RU2169912C1 - Microelectron pressure transducer - Google Patents
Microelectron pressure transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2169912C1 RU2169912C1 RU2000107624A RU2000107624A RU2169912C1 RU 2169912 C1 RU2169912 C1 RU 2169912C1 RU 2000107624 A RU2000107624 A RU 2000107624A RU 2000107624 A RU2000107624 A RU 2000107624A RU 2169912 C1 RU2169912 C1 RU 2169912C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base
- glass
- silicon
- pressure
- transducer
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение предназначено для обеспечения высокоточного измерения давлений в широком диапазоне температур и давлений. The invention is intended to provide high-precision pressure measurements over a wide range of temperatures and pressures.
Известен датчик давления по патенту России N 1464055, предназначенный для конструирования полупроводниковых датчиков давления, содержащий полупроводниковую мембрану и полупроводниковый корпус, между которыми размещены слой диэлектрика, поликристаллический слой полупроводника и слой стекла, равный по толщине слою полупроводника [1]. Known pressure sensor according to Russian patent N 1464055, designed for the construction of semiconductor pressure sensors, containing a semiconductor membrane and a semiconductor body, between which are placed a dielectric layer, a polycrystalline semiconductor layer and a glass layer, equal in thickness to the semiconductor layer [1].
Недостатком известного датчика давления является сложность конструкции, поскольку для обеспечения механической и электрической развязки кристалла преобразователя от корпуса в опорное основание вводится три слоя: диэлектрик, поликремний и стекло, каждый из которых требует полировки, подгонки по толщине, что значительно усложняет как конструкцию, так и технологию изготовления датчика. Кроме того, технология усложняется в связи с необходимостью создания микрорельефа поверхности диэлектрика для снижения неравномерности распределения термомеханических напряжений. A disadvantage of the known pressure sensor is the design complexity, because three layers are introduced into the support base to provide mechanical and electrical isolation of the transducer crystal from the housing: dielectric, polysilicon and glass, each of which requires polishing, thickness adjustment, which greatly complicates both the design and the sensor manufacturing technology. In addition, the technology is complicated due to the need to create a microrelief of the surface of the dielectric to reduce the uneven distribution of thermomechanical stresses.
Известен полупроводниковый преобразователь давления по патенту России N 1742656, предназначенный для измерения давления жидких и газообразных сред, содержащий корпус, опорный элемент, выполненный из двух отрезков трубок, и кремниевую мембрану с тензорезисторами [2]. Known semiconductor pressure transducer according to the patent of Russia N 1742656, designed to measure the pressure of liquid and gaseous media, containing a housing, a support element made of two pipe sections, and a silicon membrane with strain gauges [2].
Недостатком данного преобразователя давления является применение двух слоев стекла с различными коэффициентами линейного расширения, что может лишь частично улучшить термомеханическую развязку кристалла от корпуса, причем в ограниченном диапазоне температур. The disadvantage of this pressure transducer is the use of two layers of glass with different coefficients of linear expansion, which can only partially improve the thermomechanical isolation of the crystal from the body, and in a limited temperature range.
Наиболее близким по технической сущности является датчик давления с полевым тензорезистором фирмы Моторола, состоящий из чувствительного элемента с измерительным мостом из диффузионных тензорезисторов в области мембраны, выполненной на кремниевой пластине, основания, в котором для дифференциальных датчиков может быть выполнено отверстие, соединительного слоя из стекла. Недостатком этого датчика является действие деформаций и напряжений, возникающих на корпусе датчика и передающихся через основание на кристалл кремния и мембрану, на которой расположены тензочувствительные элементы. The closest in technical essence is a pressure sensor with a field resistor from Motorola, consisting of a sensor element with a measuring bridge of diffusion strain gages in the area of the membrane made on a silicon wafer, a base in which a hole for the differential sensors can be made, a connecting layer of glass. The disadvantage of this sensor is the effect of deformations and stresses arising on the sensor housing and transmitted through the base to the silicon crystal and the membrane on which the strain-sensitive elements are located.
Остаточное действие температурной деформации приходится затем устранять путем подключения специально разрабатываемой схемы формирования сигнала /3/. The residual effect of thermal deformation must then be eliminated by connecting a specially developed signal conditioning circuit / 3 /.
Целью изобретения является повышение точности измерения абсолютной величины давления или разности давлений, расширение диапазона рабочих температур и повышение надежности датчика. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the absolute value of the pressure or pressure difference, expanding the range of operating temperatures and increasing the reliability of the sensor.
