[go: up one dir, main page]

RU2507490C1 - Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre - Google Patents

Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre Download PDF

Info

Publication number
RU2507490C1
RU2507490C1 RU2012144906/28A RU2012144906A RU2507490C1 RU 2507490 C1 RU2507490 C1 RU 2507490C1 RU 2012144906/28 A RU2012144906/28 A RU 2012144906/28A RU 2012144906 A RU2012144906 A RU 2012144906A RU 2507490 C1 RU2507490 C1 RU 2507490C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
center
crystal
thin part
distance
relative
Prior art date
Application number
RU2012144906/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Анатольевич Васильев
Сергей Александрович Москалев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (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 профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ)
Priority to RU2012144906/28A priority Critical patent/RU2507490C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2507490C1 publication Critical patent/RU2507490C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: sensor of absolute pressure comprises a body with a nozzle, a sealing contact block, a metal membrane, a non-compressible liquid, a semiconducting sensitive element comprising a glass base and a square profiled semiconducting crystal, in the centre of the thin part of which there is a stiff centre of square shape, on the working part of the semiconducting crystal there is a bridge measurement circuit formed of four strain resistance gauges. The size of the stiff centre is determined based on the following ratio: l s . c . > h s . c . / 1,432 .
Figure 00000020
Centres of some strain resistance gauges included into opposite arms of the bridge measurement circuit and perceiving relative positive deformations are located at the distance from the centre of the crystal determined on the basis of the following ratio: R 1 = L t p 2 r 1 ( L t p , l s c ) = L t p 2 i = 0 2 k i ( l s c L t p ) i .
Figure 00000021
Centres of other strain resistance gauges included into opposite arms of the bridge measurement circuit and perceiving relative negative deformations are located at the distance from the centre of the crystal determined on the basis of the following ratio: R 2 = L t p 2 r 2 ( L t p , l s c ) = L t p 2 i = 0 2 l i ( l s c L t p ) i .
Figure 00000022
EFFECT: higher accuracy of measurement.
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.

Известна конструкция датчика давления с чувствительным элементом на основе структуры «кремний на сапфире» [1], который жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой (с образованием полости) и установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную гофрированную мембрану, содержащую токоведущие дорожки. При деформации сформированных на чувствительном элементе тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную цепь, на ее выходе возникает электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенному измеряемому давлению.A known design of a pressure sensor with a sensitive element based on the structure "silicon on sapphire" [1], which is rigidly connected by high-temperature glass solder to a ceramic cup (with the formation of a cavity) and mounted by surface mounting on an elastic corrugated membrane that is sealed between the case and the lid, contains live conductors tracks. When the strain gauges formed on the sensitive element are deformed and are included in the bridge measuring circuit, an electrical signal arises at its output, which is directly proportional to the applied measured pressure.

Известна конструкция чувствительного элемента датчика давления мембранного типа [2], представляющая собой монокристаллический кремниевый кристалл n-типа проводимости, планарная сторона которого ориентирована по кристаллографической плоскости (100) с углублением на тыльной стороне кристалла, образующим квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформированы четыре однополосковых тензорезистора p-типа проводимости таким образом, что их продольные оси параллельны одной из главных осей мембраны, совпадающей с кристаллографическим направлением [110].A known design of the sensor element of the membrane type pressure sensor [2], which is a n-type single crystal silicon crystal, the planar side of which is oriented along the crystallographic plane (100) with a recess on the back of the crystal, forming a square membrane in plan. Four p-type conductivity strain gauges are formed on the planar side of the membrane so that their longitudinal axes are parallel to one of the main axes of the membrane, which coincides with the crystallographic direction [110].

Известна конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, чувствительный элемент которого выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной рабочей стороны которой сформированы диффузионные резисторы и герметично присоединена защитная крышка с вакуумной полостью, со второй стороны выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, на мембране сформирован жесткий центр [3].A known construction of a semiconductor absolute pressure sensor, the sensitive element of which is made in the form of a single-crystal silicon wafer, diffusion resistors are formed on one working side and a protective cover with a vacuum cavity is sealed, a recess is formed on the second side, forming a membrane under the strain gauges, a rigid center is formed on the membrane [3].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, выбранного в качестве прототипа [4]. Такой датчик содержит корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и профилированного полупроводникового кристалла (квадратного), в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр (квадратной формы). Профилированный полупроводниковый кристалл соединен электростатическим способом со стеклянным основанием в вакууме, между ними образована вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений. На рабочей части чувствительного элемента сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь.The closest in technical essence to the proposed solution is the design of a semiconductor absolute pressure sensor selected as a prototype [4]. Such a sensor contains a housing with a fitting, a sealing contact block, a metal membrane, an incompressible liquid, a semiconductor sensitive element consisting of a glass base and a shaped semiconductor crystal (square), in the center of the thin part of which a rigid center (square shape) is formed. The profiled semiconductor crystal is electrostatically connected to a glass base in a vacuum, a vacuum cavity is formed between them, which provides absolute pressure measurements. On the working part of the sensitive element, strain gages are formed, combined in a bridge measuring circuit.

