DE102013110376A1

DE102013110376A1 - Messgerät mit einem Halbleitersensor und einem metallischen Stützkörper

Info

Publication number: DE102013110376A1
Application number: DE201310110376
Authority: DE
Inventors: Andreas Rossberg; Elke Schmidt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-19
Also published as: WO2015039811A1

Abstract

Ein Messgerät (100), umfasst einen Halbleitersensor mit einem Sensorkörper (120) aus einem Halbleiterwerkstoff; und einen metallischen Stützkörper (131), welche über mindestens einen als Ausgleichskörper ausgebildeten Zwischenkörper (110) verbunden sind, welcher erste und zweite Endbereiche (111, 113), mit ersten und zweiten Werkstoffen und ersten bzw. zweiten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und einen Übergangsbereich (112) zwischen den Endbereichen (111, 113) umfasst, in dem sich der effektive Wärmeausdehnungskoeffizient von dem ersten zum zweiten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten ändert, wobei der Übergangsbereich eine Folge von Schichten mit einer Mischung mindestens des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs aufweist, wobei das Mischungsverhältnis der Schichten variiert, um eine schrittweise, Veränderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erzielen, wobei der erste Endbereich (111) des Ausgleichskörpers dem Sensorkörper (110) und der zweite Endbereich (113; 213) des Ausgleichskörpers dem Stützkörper (131) zugewandt ist, wobei die effektive Wärmeausdehnungskoeffizienten der Endbereiche von denen der angrenzenden Körper um nicht mehr als 2 ppm/K abweichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät, insbesondere Druckmessgerät mit einem Halbleitersensor, insbesondere Halbleiterdrucksensor.
In der Messtechnik, insbesondere der Prozessmesstechnik, sind Anordnungen gegeben, in denen ein Halbleitersensor auf einem metallischen Stützkörper in einem metallischen Gehäuse angeordnet und mit dem metallischen Stützkörper mechanisch gekoppelt ist. Die mechanische Kopplung kann insbesondere über Zwischenkörper aus Glas oder Kovar erfolgen sowie Fügestellen umfassen, die insbesondere dazu dienen, mechanische Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von beispielsweise etwa 15 ppm/K für die gängigen Edelstähle, und weniger als 4 ppm/K für Silizium, von dem Halbleiterdrucksensor fernzuhalten. Die Fügestellen weisen insbesondere Lote oder Klebstoffe auf. Wenngleich die beschriebene Kopplung des Halbleitersensors an das Gehäuse über Zwischenkörper durchaus ihren Zweck erfüllt, stoßen an den Grenzflächen zwischen den Körpern Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zusammen, so dass thermomechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung auch von der Fügestelle, also einem Lot oder einem Klebstoff, aufzunehmen sind. Dies führt zu Drift oder Hysterese des Messsignals. Weiterhin quellen die meisten drucktragenden Klebstoffe unter Feuchteeinfluss, wodurch ebenfalls Drift- und Hystereseprobleme auftreten können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Wärmeausdehnungsunterschiede stetig bzw. in kleinen Stufen abzubauen. Einen Ansatz dazu geben Körper, die durch Sintern metallisch-keramischer, metallisch-glasartiger und/oder keramisch glasartiger Pulverschichten präpariert sind. Sinterkörper sind beispielsweise aus der IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen" bekannt. Es ist demnach grundsätzlich möglich, Pulver mittels Lasersintern schichtweise zu verfestigen, wobei diese Pulver Mischungen von metallischen und keramischen Partikeln enthalten. Auf diese Weise lassen sich feste Körper präparieren. Durch schichtweise Variation der Zusammensetzung soll nun ein Ausgleichskörper präpariert werden, welcher die Herstellung eines erfindungsgemäßen Messgeräts nach Anspruch 1 ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Messgerät umfasst: einen Halbleitersensor, der einen Sensorkörper aus einem Halbleiterwerkstoff, insbesondere Si, aufweist, einen metallischen Stützkörper, und einen zwischenkörper, wobei der Sensorkörper über den mindestens einen Zwischenkörper, welcher zwischen dem Sensorkörper und dem Stützkörper angeordnet ist, mit dem Stützkörper drucktragend mechanisch verbunden ist, wobei mindestens ein Zwischenkörper als Ausgleichskörper ausgebildet ist, wobei der Ausgleichskörper umfasst: einen ersten Endbereich, der einen ersten Werkstoff mit einem ersten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁ aufweist, einen zweiten Endbereich, der einen zweiten Werkstoff mit einem zweiten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten α₂ aufweist, einen