RU2799390C1 - Sensitive element of capacitive micromechanical pressure sensor - Google Patents

Sensitive element of capacitive micromechanical pressure sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2799390C1
RU2799390C1 RU2023101767A RU2023101767A RU2799390C1 RU 2799390 C1 RU2799390 C1 RU 2799390C1 RU 2023101767 A RU2023101767 A RU 2023101767A RU 2023101767 A RU2023101767 A RU 2023101767A RU 2799390 C1 RU2799390 C1 RU 2799390C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
cover
pressure sensor
structural layer
electrode
Prior art date
Application number
RU2023101767A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Яков Валерьевич Беляев
Алексей Александрович Белогуров
Анна Васильевна Стяжкина
Original Assignee
Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации
Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации, Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации
Application granted granted Critical
Publication of RU2799390C1 publication Critical patent/RU2799390C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: sensors.
SUBSTANCE: invention relates to capacitive micromechanical sensors for absolute and gauge pressure of gases and liquids. A sensitive element of a capacitive micromechanical pressure sensor comprises a membrane that deforms under pressure and acts as a movable electrode, a base on which the membrane is fixed, and a cover on which a fixed electrode is located. The membrane is formed in a structural layer of single-crystal silicon with low resistivity and is completely isolated from the bulk of the material of the structural layer by means of an annular trench. The base and cover are made of high resistivity monocrystalline silicon. The stationary electrode is in the form of a thin metal film.
EFFECT: increasing the dynamic range of the pressure sensor by reducing the noise level of the processing circuit as a result of minimizing the parasitic capacitances of the sensing element.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к емкостным датчикам абсолютного и избыточного давления газов и жидкостей, в частности, микромеханическим, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в среде.The invention relates to capacitive sensors for absolute and gauge pressure of gases and liquids, in particular, micromechanical sensors, and can be used in various fields of science and technology related to measuring pressure in a medium.

Известны емкостные датчики давления, изготавливаемые по поверхностной технологии, например, в патенте РФ №2324159 рассматривается чувствительный элемент емкостного датчика давления жидких и газообразных сред, который представляет собой расположенные на подложке фиксированный электрод, слой рентгеночувствительного диэлектрика и подвижный электрод. При этом в слое рентгеночувствительного диэлектрика методом глубокой литографии формируют полости, а подвижный электрод в виде тонкопленочной мембраны герметично закрепляют на диэлектрике. Это позволяет упростить конструкцию чувствительного элемента датчика давления и повысить технологичность его изготовления, а также повысить точность измерения давления за счет увеличения площади чувствительного элемента при одновременном уменьшении паразитных емкостей.Known capacitive pressure sensors manufactured by surface technology, for example, in the patent of the Russian Federation No. 2324159, the sensitive element of the capacitive pressure sensor of liquid and gaseous media is considered, which is a fixed electrode located on the substrate, a layer of X-ray sensitive dielectric and a movable electrode. At the same time, cavities are formed in the X-ray sensitive dielectric layer by deep lithography, and the movable electrode in the form of a thin-film membrane is hermetically fixed on the dielectric. This makes it possible to simplify the design of the sensitive element of the pressure sensor and improve its manufacturability, as well as improve the accuracy of pressure measurement by increasing the area of the sensitive element while reducing parasitic capacitances.

Недостатком предложенной конструкции является относительно большая величина номинальной емкости датчика (порядка 10 пФ без учета паразитных емкостей). Она обусловлена тем, что уменьшение паразитных емкостей достигается за счет увеличения толщины слоя диэлектрика. При этом зазор между электродами также увеличивается, что приводит к снижению чувствительности. С целью сохранения чувствительности авторам приходится увеличить площадь электродов. Кроме того, не смотря на заявленное уменьшение паразитных емкостей, их величина сохраняется на высоком уровне также в связи с большой площадью чувствительного элемента.The disadvantage of the proposed design is the relatively large value of the nominal capacitance of the sensor (about 10 pF, excluding parasitic capacitances). It is due to the fact that the reduction of parasitic capacitances is achieved by increasing the thickness of the dielectric layer. In this case, the gap between the electrodes also increases, which leads to a decrease in sensitivity. In order to maintain sensitivity, the authors have to increase the area of the electrodes. In addition, despite the claimed reduction in parasitic capacitances, their value remains at a high level also due to the large area of the sensitive element.

