RU178898U1 - Емкостной датчик давления с алмазной мембраной - Google Patents
Емкостной датчик давления с алмазной мембраной Download PDFInfo
- Publication number
- RU178898U1 RU178898U1 RU2017143439U RU2017143439U RU178898U1 RU 178898 U1 RU178898 U1 RU 178898U1 RU 2017143439 U RU2017143439 U RU 2017143439U RU 2017143439 U RU2017143439 U RU 2017143439U RU 178898 U1 RU178898 U1 RU 178898U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- pressure sensor
- membrane
- wafer
- silicon wafer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
Abstract
Использование: для создания емкостного датчика давления. Сущность полезной модели заключается в том, что датчик состоит из металлизированных с одной из сторон основания, выполненного из кремниевой пластины, и алмазной мембраны, при этом алмазная мембрана, полученная путем травления толстой алмазной пленки или пластины, имеет, вследствие этого, выступы по краям пластины на стороне, противоположной нанесенному металлу, и обращена этими выступами к кремниевой пластине, которая покрыта металлизацией с этой стороны. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности и стабильности измерений. 4 ил.
Description
Полезная модель относится к области электроники, а именно к конструкции емкостного датчика давления с алмазной мембраной, который может быть использован в различных видах промышленности для измерения давления при воздействии повышенной температуры, ионизирующего излучения, химически агрессивных сред.
Из уровня техники известны конструкции датчиков давления емкостного типа. Принцип работы этих датчиков основан на изменении емкости конденсатора от приложенной нагрузки на одну из обкладок конденсатора [Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем / перевод под ред. А.С. Обухова, т. 1, М., Мир, 1992, с. 383].
Также из уровня техники известна конструкция емкостного датчика давления, содержащего первую кремниевую пластину, на которой расположены термоусадочные элементы, и чувствительный элемент из поликристаллического CVD-алмаза, скрепленный с упомянутыми термоусадочными элементами [патент US 6613601 В1, опубл. 02.09.2003]. Датчик работает следующим образом. При воздействии давления на чувствительный элемент он прогибается, меняя расстояние между первым электродом и вторым, которым является слой металлизации первой пластины кремния, и меняет, таким образом, емкость. При этом пропорционально изменению емкости меняется выходной сигнал в специальной измерительной схеме, в которую датчик включен. Изменение выходного электрического сигнала пропорционально перемещению мембраны, которое, в свою очередь, пропорционально давлению, вызывающему это перемещение.
Недостатками указанной конструкции являются:
- сравнительно ограниченная точность измерения и рабочая температура за счет наличия термоусадочных элементов между электродом мембраны и металлизацией неподвижного электрода, рядом с которым он расположен;
- существует риск короткого замыкания между электродом мембраны и металлизацией неподвижного контакта;
- сложность производства, связанная с наличием излишних элементов и необходимостью приварки электрода к тонкой алмазной мембране.
Улучшение параметров алмазного датчика давления может быть достигнуто применением алмазной мембраны особой формы, при этом сама мембрана, состоящая из высокоомного алмаза, выполняет роль изолятора между обкладками конденсатора емкостного датчика, заменяя термоусадочные элементы.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является алмазный датчик давления, описанный в источнике [патент RU 89240 U1, опубл. 27.11.2009]. Указанный алмазный датчик давления содержит первую кремниевую пластину со слоем металлизации, например, из алюминия, являющуюся первым электродом, термоусадочные элементы (столбики), выполненные из полиуретана. Кроме того, алмазный датчик давления содержит вторую кремниевую пластину с отверстием в ней, чувствительный элемент из поликристаллического CVD-алмаза в виде пленки поликристаллического CVD-алмаза. Чувствительный элемент покрыт слоем металлизации. К слою металлизации чувствительного элемента присоединен второй электрод.
Поликристаллический CVD (Chemical Vapor Deposition) алмаз широко известен из уровня техники (см., например, [Ральченко В., Конов В. CVD-алмазы. Применение в электронике / Электроника, Выпуск 4/2007]).
