RU192957U1

RU192957U1 - SENSITIVE ELEMENT OF PRECISION PRESSURE SENSOR

Info

Publication number: RU192957U1
Application number: RU2018145666U
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Козлов; Римма Яновна Лабковская; Вера Леонидовна Ткалич; Ольга Игоревна Пирожникова; Мария Евгеньевна Калинкина
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2019-10-08

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для прецизионных измерений давления жидкости и газообразной среды с помощью датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем. Сущность: чувствительный элемент нано- и микроэлетромеханического модуля прецизионного датчика давления, состоящий из упругого элемента в виде мембран с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание модуля, с образованной на ее планарной стороне гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, отличающийся тем, что поверхности упругого элемента в виде мембраны с жестким центром снабжены полностью регулярным микрорельефом IV вида (ПРМР IV вида) и наноструктурирования ее методом ионно-плазменной обработки. Технический результат заключается в улучшении метрологических характеристик и повышении чувствительности.The utility model relates to measuring technique and can be used for precision measurements of fluid pressure and gaseous medium using a pressure sensor based on nano- and microelectromechanical systems. SUBSTANCE: sensitive element of a nano- and microelectromechanical module of a precision pressure sensor, consisting of an elastic element in the form of membranes with a rigid center embedded along the contour into the support base of the module, with a heterogeneous structure made of thin films of materials formed on its planar side, characterized in that the surfaces An elastic element in the form of a membrane with a rigid center is equipped with a fully regular microrelief of type IV (PMR of type IV) and its nanostructuring by ion-plasma processing. The technical result consists in improving metrological characteristics and increasing sensitivity.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для прецизионных измерений давления жидкости и газообразной среды с помощью датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем.The utility model relates to measuring technique and can be used for precision measurements of fluid pressure and gaseous medium using a pressure sensor based on nano- and microelectromechanical systems.

Известен датчик давления, содержащий корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, заделанную по контуру с образованной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки с соединительными проводниками, в которой сформированные в гетерогенной структуре тензорезисторы, установленные по дуге окружности и в радиальном направлении, состоят из идентичных тензоэлементов в форме квадратов, соединенных тонкопленочными перемычками, включенными в измерительный мост, при этом центры окружных и радиальных тензоэлементов размещены по окружности (см. Белозубое Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Патент РФ №2398195, Бюл. №24, 27.08.2010, кл. G01L 9/04, B82B 3/00). Недостатком данной полезной модели является появляющаяся погрешность от нелинейности, которая может достигать 0,06%.A pressure sensor is known, comprising a housing, a nano- and microelectromechanical system installed in it, consisting of an elastic element - a membrane with a rigid center, sealed along a contour with a heterogeneous structure formed of thin films of materials on it, a sealing contact block with connecting conductors, in which in a heterogeneous structure, strain gauges installed along an arc of a circle and in the radial direction consist of identical tensometric elements in the form of squares connected by thin-film with the jumper wires included in the measuring bridge, while the centers of the circumferential and radial strain elements are placed around the circumference (see Belozuboye E.M., Vasiliev V.A., Chernov P.S. Patent of the Russian Federation No. 2398195, Bull. No. 24, 27.08. 2010, CL G01L 9/04, B82B 3/00). The disadvantage of this utility model is the appearing error from nonlinearity, which can reach 0.06%.

Известен тонкопленочный датчик давления, содержащий корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные в измерительный мост тензорезисторы, выполненные в виде соединенных перемычек одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на мембране, причем радиальные тензоэлементы, включенные в два противоположных плеча измерительного моста, расположены на периферии мембраны, а одна из перемычек, соединяющих тензорезисторы, имеет две контактные площадки, соединенные резистивной полосой, отдельные участки которой закорочены дополнительными перемычками (см. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Патент РФ №2345341, Бюл. №3, 27.01.2009, кл. G01L 9/04, G01L 7/08). Недостатком конструкции является низкая чувствительность, склонность к залипанию электродов.A thin-film pressure sensor is known, comprising a housing, a circular membrane with a peripheral base, along which the membrane is fixed in the housing, strain gauges connected by jumpers and included in the measuring bridge, made in the form of connected jumpers of the same number having the same shape of the strain gauges located around the circumference of the membrane moreover, the radial strain elements included in two opposite arms of the measuring bridge are located on the periphery of the membrane, and one of the The tabs connecting the strain gauges have two contact pads connected by a resistive strip, individual sections of which are shorted by additional jumpers (see Belozubov EM, Belozubova N.E. RF Patent No. 2345341, Bull. No. 3, January 27, 2009, cl. G01L 9/04, G01L 7/08). The disadvantage of the design is the low sensitivity, the tendency to stick electrodes.

Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сути является конструкция датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы, содержащего корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки и соединительных проводников, в которой сформированы в гетерогенной структуре радиальные тензорезисторы (см. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Хованов Д.М., Чернов П.С. Патент РФ №2516375, Бюл. №14, 20.05.2014, кл. G01L 9/04, В81В 3/00). Недостатками прототипа являются низкая метрологическая надежность и чувствительность.Closest to the proposed utility model, the technical essence is the design of a pressure sensor based on a nano- and microelectromechanical system containing a housing, a nano- and microelectromechanical system installed in it, consisting of an elastic element in the form of a membrane with a rigid center embedded along the contour into the support base of a heterogeneous structure formed on it from thin films of materials, a sealing contact block and connecting conductors, in which rad Other strain gages (see Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Khovanov D.M., Chernov P.S. RF Patent No. 2516375, Bull. No. 14, 05.20.2014, class G01L 9/04, B81B 3/00). The disadvantages of the prototype are low metrological reliability and sensitivity.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в улучшении метрологических характеристик и повышении чувствительности.The problem solved by the proposed utility model is to improve metrological characteristics and increase sensitivity.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и виброустойчивости упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, устранении эффектов нелинейности измерительной цепи и стабилизации коэффициентов жесткости при прогибе мембраны, что обусловлено наличием полностью регулярного микрорельефа IV вида (ПРМР IV вида) планарной поверхности упругого элемента и ее наноструктурированием методом ионно-плазменной обработки.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the sensitivity and vibration resistance of an elastic element in the form of a membrane with a rigid center, eliminating the effects of non-linearity of the measuring circuit and stabilizing the stiffness coefficients during deflection of the membrane, which is due to the presence of a completely regular microrelief of type IV (type IV PMR) planar surface of an elastic element and its nanostructuring by ion-plasma treatment.

Данный технический результат достигается за счет того, что в чувствительном элементе нано- и микроэлектромеханических систем прецизионного датчика давления, состоящим из упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание модуля, с образованной на ее планарной стороне гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, новым является то, что поверхности упругого элемента в виде мембраны с жестким центром снабжены полностью регулярным микрорельефом IV вида (ПРМР IV вида) и наноструктурированы методом ионно-плазменной обработки.This technical result is achieved due to the fact that in the sensitive element of the nano- and microelectromechanical systems a precision pressure sensor, consisting of an elastic element in the form of a membrane with a rigid center, is embedded along the contour into the support base of the module, with a heterogeneous thin structure formed on its planar side films of materials, it is new that the surfaces of the elastic element in the form of a membrane with a rigid center are equipped with a fully regular microrelief of type IV (PMR type IV) and nanostructured by the method of ion-plasma treatment.

Упругий элемент датчика содержит мембрану толщиной ~0,25 мм (0.2, 0.3 мм) с жестким центром, заделанную по контуру в опорное основание нано- и микроэлектромеханической системы, которая представляет собой конструктивно законченный герметичный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика давления. Тензорезисторы сформированы в гетерогенной структуре, которая образуется на заранее подготовленной поверхности мембраны. Важным является то, что высота микронеровностей на поверхности мембраны не должна превышать 50-100 нм, так как при высоте микронеровностей более 100 нм становится принципиально невозможно формирование устойчивых тонкопленочных структур на поверхности упругого элемента. Предлагаемый регулярный микрорельеф (ПРМР IV вида) поверхности упругого элемента и наноструктурирование ее методом ионно-плазменной обработки позволяют обеспечить стабильную высоту микронеровностей поверхности мембраны, не превышающую 20 нм (это высота радиусов регулярного рельефа), благодаря чему гарантированно обеспечивается формирование устойчивых тонкопленочных гетерогенных структур на планарной поверхности упругого элемента.The elastic element of the sensor contains a membrane with a thickness of ~ 0.25 mm (0.2, 0.3 mm) with a rigid center, embedded along the contour into the support base of the nano- and microelectromechanical system, which is a structurally complete sealed module that provides high manufacturability of the pressure sensor assembly. Strain gages are formed in a heterogeneous structure that forms on a previously prepared membrane surface. It is important that the height of microroughnesses on the surface of the membrane should not exceed 50-100 nm, since when the height of microroughnesses exceeds 100 nm, it becomes fundamentally impossible to form stable thin-film structures on the surface of an elastic element. The proposed regular microrelief (type IV PMR) of the surface of the elastic element and its nanostructuring by the ion-plasma treatment method provide a stable height of the microroughness of the membrane surface not exceeding 20 nm (this is the height of the radius of the regular relief), which ensures the formation of stable thin-film heterogeneous structures on a planar the surface of the elastic element.

Гетерогенная структура состоит из подслоя диэлектрика (к примеру, хром - Сr толщиной от 150 до 300 нм), диэлектрического слоя (например, SiO-SiO₂), тензорезистивного слоя (например, сплав Х20Н75Ю толщиной 40-100 нм), подслоя проводников (например, ванадий - V), проводников и контактных площадок (к примеру, золото - Аu).The heterogeneous structure consists of a dielectric sublayer (for example, chromium-Cr from 150 to 300 nm thick), a dielectric layer (for example, SiO-SiO ₂ ), a resistive layer (for example, an X20H75Y alloy with a thickness of 40-100 nm), a sublayer of conductors (for example , vanadium - V), conductors and contact pads (for example, gold - Au).

