RU2392592C1

RU2392592C1 - Pressure sensor

Info

Publication number: RU2392592C1
Application number: RU2009116703/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Алексеевич Стефанович (RU); Владимир Алексеевич Стефанович; Георгий Борисович Лебедев (RU); Георгий Борисович Лебедев; Светлана Николаевна Нелина (RU); Светлана Николаевна Нелина
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-06-20

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to pressure sensors including a semi-conductor sensing element based on the silicon-on-sapphire structure manufactured in accordance with the planar microelectronic technology. The pressure sensor contains a housing, an elastic suspension hermetically fixed between the housing and the cover, the suspension represented by a corrugated membrane on the surface thereof conductor paths, contact pads and output contacts are arranged, a cover hermetically connected to the housing, a semi-conductor elastic sensing element with resistive-strain sensors and contact pads. The semi-conductor elastic sensing element is manufactured in accordance with the planar microelectronic technology. The elastic sensing element is rigidly connected to a ceramic bowl with high temperature solder-glass to form a cavity between them. The elastic sensing element is rigidly connected to the membrane along the contour, its contact pads solder-connected to the membrane contact pads.

EFFECT: enhanced structural reliability of the pressure sensor in terms of resistance to mechanical impacts, reduction of additional error resulting from mounting and thermomechanical tensions and reduction of the pressure sensor fabrication labour intensity.

2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к конструированию и изготовлению датчиков давления, включающих полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире», выполненный по планарной микроэлектронной технологии и технике анизотропного травления.The present invention relates to the design and manufacture of pressure sensors, including a semiconductor sensitive element based on the structure of "silicon on sapphire", made according to planar microelectronic technology and anisotropic etching technique.

Известна конструкция датчика давления, содержащая основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание корпуса через стеклянный пьедестал, токопроводы, герметично проходящие через корпус и электрически контактирующие с чувствительным элементом посредством тонких проволочек, присоединенных микросваркой, крышку, защищающую полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий [Патент ГДР №225501, кл. G01L 9/06, 1985].A known design of a pressure sensor comprising a housing base, a semiconductor sensing element mounted on the housing base through a glass pedestal, conductors hermetically passing through the housing and electrically contacting the sensing element by means of thin wires connected by microwelding, a cover protecting the semiconductor sensitive element from external mechanical influences [Patent of the GDR No. 22501, class G01L 9/06, 1985].

Существенные признаки аналога, общие с заявленным устройством, следующие: основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, установленный на основание, которое герметично закреплено между корпусом и крышкой, крышка, защищающая полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий.The essential features of the analogue that are common with the claimed device are as follows: a housing base, a semiconductor sensitive element mounted on a base that is hermetically secured between the housing and the cover, a cover protecting the semiconductor sensitive element from external mechanical influences.

Недостатками известной конструкции датчика давления являются: большая длина тонких коммутационных проволочек между полупроводниковым чувствительным элементом и токопроводами, что снижает надежность сварного соединения при механических воздействиях, относительно большая сложность конструкции и трудоемкость сборки датчика в целом, жесткая связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика, что несмотря на наличие стеклянного пьедестала в определенных случаях может привести к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, передаваемых от корпуса датчика на полупроводниковый чувствительный элемент.The disadvantages of the known design of the pressure sensor are: the large length of the thin switching wires between the semiconductor sensor and the conductors, which reduces the reliability of the welded joint under mechanical stresses, the relatively large complexity of the design and the complexity of the sensor assembly as a whole, the rigid connection of the semiconductor sensor with the sensor body, which despite the presence of a glass pedestal in certain cases may lead to additional installation error and thermo-mechanical stresses transmitted from the sensor housing on the semiconductor sensor element.

Известна конструкция датчика давления, содержащая упругую жесткозащемленную мембрану с опорным основанием, на которой расположен диэлектрический слой с тензочувствительными элементами и контактными площадками (полупроводниковый чувствительный элемент), цилиндрическую контактную колодку с размещенными на периферии контактами и частично расположенные на поверхности контактных площадок и диэлектрика плоские выводные проводники, соединяющие контактные площадки и контакты колодки [Патент РФ №2032156, кл. 6 G01L 9/04, 1995].A known design of a pressure sensor containing an elastic rigidly-sealed membrane with a support base, on which a dielectric layer with strain-sensitive elements and contact pads (semiconductor sensitive element), a cylindrical contact block with terminal contacts located on the periphery and flat terminal conductors partially located on the surface of the contact pads and dielectric is located connecting pads and pads [RF Patent No. 2032156, cl. 6 G01L 9/04, 1995].