Большая величина суммы номинальной и паразитной емкостей приводит к увеличению уровня шума в схеме обработки выходного сигнала чувствительного элемента, тем самым ограничивая динамический диапазон датчика, а также приводит к ограничению быстродействия работы схемы и увеличению потребляемой мощности.A large value of the sum of the nominal and parasitic capacitances leads to an increase in the noise level in the output signal processing circuit of the sensitive element, thereby limiting the dynamic range of the sensor, and also leads to a limitation in the speed of the circuit and an increase in power consumption.

В патенте US 10183857 описана конструкция емкостного чувствительного элемента, в которой мембрана может быть сформирована как посредством поверхностной технологии, так и объемной. С целью электрической изоляции вокруг электродов формируются кольцевые траншеи.US Pat. No. 1,0183,857 describes the construction of a capacitive sensing element in which the membrane can be formed both by surface technology and by volume. For the purpose of electrical isolation, ring trenches are formed around the electrodes.

Недостатком предложенной конструкции являются неоптимизированные паразитные емкости между структурным слоем и основанием, а также между структурным слоем и крышкой. Наличие больших паразитных емкостей также приводит к следующим последствиям:The disadvantage of the proposed design is unoptimized parasitic capacitance between the structural layer and the base, as well as between the structural layer and the cover. The presence of large parasitic capacitances also leads to the following consequences:

- уменьшению динамического диапазона датчика,- reducing the dynamic range of the sensor,

- ограничению быстродействия работы схемы,- limiting the speed of the circuit,

- увеличению потребляемого тока и мощности.- increase in consumed current and power.

Решаемая техническая проблема - создание конструкции чувствительного элемента емкостного микромеханического датчика давления с минимизированными паразитными емкостями при сохранении требуемой величины номинальной емкости.The technical problem to be solved is the creation of a design of the sensitive element of a capacitive micromechanical pressure sensor with minimized parasitic capacitances while maintaining the required value of the nominal capacitance.

Достигаемый технический результат - увеличение динамического диапазона датчика за счет снижения уровня шума схемы обработки в результате минимизации паразитных емкостей чувствительного элемента.The achieved technical result is an increase in the dynamic range of the sensor by reducing the noise level of the processing circuit as a result of minimizing the parasitic capacitances of the sensing element.

Решение поставленной задачи в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что в чувствительном элементе емкостного микромеханического датчика давления мембрана, деформирующаяся под действием давления и выполняющая роль подвижного электрода, формируется в структурном слое из монокристаллического кремния с низким удельным сопротивлением и полностью изолирована от основной массы материала структурного слоя посредством кольцевой траншеи с оптимальной шириной, тогда как основание, на котором мембрана закреплена, и крышка, на которой располагается неподвижный электрод, формирующийся в виде тонкой металлической пленки, изготавливаются из монокристаллического кремния с высоким удельным сопротивлением, что позволяет минимизировать паразитные емкости между мембраной и основанием, между мембраной и крышкой, а также между мембраной и основной массой структурного слоя.The solution of the problem in the present invention is achieved due to the fact that in the sensitive element of the capacitive micromechanical pressure sensor, the membrane deforming under pressure and acting as a movable electrode is formed in the structural layer of single-crystal silicon with low resistivity and is completely isolated from the bulk of the structural material. layer by means of an annular trench with an optimal width, while the base, on which the membrane is fixed, and the cover, on which the fixed electrode is located, formed in the form of a thin metal film, are made of single-crystal silicon with high resistivity, which minimizes parasitic capacitances between the membrane and the base, between the membrane and the cover, as well as between the membrane and the bulk of the structural layer.

Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются фиг.1-5, иллюстрирующими пример выполнения заявляемого чувствительного элемента.The essence of the invention, its feasibility and the possibility of industrial application are illustrated in Fig.1-5, illustrating an example of the proposed sensor.

