RU2399031C1 - Pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system has a housing in which there is a nano- and micro-electromechanical system (NMEMS) consisting of a membrane with a rigid centre embedded on the contour in the support base, a heterogeneous structure formed on the membrane from thin films of materials in which contact pads, first radial tensoresistors and second radial tensoresistors are formed, connected by thin-film jumpers connected in the measuring bridge. Ends of the first radial tensoresistors lie between the rigid centre and a circle whose radius r is defined by a corresponding relationship. Ends of the second radial tensoresistors lie between the support base and a circle whose radius r is also defined by a corresponding relationship.

EFFECT: higher accuracy, higher reliability and higher technological effectiveness of the pressure sensor.

7 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред.The present invention relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of liquid and gaseous aggressive media.

Современные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [1, 2], они содержат нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), состоящие из упругого элемента (УЭ) простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (мембрана с жестким центром, две мембраны, соединенные между собой штоком; мембрана, соединенная со стержнем; балка с отверстиями и прорезями и др.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных тонкопленочных диэлектрических, тензорезистивных, терморезистивных, контактных и других слоев, сформированных на мембране. В случае металлической мембраны высота ее микронеровностей составляет не более 50-100 нм. По данным последних исследований толщина тензорезистивного составляет 40-100 нм. Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензорезисторы, терморезисторы, контактные проводники и др.) объединяются в измерительную цепь.Modern thin-film strain gauge pressure sensors relate to products of nano- and microsystem technology [1, 2], they contain nano- and microelectromechanical systems (NIMEMS), consisting of a simple elastic element (UE) (membrane, rod, beam, etc.) or a complex shape (a membrane with a rigid center, two membranes connected by a rod; a membrane connected to a rod; a beam with holes and slots, etc.), a heterogeneous structure, a sealing contact block, and connecting conductors. The heterogeneous structure consists of nano- and micro-sized thin-film dielectric, tensoresistive, thermoresistive, contact and other layers formed on the membrane. In the case of a metal membrane, the height of its microroughness is not more than 50-100 nm. According to recent studies, the thickness of the resistance strain is 40-100 nm. The elements formed in the heterogeneous structure (strain gauges, thermistors, contact conductors, etc.) are combined into a measuring circuit.

Известны тензорезисторные датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [3, 4]. Таким датчикам свойственна недостаточно высокая точность по причине потери чувствительности из-за неоптимального расположения тензорезисторов по радиусу мембраны.Known strain gauge pressure sensors with strain gauges located on the membrane in the radial direction and connected to a bridge measuring circuit [3, 4]. Such sensors are characterized by insufficiently high accuracy due to loss of sensitivity due to the non-optimal arrangement of strain gages along the radius of the membrane.

Так, мостовая измерительная цепь датчика давления [4] сформирована в гетерогенной структуре (диэлектрик - SiO; тензорезистивный слой - Х20Н75Ю; подслой перемычки - V; материал перемычки - Au) и она состоит из радиальных тензорезисторов, соединенных тонкопленочными перемычками.So, the bridge measuring circuit of the pressure sensor [4] is formed in a heterogeneous structure (dielectric - SiO; strain gauge layer - Х20Н75Ю; bridge sublayer - V; bridge material - Au) and it consists of radial strain gauges connected by thin-film jumpers.

Для получения максимальной чувствительности датчика давления [4] радиальные тензорезисторы должны быть расположены в зонах

(положительные деформации) и

(отрицательные деформации), соответственно (здесь x - текущая координата радиуса; r₁ - радиус мембраны). Это следует из зависимости конструктивного коэффициента чувствительности мембраны к давлению для случаев использования радиальных деформаций [3]:To obtain maximum sensitivity of the pressure sensor [4], the radial strain gauges should be located in areas

(positive deformations) and

(negative deformations), respectively (here x is the current coordinate of the radius; r ₁ is the radius of the membrane). This follows from the dependence of the design coefficient of pressure sensitivity of the membrane for cases of using radial deformations [3]:

При определении указанных зон деформаций коэффициент Пуассона µ принимался равным 0,3, так как для изготовления упругих элементов обычно используются металлы.In determining these strain zones, the Poisson's ratio µ was taken equal to 0.3, since metals are usually used for the manufacture of elastic elements.

