RU2362132C1 - Integrated pressure transducer - Google Patents
Integrated pressure transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2362132C1 RU2362132C1 RU2007148421/28A RU2007148421A RU2362132C1 RU 2362132 C1 RU2362132 C1 RU 2362132C1 RU 2007148421/28 A RU2007148421/28 A RU 2007148421/28A RU 2007148421 A RU2007148421 A RU 2007148421A RU 2362132 C1 RU2362132 C1 RU 2362132C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- parallel
- pressure transducer
- thin
- rigid
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических воздействий (давления, силы и т.д.).The invention relates to measuring technique and can be used to measure mechanical stress (pressure, force, etc.).
Предпочтительно изобретение направлено на обеспечение высокоточных измерений в области малых давлений от 0,1 кПа до 100 кПа в широком интервале температур с верхним пределом до +125°С.Preferably, the invention is aimed at providing high-precision measurements in the low-pressure range from 0.1 kPa to 100 kPa in a wide temperature range with an upper limit of + 125 ° C.
Наиболее близким по своей технической сущности является патент США № 4065970, МПК G01L 9/00, опубл. 14 мая 1976 г., автор WILNER LESLIE В. под названием "Diffused semiconductor pressure gauge". Автор предлагает интегральный преобразователь давления с круглой мембраной с боковыми срезами, расположенной в плоскости (100), на которой анизотропным травлением сформированы две широкие твердые области разной ширины (жесткие центры), вытянутые в направлении [011]. При этом между краями мембраны и краями жестких центров образуются участки мембраны с малой толщиной. Расстояние между краями жестких центров в плоскости дна мембраны в два раза больше, чем расстояние между краем мембраны и краем первого жесткого центра и в несколько раз меньше, чем расстояние между краем мембраны и краем второго жесткого центра. Четыре диффузионных резистора располагаются попарно в середине первых двух участков мембраны с малой толщиной по направлению [011], в которых по утверждению автора патента под действием давления создаются одинаковые механические напряжения. При этом под действием давления сопротивление первых двух резисторов увеличивается, а двух вторых уменьшается. Резисторы объединены в мост Уитстона. Для снижения механического гистерезиса и уменьшения сопротивления подводящих проводников связь тензорезисторов с внешней металлической разводкой на тонкой части мембраны выполнена широкими областями p-типа с той же концентрацией, что и тензорезисторы, и алюминиевыми проводниками на твердых центрах.The closest in its technical essence is US patent No. 4065970, IPC
Предложенная конструкция позволила реализовать преобразователь на малые давления с высокой чувствительностью и хорошей линейностью. Существенным недостатком предлагаемого изобретения является неодинаковость размеров жестких центров и неравномерность их расположения. Представляется неочевидной одинаковость напряжений в зоне расположения тензорезисторов. При этом из-за несимметричности расположения жестких центров имеет место неравномерность теплоотвода от тензорезисторов и, как следствие, температурный гистерезис. В данной конструкции температурный гистерезис выходного сигнала должен быть значительным и из-за близкого расположения алюминиевых проводников к участкам мембраны с малой толщиной. Неодинаковость формы концов тензорезисторов приводит к повышенному начальному разбалансу моста.The proposed design made it possible to realize a low pressure transducer with high sensitivity and good linearity. A significant disadvantage of the invention is the uneven size of the hard centers and the unevenness of their location. It seems unobvious that the stresses in the area of the strain gauge are equal. In this case, due to the asymmetry of the arrangement of the hard centers, there is an uneven heat removal from the strain gauges and, as a consequence, temperature hysteresis. In this design, the temperature hysteresis of the output signal should be significant due to the close location of aluminum conductors to sections of the membrane with a small thickness. The uneven shape of the ends of the strain gages leads to increased initial imbalance of the bridge.
Известны работы [1, 2], в которых приводятся характеристики интегральных преобразователей давления (ИПД) с плоской мембраной и с мембраной, на которой сформированы один или несколькими жестких центров. Использование преобразователей давления с плоской мембраной ниже границы в 100 кПа возможно, но с более низкими метрологическими характеристиками. Чем ниже величина измеряемого давления, тем тоньше должна быть мембрана. С утонением мембраны сокращается линейный участок преобразовательной характеристики и все погрешности возрастают.Known works [1, 2], which give the characteristics of integrated pressure transducers (IPD) with a flat membrane and with a membrane on which one or more rigid centers are formed. The use of pressure transmitters with a flat membrane below the boundary of 100 kPa is possible, but with lower metrological characteristics. The lower the measured pressure, the thinner the membrane should be. With thinning of the membrane, the linear portion of the conversion characteristic is reduced and all errors increase.
