2 / 8
The research resulted in some recommendations for a designer about the membrane
structure choice and the layout of resistance strain gauges ensuring the most efficient
microsensor operation.
Keywords
:
pressure sensor, elastic membrane, plate.
В современных микротехнологиях кремний широко распростра-
нен не только как полупроводниковый, но и как конструкционный
материал [1]. Тот факт, что кремний, помимо своей обычной роли
электронного материала с хорошо развитой технологией изготовления
микроэлектронных устройств, может также использоваться как пре-
цизионный, высоконадежный и прочный конструкционный материал,
лежит в основе проектирования микроэлектромеханических систем
(МЭМС).
Микроэлектромеханические системы включают в себя широкий
круг функциональных микроустройств, среди которых ключевую роль
играют микродатчики для измерения значений физических параметров
и преобразования их в электрические сигналы [2]. Основным элемен-
том датчика давления является микроэлектромеханический кремние-
вый преобразователь с тензорезистивным эффектом. Расчет оптималь-
ного расположения тензорезисторов на мембране является основой
для проектирования МЭМС датчиков физических величин, в частно-
сти, давления.
Цель настоящей статьи — подготовка рекомендаций разработчи-
ку по выбору конструктивно-технологического решения для мембран
и топологии расположения тензорезисторов для наиболее эффектив-
ной работы микродатчиков и защиты мембраны от разрушения при
несанкционированной перегрузке по давлению.
Важным моментом при проектировании упругого элемента из
кремния является выбор рабочих напряжений в зоне расположения
тензорезисторов. Существуют различные подходы к выбору распо-
ложения тензорезисторов на кремниевых мембранах. Одной из рас-
пространенных конструкций является плоская мембрана, в которой
резисторы располагаются в области заделки [3] мембраны. Другой
вариант — прямоугольная мембрана с жестким центром прямоуголь-
ной формы, в которой резисторы располагаются в области заделки
мембраны и на переферии жесткого центра.
Основными критериями для разработчика при расчете кремниевых
преобразователей давления являются чувствительность и линейность
выходного сигнала. Для однозначного выбора конструкции мембраны
для чувствительного элемента датчика давления необходимо исследо-
вать характеристики плоской мембраны и мембраны с жестким цен-
тром на предмет чувствительности, линейности выходного сигнала, а
также защиты мембраны от перегрузки давлением.
В качестве преобразователя давления в электрический сигнал ис-
пользуются тензорезисторы, которые формируются в теле мембраны
136 ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Приборостроение”. 2015. № 6