Цель достигается тем, что датчик давления выполнен следующим образом: микроэлектронный датчик давления, состоящий из чувствительного элемента в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы, а со второй выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, и из основания, герметично соединенного со второй стороной кремниевой пластины слоем стекла, отличающийся тем, что основание имеет Т-образную форму и состоит не менее чем из двух герметично соединенных стеклом частей, нижняя часть основания выполнена из кремния, стекла или керамики, а остальные части основания выполнены из кремния, причем в верхней части основания со стороны чувствительного элемента выполнено углубление, аналогичное углублению в чувствительном элементе, кристаллографическая ориентация верхней части основания совпадает с кристаллографической ориентацией чувствительного элемента, а внешние боковые размеры нижней части основания меньше боковых размеров углубления. The goal is achieved by the fact that the pressure sensor is made as follows: a microelectronic pressure sensor, consisting of a sensitive element in the form of a single-crystal silicon wafer, on the one side of which diffusion strain gages are formed, and on the second a recess is formed, forming a membrane under the strain gages, and from the base, hermetically connected with the second side of the silicon wafer a layer of glass, characterized in that the base has a T-shape and consists of at least two hermetically connected stack scrap parts, the lower part of the base is made of silicon, glass or ceramic, and the remaining parts of the base are made of silicon, and in the upper part of the base on the side of the sensitive element there is a recess similar to that in the sensitive element, the crystallographic orientation of the upper part of the base coincides with the crystallographic orientation of the sensitive element, and the outer lateral dimensions of the lower part of the base are smaller than the lateral dimensions of the recess.
В том случае, если основание выполняется сборным, его нижняя часть может быть выполнена из стекла или керамики. Таким образом, жесткие требования к материалам технологического процесса снимаются. In the event that the base is prefabricated, its lower part can be made of glass or ceramic. Thus, stringent requirements for process materials are removed.
Поскольку предлагаемая конструкция устраняет влияние термомеханических деформаций корпуса на чувствительный элемент, оказывается возможным выполнить жесткое соединение всех элементов конструкции с помощью соединительных слоев из стекла. Это увеличивает надежность датчика, его стойкость к ударным воздействиям, вибрациям, нестационарным перепадам давления, срок его службы. Since the proposed design eliminates the influence of thermomechanical deformations of the housing on the sensitive element, it is possible to make a rigid connection of all structural elements using connecting layers of glass. This increases the reliability of the sensor, its resistance to shock, vibration, unsteady pressure drops, its service life.
Исследования характеристик опытных партий кристаллов микроэлектронных датчиков давления, сконструированных предлагаемым образом, показали, что в диапазоне температур от -60 до +100oC температурные коэффициенты дрейфа "нуля" и их нелинейности идентичны, а характеристики температурных коэффициентов чувствительности также идентичны в предлагаемых микроэлектронных датчиках давления и при закреплении чувствительных элементов на жидком клее.Studies of the characteristics of experimental batches of crystals of microelectronic pressure sensors designed in the proposed way showed that in the temperature range from -60 to +100 o C the temperature coefficients of the drift of "zero" and their non-linearity are identical, and the characteristics of the temperature coefficient of sensitivity are also identical in the proposed microelectronic pressure sensors and when fixing sensitive elements to liquid glue.
Новизна изобретения подтверждается тем, что в конструкции впервые применены зеркально идентичные чувствительный элемент и верхняя часть основания, что упрощает технологический цикл их производства, позволяет улучшить точность и добиться существенного улучшения воспроизводимости характеристик выпускаемых датчиков давления. Впервые предлагается Т-образная форма основания, применение которой позволяет существенно улучшить термомеханическую развязку кристалла от корпуса. The novelty of the invention is confirmed by the fact that the design used for the first time a mirror-identical sensitive element and the upper part of the base, which simplifies the production cycle of their production, allows to improve accuracy and to achieve a significant improvement in reproducibility of the characteristics of the produced pressure sensors. For the first time, a T-shaped base is proposed, the use of which can significantly improve the thermomechanical isolation of the crystal from the body.
На чертеже представлена конструкция микроэлектронного датчика давления, где 1 - диффузионные тензорезисторы; 2 - чувствительный элемент; 3 - углубление; 4 -мембрана; 5 - соединительный слой; 6 - верхняя часть основания; 7 - нижняя часть основания; 8 - отверстие в основании для датчиков избыточного и дифференциального давлений. The drawing shows the design of a microelectronic pressure sensor, where 1 - diffusion strain gauges; 2 - a sensitive element; 3 - deepening; 4-membrane; 5 - a connecting layer; 6 - the upper part of the base; 7 - the lower part of the base; 8 - hole in the base for gauges of excessive and differential pressure.
