SU1597631A1 - Pressure transducer - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к устройствам дл  измерени  статических и динамических давлений газообразных сред с помощью датчиков, использующих поверхностные акустические волны (ПАВ). Цель изобретени  - повышение надежности и технологичности датчика и уменьшение температурной погрешности. Датчик давлени  на ПАВ содержит кремниевую мембрану 1, на которой расположен диффузионный резистивный нагреватель 2, на нагреватель нанесен слой 3 двуокиси кремни , на котором расположена поверхностно-акустическа  волнова  структура, включающа  в себ  излучающий 4 и приемный 5 электроды, на которые нанесен слой 6 пьезоэлектрика (окиси цинка), электроды ПАВ структуры соединены с усилителем 7 и образуют вместе автогенератор. Резистивный нагреватель 2 имеет контактные площадки 8. Измер емое давление подаетс  в полость 9 через отверстие 10. Изменени  теплопроводности, обусловленные измер емым давлением газа, приводит к изменению температуры мембраны 1 и в силу температурной зависимости времени задержки ПАВ измен етс  выходна  частота автогенератора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.The invention relates to devices for measuring the static and dynamic pressures of gaseous media by means of sensors using surface acoustic waves (SAW). The purpose of the invention is to increase the reliability and manufacturability of the sensor and reduce the temperature error. The surfactant pressure sensor contains a silicon membrane 1, on which a diffusion resistive heater 2 is located, a layer of silicon dioxide 3 is deposited on the heater, on which a surface-acoustic wave structure is located, including the radiating 4 and receiving 5 electrodes, on which layer 6 of a piezoelectric is applied (zinc oxide), the surfactant electrodes of the structure are connected to the amplifier 7 and together form an oscillator. Resistive heater 2 has contact pads 8. Measured pressure is supplied to cavity 9 through opening 10. Changes in thermal conductivity caused by measured gas pressure leads to a change in temperature of membrane 1 and, due to the temperature dependence of the SAW delay time, the output frequency of the autogenerator changes. 1 hp f-ly, 2 ill.

Description

Изобретение относитс  к устройст-; вам дл  измерени  статических и динамических давлений газообразных сред с помощью датчиков, исполь; ую- щих поверхностные акустические волны (ПАВ).The invention relates to a device; you are using sensors to measure the static and dynamic pressures of gaseous media using sensors; surface acoustic waves (SAW).

Цель изобретени  - повышение надежности и технологичности датчика, а также уменьшение температурной погрешности .The purpose of the invention is to increase the reliability and manufacturability of the sensor, as well as to reduce the temperature error.

На фиг.1 изображен датчик давлени  изометри ; на фиг.2 - то же, -продольный разрез.Figure 1 shows the isometric pressure sensor; figure 2 is the same, longitudinal section.

Датчик давлени  на ПАВ содержит кремниевую мембрану 1, на которой расположен диффузионный резистивный The surfactant pressure sensor contains a silicon membrane 1, on which a diffusion resistive is located

нагреватель 2, на нагреватель нанесен слой 3 двуокиси кремни  J. на котором расположена поверхностно-акусти- ческа  структура, включающа  в себ  излучающей 4 и приемный 5 электроды, на которые нанесен слой 6 пьезоэлек- трика, электроды ПАВ-структуры соединены с усилителем 7 и образуют с ним автогенератор. Резистивный нагреватель 2 имеет контактные площадки 8. Измер емое давление подаетс  в полость 9 через входное отверстие 10.heater 2, a silicon dioxide layer 3 is deposited on the heater. On which a surface acoustic structure is located, including the radiating 4 and receiving 5 electrodes, on which the piezoelectric layer 6 is applied, the SAW structure electrodes are connected to an amplifier 7 and form with him an auto generator. The resistive heater 2 has contact pads 8. The measured pressure is supplied to the cavity 9 through the inlet 10.

Датчик работает следующим обра- зом.The sensor works as follows.