Существенные признаки прототипа, общие с заявленным устройством, следующие: корпус со штуцером, герметизирующая контактная колодка, металлическая мембрана, несжимаемая жидкость.The essential features of the prototype, common with the claimed device, are as follows: a body with a fitting, a sealing contact block, a metal membrane, an incompressible liquid.

Общим недостатком конструкций чувствительных элементов датчиков давления, описанных в [1-4], является сравнительно большая нелинейность измерительной цепи, которая обусловлена тем, что расположенные на кристалле тензорезисторы, воспринимающие относительные положительные деформации, и тензорезисторы, воспринимающие относительные отрицательные деформации, неодинаково деформируются. Вследствие этого происходит неодинаковое изменение сопротивлений тензорезисторов смежных плеч мостовой измерительной цепи. Появляется погрешность от нелинейности мостовой измерительной цепи, снижающая точность измерения. Нелинейность измерительной цепи датчика зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч измерительной цепи ε1, ε2, ε3, ε4 [5]. Для тензорезисторных датчиков, у которых относительное изменение сопротивления одного плеча обычно не превышает 0,01, при k=1 величина нелинейности составляет ~ 0,3÷0,6%, если рабочими являются два плеча. Кроме того, известные технические решения не обеспечивают высокую чувствительность (из-за неоптимального расположения тензорезисторов на кристалле), технологичность (из-за отсутствия возможности оптимального расположения тензорезисторов при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента) и надежность (из-за возможности разрушения тонкой части полупроводникового кристалла при воздействии перегружающих давлений).A common drawback of the designs of the sensitive elements of the pressure sensors described in [1–4] is the relatively large nonlinearity of the measuring circuit, which is due to the fact that strain gauges located on the crystal that sense relative positive deformations and strain gauges that sense relative negative deformations are not uniformly deformed. As a result of this, an unequal change in the resistances of the strain gauges of adjacent arms of the bridge measuring circuit occurs. An error appears from the nonlinearity of the bridge measuring circuit, which reduces the accuracy of the measurement. The non-linearity of the measuring circuit of the sensor depends on the symmetry coefficient k and the relative changes in the resistance of the arms of the measuring circuit ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 [5]. For strain gauge sensors, in which the relative change in the resistance of one arm usually does not exceed 0.01, for k = 1 the magnitude of the nonlinearity is ~ 0.3–0.6% if two arms are working. In addition, the known technical solutions do not provide high sensitivity (due to the non-optimal location of the strain gages on the crystal), manufacturability (due to the lack of the possibility of optimal location of the strain gages with different ratios of the size of the rigid center of the square shape to the size of the thin part of the square semiconductor sensitive element) and reliability (due to the possibility of destruction of the thin part of the semiconductor crystal when exposed to overload pressures).

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения нелинейности измерительной цепи датчика.The aim of the invention is to improve accuracy by reducing the non-linearity of the measuring circuit of the sensor.

Данная цель достигается тем, что в известном датчике абсолютного давления, содержащем корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов, в соответствии с предлагаемым решением, размер жесткого центра определен из соотношения:This goal is achieved by the fact that in the known absolute pressure sensor containing a housing with a fitting, a sealing contact block, a metal membrane, an incompressible liquid, a semiconductor sensing element consisting of a glass base and a square shaped semiconductor crystal, in the center of the thin part of which a rigid center of a square is formed forms, on the working part of the semiconductor crystal a bridge measuring circuit is formed, consisting of four strain gages, respectively According to the proposed solution, the size of the rigid center is determined from the ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

где hж.ц. - толщина жесткого центра, которая выбрана из соотношения: zh.ts. where h - the thickness of the rigid center, which is selected from the ratio:

Figure 00000002
Figure 00000002

где hт.ч. - толщина тонкой части полупроводникового кристалла, при этом центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения:where h incl - the thickness of the thin part of the semiconductor crystal, while the centers of the strain gauges included in the opposite arms of the bridge measuring circuit and perceiving relative positive deformations are located at a distance from the center of the crystal, determined from the relation:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Lт.ч. - размер тонкой части полупроводникового кристалла;where L incl. - the size of the thin part of the semiconductor crystal;

r1(Lт.ч., lж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные положительные деформации;r 1 (L including , l f.c. ) - the relative distance to the location of the centers of the strain gauges, perceiving relative positive deformation;

lж.ц. - размер жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла;l women - the size of the rigid center located in the center of the thin part of the semiconductor crystal;

k - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 1;k is a polynomial coefficient taking values in accordance with table 1;

нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 1;subscript i is the index defining the polynomial coefficient in accordance with table 1;

верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная l ж . ц . L т . ч .

