DE2617731A1

DE2617731A1 - Druckmesswandler

Info

Publication number: DE2617731A1
Application number: DE19762617731
Authority: DE
Inventors: Paul Eckstein; Ottomar Dr Jaentsch; Bernd Dr Reimann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-04-23
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1977-10-27
Also published as: FR2349136B1; FR2349136A1; DE2617731B2; NL7704302A; JPS52130378A; TR19618A; GB1521876A; DE2617731C3; US4080830A; JPS6051051B2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT f. Unser Zeichen 3erlin und München * VPA 76 P 7522 BRD

Druckme ßwandle r

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckmeßwandler mit einem Verformungskörper aus einkristallinem Halbleitermaterial, der in einem als Membrane dienenden dünnen zentralen Bereich mit einer Widerstandsanordnung versehen ist, deren Widerstandsänderung ein Maß für den Druck ist. Die Widerstände dienen somit als Dehnungsmeßstreifen und sind mit elektrischen Anschlußleitern versehen.

Für die Herstellung der Widerstandsanordnung kann die Planar-Technik angewendet werden. Der scheibenförmige Halbleiterkörper, dessen Flachseite vorzugsweise parallel zur (111)-Ebene des Kristalls verläuft, wird an seiner Oberfläche mit eindiffundierten, elektrisch leitenden Bereichen versehen, die als Dehnungsmeßstreifen dienen und vorteilhaft 4 Widerstände einer Brückenschaltung bilden können. Diese Widerstandsanordnung kann zweckmäßig einen monolithischen Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers bilden und ist mit elektrischen Anschlußleitern versehen. Mit dem Druck ändert sich die Krümmung und damit der Widerstand. Die Widerstandsänderung verstellt die Spannung an der Brücke. (Philips Technische Rundschau 33, 1973/74, Nr. 1, Seiten 15 - 22.)

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Druckmeßwandler in Miniaturausführung mit einer Halbleitermembrane zu verbessern, insbesondere soll er noch betriebssicher bleiben, wenn der zu messende Druck vorübergehend einen bestimmten Grenzwert überschritten hatte.

Es ist nun bereits bekannt, bei kapazitiven Druckmeßwandlern mit einer metallischen Meßmembrane und zwei festen Kondensatorplatten, diese als sogenannte Überlastbetten auszubilden. Beiderseits der Membrane ist jeweils ein Isolationskörper ange-

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ordnet, der durch eine konkave Ausnehmung mit einer Druckkammer versehen ist, die über eine Bohrung in dem Isalationskörper mit einer weiteren Druckkammer in Verbindung steht und an deren Wand sich die Membrane anlegt. Sobald der Druck einen Grenzwert überschreitet, legt sich die Meßmembrane an das konkave Überlastbett an. Ferner sind diese Isolationskörper jeweils mit einer weiteren, als metallisches Rohr gestalteten Durchführung zur Zuführung des Druckmittels versehen, die zugleich als elektrische Anschlußleiter für die Kondensatorplatten dienen können (DT-OS 2 052 515). Dieses Gerät ist deshalb in der Herstellung

verhältnismäßig kompliziert, insbesondere erfordert die Aus-• führung dieses bekannten Gerätes als Miniaturdruckwandler einen erheblichen Aufwand.

Die erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein dünner, die Membrane enthaltender Bereich des Verformungskörpers von einem verstärkten Randbereich umgeben ist, und daß ein erster Überlastaufnehmer vorgesehen ist, der mit dem dünnen und mit dem Randbereich des Verformungskörpers verbunden ist und dessen der Membrane zugewandter Oberflächenbereich mit einer als Druckkammer dienenden flachen Ausnehmung versehen ist. Auf der gegenüberliegenden Flachseite des Verformungskörpers ist ein zweiter Überlastaufnehmer vorgesehen, der ebenfalls mit einer flachen Druckkammer für die Membrane versehen und wenigstens mit dem dünnen Bereich des Überlastaufnehmers verbunden ist. Die mit dem Verformungskörper verbundenen Oberflächenteile der Überlastaufnehmer sind mit Druckkanälen versehen und können gegebenenfalls auch noch Kanäle für elektrische Anschlußleiter für die Widerstandsanordnung enthalten. Einer der Überlastaufnehmer stützt sich auf dem als Trägerkörper dienenden Randbereich des Verformungskörpers ab. Die Tiefe der Ausnehmungen wird in Verbindung mit der Dicke des Verformungskörpers und dem Durchmesser der Membrane so gewählt, daß sich die Membrane an den Boden der so gebildeten Druckkammer anlegt, sobald der Druck einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Die Krümmung der Membrane wird auf einen vorgegebenen Wert begrenzt, der noch im Bereich der elastischen Verformung der Membrane liegt. Die Membrane kann somit nicht zerstört werden, wenn der angewendete Druck den Grenzwert überschreitet.