Однако, в случае наличия жесткого центра у мембраны, зоны положительных и отрицательных деформаций будут другими и выражение (1) неприменимо. При расположении радиальных тензорезисторов в зонах

и

чувствительность датчика давления с мембраной, имеющей жесткий центр, снижается из-за неоптимального расположения тензорезисторов. Снижается и точность по причине потери чувствительности.However, in the case of a rigid center at the membrane, the zones of positive and negative deformations will be different and expression (1) is not applicable. With the location of radial strain gauges in the zones

and

the sensitivity of the pressure sensor with a membrane having a rigid center is reduced due to the non-optimal location of the strain gauges. The accuracy is also reduced due to loss of sensitivity.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системой [5]. Он содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, заделанную по контуру в опорном основании, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю жесткого центра, и вторые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю опорного основания мембраны. Тензорезисторы выполнены в виде идентичных тензоэлементов, при этом концы первых и вторых радиальных тензорезисторов расположены по середине между краем жесткого центра и краем основания мембраны. Первые радиальные тензорезисторы размещены в зоне положительных деформаций, а вторые - в зоне отрицательных деформаций мембраны. Тензорезисторы соединены тонкопленочными перемычками и объединены в измерительный мост.The closest in technical essence to the proposed solution is a pressure sensor with a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system [5]. It contains a housing, a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) installed in it, consisting of an elastic element - a membrane with a rigid center, sealed along the contour in the support base, a heterogeneous structure formed of thin films of materials formed on it, in which the contact pads are formed, the first radial strain gages, the beginning of which is located on the edge of the rigid center, and second radial strain gages, the beginning of which is located on the edge of the supporting base of the membrane. The strain gages are made in the form of identical strain gages, while the ends of the first and second radial strain gages are located in the middle between the edge of the rigid center and the edge of the base of the membrane. The first radial strain gauges are located in the zone of positive deformations, and the second in the zone of negative deformations of the membrane. Strain gages are connected by thin-film jumpers and combined into a measuring bridge.

Недостатком известной конструкции является недостаточно высокая чувствительность, которая обусловлена тем, что при размещении концов первых и вторых радиальных тензорезисторов по середине между краем жесткого центра и краем основания неоптимальным образом используются радиальные деформации. Даже при отсутствии жесткого центра на окружности с относительным радиусом

будут иметь место положительные деформации, и часть вторых тензорезисторов, расположенная в зоне между относительным радиусом

и

будет испытывать положительную деформацию, тогда как другая часть будет испытывать отрицательную деформацию. Как показывают исследования, при увеличении радиуса жесткого центра точка смены знака радиальных деформаций смещается в сторону опорного основания. При неизменном положении радиальных тензорезисторов будет падать чувствительность. В связи с этим известный датчик имеет недостаточно высокую точность.A disadvantage of the known design is the lack of sensitivity, which is due to the fact that when placing the ends of the first and second radial strain gauges in the middle between the edge of the rigid center and the edge of the base, radial deformations are not optimally used. Even in the absence of a rigid center on a circle with a relative radius

positive deformations will take place, and part of the second strain gages located in the zone between the relative radius

and

will experience a positive deformation, while the other part will experience a negative deformation. Studies show that with an increase in the radius of the rigid center, the sign of the change in sign of radial deformations shifts toward the supporting base. If the position of the radial strain gages is unchanged, the sensitivity will decrease. In this regard, the known sensor has insufficient accuracy.

На фиг.1 показана зависимость радиальных деформаций мембраны с жестким центром, полученная с использованием алгоритма и программы [6] при следующих исходных данных: диаметр мембраны - 5,42 мм, толщина мембраны - 0,22 мм, давление - 10 МПа, диаметр жесткого центра - 1 мм. На фиг.2 представлена зависимость радиальных деформаций мембраны с теми же исходными данными, но с другим диаметром жесткого центра - 2 мм. Из фиг.1 и фиг.2 видно, что с увеличением радиуса жесткого центра происходит смещение точки смены знака (нуля) радиальных деформаций в сторону единичного радиуса

Figure 1 shows the dependence of the radial deformation of the membrane with a rigid center, obtained using the algorithm and program [6] with the following initial data: membrane diameter - 5.42 mm, membrane thickness - 0.22 mm, pressure - 10 MPa, hard diameter center - 1 mm. Figure 2 presents the dependence of the radial deformation of the membrane with the same initial data, but with a different diameter of the hard center - 2 mm From figure 1 and figure 2 it is seen that with an increase in the radius of the rigid center there is a shift of the sign change point (zero) of radial deformations towards the unit radius

В первом случае (фиг.1) отношение радиуса жесткого центра r₀ к радиусу мембраны r₁ равно

, а во втором случае

. При этом положение средних точек (по радиусу мембраны) между краем жесткого центра и краем мембраны у основания определяются какIn the first case (figure 1), the ratio of the radius of the rigid center r ₀ to the radius of the membrane r ₁ is

, and in the second case

. The position of the midpoints (along the radius of the membrane) between the edge of the rigid center and the edge of the membrane at the base are determined as

относительных единиц;

relative units;

относительных единиц.

relative units.