Figure 00000004
в соответствии с таблицей 1;superscript i is the degree to which the variable is raised l well . c . L t . h .
Figure 00000004
in accordance with table 1;

Таблица 1Table 1 индекс iindex i коэффициент ki coefficient k i 00 0,9040.904 1one 0,0480,048 22 0,0610,061

а центры других тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенного из соотношения:and the centers of other strain gauges included in the opposite shoulders of the bridge measuring circuit and perceiving relative negative deformations are located at a distance from the center of the crystal, determined from the relation:

Figure 00000005
Figure 00000005

где r2(Lт.ч., lж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные отрицательные деформации;where r 2 (L including , l f.c. ) - the relative distance to the location of the centers of the strain gauges, perceiving relative negative deformation;

l - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 2;l is a polynomial coefficient taking values in accordance with table 2;

нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 2;subscript i is the index defining the polynomial coefficient in accordance with table 2;

верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная l ж . ц . L т . ч .

Figure 00000004
в соответствии с таблицей 2;superscript i is the degree to which the variable is raised l well . c . L t . h .
Figure 00000004
in accordance with table 2;

Таблица 2table 2 индекс iindex i коэффициент li coefficient l i 00 0,0790,079 1one 0,9360.936 22 -0,031-0.031

На фиг.1 показана конструкция предлагаемого датчика абсолютного давления повышенной точности. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, герметизирующую контактную колодку 3, металлическую мембрану 4, несжимаемую жидкость 5, полупроводниковый чувствительный элемент 6. Несжимаемая жидкость заливается через трубку 7, расположенную в контактной колодке 3.Figure 1 shows the design of the proposed absolute pressure sensor of high accuracy. The sensor comprises a housing 1 with a fitting 2, a sealing contact block 3, a metal membrane 4, an incompressible liquid 5, a semiconductor sensing element 6. An incompressible liquid is poured through a tube 7 located in the contact block 3.

На фиг.2 показана 3D-модель полупроводникового чувствительного элемента датчика абсолютного давления, состоящего из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме. На тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8 сформирован жесткий центр 11. Между полупроводниковым кристаллом 8 и стеклянным основанием 9 находится вакуумированная полость 12, обеспечивающая измерение абсолютного давления.Figure 2 shows a 3D model of a semiconductor sensing element of the absolute pressure sensor, consisting of a profiled semiconductor crystal 8, which is connected electrostatically to a glass base 9 in vacuum. A rigid center 11 is formed on the thin portion 10 of the semiconductor crystal 8. Between the semiconductor crystal 8 and the glass base 9 there is a vacuum cavity 12, which provides absolute pressure measurement.

На рабочей части полупроводникового кристалла 8 сформирована мостовая измерительная цепь 13 (фиг.3,а), состоящая из четырех идентичных тензорезисторов 14-17 (фиг.3,б). Центры тензорезисторов 14, 16, воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии R1 от центра кристалла, определенного из соотношения (3), а центры тензорезисторов 15, 17, воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии R2 от центра кристалла, определенного из соотношения (4).On the working part of the semiconductor crystal 8, a bridge measuring circuit 13 is formed (Fig. 3, a), consisting of four identical strain gages 14-17 (Fig. 3, b). The centers of the strain gages 14, 16, perceiving relative positive deformations, are located at a distance R 1 from the center of the crystal, determined from relation (3), and the centers of the strain gages 15, 17, perceiving relative negative deformations, are located at a distance of R 2 from the center of the crystal, determined from relations (4).

Рассмотрим пример.Consider an example.

Возьмем размер тонкой части полупроводникового кристалла Lт.ч.=2,5 мм, толщину тонкой части полупроводникового кристалла hт.ч.=30 мкм.Take the size of the thin part of the semiconductor crystal L incl. = 2.5 mm, the thickness of the thin part of the semiconductor crystal h incl. = 30 μm.

В соответствии с выражением (2) определим минимальную толщину жесткого центра:In accordance with expression (2), we determine the minimum thickness of the rigid center:

hж.ц.≥4·hт.ч.=4·30 мкм=120 мкм.h f.c. ≥4 · h incl. = 4 · 30 μm = 120 μm.

