×
10.04.2019
219.017.0980

Результат интеллектуальной деятельности: ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ С ОДНИМ ЖЕСТКИМ ЦЕНТРОМ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: интегральный преобразователь давления с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, причем не менее 10% площади дна тонкой части мембраны расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Изобретение позволяет повысить эффективность преобразования давления в электрический сигнал при малых значениях механического воздействия и расширить функциональные возможности преобразователя. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электронных устройств, созданных на основе интегральных технологий изготовления датчиков и преобразователей механических величин в электрические, преимущественно - к измерительной технике, и может быть использовано для измерения механических воздействий (давления, силы, ускорений и т.д.).

Предпочтительно изобретение предназначено для обеспечения высокоточных измерений в области малых давлений от 0,1 кПа до 100 кПа в широком интервале температур с верхним пределом до +125°С.

Известен (см. журнал "Датчики и системы", №2, подписан в печать 28.05.1999, стр.52-55) интегральный преобразователь давления, выполненный в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в два моста Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны над дном соответствующей канавки размещены тензорезисторы четырех плеч моста Уитстона. Причем на мембране сформировано два равнозначных тензомоста: один с одной стороны от концентратора, другой с другой, причем тензорезисторы из обоих плеч моста с одним знаком изменения сопротивления расположены над соответствующей канавкой параллельно краю жесткого центра, а тензорезисторы из обоих плеч моста с другим знаком изменения сопротивления расположены параллельно краю мембраны. Основным недостатком данной конструкции является большой размер концентратора, составляющий более двух длин тензорезистора, и неоднородность температурного поля в мембране, возникающая при работе одного тензомоста, а также недостатком данного преобразователя давления является расположение тензорезисторов каждых двух плеч моста Уитстона в разных зонах возникновения тензонапряжений, что способствует повышению разбалансированности и возрастанию нелинейности получаемого электрического сигнала и к дополнительным погрешностям.

Известен полупроводниковый датчик давления по патенту США № US 4236137 A "Semiconductor transducers employing flexure frames" заявитель "Kulite Semiconductor Products Inc", опубл. 25.11.1980. Известный датчик давления и его интегральный преобразователь с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено центрально-симметричное углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона. Такое выполнение тонкой части мембраны из-за ее относительно малой площади приводит к низкой чувствительности преобразователя (см. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983, 136 с.).

Наиболее близким по своей технической сущности, поставленной технической задаче и методам ее решения является патент РФ №2005295 С1, заявитель Научно-исследовательский институт авиационного оборудования, опубл. 30.12.1993. Известный датчик давления так же, как из предыдущего патента, и его интегральный преобразователь с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено центрально-симметричное углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны расположены тензорезисторы. Центральные тензорезисторы одного знака тензочувствительности расположены на граничных участках мембраны в области жесткого центра, а периферийные транзисторы другого знака тензочувствительности расположены за пределами контура мембраны. Такое расположение тензорезисторов позволяет работать мосту Уитстона в сбалансированном режиме только при воздействии избыточного давления со стороны тензорезисторов. Основным недостатком известного преобразователя давления является расположение тензорезисторов двух плеч моста Уитстона в разных зонах возникновения тензонапряжений, что требует специальных условий для создания сбалансированного моста Уитстона и способствует повышению разбалансированности при нарушении этих условий и возрастанию нелинейности получаемого электрического сигнала. При этом изменение направления результирующего давления приведет к еще большим величинам нелинейности и снижению чувствительности, что ограничивает функциональные возможности преобразователя и эффективность его работы.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности преобразования давления в электрический сигнал при малых значениях механического воздействия и расширение функциональных возможностей интегрального преобразователя давления с одним жестким центром.

Указанная техническая задача решается тем, что интегральный преобразователь давления с одним жестким центром выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона, а со второй стороны монокристаллической кремниевой пластины выполнено углубление, не выходящее на край пластины, состоящее из двух параллельных канавок и двух его участков, соединяющих концы параллельных канавок между собой и имеющих с ними общее плоское дно, которое совместно с первой стороной пластины образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, причем не менее 10% площади дна тонкой части мембраны расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Такое выполнение интегрального преобразователя давления позволяет уменьшить неравномерность распределения тензонапряжений по тонкой части мембраны в местах расположения тензорезисторов, что позволяет снизить нелинейность преобразования давления при малых его величинах, повысить чувствительность преобразователя.

Параметры интегрального преобразователя давления, в частности нелинейность и чувствительность, сохраняются при воздействии избыточного давления на мембрану с первой или второй ее стороны, что расширяет функциональные возможности преобразователя.

