RU2377518C1

RU2377518C1 - Capacitive transducer of absolute pressure

Info

Publication number: RU2377518C1
Application number: RU2008122194/28A
Authority: RU
Inventors: Илья Николаевич Баринов (RU); Илья Николаевич Баринов; Ирина Викторовна Бакатова (RU); Ирина Викторовна Бакатова; Вадим Сергеевич Волков (RU); Вадим Сергеевич Волков
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2009-12-27

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention refers to measuring technology, particularly to transducers of absolute pressure and can be implemented in development and production of compact semi-conducting transducers of absolute pressure. The capacitive transducer of pressure consists of a padding whereon there are arranged a contact platform and armatures of a condenser; the armatures of the condenser consist of an electrode and of an insulating layer; also the transducer consists of a membrane assembly and a vacuum chamber; the insulating layer is located under the electrode, while the membrane assembly is made of two connected silicon membranes with the applied thereon armatures of the condenser and glass washers; the membranes are connected to one another and levelled, and the glass washers with openings are connected to membranes from the side opposite to armatures of the condenser; the vacuum chamber is formed with pressure tight connection of the membrane assembly with the metal case; the electrodes are taken outside the metal case by means of the contact platforms, micro-wires and pressure tight adaptors; on one side micro-wires are welded to the contact platforms, while on the other side they are welded to the pressure tight adaptors; the pressure tight adaptors are leak-free connected to a metal washer; the metal washer is welded to the metal case; volume of the vacuum chamber exceeds volume of the membrane assembly several times.

EFFECT: enhanced reliability, stability of parameters and raised sensitivity of transducer.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям абсолютных давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей абсолютного давления.The proposed technical solution relates to the field of measurement technology, in particular to absolute pressure transducers, and can be used in the design and manufacture of small-sized semiconductor absolute pressure transducers.

Известен преобразователь давления, содержащий подложку, чувствительную к давлению мембрану и вспомогательный слой, размещенный между подложкой и мембраной, и преобразовательный элемент для преобразования перемещения мембраны в электрический сигнал. Вспомогательный слой имеет отверстие, которое герметично размещено между подложкой и мембраной так, что существует герметизированная внутренняя полость, используемая как встроенная камера опорного давления. Предпочтительно мембрана включает перфорированный внутренний слой, простирающийся по полости и защитному слою, сформированному на внутреннем слое, чтобы герметизировать полость [1].Known pressure transducer containing a substrate, a pressure-sensitive membrane and an auxiliary layer located between the substrate and the membrane, and a conversion element for converting the movement of the membrane into an electrical signal. The auxiliary layer has an opening that is sealed between the substrate and the membrane so that there is a sealed internal cavity used as an integrated reference pressure chamber. Preferably, the membrane includes a perforated inner layer extending over the cavity and a protective layer formed on the inner layer to seal the cavity [1].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является емкостной преобразователь абсолютного давления, содержащий подложку с размещенным на ней электродом, первую и вторую части, соединенные электродом, и изолирующий слой, расположенный над электродом только на первой части. Кроме того, преобразователь содержит мембранную сборку, находящуюся на подложке и включающую в себя рамку и перегородку, определяющую первый участок, напротив которого размещена мембрана, и второй открытый участок, причем первый и второй участки на подложке расположены таким образом, что первая часть подложки выровнена с первым участком и мембраной так, что мембрана, подложка, перегородка и соответствующая рамка, определяющая первый участок, формируют вакуумную камеру, а вторая часть подложки выровнена со вторым открытым участком, чтобы облегчить доступ к электроду. Кроме того, перегородка разграничивает первый и второй участки и контактирует с изолирующим слоем на электроде в первой части, причем изолирующий слой и электрод выполнены с предварительно заданной толщиной, а изолирующий слой деформирован вокруг электрода для герметизации и поддержания вакуумного состояния в вакуумной камере [2].The closest in technical essence to the invention is a capacitive absolute pressure transducer containing a substrate with an electrode placed on it, first and second parts connected by an electrode, and an insulating layer located above the electrode only on the first part. In addition, the transducer comprises a membrane assembly located on the substrate and including a frame and a partition defining a first portion opposite which the membrane is placed and a second open portion, the first and second portions on the substrate being arranged so that the first part of the substrate is aligned with the first portion and the membrane so that the membrane, the substrate, the septum, and the corresponding frame defining the first portion form a vacuum chamber, and the second portion of the substrate is aligned with the second open portion so that facilitate access to the electrode. In addition, the partition delimits the first and second sections and contacts the insulating layer on the electrode in the first part, the insulating layer and the electrode being made with a predetermined thickness, and the insulating layer is deformed around the electrode to seal and maintain the vacuum state in the vacuum chamber [2].