Указанный алмазный датчик имеет широкий диапазон измерений, он является универсальным. Однако широта диапазона и универсальность указанного алмазного датчика давления отрицательно влияет на точность измерений.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в повышении точности и стабильности измерений, увеличении надежности конструкции и рабочей температуры, исключении возможности короткого замыкания во время работы и упрощении технологии производства датчика давления.
Технический результат достигается тем, что в емкостном датчике давления, состоящем из металлизированных с одной из сторон основания, выполненного из кремниевой пластины, и алмазной мембраны, алмазная мембрана, полученная путем травления толстой алмазной пленки или пластины, имеет, вследствие этого, выступы по краям пластины на стороне, противоположной нанесенному металлу, и обращена этими выступами к кремниевой пластине, которая покрыта металлизацией с этой стороны.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен алмазный датчик давления общий вид.
На фиг. 2 изображен схематический чертеж алмазной пластины с вытравленной мембраной.
На фиг. 3 показана сборка алмазного датчика давления.
На фиг. 4 структурная электрическая схема датчика давления.
Предлагаемый алмазный датчик давления содержит алмазную мембрану (2), изготовленную путем травления алмазной пленки, слой металлизации (5) мембраны (2). Кроме того, алмазный датчик давления содержит основание (4), выполненное из кремниевой пластины и покрытое слоем металлизации (3).
Все вышеперечисленные элементы соединяются между собой в процессе изготовления, который осуществляется в следующем порядке.
Сначала берут основание (4), выполненное из кремниевой пластины, и наносят на него слой металлизации (3) (алюминия).
После этого берут толстую алмазную пленку или тонкую пластину толщиной 12 мкм, с одной стороны вытравливают углубление (7) глубиной 9 мкм, а с другой стороны наносят слой металлизации (5).
Для окончательной сборки алмазного датчика давления сначала приваривают электроды (1) и (6) к слоям металлизации (3) и (5) соответственно, а затем скрепляют основание (4) и мембрану (2) между собой при помощи термоклея (более подробно процесс изготовления алмазного датчика давления описан ниже).
На фиг. 3 показана сборка алмазного датчика давления. Текучую среду, давление которой необходимо измерить, подводят к рабочему объему (8) с помощью трубки (9) с выходным отверстием (10). Алмазный датчик давления имеет крышку (11).
Принцип работы алмазного датчика давления основан на изменении емкости конденсатора, образованного слоем металлизации (3), неподвижно располагающимся на основании (4), и подвижным слоем металлизации (5), располагающимся на мембране (2), при изменении давления текучей среды, например, газа или жидкости, которая через отверстие (10) воздействует на мембрану (2), прогибая ее. При отсутствии давления среды на мембрану (2) слой металлизации (5), располагающийся на ней, располагается параллельно неподвижному слою металлизации (3), расположенному на основании (4). При подаче текучей среды по трубке (9) от действия давления текучей среды на мембрану (2) она прогнется. Вместе с ней прогнется и слой металлизации (5), располагающийся на этой мембране (2). Расстояние между ним и неподвижным слоем металлизации (3) изменится, что приведет к изменению емкости между подвижным слоем металлизации (5) и неподвижным слоем металлизации (3).
Данное изменение будет зафиксировано и преобразовано в код в преобразователе емкость-код (13), (фиг. 4, на котором изображена структурная электрическая схема датчика давления, включающего емкостный датчик (12)). После этого код будет направлен в устройство управления и сбора информации (14), а оттуда - в персональный компьютер (15).
Пленка из алмаза является основным упругим элементом в алмазном датчике давления, из которого изготовлена мембрана. Благодаря таким ее уникальным свойствам, как чрезвычайно высокая твердость, высокая теплопроводность, прозрачность в широком оптическом диапазоне, большое удельное сопротивление, достигается повышение точности измерений при сохранении широкого диапазона измерений.
Использование упругого чувствительного элемента (мембраны), выполненного путем травления пленки алмаза, позволило при разработке технологии изготовления применить стандартное технологическое оборудование для изготовления изделий микроэлектроники.
