CS201604B1 - Semiconductor membrane pressure sensor for fluid and gaseous environment - Google Patents

Description

Vynález se týká polovodičového membránového tlakového čidla pro kapalná a plynná prostředí.The invention relates to a semiconductor membrane pressure sensor for liquid and gaseous media.

Známá polovodičová membránová tlaková čidla používají k upevnění polovodičové křemíkové membrány základny z kovových materiálů, popřípadě pro zvláštní účely z materiálů skleněných. Nevýhodou základen ze skleněných materiálů je velmi náročná technologie výroby a malá odolnost proti působení tepelných a mechanických vlivů. Ž těchto důvodů se pro základnu používá převážně kovových materiálů, jejichž nevýhody spočívají v malé korozní odolnosti a velké teplotní dilataci. Spojení křemíkové membrány s kovovou základnou se provádí vodivým pájením. Toto spojení však vytváří galvanický článek, což vylučuje použití pro měření, kde je spoj ve styku s roztoky solí, kyselin nebo zásad. Proto u jiných provedení membránových tlakových čidel je křemíková membrána na základně připevněna nevodivě lepením nebo tmelením. Toto spojení nepříznivě ovlivňuje tepelnou stabilitu parametrů membránového tlakového čidla ve větším rozsahu teplot, omezuje dlouhodobou reprodukovatelnost vlastností čidla vlivem únavy a stárnutí spoje. Vnitřní pnutí ve spoji nepříznivě mechanicky namáhá křemíkovou membránu. Způsob spojení základny s polovodičovou membránou lepením a tmelením jez technologického hlediska výroby mimořádně náročné a pracné, protože musí být prováděno jako manuální a individuální operace.The known semiconductor diaphragm pressure sensors use bases made of metallic materials or, for special purposes, glass materials for attaching the semiconductor silicon diaphragm. The disadvantages of glass bases are very demanding production technology and low resistance to thermal and mechanical influences. For these reasons, mainly metal materials are used for the base, the disadvantages of which are low corrosion resistance and high thermal expansion. The silicon membrane is connected to the metal base by conductive soldering. However, this connection forms a galvanic cell, which excludes the use for measurements where the connection is in contact with solutions of salts, acids or bases. Therefore, in other embodiments of diaphragm pressure sensors, the silicon diaphragm is fixed to the base non-conductively by gluing or cementing. This connection adversely affects the thermal stability of the diaphragm pressure sensor parameters over a larger temperature range, limiting the long-term reproducibility of the sensor properties due to fatigue and aging of the joint. The internal stress in the joint adversely mechanically stresses the silicon membrane. The method of bonding the base to the semiconductor membrane by gluing and sealing is extremely difficult and laborious in terms of production, since it has to be carried out as a manual and individual operation.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny polovodičovým membránovým tlakovým čidlem podle vynálezu, jehož podstatou je základna zhotovená z neporézní korundové keramiky, na kterou je připájena křemíková membrána pomocí eutektické slitiny zlato— křemík, popřípadě křemíková membrána opatřená dilatačním mezikroužkem, který snižuje případné nepříznivé vlivy základny.The above drawbacks are overcome by the semiconductor diaphragm pressure sensor according to the invention, which is based on a base made of a non-porous corundum ceramic to which a silicon membrane is soldered using a eutectic gold-silicon alloy, or a silicon membrane provided with an expansion ring.

Předností základny zhotovené z neporézní korundové keramiky podle vynálezu je její snadná výroba, dokonalá odolnost vůči působení prostředí s korozivním účinkem, vhodná tepelná dilatace a dobrá mechanická a tepelná odolnost. Spojení základny zhotovené z neporézní korundové keramiky s křemíkovou membránou podle vynálezu pomocí eutektické slitiny zlato—křemík je mechanicky pevné, hermeticky těsné, s velmi dobrou časovou stabilitou a je odolné vůči teplotním, změnám v širokém rozsahu teplot.The advantage of the base made of the non-porous corundum ceramics according to the invention is its ease of manufacture, perfect resistance to corrosive environments, suitable thermal expansion and good mechanical and thermal resistance. The bonding of a base made of a non-porous corundum ceramic with a silicon membrane according to the invention by means of a eutectic gold-silicon alloy is mechanically strong, hermetically sealed, with very good time stability and is resistant to temperature changes over a wide temperature range.

Na připojených výkresech jsou znázorněny dva příklady provedení polovodičového membránového' tlakového čidla podle vynálezu, kde na obr. 1 je znázorněno polovodičové membránové tlakové čidlo se základnou zho201604 tavenou z neporézní korundové keramiky s křemíkovou membránou připevněnou pomocí eutektické slitiny zlato—křemík. Na obr. 2 je znázorněno polovodičové membránové tlakové čidlo v provedení s dilatačním mezikroužkem.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Two embodiments of a semiconductor diaphragm pressure sensor according to the invention are shown in the accompanying drawings, wherein FIG. 1 shows a semiconductor diaphragm pressure sensor with a base made of non-porous corundum ceramics with a silicon membrane mounted using a eutectic gold-silicon alloy. FIG. 2 shows a semiconductor diaphragm pressure sensor in an expansion ring design.

