RU2564378C1 - Pressure sensor with normalised or digital output - Google Patents

Pressure sensor with normalised or digital output Download PDF

Info

Publication number
RU2564378C1
RU2564378C1 RU2014120645/28A RU2014120645A RU2564378C1 RU 2564378 C1 RU2564378 C1 RU 2564378C1 RU 2014120645/28 A RU2014120645/28 A RU 2014120645/28A RU 2014120645 A RU2014120645 A RU 2014120645A RU 2564378 C1 RU2564378 C1 RU 2564378C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pressure
pressure sensor
housing
protective cover
cover
Prior art date
Application number
RU2014120645/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Сергеевич Суханов
Дмитрий Валентинович Гусев
Наталья Леонтьевна Данилова
Владимир Валентинович Панков
Роман Сергеевич Литвиненко
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Миэт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Миэт" filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Миэт"
Priority to RU2014120645/28A priority Critical patent/RU2564378C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2564378C1 publication Critical patent/RU2564378C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: pressure sensor with normalised or digital output comprises a body with a pressure cell installed in it having IC chip of pressure transducer (PT) and contact pads, IC chip of PT signal converter, protective cover for the pressure cell and IC, output contacts, electric connectors for the pressure transducer, IC and output contacts and a channel in the body intended to supply pressure to the medium. The pressure cell is completed with contact pads, and this type of PT design simplifies and allows automation of the connection process of PT, IC and output contacts with electric conductors. The cover is made of silica and in-built as per IC manufacturing technology, i.e. it is placed inside the body cavity at IC chip and its connection with IC chip is also made of low-temperature glass soldering thus allowing, as known, reduction of thermal stress at IC chip during operation.
EFFECT: placement of IC chip at in-built protective cover of IC chip and their connection with sealing glue improves operating conditions and simplifies assembly technology.
7 cl, 3 dwg

Description

Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом предназначен для получения электрического сигнала, совместимого с требованиями входного интерфейса ЭВМ, и может использоваться в любой отрасли народного хозяйства. Преимущественно датчик давления с нормализованным или цифровым выходом предназначен для измерения абсолютного давления.A pressure sensor with a normalized or digital output is designed to receive an electrical signal compatible with the requirements of the computer input interface and can be used in any sector of the national economy. Advantageously, a pressure sensor with a normalized or digital output is designed to measure absolute pressure.

Из анализа современного уровня техники измерения давления известно следующее.From the analysis of the current level of technology for measuring pressure, the following is known.

В настоящее время на мировом рынке широко предлагаются цифровые датчики давления (микросистемы), обеспечивающие получение выходного сигнала заданного значения в необходимом потребителю диапазоне температур и давлений.At present, digital pressure sensors (microsystems) are widely offered on the world market, which provide an output signal of a given value in a temperature and pressure range that a consumer needs.

Различают два основных типа микросистем для цифровых датчиков:There are two main types of microsystems for digital sensors:

- гибридные, состоящие из МЭМС-структуры и отдельной микросхемы, которые размещены на общей кремниевой, стеклянной или кварцевой подложке;- hybrid, consisting of a MEMS structure and a separate microcircuit, which are placed on a common silicon, glass or quartz substrate;

- монолитные, представляющие собой стандартную КМОП-микросхему и МЭМС-структуру, выполненные на одном с ней кристалле.- monolithic, representing a standard CMOS chip and MEMS structure, made on the same crystal with it.

Монолитные структуры позволяют улучшить характеристики микросистем, снизить издержки производства, корпусирования и тестирования, так как этапы формирования МЭМС-структуры и микросхемы объединены, однако такой подход достаточно сложен. Если первоначально изготавливать МЭМС-структуру, нарушается необходимая для формирования КМОП-элементов плоскостность подложки, кроме того, изготовленная КМОП-схема не может выдерживать высокотемпературные операции, требуемые для создания МЭМС-структуры.Monolithic structures can improve the characteristics of microsystems, reduce production costs, packaging and testing, since the stages of the formation of MEMS structures and microcircuits are combined, but this approach is quite complicated. If you initially produce a MEMS structure, the flatness of the substrate necessary for the formation of CMOS elements is violated, in addition, the manufactured CMOS scheme cannot withstand the high-temperature operations required to create a MEMS structure.

Известен датчик давления с нормализованным или цифровым выходом, содержащий герметичный корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД), кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя первичного сигнала, защитную крышку ЧЭД и ИС, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и, по меньшей мере, один канал в корпусе для подвода давления среды (см., например, патент США №8286496, заявитель Nagano Keiki Со, опубл, 16.10.12). Основным недостатком известной конструкции является сложная технология производства ИС на гибкой плате, соединения с ней тензодатчиков ИПД, расположенных на мембране. Это усложняет технологию производства, сборки и юстировку выходного сигнала по номиналу давления при изменении температуры.A known pressure sensor with a normalized or digital output, comprising a sealed enclosure with a pressure sensitive element (CHED) installed in it with a pressure transducer integrated circuit chip (ICI), a primary signal transducer integrated circuit chip (IC), a protective cover for a pressure transducer and IC, output contacts , means of electrical connections for EDI, ICs and output contacts, and at least one channel in the housing for supplying medium pressure (see, for example, US Patent No. 8286496, Applicant Nagano Keiki Co., publ., 10.16.12). The main disadvantage of the known design is the complex technology for the production of ICs on a flexible board, the connection with it of strain gauges IPD located on the membrane. This complicates the technology of production, assembly and alignment of the output signal to the pressure rating when the temperature changes.