Übergangsbereich zwischen dem ersten Endbereich und dem und dem zweiten Endbereich, in dem sich der effektive Wärmeausdehnungskoeffizient von dem ersten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten zum zweiten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten ändert, wobei der Übergangsbereich eine Folge von Schichten mit einer Mischung mindestens des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs aufweist, wobei das Mischungsverhältnis der Schichten variiert, um eine schrittweise, insbesondere monotone, Veränderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erzielen, wobei der erste Endbereich des Ausgleichskörpers dem Sensorkörper und der zweite Endbereich des Ausgleichskörpers dem Stützkörper zugewandt ist, wobei der erste effektive Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Endbereichs des Ausgleichskörpers von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials eines an den ersten Endbereich des Ausgleichskörpers angrenzenden Körpers um nicht mehr als 2 ppm/K, insbesondere nicht mehr als 1 ppm/K abweicht, wobei der zweite effektive Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Endbereichs des Ausgleichskörpers im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines an den zweiten Endbereich des Ausgleichskörpers angrenzenden Körpers um nicht mehr als 2 ppm/K, insbesondere nicht mehr als 1 ppm/K abweicht, und wobei der zweite effektive Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der erste effektive Wärmeausdehnungskoeffizient.
Insofern als Bereiche oder Schichten aus miteinander gesinterten Partikeln zusammengesetzt sein können, können lokale Schwankungen des Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten. Ein effektiver Wärmeausdehnungskoeffizient eines Bereichs bzw. einer Schicht bezeichnet den über den Bereich oder die Schicht gemittelten, makroskopisch Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Das erfindungsgemäße Messgerät kann insbesondere ein Druckmessgerät, ein Durchflussmessgerät, ein Dichtemessgerät und/oder ein potentiometrisches Messgerät umfassen, wobei der Halbleitersensor einen Drucksensor, einen Durchflusssensor, einen Dichtesensor, und/oder einen potentiometrischen Sensor, beispielsweise einen isFET, umfasst.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der erste Endbereich des Ausgleichskörpers ein Glas, insbesondere ein Borosilikatglas. Ein Borosilikatglas, beispielsweise Pyrex, weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem von Silizium kompatibel ist, welches der derzeit bevorzugte Werkstoff des Halbleitersensors ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Endbereich des Ausgleichskörpers druckdicht mit dem Sensorkörper gefügt, insbesondere durch anodisches Bonden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Endbereich des Ausgleichskörpers mit dem angrenzenden Körper druckdicht gefügt ist, insbesondere durch Löten, Hartlöten oder Schweißen. Der angrenzende Körper kann entweder der Stützkorper oder ein Zwischenkörper sein, der seinerseits von dem Stutzkörper gehalten wird. Im Sinne einer einfachen Konstruktion ist es jedoch voreilhaft, wenn der zweite Endbereich direkt mit dem Stützkörper gefügt ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Endbereich mit einem Zwischenköper gefügt, der zwischen dem Stützkörper und dem Ausgleichskörper angeordnet ist, wobei der Zwischenkörper Kovar umfasst.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Stützkörper Stahl. Der Stützkörper kann insbesondere als so genannter TO8-Sockel gestaltet sein, mit dem der Sensorkörper in einer Sensorkammer im Inneren eines metallischen Gehäuses gehalten ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung verlaufen die Schichten des Übergangsbereichs des Ausgleichskörpers im Wesentlichen parallel zueinander.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Übergangsbereich des Ausgleichskörpers senkrecht zu einer Richtung der Schichtfolge eine maximale Erstreckung d auf, wobei der Übergangsbereich in Richtung der Schichtfolgen eine Höhe h aufweist, wobei gilt: d / h·|Δα| < ξ, wobei Δα die Differenz zwischen dem ersten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist, und wobei ξ eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ < 0,1%/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K.
In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung gilt: ξ = C / ΔT wobei ΔT = (T_max – T_min), die Größe eines spezifizierten Betriebstemperaturbereichs für das Messgerät ist, und wobei C ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C < 4%, insbesondere C < 2% und bevorzugt C < 1%.