Общими недостатками аналога и прототипа являются низкая надежность преобразователя, низкая стабильность параметров, низкая чувствительность из-за низкой временной стабильности степени вакуума в вакуумной камере, вследствие малого значения ее объема и наличия герметизации, включающей несколько слоев с разными физико-химическими свойствами, когда герметизация и вакуумное состояние поддерживаются за счет соединения, представляющего собой систему из подложки, рамки, перегородки, изолирующего слоя и электрода, то есть материалов, имеющих различные степень взаимоадгезии и коэффициент термического расширения, что вызывает низкую степень сцепления подложки и мембранной сборки. Поэтому в процессе эксплуатации в рабочем диапазоне температур наблюдается временная нестабильность соединения, приводящая к низкой надежности преобразователя, низкой стабильности параметров, низкой чувствительности из-за влияния внешней воздушной среды, проникающей в вакуумную камеру и воздействующей на мембрану со стороны, обратной измеряемому давлению, что привносит дополнительную погрешность, снижает временную стабильность параметров и чувствительность.Common disadvantages of the analogue and prototype are the low reliability of the converter, low stability of parameters, low sensitivity due to the low temporal stability of the degree of vacuum in the vacuum chamber, due to the small value of its volume and the presence of sealing, including several layers with different physicochemical properties, when sealing and the vacuum state is maintained due to the connection, which is a system of a substrate, a frame, a partition, an insulating layer and an electrode, that is, materials having x different degree of mutual adhesion and coefficient of thermal expansion, which causes a low degree of adhesion of the substrate and the membrane assembly. Therefore, during operation in the operating temperature range, a temporary instability of the connection is observed, leading to low reliability of the converter, low stability of parameters, low sensitivity due to the influence of external air penetrating into the vacuum chamber and acting on the membrane from the side opposite to the measured pressure, which introduces additional error, reduces the temporary stability of the parameters and sensitivity.

Изобретение направлено на повышение надежности преобразователя, повышение стабильности параметров, повышение чувствительности.The invention is aimed at improving the reliability of the Converter, increasing the stability of the parameters, increasing the sensitivity.

Согласно изобретению в емкостном преобразователе давления, содержащем подложку с размещенными на ней контактной площадкой и обкладками конденсатора, состоящими из электрода и изолирующего слоя, а также мембранную сборку и вакуумную камеру, изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами, причем мембраны соединены друг с другом и выровнены, а стеклянные шайбы выполнены с отверстиями и соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора, а вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, причем электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов и гермопереходников, когда микропровода с одной стороны прикреплены к контактным площадкам, а с другой стороны прикреплены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки.According to the invention, in a capacitive pressure transducer containing a substrate with a contact pad and capacitor plates arranged thereon, consisting of an electrode and an insulating layer, as well as a membrane assembly and a vacuum chamber, the insulating layer is located below the electrode, and the membrane assembly consists of two connected silicon membranes with the capacitor plates and glass washers deposited on them, the membranes being connected to each other and aligned, and the glass washers made with holes and connected to the membranes from the side opposite to the capacitor plates, and the vacuum chamber is formed by a hermetic connection of the membrane assembly with the metal case, and the electrodes are brought out of the metal case by means of contact pads, microwires and pressure reducers, when microwires are attached to contact pads on one side and attached to hermetic seals connected to a metal washer, which is welded to a metal case, and the volume of the vacuum chamber is several times greater ie the volume of the membrane assembly.

Введение предложенной конструкции, включающей наличие металлического корпуса, герметично соединенного с мембранной сборкой, причем электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов и гермопереходников, когда микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, позволяет повысить временную стабильность степени вакуума в вакуумной камере за счет исключения многослойного соединения, состоящего из нескольких слоев с разными физико-химическими свойствами и приводящего к временной нестабильности соединения.The introduction of the proposed design, including the presence of a metal housing hermetically connected to the membrane assembly, the electrodes being brought out of the metal housing using pads, microwires and pressure reducers, when the microwires are welded to the contact pads on one side and welded to the pressure reducers hermetically connected with a metal washer, which is welded to the metal body, allows to increase the temporary stability of the degree of vacuum in the vacuum chamber by eliminating the multilayer compound consisting of several layers with different physico-chemical properties and leading to temporal instability of the compound.

