RU2732839C1 - Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью - Google Patents

Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью Download PDF

Info

Publication number
RU2732839C1
RU2732839C1 RU2019121377A RU2019121377A RU2732839C1 RU 2732839 C1 RU2732839 C1 RU 2732839C1 RU 2019121377 A RU2019121377 A RU 2019121377A RU 2019121377 A RU2019121377 A RU 2019121377A RU 2732839 C1 RU2732839 C1 RU 2732839C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
section
wide
sections
profile
Prior art date
Application number
RU2019121377A
Other languages
English (en)
Inventor
Вадим Сергеевич Волков
Елизавета Анатольевна Рыблова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ПГУ")
Priority to RU2019121377A priority Critical patent/RU2732839C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2732839C1 publication Critical patent/RU2732839C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/04Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к полупроводниковым преобразователям давления, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных датчиков малых давлений. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит жесткозащемленную кремниевую мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, отношение ширины участков составляет 3,6:1, а координата точки сопряжения участков определяется соотношением Y = 0,567 R, где R – радиус мембраны. На верхней части мембраны расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности преобразователя давления. 5 ил.

Description

Полупроводниковый преобразователь давления относится к области измерительной техники, в частности, к полупроводниковым чувствительным элементам, применяемым в датчиках давления и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления жидких и газообразных сред.
Известен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий квадратную профилированную мембрану, профиль которой представляет собой чередующиеся трапеции. По краям мембраны расположены 4 полупроводниковых тензорезистора, сформированные диффузионным методом и объединенные в мостовую схему [Патент US 4,467,656].
Известен полупроводниковый преобразователь давления в виде жесткозащемленной мембраны с профилем в виде гофра, при этом форма гофра обеспечивается технологией травления полупроводниковой мембраны [Патент US 5,209,118].
Недостатком известных преобразователей давления является низкая чувствительность.
Из известных, наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый преобразователь давления, содержащий жесткозащемленную профилированную кремниевую мембрану, сечение которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, при этом широкий участок профиля сечения расположен симметрично вертикальной оси сечения, а узкий участок профиля прилегает вплотную к области жесткой заделки мембраны [Патент US 4,236,137].
К недостаткам рассматриваемого устройства можно отнести снижение прочности мембраны, так как наиболее тонкий участок профиля мембраны расположен в области жесткой заделки, в которой под действием измеряемого давления возникают максимальные механические напряжения, а также возможность возникновения дополнительной погрешности выходного сигнала за счет расположения широкого участка сечения в центре мембраны, вследствие чего центральная часть мембраны будет вести себя как инерционная масса при воздействии вибраций и ускорений. Кроме того, погрешность линейности прототипа хоть и несколько ниже погрешности линейности плоской мембраны одинаковой прочности, является недостаточной для соответствия к современным требованиям, предъявляемым к современным средствам измерения механических величин.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение чувствительности полупроводникового преобразователя давления и увеличение точности за счет снижения погрешности линейности выходного сигнала.
Это достигается тем, что в полупроводниковом преобразователе давления, содержащем жесткозащемленную профилированную кремниевую мембрану, сечение которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенными в полную мостовую схему, согласно предлагаемому изобретению профиль сечения мембраны содержит широкие участки, расположены с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения таким образом, что координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1.