Примем hж.ц.=200 мкм. В соответствии с выражением (1) определим минимальный размер жесткого центра:Assume h zh.ts. = 200 μm. In accordance with expression (1), we determine the minimum size of the hard center:

Figure 00000006
Figure 00000006

Примем lж.ц.=1 мм.L accept zh.ts. = 1 mm.

Подставив значения в формулу (3), получим:Substituting the values in the formula (3), we obtain:

Figure 00000007
Figure 00000007

При этом относительное расстояние r 1 = 2 R 1 L т . ч . = 2 1,166 м м 2,5 м м = 0,933

Figure 00000008
In this case, the relative distance r one = 2 R one L t . h . = 2 1,166 m m 2.5 m m = 0.933
Figure 00000008

Аналогично вычислим расстояние R2 в соответствии с формулой (4) и таблицей 2.Similarly, calculate the distance R 2 in accordance with formula (4) and table 2.

Figure 00000009
Figure 00000009

При этом относительное расстояние r 2 = 2 R 2 L т . ч . = 2 0,561 м м 2,5 м м = 0,449

Figure 00000010
In this case, the relative distance r 2 = 2 R 2 L t . h . = 2 0.561 m m 2.5 m m = 0.449
Figure 00000010

Соотношение для размера жесткого центра lж.ц. в соответствии с (1) определено исходя из того, что минимальный размер жесткого центра не может быть меньше, чем отношение толщины жесткого центра hж.ц. к тангенсу 6 угла α=54,4° - угла травления кремния [6], умноженное на 2 (фиг.3,а), т.е.The ratio for the size of the hard center l zh.ts. in accordance with (1) defined based on the fact that the rigid center minimum size can not be less than the ratio of the thickness h of the rigid center zh.ts. to the tangent 6 of the angle α = 54.4 ° - the angle of etching of silicon [6], multiplied by 2 (Fig.3, a), i.e.

Figure 00000011
Figure 00000011

Соотношение для минимальной толщины жесткого центра hж.ц. в соответствии с (2) было получено в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При определенных значениях размера тонкой части полупроводникового кристалла Lт.ч., размера жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла, lж.ц., толщины тонкой части полупроводникового кристалла hт.ч. изменялась толщина жесткого центра hж.ц. и фиксировались данные о максимальных относительных положительных деформациях и максимальных относительных отрицательных деформациях. По полученным данным были построены зависимости абсолютных значений максимальных относительных положительных деформаций 18 и максимальных относительных отрицательных деформаций 19 от отношения толщины жесткого центра hж.ц. к толщине тонкой части полупроводникового кристалла hт.ч. (фиг.4). Из данных зависимостей установлено, что при выполнении соотношения (2) максимальные относительные положительные деформации и максимальные относительные отрицательные деформации принимают постоянные значения.The ratio for the minimum thickness of the hard center h z.ts. in accordance with (2), it was obtained as a result of modeling deformations by the finite element method. At certain values of the size of the thin part of the semiconductor crystal L incl. , The size of the rigid center positioned in the center of the thin portion of the semiconductor chip, l zh.ts. , the thickness of the thin part of the semiconductor crystal h incl. the thickness of the hard center h z.c. and recorded data on the maximum relative positive deformations and maximum relative negative deformations. The data obtained have been constructed according to the absolute values of the maximum relative deformation of 18 positive and negative relative maximum deformation ratio of the thickness 19 of the rigid center h zh.ts. to the thickness of the thin part of the semiconductor crystal h incl. (figure 4). From these dependences it was found that when relation (2) is fulfilled, the maximum relative positive deformations and the maximum relative negative deformations take constant values.

