-
I. Gebiet der Erfindung
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf Sensoren und insbesondere auf
einen Druck- und/oder
Temperatursensor, der bis 200°C
eine außergewöhnliche
Stabilität
aufweist und wirksam bis 700°C
arbeiten kann. Der Drucksensor der vorliegenden Erfindung arbeitet
ohne Fluidbefüllung
und hat keine außen
liegenden, exponierten Metallbestandteile. Der Drucksensor weist
eine nicht-poröse,
undurchlässige
Oberfläche
auf, die in direktem Kontakt mit Fluiden in einer hochreinen Umgebung
angeordnet werden kann. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung besteht die nicht-poröse
Oberfläche
aus einer Schicht aus Saphir-Einkristall,
die undurchdringlich für
chemische Angriffe ist. Auf diese Weise können keine Chemikalien oder
Verunreinigungen mit der Zeit aus dem Sensor in einen Prozeßstrom austreten.
Ohne daß dies
einschränkend
zu verstehen wäre,
ist der Drucksensor der vorliegenden Erfindung zur Verwendung in
einem chemisch inerten Druckwandlermodul oder Durchflußmesser zum
Erfassen von Drücken
in Prozeßfluiden
geeignet und kann direkt in dessen entsprechendes Hochtemperatur-Kunststoffgehäuse eingeformt
werden.
-
II. Hintergrund der Erfindung
-
Drucksensoren
werden in verschiedenen Anwendungen zum Messen eines Relativdrucks
oder eines Absolutdrucks eingesetzt. Einige dieser Anwendungen umfassen
die Druckmessung in ungünstigen
Umgebungen. Der Drucksensor kann ein kapazitiver oder ein piezoresistiver
Drucksensor sein. Beispielsweise kann ein kapazitiver Aluminiumoxid-Keramiksensor
eine dünne,
meist nachgiebige Keramikfolie mit einem zwischen dieser und einer
dickeren, unnachgiebigen Keramikfolie angeordneten, isolierenden
Abstandsring umfassen. Die erste, dünne Keramikfolie oder Membran
hat eine Dicke von etwa 0,005 bis 0,050 Zoll, wobei eine Dicke von
0,020 Zoll typisch ist. Die dickere Keramikfolie hat einen Dickenbereich
von 0,100 bis 0,200 Zoll. Für
den Fachmann versteht sich, daß vorzugsweise
die Dicke der Membran von deren Durchmesser abhängt. Der Abstandshalter kann
aus einem geeigneten Polymer gefertigt sein. Die einander gegenüberliegenden
Flächen
von Keramikscheiben werden mit Metallen, wie Gold, Nickel oder Chrom,
metallisiert, um Platten eines Kondensators herzustellen. Ein ähnlicher
kapazitiver Druckwandler wurde von Bell et al. im
US-Patent 4,177,496 (dem '496-Patent) beschrieben.
Weitere kapazitive Druckwandler, die dem im '496-Patent beschriebenen entsprechen,
sind verfügbar
und dem Fachmann bekannt. Ein piezoresistiver Sensor arbeitet typischerweise
mit einer Wheatstone-Brücke,
die Spannungsänderungen
mißt und
mit Änderungen des
erfaßten
Druckes korreliert. Diese Sensortypen können jeweils zum Messen des
Druckes von Fluiden in hochreinen Umgebungen verwendet werden, wobei
jedoch ein nicht-kontaminierender Drucksensor benötigt wird.
-
Eine
hochreine Verarbeitung empfindlicher Materialien erfordert meist
die Verwendung ätzender Fluide.
Die Anfälligkeit
der empfindlichen Materialien für
eine Verunreinigung während
des Herstellverfahrens ist ein schwerwiegendes Problem für die Hersteller.
Es wurden verschiedene Fertigungssysteme entwickelt, um die Verunreinigung
der empfindlichen Materialien mit Fremdpartikeln, ionischen Verunreinigungen
und während
des Herstellungsprozesses erzeugten Dämpfen zu verringern. Die Verarbeitung der
empfindlichen Materialien beinhaltet häufig einen direkten Kontakt
mit ätzenden
Fluiden. Daher ist es entscheidend, die ätzenden Fluide dem Verarbeitungsort
in unkontaminiertem Zustand und frei von Fremdpartikeln zuzuführen. Verschiedene
Bauteile der Verarbeitungsanlage sind üblicherweise dazu ausgelegt,
die Menge an erzeugten Partikeln und in den Prozeßfluiden
gelösten
Ionen zu verringern, sowie die Verarbeitungschemikalien gegenüber kontaminierenden
Einflüssen
zu isolieren.
-
Die
Verarbeitungsanlage umfaßt
typischerweise Flüssigkeitstransportsysteme,
welche die ätzenden
Chemikalien von Vorratstanks durch Pump- und Regulierstationen und
durch die Verarbeitungsanlage selbst fördern. Die Flüssigchemikalien-Transportsysteme,
welche Rohre, Pumpen, Schläuche, Überwachungsvorrichtungen,
Fühlervorrichtungen, Ventile,
Armaturen und ähnliche
Vorrichtungen umfassen, sind häufig
aus Kunststoffen gefertigt, die den schädlichen Wirkungen der ätzenden
Chemikalien standhalten. Metalle, die üblicherweise in solchen Überwachungsvorrichtungen
verwendet werden, können
die korrosive Umgebung nicht über
lange Zeiträume
zuverlässig
aushalten. Daher müssen
die Überwachungs-
und Erfassungsvorrichtungen Ersatzmaterialien umfassen oder von
den ätzenden Fluiden
getrennt bleiben.
-
Obwohl
die Prozesse sehr sauber sein müssen,
beinhalten sie häufig
Chemikalien, die sehr aggressiv sind. Diese können z. B. starke Säuren, Basen
und Lösungsmittel
umfassen. Die Halbleiterindustrie führte vor kurzem Verfahren ein,
die aggressive Schleifmittel nutzen. Sowohl die Verfahrenseinrichtungen
als auch die Überwachungsinstrumente müssen für die mechanische
Wirkung dieser Schleifmittel undurchdringbar sein.
-
Ferner
ist eine hohe Zuverlässigkeit
für Instrumente
der Verfahrensanlage unverzichtbar. Das Abschalten einer Halbleiter-
oder Pharmazeutika-Fertigungsstraße, aus welchem Grunde auch
immer, ist kostspielig. Früher
setzten Druckwandler üblicherweise
Füllfluide
ein, um Druck vom Prozeß zum Sensor
selbst zu übertragen.