Введение предложенной конструкции, содержащей жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой содержит широкие участки, расположены с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения таким образом, что координата сопряжения широкого и узкого участков равна Y = 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, позволяет повысить чувствительность преобразования за счет перераспределения механических напряжений, возникающих в мембране преобразователя под действием измеряемого давления, а также снизить погрешность линейности за счет расположения широких участков профиля в области жесткой заделки мембраны.
Предлагаемое устройство поясняется на фиг. 1 - 5.
На фиг. 1 изображен полупроводниковый преобразователь давления, содержащий жесткозащемленную кремниевую мембрану (1), профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, отношение ширины участков составляет 3,6:1, координата точки сопряжения участков (2) определяется соотношением Y = 0,567 R, где R – радиус мембраны. На верхней части мембраны расположены тензорезисторы (3), объединенные в полную мостовую схему.
Принцип работы преобразователя заключается в следующем.
Измеряемое давление, воздействуя на мембрану преобразователя, деформирует тензорезисторы и увеличивает разбаланс мостовой схемы, в которую замкнуты тензорезисторы. За счет предложенного сочетания широких и узких участков профиля мембраны, а также определенных в результате численного моделирования геометрических соотношений размеров участков, чувствительность преобразования выше, чем у прототипа, при этом погрешность линейности выходного сигнала меньше, чем у прототипа.
Относительное изменение сопротивления тензорезисторов, расположенных в области заделки полупроводниковой кремниевой мембраны радиально и тангенциально, определяется по формуле .
Δ R R = π 44 2 ( σ l σ t )
Figure 00000001
,
((1)
где σl и σt - радиальное и тангенциальное механические напряжения соответственно, π44 – компонент тензора тензорезистивных коэффициентов, являющийся характеристикой материала тензорезисторов [Gad-el-Hak M. The MEMS handbook. – CRC press, 2001].
При использовании полной мостовой схемы выходное напряжение определяется выражением
Figure 00000002
, где Uвых – напряжение питания мостовой схемы. Чувствительность S преобразователя давления определяется отношением выходного напряжения преобразователя к входному давлению и при использовании преобразователя давления и тензорезисторов из одного и того же материала при одинаковом напряжении питания чувствительность преобразователя можно выразить как отношение разности радиального и тангенциального механических напряжений к приложенному давлению
Figure 00000003
.
((2)
Погрешность линейности определяется в соответствие с
ГОСТ 22520-85, при этом линейная зависимость строится по данным численного моделирования методом наименьших квадратов [ГОСТ 22520-85 Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие технические условия].
Пример.
Вследствие симметрии профиля мембраны относительно вертикальной оси рассматривалась одна половина профиля. На фиг. 2 изображена половина преобразователя давления в виде круглой мембраны радиусом R = 1,5 мм, радиусом точки сопряжения узкого и широкого участков R = 0,85 мм, ширина узкого участка 10 мкм, ширина широкого участка 36 мкм. На фиг. 3 изображена половина конструкции прототипа преобразователя давления в виде круглой мембраны радиусом R = 1,5 мм, радиусом точки сопряжения узкого и широкого участков R = 1,41 мм, ширина узкого участка 17 мкм, ширина широкого участка 45 мкм. Радиус рабочей части прототипа и предложенной конструкции выбран одинаковым и равным минимально технологически достижимому значению, при котором возможна распайка проводников на поверхности мембраны. Ширина узкого участка предложенной конструкции и геометрические параметры прототипа выбраны также из условия прочности мембраны (напряжение по Мизесу не превышает допустимого значения 500 МПа) при заданной значении максимального измеряемого давления P = 200кПа.
На фиг. 4 представлено значение напряжения по Мизесу от координаты сечения преобразователя давления, которое определяет прочность мембраны.