На фиг.1 и фиг.2 показаны точки смены знака (точки нуля) радиальных деформаций. В первом случае эта точка имеет значение относительного радиуса мембраны r=0,65, а во втором r=0,72. При этом точки среднего значения расстояния между краем жесткого центра и краем мембраны у ее основания имеют значения: r_cp1=0,59 и r_cp2=0,68 (относительных единиц).Figure 1 and figure 2 shows the point of change of sign (zero point) of radial deformation. In the first case, this point has a value of the relative radius of the membrane r = 0.65, and in the second r = 0.72. In this case, the points of the average value of the distance between the edge of the rigid center and the edge of the membrane at its base have the values: r _cp1 = 0.59 and r _cp2 = 0.68 (relative units).

Таким образом, датчик давления, выбранный в качестве прототипа, имеет недостаточную точность из-за невысокой чувствительности, которая связана с неоптимальным использованием зон отрицательных и положительных деформаций. Первые радиальные тензорезисторы воспринимают деформации части зоны положительных деформаций, а вторые радиальные тензорезисторы воспринимают частично положительные и частично отрицательные деформации. В результате по длине вторых радиальных тензорезисторов имеются части тензорезисторов с положительным и отрицательным изменениями сопротивлений. Это снижает чувствительность, поскольку относительные изменения сопротивлений складываются с противоположными знаками. При этом возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, которая обусловлена возникновением несимметрии сопротивлений и различием относительных изменений сопротивлений первых и вторых радиальных тензорезисторов при деформациях мембраны.Thus, the pressure sensor selected as a prototype has insufficient accuracy due to the low sensitivity, which is associated with suboptimal use of zones of negative and positive deformations. The first radial strain gauges perceive deformations of a part of the zone of positive deformations, and the second radial strain gauges perceive deformations of partially positive and partially negative ones. As a result, along the length of the second radial strain gages there are parts of the strain gages with positive and negative changes in resistance. This reduces sensitivity, since relative changes in resistances add up with opposite signs. In this case, an error arises from the nonlinearity of the measuring circuit, which is caused by the appearance of an asymmetry of the resistances and a difference in the relative changes in the resistances of the first and second radial strain gauges during membrane deformations.

Недостатком известного датчика давления является также и то, что тонкопленочные перемычки и контактные площадки расположены в зоне положительных деформаций, в них возникают напряжения, и они перемещаются. Перемещение тонкопленочных перемычек концов первых и вторых тензорезисторов и контактных площадок нежелательно, поскольку к ним привариваются контактные (соединительные) проводники. Возникающие напряжения и перемещение соединительных проводников могут привести к нарушению контактного соединения и выходу из строя датчика. То есть, известный датчик имеет недостаточно высокую надежность.A disadvantage of the known pressure sensor is also that thin-film jumpers and contact pads are located in the zone of positive deformations, stresses arise in them, and they move. The movement of thin-film jumpers of the ends of the first and second strain gages and contact pads is undesirable, since contact (connecting) conductors are welded to them. Emerging voltages and the movement of the connecting conductors can lead to disruption of the contact connection and the failure of the sensor. That is, the known sensor has insufficiently high reliability.

Кроме того, недостатком известного датчика давления является невысокая технологичность, поскольку при его изготовлении не представляется возможным разместить тензорезисторы на мембране с жестким центром так, чтобы при любом радиусе жесткого центра обеспечивалось полное и оптимальное размещение тензорезисторов в зонах положительных и отрицательных деформаций.In addition, the disadvantage of the known pressure sensor is its low manufacturability, since during its manufacture it is not possible to place the strain gages on a membrane with a rigid center so that, at any radius of the rigid center, full and optimal placement of the strain gages in the zones of positive and negative deformations is ensured.