На фиг.1 представлена структурная схема конструкции чувствительного элемента емкостного микромеханического датчика давления в сечении, проходящем через центр мембраны (показан вывод контакта с мембраны).Figure 1 shows a block diagram of the design of the sensing element of the capacitive micromechanical pressure sensor in the section passing through the center of the membrane (contact output from the membrane is shown).

На фиг.2 представлен вид сверху на конструкцию чувствительного элемента емкостного микромеханического датчика давления (показаны основание, структурный слой и вывод контакта с мембраны; темным цветом показана металлизация на крышке, светлым - на структурном слое).Figure 2 shows a top view of the design of the sensitive element of the capacitive micromechanical pressure sensor (the base, the structural layer and the output of the contact from the membrane are shown; the dark color shows the metallization on the cover, the light color shows on the structural layer).

На фиг.3 представлена структурная схема конструкции чувствительного элемента емкостного микромеханического датчика давления в сечении, проходящем через центр неподвижного электрода, расположенного на крышке (показан вывод контакта с электрода на крышке).Figure 3 shows a block diagram of the design of the sensing element capacitive micromechanical pressure sensor in the section passing through the center of the fixed electrode located on the cover (contact output from the electrode on the cover is shown).

На фиг.4 представлен вид сверху на конструкцию чувствительного элемента емкостного микромеханического датчика давления (показаны основание, структурный слой, электрод и вывод контакта с электрода на крышке; темным цветом показана металлизация на крышке, светлым - на структурном слое).Figure 4 shows a top view of the design of the sensitive element of a capacitive micromechanical pressure sensor (the base, the structural layer, the electrode and the output of the contact from the electrode on the cover are shown; the dark color shows the metallization on the cover, the light color shows on the structural layer).

На фиг.5 представлена схема преобразователя емкость-напряжение на переключаемых конденсаторах, учитывающая паразитную емкость чувствительного элемента микромеханического датчика давления.Figure 5 shows a diagram of the capacitance-voltage converter on switched capacitors, taking into account the parasitic capacitance of the sensing element of the micromechanical pressure sensor.

Обозначения на фиг.1-5:Designations in Fig.1-5:

1 - крышка1 - cover

2 - структурный слой2 - structural layer

3 - основание3 - base

4 - слой изолятора между основанием 3 и структурным слоем 24 - insulator layer between base 3 and structural layer 2

5 - внешняя контактная площадка5 - external pad

6 - неподвижный электрод6 - fixed electrode

7 - слой изолятора между неподвижным электродом 7 и крышкой 17 - insulator layer between fixed electrode 7 and cover 1

8 - внутренние контактные площадки8 - internal pads

9 - электрические выводы от внутренних контактных площадок 8 к внешним9 - electrical leads from internal pads 8 to external

10 - мембрана (подвижный электрод)10 - membrane (movable electrode)

11 - шов герметизации11 - sealing seam

12 - кольцевая траншея вокруг мембраны 1012 - annular trench around the membrane 10

13 - отверстие в крышке 113 - hole in cover 1

14 - анкер (часть мембраны 10, закрепленная на основании 3)14 - anchor (part of the membrane 10, fixed on the base 3)

15 - воздушный зазор между мембраной (подвижным электродом) 10 и неподвижным электродом 615 - air gap between the membrane (movable electrode) 10 and the fixed electrode 6

Рвнутр - давление среды внутри ЧЭP inside - pressure of the medium inside the SE

Рвнеш - давление внешней средыP external - pressure of the external environment

А-А - сечение, проходящее через центр мембраныA-A - section passing through the center of the membrane

Б-Б - сечение, проходящее через центр неподвижного электрода, расположенного на крышкеB-B - section passing through the center of the fixed electrode located on the cover

C1 - электрическая емкость электродной структуры, ФC 1 - electric capacitance of the electrode structure, F

С0 - номинальная электрическая емкость электродной структуры, ФC 0 - nominal electric capacitance of the electrode structure, F

