RU224499U1 - Датчик абсолютного давления со стабилизирующим вакуум слоем геттера - Google Patents

Abstract

Датчик абсолютного давления в корпусе содержит чувствительный элемент абсолютного давления, состоящий из кремниевого интегрального преобразователя давления, где на лицевой стороне сформирована структура с электрической схемой в виде резистивного моста и на обратной стороне – структура мембраны; структуру кремниевого основания с верхней и нижней частями в виде прямоугольных правильных параллелепипедов, где длина ребра горизонтальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части основания и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части основания, а также сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части основания имеет квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла меньше от 4 до 8 раз относительно длины ребра горизонтальных граней в форме гиперэллипса, и соединение в области перехода между нижней частью основания и верхней частью основания в сечении в плоскости вертикальных граней основания имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла меньше от 2 до 4 раз относительно длины ребра вертикальных граней нижней части основания, а также сформирован слой геттера из титана в виде правильного параллелепипеда, расположенный на верхней горизонтальной грани верхней части основания и имеющий размер ребра горизонтальной грани, не превышающий расстояния между границами слоя легкоплавкого стекла, и размер высоты в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров. Герметичное соединение оборотной части интегрального преобразователя давления и основания слоем легкоплавкого стекла образует вакуумную полость, позволяющую измерять абсолютное давление при подаче потока рабочей среды на лицевую сторону преобразователя. Благодаря сокращению перемещения через слой легкоплавкого стекла со временем молекул остаточного газа из вакуумированной полости чувствительного элемента абсолютного давления из-за поглощения молекул слоем геттера достигается возможность в снижении погрешности по временной стабильности датчика абсолютного давления. 6 ил.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и автоматики и может быть использована в малогабаритных датчиках абсолютного давления в электрический сигнал.

Известен датчик абсолютного давления с модернизированной структурой основания для повышения стабильности содержит корпус и установленные в нем: чувствительный элемент абсолютного давления с интегральным преобразователем давления и контактными площадками, средства электрических соединений чувствительного элемента абсолютного давления и один канал, выполненный в корпусе, для подвода давления среды, механическое соединение интегрального преобразователя давления и основания выполнено слоем легкоплавкого стекла и чувствительного элемента абсолютного давления с корпусом выполнено клеем-герметиком, электрические соединения чувствительного элемента абсолютного давления выполнены методами микроэлектронных технологий, имеется вакуумированная полость для чувствительного элемента абсолютного давления и антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса, датчик абсолютного давления в корпусе с выводами содержит штуцер для подачи номинального давления со стороны лицевой части интегрального преобразователя давления, расположенным между первым и седьмым выводом корпуса по периметру корпуса, содержит чувствительный элемент абсолютного давления, соединенный алюминиевыми контактными площадками с выводами корпуса алюминиевой проволокой в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка первой алюминиевой проволокой со вторым выводом, четвертая алюминиевая контактная площадка второй алюминиевой проволокой с третьим выводом, пятая алюминиевая контактная площадка третьей алюминиевой проволокой с четвертым выводом, шестая алюминиевая контактная площадка четвертой алюминиевой проволокой с пятым выводом и седьмая алюминиевая контактная площадка пятой алюминиевой проволокой с шестым выводом; чувствительный элемент абсолютного давления содержит интегральный преобразователь давления, состоящий из кремния n-типа проводимости и на лицевой стороне которого сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, средства электрических соединений и алюминиевые контактные площадки, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне которого сформирована травлением механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью, где толщина утоненной части мембраны составляет от 10 микрометров до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя давления, и с тремя жесткими центрами кремниевой мембраны, места соединения которых являются местами концентрации механических напряжений; основание чувствительного элемента абсолютного давления выполнено из единого материала из кремния для снятия остаточных механических напряжений от корпуса, содержащего верхнюю часть основания в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть основания в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части основания и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части основания и размеры горизонтальных граней верхней части основания равны размерам интегрального преобразователя давления; где интегральный преобразователь давления и основание чувствительного элемента абсолютного давления герметично соединены одним слоем легкоплавкого стекла в областях контакта соединения, где образована вакуумированная полость между оборотной механической стороной интегрального преобразователя давления и основанием чувствительного элемента абсолютного давления для дальнейшего измерения абсолютного давления, сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части основания имеют квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/8 до 1/4 относительно длины ребра горизонтальных граней, и соединение в области перехода между вертикальными гранями нижней части основания и горизонтальной гранью верхней части основания в сечении в плоскости вертикальных граней нижней и верхней части основания имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/4 до 1/2 относительно длины ребра вертикальных граней нижней части основания. (Датчик абсолютного давления с модернизированной структурой основания для повышения стабильности. Патент РФ на полезную модель № 219932, МПК G01L 9/04, H01L 29/84, 15.08.2023. Данное решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая стабильность выходного сигнала датчика абсолютного давления.