Известен датчик давления с нормализованным выходом, содержащий герметичный корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД), защитную крышку ЧЭД, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и, по меньшей мере, один канал в корпусе для подвода давления среды (см., патент РФ №2362133, заявитель ГУ НПК «Технологический центр» Московского института электронной техники, опубл. 20.07.2009). Высокая стабильность параметров и чувствительность тензодатчиков ИПД не гарантирует достаточную идентичность выходного сигнала при изменении температуры и требует для каждого датчика давления при его замене или ремонте основного измерительного комплекса вводить юстировочные данные каждого конкретного ИПД в АЦП комплекса, в том числе и при изменении диапазона рабочих температур.A known pressure sensor with a normalized output, comprising a sealed housing with a pressure sensitive element (CHED) installed in it with a pressure transducer integrated circuit chip, a protective cover for the CHED, output contacts, means of electrical connections for the CHED, IC and output contacts, and at least at least one channel in the housing for supplying medium pressure (see, RF patent No. 2362133, applicant, State Research and Production Enterprise Technological Center, Moscow Institute of Electronic Technology, publ. July 20, 2009). The high stability of the parameters and the sensitivity of the IPD strain gauges do not guarantee a sufficient identity of the output signal when the temperature changes and requires for each pressure sensor when changing or repairing the main measuring complex to enter the adjustment data of each specific IPD into the ADC complex, including when changing the operating temperature range.

Известен датчик давления с нормализованным или цифровым выходом, содержащий герметичный корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегрального преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и, по меньшей мере, один канал в корпусе для подвода давления среды (см. патент США №7954384, заявитель Silicon Micro Sensors Gmbh, опубл. 07.06.2011). Различия в технологии производства ИПД и ИС, а также в расположении мест их установки и способов крепления усложняют технологию производства, сборки датчика давления и повышает его стоимость. Эта известная конструкция датчика давления имеет наибольшее число существенных признаков, совпадающих с признаками предложенной конструкции, решает аналогичную техническую задачу при помощи аналогичных технических средств, по этой причине заявитель выбирает указанный патент США в качестве наиболее близкого аналога изобретения (прототипа).A known pressure sensor with a normalized or digital output, containing a sealed enclosure with a pressure sensor (CHED) installed in it with an integrated pressure transducer crystal (IPD) and contact pads, an integrated circuit chip (IC) of an IPD signal converter, a protective cover, output contacts, electrical connections for the EDR, IC and output contacts, and at least one channel in the housing for supplying medium pressure (see US patent No. 7954384, applicant Silicon Micro Sensors Gmbh, publ. 07.06.2011). Differences in the production technology of IPD and IP, as well as in the location of their installation sites and mounting methods complicate the production technology, assembly of the pressure sensor and increase its cost. This known design of the pressure sensor has the largest number of essential features that match the features of the proposed design, solves a similar technical problem using similar technical means, for this reason, the applicant selects the specified US patent as the closest analogue of the invention (prototype).

Технической задачей предложения является упрощение гибкого производства датчика давления с нормализованным или цифровым выходом и снижение стоимости его производства на заданный диапазон давлений и юстировки при высокой стабильности величины и других параметров выходного сигнала путем использования единой микроэлектронной технологии в широком диапазоне номинальных значений измеряемого давления от 0,02 до 0,6 МПа, а также повышение его надежности, работоспособности и стабильности.The technical objective of the proposal is to simplify the flexible production of a pressure sensor with a normalized or digital output and reduce the cost of its production for a given pressure range and adjustment with high stability of the value and other parameters of the output signal by using a single microelectronic technology in a wide range of nominal values of the measured pressure from 0.02 up to 0.6 MPa, as well as increasing its reliability, performance and stability.

Техническая задача решается тем, что датчик давления с нормализованным или цифровым выходом содержит корпус и установленные в нем чувствительный элемент давления (ЧЭД) с кристаллом интегрального преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и, по меньшей мере, один канал, выполненный в корпусе, для подвода давления среды. ЧЭД снабжен контактными площадками на защитной крышке, такое выполнение ЧЭД упрощает и позволяет автоматизировать процесс соединения электрическими проводниками ИПД, ИС и выходных контактов. Крышка выполнена из кремния по технологии производства ИС встроенной, т.е. размещена внутри полости корпуса на кристалле ИПД, а соединение ее с кристаллом ИПД также выполнено низкотемпературной пайкой стеклом, что, как известно, позволяет в кристалле ИПД уменьшить при работе термические напряжения.The technical problem is solved in that the pressure sensor with a normalized or digital output contains a housing and a pressure sensing element (CHED) installed in it with an integrated pressure transducer crystal (IPD) and contact pads, an integrated circuit chip (IC) of an IPD signal converter, a protective cover, output contacts, means of electrical connections of EDR, IC and output contacts and at least one channel made in the housing for supplying pressure of the medium. The ChED is equipped with pads on the protective cover, such a ChED design simplifies and allows you to automate the process of connecting electrical conductors to IPD, ICs and output contacts. The cover is made of silicon according to the integrated IC manufacturing technology, i.e. It is placed inside the cavity of the housing on the SPD crystal, and its connection with the SPD crystal is also made by low-temperature glass soldering, which, as is known, allows thermal stresses to be reduced in the SPD crystal during operation.

