| Пріоритети: | Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема мікроелектромеханічних перетворювачів. Кремнієвий мікроелектромеханічний перетворювач містить тонку квадратну мембрану і тензорамку з тензорезисторами мостової схеми, при цьому тензорамка виконана монолітною з трапецеїдальним перетином і нероз'ємно з'єднана своєю широкою основою через шар скла з мембраною. Осі симетрії мембрани та тензорамки збігаються з прецизійною точністю, а тензорамка у поперечному напрямку своїми довгими сторонами максимально наближена до поздовжньої осі симетрії. Довжина тензорамки L менша за лінійний розмір мембрани на величину 0,2. 4,5(H-h)ctg , де Н - висота кремнієвого кристала з мембраною, h - товщина мембрани, - кут, утворений кристалографічними площинами та при анізотропному хімічному травленні монокристалічного кремнію. Технічний результат - підвищення довготривалої стабільності перетворювальної характеристики, збільшення тензочутливості мікромеханічного перетворювача, розширення діапазону робітниківтемператур. 3 іл.
Малюнки до патенту Україна 2327125
Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема мікроелектромеханічних перетворювачів, і дозволяє підвищити довготривалу стабільність перетворювальної характеристики, збільшити тензочутливість, а також розширити діапазон робочих температур.
Відома розробка мікроелектромеханічних перетворювачів (мікрогіроскопів) на основі структури кремнію та скла [1].
Відомий кремнієвий перетворювач тиску [2], на тонкій мембрані якого сформовані тензорезистори за допомогою дифузії або іонного легування підкладки.
Головним недоліком такого перетворювача є те, що кремнієва підкладка має кінцеву величину опору. Тому між резисторами протікатимуть струми витоку, величина яких змінюється в залежності від зміни температури підкладки.
Крім цього, на межах розділу кремнію з діоксидом кремнію утворюються об'ємні електричні заряди та обумовлені ними електричні поля, величини яких змінюються за зміни умов навколишнього середовища.
Тензорезистори, сформовані в мембрані, викликають у ній локальні пружні напруги, які релаксують як у часі, так і в умовах зміни параметрів навколишнього середовища.
Оскільки перераховані вище фізико-технологічні процеси мають випадковий характер, то і перетворювальна характеристика нестабільна в часі.
Сутність винаходу: кремнієвий мікроелектромеханічний перетворювач містить монолітну тензорамку трапецеїдального перерізу 2 (фіг.1 і 2) з тензорезисторами мостової схеми, нероз'ємно з'єднану своєю широкою основою через тонкий шар скла з тонкою мембраною 1 (фіг.2), при цьому осірамки збігаються з прецизійною точністю, а рамка в поперечному напрямку своїми довгими сторонами максимально наближена до поздовжньої осі симетрії, довжина рамки L менше лінійного розміру квадратної мембрани на величину 0,2. 4,5(H-h)ctg.
В основу роботи перетворювача покладено зміну величини опору тензорезисторів мостової схеми монолітної кремнієвої рамки в залежності від величини зовнішнього механічного впливу на тонку мембрану 1, що викликає пружні деформації в мембрані, що відрізняються як за величиною, так і за знаком (розтягування або стиснення) в різних областях мембран .
Метою винаходу є підвищення довготривалої стабільності перетворювальної характеристики, збільшення тензочутливості мікроелектромеханічного перетворювача, розширення діапазону робочих температур.
Підвищення довготривалої стабільності мікроелектромеханічних перетворювачів є необхідною умовою створення високоточних датчиків механічних величин з цифровим вихідним сигналом [3]. Кремнієвий мікроелектромеханічний перетворювач 5 в абсолютному датчику тиску з цифровим вихідним сигналом показаний на фіг.3, 6 - мікроконтролер.
Поставлена мета досягається тим, що тензорезистори мостової схеми виконані у вигляді монолітної тензорамки трапецеїдального перерізу, нероз'ємно з'єднаної своєю широкою основою через тонкий шар скла з тонкою мембраною, при цьому осі симетрії мембрани і рамки збігаються з прецизійною точністю. максимально наближена до поздовжньої осі симетрії, довжина рамки L менша за лінійний розмір квадратної мембрани на величину
0,2. 4,5(H-h)ctg,
де Н - висота кремнієвого кристала з мембраною,
h - товщинамембрани,
- Кут, утворений кристалографічними площинами та при анізотропному хімічному травленні монокристалічного кремнію.
Поєднання осей координат мембрани і тензорамки з прецизійною точністю забезпечує високу лінійність перетворювальної характеристики при високій тензочутливості, оскільки тензорезистори мостової схеми позиціонуються з прецизійною точністю у відповідних областях на поверхні мембрани (в областях рівної тензочутливості), що показано в результатах досліджень. у кремнієвих інтегральних перетворювачах тиску [4].
Тензорамка в поперечному напрямку своїми довгими сторонами максимально наближена до поздовжньої осі симетрії рамки, а довжина рамки L менша за лінійний розмір 2а квадратної мембрани на величину 0,2. 4,5(H-h)ctg.