Техническим результатом изобретения является повышение точности датчика давления, путем повышения чувствительности за счет полного и оптимального использования зон положительных и отрицательных деформаций мембраны с жестким центром. Кроме того, техническим результатом изобретения является повышение надежности путем размещения тонкопленочных перемычек концов первых и вторых радиальных тензорезисторов на окружности с нулевыми радиальными деформациями мембраны. Техническим результатом является также и то, что повышается технологичность за счет появления возможности оптимального размещения тензорезисторов в зонах положительных и отрицательных деформаций при любых соотношениях радиуса жесткого центра к радиусу мембраны.The technical result of the invention is to increase the accuracy of the pressure sensor, by increasing the sensitivity due to the full and optimal use of the zones of positive and negative deformations of the membrane with a rigid center. In addition, the technical result of the invention is to increase reliability by placing thin-film jumpers of the ends of the first and second radial strain gauges on a circle with zero radial deformation of the membrane. The technical result is also that manufacturability is improved due to the appearance of the possibility of optimal placement of strain gages in the zones of positive and negative deformations at any ratio of the radius of the rigid center to the radius of the membrane.

Это достигается тем, что в известном датчике давления с тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системой, содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, заделанную по контуру в опорном основании, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю жесткого центра, и вторые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю опорного основания мембраны, соединенные тонкопленочными перемычками, включенные в измерительный мост, концы первых радиальных тензорезисторов размещены между жестким центром и окружностью, радиус которой r определен по соотношению r=(-0,165x⁴+0,165x³+0,128x²+0,32x+0,586)·r₁, где

- отношение радиуса жесткого центра r₀ к радиусу мембраны r₁, а концы вторых радиальных тензорезисторов размещены между опорным основанием и окружностью, радиус которой r определен по соотношению r=(-0,165x⁴+0,165x³+0,128x²+0,32x+0,586)·r₁.This is achieved by the fact that in the known pressure sensor with a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system, comprising a housing, a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) installed in it, consisting of an elastic element - a membrane with a rigid center, sealed along the contour in the support base, the heterogeneous structure formed on it from thin films of materials in which the contact pads are formed, the first radial strain gauges, the beginning of which is located at the edge of the rigid center, and the second for flax gages, the beginning of which is located at the edge of the membrane supporting base connected thin-film webs included in the measuring bridge, the ends of the first radial strain gauges placed between the rigid center and a circumference whose radius r is defined by the ratio r = (- 0,165x ⁴ + ³ + 0,165x 0.128x ² + 0.32x + 0.586) r ₁ , where

- the ratio of the radius of the rigid center r ₀ to the radius of the membrane r ₁ , and the ends of the second radial strain gauges are placed between the support base and a circle whose radius r is determined by the ratio r = (- 0,165x ⁴ + 0,165x ³ + 0,128x ² + 0,32x +0.586) r ₁ .

На фиг.3, 4 показана конструкция датчика давления. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2 (фиг.3), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5. Тонкопленочная НиМЭМС 3 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.Figure 3, 4 shows the design of the pressure sensor. The sensor contains a housing 1 with a fitting 2 (Fig. 3), a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) 3 installed in it, output conductors 4, a cable jumper 5. The thin-film NiMEMS 3 is a structurally complete module that provides high manufacturability of the sensor assembly.

На фиг.4 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 6 с жестким центром 7, жестко заделанной по контуру, с опорным основанием 8 за границей 9 мембраны с жестким центром, гетерогенной структуры 10, контактной колодки 11, герметизирующей втулки 12, соединительных проводников 13, выводных колков 14, диэлектрических втулок 15.Figure 4 separately shows the thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) of the sensor. It consists of an elastic element - a round membrane 6 with a rigid center 7, rigidly sealed along the contour, with a support base 8 outside the border of 9 of the membrane with a rigid center, a heterogeneous structure 10, a contact block 11, a sealing sleeve 12, connecting conductors 13, output rings 14 dielectric bushings 15.

На планарной стороне металлической мембраны 6 с жестким центром 7 методами тонкопленочной технологии образована гетерогенная структура 10 (фиг.5 а, б) из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащая тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои. В гетерогенной структуре сформированы первые радиальные тензорезисторы 16, 17, начало которых расположено на краю жесткого центра 7, и вторые радиальные тензорезисторы 18, 19, начало которых расположено на краю (границе 9) опорного основания 8 мембраны 6, а также тонкопленочные перемычки 20 и контактные площадки 21. Тензорезисторы 16, 17 и 18, 19 образуют смежные плечи мостовой измерительной цепи. Из тензорезисторов 16, 17, 18, 19 и им подобных, сформированных на мембране аналогичным образом, образуются один или два измерительных моста, концы первых радиальных тензорезисторов размещены между жестким центром и окружностью, радиус которой r определен по соотношениюOn the planar side of the metal membrane 6 with a rigid center 7, a heterogeneous structure 10 (Fig. 5 a, b) of nano- and micro-sized films of materials containing thin-film dielectric, strain-resisting and contact layers is formed by thin-film technology methods. In the heterogeneous structure, the first radial strain gauges 16, 17 are formed, the beginning of which is located on the edge of the rigid center 7, and the second radial strain gauges 18, 19, the beginning of which is located on the edge (border 9) of the support base 8 of the membrane 6, as well as thin-film jumpers 20 and contact platforms 21. The strain gauges 16, 17 and 18, 19 form the adjacent shoulders of the bridge measuring circuit. Of the strain gauges 16, 17, 18, 19 and the like, formed on the membrane in the same way, one or two measuring bridges are formed, the ends of the first radial strain gauges are placed between the rigid center and the circle whose radius r is determined by the ratio