Diese Weiterbildung der Erfindung definiert implizit Mindestanforderungen an die Höhe h des Übergangsbereichs, über den Wärmeausdehnungsunterschiede abzubauen sind. Die definierten Anforderungen sollen gewährleisten, dass die Festigkeitsgrenzen des Übergangsbereichs nicht überschritten werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Übergangsbereich senkrecht zu einer Richtung der Schichtfolge eine maximale Erstreckung d auf, wobei eine Schicht eine mittlere Schichthöhe s aufweist, wobei gilt: d / s·|Δα_s| < ξ_s, wobei Δα_s die Differenz der effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht angrenzenden Schichten ist, und wobei ξ_s eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ_s < 0,1%/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung gilt:
wobei ΔT = (T_max – T_min) die Größe eines spezifizierten Betriebstemperaturbereich für das Messgerät ist, und wobei C_s ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C_s < 4%, insbesondere < 2% und bevorzugt < 1%.
Diese Weiterbildung der Erfindung definiert implizit Mindestanforderungen an die Schichtstärke S der einzelnen Schichten des Übergangsbereichs, über den Wärmeausdehnungsunterschiede abzubauen sind. Die definierten Anforderungen sollen gewährleisten, dass die Festigkeitsgrenzen des Übergangsbereichs auch mikroskopisch nicht überschritten werden.
Der spezifizierte Betriebstemperaturbereich ΔT kann beispielsweise etwa 100 K bis 200 K oder 250 K betragen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der erste Werkstoff ein keramischer Werkstoff oder ein Glas, insbesondere Pyrex, und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nicht mehr als 5 ppm/K, insbesondere nicht mehr als 4 ppm/K auf, wobei der zweite Werkstoff ein metallischer Werkstoff ist, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nicht weniger als 10 ppm/K, insbesondere nicht weniger als 13 ppm/K und weiterhin nicht weniger als 15 ppm/K aufweist.
In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Schichten im Übergangsbereich eine Schichthöhe h von nicht weniger als 10 μm, insbesondere nicht weniger als 20 μm und bevorzugt nicht weniger als 40 μm auf, wobei die Schichten im Übergangsbereich jeweils eine Schichthöhe h von nicht mehr als 400 μm, insbesondere nicht mehr als 200 μm und bevorzugt nicht mehr als 100 μm aufweisen.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Übergangsbereich N Schichten mit jeweils einem unterschiedlichen effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, dessen Wert zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁ und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten α₂ liegt, wobei die Zahl N nicht weniger als (Δα)/(2 ppm/K), insbesondere nicht weniger als (Δα)/(1 ppm/K) und bevorzugt nicht weniger als (2Δα)/(1 ppm/K) beträgt.
Durch die so gegebene Mindestzahl von Schichten im Übergangsbereich ist gewährleistet, dass lokale Spannungsspitzen zwischen den Schichten begrenzt sind.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist bzw. weisen der erste und/oder der zweite Endbereich eine Höhe auf, die mindestens die Hälfte der Höhe des Übergangsbereichs, insbesondere nicht weniger als die Höhe des Übergangsbereichs und bevorzugt nicht weniger als das Doppelte der Höhe des Übergangsbereichs beträgt.
Eine Vielzahl von Ausgleichskörpern kann im Waferverband präpariert werden, wobei beispielsweise auf einem Borosilikatglaswafer, welche den ersten Endbereich bildet, schichtweise Mischungen von Glas- und Metallpartikeln abgeschieden und mit Lasersintern fixiert werden. Dabei nimmt der Anteil der Glaspartikel X_G mit dem Abstand von dem Glaswafer ab, also: X_Gi = 1 – z_i/h, wobei X_Gi der Anteil der Glaspartikel in der i-ten Schicht, z_i der Abstand der i-ten Schicht von dem Glaswafer und h die Höhe des Übergangsbereichs ist, und wobei für den Anteil der Metallpartikel X_Mi in der i-ten Schicht des Übergangsbereichs gilt: X_Mi = 1 – X_Gi. An den Übergangsbereich können noch eine oder mehrere Schichten anschließen, die ausschließlich Metallpartikel enthalten, um den zweiten Endbereich zu bilden.
Der so präparierte Wafer kann anschließend beispielsweise mittels anodischen Bondens mit einem Si-Wafer gefügt werden, welcher die Sensorkörper enthält.