Поскольку в вакуумированной полости чувствительного элемента абсолютного давления отсутствует слой геттера, который поглощает молекулы остаточного газа, способные перемещаться через слой легкоплавкого стекла со временем, нарушая постоянство показателей степени вакуума внутри вакуумированной полости чувствительного элемента абсолютного давления.

Полезная модель устраняет недостатки прототипа.

Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности выходного сигнала датчика абсолютного давления.

Технический результат достигается тем, что датчик абсолютного давления со стабилизирующим вакуум слоем геттера содержит корпус и установленные в нем: чувствительный элемент абсолютного давления с интегральным преобразователем давления и контактными площадками, средства электрических соединений чувствительного элемента абсолютного давления и один канал, выполненный в корпусе, для подвода давления среды, механическое соединение интегрального преобразователя давления и основания выполнено слоем легкоплавкого стекла и чувствительного элемента абсолютного давления с корпусом выполнено клеем-герметиком, электрические соединения чувствительного элемента абсолютного давления выполнены методами микроэлектронных технологий, имеется вакуумированная полость для чувствительного элемента абсолютного давления и антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса, датчик абсолютного давления в корпусе с выводами содержит штуцер для подачи номинального давления со стороны лицевой части интегрального преобразователя давления, расположенным между первым и седьмым выводом корпуса по периметру корпуса, содержит чувствительный элемент абсолютного давления, соединенный алюминиевыми контактными площадками с выводами корпуса алюминиевой проволокой в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка первой алюминиевой проволокой со вторым выводом, четвертая алюминиевая контактная площадка второй алюминиевой проволокой с третьим выводом, пятая алюминиевая контактная площадка третьей алюминиевой проволокой с четвертым выводом, шестая алюминиевая контактная площадка четвертой алюминиевой проволокой с пятым выводом и седьмая алюминиевая контактная площадка пятой алюминиевой проволокой с шестым выводом; чувствительный элемент абсолютного давления содержит интегральный преобразователь давления, состоящий из кремния n-типа проводимости и на лицевой стороне которого сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, средства электрических соединений и алюминиевые контактные площадки, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне которого сформирована травлением механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью, где толщина утоненной части мембраны составляет от 10 микрометров до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя давления, и с тремя жесткими центрами кремниевой мембраны, места соединения которых являются местами концентрации механических напряжений; основание чувствительного элемента абсолютного давления выполнено из единого материала из кремния для снятия остаточных механических напряжений от корпуса, содержащего верхнюю часть основания в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть основания в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части основания, и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части основания, и размеры горизонтальных граней верхней части основания равны размерам интегрального преобразователя давления, где интегральный преобразователь давления и основание чувствительного элемента абсолютного давления герметично соединены одним слоем легкоплавкого стекла в областях контакта соединения, где образована вакуумированная полость между оборотной механической стороной интегрального преобразователя давления и основанием чувствительного элемента абсолютного давления для дальнейшего измерения абсолютного давления, а также сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части основания имеют квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/8 до 1/4 относительно длины ребра горизонтальных граней, и соединение в области перехода между вертикальными гранями нижней части основания и горизонтальной гранью верхней части основания в сечении в плоскости вертикальных граней нижней и верхней части основания имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/4 до 1/2 относительно длины ребра вертикальных граней нижней части основания; основание чувствительного элемента абсолютного давления содержит слой геттера из титана в виде правильного параллелепипеда, расположенный на верхней горизонтальной грани верхней части основания соосно верхней и нижней частям основания чувствительного элемента абсолютного давления, где все грани слоя геттера из титана параллельны всем граням верхней и нижней частей основания, а также имеющие размер ребра горизонтальной грани квадратной формы, не превышающий расстояния между границами слоя легкоплавкого стекла, и имеющие размер высоты в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

1 – корпус датчика абсолютного давления;

2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 – выводы корпуса датчика абсолютного давления;

3 – чувствительный элемент абсолютного давления;

4 – клей-герметик;

5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9 – алюминиевые контактные площадки;

6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 – алюминиевая проволока;

7 – интегральный преобразователь давления чувствительного элемента 3 абсолютного давления из кремния n-типа проводимости;

8 – основание чувствительного элемента 3 абсолютного давления;

9 – лицевая сторона интегрального преобразователя 7 давления;

10 – оборотная механическая сторона интегрального преобразователя 7 давления в виде квадратной кремниевой мембраны;

11 – тензорезисторы интегрального преобразователя 7 давления p-типа проводимости;

12 – средства электрических соединений интегрального преобразователя 7 давления;

13 – утоненная часть квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления;

14 – утолщенная часть квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления;

15.1, 15.2, 15.3 – жесткие центры квадратной кремниевой мембраны 10;

16 – слой легкоплавкого стекла;

17 – штуцер в корпусе 1 датчика абсолютного давления;

18 – коррозионностойкое кремнийорганическое защитное покрытие;

19 – вакуумированная полость;

20.1, 20.2 – верхняя и нижняя часть основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления;

21 – область перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания;

22 – слой геттера из титана.