Существенные признаки аналога, общие с заявленным устройством, следующие: основание корпуса, полупроводниковый чувствительный элемент, расположенный на жесткозащемленной мембране, которая герметично закреплена между корпусом и крышкой, крышка, защищающая полупроводниковый чувствительный элемент от внешних механических воздействий.The essential features of the analogue that are common with the claimed device are as follows: the base of the case, a semiconductor sensitive element located on a rigidly sealed membrane that is tightly secured between the case and the cover, and a cover protecting the semiconductor sensitive element from external mechanical influences.

Недостатками известной конструкции датчика давления являются: большая сложность конструкции, большая сложность и трудоемкость сборки датчика в целом, жесткая связь полупроводникового чувствительного элемента с корпусом датчика.The disadvantages of the known design of the pressure sensor are: the great complexity of the design, the great complexity and the complexity of the Assembly of the sensor as a whole, the rigid connection of the semiconductor sensor with the housing of the sensor.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является конструкция датчика давления, содержащая полупроводниковый чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, который соединен со стеклянной или кремниевой пластиной с образованием полости между ними, крышку, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную мембрану, на которой смонтированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, при этом полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны, а в крышке и пластине выполнены отверстия [Патент РФ №2082127, кл. G01L 9/04, 1997].The closest technical solution, selected as a prototype, is the design of a pressure sensor containing a semiconductor sensitive element with strain gauges and contact pads, which is connected to a glass or silicon wafer with the formation of a cavity between them, a cover sealed between the body and the cover by an elastic membrane, which mounted metallized current paths, pads and output contacts, while the semiconductor sensitive element fastened to the contour of the membrane, its contact pads are connected by soldering to the bonding pads of the membrane, and in the cover plate and provided with holes [RF patent №2082127, Cl. G01L 9/04, 1997].

Недостатками известной конструкции датчика являются соединение полупроводникового чувствительного элемента со стеклянной или кремниевой пластиной, что приводит к дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений, относительная сложность конструкции.The disadvantages of the known sensor design are the connection of the semiconductor sensitive element with a glass or silicon wafer, which leads to additional errors from mounting and thermomechanical stresses, the relative complexity of the design.

Существенные признаки прототипа, общие с заявленным устройством, следующие: корпус, герметично закрепленная между корпусом и крышкой эластичная подвеска, выполненная в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышка, герметично соединенная с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними.The essential features of the prototype, common with the claimed device, are as follows: a case, an elastic suspension, tightly fixed between the case and the cover, made in the form of a corrugated membrane, on the surface of which metallized current-carrying tracks, contact pads and output contacts are formed, the cover is hermetically connected to the case, a semiconductor an elastic sensitive element with strain gages and contact pads, rigidly connected to a ceramic cup with the formation of a cavity between them.

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

Технический результат достигается тем, что полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.The technical result is achieved by the fact that the semiconductor elastic sensitive element is made on the basis of the silicon on sapphire structure, while the elastic sensitive element is rigidly connected by a high-temperature glass solder to a ceramic cup, the thermal expansion coefficient of which is consistent with the thermal expansion coefficient of sapphire, the semiconductor sensitive element is rigidly fixed to the contour on the membrane, its contact pads are soldered to the contact pads of the membrane.

