DE2951470A1

DE2951470A1 - Akustischer oberflaechenwellen(aofw)- druckfuehler und damit versehenes gebilde

Info

Publication number: DE2951470A1
Application number: DE19792951470
Authority: DE
Inventors: Robert Allen Wagner
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1980-07-03
Also published as: SE7910314L; US4216401A; GB2037987A; JPS55101028A; IT1125928B; AU5379579A; FR2444927A1; CA1122429A; IT7928113A0

Description

United Technologies Corporation
Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Akustischer Oberflächenwellen (AOFW)-Druckfühler und damit versehenes Gebilde

Die Erfindung bezieht sich auf akustische Oberflächenwellen(AOFW)-Fühler, wie beispielsweise Druckfühler, und betrifft insbesondere ein verbessertes AOFW-Druckfühlergebilde.

AOFW-Druckfühler sind beispielsweise aus den US-PSen
3 978 731 und 4 1OO 811 bekannt. Die AOFW-Druckfühler werden hergestellt, indem in eine Fläche eines AOFW-Verzögerungsleitungssubstrats gebohrt wird, um einen inneren zylindrischen Hohlraum in dem Substrat herzustellen, so daß eine verformbare Membran zwischen einer ersten Fläche der AOFW-Verzögerungsleitung und der an der Stirnwand des Hohlraums gebildeten Innenfläche gebildet wird. Wenn eine Belastung auf die Membran ausgeübt wird, beispielsweise durch Beaufschlagen mit einem Fluiddruck, verformt sich die Membran und verursacht eine Änderung in den Schallwellenaus-

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breitungseigenschaften in diesem Teil der die Membran bildenden AOFW-Verzögerungsleitung. Die Änderung der Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit wird mittels einer externen Oszillatorschaltung gemessen, die in einer Mitkopplungsschleife liegt und mit einer ausgewählten Betriebsfrequenz schwingt, die sich infolge von Änderungen in der Ausbreitungsgeschwindigkeit ändert, was alles in den vorgenannten US-Patentschriften ausführlich beschrieben ist.

Das Verfahren des Herstellens der Membran in dem AOFW-Substrat durch Bohren des zentralen Hohlraums unterliegt einer Anzahl von Beschränkungen. Die Empfindlichkeit des Druckfühlers wird, wenigstens zum Teil, durch die Dicke der verformbaren Membran bestimmt und es ist erwünscht, die Membrandicke genau zu kontrollieren. Die Tiefe des Hohlraums ist jedoch während des Bohrvorganges schwierig kontrollierbar. Infolgedessen kann es vorkommen, daß das die Membran bildende Substratmaterial nicht immer mit der optimalen Dicke hergestellt wird. Versuche, dünne Membranen herzustellen, führen häufig zu einem Durchbruch in die erste Fläche des Substrats. Außer dem Kontrollieren der Membrandicke ist es bei empfindlichen Vorrichtungen außerdem wichtig, die Parallelität der Membran aufrechtzuerhalten, was bei dem Bohrvorgang schwierig ist. Das Bohren selbst führt häufig zu Mikrorissen in den Wänden des inneren Hohlraums an dem Umfang der Membran, die in vielen Fällen zu einem Versagen der Vorrichtung geführt haben, weil die Membran bei höheren Betriebsdrücken gerissen ist. Außerdem hat die durch den Hohlraum gebildete Membran eine polierte Fläche, nämlich diejenige AOFW-Substratfläche, die die Verzögerungsleitung enthält, und eine unpolierte, quasigeläppte Fläche, die durch das Ultraschallbohren geschaffen wird und die Möglichkeit eines Empfindlichkeitsverlusts an der Membran schafft, weil sie das Erzeugen von möglicher-

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weise unterschiedlichen Verformungen auf jeder Fläche der Membran gestattet.

