RU2818501C1 - Интегральный преобразователь давления - Google Patents
Интегральный преобразователь давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818501C1 RU2818501C1 RU2023130282A RU2023130282A RU2818501C1 RU 2818501 C1 RU2818501 C1 RU 2818501C1 RU 2023130282 A RU2023130282 A RU 2023130282A RU 2023130282 A RU2023130282 A RU 2023130282A RU 2818501 C1 RU2818501 C1 RU 2818501C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strain gauges
- membrane
- pressure transducer
- type conductivity
- wheatstone bridge
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Использование: для измерения механических воздействий - давления, силы, а также высокоточного измерения малых давлений газовых сред в температурном диапазоне от минус 60°С до плюс 125°С. Сущность изобретения заключается в том, что интегральный преобразователь давления выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины и образующее тонкую часть мембраны, при этом каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на тонком участке мембраны, при этом стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнены с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100]. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения погрешности измерения давления. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических воздействий - давления, силы, а также высокоточного измерения малых давлений газовых сред в температурном диапазоне от минус 60°С до плюс 125°С.
Известен интегральный преобразователь давления с одним жестким центром [Патент Российской Федерации №2469437 С1, МПК H01L 29/84, G01L 9/04, опубл. 10.12.2012, Бюл. №34], выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы, объединенные электрическими связями в мост Уитстона. Со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один жесткий центр. На каждом прямолинейном тонком участке мембраны над дном соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, не менее 10% площади дна тонкой части мембраны расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Монокристаллическая кремниевая пластина ориентирована в плоскости (100) и имеет «-тип проводимости, тензорезисторы имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011]. Боковые стороны кремниевой пластины параллельны, либо перпендикулярны длинной стороне тензорезисторов, т.е. имеют кристаллографическое направление [011].
Известен кремниевый микроэлектромеханический преобразователь Соколова [Патент Российской Федерации №2327125 С2, МПК G01L 9/00, опубл. 20.06.2008, Бюл. №17], содержащий тонкую квадратную мембрану и тензорамку с тензорезисторами мостовой схемы, при этом тензорамка выполнена монолитной с трапецеидальным сечением и неразъемно соединена своим широким основанием через слой стекла с мембраной, оси симметрии мембраны и тензорамки совпадают с прецизионной точностью, тензорамка в поперечном направлении своими длинными сторонами максимально приближена к продольной оси симметрии, длина тензорамки L меньше линейного размера мембраны на величину 0,2…4,5(H-h)ctgγ, где Н - высота кремниевого кристалла с мембраной, h - толщина мембраны, γ - угол, образованный кристаллографическими плоскостями (100) и (111) при анизотропном химическом травлении монокристаллического кремния. Стороны тензорамки с тензорезисторами параллельны кристаллографическому направлению [110].
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является интегральный преобразователь давления [Патент Российской Федерации №2362132, МПК G01L 9/04, H01L 29/84, опубл. 20.07.2009, Бюл. №20. Прототип], выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона, со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из параллельных канавок и соединяющих их концы между собой полостей, имеющих общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую жесткие центры. Каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких диффузионных тензорезисторов, размещено на отдельном прямолинейном тонком участке мембраны над одной соответствующей канавкой, продольная ось которой параллельна продольной оси соответствующего диффузионного тензорезистора, причем прямолинейный тонкий участок со второй стороны мембраны имеет ширину от 5 до 100 мкм и длину не менее 0,7 длины диффузионного тензорезистора, продольные границы тонкого участка мембраны параллельны диффузионному тензорезистору, а в промежутках между этими тонкими участками мембраны расположены три жестких центра. Сопряжение поверхности тонких участков мембраны с боковыми гранями мембраны и жестких центров выполняют криволинейной поверхностью с радиусом скругления от 3 до 10 мкм.
Основным недостатком перечисленных технических решений по патентам является высокая погрешность измерений давления из-за наличия механических напряжений на внешних углах кремниевой пластины, обусловленного сходным кристаллографическим направлением боковых граней пластины и тензорезисторов.