Anschließend werden die Sensorkörper mit daran gefügtem Ausgleichskörper vereinzelt, wobei der zweite Endbereich der Ausgleichskörper dann mit einem Zwischenkörper oder einem Stützkörper gefügt werden kann.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigt:
1: schematisch im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit einem erfindungsgemäßen Ausgleichskörper;
2: schematisch im Längsschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgerätes mit einem erfindungsgemäßen Ausgleichskörper; und
3: einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Ausgleichskörpers eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
Der in 3 dargestellte Ausgleichskörper 1 weist eine ringförmige Struktur auf. Er weist einen ersten Endbereich 11 aus einem keramischen Werkstoff oder und/oder Glas, beispielsweise Siliziumkarbid bzw. Siliziumnitrid und/oder Borosilikatglas, einen Übergangsbereich 12 und einen zweiten Endbereich aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere Stahl auf. Der Übergangsbereich 12 weist eine Zusammensetzung auf, die sich schichtweise ändert von einer ersten inneren Grenzfläche, die dem ersten Endbereich 11 zugewandt ist, und die die axiale Koordinate z = 0 aufweist, zu einer zweiten inneren Grenzfläche, die dem zweiten Endbereich 13 zugewandt ist, und die die axiale Koordinate z = h aufweist, wobei h die Höhe des Übergangsbereichs ist.
Die Zusammensetzung einer Schicht mit der mittleren axialen Koordinate z beträgt X_G + X_M = 1 wobei etwa gilt X_G(z) = 1 – z/h und X_M(z) = z/h, wobei X_G den Anteil der Glaskomponente und X_M den Anteil der metallischen Komponente bezeichnen.
Die Komponenten werden insbesondere in Form von mikroskaligen Granulaten oder Pulvern bereitgestellt, vorzugsweise mit einer Korngröße von nicht mehr als 20 μm und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 μm.
Zum Präparieren einer Schicht wird die koordinatenabhängige Mischung der Granulate auf den bereits verfestigten Schichten aufgetragen und mit Lasersintern verfestigt, wie aus der IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen" oder aus „Selektives Lasersintern keramischer Mikrobauteile", Mikroproduktion 04/08, S. 36–39, bekannt ist.
Der Ausgleichskörper weist beispielsweise einen Durchmesser von 4 mm auf. Bei einem Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Werkstoffs und des keramischen Werkstoffs von etwa 10 ppm/K und einer Höhe h = 0,25 mm folgt ein Wert für den Verformungsparameter von d/h × Δα = 160 ppm/K. Dieser Wert liegt im mittleren Bereich für die obigen Anforderungen.
Wird der Übergangsbereich durch N Schichten gleicher Schichtstärke s = h/N gebildet, so gilt entsprechend d/s × Δα = 160 ppm/K. Die Zahl N der Schichten kann beispielsweise 10 bis 20 betragen.
Einer oder beide Endbereiche des Ausgleichskörpers können ebenfalls im Lasersinterverfahren präpariert werden. Andererseits kann ein Endbereich, der nach einem anderen Verfahren hergestellt ist, als Substrat für die schichtweise Präparation des Übergangsbereichs hergestellt werden, wobei der andere Endbereich dann entweder ebenfalls durch Fortsetzen des Lasersinterverfahrens mit der Zusammensetzung des Endbereichs erfolgen kann, oder als unabhängig gefertigter Körper bereitgestellt wird, der mit einer Stirnfläche des Übergangsbereichs zu fügen ist. Schließlich können beide Endbereiche jeweils als Substrat für die Präparation eines Teils des Übergangsbereichs dienen, wobei anschließend die beiden Teile der Übergangsbereichs miteinander gefügt werden.
Es ist derzeit bevorzugt, einen Glaswafer, insbesondere einen Borosilikatglaswafer, welcher einen ersten Endbereich des Ausgleichskörpers bildet, als Substrat für die die Präparation der Schichten des Übergangsbereichs und des zweiten Endbereichs zu verwenden. Der Glaswafer kann nach der Präparation der Schichten mit einem Siliziumwafer, welcher eine Vielzahl von Sensorkörpern enthält, gefügt werden, beispielsweise durch anodisches Bonden. Nach dem Fügen des Glaswafers mit dem Siliziumwafer werden die Halbleitersensoren mit bereits angefügtem Ausgleichskörper vereinzelt. Die zweiten Endbereiche der Ausgleichskörper können anschließend jeweils mit einem Stützkörper gefügt werden, beispielsweise durch Löten, insbesondere Hartlöten, oder Schweißen.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 100 dargestellt, das einen Ausgleichskörper 110 zum Tragen eines Halbleitersensorkörpers 120 in einem Stahlgehäuse 130 aufweist.