Alle diese Schwierigkeiten bei der Herstellung der Membran können überwunden werden, indem ein AOFW-Fühler aus zwei Teilen, d.h. aus zwei Substraten aufgebaut wird, wie es in der vorgenannten US-PS 3 978 731 beschrieben ist. Dort ist angegeben, daß eine gesonderte Membran, die entweder aus einem Metall, einem Dielektrikum oder einem Halbleitermaterial besteht, mit einem Substrat durch Leimen, Löten, Schweißen, Thermokompressionsschweißen oder andere Verbindungstechniken verbunden ist. Das Verbindungsverfahren selbst ist zwar nicht angegeben, es ist jedoch davon auszugehen, daß die angegebenen Verbindungen durch bekannte Techniken geschaffen werden. Jede der genannten Verbindungen führt jedoch bei jedem dadurch hergestellten Doppelsubstratfühler zu begrenzten Betriebseigenschaften. Die Verwendung eines Leims bringt offensichtlich eine Begrenzung der Betriebstemperatur mit sich. Temperaturen, die die Schmelztemperatur nicht übersteigen, aber nahe bei dieser liegen, führen zur Beweglichkeit zwischen der Membran und dem Substrat. Darüber hinaus ist der Leim organisch und stellt in einer Vakuumumgebung, in die der AOFW-Fühler eingeschlossen ist, aufgrund der dem Leim eigenen Entgasungseigenschaft ein schmutziges Element dar. Sowohl unter dem Gesichtspunkt der Betriebstemperatur als auch unter dem Gesichtspunkt der Schaffung einer guten Vakuumumgebung für den AOFW-Fühler ist die Verwendung einer Leimverbindung unbefriedigend. Die anderen aufgeführten Verbindungen, d.h. Lötung, Schweißung oder Thermokompressionsschweißung, beinhalten alle die Verwendung einer Metallisierung zwischen der Membran und dem Substrat. Das mag in den in dieser Patentschrift angegebenen Fällen zwar kein Problem darstellen, da die Membran selbst aus Metall besteht, es führt jedoch zu einem ernsten Problem, weil in einer piezolektrischen

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Membran und in einem piezoelektrischen Substrat Spannungen hervorgerufen werden. Da sich die Metallschweißung an der Membran befindet, führt jede Temperaturwechselbeanspruchung des AOFW-Fühlers zur Erzeugung von Spannungen in der Membran, die eine starke Verschlechterung der Empfindlichkeit der AOFW-Vorrichtung zur Folge haben. Alle angegebenen Bindemittel, sowohl Leim als auch Metall, sind daher zur Schaffung eines AOFW-Fühlers mit einer piezoelektrischen Membran unbefriedigend, obgleich irgendeines der Bindemittel oder sämtliche Bindemittel entweder bei Metallmembranvorrichtüngen oder bei Vorrichtungen mit niedriger Betriebstemperatur benutzt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten AOFW-Druckfühler zu schaffen, der die Beschränkungen und Schwierigkeiten der bekannten Fühler beseitigt. Außerdem soll ein verbessertes AOFW-Druckfühlergebilde geschaffen werden.

Gemäß der Erfindung enthält ein verbesserter AOFW-Druckfühler ein Doppelsubstrat, und zwar ein AOFW-Substrat mit zwei parallelen Hauptflächen, die gleichmäßigen gegenseitigen Abstand voneinander haben und jeweils poliert sind, wobei eine erste Fläche elektroakustische Wandler trägt, die in einem aktiven Signalgebiet angeordnet sind und eine oder mehrere AOFW-Verzögerungsleitungen bilden, und ein mit einem mittigen Loch versehenes Grundsubstrat aus demselben Material, mit dem das AOFW-Substrat an der zweiten Fläche in kristallographischer Orientierung über ein Glaslot oder eine Glasverbindung (glass seal) verbunden ist, wobei das Loch eine Fluidleitung zu demjenigen Teil der zweiten Fläche des AOFW-Substrats bildet, der sich mit dem aktiven Signalgebiet deckt und eine verformbare Membran bildet, die den gleichen Durchmesser wie das aktive Signalgebiet hat. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das mittige Loch des Untersubstrats in Abschnitte ge-

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teilt, damit an einer zweiten Fläche des Untersubstrats eine Lochöffnung mit einem Durchmesser vorhanden ist, der kleiner als der an den durch das Glaslot verbundenen Flächen der beiden Substrate ist, wobei die Öffnung kleineren Durchmessers gestattet, das üntersubstrat vakuumdicht an einer zylindrischen Metallbüchse zu befestigen, deren Durchmesser kleiner als der der Membran und größer als der der Öffnung kleinsten Durchmessers des Loches ist. Die Metallbüchse trägt die beiden Substrate und stellt zwischen diesen und einem vakuumdichten Gehäuse, das den AOFW-Fühler in einer Vakuumumgebung aufnimmt und hält, eine Fluidverbindung her und ihr Ende, das zu dem an dem Substrat befestigten entgegengesetzt ist, ist vakuumdicht in einer in einer Wand des Vakuumgehäuses gebildeten Öffnung befestigt, damit eine Fluidleitung der Fühlermembran externe Drucksignale zuführen kann. In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat die zweite Fläche des Untersubstrats eine O-Ring-Nut, die in Umfangsrichtung in der Fläche um die Öffnung kleinsten Durchmessers des Loches herum gebildet ist, wobei der O-Ring einen Durchmesser hat, der größenordnungsmäßig halb so groß ist, wie der der Membran, und wobei die Metallbüchse eine passende Fläche hat, die in dem o-Ring mit einem Glaslot befestigt ist.

