RU2558675C1 - Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element - Google Patents
Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2558675C1 RU2558675C1 RU2014124610/28A RU2014124610A RU2558675C1 RU 2558675 C1 RU2558675 C1 RU 2558675C1 RU 2014124610/28 A RU2014124610/28 A RU 2014124610/28A RU 2014124610 A RU2014124610 A RU 2014124610A RU 2558675 C1 RU2558675 C1 RU 2558675C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- semiconductor
- strain gauges
- sensitive element
- crystal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Pressure Sensors (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в системах измерения, контроля и управления.The present invention relates to measuring technique and can be used to measure pressure in measurement systems, control and management.
Известны полупроводниковые датчики давления с тензорезисторами, сформированными в полупроводниковом чувствительном элементе. Тензорезисторы объединены в мостовую измерительную цепь [1, 2].Semiconductor pressure sensors with strain gauges formed in a semiconductor sensor are known. Strain gages are combined in a bridge measuring circuit [1, 2].
Известна конструкция чувствительного элемента датчика давления мембранного типа [3], представляющая собой монокристаллический кремниевый кристалл n-типа проводимости, планарная сторона которого ориентирована по кристаллографической плоскости (100) с углублением на тыльной стороне кристалла, образующим квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформированы четыре однополосковых тензорезистора p-типа проводимости таким образом, что их продольные оси параллельны одной из главных осей мембраны, совпадающей с кристаллографическим направлением [110].A known design of the sensor element of the membrane type pressure sensor [3], which is a n-type single crystal silicon crystal, the planar side of which is oriented along the crystallographic plane (100) with a recess on the back of the crystal, forming a square membrane in plan. Four p-type conductivity strain gauges are formed on the planar side of the membrane so that their longitudinal axes are parallel to one of the main axes of the membrane, which coincides with the crystallographic direction [110].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, выбранного в качестве прототипа [4]. Такой датчик содержит корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу. Полупроводниковый чувствительный элемент выполнен в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием. На плоской поверхности профилированного кристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь. Внутри чувствительного элемента между кристаллом и стеклянным основанием находится вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений.The closest in technical essence to the proposed solution is the design of a semiconductor absolute pressure sensor selected as a prototype [4]. Such a sensor comprises a housing with a fitting, a metal membrane transmitting the effect of pressure through an incompressible liquid to a semiconductor sensitive element. The semiconductor sensitive element is made in the form of a profiled silicon single crystal of the (100) plane with a square membrane connected electrostatically in a vacuum to a glass base. Strain gages are formed on the flat surface of the shaped crystal, combined into a bridge measuring circuit. Inside the sensing element, between the crystal and the glass base, there is a vacuum cavity, which provides absolute pressure measurements.
Общим недостатком конструкций чувствительных элементов датчиков давления, описанных в [1-4], является недостаточно высокая чувствительность, обусловленная тем, что расположенные на границе мембраны тензорезисторы испытывают деформации, которые не являются максимально возможными для профилированных кристаллов с квадратной мембраной. Как было установлено, максимальные относительные деформации находятся на относительном расстоянии
Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности за счет оптимального расположения тензорезисторов в зонах максимальных относительных деформаций. Кроме того, задачей предлагаемого изобретения является повышение точности за счет повышения чувствительности.The task of the invention is to increase sensitivity due to the optimal location of the strain gauges in the zones of maximum relative deformations. In addition, the objective of the invention is to increase accuracy by increasing sensitivity.
Техническим результатом изобретения является увеличение чувствительности за счет расположения тензорезисторов в зонах максимальных относительных деформаций. При этом с повышением чувствительности повышается и точность. Кроме того, техническим результатом является повышение технологичности изготовления датчика, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов, обеспечивающее максимальную чувствительность проектируемых датчиков, при различных отношениях размера мембраны к ее толщине aм/hм.The technical result of the invention is to increase the sensitivity due to the location of the strain gauges in the zones of maximum relative deformations. At the same time, with increasing sensitivity, accuracy also increases. In addition, the technical result is to increase the manufacturability of the sensor, since it seems possible to determine in advance the optimal location of the strain gauges, providing the maximum sensitivity of the designed sensors, with different ratios of the membrane size to its thickness a m / h m .