Для достижения технического результата в датчике давления, содержащем корпус, герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную подвеску, выполненную в виде гофрированной мембраны, на поверхности которой сформированы металлизированные токоведущие дорожки, контактные площадки и выходные контакты, крышку, герметично соединенную с корпусом, полупроводниковый упругий чувствительный элемент с тензорезисторами и контактными площадками, жестко соединенный с керамической чашкой с образованием полости между ними, полупроводниковый упругий чувствительный элемент выполнен на основе структуры «кремний на сапфире», при этом упругий чувствительный элемент жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой, коэффициент термического расширения которой согласован с коэффициентом термического расширения сапфира, полупроводниковый чувствительный элемент жестко закреплен по контуру на мембране, его контактные площадки соединены пайкой с контактными площадками мембраны.To achieve a technical result, in the pressure sensor comprising a housing, an elastic suspension, hermetically fixed between the housing and the cover, made in the form of a corrugated membrane, on the surface of which metallized current-carrying tracks, contact pads and output contacts are formed, a cover sealed to the housing, a semiconductor elastic sensitive element with strain gages and contact pads, rigidly connected to a ceramic cup with the formation of a cavity between them, semiconductor The elastic sensor is made on the basis of a silicon-sapphire structure, while the sensor is rigidly connected by a high-temperature glass solder to a ceramic cup, the coefficient of thermal expansion of which is consistent with the coefficient of thermal expansion of sapphire, the semiconductor sensor is rigidly fixed along the contour on the membrane, and its contact the pads are soldered to the membrane pads.

На фиг.1 представлен разрез конструкции датчика абсолютного, избыточного или разности давлений. На фиг.2 представлен вид сверху со снятой крышкой.Figure 1 presents a section of the design of the sensor absolute, gauge or differential pressure. Figure 2 presents a top view with the cover removed.

На фиг.1: 1 - полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» с тензорезисторами, 2 - керамическая чашка, 3 - полость, 4 - корпус, 5 - крышка, 6 - эластичная гофрированная мембрана, 9 - паяное соединение, 11 - отверстия для измерения избыточного и разности давлений, 12 - надмембранная полость, 13 - подмембранная полость, 14 - эластичный компаунд.In Fig.1: 1 - semiconductor sensor based on the structure of "silicon on sapphire" with strain gauges, 2 - ceramic cup, 3 - cavity, 4 - body, 5 - cover, 6 - elastic corrugated membrane, 9 - soldered connection, 11 - openings for measuring the excess and the pressure difference, 12 - the supramembrane cavity, 13 - the submembrane cavity, 14 - the elastic compound.

На фиг.2: 7 - токоведущие дорожки, 8 - контактные площадки, 10 - выходные контакты для внешней электрической коммутации.In figure 2: 7 - current-carrying tracks, 8 - contact pads, 10 - output contacts for external electrical switching.

Полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» 1, выполненный по планарной технологии и технике анизотропного травления, жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой 2 с образованием полости 3. Полупроводниковый чувствительный элемент установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7. На металлизированной поверхности эластичной мембраны 6 химическим методом сформированы контактные площади 8, электрически контактирующие с контактными площадками полупроводникового чувствительного элемента через паяное соединение 9, токоведущие дорожки 7, выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. Для измерения избыточного и разности давлений в чашке 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1 эластичным компаундом 14, например СИЭЛ.A semiconductor sensitive element based on a silicon on sapphire structure 1, made according to planar technology and anisotropic etching technique, is rigidly connected by a high-temperature glass solder to a ceramic cup 2 with the formation of a cavity 3. The semiconductor sensitive element is mounted by surface mounting on a hermetically sealed between the case 4 and the lid 5 elastic corrugated membrane 6 containing current paths 7. On the metallized surface of the elastic membrane 6 by chemical method ohms formed contact area 8, electrically in contact with the contact pads of the semiconductor sensing element through a soldered connection 9, current-carrying tracks 7, output contacts 10 for external electrical switching. To measure the excess and the pressure difference in the cup 2 and the cover 5, holes 11 with a diameter D are made for transferring reference or atmospheric pressure to the other side of the semiconductor sensing element based on the "silicon on sapphire" 1 structure, while the supmembrane 12 and submembrane 13 cavities are sealed from each other each other around the perimeter of a semiconductor sensitive element based on the structure of "silicon on sapphire" 1 elastic compound 14, for example SIEL.