В [1] для интегрального преобразователя давления с одним жестким центром все тензорезисторы идентичны по геометрии и параллельны между собой. Два из них расположены у края жесткого центра в зоне сжатия (при нагружении мембраны сверху), два у края мембраны в зоне растяжения. Идентичность всех тензорезисторов обеспечивает минимальный начальный разбаланс моста, а их тангенциальное расположение минимизирует нелинейность преобразовательной характеристики. Это объясняется тем, что в случае тангенциальных тензорезисторов они находятся в зоне равных механических напряжений, а в случае радиальных - в зоне с их переменной величиной. В случае плоской мембраны или мембраны с одним жестким центром сама конструкция радиального тензорезистора делает практически невозможным обеспечение условий равномерного распределения механических напряжений вдоль тензорезистора по сравнению с конструкцией тангенциальных резисторов.In [1], for an integrated pressure transducer with one rigid center, all strain gages are identical in geometry and parallel to each other. Two of them are located at the edge of the rigid center in the compression zone (when loading the membrane from above), two at the edge of the membrane in the tension zone. The identity of all strain gages provides a minimum initial imbalance of the bridge, and their tangential arrangement minimizes the nonlinearity of the conversion characteristic. This is explained by the fact that in the case of tangential strain gages they are in the zone of equal mechanical stresses, and in the case of radial strain gages, they are in the zone with their variable value. In the case of a flat membrane or a membrane with one rigid center, the very design of the radial strain gauge makes it virtually impossible to ensure conditions for a uniform distribution of mechanical stresses along the strain gauge in comparison with the design of tangential resistors.
В [2] авторы указывают, что нелинейность преобразовательной характеристики для интегрального преобразователя с тремя жесткими центрами снижается относительно значения нелинейности для интегрального преобразователя с одним жестким центром при одинаковых геометрических параметрах мембраны: площади и толщине, что позволяет повысить уровень выходного сигнала и снизить диапазон измерений в область меньших давлений, но данных о конструктивных параметрах интегральных преобразователях давления с несколькими жесткими центрами не приводится.In [2], the authors indicate that the nonlinearity of the conversion characteristic for an integral converter with three rigid centers decreases with respect to the nonlinearity for an integral converter with one rigid center for the same geometric parameters of the membrane: area and thickness, which makes it possible to increase the output signal level and reduce the measurement range in region of lower pressures, but data on the design parameters of integral pressure transducers with several rigid centers does not lead Xia.
Известен патент РФ 2271523 С2, МПК G01L 9/04 опубл. 10 марта 2006 г., авторы Баринов Илья Николаевич, Козин Сергей Алексеевич под названием «Полупроводниковый преобразователь давления». Авторы предлагают конструкцию, содержащую профилированную мембрану с двумя жесткими центрами. Центр каждого из четырех тензорезисторов совпадает с краем мембраны или жесткого центра, при этом авторы не определяют расстояние между жесткими центрами. В случае, если концентраторы далеко отстоят друг от друга, то выигрыш за счет увеличения числа концентраторов будет незначительным. Кроме того, при изготовлении преобразователя небольшое рассовмещение шаблонов для формирования тензосхемы с лицевой стороны пластины и шаблона для формирования мембраны с обратной стороны приводит к попарному смещению резисторов в области с разной величиной механической напряженности, что приводит к возрастанию нелинейности преобразовательной характеристики. В патенте предлагается техническое решение, согласно которому может быть реализована толщина мембраны 2-3 мкм, а величина измеряемого давления менее 10 Па. Предлагаемое техническое решение не может быть использовано для создания тензопреобразователей с толщиной мембраны из диапазона от 15 до 30 мкм, необходимой для давлений от 0,1 до 100 кПа.Known patent of the Russian Federation 2271523 C2, IPC
Целью изобретения является повышение эффективности преобразования давления в электрический сигнал и расширение функциональных возможностей интегрального преобразователя давления.The aim of the invention is to increase the efficiency of converting pressure into an electrical signal and expanding the functionality of an integrated pressure transducer.