На фиг. 1 представлен вид сверху сборки датчика абсолютного давления.

На фиг. 2 представлен вид сбоку сборки датчика абсолютного давления.

На фиг. 3 представлен вид сбоку интегрального преобразователя давления.

На фиг. 4 представлен вид снизу основания чувствительного элемента абсолютного давления.

На фиг. 5 представлен вид сверху основания чувствительного элемента абсолютного давления.

На фиг. 6 представлен график зависимости по экспериментальным данным для изменения погрешности по стабильности выходного сигнала датчика абсолютного давления от времени.

Датчик давления (фиг. 1) корпус 1 и установленные в нем: чувствительный элемент 3 абсолютного давления с интегральным преобразователем 7 давления и контактными площадками 5, средства 12 электрических соединений чувствительного элемента 3 абсолютного давления и один канал, выполненный в корпусе 1, для подвода давления среды, механическое соединение интегрального преобразователя 7 давления и основания 8 выполнено слоем легкоплавкого стекла 16 и чувствительного элемента 3 абсолютного давления с корпусом 1 выполнено клеем-герметиком 4, электрические соединения чувствительного элемента 3 абсолютного давления выполнены методами микроэлектронных технологий, имеется вакуумированная полость 19 для чувствительного элемента 3 абсолютного давления и антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия 18 поверхности полости корпуса 1, датчик абсолютного давления в корпусе 1 с выводами 2 содержит штуцер 17 для подачи номинального давления со стороны лицевой части 9 интегрального преобразователя 7 давления, расположенным между первым 2.1 и седьмым 2.7 выводом корпуса 1 по периметру корпуса 1, содержит чувствительный элемент 3 абсолютного давления, соединенный алюминиевыми контактными площадками 5 с выводами 2 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6 в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка 5.3 первой алюминиевой проволокой 6.1 со вторым выводом 2.2, четвертая алюминиевая контактная площадка 5.4 второй алюминиевой проволокой 6.2 с третьим выводом 2.3, пятая алюминиевая контактная площадка 5.5 третьей алюминиевой проволокой 6.3 с четвертым выводом 2.4, шестая алюминиевая контактная площадка 5.6 четвертой алюминиевой проволокой 6.4 с пятым выводом 2.5 и седьмая алюминиевая контактная площадка 5.7 пятой алюминиевой проволокой 6.5 с шестым выводом 2.6; чувствительный элемент 3 абсолютного давления содержит интегральный преобразователь 7 давления, состоящий из кремния n-типа проводимости и на лицевой стороне 9 которого сформированы тензорезисторы 11 p-типа проводимости, средства электрических соединений 12 и алюминиевые контактные площадки 5, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне 10 которого сформирована травлением механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной 10 с утолщенной частью 14, утоненной частью 13, где толщина утоненной части 13 мембраны 10 составляет от 10 микрометров до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя 7 давления, и с тремя жесткими центрами 15 кремниевой мембраны 10, места соединения которых являются местами концентрации механических напряжений; основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления выполнено из единого материала из кремния для снятия остаточных механических напряжений от корпуса 1, содержащего верхнюю часть 20.1 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть 20.2 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8 и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8 и размеры горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 равны размерам интегрального преобразователя 7 давления, а также сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части 20.2. основания 8 имеет квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/8 до 1/4 относительно длины ребра горизонтальных граней, в форме гиперэллипса, и соединение в области 21 перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания 8 и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания 8 в сечении в плоскости вертикальных граней нижней 20.2 и верхней части 20.1 основания 8 имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/4 до 1/2 относительно длины ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8, где интегральный преобразователь 7 давления и основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления герметично соединены одним слоем легкоплавкого стекла 16 в областях контакта соединения, где образована вакуумированная полость 19 между оборотной механической стороной 10 интегрального преобразователя 7 давления и основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления для дальнейшего измерения абсолютного давления, а также основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления содержит слой геттера 22 из титана в виде правильного параллелепипеда, расположенный на верхней горизонтальной грани верхней части 20.1 основания 8 соосно верхней 20.1 и нижней частям 20.2 основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, все три оси симметрии слоя геттера 22 из титана в виде правильного параллелепипеда соосны всем трём осям симметрии верхней 20.1 и нижней 20.2 частям основания 8 чувствительного элемента абсолютного давления в виде правильного параллелепипеда, где все грани слой геттера 22 из титана параллельны всем граням верхней 20.1 и нижней 20.2 частей основания 8, а также имеющие размер ребра горизонтальной грани квадратной формы, не превышающей расстояния между границами слоя 16 легкоплавкого стекла, и имеющий размер высоты в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров.