Известно [Kurt E. Petersen. Silicon as a Mechanical. Proceeding Of The IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982], что максимальные механические напряжения в кремниевых кристаллах присутствуют на внешних и внутренних углах кремниевых микроструктур. Такие напряжения распространяются вдоль кристаллографических направлений и плоскостей, образующих внешние и внутренние углы, в объем кристалла, приводя к возникновению напряженно-деформированного состояния объема кремния. Таким образом, в случае выполнения интегрального преобразователя давления в виде монокристаллической кремниевой пластины, стороны которой ориентированы вдоль кристаллографического направления [011], и имеющей тензорезисторы, вытянутые вдоль кристаллографического направления [011], механические напряжения, присутствующие на внешних углах пластины, распространяются вдоль направления [011] в объем кремния, приводя к появлению напряженно-деформированного состояния тензорезисторов. Это приводит к начальному разбалансу мостовой схемы Уитстона, образованной тензорезисторами, что увеличивает погрешность измерения давления.
Целью изобретения является уменьшение погрешности измерений интегрального преобразователя давления за счет снижения механических напряжений в тензорезисторах.
Поставленная цель достигается тем, что в интегральном преобразователе давления, выполненном в виде монокристаллической кремниевой пластины (1) n-типа проводимости, ориентированной в плоскости (100), с первой стороны пластины (1) сформированы тензорезисторы p-типа проводимости R1-R4 (3), вытянутые в направлении [011]. Тензорезисторы R1-R4 объединены электрическими связями в мост Уитстона. Со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление (5), не выходящее на край пластины и образующее тонкую часть мембраны (2), при этом каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на тонком участке мембраны, а стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнены с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100].
Кроме того, тензорезисторы (3) интегрального преобразователя давления выполнены в виде мезаструктуры методом диффузии или ионного легирования, а геометрические размеры и глубина углубления (5) со второй стороны пластины обусловлены диапазонами измеряемого давления.
При выполнении интегрального преобразователя давления в виде монокристаллической кремниевой пластины, стороны которой ориентированы вдоль кристаллографического направления [100], с тензорезисторами, вытянутыми вдоль кристаллографического направления [011], присутствующие механические напряжения на внешних углах кремниевой пластины распространяются в объем кремния по направлению [100]. При этом, при использовании кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), тензорезисторы оказываются нечувствительными к механическим напряжениям, которые распространяются вдоль направления [100].
Таким образом, тензорезисторы остаются свободными от напряженно-деформированного состояния, что устраняет начальный разбаланс мостовой схемы Уитстона, приводя к снижению погрешности измерений.
На фиг. 1 изображен интегральный преобразователь давления, содержащий монокристаллическую кремниевую пластину (1) n-типа проводимости, стороны которой ориентированы вдоль кристаллографического направления [100], с плоской рабочей поверхностью и тонкой квадратной мембраной (2) в центре с обратной стороны. На рабочей поверхности пластины (1) сформированы тензорезисторы R1-R4 (3) p-типа проводимости, вытянутые вдоль кристаллографического направления [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона. Боковые грани (4) монокристаллической кремниевой пластины ориентированы вдоль кристаллографического направления [100]. Геометрические размеры углубления (5) обусловлены диапазонами измеряемого давления.
Интегральный преобразователь давления работает следующим образом: на соединенные контактные площадки П1 и П5, а также контактную площадку П3 подают напряжение питания измерительного моста, равного (6±0,1)В. Значения выходного сигнала снимают с контактных площадок П2 и П4. При отсутствии внешнего давления измерительный мост находится в состоянии равновесия, а при подаче давления происходит деформация мембраны 2. При этом тензорезисторы R1-R4 испытывают механические напряжения от приложенного давления, причем тензорезисторы R1, R4 увеличивают свое сопротивление, тензорезисторы R2, R3 уменьшают свое сопротивление, что приводит к разбалансу измерительного моста Уитстона и появлению напряжения, пропорционального приложенному давлению.