Der Ausgleichskörper 110 umfasst einen ersten Endbereich 111, welcher ein Borosilikatglas, beispielsweise Pyrex, aufweist, einen Übergangsbereich 112 und einen zweiten Endbereich 113, welcher im wesentlichen gesinterte Stahlpartikel aufweist, wobei der Übergangsbereich ein sich monoton änderndes Mischungsverhältnis zwischen Glas- und Stahlpartikeln aufweist, wobei an der Grenzfläche zum ersten Endbereich ausschließlich oder nahezu ausschließlich Glaspartikel und an der Grenzfläche zum zweiten Randbereich ausschließlich oder nahezu ausschließlich Stahlpartikel vorliegen. Der Übergangsbereich 112 umfasst beispielsweise 20 Schichten gleicher Schichtstärke, wobei der Glasanteil X_Gi von Schicht gleichmäßig abnimmt, also: X_Gi+1 = X_Gi – 0,05.
Durch den Ausgleichskörper erstreckt sich ein zentraler Ausgleichskörperkanal 114 von einer äußeren Oberfläche des ersten Endbereichs 111 zu einer äußeren Oberfläche des zweiten Endbereichs 113.
Der Halbleitersensorkörper 120 umfasst einen Wandlerelement 121, und einen Sockel 122, wobei das Wandlerelement 121 und der Sockel 122 monokristallines Silizium aufweisen und mit parallel orientierten Kristallachsen miteinander gefügt sind. Das Wandlerelement 121 umfasst eine durch anisotropes Ätzen präparierte Messmembran 123, welche hier nicht dargestellte piezoresistive Widerstandselemente in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung aufweist, um eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal zu wandeln. Durch den Sockel 122 erstreckt sich ein zentraler Sockelkanal 124, der mit dem Ausgleichskörperkanal 114 fluchtet und kommuniziert, um einer zwischen dem Sockel 122 und der Messmembran 123 gebildeten Druckkammer einen Druck zuzuführen.
Das Stahlgehäuse 130 umfasst einen Stützkörper 131 aus Stahl, der als ein so genannter TO8-Sockel gestaltet sein kann, welcher hier nicht dargestellte elektrische Durchführungen zum Kontaktieren des Wandlerelements 121 aufweist. Einzelheiten zur Kontaktierung der Widerstandselemente über elektrische Durchführungen durch einen Stützkörper 131 sind einem Fachmann bekannt und beispielsweise dem US-Patent Nr. 5,551,303 zu entnehmen.
Der zweite Endbereich 113 des Ausgleichskörpers 110 weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stützkörpers 131 angepasst ist. Dies ermöglicht, den zweiten Endbereich 113 des Ausgleichskörpers 110 durch eine Hartlötverbindung mit dem Stützkörper 131 zu fügen, denn aufgrund der angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten sind auch bei Temperaturschwankungen im Messbetrieb im Endbereich dieser Hartlötverbindung kaum thermomechanische Spannungen zu erwarten, welche die Messgenauigkeit des Wandlerelements beeinträchtigen könnten.
Das Gehäuse 130 umfasst weiterhin einen Gehäusekörper 132, in dessen Innern eine Sensorkammer 134 ausgebildet ist. Der Halbleitersensorkörper 120 ist in der Sensorkammer 134 angeordnet und wird dort von dem Stützkörper 131 und dem Ausgleichskörper 110 in Position gehalten, wobei der Stützkörper 131 mit dem Gehäusekörper 132 gefügt, insbesondere verschweißt ist, um die Sensorkammer 134 entlang dieser Fügestelle druckdicht zu verschließen. Der Gehäusekörper 132 weist weiterhin einen ersten Gehäusekanal 136 auf, welcher sich von einer dem Stützkörper 131 abgewandten Oberfläche des Gehäusekörpers 132 in die Sensorkammer 134 erstreckt, um eine der Druckkammer 125 abgewandte Frontseite der Messmembran 123 mit einem Mediendruck beaufschlagen zu können. Der Stützkörper 131 weist einen Stützkörperkanal 138 auf, welcher mit dem Ausgleichskörperkanal 114 kommuniziert und druckdicht verbunden ist, so dass eine der Druckkammer 125 zugewandte Rückseite der Messmembran 123 durch den Stützkörperkanal 114 mit einem zweiten Mediendruck oder einem Referenzdruck beaufschlagbar ist.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts 200 dargestellt, das einen Ausgleichskörper 210 zum Tragen eines Halbleitersensorkörpers 220 in einem Stahlgehäuse 230 aufweist. Der wesentliche Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen besteht darin, dass im zweiten Ausführungsbeispiel ein Zwischenkörper 240 in Form eines Kovar-Rohrs zwischen dem Ausgleichskörper 210 und einem stählernen Stützkörper 231 angeordnet ist.