Цель достигается тем, что интегральный преобразователь давления выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, ориентированной в плоскости (100), n-типа проводимости, с первой стороны которой сформированы диффузионные тензорезисторы p-типа проводимости, вытянутые в направлении [011] и объединенные электрическими связями в мост Уитстона. Со второй стороны указанной монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из параллельных канавок и соединяющих их концы между собой полостей, имеющих общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую жесткие центры. Каждое плечо моста Уитстона, состоящее из одного или нескольких тензорезисторов, размещено на отдельном прямолинейном тонком участке мембраны над одной соответствующей канавкой, продольная ось которой параллельна продольной оси соответствующего тензорезистора. Прямолинейный тонкий участок со второй стороны мембраны имеет ширину от 5 до 100 мкм и длину не менее 0,7 длины тензорезистора. Продольные границы указанного тонкого участка мембраны параллельны тензорезистору, а в промежутках между этими тонкими участками мембраны расположены три жестких центра.The goal is achieved by the fact that the integral pressure transducer is made in the form of a single-crystal silicon wafer oriented in the (100) plane, n-type conductivity, on the first side of which diffusion p-type strain gages are formed, stretched in the [011] direction and united by electrical bonds in Wheatstone Bridge. On the second side of the indicated single-crystal silicon wafer, a recess is made that does not extend to the edge of the wafer, consisting of parallel grooves and cavities connecting their ends with each other having a common flat bottom, which together with the first side of the wafer forms a thin part of the membrane surrounding the rigid centers. Each arm of the Wheatstone bridge, consisting of one or more strain gauges, is placed on a separate rectilinear thin section of the membrane above one corresponding groove, the longitudinal axis of which is parallel to the longitudinal axis of the corresponding strain gauge. A rectilinear thin section on the second side of the membrane has a width of 5 to 100 μm and a length of at least 0.7 the length of the strain gauge. The longitudinal boundaries of the specified thin section of the membrane are parallel to the strain gauge, and in the spaces between these thin sections of the membrane are three rigid centers.
Техническим результатом совокупности признаков изобретения является обеспечение высокоточных измерений в области малых давлений от 0,1 до 100 кПа в широком интервале температур с верхним пределом до +125°С. Интегральный преобразователь давления предлагаемой конструкции дает на выходе моста Уитстона электрический сигнал вдвое больший, чем ИПД известных конструкций при одинаковом давлении и при прочих равных условиях (размер и толщина мембраны, напряжение на входе моста Уитстона). Общая симметричность конструкции при повышенной чувствительности обеспечивает снижение температурных погрешностей, что обеспечивает повышение точности работы в более широком диапазоне температур, этим достигается расширение функциональных возможностей интегрального преобразователя давления.The technical result of the totality of the features of the invention is the provision of high-precision measurements in the low-pressure range from 0.1 to 100 kPa in a wide temperature range with an upper limit of + 125 ° C. The integrated pressure transmitter of the proposed design gives an electric signal at the output of the Wheatstone bridge twice as large as the IPD of known structures at the same pressure and all other conditions being equal (size and thickness of the membrane, voltage at the entrance of the Wheatstone bridge). The general symmetry of the structure with increased sensitivity provides a reduction in temperature errors, which ensures increased accuracy in a wider temperature range, thereby expanding the functionality of the integrated pressure transducer.
Интегральный преобразователь давления имеет сопряжение поверхностей тонких участков мембраны с боковыми гранями мембраны и жестких центров, которое выполнено криволинейной поверхностью с радиусом скругления от 3 до 10 мкм.The integral pressure transducer has the interface of the surfaces of thin sections of the membrane with the lateral faces of the membrane and rigid centers, which is made by a curved surface with a radius of fillet from 3 to 10 microns.
Это делается с целью повышения стойкости и прочности мембраны к перегрузке по давлению.This is done in order to increase the resistance and strength of the membrane to pressure overload.
На Фиг.1 представлен вид на пластину интегрального преобразователя давления со стороны схемы электрических соединений.Figure 1 presents a view of the plate of the integrated pressure transducer from the side of the electrical connection diagram.
На Фиг.2 представлен вид на пластину интегрального преобразователя давления со стороны углубления.Figure 2 presents a view of the plate integrated pressure transducer from the side of the recess.
На Фиг.3 - фрагмент вида Фиг 2.Figure 3 is a fragment of the view of Fig 2.
