Интегральный полупроводниковый датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения нелинейности изменения сопротивления тензорезисторов от давления. .

На фиг. 1 показан датчик давления, содержащий упругий элемент 1 из полупро- водникового материала; мембрану 2 упругого элемента; жесткий центр 3; опорное основание 4 упругого элемента; ребро жесткости 5 в форме прямоугольной балки; тензорезисторы 6 мостовой схемы; внешний контур 7 мембраны упругого элемента; внутренний контур 8 мембраны упругого элемента; токоведущие коммутационные дорожки 9, контактные площадки 10, 11 для подключения источника питания; контактные площадки 12, 13 для снятия выходного сигнала с мостовой схемы. Показаны также X, Y - оси симметрии упругого элемента; R1 R13 - резистивные участки тензорезисторов

Ri и Рзс отрицательной чувствительностью; R 2, R 4 - резистивные участки тензорезисторов R2 и R4 с положительной чувствительностью; ам, а0 - размер стороны мембраны и жесткого центра соответственно; Н, h0 - толщина опорного основания и жесткого центра соответственно; hZ, hTp- суммарная толщина мембраны и ребра жесткости и глубина травления мембраны с ее пленарной стороны соответственно

Интегральный полупроводниковый датчик давления содержит упругий элемент 1 из полупроводникового материала, например, из кремния n-типа марки КЭФ-4,5 с ориентацией (001). Направления осей симметрии упругого элемента (X и Y) совмещены с кристаллографическими осями 100 и 010. В упругом элементе 1 с толщиной Н, равной толщине исходной кремниевой пластины, локальным, например, анизотропным травлением, с ее непланарной стороны сформированы тонкая упругая мембрана 2 с размером сторон амхам и толщиной пг

00

Ю

ел ел

(суммарная толщина мембраны и ребра жесткости) и жесткий центр 3 с размером сторон а0х а0 толщиной h0. Толщина h0 жесткого центра 3 выбрана меньше толщины Н опорного основания 4-на величину прогиба мембраны 2. Жесткий центр 3 одновременно является ограничительным упором для перемещения упругой мембраны 2 при воздействии распределенного или осе- симметричного измеряемого давления с планарной стороны упругой мембраны. Опорное основание 4 служит для жесткого закрепления упругого элемента. С планарной стороны упругой мембраны 2 локальным, например, анизотропным травлением кремния выполнены ребра жесткости 5 в форме прямоугольной балки толщиной hTp, шириной В и одновременно образован контур жесткого центра 3 на планарной стороне мембраны 2, являющийся дополнительным концентратором механических напряжений. Каждый тензорезистор в мостовой измерительной схеме выполнен из двух резистивных участков с разнополярной чувствительностью, Пары разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости 5. Так, тензорезисторы с отрицаА R

тельной чувствительностью ( ),

к

например RI и Нз,, выполнены из резистивных участков RI и RS соответственно, которые расположены вдоль осей симметрии X и Y перпендикулярно внешнему контуру 7 мембраны 2. А тензорезисторы с положительной чувствительноД R

стью ( р 0 ), например R2 и R4 к

выполнены из резистивных участков Ra1 и R41 соответственно, которые расположены вдоль осей симметрии X и Y перпендикулярно внутреннему контуру 8 мембраны 2. Резистивные участки каждого тензорезистора соединены друг с другом токоведущйми коммутационными дорожками 9. Для подключения источника питания служат контак- тные площадки 10, 11, а для снятия выходного сигнала с мостовой схемы - контактные площадки 12, 13.

Интегральный датчик давления работает следующим образом.

Под действием измеряемого распределенного или осесимметричного давления мембрана 2 упругого элемента 1 совместно с ребрами жесткости 5 испытывают плоский изгиб (измеряемое давление воздействия на упругую мембрану со стороны расположения измерительной схемы). В результате в мембране 2 и ребрах жесткости 5 возникают механические напряжения (продольный

Охи поперечные Оу), характер распределения которых по площади упругой мембраны (между внешним и внутренним контурами мембраны) имеет строго линейную зависимость, что является одним из достоинств мембраны с жестким центром по сравнению с плоской мембраной. Эти напряжения (деформации) вызывают в резистивных участках тензорезисторов деформацию

растяжения или сжатия, что приводит к изменению величин их электрического сопро-. тивления., Так, например, резистивные участки RI и Кз тензорезисторов RI и Кз, расположенные вдоль осей симметрии X, Y

упругой мембраны перпендикулярно внешнему контуру 7 мембраны 2, испытывают деформацию сжатия и уменьшают величину сопротивления (тензорезисторы с отрицательной чувствительностью). А резистивные

участки R 2 и R 4 тензорезисторов R2 и R4 расположенные вдоль осей симметрии X, Y упругой мембраны перпендикулярно внутреннему контуру 8 мембраны 2, испытывают деформацию растяжения и увеличивают величину сопротивления (тензорезисторы с положительной чувствительностью). В результате на выходе мостовой схемы появляется сигнал разбаланса, пропорциональный величине измеряемого давления. При достижении номинального значения давления жесткий центр, как элемент конструкции упругого элемента, выполняющий одновременно роль ограничительного упора, предотвращает возможность прогиба мембраны сверх требуемой величины, тем самым исключает механическое разрушение упругой мембраны. Сформированный одновременно с созданием ребер жесткости на планарной стороне упругого элемента, контур жесткого центра является дополнитель- ным концентратором механических напряжений, повышающий чувствительность измерительной схемы датчика. Формула изобретен.и.я

Интегральный полупроводниковый датчик давления, содержащий опорное основание, упругую мембрану, ребра жесткости, выполненные в форме прямоугольных балок, и тензочувствительные элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения нелинейности изменения сопротивления тензорезисторов от давления, упругая мембрана выполнена с

жестким центром, расположенным в обеих ее сторон, толщина которого меньше толщины опорного основания на расчетную максимальную величину прогиба мембраны, а каждый тензорезистор выполнен из

двух резистивных участков с разнополяр- ной чувствительностью, соединенных друг с другом, причем пары разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости,

Использование: при измерении давления. Сущность изобретения: в интегральном полупроводниковом датчике давления, 2 содержащем опорное основание, упругую мембрану, ребра жесткости, выполненные в форме прямоугольных балок, и тензочувст- вительные элементы, упругая мембрана выполнена с жестким центром, расположенным в обеих ее сторон, толщина которого меньше толщины опорного основания на расчетную максимальную величину прогиба мембраны, а каждый тензорезистор выполнен из двух резистив- ных участков с разнополярной чувствительностью, соединенных друг с другом, причем пары разнополярных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости. 1 ил.