Диффузионные тензорезисторы 1 предназначены для преобразования тензометрического сигнала в электрический, чувствительный элемент 2 обеспечивает преобразование механического напряжения деформации в тензометрический сигнал, для чего в нем создается углубление 3 и образуется мембрана 4, на которой и размещаются диффузионные тензорезисторы 1. Чувствительный элемент крепится на основании, которое может быть монолитным или состоять из двух частей - верхней 6 и нижней 7. В верхней части основания выполняется идентичное углубление 3. Чувствительный элемент 2, верхняя часть основания 6 и нижняя часть основания 7 герметично соединяются слоями из стекла 5. Для создания датчиков избыточного и дифференциального давлений предусматривается отверстие в основании 8. Diffusion strain gages 1 are designed to convert the strain gauge signal into an electric one, the sensitive element 2 converts the strain stress into a strain gauge signal, for which a recess 3 is created in it and a membrane 4 is formed on which diffusion strain gages are placed 1. The sensitive element is mounted on the base, which can be monolithic or consist of two parts - the top 6 and bottom 7. An identical recess is made in the upper part of the base 3. Feel ny element 2, the upper base portion 6 and lower base part 7 is hermetically joined layers of glass 5. To create the pressure and differential pressure provides an opening in the base 8 sensors.
Принцип работы датчика заключается в преобразовании деформаций чувствительного элемента 2 в электрический сигнал посредством изменения электрического сопротивления диффузионных тензорезисторов 1. Датчик в сборке устанавливается в корпус, после чего может использоваться для измерения давлений жидкостей и газов. Чувствительный элемент 2 деформируется под действием приложенного к нему измеряемого давления. При подаче эталонных сигналов снимается характеристическая зависимость выходного сигнала микроэлектронного датчика давления от подаваемой величины давления, на основе которой строится градуировочная характеристика датчика. Трудность заключается в том, что при изменении температуры внешней среды корпус датчика, который находится в контакте с ней, оказывается подверженным деформации, вызванной этим изменением. Для того, чтобы свести влияние температурной деформации корпуса на чувствительный элемент 2 и мембрану 4 к минимуму, выполняется дополнительная развязка между нижней 6 и верхней 7 частями основания, которая препятствует распространению деформации на чувствительный элемент 2. Такую развязку удается получить, если сделать боковой размер нижней части основания 7 меньше по величине, чем размер углубления 3 под мембраной 4 между чувствительным элементом 2 и верхней частью основания 6. Микроэлектронный датчик давления приобретает при этом Т-образную форму, как показано на фиг. 1. При обеспечении такой развязки оказывается возможным обеспечить жесткость крепления конструкции, применяя соединительные слои из стекла 5. The principle of operation of the sensor is to convert the deformation of the sensitive element 2 into an electrical signal by changing the electrical resistance of the diffusion strain gages 1. The sensor in the assembly is installed in the housing, after which it can be used to measure the pressure of liquids and gases. The sensing element 2 is deformed under the influence of the measured pressure applied to it. When reference signals are supplied, the characteristic dependence of the output signal of the microelectronic pressure sensor on the supplied pressure value is taken, on the basis of which the calibration characteristic of the sensor is built. The difficulty lies in the fact that when the temperature of the environment changes, the housing of the sensor, which is in contact with it, is prone to deformation caused by this change. In order to minimize the effect of thermal deformation of the housing on the sensitive element 2 and membrane 4 to a minimum, an additional decoupling is performed between the lower 6 and upper 7 parts of the base, which prevents the deformation from spreading to the sensitive element 2. This decoupling can be obtained by making the lateral dimension lower part of the base 7 is smaller in size than the size of the recess 3 under the membrane 4 between the sensing element 2 and the upper part of the base 6. The microelectronic pressure sensor acquires a T-image hydrochloric shape as shown in FIG. 1. When ensuring such a decoupling, it is possible to provide rigidity of the fastening of the structure using the connecting layers of glass 5.