Соотношения для относительных расстояний расположения тензорезисторов r1 и r2, входящие в формулы (3) и (4), были получены в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При определенных значениях толщины тонкой части полупроводникового кристалла hт.ч., толщины жесткого центра hж.ц., удовлетворяющей условию (2), размера тонкой части полупроводникового кристалла Lт.ч. изменялись значения размера жесткого центра lж.ц. в диапазоне от значения, удовлетворяющего условию (1), и до значения, стремящегося к размеру тонкой части полупроводникового кристалла Lт.ч., и определялись значения относительных деформаций на границе тонкой части, т.е. на расстоянии Lт.ч./2, значения относительных деформаций на границе жесткого центра, т.е. на расстоянии lж.ц./2, а также значение расстояния от центра кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение. На фиг.5 показаны зависимости относительных деформаций ε на рабочей части полупроводникового кристалла 8 при изменении отношения размера жесткого центра lж.ц. к размеру тонкой части мембраны lт.ч., где кривая 20 - значения относительных деформаций на границе тонкой части полупроводникового кристалла, т.е. на расстоянии Lт.ч./2 от центра кристалла; кривая 21 - значения модуля относительных отрицательных деформаций на границе жесткого центра, т.е. на расстоянии lж.ц./2 от центра кристалла; кривая 22 - значения модуля максимальных относительных отрицательных деформаций на некотором расстоянии от центра кристалла. Было установлено, что относительные деформации 20 и 21 на границах тонкой части и жесткого центра полупроводникового кристалла имеют различные значения, следовательно, размещение тензорезисторов в данных местах приводит к повышению нелинейности мостовой измерительной цепи датчика. Значения максимальных относительных отрицательных деформаций 22 находятся на некотором отдалении от жесткого центра. Затем определялись значения расстояний от центра кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение, а относительные положительные деформации принимают значение, равное по модулю максимальным относительным отрицательным деформациям. Полученные данные аппроксимировались полиномом в диапазоне от значения, удовлетворяющего условию (1), и до значения, стремящегося к размеру тонкой части полупроводникового кристалла Lт.ч., в итоге были получены выражения (3) и (4).The ratios for the relative distance of the location of the strain gages r 1 and r 2 included in formulas (3) and (4) were obtained as a result of the simulation of deformations by the finite element method. At certain values of the thickness of the thin part of the semiconductor crystal h incl. , The thickness h of the rigid center zh.ts. satisfying condition (2), the size of the thin part of the semiconductor crystal L incl. changed dimension value of the rigid center l zh.ts. in the range from a value satisfying condition (1) to a value tending to the size of the thin part of the semiconductor crystal L incl. , and the values of relative strains at the boundary of the thin part were determined, i.e. at a distance of L incl. / 2, the values of the relative deformations at the boundary of the rigid center, i.e. at a distance l zh.ts. / 2, as well as the value of the distance from the center of the crystal, where the relative negative strains take the maximum value. 5 shows the dependence of the relative deformation ε on the working part of the semiconductor chip 8 when the ratio size hard center l zh.ts. to the size of the thin part of the membrane l incl. , where curve 20 is the relative strain at the boundary of the thin part of the semiconductor crystal, i.e. at a distance of L incl. / 2 from the center of the crystal; curve 21 are the values of the modulus of relative negative strains at the boundary of the rigid center, i.e. at a distance l zh.ts. / 2 from the center of the crystal; curve 22 shows the absolute values of the maximum relative negative strains at a certain distance from the center of the crystal. It was found that the relative strains 20 and 21 at the boundaries of the thin part and the hard center of the semiconductor crystal have different values, therefore, the placement of strain gauges in these places leads to an increase in the nonlinearity of the bridge measuring circuit of the sensor. The values of the maximum relative negative strains 22 are located at some distance from the rigid center. Then, the values of the distances from the center of the crystal were determined, where the relative negative strains take the maximum value, and the relative positive strains take a value equal in absolute value to the maximum relative negative strains. The data obtained were approximated by a polynomial in the range from a value satisfying condition (1) to a value tending to the size of a thin part of a semiconductor crystal L incl. , as a result, expressions (3) and (4) were obtained.

На фиг.6 показана зависимость относительного расстояния r2, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение, от отношения размера жесткого центра к размеру тонкой части полупроводникового кристалла, полученные в результате моделирования деформаций методом конечных элементов (23), и по формуле (4) (кривая 24).Figure 6 shows the dependence of the relative distance r 2 , where the relative negative strains take the maximum value, on the ratio of the size of the hard center to the size of the thin part of the semiconductor crystal obtained as a result of modeling strains by the finite element method (23), and by the formula (4) ( curve 24).

На фиг.7 показана зависимость относительного расстояния r1, где относительные положительные деформации принимают значение, равное по модулю максимальным относительным отрицательным деформациям, от отношения размера жесткого центра к размеру тонкой части полупроводникового кристалла, полученные в результате моделирования деформаций методом конечных элементов (25), и по формуле (3) (кривая 26).Figure 7 shows the dependence of the relative distance r 1 , where the relative positive deformations take a value equal in absolute value to the maximum relative negative deformations, on the ratio of the size of the hard center to the size of the thin part of the semiconductor crystal obtained as a result of modeling deformations by the finite element method (25), and by the formula (3) (curve 26).

