Преобразователь давления Советский патент 1986 года по МПК G01L9/06 

.Изобретение относится к измерительной texHHKej в частности к измерению давления жидких и газообразных сред.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

На фиг.1 показан предлагаемый преобразователь, разрез; на фиг.2 - полупроводниковая пластина, на планар- ной стороне которой сформирован чувствительный элемент; на фиг.З - сече- ние А-А на фиг.2; на фиг.4 - обращенная четырехгранная пирамида, чувствительный элемент и геттеры, расположенные в пространстве с системой координат (100), (010), (001).

Ус ройство содержит корпус 1, в котором установлена полупроводниковая пластина 2, в которой выполнено уг- лубление 3 на стороне 4, а на противоположной стороне 5 сформирован тен- зочувствитепьный элемент 6, представляющий собой тензорезистор с поперечной пьезоЭДС, В корпусе 1 размещен также упругий элемент 7 с идентичным углублением 8, имеющим также форму обращенной четырехгранной пирамиды. Упругий элемент 7 представляет собой полупроводниковую пластину, сформированную в едином технологическом процессе, в которой электрические параметры чувствительного элемента б не отвечают предъявленным требованиям.

Жесткий дентр 9 размещается в углублениях 3 и 8, при этом упругий элемент 7 и полупроводниковая пластина 2 соединены между собой и с корпусом посредством гибкой связи 1.0, например резиноподобным компаундом. Полупроводниковая пластина 2 при этом свободно лежит на буртике 11 корпуса 1 . Тензорез истор с поперечно пьезоЭДС имеет токовые контакты 12 и потенциальные контакты 13, по обеим сторонам которых расположены геттеры 14. Между слоем окисла 15 и поверх- . ностью 16 полупроводниковой пластины 2 непосредственно под геттерами 14 расположены молекулярные структуры 17, содержащие, например, натрий. Вершина обращенной четырехгранной пирамиды 3 расположена над потенциальными контактами 13 тензорсзистора 6. РСИ симметрии тензорезистора б повернуты относительно осей системы координат (100) и (010) плоскости (001) пластины 2 на угол Ю-ЗЗ, причем оптимальным является угол ,

при котором наблюдаются максимальные напряжения сдвига. Указанные оси системы координат совпадают по Направлению с диагоналями основания четырехгранной пирамиды, в результате чего поверхности, ограничивающие углубление вида обращенной пирамиды, являются плоскостями (ill), (III), (III), (HI).

К потенциальным контактам 13 подходят токопроводящие дорожки 18, которые можно выполнить в виде многослойной металлизации, первым компонентом которой является вольфрам.

Углубление вида обращенной четырехгранной пирамиды, ограниченное плоскостями (III), определяется прежде всего созданием в полупроводниковой пластине максимальных поперечных и сдвиговых напряжений при воздействии давления на упругий элемент, по- №1мо напряжений изгиба и растяжения- сжатия. Это следует прежде всего из того, что плотноупакованные поверхности в полупроводниках типа алмаза являются плоскостями скольжения и при давлении жесткого центра на поверхности (III) в полупроводниковой пластине будут создаваться большие

сдвиговые напряжения. При этом пластина будет подвергаться также изгибу в двух плоскостях (110) и (100). При развороте чувствительного элемента в нем будут создаваться максимально возможные напряжения при воздействии давления, которое пере- .даётся посредством упругого элемента и жесткого центра.. Поскольку область, преобразующая механические напряжения в полупроводник.овой пластине в электрическое напряжение, локализована вблизи потенциальнь х контактов тензорезистора, то вершина пирамиды расположена над потенциальными контактами.

Располагая тензорезистор с поперечной пьезоЭДС на мембране под оптимальным углом 22 30, от направления (100), можно получить чувствительность, которая будет составлять в пределе 72% по сравнению с чувствительностью тензомос.та. Причем для конкретного п-типа проводимости резистора, залегающего на глубине 1,97л iO,07 мкм при толщине мембраны около 60 мкм, Kg 370ilO Ом/квадрат. В других случаях чувствительность меньше.

Снабжая полупроводниковую пластину тензорезистором с поперечной пъезоЭДС в сочетании с четьфехгранной пирамидой и варьируя углом поворота транзистора относительно диагонали основа- ния пирамиды, можно получить чувствительность примерно в 2,5 раза боль-, шую, чем для конструкции с тонкой мембраной.