При отсутствии изменени  измер емого давлени  в полости 9, образованной мембраной 1 и фланцем датчика давлени , мембрана 1 остаетс  в исход ном состо нии, частота автогенератора неизменна и определ етс  топологией приемного и излучающего электродов и скоростью распространени  ПАВ в акустическом канале. При измене- ни х измер емого давлени  происходит механическа  упруга  деформаци  мембраны 1, а это приводит к искривлению акустического канала на поверхности мембраны 1, а также к изменению рас- сто ни  между излучающим 4 и приемным 5 электродами. Кроме, того, существенное вли ние имеет нелинейное изменение упругости материала мембраны 1. Б результате действи  всех перечис- ленных факторов (.механизмов воздействи ) происходит изменение частоты автогенератора, которое однозначно св зано с измер емым давлением. Это позвол ет получить частотный информативный сигнал, пропорциональный измер емому давлению.In the absence of a change in the measured pressure in the cavity 9 formed by the membrane 1 and the flange of the pressure sensor, the membrane 1 remains in the initial state, the frequency of the oscillator is unchanged and is determined by the topology of the receiving and radiating electrodes and the speed of propagation of the surfactant in the acoustic channel. With changes in the measured pressure, a mechanical elastic deformation of the membrane 1 occurs, and this leads to a curvature of the acoustic channel on the surface of the membrane 1, as well as to a change in the distance between the radiating 4 and receiving 5 electrodes. In addition, a nonlinear change in the elasticity of the material of the membrane 1 has a significant effect. As a result of the action of all the factors listed (effect mechanisms), the oscillator frequency changes, which is unambiguously related to the measured pressure. This makes it possible to obtain a frequency informative signal proportional to the measured pressure.

В диапазоне малых давлений (менее 1 мм рт.ст.) деформаций мембраныIn the range of low pressures (less than 1 mm Hg) deformations of the membrane

10ten

.с .with

20 25 20 25

ЗО ZO

д 40 45 jQ d 40 45 jQ

5555

не происходит, однако температура датчика становитс  зависимой от коэффициента теплопроводности газа, давление которого измер етс .does not occur, however, the temperature of the sensor becomes dependent on the thermal conductivity of the gas whose pressure is measured.

Изменени  теплопроводности, обусловленные измер емым давлением газа, привод т к изменению температуры мембраны 1, и в силу температурной зависимости времени задержки ПАВ измен етс  выходна  частота автогенератора.The changes in thermal conductivity due to the measured gas pressure lead to a change in the temperature of the membrane 1, and due to the temperature dependence of the SAW delay time, the output frequency of the autogenerator changes.

Дл  повьщгени  крутизны преобразовани  в диапазоне малых давлений в приповерхностном слое мембраны 1 формируетс  диффузионньш резистивньш нагреватель 2, который усиливает интенсивность тепловых процессов и тем самым степень вли ни  вариации коэффициента теплопроводности воздухаг в рабочей полости мембраны от измер емого давлени .To increase the conversion slope in the low pressure range, a diffusion resistive heater 2 is formed in the subsurface layer of membrane 1, which enhances the intensity of thermal processes and thereby the degree of influence of the variation of the thermal conductivity coefficient of the air in the working cavity of the membrane from the measured pressure.

