Интегральный датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в статических и динамических режимах.

Известны интегральные датчики, содержащие профилированный упругий элемент из полупроводникового материала с тонкой мембраной квадратной формы, выполненной травлением и в площади которой с планар- ной стороны методами полупроводниковой технологии сформированы тензорезисторы мостовой измерительной схемы.

Тензорезисторы мостовой схемы располагаются на периферии тонкой мембраны и

при возникновении в мембране упругого элемента механических напряжений от воздействия измеряемого давления одна пара тензорезисторов испытывает напряжения сжатия (тензорезисторы с отрицательной чувствительностью

-М-

R

0), а

вторая пара-напряжения растяжения (тензорезисторы с положительной чувствительARностью - -Б 0)- Причём механические

напряжения, возникающие в точках наружной поверхности мембраны, прямо пропорциональны величине измеряемого давления, квадрату стороны мембраны и обратно пропорциональны квадрату ее толщины. При необходимости же измерения давлений меньше 105 Па ( 1,0 кГс/см2) возникает сложность получения упругих элементов с тонкими (не более 15 мкм) мембранами при одновременном увеличении их размеров из полупроводникового материала, например из монокристаллического кремния. Обусловлено это тем, что из-за существенного различия в температурных коэффициентах линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, которым защищается поверхность тонкой мембраны с интегральными тензорези- сторами измерительной схемы (например, для кремния ctsi 3, 1/°С, а для диоксида кремния asiO2 1, 1/°С) на границе полупроводниковый материал - защитный материал возникают остаточные термоупругие деформации, которые приводят к статическому прогибу такой мембраны еще в ненагруженном состоянии (при отсутствии измеряемого давления).

Недостатком таких интегральных датчиков является сложность создания упругого элемента с профилированной тонкой квадратной мембраной при одновременном увеличении ее размеров для измерения малых и очень малых давлений без статического прогиба мембраны.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интегральный преобразователь давления, содержащий профилированный упругий:элемент из полупроводникового материала с мембраной квадратной формы, в площади которой с пленарной стороны сформированы методами полупроводниковой технологии интегральные тензорезисторы мостовой схемы. Однако интегральный датчик с упругим элементом, имеющим тонкую квадратную мембрану, характеризуется статическим прогибом мембраны в ненагруженном состоянии, определяющим начальную дефор0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

мацию мембраны и ограничивающим применение такого упругого элемента в конструкциях датчиков малых давлений.

Цель изобретения - уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя.

Согласно изобретению в интегральном датчике давления, содержащем профилированный упругий элемент из полупроводникового материала, тонкая мембрана которого сформирована локальным травлением материала упругого элемента, причем с планарной стороны мембраны сформированы интегральные тензорезисторы, включенные в мостовую схему и покрытые защитным слоем, мембрана упругого элемента выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,5-0,65, а отношение длины основания креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2-0,3, тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными, из пяти резистивных участков каждый, соединенных последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорезисторов, с положительной тензочувствительностью, расположены, соответственно, вдоль оснований креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны, а резистивные участки второй пары тензорезисторов, с отрицательной тензочувствительностью, расположены соответственно, перпендикулярно основаниям креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны.

На чертеже изображен предлагаемый датчик, где 1 - упругий элемент из полупроводникового материала; 2 - крестообразная мембрана упругого элемента; 3 -основания креста; 4 - образующие креста; 5 - токове- дущие коммутационные дорожки; 6,7 - контактные площадки для подключения источника питания; 8,9 - контактные площадки для снятия выходного сигнала с мостовой схемы; Ri , Ra - резистивные участки тензорезисторов RI и Рз с положительной чувствительностью; R2Y R41 - резистивные

участки тензорезисторов R2 и R4 с отрицательной чувствительностью.

X, Y - короткая и длинная оси симметрии соответственно:

ам, Ьм размер короткой и длинной сторон креста соответственно;

oVp. - длина оснований креста:

A,B,C,D,0 - особые точки крестообразной мембраны.

Интегральный датчик давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например из кремния n-типа марки КЭФ-4,5 с ориентацией (001). Направления осей симметрии X и Y совмещены с кристаллографическими осями 100 и 101. В упругом элементе 1 локальным, например анизотропным, травлением сформирована крестообразная мембрана 2. Отношение короткой стороны ам креста к его длинной стороне Ьм выбирается из интервала 0,55-0,65 (оптимальным является 0,6). Выбор соотношения сторон крестообразной мембраны из представленного интервала позволяет обеспечить в центре 0 мембраны максимальную разность продольных охо и поперечных ovo полезных механических напряжений. А это, в свою очередь, позволяет располагать в центре крестообразной мембраны резистивные участки тензорезисторов. Отношение же длины основания креста 3 -икр , к его длинной стороне Ьм выбирается в интервале 0,2-0,3 (оптимальным является 0,25) и определяет максимальную разность полезных продольных ох и поперечных оу механических напряжений, возникающих в особых точках крестообразной мембраны (точки В,С). А это также позволяет располагать вблизи этих точек резистивные участки тензорезисторов.