Это достигается тем, что в датчике абсолютного давления повышенной чувствительности, содержащем корпус со штуцером, металлическую мембрану, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость полупроводниковому чувствительному элементу, выполненному в виде профилированного монокристалла кремния плоскости (100) с квадратной мембраной, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием, на плоской поверхности профилированного монокристалла сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь, в соответствии с предлагаемым решением центры тензорезисторов расположены на расстоянии l от взаимно перпендикулярных осей Ox и Oy, проведенных через центр мембраны, лежащих в ее плоскости и параллельных границам тонкой части мембраны с основанием полупроводникового чувствительного элемента, которое определено из соотношения:This is achieved by the fact that in the absolute pressure sensor of increased sensitivity containing a housing with a fitting, a metal membrane that transmits the pressure through an incompressible liquid to a semiconductor sensitive element made in the form of a profiled silicon single crystal of the (100) plane with a square membrane connected electrostatically in a vacuum with with a glass base, strain gauges are formed on a flat surface of a profiled single crystal, combined into a bridge Yelnia circuit in accordance with the decision centers of strain gauges arranged at a distance l from perpendicular axes Ox and Oy, effected through membrane center lying in its plane and parallel borders thin membrane portion to the base of the semiconductor sensor element, which is defined by the relation:
где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла; hм - толщина мембраны полупроводникового кристалла.where a m is the size of the semiconductor crystal membrane; h m - the thickness of the membrane of a semiconductor crystal.
На фиг. 1 показана конструкция предлагаемого датчика абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, герметизирующую контактную колодку 3, металлическую мембрану 4, несжимаемую жидкость 5, полупроводниковый чувствительный элемент 6. Несжимаемая жидкость заливается через трубку 7, расположенную в контактной колодке 3.In FIG. 1 shows the design of the proposed absolute pressure sensor of increased sensitivity based on a semiconductor sensing element. The sensor comprises a housing 1 with a fitting 2, a sealing contact block 3, a metal membrane 4, an incompressible liquid 5, a semiconductor sensing element 6. An incompressible liquid is poured through a tube 7 located in the contact block 3.
На фиг. 2 отдельно показан полупроводниковый чувствительный элемент датчика. Он состоит из профилированного монокристалла кремния 8 плоскости (100) толщиной Нкр с квадратной мембраной размером ам и толщиной hм, соединенного электростатическим способом в вакууме со стеклянным основанием 9 (фиг. 2, б). На плоской поверхности профилированного кристалла 8 сформированы тензорезисторы R10-R13, объединенные в мостовую измерительную цепь. Тензорезисторы, нормальные к оси Ox, занимают такую же площадь, что тензорезисторы, нормальные к оси Oy, а длина тензоэлементов тензорезисторов, нормальных к оси Oy, равна ширине тензорезисторов, нормальных к оси Ox.In FIG. 2, a semiconductor sensor element of the sensor is shown separately. It consists of a profiled silicon single crystal of plane 8 (100) with a thickness of N cr with a square membrane of size a m and thickness h m , connected electrostatically in a vacuum to a glass base 9 (Fig. 2, b). On the flat surface of the profiled
Центры тензорезисторов R10-R13 находятся на расстоянии l от центра мембраны, определенном из соотношения (1). Это соотношение было получено исходя из условия:The centers of the R10-R13 strain gages are located at a distance l from the center of the membrane, determined from relation (1). This ratio was obtained on the basis of the condition:
где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла (
Соотношение для относительного расстояния
К примеру, для ам=2,4 мм, толщина мембраны обычно лежит в пределах hм=20…480 мкм.For example, for a m = 2.4 mm, the thickness of the membrane usually lies in the range of h m = 20 ... 480 microns.
При фиксированных значениях размера стороны мембраны ам изменялась толщина мембраны hм с учетом (3). Так, в случае ам=2,4 мм толщина мембраны изменялась в диапазоне значений 20…480 мкм (обычно используемых на практике).For fixed values of the membrane side size a m, the membrane thickness h m changed taking into account (3). So, in the case a m = 2.4 mm, the membrane thickness varied in the range of 20 ... 480 μm (commonly used in practice).
В процессе моделирования определялись значения расстояния, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций. Полученные данные аппроксимировались в диапазоне значений, удовлетворяющих условию (3) полиномом. В результате была определена зависимость
Установленная зависимость относительного расстояния, соответствующего местоположению максимальных относительных деформаций,
На фиг. 3 представлена зависимость относительного расстояния
Рассмотрим пример.Consider an example.