Die Füllfluide
sind durch eine Isoliermembran beliebiger Art von dem Verfahren
getrennt. Ein Versagen dieser Isoliermembran und eine anschließende Leckage
von Füllfluid
in den Prozeß kann
einen Produktverlust bewirken und eine Systemreinigung erfordern,
bevor der Betrieb wieder aufgenommen wird. Eine Konstruktion, die
auf die Isoliermembran und das Füllfluid
verzichtet, ist vorteilhaft.
-
Zudem
weist die Verarbeitungsanlage, die üblicherweise in der Halbleiterfertigung
verwendet wird, eine oder mehrere Überwachungs-, Ventil- und Fühlervorrichtungen
auf. Diese Vorrichtungen sind typischerweise in einer Regelung miteinander
verbunden und werden zum Überwachen
und Steuern der Anlage verwendet. Diese Überwachungs- und Erfassungsvorrichtungen
müssen
auch dazu eingerichtet sein, jedwede Kontamination, die eingebracht werden
könnte,
zu vermeiden. Die Erfassungsvorrichtungen können Druckwandlermodule und
Durchflußmesser
mit Drucksensoren umfassen. Es kann erwünscht sein, daß ein Abschnitt
des Drucksensors des Druckwandlers oder des Durchflußmessers
in direktem Kontakt mit den ätzenden
Fluiden steht. Daher sollten die in direktem Kontakt mit den ätzenden Fluiden
stehenden Flächen
des Drucksensors nicht-kontaminierend sein. Es wurde festgestellt,
daß poröse Materialien
das Einströmen
und Ausströmen von ätzenden
Fluiden durch diese Materialien zulassen. Beispielsweise werden
keramische Materialien mit verschiedenen glasartigen Materialien
verbunden, die ihrerseits leicht von den aggressiveren, korrosiven
Materialien angegriffen werden. Somit ist es bevorzugt, die in direktem
Kontakt mit ätzenden
Fluiden stehenden Abschnitte des Drucksensors aus nicht-porösen Materialien
zu fertigen.
-
Das
Ghiselin et al. erteilte
US-Patent 4,774,843 beschreibt
einen Dehnungsmesser mit einer Saphir-Einkristallmembran, die an
einer Aluminiumoxidbasis haftet. Ghiselin et al. geben an, daß der Saphir
mittels eines Glas-Bondingmaterials, Epoxidharzes oder anderen Klebeverfahren
haftet. Eine nähere
Beschreibung des Glas-Bondingmaterials oder wie der Glasverbund
an der Saphir- und Aluminiumoxidbasis haftet, geben Ghiselin et
al. nicht. Allerdings beschreibt Ghiselin den Glasverbund als Material
geringer Festigkeit, das sich an beanspruchten Bereichen ablöst. Ghiselin
beschreibt eine Änderung der
Geometrie, um die beanspruchten Bereiche zu verringern und dadurch
die Mängel
der geringen Festigkeit des Glases zu vermeiden. Das Hegner et al. erteilte
US-Patent 5,954,900 beschreibt
Probleme bei der Verwendung eines Glases zum Bonden an ein Aluminiumoxid-Keramikteil.
Hegner et al. beschreiben die Verwendung von Aluminiumoxid als Dichtstoff
für Aluminiumoxidkeramik.
Für die
von Hegner et al. und von Ghiselin et al. beschriebenen Vorrichtungen
nimmt man an, daß sie
effektiv auf Betriebstemperaturen unterhalb 400°C beschränkt sind. Damit verringert
sich die Zuverlässigkeit
der von Hegner et al. und von Ghiselin et al. beschriebenen Sensoren,
sobald die Temperatur 400°C überschreitet.
Die ätzenden
Fluide der Verarbeitungsanlage können
häufig
400°C überschreiten.
Daher wird ein Drucksensor benötigt,
der eine nicht-poröse Oberfläche aufweist,
die mittels einer hochfesten Verbindung an die Basis gebondet ist,
wobei die Verbindung zwischen dem nicht-porösen Material und der Basis
bei Temperaturen von mehr als 400°C
stabil ist.
-
Aus
der
US-A-4127840 ist
ein Sensor mit einer nicht-porösen
Außenfläche bekannt,
der umfaßt: eine
Grundplatte, eine nicht-poröse
Membran, die aus einem chemisch inerten Material besteht, ein Fühlerelement,
das über
der Außenfläche der
Membran angeordnet ist, eine Glasschicht, die durch Verglasen an
die Innenfläche
der Grundplatte und an die Außenfläche der
Membran, nahe deren Außenumfang,
gebondet ist, wodurch die Grundplatte und die Membran gebondet werden,
wobei ein Druck nahe der Membran durch das Fühlerelement detektierbar ist
und die Glasschicht sowohl eine hohe Bond-Festigkeit als auch eine
hohe Schmelztemperatur von über
700°C aufweist.
-
Zudem
wurde festgestellt, daß elektromagnetische
Interferenz und Hochfrequenzinterferenz (EMI bzw. RFI) die Leistung
piezoresistiver Sensoren mindern. Aufgrund des epitaxialen Aufbaus
von Silizium auf Saphir kann eine leitfähige Abschirmschicht nicht
direkt zwischen einer Siliziumschicht (auf der die Wheatstone-Brücke ausgebildet
wird) und dem Saphir angeordnet werden. Eine leitfähige Abschirmschicht
auf der Außenseite
des Saphirs ist nicht bevorzugt, wenn die Außenseite des Saphirs in Kontakt mit
den ätzenden
Fluiden angeordnet ist. Daher wird ein nicht-kontaminierender Drucksensor
benötigt,
der verhindert, daß EMI
und RFI das Fühlerelement
beeinflussen, das auf einer nicht-exponierten Fläche des Drucksensors gebildet
ist. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderung und andere
Anforderungen, wie eine Durchsicht der Beschreibung der vorliegenden
Erfindung zeigt.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung sieht einen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
zum Herstellen eines solchen Sensors gemäß Anspruch 19 vor. Die nicht-poröse Oberfläche ist
durch eine geringe Diffusionsfähigkeit
und Oberflächenadsorption gekennzeichnet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
der Drucksensor eine Grundplatte, eine nicht-poröse Membran, ein Fühlerelement
benachbart einer Innenfläche
der Membran, und eine Glasschicht aus einem hochfesten Material,
das durch Verglasen mit der Grundplatte und der nicht-porösen Membran
verbunden ist. Die Grundplatte verleiht der Struktur Steifigkeit.
Die Steifigkeit der Grundplatte hält Beanspruchungen stand, die
vom (nicht gezeigten) Gehäuse
an die Fühlerelemente
auf der Sensormembran übertragen
werden. Obwohl die Grundplatte sich nicht in direktem Kontakt mit
dem Prozeßmedium
befindet, muß sie
mechanisch stabil und für Hochtemperaturverfahren
geeignet sein. Die Wärmedehnungsrate
der Grundplatte sollte eng an die der Fühlermembran angenähert sein.
