DD278407A1

DD278407A1 - HIGH PRESSURE SENSOR

Info

Publication number: DD278407A1
Application number: DD32348888A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Penzold; Roland Werthschuetzky; Albrecht Oschatz
Original assignee: Teltov Geraete Regler
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1990-05-02
Also published as: DE3940861A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochdrucksensor, der mittels der bewaehrten Planartechnologie herstellbar ist, keine handelsunueblichen dicken Ausgangsscheiben erfordert und eine solche Empfindlichkeit aufweist, dass er fuer Druecke von etwa 50 MPa und hoeher vorteilhaft eingesetzt werden kann. Das wird dadurch erreicht, dass der monokristalline Siliziumchip in seinem zentralen Bereich eine durchgehende Oeffnung aufweist und dass der Gegenkoerper, mit dem der Siliziumchip verbunden ist, aus einem Material besteht, das einen dem Silizium angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aber von denen des Silizium abweichende elastomechanische Koeffizienten besitzt. Vorzugsweise besteht der Gegenkoerper aus Borsilikatglas und ist mittels anodischen Bondens mit dem Siliziumchip verbunden. Der Siliziumchip kann vorteilhafter Weise als Kreisringscheibe ausgebildet sein, in deren oberer Stirnflaeche je ein radiales und ein tangentiales Widerstandspaar integriert ist. Fig. 2The invention relates to a high-pressure sensor which can be produced by means of the proven planar technology, does not require commercially viable thick output disks and has such a sensitivity that it can be used for pressures of about 50 MPa and more advantageously. This is achieved by virtue of the fact that the monocrystalline silicon chip has a continuous opening in its central region and that the counter body to which the silicon chip is connected is made of a material which has a coefficient of thermal expansion adapted to the silicon but has elastomechanical coefficients different from those of the silicon , The counter body preferably consists of borosilicate glass and is connected to the silicon chip by means of anodic bonding. The silicon chip may advantageously be formed as an annular disk, in the upper Stirnflaeche each have a radial and a tangential resistance pair is integrated. Fig. 2

Description

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht der Gegenkörper aus Borsilikatglas und ist mittels anodischen Bondens mit dem Siliziumchip verbunden.In an advantageous embodiment of the invention, the counter body consists of borosilicate glass and is connected by means of anodic bonding with the silicon chip.

Nach einer bevorzugten Ausführung ist der Siliziumchip eine kreisringförmige Scheibe mit einem äußeren Durchmesser von 10mm und einem inneren Durchmesser von 6,8mm sowie einer Dicke von 0,4mm. In der oberen Stirnfläche des Siliziumchips, der aus einem Ausgangsmaterial der Orientierung (100) gefertigt wurde, sind je ein radiales und ein tangentiales Widerstandspaar integriert, die jeweils in der (110) Richtung ausgerichtet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Siliziumscheiben der Orientierung (100) beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei (HO)-Scheiben mit in der (111) Richtung ausgerichteten Widerständen Anwendung finden. Der Gegenkörper als Glas besitzt vorzugsweise die gleichen äußeren Abmessungen wie der Siliziumchip und besitzt bei o.g. Ausführungsbeispiel eine Dicke von 3mm.According to a preferred embodiment, the silicon chip is an annular disk with an outer diameter of 10 mm and an inner diameter of 6.8 mm and a thickness of 0.4 mm. In the upper end face of the silicon chip made of a raw material of orientation (100), there are integrated respectively a pair of radial and a tangential pairs of resistors respectively aligned in the (110) direction. However, the invention is not limited to silicon wafers of orientation (100), but may for example be applied to (HO) wafers with resistors oriented in the (111) direction. The counter body as a glass preferably has the same outer dimensions as the silicon chip and has at o.g. Embodiment a thickness of 3mm.

