RU2082127C1

RU2082127C1 - Pressure gauge

Info

Publication number: RU2082127C1
Application number: RU95106770A
Authority: RU
Inventors: Ю.Н. Тиняков; В.А. Михайленко
Original assignee: Научно-производственное предприятие "ПЕРСЕЙ"
Priority date: 1995-04-26
Filing date: 1995-04-26
Publication date: 1997-06-20
Also published as: RU95106770A

Abstract

FIELD: instruments, in particular, devices for measurement of absolute and excess pressure and pressure difference. SUBSTANCE: device has semiconductor sensitive element 1 which is made using planar microelectronic technology and has tension resistors. It is connected to silicon or glass plate 2. In addition device has housing 4 and cap 5 which provide sealed connection. Flexible corrugated diaphragm 6 is located in space between housing and cap and has metal current-conducting tracks 7 and contact plates 8 which are connected to contact plates of semiconductor sensitive element 1. Novel feature of device is flexible diaphragm 6 on which sensitive element 1 is located using surface wiring so that it is isolated against device housing. EFFECT: increased reliability against mechanical effects, decreased additional error caused by wiring processes and temperature, simplified design, decreased cost of manufacturing. 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструированию и изготовлению датчиков давления, включающих полупроводниковый чувствительный элемент, выполненный по планарной микроэлектронной технологии и техники анизотропного травления. The invention relates to the design and manufacture of pressure sensors, including a semiconductor sensitive element, made according to planar microelectronic technology and anisotropic etching techniques.

Известны конструкции датчиков давления, содержащие полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основании корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек, присоединенных микросваркой [1]
В таких конструкциях снижены механические напряжения в чувствительном элементе за счет согласования значений термических коэффициентов линейного расширения материалов чувствительного элемента, стеклянного пьедестала и корпуса.Known designs of pressure sensors containing a semiconductor sensitive element mounted on the base of the housing through a glass pedestal, conductors hermetically passing through the housing and electrically contacting the sensitive element by means of thin wires connected by microwelding [1]
In such constructions, mechanical stresses in the sensitive element are reduced by matching the values of the thermal coefficients of linear expansion of the materials of the sensitive element, the glass pedestal and the housing.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является конструкция датчика давления, содержащая полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек присоединенных микросваркой, крышку, защищающую полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий [2]
Недостатком известной конструкции датчика давления является относительно большая длина тонких коммутационных проволочек между полупроводниковым чувствительным элементом и токопроводами, что снижает надежность сварного соединения при механических воздействиях, относительно большая сложность конструкции, относительно большая сложность и трудоемкость сборки датчика в целом.The closest technical solution chosen as a prototype is the design of a pressure sensor containing a semiconductor sensitive element mounted on the base of the housing through a glass pedestal, conductors that hermetically pass through the housing and are electrically in contact with the sensitive element through thin wires connected by microwelding, a cover protecting the semiconductor sensitive element from external mechanical influences [2]
A disadvantage of the known design of the pressure sensor is the relatively large length of the thin switching wires between the semiconductor sensor and the conductors, which reduces the reliability of the welded joint under mechanical stress, the relatively large design complexity, the relatively large complexity and the complexity of the Assembly of the sensor as a whole.

К недостаткам этой конструкции можно отнести жесткую связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика, что несмотря, на наличие стеклянного пьедестала, в определенных случаях может привести к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, передаваемых от корпуса датчика на полупроводниковый чувствительный элемент. The disadvantages of this design include the rigid connection of the semiconductor sensitive element with the sensor body, which, despite the presence of a glass pedestal, in certain cases can lead to additional errors from mounting and thermomechanical stresses transmitted from the sensor case to the semiconductor sensitive element.

Целью изобретения является увеличение надежности конструкции датчика давления при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, упрощение конструкции и снижение трудоемкости при изготовлении датчика в целом. The aim of the invention is to increase the reliability of the design of the pressure sensor during mechanical stress, reduce additional errors from mounting and thermomechanical stresses, simplify the design and reduce the complexity in the manufacture of the sensor as a whole.