На Фиг.4 представлен поперечный разрез пластины интегрального преобразователя давления.Figure 4 presents a cross section of a plate of an integrated pressure transducer.
На Фиг.1 представлен вид на пластину 1 интегрального преобразователя давления со стороны схемы электрических соединений. На пластине 1, ориентированной в плоскости (100), расположены четыре диффузионных резистора p-типа проводимости 2, 3, 4, 5, вытянутых в направлении [011] и объединенных в мост Уитстона, и схема температурной компенсации 17. Электрические связи выполнены широкими областями 15 р+-типа проводимости, соединенными с металлической разводкой 16 за пределами углубления, сформированного с другой стороны пластины (см. Фиг.2), что обеспечивает снижение температурного гистерезиса начального выходного сигнала (или уход нуля), температурного гистерезиса чувствительности и обеспечивает сохранение точностных характеристик в широком диапазоне температур.Figure 1 presents a view of the
На Фиг.2 представлен вид на пластину 1 интегрального преобразователя давления со стороны углубления. На Фиг.3 - его фрагмент в увеличенном масштабе. Углубление состоит из параллельных канавок 6 и полостей 7, соединяющих их концы. Канавки 6 и полости 7 имеют общее дно 18 (Фиг.4) и совместно с первой стороной пластины 1 образуют тонкую часть мембраны, окружающую жесткие центры 12 и формируют тонкие прямолинейные участки 8, 9, 10, 11 (Фиг.4) со второй стороны мембраны с шириной а от 5 до 100 мкм и длиной в не менее 0,7 длины тензорезистора. Продольная ось 19 каждого тонкого участка, границы мембраны 14 и жесткого центра 13 в пределах прямолинейного тонкого участка расположены в направлении [011] и параллельны оси 20 соответствующего тензорезистора.Figure 2 presents a view of the
На Фиг.4 представлен поперечный разрез пластины 1 интегрального преобразователя давления. Диффузионные тензорезисторы 2, 3, 4, 5, сформированные на первой стороне пластины 1, причем каждый тензорезистор размещен на отдельном тонком участке мембраны 8, 9, 10, 11 параллельно направлению [011]. При таком расположении тензорезисторы оказываются в зоне максимальных механических напряжений и максимальной чувствительности. Ширина прямолинейного тонкого участка мембраны обеспечивает практически удвоение механических напряжений на мембране в области между гранями за счет сложения напряжений, возникающих у края отдельного жесткого центра. Дальнейшее увеличение ширины приводит к снижению чувствительности. При значении ширины ниже 5 мкм чувствительность также снижается, так как тензорезистор оказывается на толстой части мембраны. Длина прямолинейного тонкого участка мембраны обеспечивает одинаковость механических напряжений вдоль тензорезистора, что необходимо для линейности преобразовательной характеристики.Figure 4 presents a cross section of a
При таком расположении тензорезисторов значение нелинейности преобразовательной характеристики практически одинаково как при действии давления с первой стороны пластины, где располагается тензосхема, (работа «на прижим»), так и с обратной стороны - при работе «на отрыв». Равенство значений нелинейности в этих двух случаях расширяет возможности применения тензопреобразователей в датчиках различного назначения, например в датчиках давления-разрежения. Кроме того, такое расположение тензорезисторов устойчиво к некоторому технологическому рассовмещению и разориентации шаблонов по формированию первой и второй стороны тензопреобразователя, то есть, например, когда имеется не параллельность оси 19 тонкого участка 11 оси тензорезистора 20.With such an arrangement of strain gages, the value of the non-linearity of the conversion characteristic is almost the same both under pressure on the first side of the plate where the tensor circuit is located (work "on the clamp"), and on the reverse side - when working "on separation". The equality of non-linearity values in these two cases expands the possibilities of using strain gauges in sensors for various purposes, for example, in pressure-rarefaction sensors. In addition, this arrangement of strain gages is resistant to some technological misregistration and disorientation of the patterns to form the first and second sides of the strain gauge, that is, for example, when there is no parallelism to the
В местах соединения боковых граней мембраны 21 граней жесткого центра 22 с плоскостью (100) выполнены криволинейные поверхности сопряжения с радиусом от 3 до 10 мкм, что обеспечивает многократное повышение прочности к перегрузочным давлениям.At the junction of the side faces of the
Источники информацииInformation sources
1. В.Н.Зимин, Н.Л.Данилова, В.В.Панков, Д.В.Шабратов. Базовые конструкции интегральных тензопреобразователей на ряд давлений от 0,01 до 40 МПа // Датчики и системы. 1999, № 2.1. V.N. Zimin, N.L. Danilova, V.V. Pankov, D.V. Shabratov. Basic constructions of integrated strain gauges for a number of pressures from 0.01 to 40 MPa // Sensors and systems. 1999, No. 2.