Максимальне наближення довгих сторін тензорамки до поздовжньої осі перетворювача, а також менша довжина рамки L порівняно з лінійним розміром сторони квадратної мембрани 2а на величину 0,2. 4,5(H-h)ctg дозволяють підвищити тензочутливість перетворювача, так як максимум тензочутливості тензорезисторів, що працюють на розтягування, знаходиться поблизу контуру затискання мембрани, а працюючих на стиск - поблизу поздовжньої осі симетрії рамки, а саме в області перетину поздовжньої та поперечної осей . Н - висота кремнієвого кристала з мембраною, h - товщина мембрани, = 54,74 ° - кут, утворений кристалографічних площин і при анізотропному хімічному травленні монокристалічного кремнію [5].
У разі рівності або перевищення довжини рамки L у порівнянні з лінійним розміром сторони квадратної мембрани 2а збільшується жорсткість мембрани та знижуєтьсятензочутливість.
Інтервал значень 02. 4,5(H-h)ctg обраний з міркування технологічної можливості (максимального дозволу), що забезпечується сучасним та перспективним обладнанням для процесів літографії.
Пристрій інтегрального мікроелектромеханічного перетворювача на основі багатошарової структури кремнію і скла і сформованої тензорамки трапецеїдального перерізу, що сполучається широкою основою з тонким шаром скла, що має нескінченний електричний опір і кінцевий тепловий опір, також мінімізувати нагрівання тензорезисторів.
Відсутність контакту кремнію з діоксидом кремнію унеможливлює утворення об'ємних електричних зарядів та обумовлених ними електричних полів, а значить залежності перетворювальної характеристики від умов навколишнього середовища.
Відсутність операцій дифузії чи імплантації на формування тензорезисторів виключає утворення локальних пружних напруг у мембрані, отже, і релаксаційні процеси.
Укріплений на поверхні шару 3 скляний ковпачок 4 дозволяє вирішити ряд проблемних завдань: створити вакуумний тензовузол перетворювача для вимірювання абсолютних тисків, при цьому забезпечити захист тензорамки від забруднень, що вносяться зовнішнім середовищем.
При використанні цього ковпачка для перетворювачів надлишкового чи диференціального тиску суттєво знижується ймовірність забруднення тензорамки, що зумовлює появу міграційних струмів, які мають випадковий характер.
Зважаючи на те, що в даній конструкції перетворювача, що базується на запропонованих технічних рішеннях, виключаються вище зазначені фізико-хімічніпроцеси випадкового характеру, то з цієї причини довготривала стабільність перетворювальної характеристики має покращуватися.
Очікувані технічні характеристики вказаних перетворювачів і датчиків на їх основі припускають їх застосування і в різних загальнолітальних системах, а також в автомобільній та нафтогазовій промисловості, побутовій та медичній техніці, робототехніці та автоматизації промислового обладнання.
За прогнозами на 2006 рік, європейський ринок за сенсорами тиску може вийти на рівень 488,2 мільйонів доларів. Найбільший сектор цього ринку становитимуть інтегральні мікроелектромеханічні перетворювачі та датчики тиску на їх основі [6].
1. Погалов А.І., Тимошенков В.П., Тимошенков С.П., Чаплігін Ю.А. Розробка мікрогіроскопів на основі багатошарових структур кремнію та скла // Мікросистемна техніка, №1, 1999, с.36-40.
2. Авторське свідоцтво СРСР №1404852, кл. G01L 9/04, 1986.
3. Соколов Л.В., Школьніков В.М. Тимчасова стабільність інтегральних датчиків як найважливіша умова їх застосування в мікропроцесорних авіаційних системах // Вимірювальна техніка. 2002. №4, с.27-29.
4. Соколов Л.В. Investigation and optimization from minimym nonlinearity of integral preser trundusers // Int. Conf. Micro Electro Mechanical Systems and Components. "SENSOR TECNO". St.Peterburg. 1993, p.53-57.
5. К.Е.Петерсен. Кремній як механічний матеріал ТІІЕР, 1982, том 70 №5, с.5-49.
6. Слєпов В.І. Європейський ринок датчиків тиску // Прилади та системи. Управління, контроль, діагностика. 2001. №3, с.55-57.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Кремнієвий мікроелектромеханічний перетворювач, що містить тонку квадратну мембрану та тензорамку з тензорезисторами бруківкисхеми, при цьому тензорамка виконана монолітною з трапецеїдальним перетином і нероз'ємно з'єднана своєю широкою основою через шар скла з мембраною, осі симетрії мембрани і тензорамки збігаються з прецизійною точністю, а тензорамка в поперечному напрямку менше лінійного розміру мембрани на величину 0,2. 4,5(H-h)ctg , де Н - висота кремнієвого кристала з мембраною,
h - товщина мембрани
- кут, утворений кристалографічними площинами та
при анізотропному хімічному травленні монокристалічного кремнію