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на металлическую мембрану 4, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость 5 полупроводниковому чувствительному элементу 6 (фиг.1), состоящему из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме (фиг.2). В результате того, что на тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8 сформирован жесткий центр 11, размер lж.ц. которого определен из условия (1), а толщина жесткого центра hж.ц. определена из условия (2), повышается надежность датчика, т.к. при воздействии перегружающих давлений жесткий центр 11 опирается на стеклянное основание 9 и, тем самым, предотвращается разрушение тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8. В результате воздействия давления на рабочей части полупроводникового кристалла 8 возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 14-17 (фиг.3,б), включенными в мостовую измерительную цепь 13 (фиг.3,а). Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением центров тензорезисторов 15, 17, воспринимающих относительные отрицательные деформации, на расстоянии R1 от центра кристалла, определенного из соотношения (4), они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных отрицательных деформаций. Так как центры тензорезисторов 14, 16, воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии R1 от центра кристалла, определенного из соотношения (3), они оказываются в зоне относительных положительных деформаций по абсолютному значению, равных максимальным относительным отрицательным деформациям. Благодаря такому размещению тензорезисторов уменьшена нелинейность мостовой измерительной цепи датчика, за счет этого повышена точность датчика по сравнению с прототипом.The pressure sensor operates as follows. The measured pressure acts on the metal membrane 4, which transmits the pressure through the incompressible liquid 5 to the semiconductor sensing element 6 (Fig. 1), consisting of a profiled semiconductor crystal 8, connected electrostatically to the glass base 9 in vacuum (Fig. 2). As a result of the fact that the thin part 10 of the semiconductor chip 8 is formed a hard center 11, the size of l zh.ts. which is defined by the condition (1) and the thickness h of the rigid center zh.ts. determined from condition (2), the reliability of the sensor increases, because when exposed to overload pressures, the rigid center 11 rests on the glass base 9 and, thereby, the destruction of the thin part 10 of the semiconductor crystal 8 is prevented. As a result of the pressure on the working part of the semiconductor crystal 8, deformations occur which are perceived by the strain gauges 14-17 (Fig. 3, b) included in the bridge measuring circuit 13 (Fig.3, a). The change in the resistance of the strain gages is converted by a bridge measuring circuit into the output voltage. In connection with the location of the centers of the strain gauges 15, 17, perceiving relative negative deformations, at a distance R 1 from the center of the crystal, determined from relation (4), they turn out to be located in the zone of maximum relative negative deformations. Since the centers of the strain gauges 14, 16 perceiving relative positive deformations are located at a distance R 1 from the center of the crystal, determined from relation (3), they find themselves in the zone of relative positive deformations in absolute value equal to the maximum relative negative deformations. Due to this arrangement of strain gauges, the nonlinearity of the bridge measuring circuit of the sensor is reduced, due to this, the accuracy of the sensor is increased compared to the prototype.

Кроме того, точность датчика повышается за счет повышения чувствительности, поскольку тензорезисторы 15 и 17 расположены в зоне максимальных относительных отрицательных деформаций, а тензорезисторы 14 и 16 - в зоне равных им относительных положительных деформаций, при этом относительные изменения сопротивлений тензорезисторов 15, 17 и 14, 16 складываются в мостовой измерительной цепи. В предлагаемом техническом решении обеспечивается высокая чувствительность благодаря оптимальному расположению тензорезисторов на кристалле. Предлагаемый датчик давления повышенной точности на основе полупроводникового чувствительного элемента с жестким центром обладает повышенной технологичностью, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента. Также предлагаемый датчик давления обладает повышенной надежностью, поскольку исключается возможность разрушения тонкой части полупроводникового кристалла при воздействии перегружающих давлений.In addition, the accuracy of the sensor is increased by increasing sensitivity, since the strain gauges 15 and 17 are located in the zone of maximum relative negative deformations, and the strain gauges 14 and 16 are in the zone of equal relative positive deformations, while the relative changes in the resistances of the strain gauges 15, 17 and 14, 16 are stacked in a bridge measuring circuit. The proposed technical solution provides high sensitivity due to the optimal location of the strain gauges on the chip. The proposed high-precision pressure sensor based on a semiconductor sensitive element with a rigid center has improved adaptability, since it seems possible to determine in advance the optimal location of the strain gages for various ratios of the size of the rigid center of the square shape to the size of the thin part of the square semiconductor sensitive element. Also, the proposed pressure sensor has increased reliability, since it eliminates the possibility of destruction of a thin part of the semiconductor crystal when exposed to overload pressures.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность датчика за счет улучшения линейности выходной характеристики, обеспечивается высокая чувствительность и технологичность, путем размещения тензорезисторов оптимальным образом при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента.Thus, due to the distinguishing features of the invention, the accuracy of the sensor is improved by improving the linearity of the output characteristic, high sensitivity and manufacturability are ensured by arranging the strain gages in an optimal manner for various ratios of the size of the rigid center of the square shape to the size of the thin part of the square semiconductor sensitive element.

