УДК 681.586'326
КРЕМНИЕВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДАВЛЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗОК1
К. А. Андреев, А. И. Власов, В. А. Шахнов
Рассмотрена проблема защиты кремниевых тензорезистивных чувствительных элементов от перегрузок. Подробно исследованы вопросы моделирования кремниевых кристаллов чувствительных элементов при воздействии давлений, превышающих верхний предел измерения. Кратко представлены варианты существующих конструкций мембран чувствительных элементов и возможных конфигураций стопорных элементов. В заключение предложена конструкция чувствительного элемента дифференциального датчика давления с двумя стопорными элементами.
Ключевые слова: кремниевые тензорезистивные чувствительные элементы, перегрузки, стопорные элементы, дифференциальный датчик давления.
ВВЕДЕНИЕ
Датчики давления имеют широчайший спектр применения. Одним из объектов их эксплуатации могут быть трубопроводы для подвода и отвода жидкостей для систем и агрегатов судов, например, для охлаждающих контуров двигателей разного типа. В трубопроводах при работе насосов и исполнительных механизмов возникают скачки давления, при этом измеряемые давления меняются от нескольких килопаскалей до мегапаскалей. Так как интегральные преобразователи давления для дифференциальных датчиков имеют достаточно тонкую, не более 200 мкм, кремниевую мембрану, то они могут быть разрушены большими скачками давления.
Большинство технических решений по защите от перегрузок [1—3] используют стопорный элемент или жесткий центр кремниевого кристалла для предотвращения нежелательного
1 Отдельные результаты работы получены в рамках НИОКР по государственному заданию № 7.6161.2011.
прогиба мембраны при превышении максимального измеряемого рабочего давления. Недостатком данных решений является возможность разрушения мембраны при значительных перегрузках (более чем в шесть раз от верхнего предела измерения). При перегрузках центральный выступ мембраны упирается в поверхность основания, при дальнейшем увеличении давления мембрана испытывает большие перегрузки в местах расположения активной области мембраны, окружающей центральный выступ, происходят пластичные, сдвиговые деформации, а затем и разрушение мембраны.
Цель работы — решение задачи обеспечения надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок, а также обеспечения возможности измерения величин перегрузки.
В процессе работы предполагается разработка конструкции, обеспечивающей защиту от перегрузок более чем в 10 раз,
выполнение расчетов выбранной конструкции на прогиб мембраны при различных давлениях и проведение оценок запаса прочности при различных степенях деформации.
На первом этапе выбираются различные конфигурации кремниевых мембран и разрабатываются конфигурации стопорных элементов для защиты от перегрузок. Далее проводится моделирование чувствительного элемента выбранной конфигурации и оценка его перегрузочных характеристик. В заключение приводится конфигурация чувствительного элемента для датчика разности давлений с двумя стопорными элементами.
РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ
ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО
ЭЛЕМЕНТА
В общем случае кремниевый тензорезистивный датчик давления содержит полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области в виде тонкой пластинки, защемленной по контуру в неподвижной рамке. На планарной
Рис. 1. Мембраны датчиков абсолютного давления с конгруэнтными упорами:
а — для плоской мембраны; б — для мембраны с жестким центром; 1 — мембрана; 2 — подставка с упором; 3 — стеклянная подложка
стороне чувствительный элемент содержит тензорезисторы, сформированные в областях наибольшей деформации и объединенные в резистивный измерительный мост. В ряде случаев для повышения жесткости мембраны и повышения нагрузочной способности на обратной стороне мембраны формируют центральный выступ [1—4].
Для защиты подобных мембран от перегрузок возможно использование упоров конгруэнтных профилю мембраны. Примеры предлагаемых упоров представлены на рис. 1.
Чувствительный элемент (мембрана) 1 закрепляется на
упоре через легкоплавкое стекло, а упор 2, в свою очередь, крепится к стеклянной подложке 3 при помощи электростатической сварки [5]. Кремниевый упор 2 формируется метом анизотропного травления в пластинах, имеющих ту же кристаллографическую ориентацию, что и кремниевые пластины, используемые для изготовления ЧЭ.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА СО СТОПОРНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
Моделирование выполнялось для мембраны (см. рис. 1, б) площадью 2 х 2 мм, с жестким
центром 1 х 1 мм и толщиной 100 мкм. Зазор между нижней поверхностью мембраны и конгруэнтной ей поверхностью упора составлял 5 мкм.
На рис. 2, а, представлена сетчатая модель чувствительного элемента, а на рис. 2, б, приведено распределение коэффициента запаса прочности по поверхности кристалла при расчете по критерию прочности на растягивающие напряжения.
Расчет проводился для кремния с учетом предела прочности 450 МПа для давлений от 60 Па до 400 МПа. Результаты моделирования представлены на рис. 3.