где

- отношение радиуса жесткого центра r₀ к радиусу мембраны r₁, а концы вторых радиальных тензорезисторов размещены между опорным основанием и окружностью, радиус которой r определен по соотношениюWhere

- the ratio of the radius of the rigid center r ₀ to the radius of the membrane r ₁ , and the ends of the second radial strain gauges are placed between the support base and a circle whose radius r is determined by the ratio

r=(-0,165x⁴+0,165x³+0,128x²+0,32x+0,586)·r₁.r = (- 0.165x ⁴ + 0.165x ³ + 0.128x ² + 0.32x + 0.586) r ₁ .

Соотношение (2) было получено в результате моделирования деформаций методом конечных разностей с использованием алгоритма и программы [6]. Такое соотношение можно получить по результатам моделирования деформаций с использованием программного пакета ANSYS и ему подобных. При изменении соотношений радиусов жесткого центра r₀ и радиуса мембраны r₁ определялось положение точки равенства нулю радиальных деформаций (точка смены знака радиальных деформаций - положительных на отрицательные). Затем путем аппроксимации полученных данных с помощью полинома четвертой степени была установлена зависимость относительного радиуса r окружности, на которой расположены точки равенства нулю радиальных деформаций, от соотношений радиусов жесткого центра r₀ и радиуса мембраны r₁. На фиг.6 кружками показаны данные, полученные в результате моделирования, а непрерывной линией показана кривая, полученная в результате аппроксимации таких данных.Relation (2) was obtained as a result of modeling deformations by the finite difference method using the algorithm and program [6]. Such a ratio can be obtained from the results of strain modeling using the ANSYS software package and the like. When the ratios of the radii of the rigid center r ₀ and the membrane radius r _{1 were} changed, the position of the point of equal to zero radial deformation was determined (the point of changing the sign of radial deformation - positive to negative). Then, by approximating the obtained data using a polynomial of the fourth degree, the dependence of the relative radius r of the circle on which the points of equal to zero radial deformation are located on the ratios of the radii of the rigid center r ₀ and the membrane radius r _{1 is established} . 6, circles show data obtained as a result of modeling, and a continuous line shows a curve obtained by approximating such data.

На фиг 7 отдельно представлен тензорезистор с перемычками, сформированными в гетерогенной структуре 10 тонкопленочной НиМЭМС датчика давления, где 22 - диэлектрик SiO; 23 - тензорезистивный слой Х20Н75Ю; 24 - подслой перемычки V; 25 - материал перемычки Au.In Fig. 7, a strain gauge with jumpers formed in a heterogeneous structure 10 of a thin-film NiMEMS pressure sensor is shown separately, where 22 is a SiO dielectric; 23 - strain resistive layer X20N75YU; 24 - sublayer of the jumper V; 25 - material of the jumper Au.

Гетерогенная структура 10 (фиг.4, 5 а) может состоять из четырех нано- и микроразмерных слоев, образованных на металлической мембране 6 (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика).The heterogeneous structure 10 (Figs. 4, 5 a) can consist of four nano- and micro-sized layers formed on a metal membrane 6 (36NХТУ steel may be the material of the membrane) with a microroughness height of not more than 50-100 nm (with a membrane microroughness height more than 100 nm, it becomes fundamentally impossible to obtain stable thin-film structures, and therefore new qualitative indicators characteristic of the sensor).