Das Doppelsubstrat des verbesserten AOFW-Druckfühlers gestattet die Herstellung von Dünnfilmmembranen mit exakter Genauigkeit. Das AOFW-Substrat und das Untersubstrat werden einzeln bearbeitet. Das AOFW-Substrat wird durch bekannte Verfahren dünner gemacht und poliert, um ihm jede gewählte Membrandicke zu geben, wobei die sich ergebende Membran auf jeder Seite poliert ist und zwischen den beiden Flächen eine gleichmäßige Dicke oder Parallelität aufweist. Das Untersubstrat wird aus dem gleichen Material oder aus einem Material hergestellt, das dieselben Temperatureigenschaften wie das AOFW-Substrat hat. Das mittige

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Loch, das durch Bohren in bekannter Weise geschaffen wird, gestattet die Bildung eines Loches, das auf seinem Innenumfang im wesentlichen frei von Mikrorissen ist. Die beiden Substrate werden in kristallographischer Orientierung miteinander verbunden, um eine gleiche Wärmeausdehnung in jeder der beiden Achsen zu schaffen und dadurch jede in der Membran von dem Substrat her hervorgerufene Spannung zu beseitigen. Die Verwendung eines glasartigen Glaslots als Verbindungsmittel ergibt eine Verbindung die den gleichen Temperaturkoeffizienten wie das Substratmaterial hat, und sorgt deshalb für ein Minimum an inneren Wärmespannungen, wobei jegliche restliche Spannung, die durch das Glaslot hervorgerufen wird, eine weit geringere Leistungsverschlechterung des Fühlers erzeugt als die, die aus den sich addierenden Beschränkungen der bekannten Fühler resultiert.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer, auseinandergezogener

Darstellung einen AOFW-Druckfühler nach der Erfindung,

Fig. 2 eine vereinfachte Längsschnittansicht einer Ausführungsform eines verbesserten AOFW-Druckfühlergebildes nach der Erfindung,

Fig. 3 eine vereinfachte Längsschnittansicht einer weiteren Form eines verbesserten AOFW-Druckfühlergebildes nach der Erfindung und

Fig. 4 eine Unteransicht des in dem Druckfühlerge- bilde von Fig. 3 enthaltenen AOFW-Fühlers.

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Gemäß Fig. 1 hat der AOFW-Druckfühler zwei Substrate, nämlich ein AOFW-Substrat 12 und ein Grundsubstrat 14. Die Substrate sind eben. Das AOFW-Substrat hat zwei Hauptflächen 16, 18 und das Grundsubstrat hat zwei Hauptflächen 20, 22. Das AOFW-Substrat trägt eine oder mehrere AOFW-Verzögerungsleitungen, die durch Paare von elektroakustischen Wandlern 24, 26 gebildet sind, welche in einem aktiven Signalgebiet 28 auf der Hauptfläche 16 durch bekannte photolithographische und Vakuummetallisierungsverfahren hergestellt worden sind. Die Wandler können jede beliebige Anzahl von bekannten Interdigitalkonfigurationen aufweisen. Die Substrate 12, 14 bestehen aus dem gleichen Material, bei welchem es sich typischerweise um ein piezoelektrisches Material handelt, wie Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat. Von diesen wird meistens Quarz verwendet, weil es am verfügbarsten und am billigsten ist. Stattdessen können die Substrate nichtpiezoelektrisch sein und einen Dünnfilmüberzug aus piezoelektrischem Material, wie Zinkoxid, tragen, der auf die Fläche zwischen den Wandlern und der Hauptfläche 16 aufgebracht ist. In der Ausführungsform von Fig. 1 ist angenommen, daß das Substratmaterial piezoelektrisch ist, so daß die zusätzlichen piezoelektrischen Materialanschlußflecken nicht gezeigt sind.