Датчик абсолютного давления со стабилизирующим вакуум слоем геттера содержит корпус 1 датчика абсолютного давления, имеющий круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху, с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления, имеющими круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху, расположенными по периметру корпуса 1 датчика абсолютного давления и высота выводов 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 при рассмотрении вида сбоку не регламентирована, но является не больше высоты внутренней части корпуса 1 датчика абсолютного давления, а также взаимное расположение которых также может быть любым и, в частности, симметричным; штуцер 17 в корпусе 1 датчика абсолютного давления для подачи номинального давления на чувствительный элемент 3 абсолютного давления с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления, расположенным по периметру корпуса 1 датчика абсолютного давления совместно с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления между и первым 2.1 и седьмым 2.7 выводами корпуса 1 датчика абсолютного давления и имеющего круглую или любую другую форму при рассмотрении вида сверху. В корпусе 1 датчика абсолютного давления расположен чувствительный элемент 3 абсолютного давления, соединенный с корпусом 1 датчика абсолютного давления клеем-герметиком 4 и алюминиевыми контактными площадками 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 с выводами 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, например, в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка 5.3 первой алюминиевой проволокой 6.1 со вторым выводом 2.2, четвертая алюминиевая контактная площадка 5.4 второй алюминиевой проволокой 6.2 с третьим выводом 2.3, пятая алюминиевая контактная площадка 5.5 третьей алюминиевой проволокой 6.3 с четвертым выводом 2.4, шестая алюминиевая контактная площадка 5.6 четвертой алюминиевой проволокой 6.4 с пятым выводом 2.5 и седьмая алюминиевая контактная площадка 5.7 пятой алюминиевой проволокой 6.5 с шестым выводом 2.6; состоящий из интегрального преобразователя 7 давления квадратной формы любых размеров в пределах габаритных размеров корпуса 1 датчика абсолютного давления (вид сверху, фиг. 1), и основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, выполненного из единого материала из кремния, содержащего верхнюю часть 20.1 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть 20.2 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8 и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8 и размеры горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 равны размерам интегрального преобразователя 7 давления (вид сверху, фиг. 1), а также где сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части 20.2. основания 8 имеет квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/8 до 1/4 относительно длины ребра горизонтальных граней, в форме гиперэллипса, и соединение в области 21 перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания 8 и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания 8 в сечении в плоскости вертикальных граней нижней 20.2 и верхней части 20.1 основания 8 имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/4 до 1/2 относительно длины ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8. Основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления содержит слой геттера 22 из титана в виде правильного параллелепипеда, расположенный на верхней горизонтальной грани верхней части 20.1 основания 8 соосно верхней 20.1 и нижней частям 20.2 основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, где все грани слой геттера 22 из титана параллельны всем граням верхней 20.1 и нижней 20.2 части основания 8, а также имеющие размер ребра горизонтальной грани квадратной формы, не превышающей расстояния между границами слоя 16 легкоплавкого стекла, поскольку иначе слой геттера 22 из титана будет расположен впритык к границам слоя 16 легкоплавкого стекла и не будет достигаться герметичность ваккумированной полости 19 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, и размер высоты слой геттера 22 из титана в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров.

Конструкция корпуса 1 датчика абсолютного давления со всеми составляющими представлена на фиг. 1 и 2.

Интегральный преобразователь 7 давления, представленный на фиг. 1 и 3, состоит из кремния n-типа проводимости и содержит лицевую сторону 9, на которой сформирована по планарной технологии электрическая мостовая схема и оборотную механическую сторону 10 в виде квадратной кремниевой мембраны 10, способной деформироваться при подаче давления. Лицевая сторона 9 содержит совокупность электрически связанных компонентов, состоящих из тензорезисторов 11 p-типа проводимости, средств 12 электрических соединений и алюминиевых контактных площадок 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, изготовленных в едином технологическом процессе на единой полупроводниковой подложке, при этом тензорезисторы 11 являются плечами мостовой измерительной схемы, где, например, первое плечо расположено между пятой 5.5 и шестой 5.6 алюминиевыми металлизированными контактными площадками, второе плечо расположено между шестой 5.6 и седьмой 5.7 алюминиевыми металлизированными контактными площадками, третье плечо расположено между четвертой 5.4 и третьей 5.3 алюминиевыми металлизированными контактными площадками и четвертое плечо расположено между третьей 5.3 и седьмой 5.7 алюминиевыми металлизированными контактными площадками. Первое плечо соединяется со вторым плечом средствами 12 электрических соединений, проходящих через шестую алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.6, второе плечо соединяется с третьим плечом средствами 12 электрических соединений, проходящих через седьмую алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.7, третье плечо соединяется с четвертым плечом средствами 12 электрических соединений, проходящих через третью алюминиевую металлизированную контактную площадку 5.3, первое плечо и третье плечо не соединяются в корпусе 1 датчика абсолютного давления и разъединены на пятую 5.5 и четвертую 5.4 алюминиевые металлизированные контактные площадки, соответственно.