Работа датчика основана на использовании тензорезистивного эффекта. Измеряемое давление изгибает упругий чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире» 1, который жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой 2 с образованием полости 3 и установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом 4 и крышкой 5 эластичную гофрированную мембрану 6, содержащую токоведущие дорожки 7, что приводит к деформации расположенных на нем тензорезисторов, включенных в мостовую схему, на выходе которой формируется электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенному измеряемому давлению. Этот электрический сигнал передается через паяные соединения 9, контактные площадки 8 и токоведущие дорожки 7 на выходные контакты 10 для внешней электрической коммутации. Для измерения избыточного и разности давлений в чашке 2 и крышке 5 выполнены отверстия 11 диаметром D для передачи опорного или атмосферного давления на другую сторону полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1, при этом надмембранная 12 и подмембранная 13 полости загерметизированы друг от друга по периметру полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» 1 эластичным компаундом 14, например СИЭЛ.The operation of the sensor is based on the use of a strain-resisting effect. The measured pressure bends an elastic sensitive element based on a silicon on sapphire structure 1, which is rigidly connected by a high-temperature glass solder to a ceramic cup 2 with the formation of a cavity 3 and mounted by surface mounting onto an elastic corrugated membrane 6 containing live conductors sealed between the body 4 and the cover 5 track 7, which leads to deformation of the strain gages located on it, included in the bridge circuit, at the output of which an electrical signal is generated, directly proportional ionic applied measured pressure. This electrical signal is transmitted through solder joints 9, pads 8 and current paths 7 to the output contacts 10 for external electrical switching. To measure the excess and the pressure difference in the cup 2 and the cover 5, holes 11 with a diameter D are made for transferring reference or atmospheric pressure to the other side of the semiconductor sensing element based on the "silicon on sapphire" 1 structure, while the supmembrane 12 and submembrane 13 cavities are sealed from each other each other around the perimeter of a semiconductor sensitive element based on the structure of "silicon on sapphire" 1 elastic compound 14, for example SIEL.

Применение полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры «кремний на сапфире» позволяет избежать явления гистерезиса и усталостных явлений, так как в интегральных схемах на основе структуры «кремний на сапфире» отсутствует p-n-переход, в качестве упругого элемента используется сапфир, который прочнее и жестче кремния, это позволяет работать с большим уровнем деформаций, чем в других интегральных полупроводниковых чувствительных элементах; сапфир химически и радиационно стоек, поэтому интегральные схемы на основе структуры «кремний на сапфире» могут работать в условиях высокой радиации. Использование алюмосиликатной керамики в качестве керамической чашки позволяет исключить влияние монтажных и термомеханических напряжений на полупроводниковый чувствительный элемент, а также уменьшить температурную зависимость начального выходного сигнала благодаря близости температурных коэффициентов расширения алюмосиликатной керамики и лейкосапфира в кристаллографической плоскости (0112).The use of a semiconductor sensitive element based on the silicon on sapphire structure allows one to avoid hysteresis and fatigue phenomena, since there is no pn junction in integrated circuits based on the silicon on sapphire structure; sapphire is used as an elastic element, which is stronger and harder than silicon , this allows you to work with a higher level of deformation than in other integrated semiconductor sensitive elements; sapphire is chemically and radiation resistant; therefore, integrated circuits based on the "silicon on sapphire" structure can work in conditions of high radiation. The use of aluminosilicate ceramics as a ceramic cup eliminates the influence of mounting and thermomechanical stresses on the semiconductor sensitive element, as well as reduces the temperature dependence of the initial output signal due to the proximity of the temperature expansion coefficients of aluminosilicate ceramics and leucosapphire in the crystallographic plane (0112).

Claims

A pressure sensor comprising a housing, an elastic suspension, hermetically sealed between the housing and the cover, made in the form of a corrugated membrane, on the surface of which metallized current-carrying tracks, contact pads and output contacts are formed, a cover sealed to the housing, a semiconductor elastic sensitive element with strain gages and contact pads, rigidly connected to a ceramic cup with the formation of a cavity between them, and characterized in that the semiconductor elastic The solid element is made on the basis of the “silicon on sapphire” structure, while the elastic sensitive element is rigidly connected by a high-temperature glass solder to a ceramic cup, the coefficient of thermal expansion of which is consistent with the coefficient of thermal expansion of sapphire, the semiconductor sensitive element is rigidly fixed along the contour on the membrane, its contact pads are connected soldering with membrane pads.