Размещение кристалла ИС на встроенной защитной крышке ИПД и их соединение клеем-герметиком упрощает технологию сборки, т.к. ЧЭД соединяется с корпусом таким же образом и такими же средствами, а также снижает возникновение и влияние не компенсированных термических напряжений, так как кристалл ИПД, защитная крышка и кристалл ИС выполнены из одного и того же материала, например кремния, и имеют одинаковые термомеханические характеристики.Placing the IC chip on the built-in IPD protective cover and connecting them with glue-sealant simplifies the assembly technology, because The EDR is connected to the housing in the same way and by the same means, and also reduces the occurrence and influence of unbalanced thermal stresses, since the IPD crystal, protective cover, and IC crystal are made of the same material, for example silicon, and have the same thermomechanical characteristics.

Все механические соединения ЧЭД и встроенной защитной крышки ИПД выполнены низкотемпературной пайкой стеклом в вакууме. Выполнение по контурам механических соединений ЧЭД защитных канавок предотвращает наиболее простыми средствами проникновение избытка низкоплавкого стекла на поверхность ИПД и контактных площадок тензорезисторов, что позволяет без дополнительных операций по подготовке поверхностей выполнить соединения методами микроэлектронных технологий, например «разварить», т.е. соединить сваркой на роботизированном комплексе электрические соединения ИПД, ИС и контактных площадок выходных контактов на корпусе.All mechanical connections of the EDR and the integrated protective cover of the IPD are made by low-temperature glass soldering in vacuum. Performing protective grooves along the contours of mechanical connections of the EDR prevents the penetration of excess low-melting glass onto the surface of the IPD and contact pads of strain gauges by the simplest means, which allows the joints to be made using microelectronic technologies without additional operations to prepare the surfaces, for example, “weld”, i.e. connect by welding on a robotic complex the electrical connections of the IPD, IC and contact pads of the output contacts on the housing.

Датчик давления, в котором контактные площадки ЧЭД выполнены на встроенной защитной крышке за пределами соединения ИС и крышки, позволяет упростить технологию «разварки», т.е. соединения сваркой, электрическими проводниками ИС, которая имеет большое число малоразмерных контактных площадок, ИПД и выходных контактов.The pressure sensor, in which the contact points of the CHED are made on the built-in protective cover outside the connection between the IC and the cover, allows to simplify the “unwrapping” technology, i.e. connections by welding, electric conductors of IC, which has a large number of small contact pads, IPD and output contacts.

Датчик давления, в котором полость под встроенной защитной крышкой выполнена вакуумированой, дает возможность наиболее эффективно и простыми средствами изготовить датчик абсолютного давления и позволить долго, надежно, стабильно и эффективно работать датчику в измерительном или управляющем комплексе.The pressure sensor, in which the cavity under the built-in protective cover is evacuated, makes it possible to manufacture the absolute pressure sensor with the most efficient and simple means and allow the sensor to work for a long time, reliably, stably and effectively in the measuring or control complex.

Датчик давления, в котором полость под встроенной защитной крышкой сообщена дополнительным каналом, выполненным в корпусе со вторым источником давления среды, позволяет расширить линейку типоразмеров датчиков и выполнить на том же технологическом оборудовании датчики для измерения избыточного давления и перепада давления.The pressure sensor, in which the cavity under the built-in protective cover is communicated by an additional channel made in the housing with the second medium pressure source, allows expanding the range of standard sizes of sensors and performing sensors for measuring overpressure and differential pressure on the same technological equipment.

Датчик давления, в котором в полости корпуса и крышки имеется газовая защитная среда, преимущественно используется для антикоррозионной защиты внутренней поверхности датчика для измерения абсолютного давления.The pressure sensor, in which there is a gas protective medium in the cavity of the housing and the cover, is mainly used for anticorrosive protection of the internal surface of the sensor for measuring absolute pressure.

Датчик давления, в котором внутри полости корпуса и крышки имеется антикоррозионная защита, которая предотвращает попадание на элементы датчика агрессивной среды. Такое выполнение датчика кроме указанных технических результатов позволяет повысить надежность и долговечность работы ЧЭД в варианте выполнения датчика и использовать его для измерения избыточного давления или перепада давлений (т.е. дифференциальный датчик давления).A pressure sensor in which there is anticorrosion protection inside the cavity of the housing and the cover, which prevents aggressive media from entering the sensor elements. Such a sensor embodiment, in addition to the indicated technical results, can improve the reliability and durability of the operation of the EDR in the sensor embodiment and use it to measure excessive pressure or differential pressure (i.e., differential pressure sensor).

Датчик давления, в котором полость корпуса по меньшей мере частично заполнена защитным антикоррозионным гелем для антикоррозионной защиты внутренней поверхности датчика, может использоваться для измерения избыточного давления или перепада давлений.A pressure sensor in which the housing cavity is at least partially filled with a protective anticorrosion gel for anticorrosive protection of the inner surface of the sensor can be used to measure overpressure or differential pressure.

