DE2617731C3 - Miniaturdruckmeßwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Miniaturdruckmeßwandler mit einem scheibenförmigen Verformungskörper, der wenigstens zum Teil aus einkristallinem Halbleitermaterial besteht, das in einem als Membrane dienenden zentralen Bereich mit einer Widerstandsanordnung versehen ist, deren Widerstandsänderung als Maß für den Druck dient, und bei dem auf beiden Flachseiten der Membrane jeweils ein Überiastaufnehmer sowie eine als Druckkammer und Überlastbett dienende flache Ausnehmung vorgesehen ist, die mit Druckkanälen verbunden ist Mit dieser früher vorgeschlagenen Ausführungsform erhält man einen überlastsicheren Differenzdruckmesser, der noch betriebssicher bleibt, wenn der zu messende Druck vorübergehend einen vorbestimmten Grenzwert überschritten hatte (Deutsche Offenlegungsschrift 25 41 944).

Ein bekannter Miniaturdruckmeßwandler enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper, dessen Flachseiten vorzugsweise parallel zur (lll)-Ebene des Kristalls verlaufen und der an seiner Oberfläche mit eindiffundierten, elektrisch leitenden Bereichen versehen ist, die als Dehnungsmeßstreifen dienen und vorteilhaft 4 Widerstände einer Brückenschaltung bilden können. Die Siliziumscheibe dient als Membrane und ist von einem verstärkten Randbereich umgeben. 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 früher vorgeschlagenen Druckmeßwandler in Miniaturausführung mit einer Halbleitermembrane zu verbessern, insbesondere soll seine Belastbarkeit erhöht werden und er soll leichter herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verformungskörper von einem verstärkten Randbereich umgeben ist, und der mit der einen Flachseite des Verformungskörpers verbundene erste Überlastaufnehmer sich auf dem verstärkten Randbereich des Verformungskörpers abstützt, und daß die Druckkammern als Ausnehmung der Überlastaufnehmer gestaltet sind, und die Druckkanäle als Rillen in der Oberfläche der Überlastaufnehmer ausgebildet sind.

Durch die Abstützung des Überlastaufnehmers auf dem verstärkten Randbereich, mit dem er unlösbar verbunden ist, wird die mechanische Stabilität der Gesamlanordnung erhöht und verhindert, daß Biegekräfle auf den Verformungsknrper wirken. Der als Membrane dienende zentrale Bereich des dünnen Verformungskörpers wird lediglich mit der Widerstandsanordnung versehen, während sich die Weiteren Arbeitsgänge zur Herstellung der Druckkammern und Druckkanäle auf die unempfindlichen und stabilen Überiastaufnehmer beziehen.

Die Ausdehnung des zweiten Überlastaufnehmers parallel zur Membrane kann vorzugsweise wesentlich

geringer sein als die Ausdehnung des ersten Überlastaufnehmers.

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 Der Verformungskörper, mit dem die Überlastaufnehmer verbunden sind und dessen zentraler Bereich die Membrane bildet, besteht wenigstens teilweise aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, insbesondere n-Ieitendem 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 Oberflächenbereich 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 Druckkammern wirken.

Die als Dehnungsmeßstreifen dienrnden Widerstände an der Oberfläche der Membrane sind mit elekirischen Anschlußleitern versehen, die ebenfalls durch solche Rillen elektrisch isoliert hindurchgeführt sind. Die Widerstände ynd mit der Membrane fest verbunden, so daß deren Krümmung auf die Widerstände übertrafen wird. Sie können zweckmäßig als elektrisch leitende Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers vorzugsweise in der bekannten Planartechnik durch Diffusion ode·. Implantation von Dotierungsstoff hergestellt werden.