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Der Verformungskörper, mit dem die Überlastaufnehmer verbunden sind und dessen zentraler Bereich die Membrane bildet, besteht wenigstens teilweise aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, insbesondere η-leitendem Silizium, mit verhältnismäßig geringer Leitfähigkeit. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, nur einen Teil des Verformungskörpers, beispielsweise nur den Teil, der die Membrane bildet oder auch nur eine Schicht der Membrane, aus Halbleitermaterial herzustellen, während der übrige Teil des Verformungskörpers aus anderem Material, beispielsweise Spinell, bestehen kann.

Die Flachseiten des Verformungskörpers sind jeweils mit einem Überlastaufnehmer verbunden, der den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial des Verformungskörpers hat.

Er besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material und ist so am Verformungskörper befestigt, daß seine Druckkammer dem als Membrane dienenden Oberflächenber'eich des Verformungskörpers gegenüberliegt. Man läßt den zu messenden Druck auf der einen Flachseite der Membrane einwirken. Mit zunehmendem Druck weicht somit die Membrane in die Druckkammer aus und legt sich mit zunehmender Krümmung an den Boden der Druckkammer an, wenn der Grenzwert des Drucks erreicht ist.

Den Druckkammern kann der zu messende Druck über die Druckkanäle in der Oberfläche der Überlastkörper mit Hilfe eines Druckmediums zugeführt werden. Die mit dem Verformungskörper verbundenen Oberflächen der beiden Überlastkörper sind deshalb mit Rillen versehen, die als Druckkanäle zur Druckübertragung zu den DruckkajMMrn wirken.
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Die als Dehnungsmeßstreifen dienenden Widerstände an der Oberfläche der Membrane sind mit elektrischen Anschlußleitern versehen, die ebenfalls durch solche Rillen elektrisch isoliert hindurchgeführt 3ind. Die Widerstände sind mit der Membrane fest verbunden, so daß deren Krümmung auf dia Widerstände übertragen wird. Sie können zweckmäßig als elektrisch leitende Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers vorzugsweise in der bekannten Planar-Technik durch Diffusion oder Implantation von Dotierungsstoff hergestellt werden.

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Der Randbereich des Verformungskörpers kann zweckmäßig mit einem Trägerkörper verbunden sein. Diese Ausführungsform erhält man beispielsweise in einfacher Weise dadurch, daß ein flacher Halbleiterkörper mit hoher Leitfähigkeit an seiner Oberfläche mit einer Schicht aus hochreinem einkrietallinen Halbleitermaterial mit geringer Leitfähigkeit versehen wird. Diese Oberflächenschicht wird vorzugsweise durch epitaktische Abscheidung hergestellt. Von diesem Halbleiterkörper wird auf der gegenüberliegenden Flachseite ein scheibenförmiger zentraler Bereich so weit abgetragen, daß nur die Schicht aus dem Material mit geringer Leitfähigkeit verbleibt. Dieses Abtragen erfolgt zweckmäßig durch Dünnätzen, insbesondere durch elektrochemisches Ätzen.

Von diesem als Verformungskörper dienenden flachen Halbleiterkörper wird dann ein zentraler Bereich mit der Widerstandsanordnung versehen. Anschließend wird der den zentralen Bereich umgebende ringförmige Oberflächenbereich des Verformungskörpers auf wenigstens einer Flachseite mit einem Überlastkörper unlösbar verbunden. Vorzugsweise durch eine Schmelzverbindung, beispielsweise mit einem niedrigschmelzenden Metall oder einer metallischen Verbindung, insbesondere aber mit Glas. Zu diesem Zweck ist außerdem eine Klebeverbindung, beispielsweise mit einem Silikonlack, geeignet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des Druckmeßwandlers nach der Erfindung in einem Schnitt schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt diesen Wandler in einer Draufsicht.