Дл  уменьшени  вли ни  температуры окружающей среды в предлагаемом техническом решении предлагаетс  ис-- пользовать такое сочетание слоев, расположенных на кремниевой мембране; 1, которое обеспечивало бы минималь- ный температурный коэффициент всей трехслойной системы, обеспечивающей реализацию процесса формировани  выходного (частотного) сигнала на основе распространени  ПАВ. Дл  это- то использовано сочетание сло  окиси цинка (ZnQ) (как пьзоэлектрического сло ) с защитным слоем двуокиси кремни  (SiOj), гальванически изолирующего диффузионный резистивный нагреватель 2 от пьезоэлектрического сло  6. При этом график теоретической зависимости температурного коэффициента частоты (ТЧК) многослойной структуры проходит через нуль при сочетании толщин слоев ZnO и SrO., равном 1:2(дл  основной моды). Предлагаемае сочетание слоев с учетом технологии получени  диффузионного нагревател  позвол ет обеспечить р д преимуществ при массовом изготовлении датчика давлени , а именно высокую технологичность , механическую прочность и надежность. I Формула иэобре тёни To reduce the influence of the ambient temperature, the proposed technical solution proposes using such a combination of layers located on a silicon membrane; 1, which would ensure the minimum temperature coefficient of the entire three-layer system, ensuring the implementation of the process of generating the output (frequency) signal based on the propagation of the surfactant. For this, a combination of a zinc oxide layer (ZnQ) (as a piezoelectric layer) with a protective silicon dioxide layer (SiOj) galvanically isolating the diffusion resistive heater 2 from the piezoelectric layer 6 is used. The graph of the theoretical dependence of the temperature coefficient of frequency (PTS) of the multilayer structure passes through zero when combining the thicknesses of the ZnO and SrO. layers equal to 1: 2 (for the main mode). The proposed combination of layers, taking into account the technology of obtaining a diffusion heater, provides a number of advantages in the mass fabrication of a pressure sensor, namely high manufacturability, mechanical strength and reliability. I Formula iobre shёn

1. Датчик давлени , содержащий мембрану, резистивный нагреватель с токоподводами и встречно щтьфевые преобразователи поверхностных акустических волн - излучающий и приемный , подключенные соответственно к1. A pressure sensor containing a membrane, a resistive heater with current leads and counter-chip surface transducers of acoustic waves — radiating and receiving, connected respectively to

51597635159763

выходу и входу усилител , о т л и - дичающий с   тем, что, с целью повышени  надежности и технологичности , в нем мембрана выполнена изoutput and input of the amplifier, about tl and - which runs so that, in order to increase reliability and manufacturability, the membrane is made of

кремни , а нагреватель - в виде диф- 4 уэионного сло , расположенного на внешней поверхности мембраны, при этом на нагреватель нанесен слой кремни , а встречно штыревые преобразователи расположены на нем и пок10silicon, and the heater - in the form of a diffusion layer located on the outer surface of the membrane, with a layer of silicon deposited on the heater, and counter-pin converters are located on it and on

16 .sixteen .

рыты слоем пьезоэлектрического материала .dithered with a layer of piezoelectric material.

2. Датчик ПОП.1, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  температурной погрешности, в нем в качестве пьезоэлектрического материала использована окись цинка, толщина сло  которого в два раза больше толщины сло  двуокиси кремни .2. Sensor POP.1, characterized in that, in order to reduce the temperature error, it uses zinc oxide as a piezoelectric material, the layer thickness of which is twice the thickness of the layer of silicon dioxide.

Claims (3)

Формула изобретенияClaim 1. Датчик давления, содержащий мембрану, резистивный нагреватель с токоподводами и встречно штыревые преобразователи поверхностных акустических волн - излучающий и приемный, подключенные соответственно к выходу и входу усилителя, о т л и л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и технологичности, в нем мембрана выполнена из кремния, а нагреватель - в виде диффузионного слоя, расположенного на внешней поверхности мембраны, при этом на нагреватель нанесен слой кремния, а встречно штыревые преобразователи расположены на нем и пок рыты слоем пьезоэлектрического мате риала.1. A pressure sensor containing a membrane, a resistive heater with current leads and counter-pin transducers of surface acoustic waves - emitting and receiving, connected respectively to the output and input of the amplifier, so that and, in order to increase reliability and manufacturability, the membrane is made of silicon in it, and the heater is in the form of a diffusion layer located on the outer surface of the membrane, while a silicon layer is deposited on the heater, and counter-pin converters are located on it and ryty piezoelectric layer to mate rial. 2. Датчик поп.1, отлича-2. Sensor pop. 1, excellent- 5 ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности, в нем в качестве пьезоэлектрического материала использована окись пинка, толщина слоя которого в два раза IQ больше толщины слоя двуокиси кремния.5 with the fact that, in order to reduce the temperature error, pink oxide is used in it as a piezoelectric material, the layer thickness of which is twice IQ more than the thickness of the layer of silicon dioxide.