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 Überfläche mit einer Schicht aus hochreinem einkristallinem Halbleitermaterial mit geringer Leitfähigkeit versehen wird. Diese Oberflächenschicht wird vorzugsweise durch epitaktische Abscheidung hergestellt. Von diesem Halbleiterkörper wild auf der gegenüberliegenden Fiachseite 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

■i 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 Fiachseite mit einem

ίο 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,

ι' beispielsweise mit einem Silikonlack, geeignet

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des Druckmeßwandlers nach der Erfindung in einem Schnitt schematisch

■" veranschaulicht ist F i g. 2 zeigt diesen Wandler in einer Draufsicht.

in Fig. i sind ein Verformungskörper Tiit 2, dessen als Membrane dienender zentraler Bereich mit 4, die sichtbaren Widerstände einer als Dehnungsmeßstreifen

:· ■ dienenden Widerstandsanordnung mit 6 und 8 und zwei zylindris he Überlastaufnehmer mit 12 bzw. 14 bezeichnet Der Verformungskörper 2 stellt einen zentralen Bereich einer Oberflächenschicht 11 eines Trägerkcrpers 10 dar. Die Überlastaufnehmer weisen unterschieden liehe geometrische Abmessungen auf Uiid sind jeweils auf einer ihrer Flachseiten mit 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

J- ist jeweils durch eine Zwischenschicht 20 bzw. 22 hergestellt. Diese Zwischenschichten können gegebenenfalls auch in den Druckkammern 16 und 18 eine Auskleidung 24 bzw. 26 bilden, an die sich die Membrane 4 im Falle einer elastischen Verformung durch d»n 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

i'i Überlastkörper 12 anlegt. Die Überlastkörper 12 und 14 sind jeweils mit Durckkanälen 28 und 30 bzw. 32 und 34 versehen, die aus Rillen mit einer Tiefe von beispielsweise etwa 5 μπι bestehen, so daß sich rtvt einer Dicke der Verbindungsschichten 20 und 22 von vorzugsweise

·'■ weniger als i μνη, insbesondere etwa 1 μίτι und weniger, eine Gesamttiefe b und c der Rillen 28 und 30 bzw. 32 und 34 von nicht wesentlich mehr als 6 pm ergibt. Der Durchmesser d der Membrane soll beispielsweise etwa 1000μ,η und die Breite ü des Trägerkörpers 10 soll

• beispielsweise etwa 5000 μm betragen. In Verbindung mit einer Dicke a Jer Membrane von beispielsweise etwa 10 — 20 μιτι. insbesondere etwa 15μηι, wird die Tiefe der Druckkammern etwa 5 μιτι gewählt. Dann verhält sirh 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 Druckmeßwandle.rs, 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

2«

21

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 iri Richtung der ο Flachseiten der Verformungskörper 2 und ihre Dicke senkrecht zu 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 κι unterschiedliche geometrische Abmessungen der Überlastaufnehmer 12 und 14. Der Durchmesser des einen Überlnstkörpers, beispielsweise des oberen 12. wird vorzugsweise wesentlich größer als der Durchmesser des anderen gewählt. Der Durchmesser des Überlast- ii körpers 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 μιτι und die Dicke des unteren Überlastkörpers 14 beispielsweise 400 μπι gewählt. Die dem Verformungskörper zugewandten Oberflächen der Überiastkörper 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 and 21, deren Material besonders dünn und gleichmäßig auftragbar sein muß. Ihre Dicke beträgt vorzugsweise nicht wesentlich mehr als 1 μπι 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 π 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, 5» besteht Ferner ist auch ein Spezielkleber, beispielsweise Silikonlack, geeignet.

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.
_ Aus der Draufsicht nach F i g. 2 ist die Anordnung des Überlastkörpers 12 zu entnehmen, der den Verformungskörper 2 im Bereich der Membrane 4 abdeckt. Der Überiastkörper 12 ist an seiner Unterseite mit den Druckkanälen 28 und 30 sowie mit Kanälen 38 und 41 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 Brückenschallung angedeutet ist und von der die Widerstände 6 und 8 von dem Schnitt nach Fig. I erfaßt werden. Der untere Überlastkörper 14 ist ebenfalls mit Druckkanälen versehen, die in der Figur mit 50 bezeichnet sind und gegenüber den in F1 g. 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 Fom, während der Verformungskörper 2 mit den Überlastkörpern 12 und 14 eine Scheibenform hat. Die Anschlußleiter 44 bis 47 können jeweils mit elektrischen Außenleilern verbunden sein, die in der Figur mit 52 bis 55 bezeichnet sind.