Кроме того, наличие полностью регулярного микрорельефа (ПРМР IV вида) поверхности упругого элемента надежно обеспечивает стабильность коэффициентов жесткости упругого элемента при деформационных прогибах мембраны, что также способствует повышению метрологической надежности, чувствительности и виброустойчивости чувствительного элемента датчика давления.In addition, the presence of a fully regular microrelief (PMR IV type) of the surface of the elastic element reliably ensures the stability of the stiffness coefficients of the elastic element during deformation of the membrane, which also helps to increase the metrological reliability, sensitivity and vibration resistance of the sensitive element of the pressure sensor.

Таким образом, совокупное использование вышеперечисленных особенностей (наличие полностью регулярного микрорельефа поверхностей мембранного упругого элемента и их наноструктурирование методом ионно-плазменной обработки) приводит к появлению новых свойств: улучшению процесса формирования гетерогенных структур на поверхности мембраны и стабилизации коэффициентов жесткости, а также повышению виброустойчивости упругого элемента при прогибе, что позволяет повысить метрологическую надежность чувствительного элемента датчика давления.Thus, the combined use of the above features (the presence of a completely regular microrelief of the surfaces of the membrane elastic element and their nanostructuring by the ion-plasma treatment method) leads to new properties: improving the formation of heterogeneous structures on the membrane surface and stabilizing the stiffness coefficients, as well as increasing the vibration resistance of the elastic element during deflection, which allows to increase the metrological reliability of the sensor element and I.

На фиг. 1 изображена нано- и микроэлектромеханическая система модуля прецизионного датчика давления.In FIG. 1 shows a nano- and microelectromechanical system of a precision pressure sensor module.

Нано- и микроэлектромеханическая система модуля прецизионного датчика давления, состоящая из упругого элемента 1, герметизирующей втулки 2, контактной колодки 3, диэлектрической втулки 4, выводных колодок 5 и соединительных проводников 6.Nano- and microelectromechanical system of a precision pressure sensor module, consisting of an elastic element 1, a sealing sleeve 2, a contact block 3, a dielectric sleeve 4, terminal blocks 5 and connecting conductors 6.

На фиг. 2 изображен упругий элемент.In FIG. 2 shows an elastic element.

Упругий элемент 1, который содержит мембрану 7 с жестким центром 8, заделанную по контуру в опорное основание 9. На планарной стороне мембраны 7 методом тонкопленочной технологии образована гетерогенная структура 10 из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащая, например тонкопленочные, диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои.The elastic element 1, which contains a membrane 7 with a rigid center 8, is embedded along the contour into the support base 9. On the planar side of the membrane 7, a heterogeneous structure 10 is formed from nanoscale and microdimensional films of materials using thin-film technology, containing, for example, thin-film, dielectric, tensoresistive and contact layers.

Чувствительный элемент нано- и микромеханического модуля прецизионного датчика давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 7 с жестким центром 8 со стороны, противоположной ее планарной стороне, на которой сформирована гетерогенная структура 10 из нано- и микроразмерных пленок материалов. Под действием давления мембрана 7 изгибается. При этом на планарной стороне мембраны 7 возникают радиальные напряжения и деформации, которые воспринимаются тензорезисторами. Тензорезисторы сформированы в гетерогенной структуре 10 и расположены на специально обработанной планарной поверхности мембраны 7, снабженной полностью регулярным микрорельефом (ПРМР IV вида) и наноструктурированной методом ионно-плазменной обработки.The sensitive element of the nano- and micromechanical module of a precision pressure sensor works as follows. The measured pressure acts on the membrane 7 with a rigid center 8 on the side opposite to its planar side, on which a heterogeneous structure 10 is formed from nano- and micro-sized films of materials. Under pressure, the membrane 7 bends. Thus on the planar side of the membrane 7 there are radial stresses and strains that are perceived by the strain gauges. Strain gages are formed in a heterogeneous structure 10 and are located on a specially treated planar surface of the membrane 7, equipped with a fully regular microrelief (type IV PMR) and nanostructured by the method of ion-plasma processing.

Тензорезисторы включены в мостовую измерительную цепь. Измерение сопротивлений тензорезисторов при действии давления и прогибе мембраны преобразуется мостовой измерительной цепью в выходной сигнал.Strain gages are included in the bridge measuring circuit. Measurement of resistance of strain gages under pressure and deflection of the membrane is converted by a bridge measuring circuit into an output signal.

Claims

A sensitive element of a nano- and microelectromechanical module of a precision pressure sensor, consisting of an elastic element in the form of a membrane with a rigid center embedded in the contour into the support base of the module, with a heterogeneous structure made of thin films of materials formed on its planar side, characterized in that the surfaces of the elastic element in the form of a membrane with a rigid center, they are equipped with a completely regular microrelief of type IV (PMR of type IV) and are nanostructured by the method of ion-plasma treatment.