Ср - паразитная электрическая емкость, ФC p - parasitic electric capacitance, F

С2 - электрическая емкость подстроечного конденсатора, ФC 2 - electric capacitance of the tuning capacitor, F

C1 - электрическая емкость в обратной связи операционного усилителя, ФC 1 - electric capacitance in the feedback of the operational amplifier, F

S - ключ в обратной связи операционного усилителя, ФS - key in the feedback of the operational amplifier, Ф

Uout - выходное напряжение преобразователя емкость-напряжение, ВU out - output voltage of the capacitance-voltage converter, V

U1,2 - подаваемые на вход противофазные импульсные сигналы прямоугольной формы, ВU 1.2 - anti-phase rectangular pulse signals supplied to the input, V

Заявляемая конструкция чувствительного элемента (ЧЭ) вThe claimed design of the sensitive element (SE) in

рассматриваемом примере выполнения (см. фиг.1) изготавливается из:the considered example of execution (see figure 1) is made from:

- структуры кремний-на-изоляторе (КНИ), несущая часть которой является основанием 3, а верхняя - структурным слоем 2;- silicon-on-insulator (SOI) structures, the bearing part of which is the base 3, and the upper part is the structural layer 2;

- пластины, из которой изготавливается крышка 1.- the plate from which the cover is made 1.

Материал нижней части структуры КНИ и пластины, формирующей крышку - монокристаллический кремний со следующими параметрами: толщина - 450 мкм, ориентация кристаллической решетки - <100>, легирование - р-бор, удельное сопротивление - 12000 Ом⋅см.The material of the lower part of the SOI structure and the plate that forms the cover is single-crystal silicon with the following parameters: thickness - 450 μm, crystal lattice orientation - <100>, doping - p-boron, resistivity - 12000 Ohm⋅cm.

Материал верхней части структуры КНИ - монокристаллический кремний со следующими параметрами: толщина варьируется в зависимости от верхнего предела измерений давления, легирование - р-бор, удельное сопротивление - 0,01-0,02 Ом⋅см.The material of the upper part of the SOI structure is single-crystal silicon with the following parameters: thickness varies depending on the upper limit of pressure measurements, doping - p-boron, resistivity - 0.01-0.02 Ohm⋅cm.

Сращивание структуры КНИ и крышки осуществляется методом эвтектического бондинга, обеспечивающего высокую прочность соединения. При этом шов герметизации 11 располагается по периметру ЧЭ.Splicing of the SOI structure and the cover is carried out by the method of eutectic bonding, which provides high strength of the connection. In this case, the sealing seam 11 is located along the SE perimeter.

Основной элемент ЧЭ - круглая мембрана 10 - формируется в структурном слое 2. Закрепление мембраны 10 на основании 3 осуществляется за счет анкера 14, представляющего собой кольцевую область вокруг мембраны.The main element of the SE - a round membrane 10 - is formed in the structural layer 2. The fixing of the membrane 10 on the base 3 is carried out by the anchor 14, which is an annular area around the membrane.

Для измерения величины прогиба мембраны в ЧЭ реализована электродная структура, в состав которой входит подвижный и неподвижный электроды. Неподвижный электрод 6 формируется на крышке 1 методом напыления слоя металла на слой изолятора 7. В качестве подвижного электрода выступает сама мембрана 10, изготовленная из кремния с низким удельным сопротивлением. Между электродами сформирован воздушный зазор 15, величина которого совместно с площадью электродов определяет чувствительность ЧЭ.To measure the membrane deflection in the SE, an electrode structure is implemented, which includes a movable and a fixed electrode. The fixed electrode 6 is formed on the cover 1 by sputtering a metal layer onto the insulator layer 7. The membrane 10 itself, made of low resistivity silicon, acts as the movable electrode. An air gap 15 is formed between the electrodes, the size of which, together with the area of the electrodes, determines the sensitivity of the SE.