В интегральном преобразователе давления выполнение монокристаллической кремниевой пластины, которая ориентирована в плоскости (100) и имеет n-тип проводимости, а тензорезисторы имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011], позволяет использовать хорошо отлаженные и широко используемые технологические процессы и оборудование. При этом при стабильных высоких качественных показателях изготовления преобразователей достигаются улучшенные функциональные возможности работы тонких частей мембраны.

В интегральном преобразователе давления выполнение продольных границ плоского дна каждой канавки мембраны параллельными обоим тензорезисторам и имеющими длину не менее 0,7 длины тензорезистора позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы.

В интегральном преобразователе давления выполнение поверхности сопряжения дна тонких участков мембраны с боковыми гранями мембраны и жесткого центра с криволинейной поверхностью с радиусом округления от 3 до 10 мкм является оптимальным для снижения локальных напряжений и незначительно увеличивает затраты при производстве.

В интегральном преобразователе давления выполнение угла наклона боковых стенок углубления к поверхности плоского дна составляет от 130 до 85 градусов и является оптимальным для различных технологических особенностей изготовления жесткого центра и плоской мембраны.

На Фиг.1 показан вид на интегральный преобразователь давления со второй стороны, то есть со стороны углубления.

На Фиг.2 - разрез по линии А-А Фиг.1.

Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром 1 выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины 2, с первой стороны 3 которой сформированы тензорезисторы 4 (показаны на Фиг.1 условно) и объединены электрическими связями в мост Уитстона (не показаны), а со второй стороны 5 монокристаллической кремниевой пластины 2 выполнено углубление 6, не выходящее на край пластины 2, состоящее из двух параллельных канавок 7, 8 и двух его участков 9, 10, соединяющих концы параллельных канавок 7 и 8 между собой и имеющих с ними общее плоское дно 11, которое совместно с первой стороной 3 пластины 2 образует тонкую часть мембраны, окружающую один, полученный таким образом, жесткий центр 1, при этом на каждом прямолинейном тонком участке мембраны напротив дна соответствующей канавки 7 и 8 размещены тензорезисторы двух плеч моста Уитстона, соответственно 12 и 13, 14 и 15 (Фиг.2).

Не менее 10% площади плоского дна 11 тонкой части мембраны, например участки 16, 17, 18 и 19 расположены вне полосы, ограниченной двумя параллельными прямыми линиями 20 и 21, которые совмещены с внешними границами канавок, принадлежащими наружному контуру дна мембраны. Такое выполнение интегрального преобразователя давления позволяет уменьшить неравномерность распределения тензонапряжений по тонкой части мембраны в местах расположения тензорезисторов 4, что позволяет снизить нелинейность преобразования давления при малых его величинах, повысить чувствительность преобразователя.

Параметры интегрального преобразователя давления, в частности нелинейность и чувствительность, сохраняются при воздействии избыточного давления на мембрану с первой 3 или второй 5 ее стороны, что расширяет функциональные возможности преобразователя.

В интегральном преобразователе давления выполнение монокристаллической кремниевой пластины 2, которая ориентирована в плоскости (100) и имеет n-тип проводимости, а тензорезисторы 4 имеют p-тип проводимости и расположены длинной стороной в направлении [011], позволяет использовать хорошо отлаженные и широко используемые технологические процессы и оборудование. При этом при стабильных высоких качественных показателях изготовления преобразователей в условиях давно отлаженных технологий производства достигаются улучшенные функциональные возможности работы тонких частей мембраны.

В интегральном преобразователе давления выполнение продольных границ плоского дна 11 каждой канавки 7 и 8 параллельными обоим тензорезисторам 12, 15 и имеющими длину l1, которая составляет не менее 0,7 длины l2 соответствующего тензорезистора 12 или 15, позволяет достичь оптимального коэффициента преобразования механического воздействия в электрическую величину при сохранении остальных качественных показателей его работы.

В интегральном преобразователе давления выполнение сопряжений поверхности плоского дна 11 тонких участков мембраны с боковыми стенками мембраны и жесткого центра криволинейной поверхностью 22 с радиусом скругления от 3 до 10 мкм является оптимальным для снижения локальных напряжений и незначительно увеличивает затраты при производстве.

В интегральном преобразователе давления выполнение угла 23 наклона боковых стенок 24 углубления к поверхности плоского дна 11 составляет от 130 до 85 градусов и является оптимальным для различных технологических особенностей изготовления жесткого центра 1 и плоского дна 11 тонкой части мембраны.

Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром работает следующим образом.

