RU1812455C - Интегральный полупроводниковый датчик давлени - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники и может быть использовано дл  измерени  давлени .

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  за счет уменьшени  нелинейности изменени  сопротивлени  тензорезисторов от давлени . .

На фиг. 1 показан датчик давлени , 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 пр моугольной 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 дл  подключени  источника питани ; контактные площадки 12, 13 дл  сн ти  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 основани  и жесткого центра соответственно; hZ, hTp- суммарна  толщина мембраны и ребра жесткости и глубина травлени  мембраны с ее пленарной стороны соответственно

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

00

Ю

ел ел

(суммарна  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 основани  4-на величину прогиба мембраны 2. Жесткий центр 3 одновременно  вл етс  ограничительным упором дл  перемещени  упругой мембраны 2 при воздействии распределенного или осе- симметричного измер емого давлени  с планарной стороны упругой мембраны. Опорное основание 4 служит дл  жесткого закреплени  упругого элемента. С планарной стороны упругой мембраны 2 локальным, например, анизотропным травлением кремни  выполнены ребра жесткости 5 в форме пр моугольной балки толщиной hTp, шириной В и одновременно образован контур жесткого центра 3 на планарной стороне мембраны 2,  вл ющийс  дополнительным концентратором механических напр жений. Каждый тензорезистор в мостовой измерительной схеме выполнен из двух резистивных участков с разнопол рной чувствительностью, Пары разнопол рных 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 перпендикул рно 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 перпендикул рно внутреннему контуру 8 мембраны 2. Резистивные участки каждого тензорезистора соединены друг с другом токоведущйми коммутационными дорожками 9. Дл  подключени  источника питани  служат контак- тные площадки 10, 11, а дл  сн ти  выходного сигнала с мостовой схемы - контактные площадки 12, 13.

Интегральный датчик давлени  работает следующим образом.

Под действием измер емого распределенного или осесимметричного давлени  мембрана 2 упругого элемента 1 совместно с ребрами жесткости 5 испытывают плоский изгиб (измер емое давление воздействи  на упругую мембрану со стороны расположени  измерительной схемы). В результате в мембране 2 и ребрах жесткости 5 возникают механические напр жени  (продольный

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

раст жени  или сжати , что приводит к изменению величин их электрического сопро-. тивлени ., Так, например, резистивные участки RI и Кз тензорезисторов RI и Кз, расположенные вдоль осей симметрии X, Y

упругой мембраны перпендикул рно внешнему контуру 7 мембраны 2, испытывают деформацию сжати  и уменьшают величину сопротивлени  (тензорезисторы с отрицательной чувствительностью). А резистивные

Claims (1)

1. участки R 2 и R 4 тензорезисторов R2 и R4 расположенные вдоль осей симметрии X, Y упругой мембраны перпендикул рно внутреннему контуру 8 мембраны 2, испытывают деформацию раст жени  и увеличивают величину сопротивлени  (тензорезисторы с положительной чувствительностью). В результате на выходе мостовой схемы по вл етс  сигнал разбаланса, пропорциональный величине измер емого давлени . При достижении номинального значени  давлени  жесткий центр, как элемент конструкции упругого элемента, выполн ющий 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  вл етс  дополнитель- ным концентратором механических напр жений, повышающий чувствительность измерительной схемы датчика. Формула изобретен.и. 

   Интегральный полупроводниковый датчик давлени , содержащий опорное основание , упругую мембрану, ребра жесткости , выполненные в форме пр моугольных балок, и тензочувствительные элементы, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности за счет уменьшени  нелинейности изменени  сопротивлени  тензорезисторов от давлени , упруга  мембрана выполнена с

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

   двух резистивных участков с разнопол р- ной чувствительностью, соединенных друг с другом, причем пары разнопол рных тензорезисторов расположены продольно на ребрах жесткости,