Zwar ist es möglich,
thermische Effekte auszugleichen, doch eine große Abweichung erzeugt Spannungen
bei der Herstellung, die bewirken können, daß die Verbindung zwischen den
beiden Teilen mit der Zeit nachläßt. Für den Fachmann
ist ersichtlich, daß die
nicht-poröse Membran
eine Wheatstone-Brücke
oder eine darauf ausgebildete leitfähige Schicht als Teil eines
piezoresistiven bzw. kapazitiven Sensors umfassen kann.
-
Zum
Beispiel wird bei der bevorzugten Ausführungsform eine Siliziumschicht
auf einer Innenfläche
der nicht-porösen
Membran gebildet, auf der ein Dehnungsmesser, wie eine Wheatstone-Brücke, ausgebildet
ist. Die Grundplatte umfaßt
durch sie hindurchlaufende Öffnungen,
die dazu ausgelegt sind, mit dem Fühlerelement verbundene elektrische
Leitungen aufzunehmen. Eine Druckveränderung nahe der nicht-porösen Membran
ist durch das Fühlerelement
detektierbar. Eine Zu- bzw. Abnahme des Drucks auf die Membran bewirkt
deren Durchbiegung, was wiederum den Widerstand des Dehnungsmessers
verändert.
Die Änderung
des Widerstandes korreliert mit dem Druck in der Umgebung der Membran.
-
Beispielsweise
besteht die Membran bevorzugt aus einem chemisch inerten Material,
wie Saphir. Die Glasschicht zwischen dem Saphir und der Grundplatte
ist vorzugsweise aus Borosilikatglas hoher Bond-Festigkeit oder
anderem Glas mit geeignetem, bekanntem Aufbau gefertigt, das eine
hohe Bond-Festigkeit und eine Schmelztemperatur von über 700°C und vorzugsweise über 1000°C aufweist. Das
Maß, um
das sich die Membran durchbiegt, wird durch die Dicke und den Durchmesser
der Glasschicht eingestellt. Die Glasschicht kann eine Dicke im
Bereich von 0,002 bis 0,030 Zoll haben, wobei 0.010 Zoll bevorzugt
sind, und einen Außendurchmesser
im Bereich von 0,100 bis 2,0 Zoll haben, wobei 0,700 Zoll bevorzugt
sind. Der aktive Fühlerbereich
der Membran kann im Bereich von 0,050 bis 2,0 Zoll liegen, wobei
0,400 Zoll bevorzugt sind. Für
den Fachmann ist ersichtlich, daß der Bereich der Dicke und
des Durchmessers der Membran nicht als einschränkend ausgelegt werden soll;
vielmehr können Dicke
und Durchmesser bei bestimmten Anwendungen auf Wunsch weiter verkleinert
oder vergrößert werden.
Dabei gerät
ein Abschnitt der Innenfläche der
Membran mit einer Innenfläche
der Grundplatte in Anlage, wenn sich die nicht-poröse Membran
maximal durchbiegt. Für
den Fachmann ist ersichtlich, daß die Grundplatte und die nicht-poröse Membran aus
Materialien mit ähnlichen
Wärmedehnungsraten gefertigt
sind, um unnötige
Beanspruchungen durch einen weiten Temperaturbereich zu vermeiden.
Wie nachfolgend näher
beschrieben ist, kann der Drucksensor so gebaut sein, daß das Fühlerelement
einen Absolutdruck oder einen Relativdruck erfassen kann.
-
Der
Drucksensor kann ferner eine Siliziumnitridschicht und eine Metallisierungs-
oder Leiterschicht umfassen, die zwischen der Siliziumschicht und
der Grundplatte angeordnet ist (vgl. 11). Auf diese
Weise wirkt die Siliziumnitridschicht als elektrischer Isolator,
und die Metallisierungsschicht verhindert eine Beeinträchtigung
des Fühlerelementes 20 durch
EMI/RFI. Der Drucksensor kann ferner eine Beschichtung, eine Dichtung
oder ein Dichtelement benachbart mindestens einem Abschnitt eines äußeren Randes
der Schichten der nicht-porösen Membran,
der Siliziumnitridschicht, der Metallisierungsschicht und der Grundplatte
umfassen. Zum Beispiel können
säurebeständiges Epoxidharz
oder korrosionsbeständige
Polymere, wie PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid),
PEEK (Polyetheretherketon), Urethan oder Parylen, eingesetzt werden,
wobei säurebeständiges Epoxidharz
bevorzugt ist.
-
Der
Drucksensor umfaßt
Bondpads, die auf der Membran zwischen der Glasschicht und der nicht-porösen Membran
gebildet sind. Beispielsweise umfaßt die bevorzugte Ausführungsform
der Bondpads eine Titanschicht und eine Diffusionsbarriere. Der
dotierte Silizium-Dünnschichtfilm
verbindet die Bondpads in bekannter, geeigneter Weise, um die Wheatstone-Brücke zu bilden.
In der Glasschicht und in der Grundplatte ist ein Fenster gebildet,
durch das ein Zugang zu den Bondpads geschaffen wird. Durch die
in der Glasschicht und in der Grundplatte gebildeten Fenster laufen
elektrische Leitungen, die an die Bondpads gelötet sind. Dabei sind die elektrischen Leitungen
an die Bondpads gelötet,
und die Glasschicht ist mit der Membran und der Grundplatte verglast.
-
Bei
einer alternativen Ausführungsform
sind die Membran und das Fühlerelement
zur Ausbildung eines kapazitiven, aber nicht piezoresistiven Sensors modifiziert.
Die dünne
Fühlermembran,
die sich durchbiegt, wenn Druck aufgebracht wird, weist eine an
der Innenfläche
der Fühlermembran
ausgebildete Kondensator-Platte auf, während eine andere Kondensator-Platte
an der Innenfläche
der Grundplatte ausgebildet ist. Eine elektrische Leitung ist mit
der an der Innenfläche
der Fühlermembran
ausgebildeten Kondensator-Platte verbunden, und eine andere Leitung
ist elektrisch an die Innenfläche
der Grundplatte angeschlossen. In dem Maße, wie sich der Abstand zwischen
der Membran und der Platte mit dem Druck verändert, ändert sich die Kapazität der Platten.
Diese Kapazitätsänderung
wird von einem elektrisch angeschlossenen Fühlerelement einer bekannten,
geeigneten Bauweise erfaßt.