Датчик давления, в котором антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса и крышки, например, путем нанесения такого покрытия, как «Разакор», также может использоваться для измерения избыточного давления или перепада давлений агрессивной среды.A pressure sensor in which the corrosion protection is made in the form of a corrosion-resistant silicone protective coating on the surface of the body cavity and the cover, for example, by applying a coating such as Razacor, can also be used to measure overpressure or pressure drop of an aggressive environment.

Расположение ИС на встроенной защитной крышке ИПД позволяет компактно разместить ИС в корпусе, не меняя его размеры и конфигурацию, а также термически изолировать ИС путем уменьшения теплового потока от ИПД и рабочей среды через вакуумированную полость под крышкой и уменьшить влияние быстрых изменений температуры и высокочастотных механических колебаний, передаваемых от потока рабочей среды. При этом вид получаемого сигнала на выходных контактах датчика определяется только видом и топологией интегральной микросхемы преобразователя первичного сигнала. Крепление ИС производится при низкой температуре клеем-герметиком или другим аналогичным веществом на защитной крышке, изготовленной из такого же материала, как и сама ИС, что не вызывает дополнительных напряжений как при изготовлении и сборке датчика, так и при его эксплуатации в широком диапазоне температур и измеряемых давлений. По этой причине, во-первых, крышка защищает от перегрева ИС, а во-вторых, одинаковые коэффициенты термического расширения крышки и ИС не создают между ними дополнительных термомеханических напряжений при эксплуатации, а относительно эластичный клей-герметик может частично компенсировать небольшие механические несоответствия изменения размеров крышки и ИС, полученные при сборке и эксплуатации.The location of the IC on the built-in IPD protective cover allows you to compactly place the IC in the housing without changing its size and configuration, as well as thermally isolate the IC by reducing the heat flux from the IPD and the working medium through the evacuated cavity under the cover and reduce the influence of rapid temperature changes and high-frequency mechanical vibrations transferred from the workflow stream. In this case, the type of the received signal at the output contacts of the sensor is determined only by the type and topology of the integrated circuit of the primary signal converter. The IC is mounted at low temperature with adhesive-sealant or other similar substance on the protective cover made of the same material as the IC itself, which does not cause additional stresses both in the manufacture and assembly of the sensor, and during its operation in a wide temperature range and measured pressure. For this reason, firstly, the cover protects the IC from overheating, and secondly, the same thermal expansion coefficients of the cover and the IC do not create additional thermomechanical stresses between them during operation, and the relatively flexible adhesive sealant can partially compensate for small mechanical inconsistencies in dimensional changes covers and ICs obtained during assembly and operation.

Предложение поясняется следующими чертежами.The proposal is illustrated by the following drawings.

На Фиг. 1 показан продольный разрез датчика давления с ЧЭД и ИС, в котором показан датчик с контактными площадками.In FIG. 1 shows a longitudinal section through a pressure transducer with an EDR and an IC, in which a transducer with contact pads is shown.

На Фиг. 2 показан продольный разрез ЧЭД в увеличенном масштабе.In FIG. 2 shows a longitudinal section of the EDR on an enlarged scale.

На Фиг. 3 показан вид сверху на ЧЭД Фиг. 2 в датчике давления.In FIG. 3 shows a top view of the CHED of FIG. 2 in the pressure sensor.

В предложенной конструкции в качестве примера описывается чувствительный элемент абсолютного давления (ЧЭД) в виде интегрального преобразователя давления с тремя жесткими центрами, топология которого может быть оптимизирована в зависимости от значения номинального или диапазона изменения измеряемого давления.The proposed design describes, as an example, a sensing element of absolute pressure (CHED) in the form of an integral pressure transducer with three rigid centers, the topology of which can be optimized depending on the nominal value or the range of variation of the measured pressure.