На планарной стороне крестообразной мембраны 2 методами полупроводниковой технологии (диффузией или ионным легированием) сформированы интегральные тен- зорезисторы RI - R/ P - типа проводимости, соединенные в полую мостовую схему. Тензорезисторы RI и РЗ состоят из резистивных участков RY и Рз , а тензорезисто- ры На и R4 - из резистивных участков Ra и R41. Резистивные участки RI и RS расположены вдоль оснований креста 3 вблизи точек пересечения образующих креста 4 и осей симметрии X,Y с его основаниями 3, а также вдоль короткой оси симметрии X вблизи центра 0 крестообразной мембраны 2. Резистивные участки R2 и RA расположены перпендикулярно основаниям креста 3 вблизи точек пересечения образующих креста 4 и осей симметрии X и Y с его основаниями 3. а также вдоль длинной оси

и

симметрии Y вблизи центра 0 крестообразной мембраны 2. Резистивные участки RI - R3 и Fta -Ri жидкого тензорезистора последовательно соединены друг с другом

токоведущими коммутационными дорожками 5. Для подключения источника питания на планарной поверхности упругого элемента сформированы методом вакуумного напыления контактные площадки 6 и 7, а для

снятия выходного сигнала - контактные площадки 8 и 9.

Интегральный датчик давления работа- ет следующим образом.

Пбд действием измеряемого давления в

особых точках крестообразной мембраны 2 (точки A,B,C,D,0) на планарной ее стороне возникают полезные механические продольные ох и поперечные оу напряжения. Эти напряжения (деформации) вызывают в

резистивных участка х тензорезисторов, расположенных вблизи особых точек, деформацию растяжения или сжатия, в ре- зультате чего величины их сопротивлений изменяются. Так вблизи точки А (фиг,1) под

действием измеряемого давления q возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка RI и Ra увеличивают относительное изменение сопротивления

дуд 0,122 Л44 -Ц51- ( 1 v )

Им

а у резистивного участка R2- и уменьшают относительное изменение сопротивления

40

(5хА -0,122Л44

q ам h2,

(1-v).

где v - коэффициент Пуассона материала мембраны;

hM - толщина тонкой мембраны;

Л44 -- главный пьезорезистивный коэффициент для тензорезистора р-типа проводимости,

Вблизи точки В возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка RI и Ra увеличивают относительное изменение сопротивления

5ув 0, ( I- ). «Ј

. Пм

а у резистивного участка RZ и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

(5хв -0,107 ЩА

q aЈ hS

-(1-v).

.(5R1 CJR3 0,341 Л44 ( 1 - I )

h2M

Интегральный датчик давления относится к измерительной технике и может быть использован при разработке и изготовлении миниатюрных датчиков давления с полупроводниковым упругим элементом. Цель изобретения - уменьшение величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя. Сущность изобретения: интегральный датчик давления содержит профилированный упругий элемент 1 из полупроводникового материала, тонкая мембрана 2 которого выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,5-0,65, а отношение длины основания 3 креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2-0,3, тензорезисторы Ri-R4 мостовой схемы выполнены составными из пяти резистивных участков каждый, которые соединены последовательно друг с другом токоведущими коммутационными дорожками 5, при этом ре- зистивные участки первой пары тензорези- сторов с положительной чувствительностью RI и РЗ расположены соответственно вдоль оснований 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны 2, а резистивные участки второй пары тензоре- зисторов с отрицательной чувствительностью R2 и R4 расположены соответственно перпендикулярно основаниям 3 креста вблизи точек пересечения образующих 4 креста и осей симметрии с его основаниями 3 и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны 2, Источник питания подключен к контактным площадкам 6 и 7, выходной сигнал мостовой схемы снимается с контактных площадок 8 и 9. Положительный эффект: благодаря повышению жесткости тонкой мембраны 2 исключается ее статический прогиб, чувствительность повышается примерно в б раз. 1 ил. ел VI ю а о го ю

Вблизи точки С возникают механические напряжения сжатия, которые у рези- стивного участка RI и Нз увеличивают относительное изменение сопротивления

2

5хс 0.029 fl44-ay4 f -v).