В пределах подачи номинального давления с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя давления происходит деформация квадратной кремниевой мембраны 10 в пределах геометрии вакуумированной полости 19 и, как следствие, меняется сопротивление тензорезисторов 11, расположенных на лицевой стороне 9 интегрального преобразователя 7 давления, приводящее к изменению электрического сигнала, снимаемого с алюминиевых контактных площадок 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 интегрального преобразователя 7 давления. Квадратная кремниевая мембрана 10 на оборотной стороне 10 интегрального преобразователя 7 давления имеет утоненную часть 13, утолщенную часть 14 и три жестких центра 15.1, 15.2, 15.3. Оборотная сторона 10 интегрального преобразователя 7 давления в виде квадратной кремниевой мембраны 10 создается анизотропным травлением. Три жестких центра 15.1, 15.2, 15.3 квадратной кремниевой мембраны 10 могут иметь как квадратное, так и другое сечение, любых геометрических размеров в зависимости от требований к элементу. Исходя из экспериментальных результатов, толщина утоненной части 13 квадратной кремниевой мембраны 10 в зависимости от номинального преобразуемого давления может варьироваться от 10 микрометров до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя 7 давления. Чем выше номинальное преобразуемое давление, тем должна быть толще утоненная часть 13 квадратной кремниевой мембраны 10. Изготовление утоненной части 13 квадратной кремниевой мембраны 10 толщиной менее 10 микрометра приводит к ее разрушению, а при изготовлении очень толстой утоненной части 13 квадратной кремниевой мембраны 10 существенно падает чувствительность интегрального преобразователя 7 давления. Три жестких центра 15.1, 15.2, 15.3 и утолщенная часть 14 квадратной кремниевой мембраны 10, грани пересечения трех жестких центров 15.1, 15.2, 15.3 и утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны 10 с утоненной частью 13 квадратной кремниевой мембраны 10, расположенные параллельно, образуют области механических напряжений. В областях механических напряжений с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления расположены тензорезисторы 11.

Интегральный преобразователь 7 давления и основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, высота которого при рассмотрении вида сбоку не регламентирована, но является не больше высоты внутренней части корпуса 1 датчика абсолютного давления, изготовлены из единого материала, в качестве которого используется кремний, и жестко связаны между собой в местах контакта соединения в области утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления слоем легкоплавкого стекла 16 при помощи технологии пайки элементов в вакууме. Герметичное соединение слоем легкоплавкого стекла 16 оборотной стороны 10 интегрального преобразователя 7 давления и основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления сохраняет состояние вакуума в вакуумированной полости 19 между элементами чувствительного элемента 3 абсолютного давления, что позволяет измерять абсолютное давление, то есть давление, подаваемое потоком рабочей среды на лицевую сторону 9 интегрального преобразователя 7 давления относительно вакуума. Свободный ход квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления до основания 8 чувствительного элемента абсолютного давления при подаче номинального преобразуемого давления достигается за счет толщины слоя легкоплавкого стекла 16. Форма и размеры вакуумированной полости 19 могут быть любыми и, в частности, они ограничены объемом между оборотной стороной 10 интегрального преобразователя 7 давления, основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления и слоем легкоплавкого стекла 16.

Поверхность интегрального преобразователя 7 давления, входящего в состав поверхности полости корпуса, защищается с помощью коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия 18 от воздействия коррозии.

Основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления из единого материала кремния с цилиндрическими поверхностями по вертикальной оси нижней части 20.2 основания 8 и цилиндрическими поверхностями по горизонтальной оси для области перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания 8 и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания 8, где вид снизу представлен на фиг. 4 и вид сверху представлен на фиг. 5, как и интегральный преобразователь 7 давления, имеет актуальное применение в составе чувствительного элемента 3 абсолютного давления для более эффективного снятия остаточных механических напряжений от корпуса 1 датчика абсолютного давления из-за их релаксации во времени, которые являются одной из главных причин высокой погрешности стабильности выходного сигнала датчика абсолютного давления. В отличие от чувствительного элемента 3 абсолютного давления, содержащего интегральный преобразователь 7 давления и одно соединение в местах контакта соединения в области утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления слоем легкоплавкого стекла 16 с верхней частью 20.1 основания 8 для создания вакуумированной полости 19, где механическая развязка от корпуса 1 датчика абсолютного давления до интегрального преобразователя 7 давления происходит с помощью основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, имеющего верхнюю часть 20.1 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть 20.2 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8 и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8; верхняя часть 20.1 основания 8 и нижняя часть 20.2 основания 8 расположены соосно друг другу; вертикальные грани верхней части 20.1 основания 8, вертикальные грани нижней части 20.2 основания 8 и грани паза в корпусе 1 датчика абсолютного давления попарно параллельны друг другу; основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления нигде не соприкасается с корпусом 1 датчика абсолютного давления кроме соединения нижней части 20.2 основания 8 с корпусом 1 датчика абсолютного давления с помощью клея-герметика 4 и область между основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления и корпусом 1 датчика абсолютного давления может быть любой формы и размеров, а также основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления обладает эффективной механической развязкой от корпуса 1 датчика абсолютного давления, где соединение между основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления и корпусом 1 датчика абсолютного давления происходит с помощью клея-герметика 4, так как основания 8 чувствительного элемента 3 имеет сглаженную форму углов для нижней части 20.2 основания 8 и для соединения в области 21 перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания 8 и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания 8, что позволяет снизить влияние остаточных механических напряжений из-за их релаксации во времени, концентрирующихся на углах нижней части 20.2 основания 8 и оказывающих влияние на интегральный преобразователь 7 давления; структура основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления содержит слой геттера 22 из титана квадратной формы, расположенный на верхней горизонтальной грани верхней части 20.1 основания 8 соосно верхней 20.1 и нижней частям 20.2 основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, а также имеющий размер стороны квадратной формы, не превышающей расстояния между границами слоя 16 легкоплавкого стекла, и размер высоты слоя геттера 22 из титана в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров.

Устройство работает следующим образом.

Датчик давления, содержащий в корпусе 1 датчика абсолютного давления чувствительный элемент 3 абсолютного давления, способный измерять абсолютное давление, то есть давление, подаваемое потоком рабочей среды на лицевую сторону 9 интегрального преобразователя 7 давления с алюминиевыми контактными площадками 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8, 5.9, тензорезисторами 11 и средствами 12 электрических соединений относительно вакуума.

При подаче номинального давления потоком рабочей среды на чувствительный элемент 3 абсолютного давления, размещенного в корпусе 1 датчика абсолютного давления с семью выводами 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 корпуса 1 датчика абсолютного давления и соединенного с корпусом 1 датчика абсолютного давления клеем-герметиком 4 и алюминиевыми контактными площадками 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 с выводами 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 и имеющего вакуумированную полость 19 между интегральным преобразователем 7 давления и основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, жестко связанные слоем легкоплавкого стекла 16 в области утолщенной части 14 квадратной кремниевой мембраны 10 интегрального преобразователя 7 давления, с лицевой стороны 9 интегрального преобразователя 7 давления через штуцер 17 в корпусе 1 датчика абсолютного давления для подвода давления, происходит перемещение утоненной части 13 и трёх жестких центров 15.1, 15.2, 15.3 квадратной кремниевой мембраны 10 в вакуумированной полости 19 чувствительного элемента давления 3, где толщина слоя легкоплавкого стекла 16 между оборотной стороной 10 интегрального преобразователя 7 давления и основанием 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления позволяет иметь свободный ход мембраны 10, приводящие к изменению сопротивления тензорезисторов 11 p-типа проводимости, объединенных в мостовую схему средствами 12 электрических соединений и алюминиевыми контактными площадками 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 интегрального преобразователя 7 давления, сформированных на лицевой стороне 9 интегрального преобразователя 7 давления. Подача напряжения питания и снятие выходного сигнала с чувствительного элемента 3 давления происходит через алюминиевые контактные площадки 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, соединенные с выводами 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6 корпуса 1 алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5.

Если основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления имеет длину ребра горизонтальных граней верхней части 20.1 основания более чем в 5 раз больше относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания, то чувствительный элемент 3 абсолютного давления не соединится методами микроэлектронных технологий с корпусом 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 в связи с недостаточной жесткостью связи клеем-герметиком 4 основания 8 чувствительный элемент 3 абсолютного давления с корпусом 1 датчика абсолютного давления. Если основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления имеет длину ребра горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 менее чем в 2 раза меньше относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8, то эффект распределения остаточных механический напряжений будет незначительным. Если основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления имеет длину ребра вертикальных граней верхней части 20.1 основания более чем в 5 раз больше относительно длины ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания, то эффект распределения остаточных механический напряжений будет незначительным. Если основание 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления имеет длину ребра вертикальных граней верхней части 20.1 основания менее чем в 2 раза меньше относительно длины ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания, то чувствительный элемент 3 абсолютного давления не соединится методами микроэлектронных технологий с корпусом 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 в связи с недостаточной жесткостью связи клеем-герметиком 4 основания 8 чувствительный элемент 3 абсолютного давления с корпусом 1 датчика абсолютного давления.