Анализ графиков на фиг. 4 показывает, что предложенная конструкция характеризуется распределением механических напряжений, отличным от прототипа, при этом максимальное напряжение не превышает предела прочности.
Как известно, при воздействии давления на плоскую мембрану максимальные механические напряжения возникают на краю мембраны в области, непосредственно премыкающей к жесткой заделке [Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 236 с. ил.- (Б-ка расчетчика).]. При этом функция преобразования давления в механическое нпаряжение линейна только при малых прогибах мембраны (не превышающих 20 % от ее толщины). Это означает, что сохранение линейности функции преобразования не позволяет повышать чувствительность путем уменьшения толщины мембраны и сохранения ее габаритного размера (диаметра), так как это приводит к нелинейной зависимости прогиба и механического напряжения от приложенного давления. Некоторого увеличения чувствительности можно сдобиться за счет применения мембраны с жестким центром, но при этом под действием наибольших напряжений оказывается наиболее тонкий участок мембраны, прилегающий УК области заделки, т.е., снижается прочность конструкции. При использовании предложенного технического решения, согласно которому ширина крайнего участка сечения мембраны, прилегающего к области жесткой заделки больше, чем ширина центрального участка сечения, достигается увеличение прочности конструкции за счет того, что наиболее нагруженный участок сечения находится в области сопряжения широкого и узкого участков (см. фиг. 4), при этом максимальное напряжение не превышает допустимого значения по Мизесу 500 МПа. При увеличении приложенного давления от 0 до максимального значения возрастает линейность зависимости разности радиального и тангенциального напряжения на краю сечения мембраны, так как при увеличении давления центральный более узкий участок прогибается сильнее, снижая нагрузку на широкий участок сечения.
Для сравнения характеристик прототипа и предложенной конструкции были получены зависимости разности радиального и тангенциального напряжений от приложенного давления в диапазоне от 0 до 200 кПа, представленные на фиг. 5. При построении зависимостей учитывается то факт, что реальный тензорезистор, в отличии от точечного, имеет конечную длину, минимальное значение которой из технологически соображений для заданных геометрических размеров мембраны составляет 100 мкм. Поэтому значение разности радиального и тангенциального напряжений необходимо усреднять по длине тензорезистора
Figure 00000004
,
((3)
где lр – рабочая длина тензорезистора, lн и lк – координаты начальной и конечной точек тензорезистора соответственно, x – текущая координата.
Анализ фиг. 5 показывает, что максимальная погрешность линейности прототипа, определенная в соответствии с ГОСТ 22520-85, составляет 4,98%, тогда как максимальная погрешность линейности предложенной конструкции составляет 1,46 %, т.е., меньше , чем у прототипа в 3,4 раза. При этом чувствительность предложенной конструкции, определенная в соответствие с выражением (2), превышает чувствительность прототипа в 1, 37 раза (на 37 %).
Введение предложенной конструкции, содержащей кремневую жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, при этом профиль сечения полупроводниковой мембраны содержит широкие участки, расположены с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения, так что координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1, позволяет повысить точность преобразователя за счет снижения погрешности линейности не менее чем в три раза, а также повысить чувствительность преобразователя по сравнению с прототипом на 30 % за счет оптимального выбора координаты точки сопряжения узкого и широкого участков профиля и отношения ширины широкого участка к узкому.
Технико-экономическим преимуществом предлагаемого преобразователя по сравнению с известными является повышение точности и чувствительности при измерении давления.
Источники известности
1 Патент US 4,467,656
2 Патент US 5,209,118
3 Патент US 4,236,137
4 Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 236 с. ил.- (Б-ка расчетчика).
5 ГОСТ 22520-85 Датчики давления, разрежения и разности давлений с электрическими аналоговыми выходными сигналами ГСП. Общие 4 технические условия.
6 Gad-el-Hak M. The MEMS handbook. – CRC press, 2001.