В предложенной конструкции герметизация и вакуумное состояние обеспечены герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходниками, соединенными с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу. То есть в случае герметичного соединения мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходников, герметично соединенных с металлической шайбой, когда контакт происходит между двумя сходными материалами и не содержит промежуточных слоев с разными физико-механическими свойствами, это является достаточно отработанной и управляемой технологией, обеспечивающей стабильное, герметичное соединение [4, 5], что повышает надежность преобразователя, стабильность параметров и чувствительность. А в случае герметичного соединения металлической шайбы с металлическим корпусом контакт обеспечивается между двумя однородными материалами, приваренными друг другу, что также обеспечивает стабильное, герметичное соединение [6, 7].In the proposed design, the sealing and vacuum state are ensured by a hermetic connection of the membrane assembly with the metal case and pressure reducers connected to the metal washer, which is welded to the metal case. That is, in the case of a sealed connection of the membrane assembly with the metal case and hermetic reducers hermetically connected to the metal washer, when the contact occurs between two similar materials and does not contain intermediate layers with different physicomechanical properties, this is a well-developed and controllable technology that ensures stable, sealed connection [4, 5], which increases the reliability of the Converter, the stability of the parameters and sensitivity. And in the case of a tight connection of a metal washer with a metal case, contact is ensured between two homogeneous materials welded to each other, which also provides a stable, tight connection [6, 7].

Кроме того, объем вакуумной камеры в [2] имеет малое значение, ограниченное размерами подложки и мембранной сборки, что также приводит к низкой временной стабильности степени вакуума в вакуумной камере. В соответствии с [3] время уменьшения герметичности, выраженное в уменьшении степени вакуума до некоторого порогового значения, равно:In addition, the volume of the vacuum chamber in [2] has a small value limited by the dimensions of the substrate and the membrane assembly, which also leads to low temporal stability of the degree of vacuum in the vacuum chamber. In accordance with [3], the tightness reduction time, expressed as a decrease in the degree of vacuum to a certain threshold value, is equal to:

,

где ΔP - изменение давления внутри вакуумной камеры, Па;where ΔP is the change in pressure inside the vacuum chamber, Pa;

V - объем вакуумной камеры, л;V is the volume of the vacuum chamber, l;

Q - степень негерметичности, л·мм рт.ст./с.Q - the degree of leakage, l · mm RT.article / s.

Из формулы видно, что чем больше объем вакуумной камеры, тем больше времени потребуется на уменьшение давления внутри камеры (то есть на увеличение объема воздушной среды, приникающей в камеру) до некоторого критического значения, после достижения которого эксплуатация преобразователя будет недопустимой из-за снижения его технических характеристик.It can be seen from the formula that the larger the volume of the vacuum chamber, the longer it will take to reduce the pressure inside the chamber (that is, to increase the volume of air entering the chamber) to a certain critical value, after which the operation of the converter will be unacceptable due to its reduction technical specifications.

В предложенной конструкции объем вакуумной камеры, образованной герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, в несколько раз превышает объем мембранной сборки, что согласно [3] положительно отражается на временной стабильности герметичного соединения.In the proposed design, the volume of the vacuum chamber formed by the hermetic connection of the membrane assembly with the metal casing is several times larger than the volume of the membrane assembly, which according to [3] has a positive effect on the temporary stability of the sealed connection.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом.The proposed device is illustrated in the drawing.