Поскольку алмазная пленка обладает уникальными свойствами, а именно она химически стойкая практически во всех кислотах и щелочах, то формирование топологии возможно только с помощью процессов ионного травления или лазерного «рисования» элементов алмазных датчиков.
Вторая часть чувствительного элемента, исполняющая роль второй обкладки конденсатора, представляет собой кремниевое основание со слоем металлизации в виде алюминиевой пленки, напыленной по поверхности с выведенным за его пределы проволочными электродами.
Таким образом, схема алмазного датчика давления в сборе представляет собой сэндвич из двух обкладок, соединенных посредством термоклея, полимеризованного в условиях повышенной температуры и давления.
Очевидно, что номинальные значения емкости в подобных конструкциях зависят от габаритных размеров составляющих деталей, перекрываемых металлизированных площадей и физико-механических свойств примененных диэлектрических материалов.
В практической реализации предлагаемой полезной модели диафрагма имеет размеры 5,0×5,0×0,00012 мм, а нижняя - 5,0×8,0×0,5 мм.
В качестве базовой конструкции для алмазных датчиков давления выбраны металлостеклянные корпуса 3301.8 по КЮЯЛ 431433.023-02 ТУ (ТО-8) производства завода «МАРС» (г. Торжок). Массогабаритные характеристики корпусов: вес 13,6 г и наружный ∅12,75 при общей высоте (вместе с баллоном КЮЯЛ 433684.001-05) 15 мм представляются оптимальными. При этом понадобилась доработка корпусов введением столика для наиболее рационального использования внутреннего объема.
В конструкции выбранного типа ТО-8 предусмотрены две выходные воздушные трубки, одна из них - откачной штенгель, посредством которых при подаче избыточного давления проводится аттестация детекторов. Штенгель после использования механизма холодного отпая должен быть пропаян и закрыт защитным колпачком.
Изготовленные алмазные датчики давления по результатам измерения на измерителе цифровом L.C.R. Е7-8 имеют емкость 25 пФ.
В предложенной конструкции алмазного датчика чувствительный элемент в виде мембраны изготовлен из пленки монокристаллического CVD-алмаза. У алмаза коэффициент термического расширения в 4-6 раз ниже, чем у кремния, радиационная стойкость в 100 раз выше, а химическая стойкость является наивысшей, что позволяет расширить диапазон измерений алмазного датчика давления, повысить точность измерений при сохранении широкого диапазона измерений.
Таким образом, исключаются технологические операции изготовления термоусадочных элементов. Электрод приваривается не к металлизации мембраны, а к краевому выступу, что повышает качество сварки и влияет на точность измерений. Точность и стабильность измерений также повышается за счет исключения термоусадочных элементов имеющих остаточную деформацию и низкую стойкость к высокой температуре. Риск короткого замыкания исключается наличием мембраны из высокоомного алмаза, между обкладками конденсатора, образованного металлизацией самой мембраны и металлизацией кремниевого основания. Из-за этого возникает возможность увеличить емкость конденсатора за счет уменьшения расстояния между обкладками и, следовательно, дополнительно повысить точность измерений.