С целью электрической изоляции мембраны 10 от основной части структурного слоя 2 и, как следствие, минимизации паразитных параметров (емкостей и сопротивлений) вокруг мембраны методом глубокого ионно-реактивного травления формируется кольцевая траншея 12. Вывод электрического контакта с мембраны 10 (см. фиг.1 и 2) осуществляется через крышку, для чего формируются внутренние контактные площадки 8 по обе стороны от кольцевой траншеи. При этом, чтобы избежать механических напряжений, вызванных термодеформациями, контактная площадка располагается в стороне от мембраны 10, на анкере 14.In order to electrically isolate the membrane 10 from the main part of the structural layer 2 and, as a result, to minimize parasitic parameters (capacitances and resistances), an annular trench 12 is formed around the membrane by deep ion-reactive etching. The output of electrical contact from the membrane 10 (see Fig.1 and 2) is carried out through the cover, for which internal contact pads 8 are formed on both sides of the annular trench. In this case, in order to avoid mechanical stresses caused by thermal deformations, the contact pad is located away from the membrane 10, on the anchor 14.

Вывод контакта с неподвижного электрода 6, располагающегося на крышке 1, на структурный слой 2 также осуществляется с помощью внутренней контактной площадки 8, располагающейся в стороне от контактных площадок мембраны (см. фиг.3 и 4).The output of the contact from the fixed electrode 6, located on the cover 1, to the structural layer 2 is also carried out using the internal contact pad 8, located away from the contact pads of the membrane (see Fig.3 and 4).

Устройство работает следующим образом:The device works as follows:

С одной стороны на мембрану действует давление среды внутри ЧЭ, а с другой стороны - давление внешней среды, подающееся через отверстие в основании 3. Давление внутри ЧЭ формируется при установке ЧЭ во внешний корпус (на фиг. не показан), создании внутри корпуса требуемого уровня давления (атмосферного или вакуума) и сообщении среды корпуса с внутренней полостью ЧЭ с помощью отверстия 13 в крышке 1. Таким образом, ЧЭ может быть использован как в составе датчика относительного давления, так и в составе датчика абсолютного давления.On the one hand, the pressure of the environment inside the SE acts on the membrane, and on the other hand, the pressure of the external environment supplied through the hole in the base 3. The pressure inside the SE is formed when the SE is installed in the outer housing (not shown in the figure), creating the required level inside the housing pressure (atmospheric or vacuum) and the communication of the body medium with the internal cavity of the SE using the hole 13 in the cover 1. Thus, the SE can be used both as part of a relative pressure sensor and as part of an absolute pressure sensor.

При равенстве давлений с двух сторон от мембраны 10, электрическая емкость электродной структуры С1 формируется суммой номинальной емкости С0 и паразитной емкости Ср.When the pressures are equal on both sides of the membrane 10, the electric capacitance of the electrode structure C 1 is formed by the sum of the nominal capacitance C 0 and the parasitic capacitance C p .

Номинальная емкость образуется между мембраной 10 и неподвижным электродом 6, определяется следующей зависимостью [Mohamed Gad-el-Hak. The MEMS Handbook, 2002. p.926]:The nominal capacitance is formed between the membrane 10 and the fixed electrode 6, is determined by the following relationship [Mohamed Gad-el-Hak. The MEMS Handbook, 2002. p.926]:

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

Figure 00000002
- электрическая постоянная;
Figure 00000002
- electrical constant;

е - диэлектрическая проницаемость среды между электродами;e is the permittivity of the medium between the electrodes;

А - площадь перекрытия электродов, м2;A - electrode overlap area, m 2 ;

d - ширина воздушного зазора, м;d - width of the air gap, m;

Паразитная емкость по аналогии с формулой (1) определяется следующей зависимостью:Parasitic capacitance, by analogy with formula (1), is determined by the following relationship:

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

А1, А2, А3, - площади перекрытия между структурным слоем 2 и крышкой 1, между структурным слоем 2 и основанием 3 и между неподвижным электродом 6 и крышкой 1, соответственно, м2;А 1 , А 2 , А 3 , are overlapping areas between structural layer 2 and cover 1, between structural layer 2 and base 3 and between stationary electrode 6 and cover 1, respectively, m2;

d1, d2, d3 - ширины зазоров между структурным слоем 2 и крышкой 1, между структурным слоем 2 и основанием 3 и между неподвижным электродом 6 и крышкой 1, соответственно, м.d 1 , d 2 , d 3 are the widths of the gaps between the structural layer 2 and the cover 1, between the structural layer 2 and the base 3 and between the fixed electrode 6 and the cover 1, respectively, m.

При наличии разности давлений, действующих на мембрану 10 с противоположных сторон, она начинает прогибаться. Прогиб мембраны приводит к изменению величины воздушного зазора 15, что в свою очередь приводит к изменению электрической емкости между мембраной 10 и неподвижным электродом 6.In the presence of a pressure difference acting on the membrane 10 from opposite sides, it begins to sag. The deflection of the membrane leads to a change in the size of the air gap 15, which in turn leads to a change in the electrical capacitance between the membrane 10 and the fixed electrode 6.

Для преобразования изменения емкости в выходное напряжение Uout в состав схемы обработки выходного сигнала датчика давления входит преобразователь емкость-напряжение в интегральном исполнении, который обычно строится по схеме на переключаемых конденсаторах (фиг.5). В состав схемы входит подстроечный конденсатор с емкостью С2 ≈ С1, который подключается параллельно С1, а также операционный усилитель (на фиг. не показан), в обратной связи которого находятся ключ S и конденсатор емкостью Cf. В процессе измерения на вход С1 и С2 подаются два противофазных импульсных сигнала прямоугольной формы U1 и U2. В результате этого на входе операционного усилителя формируется заряд пропорциональный изменению емкости. При размыкании ключа S в обратной связи суммарный заряд перетекает на емкость в обратной связи, значение выходного напряжения при этом может быть описано следующим образом:To convert the capacitance change into the output voltage U out, the pressure sensor output signal processing circuit includes an integrated capacitance-voltage converter, which is usually built according to the switched capacitor circuit (Fig. 5). The circuit includes a tuning capacitor with a capacitance C 2 ≈ C 1 , which is connected in parallel with C 1 , as well as an operational amplifier (not shown in Fig.), In the feedback of which there is a key S and a capacitor with a capacitance C f . During the measurement process, two opposite-phase rectangular pulse signals U 1 and U 2 are fed to the input C 1 and C 2 . As a result, a charge proportional to the change in capacitance is formed at the input of the operational amplifier. When the switch S is opened in the feedback, the total charge flows to the capacitance in the feedback, the value of the output voltage in this case can be described as follows:

Figure 00000004
Figure 00000004

гдеWhere

ΔC1 - изменение номинальной емкости электродов при наличии разности давлений, действующих на мембрану с противоположных сторон, Ф;ΔC 1 - change in the nominal capacitance of the electrodes in the presence of a pressure difference acting on the membrane from opposite sides, F;

Cf ≈ ΔС1 - емкость в обратной связи операционного усилителя, Ф;C f ≈ ΔС 1 - capacitance in the feedback of the operational amplifier, F;

U0 - амплитуда импульсного сигнала прямоугольной формы, В.U 0 - amplitude of a rectangular pulse signal, V.

Динамический диапазон датчика характеризуется соотношением сигнал/шум. Для схемы на переключаемых конденсаторах уровень шума может быть оценен по следующей формуле [Kaajakari V. Practical MEMS. Las Vegas: Small Gear Publishing, 2009. p.478]:The dynamic range of a sensor is characterized by the signal-to-noise ratio. For a switched capacitor circuit, the noise level can be estimated using the following formula [Kaajakari V. Practical MEMS. Las Vegas: Small Gear Publishing, 2009. p.478]:

Figure 00000005
Figure 00000005

гдеWhere

Figure 00000006
- постоянная Больцмана;
Figure 00000006
- Boltzmann's constant;

Figure 00000007
- температура, К;
Figure 00000007
- temperature, K;

Figure 00000008
- электрическая емкость электродной структуры, Ф;
Figure 00000008
- electric capacitance of the electrode structure, F;

Figure 00000009
- электрическая емкость подстроечного конденсатора, Ф;
Figure 00000009
- electric capacitance of the tuning capacitor, F;

Figure 00000010
- электрическая емкость в обратной связи операционного усилителя, Ф;
Figure 00000010
- electric capacitance in the feedback of the operational amplifier, F;

Figure 00000011
- изменение номинальной емкости электродов при действии давления.
Figure 00000011
- change in the nominal capacitance of the electrodes under the action of pressure.

