Патент на изобретение №2329480

(54) ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления содержит выполненную из монокристаллического кремния плоскую квадратную мембрану с продольными и поперечными тензорезисторами. Поперечные тензорезисторы расположены на краю мембраны, причем продольные тензорезисторы частично выходят за ее пределы. Технический результат – упрощение технологии изготовления при неизменном выходном сигнале тензопреобразователя. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Известен тензопреобразователь давления мембранного типа [Патент SU 1830138 A3, G01L 9/04], содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской квадратной мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) – перпендикулярно оси.

Механические напряжения в плоской квадратной мембране имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (T_L) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (T_t) [В.А.Гридчин. Проектирование кремниевых интегральных тензопреобразователей с квадратными упругими элементами. – В кн.: Полупроводниковые тензорезисторы / Новосибирск, 1985, с.97-108] и связаны с деформациями следующими соотношениями:

где S₁₁ и S₁₂ – коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.

Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T_L>>T_t, и _t0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:

где K_L – коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,

K_t – коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,

_L1, _L2, _L3, _L4 – деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что при типичных размерах мембраны 2000×2000 мкм² и тензорезисторов 200×20×0.5 мкм³, 150×15×0.5 мкм³, 100×10×0.5 мкм³ средние механические напряжения (средние деформации), действующие на продольные тензорезисторы, расположенные у края мембраны, меньше максимальных (у края мембраны) соответственно на 35%, 27%, 18%. Учитывая, что коэффициенты тензочувствительности продольных и поперечных тензорезисторов из поликристаллического кремния соответственно равны 36 и -11.2, выходной сигнал мостовой схемы будет меньше максимально возможного (резисторы – точечные и расположены на краю мембраны) соответственно на 26%, 21%, 14%.

Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [В.А.Гридчин, Грищенко А.В., В.М.Любимский, А.В.Шапорин. Тензопреобразователь давления. Патент на изобретение RU 2237873, С2G 01 L 9/04], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий продольные и поперечные тензорезисторы, расположенные у краев квадратной мембраны, выполненной из монокристаллического кремния, которая имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной.

При действии давления на тензопреобразователь давления происходит деформация мембраны, которая передается поперечным и продольным тензорезисторам. Механические напряжения вдоль оси симметрии мембраны в зависимости от безразмерной координаты х/a в мембране с общим размером a×a=2000×2000 мкм, толщиной толстой части 30 мкм и толщиной тонкой части 25 мкм, размером 1800×1800 мкм², рассчитанные методом конечных элементов, приведены на фиг.4.

Продольные и поперечные тензорезисторы расположены на части мембраны с большей толщиной, продольные от до а поперечные от до Средние механические напряжения в продольных тензорезисторах меньше максимальных на 4%, а не на 18%, как в случае плоской мембраны при длине тензорезисторов 100 мкм. Для поликремниевых тензорезисторов с коэффициентами тензочувствительности продольных тензорезисторов K_L=36 и поперечных тензорезисторов K_t=-11.2 выходной сигнал мостовой схемы, вычисленный по формуле (2), будет меньше максимально возможного (тензорезисторы – точечные и расположены на краю мембраны) на 6%.

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что мембрана имеет сложную форму и для ее изготовления необходимо проведение большего количества технологических операций, что приводит к усложнению технологии изготовления.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления при неизменном выходном сигнале тензопреобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что в тензопреобразователе давления, содержащем тензорезисторы и выполненную из монокристаллического кремния квадратную мембрану, последняя выполнена плоской, поперечные резисторы расположены на краю мембраны, а продольные тензорезисторы частично выходят за пределы мембраны.

На ФИГ.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления, на ФИГ.2 – разрез тензопреобразователя давления по А-А, на ФИГ.3 -зависимости безразмерных механических напряжений от безразмерной координаты в мембране.

Тензопреобразователь давления (ФИГ.1) содержит: 1 – поперечные тензорезисторы, расположенные на квадратной мембране 3, 2 – продольные тензорезисторы, расположенные на квадратной мембране 3, 3 – квадратную мембрану, 4 – алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 1, 2, 5 – контактные окна к тензорезисторам.

На ФИГ.2: 6 – подложка (опорное основание), 7 – слой изолирующего окисла на поверхности квадратной мембраны 3, 8 – слой защитного окисла.

Квадратная мембрана 3 (см. ФИГ.1, ФИГ.2) расположена в средней части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением подложки 6 из монокристаллического кремния со слоем изолирующего окисла 7. На поверхности мембраны 3 (см. ФИГ.1) методами микроэлектронной технологии сформированы поперечные 1 и продольные 2 тензорезисторы. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла 8, в котором выполнены окна под контактные площадки 5.

Механические напряжения вдоль оси симметрии мембраны в зависимости от безразмерной координаты х/a в мембране с общим размером a×a=2074×2074 мкм², толщиной толстой части 245 мкм, рассчитанные методом конечных элементов, приведены на ФИГ.3. Центры поперечных тензорезисторов 1 находятся на краю мембраны, а продольные тензорезисторы 2 расположены от до Средние механические напряжения продольных тензорезисторах меньше максимально возможных, также как в прототипе, на 4%. Для поликремниевых тензорезисторов с коэффициентами тензочувствительности продольных тензорезисторов K_L=36 и поперечных тензорезисторов K_t=-11.2 выходной сигнал мостовой схемы, вычисленный по формуле (2), будет меньше максимально возможного (тензорезисторы – точечные и расположены на краю мембраны) на 6%.

Таким образом, по сравнению с прототипом выходной сигнал мостовой схемы остается тем же, а для создания плоской мембраны требуется меньшее количество технологических операций, что упрощает технологию изготовления тензопреобразователя.

Формула изобретения

Тензопреобразователь давления, содержащий поперечные тензорезисторы и продольные тензорезисторы и выполненную из монокристаллического кремния квадратную мембрану, отличающийся тем, что мембрана выполнена плоской, поперечные тензорезисторы расположены на краю мембраны, причем продольные тензорезисторы частично выходят за пределы мембраны.

РИСУНКИ