In Fig. 1 sind ein Verformungskörper mit 2, dessen als Membrane dienender zentraler Bereich mit 4, die sichtbaren Widerstände einer als Dehnungsmeßstreifen dienenden Widerstandsanordnung mit 6 und 8 und zwei zylindrische Überlastaufnehmer mit 12 bzw. 14 bezeichnet. Der Verformungskörper 2 stellt einen zentralen Bereich einer Oberflächenschicht 11 eines Trägerkörpers 10 dar. Die- UberlAßtaufnehmer weir.on unterschiedliche geometrische Abme;;sungeri auf und sind jewotL·; auf einer ihrer Flachseiten mit

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einer als Druckkammer dienenden flachen Ausnehmung 16 bzw. 18 versehen. Die Verbindung des Verformungskörpers 2 und des Trägerkörpers 10 mit den Überlastkörpern 12 bzw. 14 ist Jeweils durch eine Zwischenschicht 20 bzw. 22 hergestellt. Diese Zwischenschichten können gegebenenfalls auch in den Druckkammern und 18 eine Auskleidung 24 bzw. 26 bilden, an die sich die Membrane 4 im Falle einer elastischen Verformung durch den zu messenden Druck anlegen kann. Wenigstens diese Auskleidung 24 kann deshalb vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material bestehen, das dann zugleich zur elektrischen Isolation der Widerstandsanordnung 6, 8 dient, wenn sich die Membrane 4 an den Uberlastkörper 12 anlegt. Die Uberlastkörper 12 und 14 sind jeweils mit Druckkanälen 28 und 30 bzw. 32 und 34 versehen, die aus Rillen mit einer Tiefe von beispielsweise etwa 5 /um bestehen, so daß sich mit einer Dicke der Verbindungsschichten und 22 von vorzugsweise weniger als 3 /um, insbesondere etwa 1 /um und weniger, eine Gesamttiefe b und c der Rillen 28 und 30 bzw. 32 und 34 von nicht wesentlich mehr als 6 /um ergibt. Der Durchmesser d der Membrane soll beispielsweise etwa 1000 /um und die Breite D des Trägerkörpers 10 soll beispielsweise etwa 5000 /um betragen. In Verbindung mit einer Dicke a der Membrane von beispielsweise etwa 10-20 /um, insbesondere etwa 15 /um, wird die Tiefe der Druckkammern etwa 5 /um gewählt. Dann verhält sich bei der maximal zulässigen Druckbelastung und damit bei maximaler Durchbiegung der Membrane 4 die Durchbiegung der Membrane zu ihrer Ausdehnung etwa wie 1:200. Bei dieser Krümmung wird der elastische Bereich des Halbleiterkörpers nicht überschritten. Es wird somit auch im Falle der Überlastung des Druckmeßwandlers, d.h. wenn der Druck den noch meßbaren Grenzwert überschreitet, eine bleibende Verformung der Membrane 4 vermieden.

Die Überlastaufnehmer 12 und 14 bestehen aus einem Material mit wenigstens annähernd dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten und vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Verformungskörper 2 und in Verbindung mit dem η-leitenden Silizium somit ebenfalls aus Silizium. Ihre Ausdehnung in Richtung der Flachseiten der Verformungskorper 2 und ihre Dicke senkrecht zu

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dieser Richtung werden so gewählt, daß sie sich bei dem Druckbereich, für den der Druckmeßwandler ausgelegt ist, praktisch nicht verformen. Eine wesentlich erhöhte Steifigkeit erhält man durch unterschiedliche geometrische Abmessungen der Überlastaufnehmer 12 und 14. Der Durchmesser des einen Überlastkörpers, beispielsweise des oberen 12, wird vorzugsweise wesentlich größer als der Durchmesser des anderen gewählt. Der Durchmesser des Überlastkörpers 12 kann insbesondere so groß gewählt werden, daß er sich wenigstens noch auf einem Randbereich des Trägerkörpers 10 abstützt. Für einen Bereich des zu messenden Differenzdruckes von beispielsweise 20 . 10 bar bis 20 bar, bei dem einseitig eine Überlast beispielsweise zwischen 1 und 500 bar auftreten kann, wird die Dicke des oberen Überlastkörpers 12 beispielsweise 450 /um und die Dicke des unteren Überlastkörpers 14 beispielsweise 400 /um gewählt. Die dem Verformungskörper zugewandten Oberflächen der Überlastkörper 12 und 14 sind eben.