Как видно из рисунка, мембрана легла на упор при нагрузке, превышающей 10 МПа (область перегиба кривой), а при нагрузке свыше 160 МПа (при расчетах коэффициент запаса прочности становится менее 1) начались сдвиговые деформации и разрушение мембраны. Для подобной мембраны с жестким центром максимально допустимая нагрузка составила 6 МПа [4]. Таким образом, подобный тип упора позволяет сохранить работоспособность
Рис. 2. Расчет на прочность конструкции:
а — сетчатая модель; б — расчет по критерию прочности на растягивающие напряжения
Суммарные перемещения мембраны, мкм 123 4567 89 О * -
—1 1
г*
г
I
{
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Давление, МПа
Рис. 3. Зависимость суммарного перемещения мембраны от приложенного давления
Рис. 4. ЧЭ датчика дифференциального давления с упорами:
1 — кристалл ЧЭ; 2 — верхний упор; 3 — нижний упор; 4 — контактные площадки; 5 — подложка
мембраны с жестким центром при кратковременных перегрузках более чем в 25 раз.
КОНСТРУКЦИЯ УПОРОВ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
Для датчиков дифференциального давления упоры могут быть выполнены с двух сторон от
кремниевой мембраны (рис. 4). В этом случае чувствительный элемент состоит из кремниевой мембраны 1 с центральным выступом, окруженным канавкой, полученной анизотропным травлением. Канавка и жесткий центр образуют активную область мембраны, способную прогибаться под действием приложенного давления. Перифе-
рийная область вокруг канавки образует неактивную область мембраны. На плоской поверхности мембраны в областях расположения канавки сформированы тензорезисторы, объединенные в тензорезистивный измерительный мост и меняющие свое сопротивление в зависимости от приложенного давления.
К мембране в периферийно неактивной области с двух сторон крепятся два стопорных элемента 2 и 3. Верхний упор имеет меньшую площадь в сравнении с кристаллом ЧЭ для выведения контактных площадок 4 за пределы верхнего упора.
Со стороны центрального выступа к мембране крепится нижний стопорный элемент 3, соответствующий по размеру кремниевой мембране. Стопорный элемент обладает конгруэнтной поверхностью и профилем, соответствующим профилю центрального выступа и канавки кремниевой мембраны. Таким образом, первый стопорный элемент содержит стопорный выступ и углубление под центральным выступом кремниевой мембраны, расположенные с зазором относительно поверхности мембраны. Причем зазор между выступом и канавкой мембраны меньше, чем зазор к3 между выступом и углублением стопорного элемента из-за меньшего прогиба периферийной части активной области мембраны по сравнению с ее центральной частью. Для подвода давления к мембране первый стопорный элемент содержит центральное сквозное отверстие, по размеру меньшее, чем центральный выступ чувствительного элемента.
Плоской стороной стопорный элемент 3 крепится на стеклянную подложку 5 для сопряжения с металлическими конструктивными элементами датчика давления. В подложке сделано центральное сквозное отверстие, соответствующее отверстию стопорного элемента.
Верхний стопорный элемент 2 устанавливается с пла-нарной стороны кремниевой мембраны в неактивной области. Он содержит центральный выступ со сквозным отверстием для подачи давления на пла-нарную сторону мембраны. Зазор между выступом и поверхностью мембраны чувствительного элемента ^ соизмерим с зазором к^.
При подаче давления мембрана датчика отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от того, с какой стороны на мембрану действует избыточное давление. При деформации мембраны пропорционально значению избыточного давления меняются сопротивления тензоре-зисторов, а следовательно, выходной сигнал с измерительного моста при подаче на него питающего напряжения [4—7].
При перегрузочных давлениях мембрана, отклоняясь в ту или иную сторону, планарной стороной опирается на жесткий центр верхнего стопорного элемента или своим центральным выступом на поверхность углубления нижнего упорного элемента.
При дальнейшем увеличении перегрузочного давления продолжают деформироваться периферийные участки активной области мембраны, а следовательно меняется и значение выходного сигнала с измери-
тельного моста, и после непродолжительного деформирования активная область мембраны ложится на выступы стопорных элементов. При этом измерительная мембрана предохраняется от сдвиговой, пластичной деформации и от разрушения. Возможно также оценить степень перегрузки до того, как мембрана полностью ляжет на конгруэнтную ей поверхность упора. После прекращения воздействия перегрузки датчик дифференциального давления продолжает работать в основном режиме.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Оценка нагрузочной способности чувствительного элемента датчиков давления является важной задачей при проектировании микроэлектромеханических датчиков давления. Результаты моделирования мембраны с жестким центром и стопорным элементом показал
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.