Исходя из формулы (4), чем больше емкость С1, тем больше уровень шума преобразователя и тем меньше динамический диапазон датчика давлений. При этом величина емкости Cf, обусловлена требуемой величиной коэффициента усиления схемы, и не может быть много больше ΔС1. Увеличение ΔC1 также ограничено, так как возможно либо за счет увеличения С1, что приведет к повышению уровня шума и ограничению динамического диапазона, либо за счет увеличения нелинейности, что приведет к увеличению погрешности измерений давления и также к уменьшению динамического диапазона датчика.Based on formula (4), the larger the capacitance C 1 , the greater the noise level of the transducer and the smaller the dynamic range of the pressure sensor. In this case, the value of capacitance C f due to the required value of the gain of the circuit, and can not be much more than ΔС 1 . The increase in ΔC 1 is also limited, since it is possible either by increasing C 1 , which will lead to an increase in the noise level and limiting the dynamic range, or by increasing the non-linearity, which will lead to an increase in the pressure measurement error and also to a decrease in the dynamic range of the sensor.

Таким образом, для достижения технического результата в части увеличения динамического диапазона датчика за счет снижения уровня шума схемы обработки необходимо уменьшать величину паразитной емкости при сохранении требуемой величины номинальной емкости, что возможно с применением предложенного изобретения.Thus, in order to achieve a technical result in terms of increasing the dynamic range of the sensor by reducing the noise level of the processing circuit, it is necessary to reduce the parasitic capacitance value while maintaining the required nominal capacitance value, which is possible using the proposed invention.

По результатам электрического расчета, выполненного посредством конечно-элементного моделирования ЧЭ с габаритными размерами 4×4 мм и номинальной емкостью электродов 6 пФ, в случае формирования кольцевой траншеи вокруг мембраны с оптимизированной шириной 50 мкм, величина паразитной емкости уменьшилась с 18,2 пФ до 7,7 пФ; в случае последующего применения в качестве материала крышки и основания кремния с высоким удельным сопротивлением 12000 Ом⋅см - до 3,2 пФ. Таким образом, суммарная величина паразитной емкости уменьшена в 5,7 раз, а уровень шума уменьшен в 1,6 раза, что соответствует увеличению динамического диапазона на 4 дБ.According to the results of an electrical calculation performed by means of finite element modeling of SE with overall dimensions of 4 × 4 mm and a nominal capacitance of electrodes of 6 pF, in the case of the formation of an annular trench around the membrane with an optimized width of 50 μm, the value of parasitic capacitance decreased from 18.2 pF to 7 .7 pF; in the case of subsequent use of silicon with a high resistivity of 12000 Ohm⋅cm as the material of the cover and base, up to 3.2 pF. Thus, the total parasitic capacitance is reduced by a factor of 5.7, and the noise level is reduced by a factor of 1.6, which corresponds to an increase in dynamic range by 4 dB.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут в полном объеме.Thus, the claimed technical result is achieved in full.