Der Ausgleichskörper 210 umfasst einen ersten Endbereich 211, welcher ein Borosilikatglas, beispielsweise Pyrex aufweist, einen Übergangsbereich 212 und einen zweiten Endbereich 213, welcher im wesentlichen gesinterte Stahlpartikel aufweist, wobei der Übergangsbereich ein sich monoton änderndes Mischungsverhältnis zwischen Glas- und Kovarpartikeln aufweist, wobei an der Grenzfläche zum ersten Endbereich ausschließlich oder nahezu ausschließlich Glaspartikel und an der Grenzfläche zum zweiten Randbereich ausschließlich oder nahezu ausschließlich Kovarpartikel vorliegen. Der Übergangsbereich 212 umfasst beispielsweise 15 Schichten gleicher Schichtstärke, wobei der Glasanteil X_Gi von Schicht gleichmäßig abnimmt, also: X_Gi+1 = X_Gi – 0,066, oder 10 Schichten gleicher Schichtstärke, wobei der Glasanteil X_Gi von Schicht gleichmäßig abnimmt, also: X_Gi+1 = X_Gi – 0,1. Insofern als der Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kovar und Borosilikatglas geringer ist als der zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Borosilikatglas, reichen beim zweiten Ausführungsbeispiel weniger Schichten aus als beim ersten Ausführungsbeispiel, um dem Wärmeausdehnungsunterschied abzubauen.
Durch den Ausgleichskörper erstreckt sich ein zentraler Ausgleichskörperkanal 214 von einer äußeren Oberfläche des ersten Endbereichs 211 zu einer äußeren Oberfläche des zweiten Endbereichs 213.
Der Halbleitersensorkörper 220 umfasst einen Wandlerelement 221, und einen Sockel 222, wobei das Wandlerelement 221 und der Sockel 222 monokristallines Silizium aufweisen und mit parallel orientierten Kristallachsen miteinander gefügt sind. Das Wandlerelement 221 umfasst eine durch anisotropes Ätzen präparierte Messmembran 223, welche hier nicht dargestellte piezoresistive Widerstandselemente in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung aufweist, um eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Signal zu wandeln. Durch den Sockel 222 erstreckt sich ein zentraler Sockelkanal 224, der mit dem Ausgleichskörperkanal 214 fluchtet und kommuniziert, um einer zwischen dem Sockel 222 und der Messmembran 223 gebildeten Druckkammer einen Druck zuzuführen.
Das Stahlgehäuse 230 umfasst einen Stützkörper 231 aus Stahl, der als ein so genannter TO8-Sockel gestaltet sein kann, welcher hier nicht dargestellte elektrische Durchführungen zum Kontaktieren des Wandlerelements 221 aufweist.
Der Stützkörper trägt einen Zwischenkörper 240, welcher ein Rohr aus Kovar umfasst. Der Zwischenkörper 240 ist in eine zentrale Bohrung 238 des Stützkörpers 231 eingesetzt. Der Zwischenkörper 240 ist mit dem Stützkörper 231 durch Schweißen oder Hartlöten entlang einer umlaufenden Fügestelle druckdicht gefügt.
Der zweite Endbereich 213 des Ausgleichskörpers 210 weist aufgrund seiner Zusammensetzung aus Kovar-Partikeln einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des als Kovar-Rohr ausgebildeten Zwischenkörpers 240 angepasst ist. Dies ermöglicht, den zweiten Endbereich 213 des Ausgleichskörpers 210 durch eine Hartlötverbindung mit dem Stützkörper 231 zu fügen, ohne die Messeigenschaften des Wandlerelements durch thermomechanische Spannungen zu beeinträchtigen.