Die Verbindung der Überlastaufnehmer 12 und 14 mit dem Verformungskörper 2 und dem Trägerkörper 10 erfolgt mit Hilfe der Zwischenschichten 20 und 22, deren Material besonders dünn und gleichmäßig auftragbar sein muß. Ihre Dicke beträgt vorzugsweise nicht wesentlich mehr als 1 /um und muß über die gesamte zu verbindende Oberfläche gleichmäßig sein. Ferner muß das Material der Zwischenschicht sehr hart und zugleich mechanisch stabil sein und an den zu verbindenden Oberflächen gut haften. Es wird deshalb vorzugsweise eine Schmelzverbindung aus einem Material mit verhältnismäßig niedrigem Schmelzpunkt hergestellt, insbesondere aus Glas. Der Schmelzpunkt des Glases ist kleiner als 575 C, so daß bei dieser Temperatur noch keine Reaktion der metallischen Anschlußleiter der Widerstandsanordnung mit dem Silizium des Verformungskörpers entstehen kann. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Silizium sind annähernd gleich. Glas ist außerdem chemisch passiv gegenüber den Anschlußleitern der Widerstandsanordnung.

Neben der Glasschicht ist auch eine Schmelzverbindung geeignet, die wenigstens teilweise aus Metall, beispielsweise aus einem Gold-Silizium-Eutektikum, besteht. Ferner ist auch ein Spezialkleber, beispielsweise Silikonlack,, geeignet.

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Nach der Herstellung der unlösbaren Verbindung wird der Druckmeßwandler in ein geeignetes Gehäuse eingebaut und die elektrischen Anschlußleiter der Widerstandsanordnung werden mit Außenleitern verbunden, beispielsweise durch Ultraschallschweißen. 5

Aus der Draufsicht nach Fig. 2 ist die Anordnung des Überlactkörpers 12 zu entnehmen, der den Verformungskörper 2 im Bereich der Membrane 4 abdeckt. Der Überlastkörper 12 ist an seiner Unterssite mit den Druckkanälen 28 und 30 sowie mit Kanälen 38 und 4*1 für die elektrischen Anschlußleiter 44 bis 47 versehen. Die Membrane 4 ist mit einer Widerstandsanordnung versehen, die lediglich als besonders einfache Anordnung von Widerständen in Brückenschaltung angedeutet ist und von der die Widerstände 6 und 8 von dem Schnitt nach Fig. 1 erfaßt werden. Der untere Überlastkörper 14 ist ebenfalls mit Druckkanälen versehen, die in der Figur mit 50 bezeichnet sind und gegenüber den in Fig. 1 angedeuteten Druckkanälen 32 und 34 in ihrer Richtung um 90° versetzt sind. Der Trägerkörper 10 mit seiner Oberflächenschicht 11, deren mittlerer Teil den Verformungskörper 2 bildet, hat eine eckige Form, während der Verformungskörper 2 mit den Überlastkörpern 12 und 14 eine Scheibenform hat. Die Anschlußleiter 44 bis 47 können jeweils mit elektrischen Außenleitern verbunden sein, die in der Figur mit 52 bis 55 bezeichnet sind.

Eine besonders vorteilhafte Gestaltungsxorm der Widerstandsanordnung an der Oberfläche der Membrane 4 besteht aus einer monolithischen Anordnung voi: 4 Einzelwiderständen, die so angeordnet sind, daß zwei in einer Brückenschaltung einander gegenüberliegende Widerstände jeweils in mehrere Einzelwiderstände aufgeteilt sind, die in radialer Richtung der Membrane verlaufen. Diese Widerstände bedecken den äußeren Oberflächenbereich der Membrane 4. Dagegen sind die beiden anderen ebenfalls in der Brückenschaltung einander gegenüberliegenden Widerstände so angeordnet, daß sie den inneren Oberflächenbereich der Membrane 4 bedecken. Sie sind ebenfalls in Einzelwiderstände aufgeteilt, die abgesehen von den Verbindungsstücken der Teilwiderstände jeweils in azimutaler Richtung verlaufen und konzentrische Ringteile bilden.