Claims (1)

Чувствительный элемент емкостного микромеханического датчика давления, содержащий мембрану, деформирующуюся под действием давления и выполняющую роль подвижного электрода, основание, на котором мембрана закреплена, и крышку, на которой располагается неподвижный электрод, отличающийся тем, что мембрана формируется в структурном слое из монокристаллического кремния с низким удельным сопротивлением и изолирована от основной массы материала структурного слоя посредством кольцевой траншеи, при этом основание и крышка изготавливаются из монокристаллического кремния с высоким удельным сопротивлением, а неподвижный электрод формируется в виде тонкой металлической пленки.A sensitive element of a capacitive micromechanical pressure sensor, containing a membrane that deforms under pressure and acts as a movable electrode, a base on which the membrane is fixed, and a cover on which a fixed electrode is located, characterized in that the membrane is formed in a structural layer of single-crystal silicon with low resistivity and is isolated from the bulk of the material of the structural layer by means of an annular trench, while the base and cover are made of single-crystal silicon with high resistivity, and the stationary electrode is formed in the form of a thin metal film.
RU2023101767A 2023-01-26 Sensitive element of capacitive micromechanical pressure sensor RU2799390C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2799390C1 true RU2799390C1 (en) 2023-07-05

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2251087C2 (en) * 2003-06-09 2005-04-27 Новосибирский государственный технический университет Capacitive pressure pickup
US10183857B2 (en) * 2012-08-21 2019-01-22 Robert Bosch Gmbh MEMS pressure sensor with multiple membrane electrodes
CN109813490A (en) * 2018-12-20 2019-05-28 兰州空间技术物理研究所 A kind of MEMS capacitive vacuum gauge and preparation method thereof
CN112129328A (en) * 2020-08-13 2020-12-25 江苏大学 Miniature wind pressure and wind speed integrated sensor and manufacturing and detecting method
US11111135B2 (en) * 2014-07-02 2021-09-07 My01 Ip Holdings Inc. Methods and devices for microelectromechanical pressure sensors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2251087C2 (en) * 2003-06-09 2005-04-27 Новосибирский государственный технический университет Capacitive pressure pickup
US10183857B2 (en) * 2012-08-21 2019-01-22 Robert Bosch Gmbh MEMS pressure sensor with multiple membrane electrodes
US11111135B2 (en) * 2014-07-02 2021-09-07 My01 Ip Holdings Inc. Methods and devices for microelectromechanical pressure sensors
CN109813490A (en) * 2018-12-20 2019-05-28 兰州空间技术物理研究所 A kind of MEMS capacitive vacuum gauge and preparation method thereof
CN112129328A (en) * 2020-08-13 2020-12-25 江苏大学 Miniature wind pressure and wind speed integrated sensor and manufacturing and detecting method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0740777B1 (en) Screened capacitive sensor
EP0973012B1 (en) Transducer
US4951174A (en) Capacitive pressure sensor with third encircling plate
US5186054A (en) Capacitive pressure sensor
JP3114570B2 (en) Capacitive pressure sensor
US7427819B2 (en) Film-bulk acoustic wave resonator with motion plate and method
KR100404904B1 (en) A capacitive differential pressure sensor and method for manufacturing thereof
US4894698A (en) Field effect pressure sensor
JP3672937B2 (en) Small silicon accelerometer and method thereof
EP0136249B1 (en) Three plate, silicon-glass-silicon capacitive pressure transducer
KR101825903B1 (en) An improved pressure sensor structure
US20130152694A1 (en) Sensor with vacuum cavity and method of fabrication
JP3432780B2 (en) Semiconductor pressure sensor
RU2799390C1 (en) Sensitive element of capacitive micromechanical pressure sensor
CA1154502A (en) Semiconductor variable capacitance pressure transducer
CN113714071B (en) High-sensitivity micro-pressure detection inverted-table-shaped cavity structure capacitive micro-machined ultrasonic transducer
CN113353883B (en) MEMS pressure sensor based on phase detection principle and preparation method
CN115452207A (en) Differential capacitance type MEMS pressure sensor and manufacturing method thereof
RU2694788C1 (en) Magnetic field converter sensitive element
CN113714072B (en) High-sensitivity micro-pressure detection ring-shaped groove diaphragm structure capacitance type micro-mechanical ultrasonic transducer
JPH06323939A (en) Capacitance-type sensor
JPS6294988A (en) Field effect pressure sensor
US11896365B2 (en) MEMS device for an implant assembly
JP4059306B2 (en) Servo capacitive vacuum sensor
JPH09145511A (en) Capacitive pressure-detecting apparatus