Возьмем размер мембраны полупроводникового кристалла ам=3 мм, толщину мембраны полупроводникового кристалла hм=40 мкм.Take the size of the semiconductor crystal membrane a m = 3 mm, the thickness of the semiconductor crystal membrane h m = 40 microns.
В соответствии с выражением (1), определим расстояние l, соответствующее расположению центров тензорезисторов в областях максимальной относительной деформации:In accordance with expression (1), we determine the distance l corresponding to the location of the centers of the strain gauges in the areas of maximum relative strain:
При этом относительное расстояние
При размере мембраны ам=3 мм и толщине мембраны hм=300 мкм расстояние l, соответствующее расположению центров тензорезисторов в областях максимальной относительной деформации:When the membrane size a m = 3 mm and the membrane thickness h m = 300 μm, the distance l corresponding to the location of the centers of the strain gauges in the areas of maximum relative deformation:
При этом относительное расстояние
Датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на металлическую мембрану 4, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость 5 полупроводниковому чувствительному элементу 6 (фиг. 1), состоящему из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме (фиг. 2а, б). В результате воздействия давления на плоской поверхности полупроводникового кристалла 8 возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 10-13, включенными в мостовую измерительную цепь. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением центров тензорезисторов 10-13 на расстоянии l от центра кристалла, определенном из соотношения (1), они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных деформаций. Благодаря такому размещению тензорезисторов повышена чувствительность датчика, за счет этого также повышена точность датчика по сравнению с прототипом.An absolute pressure sensor of increased sensitivity based on a semiconductor sensitive element operates as follows. The measured pressure acts on the metal membrane 4, which transmits the pressure through the incompressible liquid 5 to the semiconductor sensitive element 6 (Fig. 1), consisting of a profiled
Предлагаемый датчик абсолютного давления повышенной чувствительности на основе полупроводникового чувствительного элемента обладает повышенной технологичностью, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов при различных отношениях размера стороны мембраны к ее толщине aм/hм.The proposed absolute pressure sensor of increased sensitivity on the basis of a semiconductor sensitive element has a high adaptability, since it seems possible to pre-determine the optimal location of the strain gauges for various ratios of the size of the side of the membrane to its thickness a m / h m .
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается чувствительность датчика за счет расположения тензорезисторов в зонах максимальных относительных деформаций. Кроме того, повышается технологичность за счет возможности размещения тензорезисторов оптимальным образом при различных толщинах мембраны (в диапазоне от 20 до 480 мкм).Thus, due to the distinguishing features of the invention, the sensitivity of the sensor is increased due to the location of the strain gauges in the zones of maximum relative deformations. In addition, manufacturability is improved due to the possibility of placing strain gauges in an optimal way for various membrane thicknesses (in the range from 20 to 480 microns).
Источники информации, принятые во внимание при экспертизеSources of information taken into account during the examination
1. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 136 с.1. Vaganov V.I. Integrated strain gauges. - M .: Energoatomizdat, 1983. - 136 p.
2. Распопов В.Я. Микромеханические приборы / Тульский Государственный университет - Тула, 2002. - 392 с.2. Raspopov V.Ya. Micromechanical devices / Tula State University - Tula, 2002. - 392 p.
3. Беликов Л.В., Разумихин В.М. Чувствительный элемент мембранного типа // Пат. 93027803 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. Заявка 93027803/10 от 18.05.1993; опубл. 27.12.1995.3. Belikov L.V., Razumikhin V.M. The sensitive element of the membrane type // Pat. 93027803 Russian Federation,
4. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры. Компоненты и технологии №5. 2009. - С. 12-15.4. Barinov I.N. Semiconductor strain gauge pressure sensors based on KND structure. Components and technologies №5. 2009 .-- S. 12-15.
5. Алямовский A.A. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks / А.А. Алямовский. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 784 с.5. Alyamovsky A.A. COSMOSWorks. Fundamentals of structural strength analysis in SolidWorks / A.A. Alamovsky. - M.: DMK Press, 2011 .-- 784 p.
6. Алямовский А.А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation / А.А. Алямовский. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 464 с.6. Alyamovsky A.A. Engineering calculations in SolidWorks Simulation / A.A. Alamovsky. - M .: DMK Press, 2011 .-- 464 p.