Источники информацииInformation sources

1. Стефанович В.А., Лебедев Г.Б., Нелина С.Н. Датчик давления // Пат. 2392592 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. / Заявка 2009116703/28 от 30.04.2009; опубл. 20.06.2010.1. Stefanovich V.A., Lebedev G.B., Nelina S.N. Pressure sensor // Pat. 2392592 Russian Federation, IPC G01L 9/04. / Application 2009116703/28 from 30.04.2009; publ. 06/20/2010.

2. Беликов Л.В., Разумихин В.М. Чувствительный элемент мембранного типа // Пат. 93027803 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. / Заявка 93027803/10 от 18.05.1993; опубл. 27.12.1995.2. Belikov L.V., Razumikhin V.M. The sensitive element of the membrane type // Pat. 93027803 Russian Federation, IPC G01L 9/04. / Application 93027803/10 of 05/18/1993; publ. 12/27/1995.

3. Данилова Н.Л., Панков В.В., Суханов В.С. Микроэлектронный датчик абсолютного давления и чувствительный элемент абсолютного давления // Пат. 2362133 Российская Федерация, МПК G01L 9/04, H01L 29/84. / Заявка 2007148423/28 от 27.12.2007; опубл. 20.07.2009.3. Danilova N.L., Pankov V.V., Sukhanov V.S. Microelectronic Absolute Pressure Sensor and Absolute Pressure Sensor // Pat. 2362133 Russian Federation, IPC G01L 9/04, H01L 29/84. / Application 2007148423/28 of 12.27.2007; publ. 07/20/2009.

4. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры / Компоненты и технологии. 2009, №5. - С.12.-15.4. Barinov I.N. Semiconductor strain gauge pressure sensors based on the KND structure / Components and technologies. 2009, No5. - S.12.-15.

5. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.5. Vasiliev V.A., Tikhonov A.I. Analysis and synthesis of measuring circuits of information converters based on solid-state structures // Metrology. - M., 2003. - No. 1. - S.3-20.

6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы / Тульский Государственный университет - Тула, 2002 - 392 с.6. Raspopov V.Ya. Micromechanical devices / Tula State University - Tula, 2002 - 392 p.

Claims (1)

Датчик абсолютного давления повышенной точности, содержащий корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов, отличающийся тем, что размер жесткого центра определен из соотношения:
Figure 00000012

где hж.ц. - толщина жесткого центра, которая выбрана из соотношения:
Figure 00000013

где hт.ч. - толщина тонкой части полупроводникового кристалла, при этом центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения:
Figure 00000014

где Lт.ч. - размер тонкой части полупроводникового кристалла;
r1 (Lт.ч., lж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные положительные деформации;
lж.ц. - размер жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла;
k - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 1;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 1;
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная
Figure 00000004
в соответствии с таблицей 1;
Таблица 1 индекс i коэффициент ki 0 0,904 1 0,048 2 0,061

а центры других тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенного из соотношения:
Figure 00000015

где r2 (Lт.ч., lж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные отрицательные деформации;
l - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 2;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 2;
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная
Figure 00000004
в соответствии с таблицей 2,
Таблица 2 индекс i коэффициент li 0 0,079 1 0,936 2 -0,031
An increased accuracy absolute pressure sensor comprising a housing with a fitting, a sealing contact block, a metal membrane, an incompressible liquid, a semiconductor sensitive element consisting of a glass base and a square shaped semiconductor crystal, in the center of the thin part of which a rigid square-shaped center is formed on the working part of the semiconductor a bridge measuring circuit consisting of four strain gages is formed in the crystal, characterized in that the size of the a certain center is determined from the relation:
Figure 00000012

where h zh.ts. - the thickness of the rigid center, which is selected from the ratio:
Figure 00000013

where h incl - the thickness of the thin part of the semiconductor crystal, while the centers of the strain gauges included in the opposite arms of the bridge measuring circuit and perceiving relative positive deformations are located at a distance from the center of the crystal, determined from the relation:
Figure 00000014

where L incl. - the size of the thin part of the semiconductor crystal;
r 1 (L including , l f.c. ) - the relative distance to the location of the centers of the strain gauges, perceiving relative positive deformation;
l women - the size of the rigid center located in the center of the thin part of the semiconductor crystal;
k is a polynomial coefficient taking values in accordance with table 1;
subscript i is the index defining the polynomial coefficient in accordance with table 1;
superscript i is the degree to which the variable is raised
Figure 00000004
in accordance with table 1;
Table 1 index i coefficient k i 0 0.904 one 0,048 2 0,061

and the centers of other strain gauges included in the opposite shoulders of the bridge measuring circuit and perceiving relative negative deformations are located at a distance from the center of the crystal, determined from the relation:
Figure 00000015

where r 2 (L including , l f.c. ) - the relative distance to the location of the centers of the strain gauges, perceiving relative negative deformation;
l is a polynomial coefficient taking values in accordance with table 2;
subscript i is the index defining the polynomial coefficient in accordance with table 2;
superscript i is the degree to which the variable is raised
Figure 00000004
according to table 2,
table 2 index i coefficient l i 0 0,079 one 0.936 2 -0.031
RU2012144906/28A 2012-10-22 2012-10-22 Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre RU2507490C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012144906/28A RU2507490C1 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012144906/28A RU2507490C1 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2507490C1 true RU2507490C1 (en) 2014-02-20