Если нижняя часть 20.2 основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления в сечении по плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части 20.2 основания 8 имеет радиус закругления угла гиперэллипса менее чем в 1/8 раза меньше относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8, то эффект распределения остаточных механический напряжений будет незначительным. Если нижняя часть 20.2 основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления в сечении по плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части 20.2 основания 8 имеет радиус закругления угла гиперэллипса более чем в 1/4 раз меньше относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8, то чувствительный элемент 3 абсолютного давления не соединится методами микроэлектронных технологий с корпусом 1 датчика абсолютного давления алюминиевой проволокой 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 в связи с недостаточной жесткостью связи клеем-герметиком 4 основания 8 чувствительный элемент 3 абсолютного давления с корпусом 1 датчика абсолютного давления. Если в основании 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления соединение в области перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания 8 и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания 8 в сечении в плоскости вертикальных граней нижней 20.2 и верхней части 20.1 основания 8 имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла более чем в 1/2 или менее чем в 1/4 раза меньше относительно длины ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8, то эффект распределения остаточных механический напряжений будет незначительным. Стабильность выходного сигнала датчика абсолютного давления повышается за счет минимизации образования областей высоких концентрации механических напряжений на краях нижней части 20.2 основания 8, возникающих в результате соединения чувствительного элемента 3 абсолютного давления с корпусом 1 датчика абсолютного давления клеем-герметиком 4, которые оказывают влияние на интегральный преобразователь 7 давления.

При измерении параметра стабильности датчика абсолютного давления, как показано на фиг. 6, наличие в составе структуры основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления слоя геттера 22 из титана квадратной формы, расположенного на верхней горизонтальной грани верхней части 20.1 основания 8 соосно верхней 20.1 и нижней частям 20.2 основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления, а также имеющего размер стороны квадратной формы, не превышающей расстояния между границами слоя 16 легкоплавкого стекла, и размер высоты слоя геттера 22 из титана в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров в сочетании с геометрией сборочной конструкции чувствительного элемента 3 абсолютного давления с использованием модернизированной структуры основания 8 чувствительного элемента 3 абсолютного давления из единого материала из кремния, содержащего верхнюю часть 20.1 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть 20.2 основания 8 в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части 20.2 основания 8 и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части 20.1 основания 8 больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8 и размеры горизонтальных граней верхней части 20.1 основания 8 равны размерам интегрального преобразователя 7 давления, а также где дополнительно сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части 20.2. основания 8 имеет квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/8 до 1/4 относительно длины ребра горизонтальных граней, в форме гиперэллипса, и соединение в области 21 перехода между вертикальными гранями нижней части 20.2 основания 8 и горизонтальной гранью верхней части 20.1 основания 8 в сечении в плоскости вертикальных граней нижней 20.2 и верхней части 20.1 основания 8 имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/4 до 1/2 относительно длины ребра вертикальных граней нижней части 20.2 основания 8; достигается возможность уменьшения значения погрешностей за счет сокращения перемещения через слой легкоплавкого стекла 16 со временем молекул остаточного газа из вакуумированной полости 19 чувствительного элемента 3 абсолютного давления благодаря поглощению молекул остаточного газа слоем геттера 22 из титана, и, как следствие, сохранения постоянства показателей степени вакуума внутри вакуумированной полости 19 чувствительного элемента 3 абсолютного давления.

Если размер высоты слоя геттера 22 из титана на основании 8 чувствительного элемента давления 3 составляет более 5,0 микрометров, то соприкосновение одного среднего жесткого центра 15.2 или всех жестких центров 15.1, 15.2, 15.3 квадратной кремниевой мембраны 10 с поверхностью слоя геттера 22 из титана на основании 8 чувствительного элемента давления 3 происходит до момента подачи номинального давления, что приводит к существенному увеличению погрешности по нелинейности. Если размер высоты слоя геттера 22 из титана на основании 8 чувствительного элемента давления 3 составляет менее 0,5 микрометров, то слой геттера 22 из титана теряет полноценные свойства по поглощению молекул остаточного газа в вакуумированной полости 19 чувствительного элемента 3 абсолютного давления.

