Датчик давления
Номер патента: 20049
Опубликовано: 29.08.2014
Авторы: Благов Евгений Владимирович, Сауров Александр Николаевич, Шаманаев Артемий Андреевич, Шаман Юрий Петрович, Павлов Александр Александрович, Шаманаев Сергей Владимирович, Галперин Вячеслав Александрович
Формула / Реферат
1. Датчик давления, содержащий подложку с двумя расположенными друг над другом диэлектрическими слоями, массив углеродных нанотрубок, подсоединенную к указанному массиву по меньшей мере в двух местах электрическую разводку и герметизирующий слой, причем массив углеродных нанотрубок расположен в углублении, выполненном в подложке и диэлектрических слоях, электрическая разводка расположена между диэлектрическими слоями, а герметизирующий слой расположен, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок.
2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что углубление в подложке выполнено в виде меандра, или прямоугольника, или овала.
3. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что электрическая разводка выполнена из титана, и/или молибдена, и/или золота, и/или платины, и/или алюминия, и/или меди, и/или хрома, и/или легированного поликремния.
4. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что подложка состоит по меньшей мере из одного слоя кварца, и/или кремния, и/или оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния.
5. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что углубление в подложке выполнено глубиной от 0,5 до 500 мкм.
6. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что герметизирующий слой выполнен из оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния, и/или поликремния толщиной от 0,5 до 200 мкм.
7. Датчик давления по пп.1-6, отличающийся тем, что герметизирующий слой соединен с поверхностью методом сращивания.
8. Датчик давления по пп.1-6, отличающийся тем, что герметизирующий слой выполнен методом осаждения.

Текст
Изобретение относится к датчикам давления. Изобретение может быть использовано в микрои наноэлектромеханических системах для измерения давления окружающей среды. Датчик давления содержит подложку с двумя расположенными друг над другом диэлектрическими слоями,массив углеродных нанотрубок, подсоединенную к указанному массиву, по меньшей мере в двух местах электрическую разводку и герметизирующий слой, причем массив углеродных нанотрубок расположен в углублении, выполненном в подложке и диэлектрических слоях, электрическая разводка расположена между диэлектрическими слоями, а герметизирующий слой расположен по меньшей мере над массивом углеродных нанотрубок. Технический результат заключается в повышении надежности функционирования чувствительного элемента датчика давления; повышения чувствительности датчика давления, исключения влияния изменений рабочей среды на функционирование датчика.(RU), Шаман Юрий Петрович (BY),Шаманаев Сергей Владимирович,Шаманаев Артемий Андреевич (RU) Андреева М.Ю. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ НАНОТЕХНОЛОГИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ РАН (RU) Изобретение относится к датчикам давления. Изобретение может быть использовано в микро- и наноэлектромеханических системах для измерения давления окружающей среды. В настоящее время известно техническое решение "Carbon nanotube temperature and pressure sensors" по заявке США на изобретение 2011/0051775 (МПК G 01L 9/00, G 01K 7/02 опубликована 03.03.2011 г.). В изобретении описан чувствительный элемент датчика давления, измеряющий давление за счет изменения сопротивления массива углеродных нанотрубок при деформации. Датчик давления содержит подложку, и осажденный из суспензии на поверхность подложки слой углеродных нанотрубок, к которому подсоединен электрический контакт не менее чем в двух местах, над слоем углеродных нанотрубок сформирована гибкая мембрана, деформирующаяся при оказании давления на поверхность массива. Недостатком данного технического решения являются ограниченные минимальные размеры функционального элемента из углеродных нанотрубок ввиду использования способа изготовления слоя углеродных нанотрубок методом осаждения из суспензии; невысокая чувствительность датчика; отсутствие защиты от экстремальных механических воздействий на массив углеродных нанотрубок. Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) изобретения является датчик давления, описанный в диссертации Kun Guo "Synthesis and Applications of Carbon Nanotubes inNano-Electro-Mechanical System" (The University of Toledo, August 2008). В данной работе описан датчик на основе вертикально ориентированных массивов углеродных нанорубок. Согласно данной публикации для формирования функционального элемента датчика давления изготавливается мембрана из нитрида кремния, на поверхность мембраны наносят каталитический слой кобальта для роста углеродных нанотрубок, выращивают массив углеродных нанотрубок методом химического газофазного осаждения в потоке метана при температуре 600C, формируют электрические контакты к массиву УНТ из золота и закрепляют полученную структуру на стеклянной подложке. Изготовленный согласно описанному способу датчик давления содержит подложку, на которой размещен массив углеродных нанотрубок, к которому по меньшей мере в двух местах подсоединена электрическая разводка. Недостатками данного технического решения являются невысокая чувствительность датчика давления из-за использования мембраны, жесткость которой определяет чувствительность датчика давления; зависимость точности измерений от состояния окружающей среды, т.