Устройство работает следующим об- разом.

При воздействии давления среды на упругий элемент 7 последний посредством жесткого центра 9 преобразует распределенное давление контролируе- мой среды в сосредоточенную нагрузку на точки контакта жесткого центра с поверхностями (III) обращенной пирамиды 3. В результате такого взаимного воздействия элементов преобразователя давления в полупроводниковой пластине 2 в районе потенциальных контактов 13 тензорезистора 6 с поперечной пьезоЭДС создаются большие напряжения растяжения, изгиба и сдвига, кото- рые преобразуются в разность потенциалов на контактах 13, пропорциональную Давлению среды, питающему напряжению на токовых контактах 12, пъезорезис- тивным коэффициентом, зависящим от кристаллографической ориентации тензорезистора 6, а также геометрических характеристик тензорезистора. По обеим сторонам от потенциальньЕХ контак - тов 13 существуют области с понижен- ной степенью упругости, т.е. с модулем сдвига, равным 1/2 (с„-с,2)1/2 х 42,35-1,58)0,385х10 дин/см который меньше модуля сдвига матрицы примерно в 13 раз: ,57-6,39) 5,09-10 дин/см. При воздействии давления среды благодаря наличию молекулярных структур 17 с натрием в области потенциальных контактов 13 возникают сдвиговые напряжения, которые будут примерно в 13 раз больше, чем без молекулярных структур 17, включающих натрий. За счет применения углубления 3 вида обращенной пирамиды и соответствующей ориентации тензорезистора 6 относительно этой пирамиды 3 с потенциальных контактов 13 можно

снимать сигнал, примерно в 2-2,5 раза больший, чем для тензорезистора на тонкой мембране. Следовательно, суммарная чувствительность, полученная в результате влияния всех существенных признаков, будет примерно в 15 раз больше чувствительности для тензорезистора с поперечной пъезоЭДС, расположенного на тонкой мембране.

Если выполнить металлизацию 18 (фиг.З) многослойной, первым элементом которой будет вольфрам, то чувствительность может повыситься еще больше. Это объясняется по аналогичному ходу рассуждений и связано с коэффициентами упругости для вольфрама: с,. 50,1.10, с, 19,8. 10 дин/cм

Однако выплнение металлизации многослойной удорожает стоимость преобразователя давления, целесообразность .определяется назначением.

Гибкая связь 10 позволяет исключить влияние температурных погрешностей за счет теплового расширения, а также погрешностей за.счет случайных перекосов и пр.

Формула изобретения

Преобразователь давления, содержащий корпус, в котором установлены упругий элемент и полупроводниковая пластина со слоем окисла, на одной из сторон которой сформирован чувствительный элемент с контактами, а на другой выполнено углубление, в котором расположен жесткий центр со сферической поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в нем вьтолнено углубление в виде обращенной четьфех - гранной пирам1.1ды, а чувствительный элемент повернут на 10-35 относительно диагонали основания четьфехгран- ной пирамиды, в ершина которой распо ложена над контактами чувствительного элемента, при этом по обе стороны чувствительного элемента выполнены геттеры, под которыми расположены молекулярные структуры, размещенные на пластине под слоем окисла.

. ff-.

Фиг.

Л-А

сксо

фиг А

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить чувствительность преобразователя. На одной стороне полупроводниковой пластины 2 выполнено углубление 3 в виде обращенной четырехгранной пирамиды. в которой расположен жесткий центр. На противоположной стороне пластины 2 сформирован чувствительный элемент 6, повернутый на угол 10-35 относительно диагонали основания пирамиды, при котором в элементе будут создаваться под действием давления максимально возможные напряжения сдвига. По обе стороны от элемента 6 вьшолне- ны геттеры 14с размещенными под ними молекулярными структурами на пластине 2 под слоем окисла. Благодаря наличию молекулярных структур в области потенциальных контактов 13 элемента 6 возникают большие сдвиговые напряжения, преобразуемые в разность по- § Фенциалов, пропорциональную давлению среды. 4 ил. сл rwj ОЮ /irjoi L700 ю sn ел 00 ч со фи. 2

Редактор В.Иванова

Составитель В.Казаков

Техред И.Верес Корректор А.Зимокосов

Заказ 4813/41Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д,. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, уи. Проектная, 4