Для минимизации влияния от воздействий коррозии, вызывающих увеличение погрешности по стабильности выходного сигнала датчика абсолютного давления поверхность интегрального преобразователя 7 давления, входящего в состав поверхности полости корпуса 1, защищается с помощью коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия 18.

Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно, повышение стабильности выходного сигнала датчика абсолютного давления, вследствие сокращения перемещения через слой легкоплавкого стекла 16 со временем молекул остаточного газа из вакуумированной полости 19 чувствительного элемента 3 абсолютного давления благодаря поглощению молекул остаточного газа слоем геттера 22 из титана, и, как следствие, сохранения постоянства показателей степени вакуума внутри вакуумированной полости 19 чувствительного элемента 3 абсолютного давления.

Claims (1)

1. Датчик абсолютного давления со стабилизирующим вакуум слоем геттера, содержащий корпус и установленные в нем: чувствительный элемент абсолютного давления с интегральным преобразователем давления и контактными площадками, средства электрических соединений чувствительного элемента абсолютного давления и один канал, выполненный в корпусе, для подвода давления среды, механическое соединение интегрального преобразователя давления и основания выполнено слоем легкоплавкого стекла и чувствительного элемента абсолютного давления с корпусом выполнено клеем-герметиком, электрические соединения чувствительного элемента абсолютного давления выполнены методами микроэлектронных технологий, имеется вакуумированная полость для чувствительного элемента абсолютного давления, и антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса, датчик абсолютного давления в корпусе с выводами содержит штуцер для подачи номинального давления со стороны лицевой части интегрального преобразователя давления, расположенный между первым и седьмым выводом корпуса по периметру корпуса, содержит чувствительный элемент абсолютного давления, соединенный алюминиевыми контактными площадками с выводами корпуса алюминиевой проволокой в следующей последовательности соединения: третья алюминиевая контактная площадка первой алюминиевой проволокой со вторым выводом, четвертая алюминиевая контактная площадка второй алюминиевой проволокой с третьим выводом, пятая алюминиевая контактная площадка третьей алюминиевой проволокой с четвертым выводом, шестая алюминиевая контактная площадка четвертой алюминиевой проволокой с пятым выводом и седьмая алюминиевая контактная площадка пятой алюминиевой проволокой с шестым выводом; чувствительный элемент абсолютного давления содержит интегральный преобразователь давления, состоящий из кремния n-типа проводимости и на лицевой стороне которого сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, средства электрических соединений и алюминиевые контактные площадки, объединенные в мостовую схему, и на оборотной стороне которого сформирована травлением механическая часть с тонкой гибкой симметрично выполненной квадратной кремниевой мембраной с утолщенной частью, утоненной частью, где толщина утоненной части мембраны составляет от 10 микрометров до значения, равного половине толщины интегрального преобразователя давления, и с тремя жесткими центрами кремниевой мембраны, места соединения которых являются местами концентрации механических напряжений; основание чувствительного элемента абсолютного давления выполнено из единого материала из кремния для снятия остаточных механических напряжений от корпуса, содержащего верхнюю часть основания в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы и нижнюю часть основания в виде прямоугольного правильного параллелепипеда с горизонтальными гранями квадратной формы, где длина ребра горизонтальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины ребра горизонтальных граней нижней части основания, и длина вертикального ребра вертикальных граней верхней части основания больше от 2 до 5 раз относительно длины вертикального ребра вертикальных граней нижней части основания, и размеры горизонтальных граней верхней части основания равны размерам интегрального преобразователя давления, где интегральный преобразователь давления и основание чувствительного элемента абсолютного давления герметично соединены одним слоем легкоплавкого стекла в областях контакта соединения, где образована вакуумированная полость между оборотной механической стороной интегрального преобразователя давления и основанием чувствительного элемента абсолютного давления для дальнейшего измерения абсолютного давления, а также сечения в плоскости горизонтальных граней всего объема нижней части основания имеют квадратную форму с закругленными углами выпуклой формы с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/8 до 1/4 относительно длины ребра горизонтальных граней, и соединение в области перехода между вертикальными гранями нижней части основания и горизонтальной гранью верхней части основания в сечении в плоскости вертикальных граней нижней и верхней частей основания имеет вогнутую форму с радиусом закругления угла, величина которого принадлежит диапазону от 1/4 до 1/2 относительно длины ребра вертикальных граней нижней части основания, отличающийся тем, что основание чувствительного элемента абсолютного давления содержит слой геттера из титана в виде правильного параллелепипеда, расположенный на верхней горизонтальной грани верхней части основания соосно верхней и нижней частям основания чувствительного элемента абсолютного давления, где все грани слоя геттера из титана параллельны всем граням верхней и нижней частей основания, а также имеющие размер ребра горизонтальной грани квадратной формы, не превышающий расстояния между границами слоя легкоплавкого стекла, и имеющие размер высоты в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров.