RU207048U1 - Thermal pressure sensor - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использована для измерения давления. Тепловой датчик давления содержит первую деформирующуюся мембрану и вторую неподвижную мембрану, на которой размещен чувствительный элемент и нагреватель. Суть полезной модели состоит в увеличении диапазона измеряемых давлений и повышении срока эксплуатации прибора за счет теплового принципа детектирования давления. Способ измерения давления, при котором давление, приложенное к деформирующейся мембране, изменяет расстояние до нагревателя и чувствительного элемента, тем самым изменяя перераспределение температуры. Изменение выходного электрического сигнала измерительной схемы, подключенной к датчику, пропорционально изменению температуры. Применение технических решений в разработанной конструкции устройства позволяет значительно снизить влияние внешних воздействий, а тепловой принцип детектирования - увеличить диапазон измеряемых давлении.The utility model relates to measuring technology - the field of microelectronic and micromechanical devices and can be used to measure pressure. The thermal pressure sensor contains a first deformable membrane and a second stationary membrane, on which a sensing element and a heater are located. The essence of the utility model is to increase the range of measured pressures and increase the service life of the device due to the thermal principle of pressure detection. A method for measuring pressure in which pressure applied to a deformable membrane changes the distance to the heater and the sensing element, thereby changing the temperature redistribution. The change in the output electrical signal of the measuring circuit connected to the sensor is proportional to the change in temperature. The use of technical solutions in the developed design of the device can significantly reduce the influence of external influences, and the thermal detection principle - to increase the range of measured pressure.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике - области микроэлектронных и микромеханических устройств, а именно к датчикам давления.The utility model relates to measuring technology - the field of microelectronic and micromechanical devices, namely pressure sensors.

Известна конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления [1]. Датчик содержит электронно-индикаторный блок, два плоских присоединительных фланца, между которыми размещен мембранный блок измерительного преобразователя. Преобразователь состоит из емкостной ячейки цилиндрической формы с измерительной мембраной, размещенной в полости ее корпуса, помещенного рядом с размещенными в корпусах разделительными гофрированными мембранами.The known design of a biplanar capacitive differential pressure sensor [1]. The sensor contains an electronic indicator unit, two flat connecting flanges, between which a membrane unit of the measuring transducer is located. The transducer consists of a cylindrical capacitive cell with a measuring membrane located in the cavity of its housing, placed next to the separating corrugated membranes located in the housings.

Однако известная конструкция бипланарного емкостного датчика перепада давления является сложной в изготовлении, так как имеет большое количество сварных соединений.However, the known design of a biplanar capacitive pressure drop sensor is difficult to manufacture, since it has a large number of welded joints.

Известна конструкция емкостного датчика давления [2]. Датчик давления содержит корпус с цилиндрическим кожухом и крышкой, электронную плату и емкостный преобразователь, а также выполненные в корпусе два мембранных блока. Преобразователь содержит полость, два гермовывода с обкладками, соединенными с электронной платой, и измерительную мембрану, закрепленную в полости между обкладками так.The known design of a capacitive pressure sensor [2]. The pressure sensor contains a housing with a cylindrical casing and a cover, an electronic board and a capacitive transducer, as well as two membrane blocks made in the housing. The transducer contains a cavity, two sealed leads with plates connected to the electronic board, and a measuring membrane fixed in the cavity between the plates so.

Однако известный датчик характеризуется наличием заметной паразитной емкости между емкостными обкладками (электродами) и корпусными деталями датчика. Кроме того, большая масса измерительной системы (ячейки), включающей в себя мембрану, обкладки в виде стеклянных (керамических) полусфер, токоподводы, существенно снижают вибростойкость датчика. Изготовление известного датчика сопряжено со значительными технологическими трудностями, связанными с изготовлением прецизионных массивных стеклянных (керамических) полусфер и нанесением на их внутреннюю поверхность электродов (обкладок), что значительно повышает трудоемкость изделия и его себестоимость.However, the known sensor is characterized by the presence of a noticeable parasitic capacitance between the capacitive plates (electrodes) and the body parts of the sensor. In addition, the large mass of the measuring system (cell), which includes a membrane, plates in the form of glass (ceramic) hemispheres, current leads, significantly reduce the vibration resistance of the sensor. The manufacture of the known sensor is associated with significant technological difficulties associated with the manufacture of precision massive glass (ceramic) hemispheres and the deposition of electrodes (plates) on their inner surface, which significantly increases the complexity of the product and its cost.

Известна конструкция емкостного датчика давления [3], выбранного в качестве прототипа. Датчик давления содержит кремниевую подложку, мембрану, на поверхности которой расположен нижний электрод конденсатора. Через воздушный зазор находится второй электрод, который нанесен на пластину фторида кальция, приваренной к кремниевой подложке.The known design of a capacitive pressure sensor [3], selected as a prototype. The pressure sensor contains a silicon substrate, a membrane, on the surface of which the lower electrode of the capacitor is located. Through the air gap, there is a second electrode, which is deposited on a calcium fluoride plate welded to a silicon substrate.

Рассматриваемый датчик изготавливается следующим образом: на кремниевой подложке выращивается слой фторида кальция и слой кремния, затем напыляется слой металлизации, в подложке кремния снизу методом анизотропного травления формируется тонкая мембрана, а в подложке методом фотолитографии вытравливает окно до фторида кальция. Сверху на полученную структуру накладывается пластина кремния с предварительно напыленным слоем металлизации. Недостатками известной конструкции [3] является недостаточная технологичность из-за:The sensor under consideration is manufactured as follows: a calcium fluoride layer and a silicon layer are grown on a silicon substrate, then a metallization layer is deposited, a thin membrane is formed in the silicon substrate from below by anisotropic etching, and a window is etched into the substrate by photolithography to form calcium fluoride. On top of the resulting structure, a silicon wafer with a pre-deposited metallization layer is applied. The disadvantages of the known design [3] is insufficient manufacturability due to:

1. Срока службы, в связи с расположением одного из электродов на деформирующейся мембране;1. Service life, due to the location of one of the electrodes on the deforming membrane;

2. Ограничений диапазона измеряемого давления;2. Limitations of the range of the measured pressure;

3. Возможности замыкания обкладок конденсатора при сильном прогибе мембраны;3. Possibilities of closing the capacitor plates with a strong deflection of the membrane;

4. Потребляемой мощности.4. Power consumption.

Задачей настоящей полезной модели является повышение срока эксплуатации, энергоэффективности и диапазона измеряемого давления, за счет альтернативного способа детектирования давления.The objective of the present utility model is to improve service life, energy efficiency and pressure measurement range by providing an alternative pressure detection method.

Поставленная задача решается тем, что датчик давления основан на тепловом принципе детектирования. Датчик состоит из мембраны, которая подвешена над полостью, заполненной газом с минимальным коэффициентом теплопроводности. На данной мембране расположен нагреватель и чувствительный элемент, представляющий собой термопару. Через воздушный зазор расположена вторая мембрана, сформированная в утоненной кремниевой пластине.The problem is solved by the fact that the pressure sensor is based on the thermal principle of detection. The sensor consists of a membrane that is suspended over a cavity filled with a gas with a minimum thermal conductivity. On this membrane there is a heater and a sensitive element, which is a thermocouple. A second membrane formed in a thinned silicon wafer is located through the air gap.

По сравнению с прототипом предполагаемая потребляемая мощность датчика давления определяется величиной тока, подаваемого на терморезистор, который исполняет роль нагревателя, что демонстрирует высокую энергоэффективность такого датчика. Такой вывод можно сделать на основании того, что расчетная мощность предложенного датчика давления близка к нижней границе мощности емкостных датчиков давления.Compared to the prototype, the estimated power consumption of the pressure sensor is determined by the amount of current supplied to the thermistor, which acts as a heater, which demonstrates the high energy efficiency of such a sensor. This conclusion can be made on the basis that the calculated power of the proposed pressure sensor is close to the lower limit of the capacity of capacitive pressure sensors.

Диапазон детектируемых давлений определяется только собственным шумом чувствительного элемента, исходя из следующей формулы.The range of detected pressures is determined only by the intrinsic noise of the sensing element, based on the following formula.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена конструкция датчика давления.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows the design of the pressure sensor.

На фиг. 1 представлен двухмерный вид сбоку на тепловой датчик давления, где: 1 - мембрана, 2 - пластина, 3 - мембрана, 4 - чувствительный элемент, 5 - полость, 6 - пластина, 7 - адгезивный материал, 8 - пластина.FIG. 1 shows a two-dimensional side view of a thermal pressure sensor, where: 1 is a membrane, 2 is a plate, 3 is a membrane, 4 is a sensing element, 5 is a cavity, 6 is a plate, 7 is an adhesive material, 8 is a plate.

Как видно из чертежа, в отличие от прототипа, чувствительный элемент располагается на неподвижной мембране и не подвержен механическим воздействиям, что повышает срок эксплуатации датчика.As can be seen from the drawing, in contrast to the prototype, the sensitive element is located on a fixed membrane and is not subject to mechanical stress, which increases the service life of the sensor.

Датчик работает следующим образом. При воздействии давления на мембрану 3 она прогибается, меняя расстояние до планарного нагревателя и чувствительного элемента 4, и изменяя перераспределение температуры. При этом пропорционально изменению температуры меняется выходной сигнал в специальной измерительной схеме, в которую включен датчик. Изменение выходного электрического сигнала пропорционально изменению температуры, которое пропорционально изменению прогиба мембраны, которое, в свою очередь, пропорционально изменению внешнего давления.The sensor works as follows. When pressure is applied to the membrane 3, it bends, changing the distance to the planar heater and the sensitive element 4, and changing the temperature redistribution. In this case, in proportion to the change in temperature, the output signal changes in a special measuring circuit, in which the sensor is included. The change in the electrical output signal is proportional to the change in temperature, which is proportional to the change in membrane deflection, which in turn is proportional to the change in external pressure.

