припаивают структуру к мембране в вакууме при Т=840°С.

Создание ребра жесткости и двух рисок на открытом торце стакана позволяет однозначно вводить измеряемую силу на рычаг и изгибающий момент от этой силы на мембрану, что повышает точность измерений. Таким образом, ребро жесткости выполняет роль механического фильтра, который пропускает измеряемую силу, направленную перпендикулярно ребру, и созданный ею момент, к мембране и не пропускает моменты от поперечных не измеряемых сил.

Две риски, нанесенные на торец стакана, формируют вертикаль, параллельно которой к рычагу следует прикладывать измеряемую силу.

Слой окиси алюминия, нанесенный на титановую мембрану, выполняет роль компенсатора напряжений. Известно, что ТКЛР кремния равен 4×10^-6 1/град, монокристаллического сапфира 5×10^-6 1/град, титана 8,3×10^-6 1/град.

Из-за их различия в сапфировой подложке возникают термоупругие напряжения, которые воспринимаются тензорезисторами. Создание на мембране поликристаллического слоя окиси алюминия толщиной 20…50 мкм, у которого ТКЛР (6,5-7,8)×10^-6 1/град понижает уровень термоупругих напряжений, возникающих при пайке КНС-структуры к мембране, и изменяющихся с температурой и во времени. Таким образом, компенсаторный слой позволяет снизить температурные погрешности и повысить долговременную стабильность и надежность измерений.

На Фиг. 1 изображен датчик с КНС-структурой 1 без ребра жесткости и компенсаторного слоя, нагруженный силой Р, вид спереди и слева.

На Фиг. 2 изображен датчик с ребром жесткости 2, двумя рисками 3 и компенсаторным слоем 4, нагруженный силой Р, вид спереди, слева и справа.

Предлагаемый способ изготовления мембранно-рычажного датчика силы имеет преимущества по сравнению с известными:

1. Нормируется точное направление для ввода на рычаг измеряемой силы.

2. На входе чувствительного элемента (мембраны) подавляются не измеряемые (паразитные) силы и изгибающие моменты.

3. Снижается уровень нестабильных термоупругих напряжений в сапфировой подложке и тензорезисторах.

4. Снижаются температурные погрешности, повышается точность, надежность и стабильность измерений.

Источники информации, принятые автором при экспертизе:

1. Полупроводниковые преобразователи силы и давления на основе гетероэпитаксиальных структур «кремний на сапфире». А.В. Белоглазов и др. ПиСУ №5, 1982, стр. 21-23.

2. Авт. Свидетельство СССР №645041, Кл. G01L 1/22, 1979, БИ №4.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении мембранно-рычажных датчиков силы. Способ заключается в следующем: перед закреплением КНС-структуры с мостом тензорезисторов на упругом элементе из титана в форме стакана с силопередающим рычагом и мембраной на его мембране формируют монолитно связанное с ней и рычагом ребро жесткости высотой 3-5 мм и толщиной 1-2 мм. На открытый торец стакана наносят две риски глубиной 0,2 мм, располагая их перпендикулярно ребру жесткости, затем на плоскую поверхность мембраны наносят слой поликристаллической окиси алюминия толщиной 20-50 мкм. Затем через слой припоя на мембрану устанавливают КНС-структуру, ориентируя ее так, чтобы продольные оси тензорезисторов были перпендикулярны ребру жесткости и припаивают ее к мембране. Введение в конструкцию упругого элемента ребра жесткости и перпендикулярно ему двух рисок позволяет однозначно прикладывать к мембране измеряемую силу, что позволяет повысить точность ее измерения. Нанесение на мембрану окиси алюминия позволяет снизить уровень неконтролируемых термоупругих напряжений, возникающих в КНС-структуре при ее закреплении на мембране из титановых сплавов, что позволяет снизить температурные погрешности и повысить стабильность и надежность измерений при долговременной эксплуатации датчика. Способ может быть использован при производстве полупроводниковых модулей с КНС-структурами. 2 ил.

Способ изготовления мембранно-рычажного датчика силы, включающий операции по изготовлению упругого элемента в форме стакана с силопередающим рычагом и мембраной, КНС-структуры и ее закреплению на мембране, отличающийся тем, что перед закреплением КНС на мембране формируют монолитно связанное с ней рычагом и стаканом ребро жесткости высотой 3-5 мм и толщиной 1-2 мм, делают в ребре с двух сторон освобождения от стенки стакана высотой 1 мм и длиной 0,5 мм, на открытый торец стакана наносят две риски глубиной 0,2 мм, располагая их по середине торца и перпендикулярно ребру жесткости, после чего на плоскую поверхность мембраны наносят слой поликристаллической окиси алюминия толщиной 20-50 мкм, устанавливают на мембрану через слой припоя КНС-структуру, ориентируя ее так, чтобы продольные оси тензорезисторов были перпендикулярны ребру жесткости, и припаивают структуру к мембране.