Die Substrate werden aus Ausgangskristallmaterial geschnitten. Wenn das Substratmaterial Quarz ist, wird jedes Substrat in irgendeiner von mehreren bekannten kristallographischen Orientierungen geschnitten, bespielsweise eine Y-Schnitt- oder eine ST-Schnitt-Wafer (oder -Scheibchen). Bekanntlich hat Quarz einen anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei die (optische) Z-Achse einen Temperaturkoeffizienten hat, der größenordnungsmäßig doppelt so groß ist wie der in der X- oder in der Y-Achse. Für die

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Y-Schnitt-Quarzwafer, bei der es sich um eine mit einer üblichen kristallographischen Orientierung für AOFW-Substrate handelt, liegen die Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Z-und in der X-Achse in der Größenordnung von 14x10 bzw. 7x10~⁶ -~—. Die Quarzwafer tragen Markierun- "^ ^C gen, welche ^⁰¹ die X-Achsenoriotierung, die Achse der Ausbreitung der akustischen Welle durch den Quarz, angeben und die Form von Kerben 32-35 an den Substraten 12, 14 haben können.

Die beiden Substrate für den Fühler 10 werden getrennt hergestellt und durch das im folgenden ausführlich beschriebene Verfahren miteinander verbunden. Die mit einer Säge zugeschnittene Wafer für das AOFW-Substrat wird grobgeläppt und chemisch-mechanisch auf jeder der beiden Flächen 16, 18 poliert, damit sich ein AOFW-Substrat mit einer Abmessung d.. zwischen den Flächen ergibt, die gleich der gewünschten Membrandicke der sich ergebenden Membran ist, welche in dem aktiven Signalgebiet 30 gebildet wird, wie es im folgenden beschrieben ist. Die Einzelbearbeitung des AOFW-Substrats ergibt eine genau kontrollierte Membrandicke in Abhängigkeit von der gewünschten Empfindlichkeit und dem gewünschten Betriebsdruckbereich des Fühlers. Die Kontrolle der Membrandicke ist derjenigen weit überlegen, die bei den bekannten Druckfühlern möglich ist, bei denen sich die Membrandicke durch die Tiefe des gebohrten Hohlraums ergibt.

Das Grundsubstrat 14 wird in gleicher Weise geläppt, um kleine durch das Sägen verursachte Unregelmäßigkeiten auf den Flächen 20, 22 zu beseitigen, wobei diese Flächen aber nicht poliert zu werden brauchen. Vorzugsweise wird die Fläche 20, die mit der Fläche 18 des AOFW-Substrats zusammenpaßt, rauh fertigbearbeitet, um eine größere Haftung der zwischen den beiden Substraten geschaffenen

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Glasverbindung zu gestatten. Die Grundsubstratdicke, d.h. die Abmessung d₂ zwischen den Flächen 20, 22 ist nicht kritisch, für sie wird aber ein Wert gewählt, der ausreicht, um das aktive Signalgebiet des AOFW-Substrats von der Grundsubstratunterfläche zu verlagern, wodurch innere Spannungen in dem Gebiet, die aus einer Temperaturwechselbeanspruchung derjenigen Fläche resultieren, auf der das Grundsubstrat 14 befestigt ist, d.h. der Quelle der zu messenden Drucksignale, beseitigt werden. Typischerweise liegt die Abmessung d₂ in der Größenordnung von 3,05 mm, was für die notwendige Isolierung als ausreichend anzusehen ist.

Das Grundsubstrat hat ein mittig angeordnetes Loch 38, welches einen Fluidverbindungsweg oder eine Fluidleitung durch das Grundsubstrat bildet. Das Loch wird hergestellt, indem die Quarzwafer durch bekannte Verfahren durchbohrt wird. Ultraschallbohren wird bevorzugt. Das Diamantbohren ist zwar schneller als das Ultraschallbohren, das Diamantbohrverfahren hat jedoch den Nachteil, daß es potentielle Mikrorisse in dem Substrat verursacht, und außerdem besteht eine stärkere Tendenz, daß eine Diemantbohrkrone in dem Wafermaterial klemmt, wohingegen das Ultraschallbohren zwar langsamer ist, aber die Gefahr von Mikrorissen minimiert. Während des Ultraschallbohrens ist das Grundsubstrat in ein Kühlmittel eingetaucht, um einen übermäßigen Wärmeaufbau in dem Substrat zu verhindern, und ein Auf schlänunungsgemisch von Hartstoff teilchen, wie Aluminiumoxid, wird in den Ultraschallbohrkopf gepumpt und bildet das Schleifmittel. Diejenige Seite des Substrats, auf der die Bohrkrone austritt, wird auf einem Bohrtisch durch Wachsen der Oberfläche niedergehalten, um eine Bewegung des Substrats und eine Beschädigung der bestehenden Flä che durch ein Durchbrechen der Bohrkrone zu verhindern.