Первый слой - подслой диэлектрика. Подслой диэлектрика, во-первых, служит демпфером между упругим элементом и диэлектриком для снятия температурных напряжений, возникающих в процессе напыления, а во-вторых, обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом упругого элемента. Толщина подслоя равна 150-300 нм. Материалом подслоя диэлектрика может быть хром, Cr.The first layer is the dielectric sublayer. First, the dielectric sublayer serves as a damper between the elastic element and the dielectric to relieve temperature stresses arising during the deposition process, and secondly, it ensures the adhesion of the dielectric film with the material of the elastic element. The thickness of the sublayer is 150-300 nm. The material of the dielectric sublayer may be chromium, Cr.

Второй - диэлектрический слой. Его задачей является обеспечение электрической изоляции между тензосхемой и упругим элементом в широком диапазоне температур. Поэтому к диэлектрику предъявляются жесткие требования по пористости, высокому удельному сопротивлению и, в связи с тем, что он работает при воздействии значительных механических нагрузок, высоким прочностным характеристикам. В качестве диэлектрического слоя может быть тонкопленочная структура SiO-SiO₂.The second is the dielectric layer. Its task is to provide electrical insulation between the tensor circuit and the elastic element in a wide temperature range. Therefore, stringent requirements are imposed on the dielectric in terms of porosity, high specific resistance and, due to the fact that it works under the influence of significant mechanical loads, high strength characteristics. As the dielectric layer may be a thin-film structure of SiO-SiO ₂ .

Третий - резистивный слой. Его толщина составляет 40…100 нм. К нему предъявляются очень жесткие требования: максимальный коэффициент тензочувствительности; высокие механические характеристики; большое удельное сопротивление; высокая температурная стабильность; хорошая адгезия с диэлектрическим слоем и материалом контактных групп; низкое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС); широкий рабочий диапазон температур (от криогенных до 300°C); его температурный коэффициент тензочувствительности (ТКТ) должен быть близок к температурному коэффициенту модуля упругости (ТКМУ) материала упругого элемента и др. Материалом резистивного слоя может быть Х20Н75Ю.The third is the resistive layer. Its thickness is 40 ... 100 nm. Very stringent requirements are imposed on it: maximum coefficient of strain sensitivity; high mechanical characteristics; high resistivity; high temperature stability; good adhesion with the dielectric layer and the material of the contact groups; low value of temperature coefficient of resistance (TCS); wide operating temperature range (from cryogenic to 300 ° C); its temperature coefficient of strain sensitivity (TKT) should be close to the temperature coefficient of elastic modulus (TKMU) of the material of the elastic element, etc. The material of the resistive layer can be X20N75Yu.