Eip.n besondere vorteilhafte Gestaltungsform der Widerstandsanordnung an der Oberfläche dei Membrane 4 besteht aus einer monolithischen Anordnung von 4 Einzelwiderständen, die so angeordnet sind, daß zwei in einer Brückenschaltung einander gegenüberliegende Widerstände jeweils in mehrere Kmzelwiderstände 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 Oberflächcnbereich 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.

In einer bevorzugten Art der Herstellung des Druckmeßwandlers werden mit dem Einbringen der monolithischen Widerstandsanordnung in die Oberfläche der Membrane 4, beispielsweise durch Diffusion, zugleich auch die elektrischen Anschlußleiler 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Miniaturdruckmeßwandler mit einem scheibenförmigen Verformungskörper, der wenigstens zum Teil aus einkristallinem Halbleitermaterial besteht, das in einem als Membrane dienenden zentralen Bereich mit einer Widerstandsanordnung versehen ist, deren Widerstandsänderung als Maß für den Druck dient, und bei dem auf beiden Flachseiten der Membrane jeweils ein Oberlastaufnehmer sowie eine als Druckkammer und Oberlastbelt dienende flache Ausnehmung vorgesehen ist, die mit Druckkanälen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (2) von einem verstärkten Randbereich (10) umgeben ist, und der mit der einen Flachseite des Verformungskörpers (2) verbundene erste Oberlastaufnehmer (12) sich auf dem verstärkten Randbereich (10) des Verformungskörpers (2) abstützt, und daß die Druckkammern {16, 18) als AusDihmung der Überlastaufnehmer (12 bzw. 14) gestaltei sind, und die Druckkanäle (28, 30) als Killen in der Oberfläche der Überlastaufnehmer (12 bzw. 14) ausgebildet sind.

2. Miniaturdruckmeßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des zweiten Überlastaufnehmers (14) parallel zur Membrane (4) wesentlich geringer ist als die Ausdehnung des ersten Überlastaufnehmers (12).

3. Miniaturdruckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit einer Silizium-Membrane (4) mit einer Dicke von etwa 10 bis 20 μίτι und einem Durchmesse·· von et*, a 100. μίτι die Tiefe der Druckkammern (16,18) des Überlastaufnehmers (12 bzw. 14) etwa 5 μπι beträgt.

4. Miniaturdruckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verformungskörper (2) und dem Überlastaufnehmer(12,14) jeweils eine Schmelzverbindung (20,22) vorgesehen ist.

5. Miniaturdruckmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelzverbindung eine Glasschicht (20,22) vorgesehen ist.

6. Miniaturdruckmeßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Glasschichi (20, 22) weniger als 3 μίτι, insbesondere etwa 1 μιη, beträgt.

7. Miniaturdruckmeßwandler 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. Mir.iaturdruckmeßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine .Schmelzverbindung vorgesehen ist, die wenigstens teilweise aus Metal! besteht.

9. Miniaturdruckmeßwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die .Schmelzverbindung aus einem Gold-Silizium-fcutektikum besteht.

10. Miniaturdruckmeßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Verformungskörper (2) und Überiastaufnehmer (12, 14) aus Silizium bestehen.

H. MiniaturdruckmeQwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine monolithische Widerstandsanordnung (6,8) aus einkristallinem Halbleitermaterial in Brückenschaltung vorgesehen ist, deren elektrische Anschlußleiter einen Bestandteil der monolithischen Ausführungsform bilden.

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