Им

а у резистивного участка RI и уменьшают относительное изменение сопротивления

бус -0,029 (1 -v).

Ьм

Вблизи точки D возникают механические напряжения сжатия, которые у резистивного участка RI и Нз увеличивают относительное изменение сопротивления

-Л

сЗхо - 0,044 Л44 (1 - v) ,

hЈ

а у резистивного участка Ra1 и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

2 буо - - 0,044 т ( 1 - v } .

.Им. .

Вблизи центра крестообразной мембраны 0 возникают напряжения растяжения, которые у резистивного участка RI и RS увеличивают относительное изменение сопротивления

(5хо 0,039 ПАЛ

q Эм

h2M

(1-v),

а у резистивного участка Rz и R4 уменьшают относительное изменение сопротивления

(5vo -.- 0,039 Л44 (1 v ).

7

ПМ

Таким образом, резистивные участки Ri -Ra тензорезисторов RI и Ra, расположенные вблизи особых точек мембраны, увеличивают свои сопротивления, т.е. имеют положительную чувствительность (дк

а резистивные участки R2 -R4 тензоре- зисторов Ra и R4уменьшают свои сопротивления, т.е. имеют отрицательную чувст- ДЯ

вительность (дк R

0)

6R2 dR4- - 0,341 ям ( 1 v- v).

Ьм

Чувствительность мостовой схемы интегрального датчика давления, тензорези- сторы которой выполнены составными из рёзистивных участков, расположенных вблизи особых точек крестообразной мембраны, будет равна

2

S 0,682 1-v).

hZ Лf- м

Испытаниям были подвергнуты упругие элементы с профилированной тонкой квадратной мембраной (согласно прототипу) и тонкой крестообразной мембраной (согласно изобретению). Размер сторон квадратной мембраны (ам х ам) был выбран равным 3,0 х 3.0 мм, толщина мембраны hM составила 15 мкм и 10 мкм. Размер сторон крестообразной мембраны был выбран равным Ьм 3,0 мм, ам 1,8 мм, длина

оснований креста hKp составила 0,75 мм, толщина мембраны Ьм составила 15 мкм и 10 мкм. Изготовление упругих элементов с профилированными мембранами и интегральными тензорезисторами мостовой схемы проводилось по единой технологии. Толщина защитного слоя диоксида кремния с пленарной стороны мембран для обоих вариантов составила 0,5 мкм (формирование тонких мембран проводилось на заключительном этапе изготовления, в результате непланарная сторона мембраны защитным слоем диоксида кремния не. защищена). Статический прогиб мембран при отсутствии измеряемого давления

контролировался визуально под микроскопом и оценивался по изменению величины начального разбаланса мостовой схемы при напряжении питания Еп 6.0 В.

Предлагаемый интегральный датчик

давления, по сравнению с прототипом, обеспечивает следующие преимущества:

-повышается жесткость тонкой мембраны, что исключает статический изгиб ее при отсутствии измеряемого давления.

Изобретение позволяет повысить чувствительность датчика примерно в б раз. что соответственно позволяет увеличивать толщину мембраны креФормула изобретения Интегральный датчик давления, содержащий профилированный упругий элемент из полупроводникового материала, тонкая мембрана которого сформирована локальным травлением материала упругого элемента, причем с пленарной стороны мембраны сформированы интегральные тензорезисто- ры, включенные в мостовую схему и покрытые защитным слоем, отличаю щи и с я тем, что, с целью уменьшения величины начальной деформации тонкой мембраны при отсутствии- воздействия измеряемого давления, обусловленной различием температурных коэффициентов линейного расширения полупроводникового материала мембраны и материала защитного слоя, мембрана упругого элемента выполнена крестообразной формы с неодинаковыми по длине сторонами креста, причем отношение короткой стороны креста к его длинной стостообразной формы, по сравнению с толщиной мембраны квадратной формы при измерении одной и той же величины давления.

роне выбрано в интервале 0,5-0,65, а отношение длины основания креста к его длинной стороне выбрано в интервале 0,2-0,3, тензорезисторы мостовой схемы выполнены составными, из пяти резистивных участков каждый, соединенных последовательно друг с другом, при этом резистивные участки первой пары тензорёэисторов, с положительной тензочувствительностью, расположены соответственно вдоль оснований креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль короткой оси симметрии вблизи центра мембраны, а резистивиые участки второй пары тензорезисторов, с отрицательной тензочувствительностью, расположены соответственно перпендикулярно основаниям креста вблизи точек пересечения образующих креста и осей симметрии с его основаниями и вдоль длинной оси симметрии вблизи центра мембраны.