Четвертый слой - контактная группа (площадки, перемычки, проводники). К нему предъявляются следующие требования: хорошая адгезия и низкое переходное сопротивление с материалом тензорезистора; низкое удельное сопротивление; малый уровень тепловой и электромиграции; хорошая свариваемость с выводными проводниками при минимальной толщине; широкий диапазон рабочих температур; низкий уровень окисления при воздействии рабочих температур и во времени. Толщина контактных площадок и проводников для исключения отслоения от диэлектрика, особенно при воздействии широкого диапазона температур, должна быть не более 100 нм. В качестве контактной группы может быть структура V-Au.The fourth layer is the contact group (pads, jumpers, conductors). The following requirements are imposed on it: good adhesion and low transition resistance with a strain gauge material; low resistivity; low level of heat and electromigration; good weldability with lead-out conductors with a minimum thickness; wide range of operating temperatures; low oxidation when exposed to operating temperatures and over time. The thickness of the pads and conductors to exclude delamination from the dielectric, especially when exposed to a wide temperature range, should be no more than 100 nm. As the contact group may be the structure of V-Au.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 6 с жестким центром 7. В результате этого на планарной поверхности мембраны возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 16, 17, 18, 19. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой схемой в выходное напряжение, снимаемое с контактных площадок 21. В связи с размещением концов первых радиальных тензорезисторов 16, 17 и концов вторых радиальных тензорезисторов 18, 19, а также их тонкопленочных (контактных) перемычек 20 с контактными площадками 21 на окружности, радиус которой r определен по соотношению (2), они оказываются расположенными в зоне минимальных (нулевых) радиальных деформаций от измеряемого давления. При этом зоны радиальных отрицательных и положительных деформаций используются тензорезисторами 16, 17, 18, 19 полностью и оптимальным образом. Тензорезисторы 16 и 17 расположены в зоне отрицательных деформаций от ее минимума (в точке, определяемой соотношением (2)) до максимума (в точке на краю мембраны 6), а тензорезисторы 18 и 19 расположены в зоне положительных деформаций от ее минимума (в точке, определяемой соотношением (2)) до максимума (в точке на краю жесткого центра 7), что позволило повысить чувствительность и за счет этого точность датчика по сравнению с прототипом. Поскольку тонкопленочные перемычки концов первых и вторых радиальных тензорезисторов размещены на окружности, радиус которой r определен по соотношению (2), они оказываются расположенными в зоне с минимальными (нулевыми) радиальными деформациями мембраны, что повышает надежность датчика, так как соединительные проводники 13, приваренные к контактным площадкам 21, испытывают меньшие напряжения при действии на мембрану 6 давления. Так как для любого соотношения радиуса жесткого центра к радиусу мембраны может быть определен радиус оптимального размещения тензорезисторов в зонах положительных и отрицательных деформаций, технологичность изготовления датчика с различными мембранами, отличающимися диаметром жесткого центра, повышается.The pressure sensor operates as follows. The measured pressure acts on the membrane 6 with a rigid center 7. As a result, deformations occur on the planar surface of the membrane, which are perceived by the strain gauges 16, 17, 18, 19. The change in the resistance of the strain gauges is converted by the bridge circuit into the output voltage removed from the contact pads 21. In connection with the placement of the ends of the first radial strain gauges 16, 17 and the ends of the second radial strain gauges 18, 19, as well as their thin-film (contact) jumpers 20 with contact pads 21 on a circle, the radius of the cat swarm r is defined by the relation (2), they are located in the zone of minimum (zero) from the measured radial deformation pressure. Moreover, the zones of radial negative and positive deformations are used by the strain gauges 16, 17, 18, 19 in a completely and optimal way. The strain gages 16 and 17 are located in the zone of negative deformations from its minimum (at a point defined by relation (2)) to the maximum (at a point on the edge of the membrane 6), and the strain gages 18 and 19 are located in the zone of positive deformations from its minimum (at the point, determined by relation (2)) to the maximum (at a point on the edge of the rigid center 7), which allowed to increase the sensitivity and due to this the accuracy of the sensor compared to the prototype. Since the thin-film jumpers of the ends of the first and second radial strain gauges are placed on a circle whose radius r is determined by the relation (2), they turn out to be located in the zone with minimal (zero) radial deformation of the membrane, which increases the reliability of the sensor, since the connecting conductors 13 welded to contact pads 21, experience less stress when exposed to pressure membrane 6. Since for any ratio of the radius of the rigid center to the radius of the membrane, the radius of the optimal placement of strain gages in the zones of positive and negative deformations can be determined, the manufacturability of the sensor with various membranes differing in the diameter of the rigid center increases.

Анализ показывает, что при наличии жесткого центра и увеличении соотношения радиуса жесткого центра r₀ к радиусу мембраны r_м уменьшается влияние термоудара и, соответственно, температурная погрешность датчика от воздействия нестационарных температур. При этом при любом соотношении радиуса жесткого центра r₀ к радиусу мембраны r_м, с использованием соотношения (2) обеспечивается оптимальное формирование окружных и радиальных тензорезисторов на мембране, позволяющее получить максимальную чувствительность и за счет этого повысить точность.The analysis shows that in the presence of a rigid center and an increase in the ratio of the radius of the rigid center r ₀ to the radius of the membrane r _m , the influence of thermal shock and, accordingly, the temperature error of the sensor from unsteady temperatures decrease. Moreover, for any ratio of the radius of the rigid center r ₀ to the radius of the membrane r _m , using relation (2), the optimal formation of circumferential and radial strain gauges on the membrane is ensured, which allows to obtain maximum sensitivity and thereby increase accuracy.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения, повышается точность, в связи с повышением чувствительности за счет полного и оптимального использования зон радиальных положительных и отрицательных деформаций; повышается надежность за счет уменьшения напряжений при деформациях мембраны (под действием давления) в местах подсоединения соединительных проводников к контактным площадкам; повышается технологичность за счет возможности размещения тензорезисторов оптимальным образом при любых отношениях радиуса жесткого центра к радиусу мембраны.Thus, due to the distinguishing features of the invention, the accuracy is improved, due to the increased sensitivity due to the full and optimal use of the zones of radial positive and negative deformations; reliability is improved by reducing stresses during deformation of the membrane (under the action of pressure) in the places of connecting the connecting conductors to the contact pads; manufacturability increases due to the possibility of placing strain gauges in an optimal way for any ratio of the radius of the rigid center to the radius of the membrane.