-
Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich dem Fachmann ohne
weiteres bei einer Durchsicht der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform,
insbesondere in Zusammenschau mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen,
in denen gleiche Bezugsziffern sich in den verschiedenen Darstellungen
auf gleiche Teile beziehen.
-
Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine Perspektivdarstellung des Drucksensors der vorliegenden Erfindung;
-
2 zeigt
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung;
-
3 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung;
-
4 zeigt
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung;
-
5 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung;
-
6 zeigt
eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Membran, auf der eine Wheatstone-Brücke gebildet
ist;
-
7 ist
eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Ausführungsform
der Membran der vorliegenden Erfindung;
-
8 zeigt
eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Ausführungsform
der Bondpads der vorliegenden Erfindung;
-
9 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform der Bondpads der
vorliegenden Erfindung;
-
10 zeigt
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform der Bondpads der
vorliegenden Erfindung;
-
11 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung;
-
12 zeigt
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung;
-
13 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung, der in einem Druckwandlergehäuse angeordnet
gezeigt ist;
-
14 zeigt
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung, der in ein Druckwandlergehäuse eingeformt
dargestellt ist;
-
15 ist
eine teilweise geschnittene Draufsicht auf eine Ausführungsform
der Membran der vorliegenden Erfindung;
-
16 zeigt
eine teilweise Draufsicht auf eine Ausführungsform der Membran der
vorliegenden Erfindung;
-
17 ist
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung, und
-
18 zeigt
eine geschnittene Teilseitenansicht einer Ausführungsform des Drucksensors
der vorliegenden Erfindung, der eine Dichtung oder Packung benachbart
einem Rand des Sensors aufweist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die
vorliegende Erfindung stellt breit anwendbare Verbesserungen bei
Drucksensoren dar. Die hier näher
beschriebenen Ausführungsformen sind
als stellvertretend oder beispielhaft für Anwendungen, in welche die
Verbesserungen der Erfindung aufgenommen werden können, und
nicht als einschränkend
zu verstehen. Der Drucksensor der vorliegenden Erfindung kann als
piezoresistiver oder kapazitiver Sensor mit einer Fühlermembran
ausgestaltet sein. Die Fühlermembran
ist aus einem Stück
Saphir-Einkristall gefertigt. Alternativ dazu kann die Fühlermembran
aus einem Diamant-Einkristall gefertigt sein. Der Sensor 10 der
vorliegenden Erfindung umfaßt
allgemein eine Grundplatte 12, eine Fühlermembran 14, einen
Silikaglasverbund zwischen der Grundplatte 14 und der Membran 16 und
elektrische Leitungen 18 (siehe 1 und 2).
Bei der Herstellung der Fühlermembran 14 wird
ein großer
Wafer des Saphir-Einkristalls verwendet, so daß mit den bekannten Schichtverfahren
der Halbleitertechnologie viele Sensoren gleichzeitig hergestellt
werden können.
-
Dem
Fachmann ist bekannt, daß Saphir
ein elektrischer Isolator ist. Wenn der Saphir entlang der R-Ebene
geschnitten wird, ist es möglich,
einen epitaktischen Einkristall-Film aus Silizium mit geeigneter Dicke
auf dem Saphir wachsen zu lassen. Die Siliziumschicht kann durch
Diffusion, Ionenimplantation oder andere Mittel mit atomaren Spezies,
wie Bor oder Phosphor, dotiert werden, um dem Film Halbleitereigenschaften
zu verleihen. Durch Verändern
der Implantationsenergie und der Dotiermittelkonzentration kann
der Flächenwiderstandswert
des Films eingestellt werden. Der Film hat nicht nur einen elektrischen
Widerstand, sondern dieser ändert
sich auch dehnungsabhängig.
Diese Eigenschaft ist als Piezoresistivität bekannt. Wie zuvor beschrieben,
dehnt eine Durchbiegung der Fühlermembran 14 den
Film und erzeugt eine Änderung
des Widerstandes. Das Druckfühlsignal
ist von dieser Änderung
des Widerstandes abgeleitet.
-
Wenn
eine Ionenimplantation zum Dotieren des Silizium gewählt wird,
ist nach dem Dotieren ein Temper-Schritt erwünscht, um Spannungen zu entfernen,
die sich im Film während
des Implantationsvorgangs aufbauen. Der Temper-Schritt unterstützt auch
die gleichmäßigere Verteilung
der Dotieratome in der gesamten Siliziumschicht. Die Siliziumstrukturen 20 bilden
eine Wheatstone-Brücke 22 (siehe 6 und 7).
Für den
Fachmann ist ersichtlich, daß mehrere
verschiedene Strukturen die Wheatstone-Brücke 22 erzeugen können. Die Siliziumwiderstände 20 können mittels üblicher
Photolithographietechniken strukturiert werden. Eine isolierende Schicht
aus Siliziumnitrid 24 (siehe 8 und 10)
wird auf die gesamte Oberfläche
des Saphir-Wafers durch chemische Dampfabscheidung aufgebracht.
Ein Photolithographielack wird verwendet, um zu verhindern, daß die Siliziumnitridschicht 24 im
Bereich des Bondpads 26 abgeschieden wird. Durch das Wegätzen des
Lacks wird ein Fenster 28 über und benachbart jedem der
Verbindungspunkte oder Bondpads 26 zur Wheatstone-Brücke geöffnet (siehe 8).
Die Siliziumnitridschicht 24 ist eine beständige isolierende
Schicht und schützt
die empfindliche Siliziumschicht zusätzlich.
-
Metall-Bondpads 26 werden
benötigt,
um die elektrischen Leitungen 18 mit der Wheatstone-Brücke 22 zu
verbinden. Metalle, die üblicherweise
als Bondpads 26 in Halbleitervorrichtungen verwendet werden,
wie Gold und Aluminium, sind ungeeignet, da sie bei den Verglasungstemperaturen
mit dem Silizium verschmelzen. Bei der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Bondpad mit zwei Metallschichten aufgebaut (siehe 10).
Mit einem als Hochfrequenz(RF)-Sputtern bezeichneten Verfahren wird eine
Titanschicht 30 auf den gesamten Wafer abgeschieden. Titan
ist ein sehr aktives Metall und hat hervorragende Bindungseigenschaften.
Allerdings benötigt
Titan eine Diffusionsbarriere 32 zum Lötmaterial 34. Die
Lötlegierung 34 verbindet
das Bondpad 26 mit Stiften 18. Ohne Diffusionsbarriere 32 würde das Hartlot 34 sowohl
mit der Titanschicht 30 als auch mit der dünnen Siliziumschicht 20 verschmelzen.
