МЭМС-ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01L7/08 

Настоящее изобретение относится к области техники датчиков давления.

На современном этапе развития технологий, точное и надежное измерение давления становится критически важным для множества приложений в различных областях, таких как автомобилестроение, авиация, медицина, и производство. Датчики давления находят свое применение в системах контроля и управления, в техническом обслуживании, в экспериментальных исследованиях и многих других направлениях. Существующие на рынке датчики часто сталкиваются с проблемами, связанными с точностью измерений, энергопотреблением, устойчивостью к экстремальным условиям и интеграцией с другими устройствами. Эти проблемы могут приводить к сбоям в работе оборудования, увеличению затрат и снижению безопасности операций.

Известен датчик давления, содержащий подложку, мембрану, выполненную из хрупкого материала, причем мембрана имеет обод, закрепленный на подложке, и мембранную перегородку, которая выполнена с возможностью прогиба под действием давления в сторону подложки, отличающийся тем, что содержит множество столбиков, сформированных на мембранной перегородке за одно целое с мембранной перегородкой, имеющих внешние концевые поверхности для контактирования с обращенной к мембране лицевой поверхностью подложки и образующих упор, когда мембранная перегородка прогнута в сторону подложки на заданную величину [1].

Недостатком известного устройства является в том, что авторы не указали форму мембраны, ведь от формы мембраны зависит ее прочность. Также, данный датчик имеет сложную конструкцию, которая включает в себя несколько опорных стоек, хрупкую подложку и защищенный механизм от провисания мембраны. Исходя из этого, это может увеличить стоимость датчика и вызвать большие трудности на этапе его производства. Еще один важный недостаток аналога, это то, что он не защищен герметичным корпусом. Это может вызвать трудности при изменении условий окружающей среды, например, Такие материалы, как диоксид кремния, используемые в качестве оксидного слоя, могут вести себя по-другому при высокой температуре или влажности, что потенциально влияет на производительность устройства.

Известна конструкция датчик давления, содержащая корпус, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную подвеску, выполненную в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышку, герметично соединенную с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними, и отличающийся тем, что полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны [2].

Недостатками известной конструкции датчика давления являются: сложная технология сборки, включающая высокотемпературную пайку стекла для соединения чувствительного элемента с керамической чашкой. Эта сложная сборка может увеличить производственные затраты и ограничить масштабируемость производства. Также, стоит отметить жесткое соединение чувствительного элемента с мембраной и керамической чашкой может передавать непредвиденные напряжения в экстремальных условиях, потенциально влияя на точность датчика. Любое несоответствие температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) может вызвать механическое напряжение, приводящее к ошибкам измерения или структурным разрушениям в условиях переменных температур. Использование кремния на сапфире и специальных керамических материалов может ограничить применение датчика в средах, где эти материалы могут быть химически или физически несовместимы. Кроме того, доступность и стоимость сапфира и специальной керамики могут еще больше ограничить практическое применение этой конструкции датчика.

Известен датчик давления, содержащий пластину МЭМС, состоящую из каркаса и мембраны, причем каркас образует полость. Мембрана подвешивается за каркас над полостью. Нижняя пластина крышки закрывает полость. Верхняя пластина крышки имеет выемку, образующую с мембраной емкостной зазор. Пластина верхней крышки содержит электрод верхней крышки, расположенный над мембраной и образующий вместе с мембраной конденсатор для обнаружения отклонения мембраны. Электрические контакты на пластине верхней крышки соединены с электродом верхней крышки. Вентиляционное отверстие проходит снаружи датчика в полость или емкостной зазор. Датчик давления может включать в себя две полости и два емкостных зазора для формирования датчика перепада давления [3].