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In einer bevorzugten Art der Herstellung des Druckmeßwandlers werden mit dem Einbringen der monolithischen Wideretandsanordnung in die Oberfläche der Membrane 4, beispielsweise durch Diffusion, zugleich auch die elektrischen Anschlußleiter der Widerstände in gleicher Weise und vorzugsweise im gleichen Arbeitsgang mit hergestellt. Diese Ausführungsform des Druckmeßwandlers hat den Vorteil, daß besondere Zuführungskanäle für diese elektrischen Anschlußleiter nicht erforderlich sind.

12 Patentansprüche
2 Figuren

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Druckmeßwandler mit einem Verformungükörper aus einkristallinem Halbleitermaterial, der in einem als Membrane dienenden dünnen zentralen Bereich mit einer Widerstandsanordnung versehen ist, deren Widerstandsänderung ein Maß für den Druck ist, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne, die Membrane (4) enthaltende Bereich des Verformungskörpers (2) von einem verstärkten Randbereich (10) umgeben ist, und daß ein erster Überlastaufnehmer (12) vorgesehen ist, der mit dem dünnen und mit dem Randbereich (10) des Verformungskörpers (2) verbunden ist und dessen der Membrane (4) zugewandter Oberflächenbereich mit einer als Druckkammer (16) und Überlastbett dienenden flachen, zylindrischen Ausnehmung versehen ist, und daß auf der gegenüberliegenden Flachseite des Verformungskörpers (2) ein zweiter Überlastaufnehmer (14) vorgesehen ist, der ebenfalls mit dem dünnen Bereich des Verformungskörpers (2) verbunden ist, und daß die mit dem Verformungskörper (2) verbundenen Oberflächenteile der Überlastkörper (12, 14) mit Druckkanälen (28, 30 bzw. 32, 34) versehen sind.
2. Druckmeßwandler mit einem Verformungskörper aus einkristallinem Halbleitermaterial, der in einem als Membrane dienenden dünnen zentralen Bereich mit einer Widerstandsanordnung versehen ist, deren Widerstandsänderung ein Maß für den Druck ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung eines der Überlastaufnehmer (12) parallel zur Membrane (4) wesentlich größer ist als die Ausdehnung des anderen (14).
3. Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einer Silizium-Membrane (4) mit einer Dicke von etwa 10 bi.; 20 /um und einem Durchmesser von etwa 1000 /Um die Tiefe der Druckkammer (16, 18) des Überlast aufnehmer a (12 bzw. 14) etwa 5 /um beträgt.

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4. Druckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verformungskörper (2) und den Überlastaufnehmer (12,14) jeweils eine Schmelzverbindung (20, 22) vorgesehen ist.
5. Druckmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelzverbindung eine Glasschicht (20, 22) vorgesehen ist.
6. Druckmeßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Glasachicht (20, 22) weniger als 3 /um, Insbesondere etwa 1 /um, beträgt.
7. Druckmeßwandler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht (20, 22) als elektrisch isolierende Auskleidung der Druckkammern (16, 18) vorgesehen ist.
8. Druckmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelzverbindung vorgesehen ist, die wenigstens teilweise aus Metall besteht.
9. Druckmeßwandler nach "nspruch 8, daciTCh gekennzeichnet, daß die Schmelzverbindung aut; einem Gold-oilizium-Eutektikum besteht .
10. Druckmeßwandler nach einem dor Anspräche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Veri'ormungskörper (2) und Überlast aufnehmer (12, 14) aus Silizium bestehen.
11. Druckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine monolithische Widerstandsanordnung (6, 8) aus einkristallinera Halbleitermaterial in Brückenschaltung vorgesehen ist, deren elektrische Anschlußleiter einen Bestandteil der monolithischen Ausführungsform bilden.

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12. Druckmeßwandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membrane (4) aus η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 10 Ohmcm vorgesehen ist, die mit einer p-leitenden Widerstandsanordnung (6, 8) versehen ist.

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