Ausführungsbeispielembodiment

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, wobei die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The present invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment, the attached drawings showing:

Fig. 1: die Draufsicht auf den SiliziumchipFig. 1: the top view of the silicon chip

Fig. 2: ein Schnittbild des DruckwandlersFig. 2: a sectional view of the pressure transducer

Fig. 3: die Abhängigkeit von T, - T, undFig. 3: the dependence of T, - T, and

Fig. 4: von der Dicke des Glasgegenkörpers bei zwei verschiedenen Dicken der SiliziumchipFig. 4: of the thickness of the glass counter-body at two different thicknesses of the silicon chip

Fig. 1 zeigt einen ringförmig ausgebildeten Siliziumchip 1 der Orientierung (100). Auf der oberen kreisförmigen Stirnfläche des Siliziumchips 1 sind integrierte Widerstandspaare in (110) Richtung angeordnet, wobei jeweils ein Widerstandspaar 2 radial und ein Widerstandspaar 3 tangential ausgerichtet ist.1 shows an annular silicon chip 1 of orientation (100). Arranged on the upper circular end face of the silicon chip 1 are integrated resistor pairs in the (110) direction, with one resistance pair 2 being aligned radially and one resistor pair 3 tangentially in each case.

Wieeus Fig. 2 zu entnehmen ist, besteht der erfindungsgemäße Druckwandler aus einer kreisringförmigen Siliziumscheibs 1 der Dicke h 1, die mit einem Gegenkörper 4 aus Borsilikatglas mit der Dicke h 2 vorzugsweise durch anodisches Bonden verbunden ist Die Siliziumscheibe weist in der Mitte eine Öffnung mit dem Radius R1 auf, so daß sie durch den zu messenden Druck allseitig umspült wird - hydrostatische Druckbelastung. Zur Befestigung des Druckwandlers in einem nicht dargestellten Gehäuse kann vorteilhaft ein Röhrchen 5 Anwendung finden, das auf der einen Seite mit dem Glaskörper 4, z. B. durch eine Epoxydharz-Klebeverbindung und auf der anderen Seite mittels Schweißen mit dem Gehäuse verbunden ist. Das Röhrchen 5, das gegebenenfalls auch durch einen Stab aus Vollmaterial ersetzt sein kann, besitzt einen dem Borsilikatglas angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und kann vorteilhaft aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen. Die Befestigung kann jedoch auch ohne Röhrchen 5 auf andere geeignete Weise erfolgen.Wieeus Fig. 2 is shown, the pressure transducer according to the invention consists of an annular silicon wafer 1 of thickness h 1, which is preferably connected by anodic bonding with a counter body 4 made of borosilicate glass with the thickness h 2 The silicon wafer has an opening in the middle with the Radius R1, so that it is lapped by the pressure to be measured on all sides - hydrostatic pressure load. For attachment of the pressure transducer in a housing, not shown, can advantageously use a tube 5 application, on the one hand with the glass body 4, z. B. is connected by an epoxy resin adhesive bond and on the other side by welding to the housing. The tube 5, which may optionally also be replaced by a rod made of solid material, has a thermal expansion coefficient adapted to the borosilicate glass and may advantageously consist of an iron-nickel alloy. However, the attachment can be done without tubes 5 in any other suitable manner.

Wesentlich für die Erfindung ist die bewußte Fehlanpassung in den elastomechanischcn Konstanten zwischen dem Siliziumchip und dem Gegenkörper. Als elastomechanische Konstanten sind der Elastizitätsmodul E sowie die Querzahl ν zu verstehen. Zum Vergleich für die elastomechanischen Konstanten wird häufig der Ausdruck Ε/1-ν verwendet. Dieser Ausdruck weist bei den genannten Materialien folgende Werte auf: Silizium Ε/1-ν= 182GPa Borsilikatglas Ε/1-ν = 80GPaEssential for the invention is the deliberate mismatch in the elastomechanichcn constants between the silicon chip and the counter body. Elastomechanical constants are the modulus of elasticity E and the transverse number ν. For comparison, the expression Ε / 1-ν is often used for the elastomechanical constants. This expression has the following values for the materials mentioned: silicon Ε / 1-ν = 182GPa borosilicate glass Ε / 1-ν = 80GPa