Claims (1)

  1. Полупроводниковый преобразователь давления содержит кремневую жесткозащемленную профилированную мембрану, профиль сечения которой представляет собой сочетание широких и узких участков, расположенных симметрично относительно вертикальной оси сечения, на верхней части которой в области жесткой заделки расположены тензорезисторы, объединенные в полную мостовую схему, отличающийся тем, что профиль сечения полупроводниковой мембраны содержит широкие участки, расположенные с краю мембраны и прилегающие к области жесткой заделки, а узкий участок расположен симметрично вертикальной оси профиля в центре сечения, при этом координата сопряжения широкого и узкого участков равна 0,567 R, где R – радиус мембраны, а отношение ширины широкого и узкого участков профиля равно 3,6:1.
RU2019121377A 2019-07-09 2019-07-09 Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью RU2732839C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019121377A RU2732839C1 (ru) 2019-07-09 2019-07-09 Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019121377A RU2732839C1 (ru) 2019-07-09 2019-07-09 Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2732839C1 true RU2732839C1 (ru) 2020-09-23

Family

ID=72922470

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019121377A RU2732839C1 (ru) 2019-07-09 2019-07-09 Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2732839C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814435C1 (ru) * 2023-10-30 2024-02-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Полупроводниковый преобразователь давления

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU45526U1 (ru) * 2004-11-22 2005-05-10 Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" Устройство для измерения давления
RU2278447C2 (ru) * 2004-07-01 2006-06-20 Госудаственное Учреждение Научно-Производственный Комплекс "Технологический центр" Московского Государственного Института Электронной Техники (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) Интегральный преобразователь давления
US20100326199A1 (en) * 2008-02-14 2010-12-30 Kulite Semiconductor Products, Inc. Low differential pressure transducer
US20120125113A1 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 Lianjun Liu Pressure transducer having structure for monitoring surface charge
US8511151B2 (en) * 2009-02-25 2013-08-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Pressure sensor with semiconductor pressure measuring transducer
RU2507491C1 (ru) * 2012-07-20 2014-02-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления
US20140165735A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-19 Kulite Semiconductor Products, Inc. Matching back pressures on differential oil-filled diaphragms
RU2555190C1 (ru) * 2014-03-20 2015-07-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Полупроводниковый преобразователь давления
RU2595800C2 (ru) * 2011-10-28 2016-08-27 Конинклейке Филипс Н.В. Ячейка емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа с заглушкой

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2278447C2 (ru) * 2004-07-01 2006-06-20 Госудаственное Учреждение Научно-Производственный Комплекс "Технологический центр" Московского Государственного Института Электронной Техники (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) Интегральный преобразователь давления
RU45526U1 (ru) * 2004-11-22 2005-05-10 Закрытое акционерное общество Промышленная группа "Метран" Устройство для измерения давления
US20100326199A1 (en) * 2008-02-14 2010-12-30 Kulite Semiconductor Products, Inc. Low differential pressure transducer
US8511151B2 (en) * 2009-02-25 2013-08-20 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Pressure sensor with semiconductor pressure measuring transducer
US20120125113A1 (en) * 2010-11-18 2012-05-24 Lianjun Liu Pressure transducer having structure for monitoring surface charge
RU2595800C2 (ru) * 2011-10-28 2016-08-27 Конинклейке Филипс Н.В. Ячейка емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа с заглушкой
RU2507491C1 (ru) * 2012-07-20 2014-02-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления
US20140165735A1 (en) * 2012-12-19 2014-06-19 Kulite Semiconductor Products, Inc. Matching back pressures on differential oil-filled diaphragms
RU2555190C1 (ru) * 2014-03-20 2015-07-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Полупроводниковый преобразователь давления

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814435C1 (ru) * 2023-10-30 2024-02-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Полупроводниковый преобразователь давления
RU224032U1 (ru) * 2023-12-06 2024-03-13 Елизавета Анатольевна Рыблова Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной чувствительностью

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11009412B2 (en) Microelectromechanical scalable bulk-type piezoresistive force/pressure sensor
Sandmaier et al. A square-diaphragm piezoresistive pressure sensor with a rectangular central boss for low-pressure ranges
EP3236226B1 (en) Method of manufacturing a pressure sensor
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
CN104729784B (zh) 一种梁槽结合台阶式岛膜微压传感器芯片及制备方法
JP5883771B2 (ja) 圧力センサ
US8671765B2 (en) Pressure sensor having a diaphragm
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
Tian et al. The novel structural design for pressure sensors
EP0429641B1 (en) Single diaphragm transducer with multiple sensing elements
JP2018048859A (ja) 圧力センサ
US3289134A (en) Gaged diaphragm pressure transducer
Li et al. High-pressure sensor with high sensitivity and high accuracy for full ocean depth measurements
RU2384825C1 (ru) Датчик для измерения давления
EP0111640A2 (en) Pressure sensor with semi-conductor diaphragm
RU2732839C1 (ru) Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной точностью и чувствительностью
CN111122026A (zh) 一种压力传感器
WO2015057515A1 (en) Microelectromechanical pressure sensors
CN210893522U (zh) 一种mems压力传感器
RU2469437C1 (ru) Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром
RU224032U1 (ru) Полупроводниковый преобразователь давления с повышенной чувствительностью
CN209214813U (zh) 玻璃微熔压力传感器
RU2362132C1 (ru) Интегральный преобразователь давления
CN112798169A (zh) 一种具有抗高过载能力的高压传感器
Ferreira et al. Optimized design of a piezoresistive pressure sensor with measurement span of 1 MPa