Мембранный блок датчика давления Советский патент 1989 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании и производстве миниатюрных полупроводниковых датчиков неэлектрических величин, например, датчиков давления, параметров движения.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влияния деформаций в заделке упругого элемента.

На фиг. 1 показан мембранный блок в сборе; на фиг. 2 -.упругий элемент; на фиг. 3 - конструктивное исполнение упругого элемента с указанием базовых размеров.

Мембранный блок содержит упругий элемент 1, втулку-основание 2, изо- ляционньпй слой 3, контактную металлизацию 4, тензочувствительный элемент 5, выемку 6 под концентратор, перемычку 7 концентратора, буртик 8, жесткий центр 9, внутреннюю кромку

10 буртика, кромку 11 концентратора, плоскость 12 соединения.

Мембранный блок содержит в своем составе полупроводниковьш , например кремниевый, упругий элемент 1 в виде мембраны, в теле которой сформированы тензочувствительные элементы 5, например тензорезисторы. К упругому элементу 1 присоединена полая втулка- основание 2, выполненная из материала с близким по ТКЛР с кремнием, например из стекла, ковара, кремния. Соединение упругого элемента 1 с втулкой 2 может быть проведено элек- , тростатическим методом через клеевую прослойку. И в том и в другом случаях деформации, возникшие в плоскости 12 соединения локализуются только в зоне буртика 8 и не распространяются в зону расположения тензочувствительных элементов 5.

Полупроводникойьт упругий элемент (фиг. 2) изготавливается из монокрис(Л

Кл

сл to сл

таллического материала. Конфигурация его (буртик 8, выемка 6, жесткий центр 9, перемычка 7) задается методами микропрофилирования и кристал- лографической ориентацией.

Методами полупроводниковой технологии на упругом элемента 1 формируют тензочувствительные элементы 5 в виде диффузионных или ионолегирован- ных тензорезисторов, объединенных в схему с помощью контактной (например, алюминиевой) металлизации 4. Защита тензочувствительных элементов от внешних воздействий осуществляет- ся путем нанесения на верхнюю плоскость мембраны изоляционного слоя 3 (нитрид кремния 31з или двуокись кремния SiOj).Диапазон измерения определяется толщиной h перемычки 7 концентратора. Тензочувствительные элементы 5 для увеличения их чувствительности расположены у кромки 11 концентратора. Концентраторы деформации образованы путем травления вые- мок 6 под зоной расположения тензочувствительных элементов 5. В зоне жесткого центра 9 деформации мембраны отсутствуют. Для заделки упругого элемента 1 в корпус датчика 6 служит буртик 8, верхняя плоскость которого углублена по отношению к верхней гьлоскости упругого элемента на величину 1, а внутренняя кромка 10 буртика смещена по отношению к кромке 11 концентраторов (или, тоже самое, по отношению к тензочувстви- тельным элементам) на величину L.

Величины 1 и L выбраны исходя из следующего. ,При 1 2h кольцевую втул ку-основание трудно фиксировать в процессе ее соединения с упругим элементом (особенно для малых, меньше 10-30 мкм, перемычек). При 1 2h фиксация производится надежно даже 7 случае наклонных стенок, и обеспечивается развязка от механических напряжений. Визуально такая ступенька видна невооруженным глазом. Все эти факторы особенно важны при авто- матизированном изготовлении датчиков в УСЛОВИЯХ массового производстВ|.

Величина L выбирается из условий развязки тензочувствительных элементов 5 от деформаций в зоне соединени элемента 1 и ВТУЛКИ 2 и складывается из двух 101:тавляющих: 2Н (при L 2И после деформаций зоны соединения зах

0 5

о 5 Q

0

5

влтывает для малых h -S-IO мкм зону расположения тензорезисторов), на практике равной 300-600 мкм, и 2h/ t g сУ - определяется добавкой на наклон граней.

Мембранный блок работает с.;1едую- щим образом.

При воздействии на упругий элемент измеряемого параметра, например давления P)f , перемычки 7 деформируются. Деформация перемычек передается тен- зорезирторам 5, которые изменяют свое сопротивление R так, что йК пропорционально Р;. Тгнзорезисторы включены в мост. Изменение сопротивления преобразуется мостовой схемой в изменении напряжения или тока. Этот сигнал через контактную металлизацию поступает во вторичную ап- Наратуру.

Благодаря наличию утопленного буртика осуществляется полная развязка тензочувствительных элементов от деформаций как в зоне заделки, так и от самой втулки-основания в широком диапазоне температур (что подтверждено в процессе испытаний), т.е. по- вьпиается точность измерения, так как Исключаются такие составляющие основной погрешности измерения, как гистерезис и нелинейность, которые определяются динамикой наведенных деформационных полей.

Конфигурация упругого элемента позволяет уменьшить габариты датчика и упростить изготовление, так как процесс сборки датчика очень прост.

Конструкция технологична в изготовлении, что позволяет изготавливать такие датчики в массовом количестве и с высоким качеством. Формула изобретения

Мембранный блок датчика давления, содержащий упругий элемент в виде полупроводниковой пластины с утолщенной частью, в которой выполнены утонченные участки с закрепленными на них тензоэлементами, и соединенную с пластиной втулку-основание, отличающийся тем, что, с целью повьш)ения точности измерения за счет хеньшения влияния деформаций в заделке упругого элемента и уменьшения габаритов, в нем пластина с буртиком по контуру, а утолщенная часть пластины по контуру - со скосом, причем втулка-основание выполнена полой gi своей торцовой поверхностью соединена с верхней плоскостью буртика, а высота 1 скоса и расстояние L между началом буртика и крайним тензоэле- ментом определяется из соотношений

1 2h;

L 2Н + 2L Itgd ,

Н - толщина пластины;

h - толщина утонченной части

пластины;

d - угол скоса, равный показателю анизотропии полупроводникового материала.

Изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью за счет уменьшения влияния деформаций в заделке упругого элемента. С этой целью пластина выполнена с буртиком по контуру, а утолщенная часть пластины - по контуру со скосом, причем втулка-основание выполнена полой и своей торцовой поверхностью соединена с верхней плоскостью буртика. Представлены соотношения геометрических параметров мембраны. Благодаря наличию утопленного буртика осуществляется полная развязка тензочувствительных элементов от деформаций как в зоне заделки, так и от самой втулки-основания в широком диапазоне температур. 3 ил.

/

12/

10

(У/ fl 6/9 9 f/

Фиг. 2 02

0,005 т 0.03

Составитель О.Слюсарев Редактор И.Горная Техред Л.Сердюкова

Заказ 7503/47

Тираж 789

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

/

хАЛА

/

X

х Фаг.1

is

|.

v

Ф2,6

ф1/г.З

Корректор М.Шароши

Подписное