Wird nun wie in F>g. 2 angedeutet der Wandler einer hydrostatischen Druckbelastung durch den Druck ρ ausgesetzt, so entsteht an den Widerstandsorten eine radiale Spannung T, und eine tangentiale Spannung T₁. Infolge der genannten Fehlanpassung in den elastomechanischen Konstanten sind die Spannungen T, und T₁ unterschiedlich. Der Glaskörper hat infolge eines um den Faktor 2,6 kleineren Elastizitätsmoduls und seiner größeren Querzahl (Faktor 2,6) bei Druckeinwirkung das Bestreben, sieh erheblich mehr zu verkleinern als der Siliziumchip. Es induziert somit über die Verbindungsstelle Spannungen in dem Siliziumverformungskörper und es hat sich gezeigt, daß die Differenz T, - T₁ an den Widerstandsorten dem Druck ρ proportional ist. Die Differenz T, - T, kann vorteilhafterweise durch eine aus den vier integrierten Widerständen gebildeten Meßbrücken in ein elektrisches Signal umgeformt werden. Der Einfluß des Glasgegenkörpers und damit auch die Spannungsdifferenz T₁ - T_t ist bei vorgegebenen R1, R2 und R3 abhängig von den Größen h1 und h2 und dem Druck p.Now as in F> g. 2 indicated the converter subjected to a hydrostatic pressure load by the pressure ρ, the result is a radial stress T, and a tangential stress T ₁ at the resistance locations. As a result of said mismatch in the elastomechanical constants, the voltages T ₁ and T _{1 are} different. The glass body has as a result of a smaller by a factor of 2.6 modulus of elasticity and its larger cross number (factor of 2.6) under pressure the tendency, sieh considerably smaller than the silicon chip. It thus induces stresses in the silicon deformation body via the joint, and it has been found that the difference T, - T ₁ at the points of resistance is proportional to the pressure ρ. The difference T, - T, can advantageously be converted into an electrical signal by a measuring bridges formed from the four integrated resistors. The influence of the glass counter-body and thus also the voltage difference T ₁ - T _t is given R1, R2 and R3 depends on the sizes h1 and h2 and the pressure p.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit von T₁ - T, von der Dicke des Glaskörpers bei der Dicke h 2 des Siliziumchips von 0,4 mm, bei einem Abstand der Widerstandsmitte vom Zentrum R3 von 4,1 mm, bei R1 = 3,4mm, R2 = 5mm und bei einem Druck ρ = 40MPa. Gemäß Fig.3 ergibt sich für h 2 = 3 mm, die Spannungsdifferenz T₁ - T, = 14,6MPa. Das führt zu einer relativenFig. 3 shows the dependence of T ₁ - T, of the thickness of the glass body at the thickness h 2 of the silicon chip of 0.4 mm, with a distance of the center of resistance from the center R3 of 4.1 mm, at R1 = 3.4mm , R2 = 5mm and at a pressure ρ = 40MPa. According to Figure 3 results for h 2 = 3 mm, the voltage difference T ₁ - T, = 14.6 MPa. That leads to a relative

Widerstandsänderung der Radialwiderstände — = 0,017%/MPasowiederTangeritialwiderstände — = -0,017%/MPa.Resistance change of the radial resistors - = 0.017% / MPas the tangeritial resistances - = -0.017% / MPa.

P PP P

Ein so dimensionierter Druckwandler hat bei 100MPa eine relative Widerstandsänderung r, = -T₁ = 1,7% und gewährleistet damit die Bereitstellung eines ausreichenden Signals für die Auswertelektronik.Such a dimensioned pressure transducer has a relative resistance change at 100 MPa r, = -T ₁ = 1.7% and thus ensures the provision of a sufficient signal for the evaluation electronics.

Bei gleicher relativer Widerstandsänderung ließe sich ein Druckwandler für den Bereich bis 1000 MPa aufbauen, wenn h 2 gleich 0,2 mm gewählt wird (T, - T, = 1,4MPa). Die Beispiele zeigen, daß der Einfluß des Glasgegenkörpers auf T, - T, mit sinkender Dicke abnimmt. Damit wird deutlich, daß für hohe Drücke ρ > 1000MPa sehr dünne Glasgegenkörper erforderlich wären, was die Herstellung erschweren kann. Ebenso kann eine Verringerung der relativen Widerstandsänderung durch eine Vergrößerung der Dicke h1 erreicht wernen, was aus Fig.4 zu entnehmen ist, wo gegenüber Fig.3 nur h1 auf 3mm vergrößert wurde. Es wird deutlich, daß bei h2 - 1mm eine maximale Differenz T_t - T₁ = -5,5MPa eireicht werden kann, was einer relativen Widerstandsstruktur vonWith the same relative change in resistance, it would be possible to build up a pressure transducer for the range up to 1000 MPa if h 2 is chosen to be 0.2 mm (T, - T, = 1.4 MPa). The examples show that the influence of the glass counter-body on T, - T decreases with decreasing thickness. This makes it clear that for very high pressures ρ> 1000 MPa very thin glass counterparts would be required, which can complicate the production. Likewise, a reduction in the relative change in resistance can be achieved by increasing the thickness h1, which can be seen from FIG. 4, where only h1 was increased to 3 mm compared to FIG. It can be seen that at h2 - 1mm a maximum difference T _t - T ₁ = -5,5MPa can be reached, giving a relative resistance structure of

— = - — = -0,0062%/M Pa P P- = - - = -0.0062% / M Pa P P

entspricht.equivalent.