На чертеже изображен преобразователь, содержащий подложку (1) с размещенными на ней контактной площадкой (4) и обкладками конденсатора, состоящими из электрода (2) и изолирующего слоя (3), а также мембранную сборку (5) и вакуумную камеру (6). Изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран (7) с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами (8). Мембраны соединены друг с другом и выровнены, чтобы облегчить доступ к контактным площадкам, а стеклянные шайбы соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора, и имеют отверстия (9) для обеспечения воздействия давления на мембраны. Вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом (10) на границе соединения (15). Электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов (11) и гермопереходников (12), когда микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой (13) на границе соединения (17). Металлическая шайба приварена к металлическому корпусу по границе соединения (16), а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки (14). Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, воздействуя на мембраны через отверстия в стеклянных шайбах, изменяет значении емкости, образованной мембранами. Наличие конструкции, при которой герметизация и вакуумное состояние обеспечены герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходниками, соединенными с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, позволяет повысить надежность преобразователя, стабильность параметров и чувствительность за счет долговременного поддержания высокой степени вакуума в вакуумной камере. А объем вакуумной камеры, образованной герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, в несколько раз превышает объем мембранной сборки, что также положительно отражается на временной стабильности герметичного соединения.The drawing shows a converter containing a substrate (1) with a contact pad (4) placed on it and capacitor plates consisting of an electrode (2) and an insulating layer (3), as well as a membrane assembly (5) and a vacuum chamber (6). The insulating layer is located under the electrode, and the membrane assembly consists of two connected silicon membranes (7) with the capacitor plates and glass washers (8) deposited on them. The membranes are connected to each other and aligned to facilitate access to the contact pads, and glass washers are connected to the membranes from the side opposite to the capacitor plates and have openings (9) to provide pressure on the membranes. The vacuum chamber is formed by a hermetic connection of the membrane assembly with a metal casing (10) at the boundary of the connection (15). The electrodes are brought out of the metal casing with the help of contact pads, microwires (11) and pressure reducers (12), when the microwires are welded to the contact pads on one side and welded to the pressure reducers hermetically connected to a metal washer (13) at the junction boundary ( 17). The metal washer is welded to the metal body along the boundary of the joint (16), and the volume of the vacuum chamber is several times the volume of the membrane assembly (14). The principle of operation of the converter is as follows. The measured pressure, acting on the membrane through the holes in the glass washers, changes the value of the capacitance formed by the membranes. The presence of a design in which the sealing and the vacuum state are ensured by the hermetic connection of the membrane assembly with the metal casing and pressure reducers connected to the metal washer, which is welded to the metal casing, allows to increase the reliability of the converter, the stability of the parameters and the sensitivity due to the long-term maintenance of a high degree of vacuum in the vacuum chamber . And the volume of the vacuum chamber formed by a sealed connection of the membrane assembly with a metal casing is several times larger than the volume of the membrane assembly, which also positively affects the temporary stability of the sealed connection.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:The technical and economic advantages of the proposed converter in comparison with the known are:

повышение надежности преобразователя;increasing the reliability of the converter;

повышение стабильности параметров;increased stability of parameters;

повышение чувствительности.sensitization.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4,838,088, 1989.1. US patent No. 4,838,088, 1989.

2. Патент США №5,528,452, 1996.2. US Patent No. 5,528,452, 1996.

3. Ланис В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. М.-Л., 1963.3. Lanis V.A., Levina L.E. Vacuum Testing Technique. M.-L., 1963.

4. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. М.: Энергия, 1968. 280 с.4. Lyubimov M.L. Joints of metal with glass. M .: Energy, 1968.280 s.

5. Спаи стекла с металлом. Под ред. Р.А.Шелиндера. М.: Сов. радио, 1951. 312 с.5. Glass junctions with metal. Ed. R.A.Shelinder. M .: Sov. Radio, 1951. 312 p.

6. В.Н.Волченко. Справочник «Сварка и свариваемые материалы». - 1991.6. V.N. Volchenko. Reference book “Welding and materials to be welded”. - 1991.

7. Г.А.Николаев, В.А.Винокуров. Сварные конструкции. Расчет и проектирование. - 1990.7. G.A. Nikolayev, V.A. Vinokurov. Welded construction. Calculation and design. - 1990.

Claims

1. A capacitive pressure transducer containing a substrate with a contact pad and capacitor plates placed on it, consisting of an electrode and an insulating layer, as well as a membrane assembly and a vacuum chamber, characterized in that the insulating layer is located under the electrode, and the membrane assembly consists of two connected silicon membranes, coated with capacitor plates, and glass washers, the membranes being connected to each other and aligned, and the glass washers made with holes and connected to the membrane and on the opposite side plates of the capacitor, and the vacuum chamber is formed airtight membrane assembly compound with the metal housing, the electrodes being led out of the metal housing via contact pads, and germoperehodnikov microwires.

2. The capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that the microwires are attached on one side to the contact pads and, on the other hand, attached to pressure reducers hermetically connected to a metal washer, which is welded to the metal body, and the volume of the vacuum chamber is several times exceeds the volume of the membrane assembly.