Недостатками известного датчика давления является сложный производственный процесс, включающий несколько слоев (верхняя пластина крышки, пластина MEMS и пластина нижней крышки) и несколько точных этапов, таких как склеивание, травление траншей и создание емкостных зазоров. Каждый из этих шагов увеличивает риск производственных ошибок и повышает производственные затраты. Стоит отметить, что в патенте обсуждается 3D интеграция датчика, многослойная структура все же может быть относительно толстой по сравнению с другими однослойными или более простыми конструкциями. Это может ограничить его использование в приложениях, где пространство сильно ограничено. Детализированная структура, включающая различные слои и материалы, может привести к проблемам с тепловым расширением и механическим напряжением, что потенциально влияет на надежность и точность датчика в различных условиях окружающей среды. Поскольку электрические сигналы проходят через несколько слоев и необходимы изолированные проводящие пути, существует риск ухудшения сигнала или возникновения помех.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является емкостной датчик давления с двумя мембранами [4]. Конструкция датчика включает в себя две подложки: стекло и кремний на изоляторе. Среди ключевых элементов датчика можно выделить одну тонкую цельную мембрану, рассчитанную на измерение малых перепадов давлений и одну толстую мембрану с отверстием для измерения больших перепадов давлений. Мембраны расположены друг под другом и имеют одинаковую площадь.

К недостаткам датчика можно отнести высокую вероятность попадания влаги в корпус датчика, что приведет к изменению величины проводимости металлических шин коммутации. Также может дополнительному окислению элементов конструкции, что может привести к изменению емкостных зависимостей. Кроме того, недостатком изобретения является неопределенность исходных форм мембран. Нельзя не отметить, что в процессе измерения давления мембрана меняет свою форму (становится вогнутой). То есть форма мембраны меняется от выпуклой к вогнутой. Момент (резкого) перехода от одного типа форм к другому вызывает значительную потерю в точности измерения давления. Также недостатком является одинаковая площадь мембран, то есть при одинаковом давлении мембраны будут прогибаться на одинаковые величины.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности датчика за счет предварительного формирования мембраны необходимой формы и площади.

Поставленная задача решается тем, что формируют МЭМС-датчик давления, МЭМС-датчик давления, содержащий подложку, в центре которой выполнена сквозная канавка, и тонкопленочные мембраны; причем, тонкопленочные мембраны выполнены круглой формы, первая тонкопленочная мембрана сформирована на кремниевой подложке, центральная часть первой тонкопленочной мембраны открыта в сквозной канавке, выполненной в кремниевой подложке, в верхней части кремниевой подложки, сформирована вторая тонкопленочная мембрана меньшего радиуса, исходный прогиб мембран к подложке или от подложки подбирается, исходя из измеряемого давления: для измерения избыточного давления первая тонкопленочная мембрана прогибается в сторону подложки, а для измерения давления близкого к вакууму вторая мембрана прогибается в строну от подложки, толщину h и радиус а мембраны выбираются исходя из требуемого критического измеряемого давления P_max по следующей формуле:

где σ_max - механическая прочность материала мембраны; μ - коэффициент Пуассона для материала тонкопленочной мембраны; а

для определения текущего значения давления Р используется формула:

где C₁ равен 4, а коэффициент C₂ равен 8/3, w_max - контролируемый прогиб мембраны, Е - модуль Юнга, σ₀ - остаточные напряжения в мембране.

Повышение чувствительности датчика достигается за счет трех факторов. Первый фактор - это определенность формы мембраны. Форма мембраны - вогнутая в сторону подложки, или выпуклая, зависит от типа измерения давления: малые, близкие к вакууму или большие (избыточное давление) перепады давления. Корректировка типа формы осуществляется либо предварительной подачей давления на мембрану, либо подбором материалов со сжимающими или растягивающими внутренними механическими напряжениями.

Вторым фактором, влияющим на повышение чувствительности, является подбор соотношения радиуса а и толщины мембраны h. При одинаковом значении давления и при равной толщине, у мембран с большей площадью будет возникать большая величина изменения рельефа-прогиба. Радиус и толщина мембран выбирается из чувствительности измерительного оборудования рельефа мембран и из технологических возможностей оборудования. Соотношение между радиусом, толщиной и максимальным давлением выбирается из формулы:

Данная формула известна в литературных источниках [5], но применялась только для расчета максимального давления тонкопленочных мембран, а не для прогнозирования характеристик датчиков давления.

Для контроля текущего давления применяют известную формулу для определения давления Р посредством контроля прогиба мембраны - w_max [6]:

где C₁, С₂ - коэффициенты, зависящие о формы мембраны, w_max - прогиб мембраны, Е - модуль Юнга, σ₀ - остаточные напряжения в мембране. Для круглой мембраны коэффициент С1 составляет 4 и С2 составляет 8/3.

Третий фактор - упругие свойства (коэффициент Пуассона, модуль Юнга). Согласно закону Гука при одинаковой величине напряжения σ (силе воздействия) материал с большей величиной двухосного модуля упругости деформируется ε меньше . Варьируя атомный состав материала мембраны, например, замена материала алюминия на сплав Al 70%/Ti 30%, можно скорректировать упругие свойства.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение датчика давления, где: 1 - мембрана меньшего радиуса для измерения больших (избыточных) значений давления; 2 - мембрана большего радиуса для измерения малых, близких к вакууму значений давления; 3 - кремниевая подложка; 4 - тонкая пленка; 5 - сквозная канавка в центре; Р₀ - давление при нормальных условиях ~ 1 атм; P₁ - избыточное давление; Р₂ - давление, близкое к вакуумному ~ 0 атм; P₁>P₀>P₂.

На фиг. 2 схематично изображено влияние мембраны на точность мембранных датчиков (а - переход значения прогиба мембраны через «0»; б - мембрана изначально прогибается в сторону подложки), где: 1 - кремниевая подложка; 2 - мембрана для измерения давления; 3 - тонкая пленка.

На фиг. 3 представлены РЭМ изображения мембраны: а - порванная мембрана (с недостатком механической прочности) в результате подачи высокого (избыточного) давления; б - профиль мембраны, который имеет изначальный прогиб в сторону подложки.

На фиг. 4 представлено изображение экспериментального МЭМС-датчика давления.

МЭМС-датчик давления работает следующим образом (фиг. 1): Датчик давления состоит из двух мембран: мембрана 1 для больших (избыточных) значений давления, мембрана 2 предназначена для малых, близких к вакуумному, значений давления. Радиус мембраны для измерения больших значений давления меньше, чем радиус мембраны для измерения меньших значений давления. Мембрана 1 для больших (избыточных) значений давления имеют изначальный прогиб в сторону к подложке 3, чтобы избежать неточности измерения при переходе значения прогиба мембраны через «0». Мембрана 2 для малых, близких к вакуумному, значений давления имеют изначальный прогиб в сторону от подложки 3 и имеют больший Радиус, чтобы избежать неточности измерения при переходе значения прогиба мембраны через «0»). Таким образом, исходный прогиб мембран к подложке или от подложки подбирается исходя из типа измеряемого давления.

При подаче малого значения давления, мембрана будет иметь малый прогиб, соответственно, измерения будут неточными. Поэтому, для измерения малых давлений используется более широкая, но менее прочная мембрана. Аналогично для больших значений давления, используется более прочная мембрана с меньшим радиусом.

Для измерения прогиба мембраны используется оптический бесконтактный метод, который является безопасным для тонкой мембраны, позволяющий сохранить механическую целостность мембраны и не привнести дополнительные механические напряжения в структуру, влияющие на исходный профиль прогиба.

Перед использованием датчика для измерения давления необходима его калибровка. Калибровка заключается в определении соответствия между измеренным прогибом мембраны и реальным давлением, что позволяет точно настроить устройство под конкретные условия эксплуатации.

Пример. Применение МЭМС-датчик давления для низкого, близкого к вакуумному, значения давления. При идеальном вакууме (0 атм) величина контролируемого давления (перепада давлений) составит 1 атм. Материал мембраны - кремний. Известно, что механическая прочность материала кремния составляет 7 ГПа, коэффициент Пуассона 0.26. Следовательно, при толщине мембраны в 70 мкм и радиусе мембраны в 15 мм, расчетное значение предельной величины измеряемого давления составит , то есть запас прочности почти в 2 раза.

Рассчитывают текущее значение давление при величине механического напряжения 70 МПа, модуле Юнга 131 ГПа, прогибе мембраны 30 мкм:

Применение МЭМС-датчик давления для высокого (избыточного) значения давления. При внешнем давлении в 5 атм величина контролируемого давления (перепада давлений) составит 4 атм. Допустим, что материал мембраны - кремний. Известно, что механическая прочность материала кремния составляет 7 ГПа, коэффициент Пуассона 0.26. Следовательно, при толщине мембраны в 70 мкм и радиусе мембраны в 5 мм, расчетное значение предельной величины измеряемого давления составит , то есть запас прочности более чем в 4 раза.

Рассчитывают текущее значение давление при величине механического напряжения 350 МПа, модуле Юнга 131 ГПа, прогибе мембраны 300 мкм:

В результате использования предлагаемого устройства повышается чувствительность датчика, то есть возрастает точность измерения давления особенно в области малых перепадов давлений.

Источники информации

1. Патент РФ №2137099.

2. Патент РФ №2392592.

3. Патент США №20210156756.

4. Патент США №11099090 - прототип.

5. Дюжев Н.А., Гусев Е.Э., Махиборода М.А. Исследование механических свойств тонкопленочных мембран из оксида и нитрида кремния // Известия РАН. Механика твердого тела, с. 103-113, №5, 2022. DOI: 10.31857/S0572329922050063.

6. Vlassak J.J., Nix W.D. A new bulge test technique for the determination of Young's modulus and Poisson's ratio of thin films // Journal of materials research. - 1992. - T. 7. - №. 12. - C. 3242-3249.

Изобретение относится к области техники датчиков давления. МЭМС-датчик давления содержит подложку, в центре которой выполнена сквозная канавка, и тонкопленочные мембраны, при этом тонкопленочные мембраны выполнены круглой формы, первая тонкопленочная мембрана сформирована на кремниевой подложке, центральная часть первой тонкопленочной мембраны открыта в сквозной канавке, выполненной в кремниевой подложке, в верхней части кремниевой подложки сформирована вторая тонкопленочная мембрана меньшего радиуса, исходный прогиб мембран к подложке или от подложки подбирается исходя из измеряемого давления: для измерения избыточного давления первая тонкопленочная мембрана прогибается в сторону подложки, а для измерения давления, близкого к вакууму, вторая мембрана прогибается в сторону от подложки, толщина и радиус мембраны выбираются исходя из требуемого критического измеряемого давления по предложенной формуле, также предложена расчетная формула для определения текущего значения давления. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности датчика за счет предварительного формирования мембраны необходимой формы и площади. 4 ил.

МЭМС-датчик давления, содержащий подложку, в центре которой выполнена сквозная канавка, и тонкопленочные мембраны, отличающийся тем, что тонкопленочные мембраны выполнены круглой формы, первая тонкопленочная мембрана сформирована на кремниевой подложке, центральная часть первой тонкопленочной мембраны открыта в сквозной канавке, выполненной в кремниевой подложке, в верхней части кремниевой подложки сформирована вторая тонкопленочная мембрана меньшего радиуса, исходный прогиб мембран к подложке или от подложки подбирается исходя из измеряемого давления: для измерения избыточного давления первая тонкопленочная мембрана прогибается в сторону подложки, а для измерения давления, близкого к вакууму, вторая мембрана прогибается в сторону от подложки, толщина h и радиус а мембраны выбираются исходя из требуемого критического измеряемого давления P_max по следующей формуле:

,

где σ_max - механическая прочность материала мембраны; μ - коэффициент Пуассона для материала тонкопленочной мембраны; а

для определения текущего значения давления Р используется формула

,

где C₁ равен 4, а коэффициент С₂ равен 8/3, w_max - контролируемый прогиб мембраны, Е - модуль Юнга, σ₀ - остаточные напряжения в мембране.