Пример выполнения датчика абсолютного давления, показанный на Фиг. 1 с нормализованным или цифровым выходом, содержит герметичный корпус 1 с установленными в нем чувствительным элементом 2 давления (ЧЭД) с кристаллом 3 интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД), кристалл 4 интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, встроенную защитную крышку 5 ЧЭД, контактные площадки 6, расположенные на ИПД за пределами соединения встроенной защитной крышки с ИПД, средства 7 электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов 8 на корпусе 1, например, в виде проводников из тонкой алюминиевой проволоки и, по меньшей мере, один канал 9 в корпусе 1 для подвода измеряемого давления среды. ЧЭД 2 может быть соединен с контактными площадками 10 выходных контактов 8 корпуса 1. Защитная крышка 5 выполнена встроенной, т.е. расположенной внутри корпуса 1, и изготовлена из кремния или другого полупроводникового материала такого же, как и кристаллы ИС 4 и ИПД 3 по технологии производства интегральных микросхем, и размещена на кристалле 3 ИПД. Кристалл 4 ИС размещен на встроенной защитной крышке 5 ИПД ЧЭД. Все механические соединения ЧЭД 2 и встроенной защитной крышки 5 ИПД выполнены низкотемпературной пайкой стеклом в вакууме. ИС, ЧЭД и корпус 1 соединены клеем-герметиком, например, типа «Эласил», нанесенным на места соединения основания 11 корпуса, ЧЭД 2 и ИС 4. Крышка 12 корпуса 1 соединена герметически с основанием 11 корпуса 1, например пайкой металлическим припоем в вакууме.An example of the absolute pressure sensor shown in FIG. 1 with a normalized or digital output, it contains a sealed enclosure 1 with a pressure sensitive element 2 (EDR) installed in it with a crystal 3 of an integrated circuit of a pressure transducer (IPD), a crystal 4 of an integrated circuit (IC) of an IPD signal transducer, an integrated protective cover 5 of an EDC, contact pads 6 located on the IPD outside the connection of the built-in protective cover with the IPD, means 7 for electrical connections of the EDR, IC and output contacts 8 on the housing 1, for example, in the form of conductors made of thin aluminum wire locks, at least one channel 9 in the housing 1 for supplying the measured fluid pressure. CHED 2 can be connected to the pads 10 of the output contacts 8 of the housing 1. The protective cover 5 is built-in, i.e. located inside the housing 1, and made of silicon or other semiconductor material is the same as the crystals of IP 4 and IPD 3 according to the technology for the production of integrated circuits, and is placed on the crystal 3 IPD. Crystal 4 IP is placed on the built-in protective cover 5 IPD ChED. All mechanical connections of the CHED 2 and the built-in protective cover 5 of the IPD are made by low-temperature glass soldering in vacuum. IS, CHED and case 1 are connected by glue-sealant, for example, of the Elasil type, applied to the joints of the base 11 of the case, CHED 2 and IS 4. The cover 12 of the case 1 is hermetically connected to the base 11 of the case 1, for example, by soldering with metal solder in vacuum .

По контурам механических соединений интегральных деталей ЧЭД выполнены защитные канавки для предотвращения попадания легкоплавкого стекла 13 (не показаны) на электрические соединения и элементы на кристалле 3 ИПД. Другие электрические соединения ЧЭД и ИС выполнены методами микроэлектронных технологий, например электрохимическими методами, напылением или ультразвуковой сваркой алюминиевой проволокой. Пример использования одной из технологий будет показан ниже.Protective grooves were made along the contours of the mechanical connections of the integral parts of the EDR to prevent fusible glass 13 (not shown) from getting into electrical connections and elements on the IPD chip 3. Other electrical connections for EDR and IC are made using microelectronic technologies, for example, electrochemical methods, sputtering or ultrasonic welding with aluminum wire. An example of using one of the technologies will be shown below.

Датчик давления, в котором контактные площадки 14 ЧЭД выполнены на встроенной крышке 5 за пределами соединения с ИС 4 (см. Фиг. 3), предпочтительно выполняются при изготовлении датчика давления с цифровым выходом, так как кристалл 4 ИС аналого-цифрового преобразователя имеет собственные контактные площадки 15 очень малого размера. Разварка, т.е. соединение сваркой тонкой алюминиевой проволокой, через такие промежуточные площадки значительно упрощает процесс дальнейшего изготовления датчика.The pressure sensor, in which the contact points 14 of the EDR are made on the built-in cover 5 outside the connection with the IC 4 (see Fig. 3), are preferably performed in the manufacture of the pressure sensor with a digital output, since the crystal 4 of the analog-to-digital converter has its own contact platforms 15 are very small. Welding, i.e. welding by thin aluminum wire through such intermediate sites greatly simplifies the process of further manufacturing the sensor.

Датчик давления, в котором полость 16 под встроенной защитной крышкой 5 выполнена герметичной и вакуумированой (Фиг. 1), позволяет измерять абсолютное давление среды.The pressure sensor, in which the cavity 16 under the integrated protective cover 5 is sealed and evacuated (Fig. 1), allows you to measure the absolute pressure of the medium.

Датчик давления, в котором полость 16 под встроенной защитной крышкой 5 сообщена дополнительным каналом (не показано), выполненным в корпусе 1 со вторым источником давления среды или окружающей средой, позволяет измерять относительное давление среды. Как известно, если это будет перепад давления в сравнении с давлением окружающей среды, то это будет называться избыточным давлением, а при измерении перепада в сравнении с другим источником давления - дифференциальным.The pressure sensor, in which the cavity 16 under the built-in protective cover 5 is communicated with an additional channel (not shown), made in the housing 1 with a second source of pressure of the medium or the environment, allows you to measure the relative pressure of the medium. As you know, if this is a pressure drop compared to the ambient pressure, then this will be called overpressure, and when measuring the difference in comparison with another pressure source - differential.

Если в датчике давления имеется второй канал в корпусе 1 и крышке 5 для подвода второй измеряемой среды, то очевидно, что все поверхности внутри полости корпуса 1 и крышки 5 должны иметь антикоррозионную защиту.If the pressure sensor has a second channel in the housing 1 and the cover 5 for supplying the second measured medium, then it is obvious that all surfaces inside the cavity of the housing 1 and the cover 5 must have anti-corrosion protection.

Датчик давления, в котором в полости корпуса 1 имеется газовая защитная среда, находит преимущественное применение в качестве датчика абсолютного давления.A pressure sensor in which there is a gas protective medium in the cavity of the housing 1 finds primary use as an absolute pressure sensor.