Nach dem Abkühlen
würde diese
Legierung durch Oberflächenspannungskräfte zusammengezogen
und den Siliziumfilm lokal zerstören.
Die Diffusionsbarriere 32 muß ein feuerfestes Metall sein,
das bei den Löttemperaturen
(etwa 1.000°C)
keine Legierungen bildet. Ohne Einschränkung sind Niob, Wolfram, Iridium, Molybdän, Tantal,
Platin und Palladium für
diesen Zweck geeignet. Das Barrierematerial 32 muß einen Film
bilden können,
der eine geringe Anzahl von durch den Film verlaufenden, kleinen
Nadellöchern aufweist.
Etwaige Oxide müssen
bei den Löttemperaturen
dissoziieren. Es wurde festgestellt, daß Niob gut als Diffusionsbarriere
arbeitet. Niob wird über
den gesamten Saphir-Wafer 14 auf der Titanschicht 30 RF-gesputtert.
Dann wird die Niobschicht unter Verwendung bekannter Lithographietechniken
strukturiert.
-
Bei
der bevorzugten Ausführungsform
wird das Metall für
die Bondpads 26 mittels dem Fachmann bekannter Verfahren
abgeschieden und strukturiert, einschließlich z. B. Verdampfen und
Sputtern. Das Bondpad 26 ist so strukturiert, daß das Metall
einen Teil der Silziumschicht 20 überdeckt (siehe 8),
aber vorwiegend in direktem Kontakt mit der Saphirmembran 14 steht.
Der Grund hierfür
ist, daß Metallisierungsschichten
kleine Nadellöcher
aufweisen können.
Es wurde festgestellt, daß das
Lötmaterial 34,
wenn es in die Diffusionsbarriere 32 eindringen kann, eine
Legierung mit dem Silizium mit daraus folgendem Versagen des Films
bilden kann. Während
des Verglasens und Lötens
kann das Silikatglas 16 dazu dienen, den Durchfluß des Lötzinns 34 vom Stift
zu dem Bereich, in dem das Metall des Bondpads 26 die Siliziumstruktur 20 überlagert,
zu hemmen. Das Hartlot 34 darf die Siliziumstruktur 20 nicht überdecken.
-
Sobald
die Saphirmembran 14 strukturiert ist, wird der Saphir-Wafer
in Rohchips vereinzelt, wobei bekannte Verfahren zum Vereinzeln
eingesetzt werden, um die Vielzahl von Saphir-Membranen vom Saphir-Wafer zu trennen.
Beispielsweise können mehrere
Verfahren, einschließlich
Ritzen und Brechen entlang den Kristallebenen, Ultraschallbearbeitung
oder Laserschneiden eingesetzt werden. Die Anwendung bekannter Verfahren
ermöglicht
das Schneiden runder Membranen 14, die für die Drucksensorfertigung
erwünscht
sind.
-
Die
elektrischen Leitungen 18 werden an die Bondpads 26 gelötet, und
die Grundplatte 12 wird mit der Membran 14 verglast.
Die dicke Grundplatte 12 oder der Wafer ist aus einem keramischen
Werkstoff gefertigt, der Löcher
oder Sacklöcher 36 aufweist (siehe 2).
Die Sacklöcher 36 sind
in der Grundplatte 12 zu den Bondpads 26 ausgerichtet
ausgebildet und ermöglichen
die Durchführung
elektrischer Leitungen 18 von der Sensormembran 14 zur
Elektronik, welche die Druckinformationen verwertet. Wenn eine Relativdruckerfassung
gewünscht
wird, ist ein Belüftungsloch 38 durch
die Grundplatte 12 ausgebildet. Keramische Werkstoffe bestehen
meist aus Metalloxidpulvern, die bei hoher Temperatur zusammen gesintert
werden, typischerweise unter Verwendung einer geringen Menge an
Glas, das als Bindemittel wirkt. Ein üblicher keramischer Werkstoff
ist Aluminiumoxid, das viele ähnliche
Eigenschaften wie Saphir-Einkristall hat. Solange der Glasgehalt
der Aluminiumoxidkeramik unter wenigen Prozent gehalten wird, werden
sich die Dehnungseigenschaften vernachlässigbar unterscheiden.
-
Ein
Glas
16, das sowohl an Saphir als auch an Aluminiumoxidkeramik
gut bondet, muß ähnliche Wärmedehnungseigenschaften
haben. Es wurde festgestellt, daß Borosilikatgläser für diesen
Zweck gut geeignet sind. Diese Gläser haben deutlich höhere Schmelztemperaturen
als die Gläser,
die zum Fritbonden von Materialien verwendet werden. Wie festgestellt
wurde, erfolgt bei Sensoren, die aus Bulkware-Silizium gefertigt
sind, eine übermäßige Diffusion von
Dotierungsatomen in benachbarte Bereiche. Somit sind diese Bulkware-Siliziumsensoren
typischerweise auf Arbeitstemperaturen von nicht mehr als 450°C beschränkt, und
dies auch nur für
kurze Abweichungen, beschränkt.
Wie von Ghiselin et al. im
US-Patent
Nr. 4,774,843 angegeben, war das verläßliche Bonden einer Saphirmembran
an eine Keramikgrundplatte bisher ein großes Problem. Die vorgeschlagenen
Borosilikatgläser
mit hoher Bondfestigkeit, die beim Verglasen verwendet werden, unterscheiden
sich von Lötglas
oder Glasfritte niedriger Temperatur und Festigkeit. Das Lötglas hat
eine Schmelztemperatur um 450°C
und eine geringere Festigkeit.
-
Um
den Saphir mehr durch „Verglasen" als durch Löten an die
Aluminiumoxidkeramik zu bonden, kann ein Silikatglas 16 auf
der Oberfläche
der Grundplatte 12 vorgeformt oder durch ein Sieb aufgebracht
werden. In beiden Fällen
ist es wichtig, daß das
Silikatglas nicht weit von seinem Ausgangspunkt fließt. Wenn
der Innendurchmesser der Glasstruktur sich merklich ändert, können sich
die Druckcharakteristiken des Sensors 10 drastisch verändern. Wenn das
Glas 16 ferner während
des Verglasungsprozesses über
das metallisierte Bondpad 26 fließt, bevor das Lot 34 auf
dem Bondpad 26 schmilzt, werden die Stifte 18 nicht
mit den Bondpads 26 verlötet. Das Brennen des Glases
sollte bei konstanten Temperaturen erfolgen, um das Verbleiben von
Spannungen in dem Glasverbund zu vermeiden, die zu einer Instabilität oder zu
einem Glasbruch führen
könnten.