2. Н.А.Шелепин, В.В.Амеличев, Н.Л.Данилова, А.Ю.Павлов, В.В.Панков. Разработка серии интегральных преобразователей давления // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2007, № 1.2. N.A. Shelepin, V.V. Amelichev, N.L. Danilova, A.Yu. Pavlov, V.V. Pankov. Development of a series of integrated pressure transducers // Defense complex - to the scientific and technological progress of Russia. 2007, No. 1.
3. Патент US 4 065 970 Diffused semiconductor pressure gauge. 1978-01-03, авторы Wilner Leslie B, Becton Dickinson CO, МПК G01L 9/00, G01L 9/06.3. US Pat. No. 4,065,970 Diffused semiconductor pressure gauge. 1978-01-03, authors Wilner Leslie B, Becton Dickinson CO,
4. Патент RU 2271523 C2, МПК G01L 9/00, опубл. 2006.01, авторы: Баринов Илья Николаевич, Козин Сергей Алексеевич, «Полупроводниковый преобразователь давления».4. Patent RU 2271523 C2,
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007148421/28A RU2362132C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Integrated pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007148421/28A RU2362132C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Integrated pressure transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2362132C1 true RU2362132C1 (en) | 2009-07-20 |
Family
ID=41047252
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007148421/28A RU2362132C1 (en) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Integrated pressure transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2362132C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2469436C1 (en) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" | Integrated pressure transducer with three solid centres |
RU2687307C1 (en) * | 2018-07-02 | 2019-05-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Integrated pressure converter |
RU2818501C1 (en) * | 2023-11-20 | 2024-05-02 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Integral pressure transducer |
-
2007
- 2007-12-27 RU RU2007148421/28A patent/RU2362132C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2469436C1 (en) * | 2011-06-16 | 2012-12-10 | Федеральное Государственное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Московского Государственного Института Электронной Техники" | Integrated pressure transducer with three solid centres |
RU2687307C1 (en) * | 2018-07-02 | 2019-05-13 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Integrated pressure converter |
RU2818501C1 (en) * | 2023-11-20 | 2024-05-02 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Integral pressure transducer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11009412B2 (en) | Microelectromechanical scalable bulk-type piezoresistive force/pressure sensor | |
US3697918A (en) | Silicon diaphragm pressure sensor having improved configuration of integral strain gage elements | |
JP5975970B2 (en) | Pressure sensor | |
US9513182B2 (en) | Pressure sensor having multiple piezoresistive elements | |
JP5883771B2 (en) | Pressure sensor | |
US5058435A (en) | Single diaphragm transducer with multiple sensing elements | |
RU2362133C1 (en) | Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor | |
RU2362132C1 (en) | Integrated pressure transducer | |
JP2004279089A (en) | Semiconductor pressure sensor | |
RU167463U1 (en) | RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT | |
RU187760U1 (en) | Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a bipolar transistor | |
US20170328797A1 (en) | Pressure sensor device with anchors for die shrinkage and high sensitivity | |
RU2469437C1 (en) | Integrated pressure transducer with one solid centre | |
RU2267757C2 (en) | Method and device for measuring pressure | |
CN113203515B (en) | Pressure measuring device | |
RU2278447C2 (en) | Integrated pressure transducer | |
CN113203514B (en) | Pressure sensor | |
RU195159U1 (en) | Integrated highly sensitive element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor | |
RU195160U1 (en) | Integrated sensor element of a pressure transducer based on a vertical bipolar transistor with thermal compensation | |
RU183909U1 (en) | Small radiation resistant high temperature strain gauge pressure transducer element | |
RU2469436C1 (en) | Integrated pressure transducer with three solid centres | |
RU2818501C1 (en) | Integral pressure transducer | |
CN1128991C (en) | X-type silicon microstrain solid-state piezo-resistance sensor and its making technology | |
RU2507490C1 (en) | Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre | |
RU2732839C1 (en) | Semiconductor pressure converter with high accuracy and sensitivity |