Na přiloženém výkrese obr. 1 je znázorněno provedení polovodičového membránového tlakového čidla se základnou zhotovenou z neporézní korundové keramiky 1, na kterou je připevněna křemíková membrána 2 eutektickou slitinou zlato—křemík 3. Na obr. 2 je znázorněno upevnění křemíkové membrány 2 k základně zhotovené z neporézní korundové keramiky 1 pomocí dilatačního mezikroužku 4, který křemíkovou membránu 2 spojuje se základnou zhotovenou z neporézní korundové keramiky 1 eutektiekou slitinou zlato—křemík 3.1 shows an embodiment of a semiconductor diaphragm pressure sensor with a base made of a non-porous corundum ceramic 1 on which a silicon diaphragm 2 is attached with a eutectic gold-silicon alloy 3. FIG. 2 shows the attachment of a silicon diaphragm 2 to a base made of non-porous corundum ceramic 1 by means of an expansion ring 4, which connects the silicon membrane 2 to a base made of non-porous corundum ceramic 1 with a gold-silicon 3 eutectic alloy.

Polovodičové membránové tlakové čidlo podle vynálezu je zhotoveno ze základny z neporézní korundové keramiky 1, na kterou je v můstě spojení nanesena tenká zlatá vrstva o tloušťce dva až dvacet mikrometrů. Vyčíháním při teplotě v rozmezí 700 až 950 °C se dosáhne potřebné adheze zlaté vrstvy k základně zhotovené z neporézní korundové keramiky 1. Křemíková membrána 2 se připájí pomocí této zlaté vrstvy k základně zhotovené z neporézní korundové keramiky, čímž se v místě spojení vytvoří hermetický spoj pomocí eutektické slitiny zlato—křemík 3. Uvedené provedení podle vynálezu umožňuje taktéž použití dilatačního mezikroužku 4 vloženého mezi křemíkovou membránu 2 a základnu zhotovenou z neporézní korundové keramiky 1.The semiconductor diaphragm pressure sensor according to the invention is made of a base of a non-porous corundum ceramic 1 on which a thin gold layer of two to twenty micrometers thick is applied in the connection bridge. By annealing at a temperature in the range of 700 to 950 ° C the desired adhesion of the gold layer to the base made of non-porous corundum ceramic 1 is achieved. The silicon membrane 2 is soldered with this gold layer to the base made of non-porous corundum ceramic. This embodiment according to the invention also allows the use of an expansion ring 4 interposed between the silicon membrane 2 and the base made of non-porous corundum ceramic 1.

Dilatační mezikroužek 4 omezuje přenos pnutí ze základny z neporézní korundové keramiky 1 na křemíkovou membránu 2, které vzniká při mechanickém působení síly na základnu z neporézní korundové keramiky 1. Dilatační mezikroužek 4 omezuje i pnutí vzniklé v důsledku případných rozdílných tepelných roztažnosti použitých materiálů.Expansion ring 4 limits the transfer of stresses from the base of the non-porous corundum ceramic 1 to the silicon diaphragm 2, which arises when a mechanical force is applied to the base of the non-porous corundum ceramic 1. Expansion ring 4 also reduces stresses due to possible different thermal expansion of materials.

Při působení tlaku kapalného nebo plynného prostředí na křemíkovou membránu 2, připevněnou pomocí eutektické slitiny zlato— křemík 4 na základnu z neporézní korundové keramiky 1, dojde k prohnutí křemíkové membrány 2 a tím k její pružné deformaci, která je prostřednictvím piezorezistívního jevu převedena na analogový elektrický signál.Under pressure of a liquid or gaseous medium on a silicon membrane 2, fixed by means of a gold-silicon eutectic alloy 4 on a base of a non-porous corundum ceramic 1, the silicon membrane 2 is bent and thereby elastically deformed, which is converted to an analogue electrical signal.

Claims (2)

1. Polovodičové membránové tlakové čidlo pro kapalná a plynná prostředí tvořené křemíkovou membránou hermeticky spojenou se základnou, vyznačené tím, že základna je zhotovena z neporézní korundové keramiky (1), na kterou je eutektiekou slitinou zlato—'křemík (3) připájena křemíková membrána (2).A semiconductor diaphragm pressure sensor for liquid and gaseous environments consisting of a silicon membrane hermetically bonded to a base, characterized in that the base is made of a non-porous corundum ceramic (1) to which a silicon membrane (3) is brazed by a gold-silicon eutectic alloy (3). 2). 2. Polovodičové membránové tlakové čidlo pro kapalná a plynná prostředí podle bodu 1, vyznačené tím, že mezi základnou zhotovenou z neporézní korundové keramiky (1) a křemíkovou membránou (2) je umístěn dilatační mezikroužek (4).2. The semiconductor diaphragm pressure sensor for liquid and gaseous environments according to claim 1, characterized in that an expansion ring (4) is arranged between the base made of non-porous corundum ceramic (1) and the silicon membrane (2).