Указанная цель достигается тем, что в датчик давления, содержащий полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный со стеклянной или кремниевой пластиной с образованием полости между ними, и крышку, введена герметично закрепленная между корпусом и крышкой эластичная подвеска, выполненная в виде гофрированной мембраны, на которой смонтированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, при этом полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны, а в крышке и пластине выполнены отверстия. This goal is achieved by the fact that in the pressure sensor containing a semiconductor elastic sensing element with strain gauges and contact pads, rigidly connected to a glass or silicon wafer with the formation of a cavity between them, and a cover, an elastic suspension, tightly fixed between the body and the cover, is made, made in the form corrugated membrane on which metallized current paths, contact pads and output contacts are mounted, while a semiconductor sensitive element nt is rigidly fixed along the contour on the membrane, its contact pads are soldered to the contact pads of the membrane, and holes are made in the cover and plate.

Применение эластичной гофрированной мембраны, содержащей гибкий печатный кабель и выполняющей одновременно функции токопроводов, тонких коммутационных проволочек и опорного элемента позволяет полностью развязать узел чувствительного элемента от корпуса датчика и тем самым исключить влияние монтажных и термомеханических напряжений на полупроводниковый чувствительный элемент, увеличить надежность при механических действиях и упростить конструкцию датчика, снизить трудоемкость изготовления, за счет применения групповой технологии поверхностного монтажа при установке полупроводникового чувствительного элемента на эластичную мембрану. The use of an elastic corrugated membrane containing a flexible printed cable and simultaneously performing the functions of conductors, thin switching wires and a support element allows you to completely decouple the sensor assembly from the sensor housing and thereby eliminate the influence of mounting and thermomechanical stresses on the semiconductor sensitive element, increase reliability during mechanical actions and simplify the design of the sensor, reduce the complexity of manufacturing, through the use of group technology and surface mounting when installing a semiconductor sensor on an elastic membrane.

На фиг. 1 представлен разрез конструкции датчика абсолютного, избыточного или разности давлений. На фиг. 2 представлен вид сверху со снятой крышкой. In FIG. 1 shows a section through the construction of an absolute, gauge, or differential pressure gauge. In FIG. 2 shows a top view with the cover removed.

Датчик давления содержит полупроводниковый чувствительный элемент 1 с тензорезисторами, соединенный с методом электростатического сращивания с кремниевой или стеклянной пластиной 2, с образованием полости 3 и установленный методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7. На металлизированной поверхности эластичной мембраны 6 химическим методом сформированы контактные площади 8, электрически контактирующие с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента через паяное соединение 9, токоведущие дорожки 7, выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. The pressure sensor contains a semiconductor sensing element 1 with strain gages, connected to the method of electrostatic splicing with a silicon or glass plate 2, with the formation of a cavity 3 and installed by surface mounting on an elastic corrugated membrane 6, which contains current-carrying paths 7, tightly fixed between the housing 4 and the cover 5. On the metallized surface of the elastic membrane 6 by chemical method, contact areas 8 are formed that are electrically in contact with the contact areas by semiconductor sensing element through a soldered connection 9, current-carrying tracks 7, output contacts 10 for external electrical switching.

Для измерения избыточного и разности давлений в пластине 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента 1 эластичным компаундом 14, например, СИЭЛ. To measure the excess and the pressure difference in the plate 2 and the cover 5, holes 11 with a diameter D are made for transmitting reference or atmospheric pressure to the other side of the semiconductor sensor 1, while the supmembrane 12 and the submembrane 13 cavities are sealed from each other along the perimeter of the semiconductor sensor 1 with elastic compound 14, for example, SIEL.

Принцип работы датчика основан на использовании тензорезистивного эффекта. Измеряемое давление изгибает упругий чувствительный элемент 1, что приводит в деформации расположенных на нем тензорезисторов, включенных в мостовую схему, на выходе которой регистрируется электрический сигнал, прямопропорциональный приложенному измеряемому давлению. The principle of operation of the sensor is based on the use of a strain-resisting effect. The measured pressure bends the elastic sensor element 1, which leads to deformation of the strain gauges located on it, included in the bridge circuit, at the output of which an electrical signal is recorded, which is directly proportional to the applied measured pressure.

Claims

A pressure sensor comprising a housing, a semiconductor elastic sensing element with strain gauges and contact pads, rigidly connected to a silicon or glass plate with the formation of a cavity between them, and a cover hermetically connected to the housing, characterized in that it is sealed between the housing and the cover elastic suspension made in the form of a corrugated membrane, on the surface of which metallized current-carrying tracks, contact pads and output contacts, etc. are formed resilient sensing element is rigidly fixed on a contour of the membrane, its contact pads are connected by soldering to the bonding pads of the membrane, and in the cover plate and provided with holes.