77-51038/482969 УДК 004 Модели и методы синтеза

УДК 004
Модели и методы синтеза мембранных датчиков давления на основе НиМЭМС
# 10, сентябрь 2012
Андреев К.А.
Научный руководитель: к.т.н., доцент А.И. Власов
Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана, Москва
МГТУ им. Н.Э. Баумана
[email protected]
Введение
Микромеханический датчик давления в общем случае состоит из чувствительного
элемента, преобразователя давления, схемы обработки сигнала (электронный
преобразователь) и различных по конструкции корпусных деталей.
Практически все электронные технологии работают по принципу измерения
перемещения мембраны, вызванного давлением с одной стороны. Датчики
дифференциального давления имеют две мембраны или одну, перемещающуюся в обе
стороны. Форма и компоновка мембран зависит от производителя, так же как и способы
измерения перемещения.
Тензометрический метод [1]. Основная масса датчиков давления в нашей стране
выпускаются на основе чувствительных элементов, принципом которых является
измерение деформации тензорезисторов, сформированных в эпитаксиальной пленке
кремния на подложке из сапфира (КНС), припаянной твердым припоем к титановой
мембране. Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические:
медные, никелевые, железные и др.
Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в
материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами,
соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана
прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу
моста Уинстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и,
следовательно, от приложенного давления.
Емкостной метод [1]. Чувствительными элементами емкостных преобразователей
давления являются мембраны и диафрагмы, преобразующие измеряемое давление в
перемещение. При этом они могут быть одновременно использованы в качестве
подвижного электрода. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и
происходит изменение емкости.
Мембрана подвергается воздействию измеряемой среды и располагается напротив
одной или нескольких неподвижных пластин с зазором. При перемещении мембраны
емкость между пластинами изменяется. Мембраны могут быть металлическими или
керамическими. Емкостные приборы потребляют относительно небольшой ток, поэтому
могут использоваться в беспроводных приложениях с питанием от батареи. Присущая им
возможность измерения температуры часто может использоваться для получения
дополнительного показателя измеряемого процесса.
77-51038/482969
Резонансный метод [2]. В основе метода лежат волновые акустические или
электромагнитные процессы: Это объясняет высокую стабильность датчиков и высокие
выходные характеристики прибора.
Частным примером может служить кварцевый резонатор. При прогибе мембраны,
происходит деформация кристалла кварца, подключенного в электрическую схему и его
поляризация. В результате изменения давления частота колебаний кристалла меняется.
Подобрав параметры резонансного контура, изменяя емкость конденсатора или
индуктивность катушки, можно добиться того, что сопротивление кварца падает до нуля –
частоты колебаний электрического сигнала и кристалла совпадают - наступает резонанс.
Чаще всего мембрану выполняют из n-кремния в плоскости (100), прямоугольной
формы, а диффузионные (имплантированные) или эпитаксиальные тензорезисторы – рпроводимости. С такими ЧЭ возможно построение датчиков для измерения абсолютных,
избыточных и разностных давлений. С корпусными деталями ЧЭ соединяют посредством
промежуточных боросиликатных стеклянных пластин диффузионной сваркой в
электрическом поле.
Принципы реализации чувствительного элемента
Мембрана (диафрагма) может изготавливаться по технологии объемной
микромеханики. Вначале формируется интегральная схема обработки, которая
представляет собой тензорезистивную структуру, внедренную, например, методом
ионной имплантации на "прямой" стороне кремниевой пластины. При этом сцепление
тензорезисторов с мембраной происходит на молекулярном уровне, затем на обратной
стороне пластины формируется маска и проводится анизотропное травление.
Традиционно, все преобразователи, основанные на тензорезистивном эффекте,
имеют на кристалле резистивный мост Уинстона и транзисторную схему температурной
компенсации чувствительности (рис. 2).
Рис. 1 - Совмещенный топологический чертеж преобразователя давления и
расположение элементов на мембране
Рассмотрим вопросы математического моделирования чувствительного элемента
датчика давления. Уравнение движения плоской мембраны можно представить
следующим образом [2]:
( )
(
)(
)
(1)
Где
м;
(
; ∆p – действующее давление, Па; А – сторона квадратной мембраны,
)
- цилиндрическая жесткость пластины; ʋ - коэффициент Пуансона; E –
модуль упругости, сп – толщина мембраны, м.
Графическое представление моделируемого процесса представлено на (рис. 2).
В точках с максимальной относительной деформацией мембраны необходимо
располагать (имплантировать) резисторы, включаемые, как правило, в мостовые схемы. В
⁄
⁄ и
⁄
⁄ , а также
⁄
⁄
точках с координатами
⁄
⁄ деформации нулевые, и в этих местах следует располагать
и
резисторы для температурной компенсации.
Рис. 2 - Деформация средней плоскости защемленной по контуру мембраны
Известно, что одним из способов повышения чувствительности и улучшения ряда
других характеристик ЧЭ является создание концентраторов механических напряжений на
мембране в местах расположения тензорезисторов. С этой целью можно создавать не
плоские, а профилированные мембраны, например с одним или несколькими
центральными выступами (жёсткими центрами), что позволяет получить более высокую
чувствительность при сохранении собственной резонансной частоты, либо увеличить
резонансную частоту при сохранении чувствительности и значительно увеличить
прочность мембраны. Помимо указанных преимуществ преобразователи с
концентраторами напряжений обладают лучшей линейностью и существенно большим
диапазоном линейного преобразования по сравнению с преобразователями на основе
плоских мембран. Использование только поперечного пьезоэффекта во всех плечах моста
позволяет взаимно скомпенсировать нелинейности зависимостей относительного
изменения сопротивлений тензорезисторов от давления или деформации [3].
77-51038/482969
Посредством введения в конструкцию мембраны ЧЭ центрального выступа можно
попытаться ограничить её прогибы, если на некотором расстоянии от поверхности
жёсткого центра разместить упор (рис 3).
1
2
3
4
5
Рис. 3 - Конструкция датчика давления и мембрана с жестким центром и упором в
виде стеклянной подложки:
1 - гермовывод; 2 - чувствительный элемент; 3 – подмембранная полость; 4 –
корпус; 5 – защитная мембрана
Подмембранная полость между мембраной и чувствительным элементом
заполняется жидкостью. Такая мембрана позволяет уменьшить влияние измеряемой среды
на ЧЭ (развязка) и снизить давление.
Литература
1. Ваганов, В.И. Интегральные тензопреобразователи // В.И. Ваганов. - М.:
Энергоатомиздат, 1983. – 136 с.
2. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие // В.Я. Распопов.
– М.: Машиностроение, 2007. – 400с
3. Ушков, А.В. Разработка конструктивно-технологических методов производства
кремниевых чувствительных элементов давления с повышенной стойкостью к
перегрузкам: дис. канд. техн. наук: 05.27.06 // Ушков Александр Викторович; Место
защиты: Моск. гос. техн. ун-т им. Н.Э. Баумана. – Москва, 2008. – 161 с.
_____________________________________________________________________________
___
Результаты работы получены при частичной поддержке проекта №7.6161.2011