Die Kurve zeigt ferner einen deutlichen Sättigungseffekt für h₂ > 6mm.The curve also shows a significant saturation effect for h ₂ > 6mm.

Claims

1. Hochdrucksensor, bestehend aus einem monokristallinen Süiziumchip mit integrierten piezoresistiven Widerständen und einem mit dem Siliziumchip verbundenen Gegenkörper, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip (1) in seinem zentralen Bereich eine durchgehende Öffnung aufweist, so daß eine hydrostatische Druckbelastung erfolgt und daß der Gegenkörper (4) aus einem Material besteht, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der dem des Siliziums angenähert ist und daß das Material dos Gegenkörpers (4) gegenüber dem Silizium unterschiedliche elastomechanische Konstanten aufweist.1. High-pressure sensor, consisting of a monocrystalline silicon chip with integrated piezoresistive resistors and connected to the silicon chip counter body, characterized in that the silicon chip (1) in its central region has a through opening, so that a hydrostatic pressure load is carried out and that the counter body ( 4) consists of a material which has a thermal expansion coefficient which is close to that of the silicon and that the material of the counter body (4) relative to the silicon has different elastomechanical constants.

2. Hochdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkörper (4) aus Borsilikatglas besteht und mittels anodischen Bondens mit dem Siliziumchip (1) verbunden ist.2. High-pressure sensor according to claim 1, characterized in that the counter-body (4) consists of borosilicate glass and is connected by means of anodic bonding with the silicon chip (1).

3. Hochdrucksensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip (1) eine kreisringförmige Scheibe der Orientierung (100) ist und daß in det oberen Stirnfläche des Siliziumchip (1) je ein radiales Widerstandspaar (2) und ein tangentiales Widerstandspaar (3) integriert sind, die beide in der (110) Richtung ausgerichtet sind.3. High-pressure sensor according to claim 1 and 2, characterized in that the silicon chip (1) is an annular disc of orientation (100) and that in the upper end face of the silicon chip (1) each have a radial resistance pair (2) and a tangential resistance pair ( 3) both aligned in the (110) direction.

4. Hochdrucksensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumchip (1) sowie der Glasgegenkörper (4) t η Drucksensor von 10 mm aufweisen, daß der Durchmesser der Öffnung im Siliziumchip 6,8mm beträgt, daß die Dicke des Siliziumchips 0,4mm und die Dicke des Glasgegenkörpers 3mm beträgt.4. High-pressure sensor according to claim 1 to 3, characterized in that the silicon chip (1) and the glass counter-body (4) t η pressure sensor of 10 mm, that the diameter of the opening in the silicon chip is 6.8 mm, that the thickness of the silicon chip 0 , 4mm and the thickness of the glass counterpart is 3mm.

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für hohe Drücke und kann vorteilhafterweise für Aufgaben der Prozeß- und Aggregatautomatisierung in vielen Zweigen der Wirtschaft Anwendung finden.The invention relates to a pressure sensor for high pressures and can be advantageously used for tasks of process and Aggregatautomatisierung in many branches of the economy.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