Das Stahlgehäuse 230 umfasst weiterhin einen Gehäusekörper 232, in dessen Innern eine Sensorkammer 234 ausgebildet ist. Der Halbleitersensorkörper 220 ist in der Sensorkammer 234 angeordnet und wird dort von dem Stützkörper 231, dem Zwischenkörper 240 und dem Ausgleichskörper 210 in Position gehalten, wobei der Stützkörper 231 mit dem Gehäusekörper 232 gefügt, insbesondere verschweißt ist, um die Sensorkammer 234 entlang dieser Fügestelle druckdicht zu verschließen. Der Gehäusekörper 232 weist weiterhin einen ersten Gehäusekanal 236 auf, welcher sich von einer dem Stützkörper 231 abgewandten Oberfläche des Gehäusekörpers 232 in die Sensorkammer 234 erstreckt, um eine der Druckkammer 225 abgewandte Frontseite der Messmembran 223 mit einem Mediendruck beaufschlagen zu können.
Durch den rohrförmigen Zwischenkörper 240 und den damit kommunizierenden Ausgleichskörperkanal 214 ist eine der Druckkammer 225 zugewandte Rückseite der Messmembran 223 durch den mit einem zweiten Mediendruck oder einem Referenzdruck beaufschlagbar.
Im Ergebnis ist in beiden Ausführungsbeispielen ein Wandlerelement Ober einen Ausgleichskörper an metallische Körper mechanisch gekoppelt, wobei Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen dem Wandlerelement und dem metallischen Körper über den Ausgleichskörper abgebaut werden können. In der gesamten Kopplungsstrecke kann dabei auf organische Werkstoffe verzichtet werden.
Der gängige metallische Werkstoff in den Prozessindustrien ist Stahl, insbesondere Edelstahl. Wie im ersten Ausführungsbeispiel gezeigt, kann der Wärmeausdehnungsunterschied zwischen einem Wandlerelement aus Silizium und einem Stützkörper aus Edelstahl vollständig durch einen Ausgleichkörper abgebaut werden. Alternativ dazu kann, wie anhand des zweiten Ausführungsbeispiels dargelegt, zwischen dem Ausgleichskörper und einem Edelstahlgehäuse noch ein Zwischenkörper eingesetzt werden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zu dem ihm zugewandten Endbereich des Ausgleichskörpers passt, der aber noch einen abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten von dem des Edelstahlgehäuses aufweist. In diesem Fall ist die Verbindung zwischen dem Edelstahlgehäuse und dem Zwischenkörper eine Quelle von thermomechanische Spannungen, die über eine Distanz zwischen dem Edelstahlgehäuse und Ausgleichskörper abzubauen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5551303 [0045]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen” [0004]
IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen” [0036]
„Selektives Lasersintern keramischer Mikrobauteile”, Mikroproduktion 04/08, S. 36–39 [0036]

Claims

Messgerät (100; 200), umfassend: einen Halbleitersensor, der einen Sensorkörper (120; 220) aus einem Halbleiterwerkstoff, insbesondere Si umfasst; einen metallischen Stützkörper (131; 231); und mindestens einen Zwischenkörper (110; 210; 240); wobei der Sensorkörper über den mindestens einen Zwischenkörper (110; 210; 240), welcher zwischen dem Sensorkörper (110; 220) und dem Stützkörper (131; 231) angeordnet ist, mit dem Stützkörper drucktragend mechanisch verbunden ist, wobei mindestens ein Zwischenkörper (110; 210) als Ausgleichskörper (110; 210) ausgebildet ist, wobei der Ausgleichskörper umfasst: einen ersten Endbereich (111; 211), der einen ersten Werkstoff mit einem ersten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁ aufweist, einen zweiten Endbereich (113; 213), der einen zweiten Werkstoff mit einem zweiten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten α₂ aufweist, einen Übergangsbereich (112; 212) zwischen dem ersten Endbereich (111; 211) und dem zweiten Endbereich (113; 213), in dem sich der effektive Wärmeausdehnungskoeffizient von dem ersten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten zum zweiten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten ändert, wobei der Übergangsbereich eine Folge von Schichten mit einer Mischung mindestens des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs aufweist, wobei das Mischungsverhältnis der Schichten variiert, um eine schrittweise, insbesondere monotone, Veränderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erzielen, wobei der erste Endbereich (111; 211) des Ausgleichskörpers dem Sensorkörper (110; 210) und der zweite Endbereich (113; 213) des Ausgleichskörpers dem Stützkörper (131; 231) zugewandt ist, wobei der erste effektive Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Endbereichs des Ausgleichskörpers von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials eines an den ersten Endbereich des Ausgleichskörpers angrenzenden Körpers um nicht mehr als 2 ppm/K, insbesondere nicht mehr als 1 ppm/K abweicht, wobei der zweite effektive Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Endbereichs des Ausgleichskörpers im Wesentlichen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten eines an den zweiten Endbereich des Ausgleichskörpers (110; 210) angrenzenden Körpers um nicht mehr als 2 ppm/K, insbesondere nicht mehr als 1 ppm/K abweicht, und wobei der zweite effektive Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als der erste effektive Wärmeausdehnungskoeffizient.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei der erste Endbereich des Ausgleichskörpers ein Glas umfasst, insbesondere ein Borosilikatglas.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Endbereich des Ausgleichskörpers mit dem Sensorkörper druckdicht gefügt ist, insbesondere durch anodisches Bonden.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Endbereich des Ausgleichskörpers mit dem angrenzenden Körper druckdicht gefügt ist, insbesondere durch Löten, Hartlöten oder Schweißen.
