RU224032U1

RU224032U1 - Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной чувствительностью

Info

Publication number: RU224032U1
Application number: RU2023132858U
Authority: RU
Inventors: Елизавета Анатольевна Рыблова; Вадим Сергеевич Волков
Original assignee: Елизавета Анатольевна Рыблова
Filing date: 2023-12-06
Publication date: 2024-03-13

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к полупроводниковым преобразователям давления, и может быть использована в разработке и изготовлении малогабаритных датчиков малых давлений. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит жесткозащемленную кремниевую мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, отношение ширины участков составляет 3,6:1, а координата точки сопряжения участков определяется соотношением Y=0,567 R, где R - радиус мембраны, широкий участок мембраны содержит концентратор напряжений, прилегающий к области жесткой заделки, глубиной 0,22 L, где L - толщина широкого участка и шириной 0,0067 R. На верхней части мембраны расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему. Технический результат заключается в повышении чувствительности преобразователя давления.

Description

Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной чувствительностью относится к чувствительным элементам, применяемым в датчиках давления, и может быть использован в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления жидких и газообразных сред.

Известен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий жесткозащемленную профилированную кремниевую мембрану, сечение которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, при этом широкий участок профиля сечения расположен симметрично вертикальной оси сечения, а узкий участок профиля прилегает вплотную к области жесткой заделки мембраны [Патент US 4,236,137].

Недостатком вышеописанного технического решения является снижение прочности мембраны, так как наиболее тонкий участок профиля мембраны расположен в области жесткой заделки, в которой под действием измеряемого давления возникают максимальные механические напряжения, а также возможность возникновения дополнительной погрешности выходного сигнала за счет расположения широкого участка сечения в центре мембраны, вследствие чего центральная часть мембраны будет вести себя как инерционная масса при воздействии вибраций и ускорений.

Наиболее близким аналогом данной полезной модели является полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью, представляющий собой профилированную мембрану с узким участком в центре мембраны и широким, прилегающим к области жесткой заделки, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему [Патент RU 2732839 С1].

Недостатком вышеперечисленных технических решений является низкая чувствительность преобразования.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение чувствительности полупроводникового преобразователя давления.

Это достигается тем, что полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения котрой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси, при этом координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R - радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, на верхней части которой расположены тензорезисторы, объединные в полную мостовую схему, отличающийся тем, что содержит концентратор напряжения, прилегающий к области жесткой заделки, глубиной 0,22 L, где L - толщина широкого участка, и шириной 0,0067 R.

Введение предложенной конструкции, содержащей профилированную мембрану, профиль сечения которой содержит узкий участок в центре мембраны и широкий участок, координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R - радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, с концентратором напряжений на широком участке, прилегающим к области жесткой заделки глубиной 0,22 L, где L - толщина широкого участка, и шириной 0,0067 R позволяет повысить чувствительность преобразования за счет перераспределения механических напряжений и наличия концентратора напряжений на широком участке мембраны, прилегающего к области жесткой заделки.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:

На фиг. 1 показано сечение полупроводникового преобразователя давления с повышенной чувствительностью

На фиг. 2 показана зависимость напряжения по Мизесу от координаты сечения (пунктиром показана зависимость напряжения по Мизесу от координаты сечения для предлагаемого технического решения, сплошной линией для ближайшего аналога).

На фиг. 3 показана зависимость разности радиального и тангенциального напряжения от приложенного давления (пунктиром показана зависимость разности радиального и тангенциального напряжения от приложенного давления для предлагаемого технического решения, сплошной линией - для ближайшего аналога).

Полупроводниковый преобразователь давления, состоит (см. фиг. 1) из жесткозащемленной кремниевой мембраны (1), профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, отношение ширины участков составляет 3,6:1, координата точки сопряжения участков (2) определяется соотношением Y=0,567 R, где R - радиус мембраны, тезорезисторов (3) расположенных на верхней части мембраны и объединенных в полную мостовую схему. Мембрана содержит концентратор напряжений (4) прилегающий к области жесткой заделки глубиной 0,22 L, где L - толщина широкого участка, и шириной 0,0067 R.

Принцип работы преобразователя давления с повышенной чувствительностью заключается в следующем.

Измеряемое давление, воздействуя на профилированную мембрану, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. За счет предложенного сочетания широких и узких участков профиля мембраны, а также определенных в результате численного моделирования геометрических соотношений размеров участков, и концентратора напряжений на широкой части мембраны, прилегающего к области жесткой заделки чувствительность преобразования выше, чем у ближайшего аналога.

Чувствительность S преобразователя давления определяется отношением выходного напряжения преобразователя к входному давлению и при использовании преобразователя давления и тензорезисторов из одного и того же материала при одинаковом напряжении питания чувствительность преобразователя можно выразить как отношение разности радиального и тангенциального механических напряжений к приложенному давлению:

.

Анализ графиков (см фиг. 2) показывает, что предложенная конструкция характеризуется распределением механических напряжений, аналогичным с прототипом, при этом максимальное напряжение не превышает предела прочности.

При использовании предложенного технического решения, согласно которому ширина крайнего участка сечения мембраны, прилегающего к области жесткой заделки содержит концентратор напряжений, прилегающий к области жесткой заделки, и наиболее нагруженный участок сечения находится в области концентратора напряжений сопряженного с областью жесткой заделки (см. фиг. 2), при этом максимальное напряжение не превышает допустимого значения по Мизесу 400 МПа.

Для сравнения предложенного технического решения и ближайшего аналога была рассчитана чувствительность по формуле (1). Чувствительность ближайшего аналога составляет 1170, чувствительность предложенного технического решения составляет 2113.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя давления по сравнению с известными аналогами является повышение чувствительности при измерении давления.

Claims

Полупроводниковый преобразователь давления, содержащий кремниевую жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси, при этом координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R - радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, на верхней части которой расположены тензорезисторы, объеденные в полную мостовую схему, отличающийся тем, что содержит концентратор напряжений, прилегающий к области жесткой заделки, глубиной 0,22 L, где L - толщина широкого участка, и шириной 0,0067 R.