Для оценки характеристик предлагаемого датчика была воссоздана серия датчиков по технологии прототипа и серия датчиков предлагаемой конструкции, Испытания проводились для партии из 6 датчиков. Проведенные испытания показали, что температурные коэффициенты "нуля "в положительной и отрицательной областях температур, рассчитываемые по формулам ТКО+ = (U+70-U10)/UM•100%, ТКО- = (U-50-U10)/UM•100%, где U-50, U10, U+70 - сигналы, снимаемые с выходной диагонали измерительного моста соответственно при контрольных температурах - 50oC, +10oC и +70oC, UM - сигнал питания измерительного моста, уменьшились, в среднем, в 3-4 раза и не превышают значения 0.15%/10oC. Разброс температурного коэффициента чувствительности уменьшился в 6 раз, что говорит о повышенной воспроизводимости датчиков и меньших затратах на их градуировку и калибровку. Коэффициент нелинейности температурной зависимости нуля уменьшился в 10 раз и не превышает 0.2%.To assess the characteristics of the proposed sensor, a series of sensors using the prototype technology and a series of sensors of the proposed design were recreated. Tests were conducted for a batch of 6 sensors. The tests showed that the temperature coefficients of "zero" in the positive and negative temperature ranges calculated by the formulas TKO + = (U +70 -U 10 ) / U M • 100%, TKO - = (U -50 -U 10 ) / U M • 100%, where U -50 , U 10 , U +70 - signals taken from the output diagonal of the measuring bridge, respectively, at control temperatures - 50 o C, +10 o C and +70 o C, U M - power signal measuring bridge, decreased, on average, 3-4 times and do not exceed the value of 0.15% / 10 o C. The spread of the temperature coefficient of sensitivity decreased by 6 times, which indicates an increased reproduction the performance of the sensors and lower costs for their calibration and calibration. The nonlinearity coefficient of the temperature dependence of zero decreased by 10 times and does not exceed 0.2%.
Таким образом, преимуществами предлагаемого микроэлектронного датчика давления являются высокая точность, улучшенная воспроизводимость параметров и стабильность работы при воздействии температур в широком диапазоне. Thus, the advantages of the proposed microelectronic pressure sensor are high accuracy, improved reproducibility of parameters and stability when exposed to temperatures in a wide range.
Источники информации
1. Патент РФ N 1464055, кл. G 01 L 9/04. Датчик давления, 1989 г.Sources of information
1. RF patent N 1464055, cl. G 01 L 9/04. Pressure Sensor 1989
2. Патент РФ N 1742656, кл. G 01 L 9/04. Датчик давления, 1992 г. 2. RF patent N 1742656, cl. G 01 L 9/04. Pressure Sensor 1992
3. Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. М.: Мир, 1992 г., ч. 2, стр. 194 - прототип. 3. J. Ash and others. Sensors of measuring systems. M .: Mir, 1992, part 2, p. 194 - prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000107624A RU2169912C1 (en) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | Microelectron pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000107624A RU2169912C1 (en) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | Microelectron pressure transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2169912C1 true RU2169912C1 (en) | 2001-06-27 |
Family
ID=20232505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000107624A RU2169912C1 (en) | 2000-03-30 | 2000-03-30 | Microelectron pressure transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2169912C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005015147A1 (en) * | 2003-08-11 | 2005-02-17 | Nikolai Pavlovich Krivorotov | Multiplicative microelectronic pressure gauge |
| RU2465561C2 (en) * | 2009-02-19 | 2012-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Micro-electromechanical pressure sensor |
-
2000
- 2000-03-30 RU RU2000107624A patent/RU2169912C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005015147A1 (en) * | 2003-08-11 | 2005-02-17 | Nikolai Pavlovich Krivorotov | Multiplicative microelectronic pressure gauge |
| RU2465561C2 (en) * | 2009-02-19 | 2012-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Micro-electromechanical pressure sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0164413B2 (en) | Pressure transducer | |
| JP4378617B2 (en) | Micro electromechanical sensor | |
| US7150195B2 (en) | Sealed capacitive sensor for physical measurements | |
| US5186054A (en) | Capacitive pressure sensor | |
| EP0451193B1 (en) | Multimodulus pressure sensor | |
| EP0720731B1 (en) | Suspended diaphragm pressure sensor | |
| US8024976B2 (en) | Combined wet-wet differential and gage transducer employing a common housing | |
| CA1239806A (en) | Capacitive sensing cell made of brittle material | |
| JP3325879B2 (en) | Relative pressure sensor | |
| RU2362133C1 (en) | Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor | |
| RU2169912C1 (en) | Microelectron pressure transducer | |
| RU44384U1 (en) | SEMICONDUCTOR SENSITIVE PRESSURE SENSOR ELEMENT | |
| JPH10142086A (en) | Semiconductor pressure sensor, its manufacturing method, and differential pressure transmitter using the same | |
| JPS6239368B2 (en) | ||
| JP2512220B2 (en) | Multi-function sensor | |
| JPH03239938A (en) | Capacity type pressure sensor | |
| JPH06102128A (en) | Semiconductor composite function sensor | |
| JPH0344079A (en) | Composite sensor | |
| JP3120388B2 (en) | Semiconductor pressure transducer | |
| JPS6155264B2 (en) | ||
| JP2573539Y2 (en) | Semiconductor pressure sensor | |
| Whittier | High performance miniaturized piezoresistive pressure transducers | |
| JP2000009573A (en) | Capacitive pressure sensor | |
| JPH05142078A (en) | Differential pressure measuring device | |
| JPH0712942U (en) | Semiconductor pressure transducer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100331 |