Family

ID=50113359

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012144906/28A RU2507490C1 (en) 2012-10-22 2012-10-22 Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2507490C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2558675C1 (en) * 2014-06-17 2015-08-10 Валерий Анатольевич Васильев Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element
RU212797U1 (en) * 2022-04-05 2022-08-09 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Absolute pressure sensor with increased stability

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7380459B1 (en) * 2006-01-17 2008-06-03 Irvine Sensors Corp. Absolute pressure sensor
RU2362133C1 (en) * 2007-12-27 2009-07-20 Государственное Учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor
RU2451270C1 (en) * 2011-04-05 2012-05-20 Валерий Анатольевич Васильев Semiconductor high-precision absolute pressure sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7380459B1 (en) * 2006-01-17 2008-06-03 Irvine Sensors Corp. Absolute pressure sensor
RU2362133C1 (en) * 2007-12-27 2009-07-20 Государственное Учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского Государственного института электронной техники" (ГУ НПК "ТЦ" МИЭТ) Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor
RU2451270C1 (en) * 2011-04-05 2012-05-20 Валерий Анатольевич Васильев Semiconductor high-precision absolute pressure sensor

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры. - Компоненты и технологии, No.5, 2009, с.12-15. *
Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры. - Компоненты и технологии, №5, 2009, с.12-15. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2558675C1 (en) * 2014-06-17 2015-08-10 Валерий Анатольевич Васильев Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element
RU212797U1 (en) * 2022-04-05 2022-08-09 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Absolute pressure sensor with increased stability
RU220891U1 (en) * 2023-04-19 2023-10-09 Общество С Ограниченной Ответственностью "Микротензор" (Ооо "Микротензор") High Temperature Strain Resistive Smart Pressure Transmitter
RU219402U1 (en) * 2023-05-03 2023-07-14 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Absolute pressure transmitter with increased mechanical strength
RU223684U1 (en) * 2024-01-16 2024-02-28 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им.Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Mechanically ultra-high-strength absolute pressure sensor
RU230026U1 (en) * 2024-07-30 2024-11-11 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Overpressure sensing element with upgraded base structure for improved stability
RU230059U1 (en) * 2024-07-30 2024-11-13 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Overpressure sensing element with increased mechanical strength and stability

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11226251B2 (en) Method of making a dual-cavity pressure sensor die
US11255740B2 (en) Pressure gauge chip and manufacturing process thereof
RU167464U1 (en) INTEGRAL SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT WITH TEMPERATURE SENSOR
CN1176693A (en) Pressure sensors and pressure transmitters
KR20040079323A (en) Semiconductor pressure sensor having diaphragm
Li et al. High-pressure sensor with high sensitivity and high accuracy for full ocean depth measurements
US10607901B2 (en) Stress sensor for semiconductor components
CN102288354A (en) Piezo-resistive pressure sensor
RU2362133C1 (en) Microelectronic absolute pressure gage and absolute pressure sensor
RU2362236C1 (en) Matrix of ic pressure transducers
RU2507490C1 (en) Sensor of absolute pressure of high accuracy based on semiconducting sensitive element with rigid centre
RU167463U1 (en) RADIATION-RESISTANT HIGH TEMPERATURE STRAIN SENSITIVE PRESSURE TRANSDUCER ELEMENT
RU2451270C1 (en) Semiconductor high-precision absolute pressure sensor
CN113203515B (en) Pressure measuring device
CN102539063B (en) High-pressure sensor chip with SOI (silicon on insulator) rectangular film structure
CN113203514B (en) Pressure sensor
RU2457577C1 (en) Multifunctional measurement module
RU2469436C1 (en) Integrated pressure transducer with three solid centres
RU2362132C1 (en) Integrated pressure transducer
CN1128991C (en) X-type silicon microstrain solid-state piezo-resistance sensor and its making technology
RU2558675C1 (en) Sensor of absolute pressure of increased sensitivity based on semiconductor sensitive element
SU960559A2 (en) Pressure pickup
RU2382369C1 (en) Strain accelerometre
RU2115897C1 (en) Integral converter of deformation and temperature
RU183909U1 (en) Small radiation resistant high temperature strain gauge pressure transducer element

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141023

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160220

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171023