к. при изменении состояния рабочей среды, например при увеличении влажности, из-за высокой сорбционной способности массива углеродных нанотрубок изменяются электрофизические характеристики массива углеродных нанотрубок ввиду того, что существует непосредственный контакт массива углеродных нанотрубок с рабочей средой; отмечается ограниченная сфера использования датчика давления ввиду отсутствия защиты от экстремальных механических воздействий на массив углеродных нанотрубок. Задачей настоящего изобретения является разработка датчика давления на основе массивов углеродных нанотрубок с высокой степенью надежности работы. Технический результат заключается в повышении надежности функционирования чувствительного элемента датчика давления; повышения чувствительности датчика давления, исключения влияния изменений рабочей среды на функционирование датчика. Для достижения вышеуказанного технического результата датчик давления содержит подложку с двумя расположенными друг над другом диэлектрическими слоями, массив углеродных нанотрубок,подсоединенную к указанному массиву по меньшей мере в двух местах электрическую разводку и герметизирующий слой, причем массив углеродных нанотрубок расположен в углублении, выполненном в подложке и диэлектрических слоях, электрическая разводка расположена между диэлектрическими слоями, а герметизирующий слой расположен, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок. От прототипа датчик отличается тем, что массив углеродных нанотрубок расположен в углублении,электрическая разводка расположена между диэлектрическими слоями, также датчик содержит верхний герметизирующий, расположенный, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок. Наличие углубления на подложке и размещение в нем массива углеродных нанотрубок обеспечивает надежную защиту от механических повреждений. Формирование электрической разводки между диэлектрическими слоями, последовательно сформированными на подложке, обеспечивает надежный контакт. Верхний слой, расположенный, по меньшей мере, над массивом углеродных нанотрубок, герметизирует массив углеродных нанотрубок, что позволяет исключить влияние рабочей среды на электрофизические свойства углеродных нанотрубок. В частных случаях выполнения изобретения углубление в подложке выполнено в виде меандра или прямоугольника, или овала. В частных случаях выполнения изобретения электрическая разводка выполнена из титана, и/или молибдена, и/или золота, и/или платины, и/или алюминия, и/или меди, и/или хрома, и/или легированного поликремния. В частных случаях выполнения изобретения подложка состоит по меньшей мере из одного слоя кварца, и/или кремния, и/или оксида кремния, и/или оксида алюминия,и/или нитрида кремния. В частных случаях выполнения изобретения углубление в подложке выполнено глубиной от 0,5 до 500 мкм. В частных случаях выполнения изобретения герметизирующий слой выполнен из оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния, и/или поликремния толщиной от 0,5 до 200 мкм. В частных случаях выполнения изобретения герметизирующий слой соединен с поверхностью методом сращивания. В частных случаях выполнения изобретения герметизирующий слой сформирован методом осаждения. Совокупность признаков, характеризующих изобретение, позволяет повысить надежности функционирования и чувствительность датчика давления. Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - схема датчика; на фиг. 2 - график зависимости величины сопротивления от величины давления. Датчик давления содержит подложку 1, массив углеродных нанотрубок 2, электрическую разводку 3, первый диэлектрический слой 4 и второй диэлектрический слой 5, а также верхний слой 6. В подложке 1 выполнено углубление 7, в котором сформирован массив углеродных нанотрубок 2(фиг. 1). Электрическая разводка 3 подсоединена к массиву углеродных нанотрубок 2, по меньше мере, в двух местах. На поверхности подложки 1, за исключением места углубления 7, сформирован диэлектрический слой 4, над которым сформирована электрическая разводка 3, поверх которой сформирован диэлектрический слой 5. Верхний слой 6, обеспечивающий герметизацию массива углеродных нанотрубок,может быть выполнен как по всей поверхности, так и только в области массива углеродных нанотрубок 2. Форма углубления 7 подложки 1 может быть прямоугольной, в виде меандра или овала, а глубина может составлять от 0,5 до 500 мкм. Электрическая разводка 3 может быть выполнена по меньшей мере из одного слоя титана, молибдена, золота, платины, алюминия, меди, хрома, легированного поликремния. Подложка 1 может быть выполнена по меньшей мере из одного слоя кварца, и/или кремния, и/или оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния. Верхний слой 6, обеспечивающий герметизацию, может быть выполнен из оксида кремния, оксида алюминия, нитрида кремния, поликремния толщиной от 0,5 до 200 мкм. Верхний слой 6 может быть соединен с поверхностью методом сращивания или сформирован методом осаждения. Датчик работает следующим образом. При давлении на верхний слой 6, давление передается