In den letzten Jahren haben integrierte piezoresistive Halbleitersensoren vom Membrantyp für die Druckmessung breite Anwendung gefunden. Der Halbleitorsensor wird durch einen Siliziumchip, der in seinem zentralen Bereich zu einer vom Meßbereich abhängigen druckempfindlichen Membran abgedünnt ist, gebildet. Auf der Membran sind integrierte Piezowiderstände integriert, die die durch den Meßdruck verursachten mechanischen Spannungen in ein proportionales elektrisches Ausgangssignal umformen. Für die Erfassung hoher Drücke im Bereich größer 40 MPa muß der Siliziumchip hohe Stützkräfte aufnehmen, was zu erheblichen konstruktiven Problemen führt, u. a. bestehen Dicht- und Berstprobleme. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Membranstärken von 2 mm und größer erforderlich werden, was zu handelsunüblichen Ausgangsscheihen führt. Des weiteren ist durch die erforderliche Abdünnung der Ausgangsscheiben ein höherer technologischer Aufwand erforderlich.In recent years, integrated piezoresistive membrane type semiconductor sensors have been widely used for pressure measurement. The semiconductor sensor is formed by a silicon chip, which is thinned in its central area to a pressure-sensitive membrane dependent on the measuring range. Integrated piezo resistors are integrated on the diaphragm, which transform the mechanical stresses caused by the measuring pressure into a proportional electrical output signal. For the detection of high pressures in the range greater than 40 MPa, the silicon chip must absorb high supporting forces, which leads to significant design problems, u. a. there are sealing and bursting problems. Another disadvantage is that membrane thicknesses of 2 mm and larger are required, which leads to commercially unusual Ausgangsscheihen. Furthermore, a higher technological effort is required by the required thinning of the output disks.

Aus dor DE-OS 3440568 ist ein Hochdrucksensor bekannt, der eine mit einer Öffnung versehene Sensorscheibe aus Stahl aufweist, auf der piezoresistive Schichtwiderstände angeordnet sind. Die Scheibe erstreckt sich aus einer mittels Nullringen abgedichteten Hochdruckkammer durch das Gehäuse nach außen in einen der Atmosphäre ausgesetzten Bereich. Je zwei der genannten Schichtwiderstände liegen im Hochdruckraum bzw. im äußeren Bereich. Die im Hochdruckraum liegenden Schichtwiderstände sind allseitig vom Druckmedium umschlossen und sprechen direkt auf dessen Druckänderungen an, wobei eine Verformung der Scheibe zur Signalerzeugung nicht erforderlich ist. Aufgrund des sehr geringen Meßeffektes ist dieser Sensor nur für nächste Drücke geeignet und im Bereich kleiner 500MPa nicht vorteilhaft einsetzbar. Des weiteren ist der Sensor nicht mit der aus der Halbleitertechnologie bewährten integrierten Technik herstellbar.From DE-OS 3440568 a high pressure sensor is known, which has a provided with an opening sensor disc made of steel, are arranged on the piezoresistive sheet resistors. The disc extends out of a zero-sealed high pressure chamber through the housing outwardly into an atmosphere exposed area. Each two of the mentioned sheet resistors are located in the high pressure space or in the outer area. The sheet resistors lying in the high-pressure chamber are surrounded on all sides by the pressure medium and respond directly to its pressure changes, wherein a deformation of the disk for signal generation is not required. Due to the very low measuring effect, this sensor is only suitable for next pressures and can not be used advantageously in the range of less than 500 MPa. Furthermore, the sensor can not be produced with the integrated technology proven from semiconductor technology.

liel der ErfindungLiel the invention

Ziel der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten kostengünstig herstellbaren Drucksensor für Drücke im Bereich größer 50MPo zu schaffen.The aim of the invention is to provide a simply constructed pressure sensor which can be produced cost-effectively for pressures in the range of greater than 50 MPo.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor für hohe Drücke zu schaffen, der mittels der bewährten Planartechnolotjie herstellbar ist, keine handelsunüblichen dicken Ausgangsscheiben erfordert und eine solche Empfindlichkeit aufweist, daß er für Drücke von etwa 50MPa und höher vorteilhaft eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der monokristalline Siliziumchip in seinem zentralen Bereich eine durchgehende Öffnung aufweist, so daß eine hydrostatische Druckbelastung erfolgt und daß der Gegenkörper mit dem der Siliziumchip verbunden ist, aus einem Material besteht, daß einen dem Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aber von denen des Siliziums abweichende elastomechanische Konstanten aufweist.The invention has for its object to provide a pressure sensor for high pressures, which can be produced by the proven Planartechnolotjie, no commercially unusual thick output disks required and has such sensitivity that it can be used advantageously for pressures of about 50MPa and higher. According to the invention, this object is achieved in that the monocrystalline silicon chip has a continuous opening in its central region, so that a hydrostatic pressure load occurs and that the counter body is connected to the silicon chip, consists of a material that a silicon adapted thermal expansion coefficient but of which silicon has different elastomechanical constants.