Датчик давления, в котором полость корпуса 1 по меньшей мере частично заполнена защитным антикорозионным гелем, может применяться для дифференциальных датчиков давления.A pressure sensor in which the cavity of the housing 1 is at least partially filled with a protective anti-corrosion gel can be used for differential pressure sensors.

Датчик давления, в котором антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса 1 и крышки 5, также может применяться для дифференциальных датчиков давления.The pressure sensor, in which the corrosion protection is made in the form of a corrosion-resistant silicone protective coating of the surface of the cavity of the housing 1 and cover 5, can also be used for differential pressure sensors.

Рассмотрим как пример конструкции и работы датчика давления с нормализованным или цифровым выходом вариант выполнения в виде датчика абсолютного давления. Корпус 1 состоит из основания 11 и крышки 12, соединенных вакуумно-плотным соединением, например, при помощи клея-герметика «Эласил» или пайки металлическим припоем в вакууме.Consider, as an example of the design and operation of the pressure sensor with a normalized or digital output, an embodiment in the form of an absolute pressure sensor. The housing 1 consists of a base 11 and a cover 12 connected by a vacuum-tight connection, for example, using Elasil glue-sealant or soldering with metal solder in vacuum.

Внутри корпуса 1 размещен чувствительный элемент 2 давления (ЧЭД) (см. Фиг. 2), состоящий из кристалла 3 ИПД, на мембране которого методами микроэлектронной техники сформированы три жестких центра и диффузионные тензорезисторы, из защитной крышки 5 ИПД ЧЭД с герметичной полостью 16, например, в виде углубления в защитной крышке 5, в котором создается вакуум заданной глубины. На защитной крышке 5 ИПД ЧЭД жестко закреплен кристалл 4 ИС, например, типа программируемого интерфейса для сенсоров ZSC31050, имеющий контактные площадки 15, соединенные гибкими выводами средств 7 электрических соединений с контактными площадками 6 ИПД и контактными площадками 10 на выходных электрических контактах 8 корпуса 1.Inside the housing 1, a pressure sensitive element (CHE) 2 is placed (see Fig. 2), consisting of an IPD crystal 3, on the membrane of which three rigid centers and diffusion strain gages are formed by microelectronic techniques, from a protective cap 5 of an IPP with an airtight cavity 16, for example, in the form of a recess in the protective cover 5, in which a vacuum of a given depth is created. A chip 4 of an IC, for example, such as a programmable interface for ZSC31050 sensors, has contact pads 15 connected by flexible terminals of means 7 for electrical connections with contact pads 6 for IPD and contact pads 10 at the output electrical contacts 8 of housing 1, is rigidly fixed to the protective cover 5 of the IPP.

ЧЭД, конструкция которого приведена на Фиг. 1 и 2, устанавливается в углублении основания 11 корпуса 1 датчика давления. На защитную крышку 5 наклеивается кристалл 4 ИС программируемого интерфейса для сенсоров, например, в виде кристалла микросхемы типа ZSC31050.CHED, the construction of which is shown in FIG. 1 and 2, is installed in the recess of the base 11 of the housing 1 of the pressure sensor. A chip 4 of a programmable interface IC for sensors is glued onto the protective cover 5, for example, in the form of a chip chip type ZSC31050.

Контактные площадки 15 кристалла 4 микросхемы соединяются с контактными площадками 6 кристалла 3 ИПД и контактными площадками 10 выходных контактов 8 корпуса 1.The contact pads 15 of the crystal 4 microcircuits are connected to the contact pads 6 of the crystal 3 IPD and contact pads 10 of the output contacts 8 of the housing 1.

В электрической схеме кристалла 3 интегрального преобразователя давления, входящего в чувствительный элемент ЧЭД датчика абсолютного давления, используется соединение диффузионных тензорезисторов в тензомост на мембране с тремя жесткими центрами. Контактные площадки 6 тензомоста на кристалле ИПД расположены за пределами защитной крышки 5, соединяются с контактными площадками 15 кристалла 4 микросхемы в соответствии с ее электрической схемой, например, как показано на Фиг. 3. Контактные площадки 15 микросхемы 4 в соответствии с электрической схемой развариваются на контактные площадки 10 металлостеклянные выходных контактов 8 корпуса 1.In the electrical circuit of crystal 3 of the integral pressure transducer included in the pressure sensitive element of the pressure transducer of the absolute pressure sensor, a diffusion strain gages resistor is used in a strain gage on a membrane with three rigid centers. The pads 6 of the strain bridge on the IPD chip are located outside the protective cover 5, are connected to the pads 15 of the chip 4 of the chip in accordance with its electrical circuit, for example, as shown in FIG. 3. The contact pads 15 of the microcircuit 4 in accordance with the electric circuit are welded to the contact pads 10 metal-glass output contacts 8 of the housing 1.

Датчик абсолютного давления работает следующим образом.The absolute pressure sensor operates as follows.