на массив углеродных нанотрубок 2. В массиве углеродных нанотрубок под действием давления изменяется структура массива, что приводит к изменению величины сопротивления. График зависимости величины сопротивления от давления приведен на фиг. 2. При пропускании электрического тока через электрическую разводку 3 и массив углеродных нанотрубок 2 фиксируется изменение величины электрического тока в зависимости от величины давления. Способ изготовления датчика давления включает следующие операции: нанесение первого диэлектрического слоя 4 на поверхность подложки 1, формирование на подложке 1 литографией топологии электрической разводки 3, формирование второго диэлектрического слоя 5, формирование литографией топологии определяющей область роста массива углеродных нанотрубок в виде углубления 7 заданной глубины в подложке, на дне углубления 7 подложки 1 формируют буферный слой, над ним формируют функциональный слой, содержащий катализатор роста углеродных нанотрубок или активатор распада металлорганического соединения. Проводят синтез углеродных нанотрубок в реакторе путем введения в нагретый реактор углеродсодержащего газа или раствора металлорганического соединения. Для проведение синтеза может быть использовано устройство по евразийскому патенту 015412. Пример. Для формирования датчика давления на подложку из кремния осажден первый диэлектрический слой из нитрида кремния толщиной 50 нм. Для формирования электрической разводки 3 осажден слой титана толщиной 200 нм и литографией сформирован топологический рисунок электрической разводки. Далее в качестве второго диэлектрического слоя сформирован методом осаждения слой нитрида кремния толщиной 100 нм. На второй диэлектрический слой осажден слой фоторезиста толщиной 1,5 мкм. Затем методом литографии сформировано углубление 7 в подложке 1 глубиной 50 мкм. Далее выполнен буферный слой из алюминия толщиной 100 нм, поверх которого осажден слой, содержащий катализатор металлоорганического соединения - слой никеля толщиной 10 нм. После чего был удален фоторезист. Далее был проведен синтез углеродных нанотрубок путем введения образца в рабочую зону нагретого реактора при температуре 700C и подачи в потоке газа-носителя прошедшего через испаритель раствора ферроцена в этаноле. После синтеза массива углеродных нанотрубок было проведено осаждение верхнего слоя из оксида кремния толщиной 1,5 мкм. Таким образом, массив углеродных нанотрубок защищен от механических воздействий с пяти сторон: со стороны дна подложкой, с боковых сторон подложкой, а также двумя диэлектрическими слоями по верхнему краю. Сверху массив углеродных нанотрубок закрыт верхним слоем, что обеспечивает его герметизацию. На фиг. 2 представлены результаты измерений электрофизических характеристик сформированного датчика давления на основе массива углеродных нанотрубок сперва при увеличении, а затем при уменьшении давления. Представленная зависимость сопротивления массива углеродных нанотрубок от давления показывает линейный характер. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Датчик давления, содержащий подложку с двумя расположенными друг над другом диэлектрическими слоями, массив углеродных нанотрубок, подсоединенную к указанному массиву по меньшей мере в двух местах электрическую разводку и герметизирующий слой, причем массив углеродных нанотрубок расположен в углублении, выполненном в подложке и диэлектрических слоях, электрическая разводка расположена между диэлектрическими слоями, а герметизирующий слой расположен, по меньшей мере,над массивом углеродных нанотрубок. 2. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что углубление в подложке выполнено в виде меандра, или прямоугольника, или овала. 3. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что электрическая разводка выполнена из титана,и/или молибдена, и/или золота, и/или платины, и/или алюминия, и/или меди, и/или хрома, и/или легированного поликремния. 4. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что подложка состоит по меньшей мере из одного слоя кварца, и/или кремния, и/или оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния. 5. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что углубление в подложке выполнено глубиной от 0,5 до 500 мкм. 6. Датчик давления по п.1, отличающийся тем, что герметизирующий слой выполнен из оксида кремния, и/или оксида алюминия, и/или нитрида кремния, и/или поликремния толщиной от 0,5 до 200 мкм. 7. Датчик давления по пп.1-6, отличающийся тем, что герметизирующий слой соединен с поверхностью методом сращивания. 8. Датчик давления по пп.1-6, отличающийся тем, что герметизирующий слой выполнен методом осаждения. Измерение зависимости сопротивления массива углеродных нанотрубок от давления:- измерения при увеличении давления, о - измерения при уменьшении давления
МПК / Метки
Код ссылки
<a href="https://eas.patents.su/4-20049-datchik-davleniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Датчик давления</a>
Предыдущий патент: Дифосфатная соль n-[6-(цис-2,6-диметилморфолин-4-ил)пиридин-3-ил]-2-метил-4′-(трифторметокси)[1,1'-дифенил]-3-карбоксамида и фармацевтическая композиция
Следующий патент: Новые замещенные производные сульфамидов
Случайный патент: Замещённые фенилацетамиды и их применение в качестве активаторов глюкокиназы