Пример конкретного исполнения. На кремниевой (150 Вт/м⋅К) пластине 8 толщиной 670 мкм формируют мембрану 1 из оксида кремния (1.4 Вт/м⋅К) по технологии химического осаждения из газовой фазы (PECVD). Затем на мембране формируют алюминиевые шины питания и чувствительный элемент 4. Следующим шагом проводят операцию сухого травление кремниевой пластины в Bosch процессе с обратной стороны до SiO₂ c целью формирования полости 5. Далее на пластине 2 формируют диэлектрическую мембрану 3. После этого наносят адгезив 7 и выполняют операцию соединения (бондинга) текущей структуры с пластинами 2,6. В процессе бондинга соединяемые элементы помещаются в рабочую камеру, из которой откачивается воздух от 1000 мбар (1 атм) до 0,8 мбар. Затем атмосфера рабочей камеры заполняется криптоном Kr(0.0095 Вт/м⋅К) и проводится соединение при температуре не менее 150°С.An example of a specific execution. On a silicon (150 W / m⋅K) plate 8 with a thickness of 670 μm, a membrane 1 of silicon oxide (1.4 W / m⋅K) is formed using the chemical vapor deposition (PECVD) technology. Then, aluminum power buses and a sensitive element 4 are formed on the membrane. The next step is dry etching of the silicon wafer in the Bosch process from the reverse side to SiO ₂ in order to form a cavity 5. Next, a dielectric membrane 3 is formed on the wafer 2. After that, the adhesive 7 is applied and perform the operation of connecting (bonding) the current structure with the plates 2,6. During the bonding process, the elements to be connected are placed in a working chamber, from which air is evacuated from 1000 mbar (1 atm) to 0.8 mbar. Then the atmosphere of the working chamber is filled with krypton Kr (0.0095 W / m⋅K) and the connection is carried out at a temperature of at least 150 ° C.

Необходимо учитывать то, что деформация мембраны не превышает 15% от расстояния между мембраной и нагревателем, что необходимо для обеспечения чувствительности выше порога детектирования равного 0.25 мК/Па в большей части диапазона измеряемых давлений.It should be taken into account that the deformation of the membrane does not exceed 15% of the distance between the membrane and the heater, which is necessary to ensure sensitivity above the detection threshold of 0.25 mK / Pa in most of the range of measured pressures.

Для нормальной работы датчика при глубине полости 30 мкм достаточно толщины мембраны чуть более 1 мкм (при этом максимальная деформация мембраны не будет превышать 25 мкм).For normal operation of the sensor at a cavity depth of 30 µm, a membrane thickness of just over 1 µm is sufficient (while the maximum membrane deformation will not exceed 25 µm).

Для стабильной работы датчика важно обеспечить хорошую герметизацию полости и достаточную механическую прочность мембраны (для предотвращения прикосновения мембраны к плоскости нагревателя при атмосферном давлении, что может привести к ее разрушению).For stable operation of the sensor, it is important to ensure good sealing of the cavity and sufficient mechanical strength of the membrane (to prevent the membrane from touching the plane of the heater at atmospheric pressure, which can lead to its destruction).

Таким образом, использование стандартных технологических операций изготовления датчика повышает его срок эксплуатации. Высокая энергоэффективность достигается за счет того, что потребляемая мощность определяется только величиной тока подаваемого на нагреватель. При этом рабочий диапазон давлений определяется собственными шумами чувствительного элемента.Thus, the use of standard technological operations for the manufacture of the sensor increases its service life. High energy efficiency is achieved due to the fact that the power consumption is determined only by the amount of current supplied to the heater. In this case, the operating pressure range is determined by the intrinsic noise of the sensitive element.

Источники информации:Sources of information:

1. Патент RU 2545085, МПК G01L 19/00, опубл. 27.03.20151. Patent RU 2545085, IPC G01L 19/00, publ. 03/27/2015

2. Патент RU 2243518, МПК G01L 13/02, G01L 9/00, опубл. 27.12.2004.2. Patent RU 2243518, IPC G01L 13/02, G01L 9/00, publ. 12/27/2004.

3. Патент RU 2251087, МПК G01L 9/12, опубл. 27.04.2005 - прототип.3. Patent RU 2251087, IPC G01L 9/12, publ. 04/27/2005 - prototype.

Claims (1)

Датчик давления, содержащий первую деформирующуюся под внешним давлением мембрану и вторую мембрану с расположенным на ней чувствительным элементом и нагревателем, полость в кремниевой подложке, заполненную газом, отличающийся тем, что на второй мембране размещен нагреватель и чувствительный элемент, который выполнен в виде термопары, которая фиксирует изменение температуры второй мембраны при изменении внешнего давления и деформации первой мембраны, заполняющий газ выбирается с минимальной теплопроводностью.A pressure sensor containing a first membrane deforming under external pressure and a second membrane with a sensitive element and a heater located on it, a cavity in a silicon substrate filled with gas, characterized in that a heater and a sensitive element are placed on the second membrane, which is made in the form of a thermocouple, which fixes the temperature change of the second membrane with a change in external pressure and deformation of the first membrane, the filling gas is selected with a minimum thermal conductivity.

Images