Ferner muß das
Silikatglas 16 Öffnungen
oder Fenster für
die elektrischen Stifte 18 aufweisen. Zusätzlich erreicht
die Fühlermembran 14 auf
der Grundplatte 12 bei Überdruck
den Boden, indem die Dicke des Silikatglasverbundes 16 zwischen
der Membran 14 und der Grundplatte 12 passend
eingestellt wird (vgl. 4). Somit erhöht dieser Überdruckanschlag
die Überdruckkapazität des Sensors 10 um
Faktor 100 oder mehr.
-
Die
zum Bonden der elektrischen Leitung 18 mit dem Bondpad 26 verwendete
Lötlegierung 34 muß bei einer
Temperatur schmelzen, die etwas niedriger als die des Silikatglases 16 ist.
Ferner muß das
Lötzinn 34 bei
seiner Schmelztemperatur aggressiv genug sein, um etwaige Oxide
auf den Metallschichten 26 zu entfernen. Ohne Einschränkung wurde
festgestellt, daß verschiedene
Kupfer-Lötlegierungen
geeigneten bekannten Aufbaus in der Lage sind, diesen Anforderungen
zu entsprechen. Wenn das Lötzinn 34 schmilzt,
bevor das Glas 16 zu fließen beginnt, und das Silikatglas 16 dann über das
Bondpad 26 fließt,
wird es über
das Lötzinn 34 und
das Bondpad 26 fließen
und dadurch einen merklichen Spannungsabbau im Bondpad-Bereich ergeben.
Ohne Einschränkung
wurde festgestellt, daß eine
Lötlegierung,
wie Pakusil- 15, das von Wesgo Metals, San Carlos, Kalifornien,
einer Tochter der Morgan Advanced Ceramics Incorporated, vertrieben
wird, akzeptabel lötet.
-
Die
elektrische Leitung oder der elektrische Kontaktstift 18 sollte
einen kleinen Querschnitt haben und vorzugsweise aus einem biegsamen
Metall gefertigt sein. Ein solcher Stift 18, der durch
die Geometrie der Löcher 36 in
der Keramik 12 begrenzt ist, hat gute Spannungsabbaueigenschaften
und wird keine Spannungen von den Stiften 18 zu den Fühlerelementen
leiten. Die Stifte 18 sollten mit einem Material mit guten
Hartlöt-
und angemessenen Weichlöteigenschaften,
wie Nickel oder Gold, beschichtet sein.
-
Die
Hochtemperaturfähigkeiten
aller Baumaterialien des Sensors 10 gestatten eine Verwendung dieses
Sensors 10 bei sehr hohen Temperaturen (über 400°C) über längere Zeiträume, und/oder
dieser Sensor 10 kann direkt in Gehäuse aus Hochleistungskunststoffen,
wie TEFLON® („Teflon” ist eine eingetragene
Marke von E.I. Dupont De Nemours and Company) eingeformt werden
(siehe 14). Ein solcher eingeformter
Drucksensor ergibt eine äußerst zuverlässige Abdichtung
zwischen dem Sensor 10 und dem Kunststoffgehäuse.
-
Unter
erneuter Bezugnahme auf die 3 und 4 wird
nun die Durchbiegung der Membran 14 erläutert. Die mit 40 gekennzeichnete
erste Punktlinie stellt eine stark überhöhte Durchbiegung der Membran 14 dar.
Die zweite Punktlinie, die mit 42 bezeichnet ist, stellt
eine Durchbiegung der Membran bei Überdruck dar (wobei die Stoppwirkung
der Grundplatte 12 auf die Durchbiegung der Membran während des Überdrucks
außer
Acht gelassen ist). Eine solche drastische Durchbiegung würde wahrscheinlich
zum Reißen
oder Brechen der Membran 14 führen. 5 zeigt
eine modifizierte Membran 14, die einen Membranmittelabschnitt
aufweist, der dünner
als der äußere Abschnitt
der Membran ist. Typischerweise sollte die Dicke der Membran bei
abnehmendem Durchmesser der Membran für eine maximale Empfindlichkeit
ebenfalls abnehmen. Der Spalt zwischen der Membran 14 und
der Grundplatte 12 kann durch die Dicke des Glasverbundes 16 eingestellt
werden. Ohne Einschränkung
liegt eine typische Durchbiegung der Membran zwischen 0,01 und 0,0001
Zoll, und der kann Abstand abhängig
von der Dicke und dem Durchmesser der Membran 14 zwischen
0,02 und 0,0002 Zoll liegen. Die Größenordnung des Spaltes ist
vorzugsweise gleich dem 2-fachen der Dicke der Membran 14.
Der aktive Fühlerbereich
der Membran kann zwischen 0,075 und 2 Zoll, bei einer Membran mit
einer Dicke im Bereich von 0,002 bis 0,050 Zoll liegen. Praxisbedingte
Einschränkungen
in der Waferherstellung begrenzen die Dicke eines Saphir-Einkristallwafers.
Im Gegensatz zu Silizium-Einkristall gibt es jedoch kein einfaches Verfahren
zum Formen dünner
Saphirmembranen durch chemische Verfahren. Obwohl die Herstellung der
Membran aus einem dünneren
Saphir-Wafer bis zu einem gewissen Grad funktioniert, führen die
hohen thermischen Spannungen, die während des Sensorherstellungsprozesses
induziert werden, zu selbstzerstörenden
inneren Spannungen. Alternativ dazu erhöht eine Vergrößerung des
Durchmessers des Fühlerbereichs
der Membran die Empfindlichkeit einer Druckvorrichtung. Typischerweise
steigen jedoch mit zunehmendem Durchmesser der Membran auch die
Kosten.
-
Die
in 5 gezeigte, modifizierte Membran 15 verringert
die Dicke der Membran, die aus einem dickeren Saphir-Wafer hergestellt
ist, nahe dem Erfassungsbereich. Das Ausdünnen der Membran nach dem Abschluß der Dünnfilmprozesse
ergibt biegsamere Druckfühlermembranen.
Ein Materialrand, der um jede Einheit herum verbleibt, ergibt eine Festigkeit,
die z.B. erforderlich ist, wenn die Fühlermembran in direktem Kontakt
mit einem Drucksensorgehäuse
steht. Der dünne
Mittelbereich 46 bewirkt die erforderliche Empfindlichkeit.
Die Saphir-Membran 14 kann mit herkömmlichen mechanischen Mitteln,
wie Bearbeitung durch Abschleifen oder Ultraschallbearbeitung, die
dem Fachmann bekannt sind, dünner
gemacht werden.