В результате испытаний экспериментальных образцов датчиков давления, изготовленных в соответствии формулой изобретения, установлено, что датчики позволяют повысить точность за счет повышения чувствительности. При этом погрешность не превышает 0,5% от предела измерений.As a result of tests of experimental samples of pressure sensors made in accordance with the claims, it was found that the sensors can improve accuracy by increasing sensitivity. Moreover, the error does not exceed 0.5% of the measurement limit.

Предлагаемый датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системой может найти широкое применение для измерения давлений жидких и газообразных агрессивных сред.The proposed pressure sensor with a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system can be widely used for measuring pressure of liquid and gaseous aggressive media.

Источники информацииInformation sources

1. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника - 2007. - №. 12. - С.49-51.1. Belozubov EM, Belozubova N.E. Thin-film strain gauge pressure sensors - products of nano- and microsystem technology // Nano and microsystem technology - 2007. - №. 12. - S. 49-51.

2. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Громков Н.В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных и перспективных датчиков давления для ракетной и авиационной техники // Измерительная техника - М., 2009 - № 7. - С.35-38.2. Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Gromkov N.V. Thin-film nano- and microelectromechanical systems are the basis of modern and promising pressure sensors for rocket and aviation equipment // Measuring equipment - M., 2009 - No. 7. - P.35-38.

3. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение - М., 2002 - № 4 - С.97-108.3. Vasiliev V.A. Technological features of solid-state membrane sensitive elements // Bulletin of Moscow State Technical University. Ser. Instrument engineering - M., 2002 - No. 4 - S.97-108.

4. Патент РФ № 1569613, G01L 9/04. Датчик давления / Е.М.Белозубов // Б.И. № 21 от 07.06.90.4. RF patent No. 1569613, G01L 9/04. Pressure sensor / E.M. Belozubov // B.I. No. 21 dated 07/07/90.

5. Патент РФ № 2082124, G01L 9/04. Датчик давления / Е.М.Белозубов // Б.И. № 17 от 20.06.97.5. RF patent No. 2082124, G01L 9/04. Pressure sensor / E.M. Belozubov // B.I. No. 17 dated 06/20/97.

6. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Алгоритм и программа «Моделирование воздействия давления на чувствительные элементы датчиков мембранного типа» / Зарегистрировано в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» ФАО ГКЦИТ, г.Москва, 03.07.2008 г. гос. рег. № 50200801328. Св-во об отрасл. рег. разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ № 10846 от 06.06.2008 г.6. Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Chernov P.S. Algorithm and program “Modeling the effects of pressure on the sensitive elements of membrane-type sensors” / Registered in the “National Information Fund of Unpublished Documents” FAO SCCIT, Moscow, July 03, 2008, state. reg. No. 50200801328. The certificate of industry. reg. development in the industry fund of algorithms and programs No. 10846 dated 06.06.2008

Claims (1)

Датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системой, содержащий корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, заделанную по контуру в опорном основании, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю жесткого центра и вторые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю опорного основания мембраны, соединенные тонкопленочными перемычками, включенные в измерительный мост, отличающийся тем, что концы первых радиальных тензорезисторов размещены между жестким центром и окружностью, радиус которой r определен по соотношению
r=(-0,165x⁴+0,165x³+0,128x²+0,32x+0,586)·r₁, где

- отношение радиуса жесткого центра r₀ к радиусу мембраны r₁, а концы вторых радиальных тензорезисторов размещены между опорным основанием и окружностью, радиус которой r определен по соотношению
r=(-0,165x⁴+0,165х³+0,128x²+0,32x+0,586)·r₁. A pressure sensor with a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system, comprising a housing, a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) installed in it, consisting of an elastic element - a membrane with a rigid center, sealed along the contour in the support base formed on it of a heterogeneous structure of thin films materials in which the contact pads are formed, the first radial strain gages, the beginning of which is located on the edge of the rigid center, and the second radial strain gages, the beginning of which Position the supporting base at the edge of the membrane, connected by thin-film webs included in the measuring bridge, characterized in that the radial ends of the first strain gauge placed between the rigid center and a circumference whose radius r is defined by the relation
r = (- 0.165x ⁴ + 0.165x ³ + 0.128x ² + 0.32x + 0.586) r ₁ , where

- the ratio of the radius of the rigid center r ₀ to the radius of the membrane r ₁ , and the ends of the second radial strain gauges are placed between the support base and a circle whose radius r is determined by the ratio
r = (- 0.165x ⁴ + 0.165x ³ + 0.128x ² + 0.32x + 0.586) r ₁ .

Images