Messgerät nach den Anspruch 4, wobei der zweite Endbereich mit dem Stützkörper gefügt ist.
Messgerät nach den Anspruch 4, wobei der zweite Endbereich mit dem einem zweiten Zwischenkörper gefügt ist, der zwischen dem Stützkörper und dem Ausgleichskörper angeordnet ist, wobei der zweite Zwischenkörper insbesondere Kovar umfasst.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stützkörper Stahl umfasst.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichten des Übergangsbereichs des Ausgleichskörpers im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Übergangsbereich des Ausgleichskörpers senkrecht zu einer Richtung der Schichtfolge eine maximale Erstreckung d aufweist, und wobei der Übergangsbereich in Richtung der Schichtfolgen eine Höhe h aufweist, wobei gilt: d / h·|Δα| < ξ, wobei Δα die Differenz zwischen dem ersten effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten ist, und wobei ξ eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ < 0,1%/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K.
Messgerät nach Anspruch 9, wobei gilt: ξ = C / ΔT wobei ΔT = (T_max – T_min), die Größe eines spezifizierten Betriebstemperaturbereichs für das Messgerät ist, und wobei C ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C < 4%, insbesondere C < 2% und bevorzugt C < 1%.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Übergangsbereich senkrecht zu einer Richtung der Schichtfolge eine maximale Erstreckung d aufweist, und wobei eine Schicht eine mittlere Schichthöhe s aufweist, wobei gilt: d / s·|Δα_s| < ξ_s, wobei Δα_s die Differenz der effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht angrenzenden Schichten ist. Wärmeausdehnungskoeffizienten ist, und wobei ξ_s eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ_s < 0,1%/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K.
Messgerät nach Anspruch 11, wobei gilt:
wobei ΔT = (T_max – T_min), die Größe eines spezifizierten Betriebstemperaturbereich für das Messgerät ist, und wobei C_s ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C_s < 4%, insbesondere < 2% und bevorzugt < 1%.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Werkstoff ein keramischer Werkstoff oder ein Glas ist, und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nicht mehr als 5 ppm/K insbesondere nicht mehr als 4 ppm/K aufweist, und wobei der zweite Werkstoff ein metallischer Werkstoff ist, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nicht weniger als 10 ppm/K insbesondere nicht weniger als 13 ppm/K und weiterhin nicht weniger als 15 ppm/K aufweist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schichten im Übergangsbereich jeweils eine Schichthöhe h von nicht weniger als 10 μm, insbesondere nicht weniger als 20 μm und bevorzugt nicht weniger als 40 μm aufweisen, und wobei die Schichten im Übergangsbereich jeweils eine Schichthöhe h von nicht mehr als 400 μm, insbesondere nicht mehr als 200 μm und bevorzugt nicht mehr als 100 μm aufweisen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Übergangsbereich N Schichten mit jeweils einem unterschiedlichen effektiven Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dessen Wert zwischen dem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten α₁ und dem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten α₂ liegt, wobei die Zahl N nicht weniger als (Δα)/(2 ppm/K), insbesondere nicht weniger als (Δα)/(1 ppm/K) und bevorzugt nicht weniger als (2Δα)/(1 ppm/K) beträgt.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der erste und/oder der zweite Endbereich eine Höhe aufweisen bzw. aufweist, die mindestens die Hälfte der Höhe des Übergangsbereichs, insbesondere nicht weniger als die Höhe des Übergangsbereichs und bevorzugt nicht weniger als das Doppelte der Höhe des Übergangsbereichs beträgt.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messgerät ein Druckmessgerät, ein Dichtemessgerät, ein Viskositätsmessgerät ein Durchflussmessgerät oder ein potentiometrisches Messgerät ist.