Claims (1)
- Емкостный датчик давления, состоящий из металлизированных с одной из сторон основания, выполненного из кремниевой пластины, и алмазной мембраны, отличающийся тем, что алмазная мембрана, полученная путем травления толстой алмазной пленки или пластины, имеет, вследствие этого, выступы по краям пластины на стороне, противоположной нанесенному металлу, и обращена этими выступами к кремниевой пластине, которая покрыта металлизацией с этой стороны.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017143439U RU178898U1 (ru) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | Емкостной датчик давления с алмазной мембраной |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017143439U RU178898U1 (ru) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | Емкостной датчик давления с алмазной мембраной |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU178898U1 true RU178898U1 (ru) | 2018-04-23 |
Family
ID=62043750
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017143439U RU178898U1 (ru) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | Емкостной датчик давления с алмазной мембраной |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU178898U1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5264075A (en) * | 1992-11-06 | 1993-11-23 | Ford Motor Company | Fabrication methods for silicon/glass capacitive absolute pressure sensors |
WO1997032190A1 (en) * | 1996-02-27 | 1997-09-04 | Nyfotek A/S | Pressure sensor |
RU2098783C1 (ru) * | 1996-01-18 | 1997-12-10 | Федор Федорович Колпаков | Датчик давления |
US6704186B2 (en) * | 2000-07-04 | 2004-03-09 | Yamatake Corporation | Capacity type pressure sensor and method of manufacturing the pressure sensor |
RU2251087C2 (ru) * | 2003-06-09 | 2005-04-27 | Новосибирский государственный технический университет | Емкостной датчик давления |
RU89240U1 (ru) * | 2009-08-17 | 2009-11-27 | Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Алмазный датчик давления |
RU2545085C1 (ru) * | 2013-11-12 | 2015-03-27 | Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" | Конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления |
-
2017
- 2017-12-12 RU RU2017143439U patent/RU178898U1/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5264075A (en) * | 1992-11-06 | 1993-11-23 | Ford Motor Company | Fabrication methods for silicon/glass capacitive absolute pressure sensors |
RU2098783C1 (ru) * | 1996-01-18 | 1997-12-10 | Федор Федорович Колпаков | Датчик давления |
WO1997032190A1 (en) * | 1996-02-27 | 1997-09-04 | Nyfotek A/S | Pressure sensor |
US6704186B2 (en) * | 2000-07-04 | 2004-03-09 | Yamatake Corporation | Capacity type pressure sensor and method of manufacturing the pressure sensor |
RU2251087C2 (ru) * | 2003-06-09 | 2005-04-27 | Новосибирский государственный технический университет | Емкостной датчик давления |
RU89240U1 (ru) * | 2009-08-17 | 2009-11-27 | Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Алмазный датчик давления |
RU2545085C1 (ru) * | 2013-11-12 | 2015-03-27 | Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" | Конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR0137939B1 (ko) | 용량성 압력감지기 및 그의 기생용량 최소화 방법 | |
KR0137931B1 (ko) | 평면운동을 위한 힌지된 격막을 가진 용량성 반도체 감지기 | |
US4177496A (en) | Capacitive pressure transducer | |
US4261086A (en) | Method for manufacturing variable capacitance pressure transducers | |
EP0110992B1 (en) | A liquid to liquid differential capacitive pressure transducer and method for manufacturing same | |
US5483834A (en) | Suspended diaphragm pressure sensor | |
US4386453A (en) | Method for manufacturing variable capacitance pressure transducers | |
US2999386A (en) | High precision diaphragm type instruments | |
JPH021253B2 (ru) | ||
JP5349366B2 (ja) | 複合型圧力計、及び複合型圧力計の製造方法 | |
US3479879A (en) | Manometer | |
EP0165302A1 (en) | Pressure sensor with a substantially flat overpressure stop for the measuring diaphragm | |
KR987000672A (ko) | 용량성 절대압력센서 및 방법(capacitive absolute pressure sensor and method) | |
EP0164413A4 (en) | PRESSURE TRANSDUCER. | |
TW201432237A (zh) | 用於利用測量單元裝置測量真空壓力的方法及裝置 | |
EP0198018A1 (en) | Capacitive sensing cell made of brittle material | |
US8739632B2 (en) | Pressure sensor structure and associated method of making a pressure sensor | |
KR20070096655A (ko) | 마이크로 압력센서 | |
RU172636U1 (ru) | Алмазный датчик давления | |
RU178898U1 (ru) | Емкостной датчик давления с алмазной мембраной | |
CA1154502A (en) | Semiconductor variable capacitance pressure transducer | |
CN117268600A (zh) | 一种mems压力传感器芯片及其制备方法 | |
US4103555A (en) | Pressure sensor for high-temperature liquids | |
JP3171410B2 (ja) | 真空センサ | |
JPH07174652A (ja) | 半導体圧力センサ及びその製造方法並びに圧力検出方法 |