Под воздействием избыточного давления, например, на сторону 3 с участками 16, 17, 18 и 9 плоское дно 11 тонкой части мембраны изгибается, жесткий центр 1 перемещается и создает разнонаправленные тензонапряжения (сжатия на тензорезисторах 13, 14 и растяжения на тензорезисторах 12, 15). Поля тензонапряжений в местах расположения тензорезисторов из-за симметричной конфигурации концентраторов, выполненных в виде жесткого центра 1, выступов 24 и 25 имеют симметричную конфигурацию, что приводит к почти одинаковому изменению сопротивления тензорезисторов 4 и высокой линейности изменения выходного напряжения от давления. По указанной характеристике определяется измеряемое давление среды.

Под воздействием избыточного давления, например, на сторону 5 с участками 16, 17, 18 и 19 плоское дно 11 тонкой части мембраны изгибается, жесткий центр 1 перемещается и создает разнонаправленные тензонапряжения (растяжения на тензорезисторах 13, 14 и сжатия на тензорезисторах 12, 15). В остальном процесс измерения давления повторяется полностью.

Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-1 of 1 item.
10.04.2019
№219.017.097a

Интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002469436
Дата охранного документа: 10.12.2012
Showing 1-10 of 15 items.
10.05.2014
№216.012.c244

Адаптивное устройство для исследования упругости биологической ткани при эндоскопическом обследовании

Изобретение относится к медицине и медицинской технике, в частности к эндоскопическим устройствам для исследования упругости биологических тканей. Устройство содержит эндоскоп с датчиками упругости ткани, являющимися датчиками давления, и компьютер для регистрации давления в камере и упругости...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515481
Дата охранного документа: 10.05.2014
27.08.2015
№216.013.7444

Магниторезистивный преобразователь магнитного поля (варианты)

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный преобразователь магнитного поля и может быть использовано в приборах контроля и измерения вектора магнитного поля. Преобразователь содержит тонкопленочные магниторезистивные элементы с гигантским...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561339
Дата охранного документа: 27.08.2015
27.09.2015
№216.013.800b

Микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки

Микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, содержит корпус - 1, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) - 2 с интегральным преобразователем давления (ИПД) - 3 с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной - 4 с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564376
Дата охранного документа: 27.09.2015
27.09.2015
№216.013.800d

Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом

Датчик давления с нормализованным или цифровым выходом содержит корпус с установленными в нем чувствительным элементом давления (ЧЭД) с кристаллом интегральной микросхемы преобразователя давления (ИПД) и контактными площадками, кристалл интегральной микросхемы (ИС) преобразователя сигнала ИПД,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564378
Дата охранного документа: 27.09.2015
27.09.2015
№216.013.8012

Датчик переменного магнитного поля

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой датчик переменного магнитного поля. Датчик содержит по меньшей мере один магниточувствительный датчик, управляющий проводник которого подключен своими концами к внешнему проводнику с образованием замкнутого контура. Замкнутый...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002564383
Дата охранного документа: 27.09.2015
10.04.2019
№219.017.02ff

Магниторезистивный датчик

Изобретение может быть использовано в тахометрах, устройствах неразрушающего контроля, датчиках перемещения, датчиках для измерения постоянного и переменного магнитного поля, электрического тока. Датчик содержит подложку с диэлектрическим слоем, на котором расположены соединенные в мостовую...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002312429
Дата охранного документа: 10.12.2007
10.04.2019
№219.017.0397

Способ преодоления противодействия процессу обнаружения взрывчатых веществ (вв) в комплексе средств обнаружения вв, состоящих из якр-обнаружителя и рентгено-телевизионного интроскопа

Использование: для преодоления противодействия процессу обнаружения взрывчатых веществ. Сущность: заключается в том, что осуществляют определение зависимостей резонансной частоты и добротности основного контура датчика ЯКР-обнаружителя в процессе загрузки исследуемого объекта в рабочую камеру...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002386957
Дата охранного документа: 20.04.2010
10.04.2019
№219.017.0576

Интегральный преобразователь давления

Изобретение может быть использовано для измерения механических воздействий. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности, а также и расширение функциональных возможностей. Интегральный преобразователь давления выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002362132
Дата охранного документа: 20.07.2009
10.04.2019
№219.017.097a

Интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с первой стороны которой сформированы тензорезисторы и объединены электрическими связями в мост Уитстона,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002469436
Дата охранного документа: 10.12.2012
19.04.2019
№219.017.2ec1

Многобалочный акселерометр - анализатор спектра механических колебаний на основе тензорезистивных преобразователей

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для преобразования механических воздействий в электрический сигнал, измерение которого позволяет определить ускорение или силу воздействий. Акселерометр содержит несколько подвижных инерционных масс, концентраторов разной длины или ширины,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002387999
Дата охранного документа: 27.04.2010
+ добавить свой РИД