-
Alternativ
dazu kann eine Ringnut 80 an der äußeren Fühlerfläche der Membran 14 (vgl. 17) ausgebildet
werden. Für
den Fachmann ist ersichtlich, daß die Form der Nut zwar nicht
ausschlaggebend ist, aber abgerundete Kanten und Nuten bevorzugt
sind. Zudem können
neben einer ringförmigen Nut
auch andere geometrische Formen dazu geeignet sein, die Durchbiegungsbeanspruchung
im Bereich nahe dem Glasverbund 16 abzubauen.
-
Anhand
der 11 wird nun eine alternative Ausführungsform
des Drucksensors 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt,
bei dem eine Leitschicht zwischen der Grundplatte 12 und
der Siliziumnitridschicht 24 angeordnet ist. Die Leitschicht 48 ist
an Masse angeschlossen gezeigt. Auf diese Weise werden Elektromagnet-
und Hochfrequenzinterferenz (EMI und RFI) blockiert. Bekanntlich
verschlechtern EMI und RFI die Leistung piezoresistiver Sensoren. Aufgrund
des epitaktischen Aufbaus von Silizium auf Saphir und des Wunsches,
das Silizium direkt mit dem Saphir zu bonden, ist es nicht erwünscht, eine Leitschicht
zwischen dem Silizium und dem Saphir anzuordnen. Ferner würde das
Anordnen einer Leitschicht an der Außenseite der Saphirmembran
die nicht-porösen,
chemisch inerten Eigenschaften der Saphirmembran aufheben. Ohne
Einschränkung kann
die Leit- oder Metallisierungsschicht 48 eine Schicht aus
Niob, Wolfram, Iridium, Molybdän,
Tantal, Platin und Palladium oder aus einem anderen Material umfassen,
das bekannt für
eine EMI- und RFI-Abschirmung ist. Somit schirmt die Metallschicht 48 das
Fühlerelement
gegenüber
EMI und RFI ab, die oberhalb der Leitschicht entstehen.
-
Da
die Leitschicht 48 Massepotential hat, erzeugen EMI und
RFI stehende Wellen mit Nullpotential an der Leitschicht 48.
Es ist bekannt, daß eine merkliche
Störung
entsteht, wenn die Strahlung der stehenden Wellen Frequenzkomponenten
aufweist, deren Wellenlänge
in der Größenordnung
des Abstandes zwischen der Masseebene und den Widerstandsbauteilen
liegt. Wenn andererseits der Abstand der Masseebene zu den Widerstandsbauteilen klein
ist, haben die stehenden Wellen am piezoresistiven Element eine
vernachlässigbare
Amplitude, und es tritt keine Interferenz auf. Da EMI- und RFI-Störungen im
Bereich von 1 MHz bis 1.000 MHz auftreten, beträgt die Mindestwellenlänge für diesen
Frequenzbereich 0,3 m. Ferner ist der Abstand zwischen der Masseebene
und den piezoresistiven Elementen oder der Siliziumstruktur 20 gleich
der Dicke der Siliziumnitridschicht, die in der Größenordnung
von 500 Angström
oder 0,00000005 m liegt. Somit liegt die zu erwartende EMI- und
RFI-Abschirmung bei etwa 6.000.000 zu 1.
-
Anhand 12 wird
nun eine weitere alternative Ausführungsform des Sensors 10 der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein nicht-poröser, chemisch inerter Drucksensor
kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, Drücke in einer
stark ätzenden
Umgebung zu erfassen. Sensoren, die eine Fühlermembran aufweisen, welche
mit Einkristallsaphir aufgebaut ist, bieten hervorragenden Schutz
gegen chemische Einwirkung. Der Sensor 10 kann in einem Druckwandlergehäuse 50 (vgl. 13)
angeordnet sein, das primäre
und sekundäre
Dichtungen 52 und 54 aufweist. Wenn die primäre Dichtung
an der Außenfläche der
Saphirmembran anliegt, benetzt das Prozeßfluid nur die Dichtung und
den Saphir. Da Dichtungen bekannter geeigneter Bauart für Prozeßfluide
durchlässig
sind, wird eine gewisse Menge Prozeßfluid durch die primäre Dichtung
hindurchtreten. Sehr aggressive Prozeßfluide, wie Fluorwasserstoffsäure, die
durch die erste primäre
Dichtung hindurchtreten, können
die Verbindung zwischen der Saphirmembran 14 und der Keramikgrundplatte 12 angreifen.
Die Kontaminanten aus diesem Korrosionsprozeß an der Verbindung können dann
zurück
in die Prozeßfluide
eindringen. Die vorliegende Erfindung kann ein chemisch beständiges Polymer,
wie ein säurebeständiges Epoxidharz,
wie z.B. säurebeständiges Epoxidharz
EP21AR, das von Master Bond, Inc., Hackensack, N.J., erhältlich ist,
umfassen, welches auf den Rand des Sensors 10 aufgebracht
wird, der die Verbindung umgibt. Alternativ dazu kann ein Dichtungsprofil,
z.B. aus TEFLON, oder eine Elastomer-Dichtung 84, die z.B.
ohne Einschränkung
aus KALREZ gefertigt sein kann, gegen die Verbindung des Sensors
zusammengedrückt werden,
wie dies in 18 gezeigt ist. Die Dichtung 84 hat
einen L-förmigen Querschnitt
und kann um die Seite des Sensors 10 sowie die äußere Fühlerfläche der
Membran 14 gelegt sein. Für den Fachmann ist ersichtlich,
daß das
Dichtungsprofil 84 als Teil des Gehäuses 50 ausgebildet
sein kann. Ferner kann das Material, um die elektrische Abschirmung
zu verstärken,
durch Einmischen von Kohlenstoffpulver elektrisch leitfähig gemacht
werden. Das leitfähige
Epoxidharz kann über
eine leitfähige
Druckpaste 58, die auf Masse gelegt ist, geerdet werden.
-
In 13 ist
der Sensor 10 in einem Druckwandlergehäuse 50 mit einem Fluiddurchlaß 60 angeordnet
gezeigt. Die Saphirmembran dichtet gegen die primäre und sekundäre Dichtung 52 und 54 ab. Ein
Auslaß oder
Ablauf 62 kann sich von außerhalb des Druckwandlergehäuses in
das Gehäuse
zwischen die primäre
und sekundäre
Dichtung erstrecken. Der Auslaß 62 kann
den Druck zwischen den Dichtungen abbauen und/oder einen Durchlaß für Fluide
bilden, die durch die primäre
Dichtung eindringen, um aus dem Druckwandlergehäuse 50 auszutreten.