Измеряемое давление рабочей среды поступает по каналу 9 в герметичном корпусе 1 датчика, меняет форму кристалла 3 ИПД и сопротивление тензорезисторов в ИПД. В кристалле 4 ИС аналоговый сигнал от кристалла 3 ИПД преобразуется в нормализованный или цифровой сигнал и подается на выходные контакты 8 на корпусе 1.The measured pressure of the medium enters through channel 9 in the sealed housing 1 of the sensor, changes the shape of the crystal 3 SPD and the resistance of the strain gauges in the SPD. In the chip 4 of the IC, the analog signal from the chip 3 of the IPD is converted to a normalized or digital signal and fed to the output contacts 8 on the housing 1.

В других конфигурациях, описанных ниже, работа датчика происходит аналогично под действием на кристалл 3 ИПД перепада давлений с двух сторон ИПД.In other configurations described below, the operation of the sensor occurs similarly under the action on the crystal 3 of the IPD differential pressure from two sides of the IPD.

При выполнении датчика давления с двумя каналами в корпусе самым простым будет выполнить первый канал подвода первой измеряемой среды как канал 9 в датчике абсолютного давления, а второй канал выполнить в защитной крышке, сообщить его с каналом корпусе, например, через полость его внутри корпуса (не показано). При этом очевидно, что все поверхности ИС, контактов и средств электрических соединений необходимо защитить от коррозии. Это можно сделать любым известным способом и с помощью известных средств, описанных выше, например залить полость корпуса защитным гелем или покрыть все поверхности, подвергаемые опасности коррозии, защитным покрытием «Разакор».When performing a pressure sensor with two channels in the housing, it will be easiest to make the first channel for supplying the first measured medium as channel 9 in the absolute pressure sensor, and execute the second channel in the protective cover, communicate it with the channel of the housing, for example, through its cavity inside the housing (not shown). It is obvious that all surfaces of the IC, contacts and electrical connections must be protected from corrosion. This can be done by any known method and using known means described above, for example, fill the body cavity with a protective gel or cover all surfaces exposed to the risk of corrosion with a Razacor protective coating.

В конце процесса изготовления проводят выходной контроль рабочих характеристик датчика давления и выходного сигнала. Датчик давления готов к работе в любом измерительном или управляющем комплексе без дополнительных действий по проверке его параметров.At the end of the manufacturing process, an output control of the performance of the pressure sensor and the output signal is carried out. The pressure sensor is ready to work in any measuring or control complex without additional steps to check its parameters.

При работе датчика давления применяется схема разварки Фиг. 3 цифрового датчика с использованием контактных площадок на защитной крышке 5. С кристалла 3 интегрального преобразователя давления, входящего в ЧЭД датчика абсолютного давления, получают цифровой дискретный или нормализованный по напряжению сигнал, в качестве преобразователя может использоваться транзисторный делитель напряжения. Указанный сигнал используется в устройствах или системах управления, использующих датчики давления.When the pressure sensor is operating, the decompression circuit of FIG. 3 digital sensors using pads on the protective cover 5. From the crystal 3 of the integral pressure transducer included in the absolute value of the absolute value pressure sensor, a digital signal discrete or normalized by voltage is obtained, a transistor voltage divider can be used as a converter. The specified signal is used in devices or control systems using pressure sensors.

Гибкая интегральная технология изготовления тензочувствительного преобразователя датчика давления, стабильность его рабочих характеристик, миниатюрность конструкции датчика, защита датчика от внешних воздействующих факторов обеспечивают производство на одном и том же оборудовании датчиков на различные номинальные давления с различными характеристиками нормализованного или цифрового выходного сигнала, его низкую себестоимость и расширяют функциональные возможности применения в различных областях народного хозяйства.Flexible integrated manufacturing technology of the strain-sensitive transducer of the pressure sensor, the stability of its operating characteristics, the miniature design of the sensor, protection of the sensor from external factors ensure the production of sensors on the same equipment at different nominal pressures with different characteristics of a normalized or digital output signal, its low cost and expand the functionality of application in various fields of the national economy.

Claims (7)

1. Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом, содержащий корпус и установленные в нем: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с кристаллом интегрального преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД, защитную крышку, выходные контакты, средства электрических соединений ЧЭД, ИС и выходных контактов и по меньшей мере один канал, выполненный в корпусе, для подвода давления среды, отличающийся тем, что ЧЭД снабжен контактными площадками на защитной крышке за пределами соединения ИС и крышки, а крышка выполнена из кремния встроенной по технологии производства ИС и размещена на ИПД, кристалл ИС размещен на встроенной защитной крышке, все механические соединения ЧЭД и встроенной защитной крышки выполнены низкотемпературной пайкой стеклом, а ИС и ЧЭД - клеем-герметиком, по контурам механических соединений интегральных деталей ЧЭД выполнены защитные канавки, а электрические соединения - методами микроэлектронных технологий.1. A pressure sensor with a normalized or digital output, comprising a housing and installed therein: a pressure sensitive element (CHED) with an integrated pressure transducer crystal (IPD) and contact pads, an integrated circuit chip (IC) of an IPD signal converter, a protective cover, output contacts , means for electrical connections of CHED, IS and output contacts and at least one channel made in the housing for supplying pressure of the medium, characterized in that the CHED is equipped with contact pads on the protective cover outside the connection between the IC and the cover, and the cover is made of silicon built-in according to the manufacturing technology of the IC and placed on the IPD, the crystal of the IC is placed on the built-in protective cover, all mechanical connections of the EDR and the built-in protective cover are made by low-temperature soldering with glass, and the IC and CHED are made with glue sealant, protective grooves are made along the contours of the mechanical connections of the integral parts of the EDR, and the electrical connections are made using microelectronic technologies. 2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что полость под встроенной защитной крышкой выполнена вакуумированной.2. The pressure sensor according to claim 1, characterized in that the cavity under the built-in protective cover is evacuated. 3. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что полость под встроенной защитной крышкой сообщена дополнительным каналом, выполненным в корпусе с источником давления среды.3. The pressure sensor according to claim 1, characterized in that the cavity under the built-in protective cover is communicated by an additional channel made in the housing with a medium pressure source. 4. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что внутри полости корпуса и защитной крышки имеется антикоррозионная защита.4. The pressure sensor according to claim 1, characterized in that there is anti-corrosion protection inside the body cavity and protective cover. 5. Датчик давления по п. 4, отличающийся тем, что в полости корпуса и крышки имеется газовая защитная среда.5. The pressure sensor according to claim 4, characterized in that in the cavity of the housing and the cover there is a gas protective environment. 6. Датчик давления по п. 4, отличающийся тем, что полость корпуса по меньшей мере частично заполнена защитным антикоррозионным гелем.6. The pressure sensor according to claim 4, characterized in that the housing cavity is at least partially filled with a protective anti-corrosion gel. 7. Датчик давления по п. 4, отличающийся тем, что антикоррозионная защита выполнена в виде коррозионностойкого кремнийорганического защитного покрытия поверхности полости корпуса и крышки. 7. The pressure sensor according to claim 4, characterized in that the corrosion protection is made in the form of a corrosion-resistant silicone protective coating on the surface of the cavity of the housing and the cover.
RU2014120645/28A 2014-05-22 2014-05-22 Pressure sensor with normalised or digital output RU2564378C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014120645/28A RU2564378C1 (en) 2014-05-22 2014-05-22 Pressure sensor with normalised or digital output

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014120645/28A RU2564378C1 (en) 2014-05-22 2014-05-22 Pressure sensor with normalised or digital output

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2564378C1 true RU2564378C1 (en) 2015-09-27

Family

ID=54251073

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014120645/28A RU2564378C1 (en) 2014-05-22 2014-05-22 Pressure sensor with normalised or digital output

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2564378C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7360431B2 (en) * 2003-08-20 2008-04-22 Yamatake Corporation Pressure sensor device including a diaphragm and a stopper member having a curved surface facing the diaphragm
RU2362133C1 (en) * 2007-12-27 2009-07-20 Государственное Учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor
US7954384B2 (en) * 2008-09-03 2011-06-07 Silicon Micro Sensors Gmbh Pressure sensor and manufacturing method of the same
RU133607U1 (en) * 2013-07-26 2013-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") MICROELECTRONIC PRESSURE SENSOR

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7360431B2 (en) * 2003-08-20 2008-04-22 Yamatake Corporation Pressure sensor device including a diaphragm and a stopper member having a curved surface facing the diaphragm
RU2362133C1 (en) * 2007-12-27 2009-07-20 Государственное Учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor
US7954384B2 (en) * 2008-09-03 2011-06-07 Silicon Micro Sensors Gmbh Pressure sensor and manufacturing method of the same
RU133607U1 (en) * 2013-07-26 2013-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") MICROELECTRONIC PRESSURE SENSOR

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8297125B2 (en) Media isolated differential pressure sensor with cap
JP5998379B2 (en) Sensor device package and method
US9677947B2 (en) Temperature sensor
US10495538B2 (en) Modular sensor package having adhesive-free seal to housing
KR20010029946A (en) Pressure Sensor and Method of Manufacturing the Same
CN104006914A (en) Systems and methods for a pressure sensor having a two layer die structure
US7698951B2 (en) Pressure-sensor apparatus
WO2021004165A1 (en) Flip chip-based pressure sensor core, core manufacturing and packaging method, and pressure sensor
EP1859246A1 (en) Media isolated absolute pressure sensor
US20170113924A1 (en) Sensor component having two sensor functions
EP3515858B1 (en) Method of manufacturing a sensor using anodic bonding
RU2537517C1 (en) Semiconductor pressure transducer
US20200217736A1 (en) Pressure sensor system and method for its manufacture
US9927314B2 (en) Pressure sensor comprising a hermetic casing
RU2564378C1 (en) Pressure sensor with normalised or digital output
US10126195B2 (en) High-temperature headers with ribbed components for stress-relieved hermetic sealing
CN109387225B (en) MEMS inertial device and stress-free electric fitting method thereof
JP5804445B2 (en) Semiconductor pressure sensor
CN103926029B (en) The hard method for packing of piezoresistive pressure sensor sensitive chip impermeability
CN104931193A (en) MEMS Pirani gauge with reference vacuum chamber
CN109716086A (en) Pressure sensor
JP5181648B2 (en) Method and device for adjusting characteristics of semiconductor pressure sensor
JP2013195151A (en) Thermal type element and method for determining resistance value temperature coefficient of temperature measuring resistor in thermal element
CN110793706A (en) Pressure sensor manufacturing method
CN110763393A (en) Pressure sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160523

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20170808

PD4A Correction of name of patent owner