При этом тензорезисторы (3) R1-R4, вытянутые в направлении кристаллографического направления [011] фактически нечувствительны к механическим напряжениям, присутствующим на внешних углах пластины и распространяющихся вдоль кристаллографического направления [100] в объем кремния, что уменьшает погрешность измерений давления интегрального преобразователя давления.
Предложенное техническое решение позволяет уменьшить погрешность измерения давления за счет снижения механических напряжений в тензорезисторах, обусловленного выполнением кремниевой пластины с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100].
Claims (2)
1. Интегральный преобразователь давления, выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины и образующее тонкую часть мембраны, при этом каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на тонком участке мембраны, отличающийся тем, что стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнены с боковыми гранями, ориентированными вдоль кристаллографического направления [100].
2. Интегральный преобразователь давления по п. 1, отличающийся тем, что тензорезисторы интегрального преобразователя давления выполнены в виде мезаструктуры методом диффузии или ионного легирования, а геометрические размеры и глубина углубления со второй стороны пластины обусловлены диапазонами измеряемого давления.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2818501C1 true RU2818501C1 (ru) | 2024-05-02 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4236137A (en) * | 1979-03-19 | 1980-11-25 | Kulite Semiconductor Products, Inc. | Semiconductor transducers employing flexure frames |
US5357807A (en) * | 1990-12-07 | 1994-10-25 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Micromachined differential pressure transducers |
RU2362132C1 (ru) * | 2007-12-27 | 2009-07-20 | Государственное Учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) | Интегральный преобразователь давления |
RU2469437C1 (ru) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром |
RU2687307C1 (ru) * | 2018-07-02 | 2019-05-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Интегральный преобразователь давления |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4236137A (en) * | 1979-03-19 | 1980-11-25 | Kulite Semiconductor Products, Inc. | Semiconductor transducers employing flexure frames |
US5357807A (en) * | 1990-12-07 | 1994-10-25 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Micromachined differential pressure transducers |
RU2362132C1 (ru) * | 2007-12-27 | 2009-07-20 | Государственное Учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) | Интегральный преобразователь давления |
RU2469437C1 (ru) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром |
RU2687307C1 (ru) * | 2018-07-02 | 2019-05-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Интегральный преобразователь давления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109786422B (zh) | 压电激振受拉式硅微谐振压力传感器芯片及其制备方法 | |
US3266303A (en) | Diffused layer transducers | |
WO2017028466A1 (zh) | 一种mems应变计芯片及其制造工艺 | |
CN104764547B (zh) | 一种浮雕式岛膜应力集中结构微压传感器芯片及制备方法 | |
CN104729784A (zh) | 一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法 | |
CN104748904B (zh) | 一种分段质量块应力集中结构微压传感器芯片及制备方法 | |
EP0225095A2 (en) | Biaxial strain gage systems | |
CN113551812A (zh) | 一种十字梁膜应力集中微压传感器芯片及其制备方法 | |
CN112284607B (zh) | 一种十字岛耐高温耐腐蚀压力传感器芯片及制备方法 | |
CN113218544B (zh) | 具有应力集中结构的微压传感器芯片及其制备方法 | |
EP0303875A2 (en) | Si crystal force transducer | |
RU2818501C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
JP2615887B2 (ja) | 半導体圧力センサ | |
CN111498795B (zh) | 一种隔离槽阵列结构的压力传感器芯片及其制备方法 | |
CN111521304A (zh) | 一种微压传感器芯片及其制备方法 | |
CN105300573B (zh) | 一种梁膜结构压电传感器及其制作方法 | |
RU2469437C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром | |
RU2362132C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления | |
RU183909U1 (ru) | Малогабаритный радиационно стойкий высокотемпературный тензочувствительный элемент преобразователя давления | |
Guan et al. | A novel 0–3 kPa piezoresistive pressure sensor based on a Shuriken-structured diaphragm | |
RU2469436C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами | |
RU210879U1 (ru) | Высокотемпературный преобразователь давления с повышенной прочностью | |
RU2329480C2 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
SU1765730A1 (ru) | Интегральный тензопреобразователь давлени | |
CN213023334U (zh) | 一种多晶硅压阻系数测试结构 |