Claims (1)
где ам - размер мембраны полупроводникового кристалла; hм - толщина мембраны полупроводникового кристалла. An absolute pressure sensor of increased sensitivity, comprising a housing with a fitting, a metal membrane that transmits pressure through an incompressible liquid to a semiconductor sensitive element made in the form of a profiled silicon single crystal of a plane (100) with a square membrane, electrostatically connected in vacuum with a glass base, on a flat surface profiled single crystal formed strain gauges, combined in a bridge measuring circuit, characterized it that the centers of strain gauges arranged at a distance l from perpendicular axes Ox and Oy, effected through membrane center lying in its plane and parallel borders thin membrane portion to the base of the semiconductor sensor element, which is defined by the relation:
where a m is the size of the semiconductor crystal membrane; h m - the thickness of the membrane of a semiconductor crystal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014124610/28A RU2558675C1 (en) | 2014-06-17 | 2014-06-17 | Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014124610/28A RU2558675C1 (en) | 2014-06-17 | 2014-06-17 | Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2558675C1 true RU2558675C1 (en) | 2015-08-10 |
Family
ID=53795977
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014124610/28A RU2558675C1 (en) | 2014-06-17 | 2014-06-17 | Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2558675C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007053859A1 (en) * | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Pressure-measuring device |
RU2430342C1 (en) * | 2010-08-10 | 2011-09-27 | Валерий Анатольевич Васильев | Semiconductor pressure gage with frequency output signal |
RU2451270C1 (en) * | 2011-04-05 | 2012-05-20 | Валерий Анатольевич Васильев | Semiconductor high-precision absolute pressure sensor |
RU2507490C1 (en) * | 2012-10-22 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre |
-
2014
- 2014-06-17 RU RU2014124610/28A patent/RU2558675C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007053859A1 (en) * | 2007-11-09 | 2009-05-14 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Pressure-measuring device |
RU2430342C1 (en) * | 2010-08-10 | 2011-09-27 | Валерий Анатольевич Васильев | Semiconductor pressure gage with frequency output signal |
RU2451270C1 (en) * | 2011-04-05 | 2012-05-20 | Валерий Анатольевич Васильев | Semiconductor high-precision absolute pressure sensor |
RU2507490C1 (en) * | 2012-10-22 | 2014-02-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10996121B2 (en) | Axial force pressure transducer | |
CN104792435A (en) | Method for reconstructing nonuniform temperature field inside structure and based on transient-state thermal boundary inversion | |
KR20170120040A (en) | Method of manufacturing a pressure sensor | |
US20190064014A1 (en) | Interface ultrasonic reflectivity-pressure relation curve establishment method and loading testbed | |
US9689757B2 (en) | Strain transmitter | |
MX2023001800A (en) | Ultrasonic implant and system for measurement of intraocular pressure. | |
CN105806197A (en) | Wall plate part bending and warping deformation measurement device and method | |
US7589824B2 (en) | Surface curvature measurement tool | |
CN106526233A (en) | Acceleration sensor | |
CN105698664A (en) | Detecting device and detecting method suitable for strain of concrete | |
Yuliza et al. | Characterization of a water level measurement system developed using a commercial submersible pressure transducer | |
RU2362236C1 (en) | Matrix of ic pressure transducers | |
RU2558675C1 (en) | Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element | |
Suja et al. | Investigation on better sensitive silicon based MEMS pressure sensor for high pressure measurement | |
RU2507490C1 (en) | Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre | |
RU2451270C1 (en) | Semiconductor high-precision absolute pressure sensor | |
CN104299483A (en) | Bridge type Young modulus combined instrument | |
CN102980696B (en) | Contact type resistance pressure sensor in micromechanical system and measuring method thereof | |
Nakashima et al. | A 0.1 µM-Resoution Silicon Tactile Sensor with Precisely Designed Piezoresitve Sensing Structure | |
US20230012518A1 (en) | Pressure Sensing Device | |
RU2559299C2 (en) | Differential pressure transducer | |
Kalaiyazhagan et al. | MEMS Sensor-Based Cantilever for Intracranial Pressure Measurement | |
RU132539U1 (en) | BRIDGE PRESSURE TENSOR CONVERTER TYPE | |
RU2469436C1 (en) | Integrated pressure transducer with three solid centres | |
RU2382369C1 (en) | Strain accelerometre |