ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ АБСОЛЮТНОГО И ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЙ

Приведены результаты экспериментальной отработки конструкций интегральных датчиков абсолютного и избыточного давлений на основе кремниевых мембран

Основное преимущество пьезорезистивного эффекта в кремнии – это высокая чувствительность к механическим напряжениям, что открывает большие возможности для конструкторов датчиков в направлении их микроминиатюризации, повышении надежности и ресурса. Наибольшее значение чувствительности имеют интегральные тензорезисторы -типа, сформированные в упругом элементе -типа в кристаллографической плоскости [001]. При этом топология тензорезистивной схемы должна быть выполнена максимально симметричной. Это позволяет обеспечить высокую температурную стабильность начального разбаланса мостовой схемы без использования схем температурной компенсации. Однако изменение чувствительности тензорезисторов от температуры приводит к необходимости применения температурной компенсации с использованием термозависимых элементов, например, терморезисторов на основе слаболегированного кремния [1]. Это усложняет настройку датчиков и требует индивидуальной подгонки дополнительных резисторов, что связано с большими трудозатратами.

Наиболее перспективен технологический метод, обеспечивающий легирование кремния до значения см^-3при залегании -перехода 2-7 мкм. В этом случае достигается равенство ТКС и ТКЧ тензорезисторов, и при питании мостовой схемы от источника тока обеспечивается температурная компенсация.

Важным моментом при проектировании упругого элемента из кремния является выбор рабочих напряжений в зоне расположения тензорезисторов. Многочисленные публикации дают значение предела прочности кремния с большой зоной неопределенности от 20 МПа до 3-5 ГПа [2]. Это связано с качеством обработки поверхности и с тем, насколько тщательно удален дефектный приповерхностный слой. Наиболее усредненное значение предела прочности кремния равно 450 МПа [3]. На основании этой цифры нами выбирались рабочие напряжения, равные 45-50 МПа, что подтвердило надежность конструкций к 3-4-кратным перегрузкам и обеспечило необходимый технологический запас по прочности.

При создании конструкций датчиков неизбежно встает вопрос о выборе размеров интегрального преобразователя (чаще всего мембраны) в датчиках давления. Требование измерения малых давлений заставляет идти на увеличение мембраны, но возможности технологического оборудования ограничивают размеры 6-7 мм. Уменьшение размеров приводит, с одной стороны, к экономии дорогостоящего кремния, а с другой – к неизбежному проигрышу чувствительности. Однако уменьшение размеров позволяет значительно увеличить собственную частоту конструкции и, тем самым, расширить диапазон измеряемых частот.

Уменьшение диаметра мембраны почти квадратично ведет к увеличению собственной частоты [4]. Так, при разработке датчика аэрогазодинамических давлений ДДЭ-82 при диаметре рабочей части мембраны 3 мм, толщине (20±5) мкм была достигнута собственная частота 4 кГц при диапазоне измерения давления в 0,022 МПа. Это обеспечивало измерение пульсаций давления в диапазоне 0-400 Гц при сохранении статической градуировки датчика.

Как правило, датчики эксплуатируются в сложных условиях воздействия многих влияющих факторов. Поэтому обеспечение минимальной погрешности, ее сохранение в течение длительного ресурса связано, в первую очередь, с выбором конструкции датчика. Проводимые в НИИФИ работы по созданию датчиков давления, длительные испытания и эксплуатация у заказчиков позволили определить наиболее перспективные конструкции. Конструкция датчиков избыточного давления представлена на рис. 1, а, б, абсолютного давления – на рис. 2, а-в. В основе всех конструкций лежит технология электростатического соединения кремния со стеклом.

Рис. 1

Конструкция, представленная на рис. 1, а, содержит металлический корпус 3 из ковара с вплавленным стеклом 2, к которому присоединен кристалл 1. Эта конструкция была использована в датчиках ДДЭ 073, ДДЭ 074, измеряющих давления в диапазонах от 0-0,045 МПа до 0-1,4 МПа. Конструкция, показанная на рис. 1, б, содержит кристалл из кремния 1, на который по периметру мембраны нанесен поликремниевый поясок 2, служащий для присоединения стеклянного цоколя 4. Цоколь выполнен из набора стеклянных шайб 3, обеспечивающих наилучшее согласование ТКЛР, и заканчивается металлической трубкой 5. Конструкция обеспечивает датчику максимальное быстродействие при минимальных габаритах. Она была использована при создании датчиков ДДЭ 082, ДДЭ 081, обеспечивающих измерение избыточных давлений в диапазонах от 0-0,022 МПа до 0-0,4 МПа и работающих в диапазоне от –90 до +100°С.

Измерение абсолютного давления требует усложнения конструкции датчика, связанного с созданием вакуумной полости и обеспечением надежной ее герметизации. Задача усложняется тем, что отсутствуют надежные методы контроля негерметичности малых объемов вакуумных полостей. Нами были отработаны конструкции датчиков, представленные на рис. 2. В основе создания конструкции также лежит технология электростатического соединения кремния со стеклом в вакууме, для чего было изготовлено необходимое оборудование.

Рис. 2

Конструкция, представленная на рис. 2, а, реализована в малогабаритном датчике барометрического давления, содержащем стеклянное основание 2, кристалл 1, образующий вакуумную камеру 3. Датчик дешев и надежен при эксплуатации, поэтому нашел широкое применение. Он успешно используется для контроля негерметичности газонаполненных корпусов электронных приборов с общей герметизацией. Конструкция, показанная на рис. 2, б, содержит кремниевый кристалл 1, стеклянный колпачок 3, соединенный через слой поликремния 2. Она была использована при создании датчика абсолютного давления на диапазоны от 0-0,05 МПа до 0-1,0 МПа. Для сложных условий эксплуатации, характерной для автомобильной техники, была отработана конструкция ДАЭ 099, показанная на рис. 2, в. Она содержит кристалл 1, присоединенный к стеклянному основанию 2, которое устанавливается в металлостеклянный корпус 3. Корпус 3 с основанием 2 соединяется сваркой (сварной шов 7) через трубку 4. Вакуумная полость 8 образуется за счет герметизации сваркой в вакууме крышки 6. Выводы 5 от тензосхемы выполнены на основе металлостеклянного спая. Датчик ДАЭ 099 рассчитан на измерение давления в диапазоне 0-0,25 МПа, отличается повышенной надежностью, предназначен для работы в условиях наличия паров бензина, масел, воды и выхлопных газов.

Созданные конструкции являются основой для дальнейших работ по совершенствованию датчиков, направленных на уменьшение их габаритных размеров и повышение стабильности характеристик.

Список литературы

1. А. с. № 800742. Тензометрический преобразователь. 1981. БИ № 4.

2. Концевой Ю.А. и др. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь. 1984. 135 с.

3. Winteler H.R., Gantsch G. H. Pezoresistive Druckaufnehmer. Kistler. 1984. 8 с.

4. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука. 1967. С. 414- 416.

Наверх