Der Sensor 10 der vorliegenden Erfindung, der eine Saphirmembran 14 aufweist,
ergibt einen Drucksensor, der korrosions- und lösungsmittelbeständig ist,
eine gewünschte
Biegung ohne meßbare Temperatur-
oder Druckhysterese zeigt, und Prozeßfluidtemperaturen von mehr
als 400°C
tolerieren kann. In 14 kann der Drucksensor, da
er hohen Temperaturen standhalten kann, auch während des Kunststoff-Spritzgußverfahrens
als Insert in das Kunststoffgehäuse 50 des
Druckwandlers eingeformt werden, wodurch das Erfordernis einer primären oder
sekundären
Dichtung entfällt.
Dabei wirkt das Gehäuse
selbst als Dichtung für
den Sensor 10. Es ist zu erwarten, daß derartiges Einformen für den Drucksensor
und das Modul die Herstellungskosten senkt, die Bauweise vereinfacht
und die Gesamtgröße des Druckwandlermoduls
verringert.
-
In 15 ist
eine weitere alternative Ausführungsform
des Sensors 10 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der
Sensor 10 kann sowohl Druck als auch Temperatur des Fluids
benachbart der Membran 14 erfassen. Ferner umfaßt der Sensor 10 einen Widerstand 70,
der auf der Saphirmembran 14 strukturiert ist. Bondpads 72 werden
auf dem Sensor in ähnlicher
Weise und zur gleichen Zeit wie die Bondpads 26 ausgebildet.
Der Widerstand 70 wird zwischen dem Glasverbund 16 und
der Membran 14 ausgebildet. Durch Anordnen des Widerstandes
außerhalb
der Druckbeanspruchungszone werden druckinduzierte Spannungen, die
den Widerstandswert des Widerstandes 70 beeinträchtigen
können, vermieden.
Der Widerstand des Silizium-Einkristall-Widerstandes 70 hat
eine klar definierte Temperaturabhängigkeit. Es wurde festgestellt,
daß bei
hohen Dotierungskonzentrationen (p-Dotierung mit mehr als 1019 Atomen/cm3) die Funktion zwischen Temperatur und Widerstand
sich eng an eine lineare Funktion annähert. Somit ist bei sich änderndem
Widerstand die Temperaturänderung
ohne weiteres bestimmbar.
-
16 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Sensors 10, bei der die Widerstände der Wheatstone-Brücke 22 dazu
eingesetzt werden, sowohl den Druck als auch die Temperatur zu bestimmen.
Der äußere Rand
des Sensors 10 ist durch eine gepunktete Linie dargestellt.
Wieder hat der Widerstand der Silizium-Einkristall-Widerstände, welche
die Wheatstone-Brücke
umfassen, eine wohlbekannte Temperaturabhängigkeit. Ein Widerstand 76,
der in 16 mit „Rt" bezeichnet ist, ist elektrisch an die
Wheatstone-Brücke 22 angeschlossen,
kann jedoch gegenüber
etwaigen Temperatureinflüssen
durch Temperaturänderungen
des Prozeßfluids
isoliert sein. Zum Beispiel kann der Widerstand 76 bei
der Fühlerelektronik
eines Druckwandlers und in einem Abstand von der Membran 14 angeordnet
sein. Der Wert des Widerstandes 46 ist etwa halb so groß wie der
Wert des Widerstandes der Wheatstone-Brücke 22. Die Effekte
des Drucks auf die Genauigkeit der Temperaturbestimmung sind vernachlässigbar,
wenn die Temperatur mittels eines Polynoms zusammen mit Datenfitverfahren
bestimmt wird, die dem Fachmann bekannt sind. In dem Maße, wie
sich der Widerstand der Wheatstone-Brücke 22 mit der Temperatur ändert, ändert sich
auch die Spannung Vt. Die gesamte Brücke kann als Widerstand in
einer Spannungsteilungsschaltung eingesetzt werden. Dabei kann die
Spannung Vt als Temperatursignal für einen analogen oder digitalen
Korrekturansatz verwendet werden.
-
Die
Spannung Vt hängt
nahezu vollständig von
der Temperatur der Wheatstone-Brücke 22 ab, insbesondere
wenn die Siliziumwiderstände
stark dotiert sind. Sind die Siliziumwiderstände schwach dotiert, oder möchte der
Benutzer die Ungenauigkeit bei der Temperaturmessung verringern,
kann die Temperatur durch eine Matrixcharakterisierung hergeleitet werden.
Dabei kann folgendes Polynom verwendet werden, das die Temperatur
T als Funktion von Ausgangssignalen Vt und Vp andrückt: T = a00 + a01VT + a02V2T + ... +
a10VP + a11VPVT +
a12VPV2T + ... + a20V2P + ... worin die Koeffizienten axx durch einen dem Fachmann bekannten least-square-fit
erhalten werden. Der Einsatz der obigen Charakterisierung zusammen mit
dem Datenfitverfahren ergibt einen Sensor mit einem geeichten Temperaturausgang,
der auf Belastungswirkungen kalibriert ist. Somit wird mit einem einzelnen
Sensor die gleichzeitige Druck- und Temperaturmessung bei schnellen
Reaktionszeiten erreicht. Alternativ dazu kann, wenn nur eine Temperaturausgabe
erwünscht
ist, die Druckcharakterisierung vermieden werden, indem die Anschlüsse des Widerstands
auf der Achse angeordnet werden, die nicht belastungsempfindlich
ist. Beispielsweise wird die maximale Belastungsempfindlichkeit
des R-Ebenen-Siliziums
auf Saphir erreicht, indem die Widerstandselemente unter 45° zur projizierten
C-Achse angeordnet werden, wobei die R-Ebene und die C-Achse durch
die Miller-Indizes der Kristallgeometrie definiert sind. Der Piezowiderstand
ist für
Widerstandselemente, die parallel oder senkrecht zur projizierten
C-Achse ausgerichtet sind, gleich Null. Die Achse der Widerstände kann
gedreht werden, um die Druckempfindlichkeit zu beseitigen. Auf diese
Weise kann beim Sensor 10 die Druckempfindlichkeit aufgehoben
werden, so daß er
nur die Temperatur in seiner Nähe
bestimmt.
-
Diese
Erfindung wurde hier sehr ausführlich beschrieben,
um die Patentvorschriften zu erfüllen und
dem Fachmann die Informationen zu geben, die er benötigt, um
die neuen Prinzipien anzuwenden und entsprechende, benötigten spezialisierte
Bauteile zu bauen und zu verwenden. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung
mit besonderen, anderen Geräten
und Vorrichtungen ausgeführt
werden kann und daß verschiedene
Modifikationen, sowohl an den Geräten als auch bezüglich der
Betriebsverfahren, durchgeführt
werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung selbst abzuweichen.