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Der Lochdurchmesser in der mit dem AOFW-Substrat zusammenpassenden Fläche ist gleich dem Durchmesser des aktiven Signalgebietes 30 des AOFW-Substrats. Das Miteinanderverbinden der beiden Substrate derart, daß das Loch und der Umfang des aktiven Signalgebietes in einer Linie sind, erzeugt die verformbare Membran des Fühlers, deren Dicke gleich der Abmessung d.. des AOFW-Substrats ist. Die Substrate werden mit einer Glasverbindung aus einer Glasfritte verbunden. Die Fritte kann entweder eine glasartige Fritte oder eine Fritte des Entglasungstyps sein, was davon abhängt, daß die Glasverschmelzung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten versehen wird, der mit dem des Substratmaterials, d.h. ob dieses piezoelektrisch oder nichtpiezoelektrisch ist, kompatibel ist. Bei piezoelektrischem Substratmaterial, wie Quarz, ist der Frittentemperaturkoeffizient vorzugsweise ein Zwischenwert der anisotropen Temperaturkoeffizienten der Quarzsubstrate in jeder der beiden orthogonalen Achsen. Bei der Herstellung der Glasverbindung wird -die Glasfritte auf die obere Fläche des Grundsubstrats durch bekannte Verfahren aufgebracht, beispielsweise durch Siebdruck, der eine genaue Kontrolle der Frittenüberzugsdicke gestattet. Im Anschluß an das Aufbringen der Fritte wird das Grundsubstrat in Luft bei einer Temperatur in dem Bereich von 200 bis 250 ⁰C während einer Zeitspanne gebrannt, die so gewählt wird, daß die Glasfrittenzusätze, wie Egalisierer, die die Fließeigenschaften der Fritte steuern, und Bindemittel, die die Fritte in Suspension halten, abgebrannt werden können. Die Brennzeit wird durch die Art der Fritte bestimmt und liegt typischerweise in der Größenordnung von dreißig Minuten. Nach diesem Schritt ist die Glasfritte in einem "unabgebundenen" Zustand, d.h. sie ist noch nicht geflossen und die beiden Substrate werden in eine gewichtsbelastete Spannvorrichtung eingesetzt, die die Doppe!anordnung auf-

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nimmt und unter Druckbelastung hält. Nach dem Einsetzen in die Spannvorrichtung sind die Substrate in einer Linie, d.h. durchdeckend angeordnet, damit die kristallographische Orientierung der beiden Substrate, wie sie durch die Kerben 32-35 an den Substraten angegeben ist, und die Lage des aktiven Signalgebietes 30 in gleicher Ausdehnung wie die Lochöffnung in der Fläche 20 des Grundsubstrats sichergestellt sind. Anschließend an dieses Ausrichten der Substrate wird die Spannvorrichtung in eine Temperaturkammer gebracht und die Temperatur wird auf den Schmelzpunkt der Fritte erhöht. In dem Fall eines piezoelektrischen Substratmaterials muß die Temperatur auf einen Wert unterhalb eines Maximalwertes begrenzt werden, oberhalb welchem es zu einem Phasenübergang des piezoelektrischen Materials kommen kann, der eine Verschlechterung der piezoelektrischen Eigenschaften verursachen würde. Für Quarzsubstrate ist der maximale Temperaturwert 550 ⁰C, so daß die gewählte Fritte, sei sie glasartig oder entglasend, eine Schmelzpunkttemperatur unterhalb dieses Wertes haben muß. Eine glasartige Glasfritte, die zur Verwendung mit Glas geeignet ist, hat eine Schmelzpunkttemperatur in der Größenordnung von 425 ⁰C und die Ofentemperatur wird für ungefähr fünfzehn Minuten auf der Schmelzpunkttemperatur gehalten, um der Fritte zu gestatten, zu fließen und die beiden Substrate miteinander zu verbinden. Nach der Brennzeit von 15 Minuten wird dem verbundenen Gebilde gestattet, mit einer Geschwindigkeit von 10 ⁰C pro Minute auf Raumtemperatur abzukühlen.

Die fertige Anordnung aus den beiden miteinander verbundenen Substraten und der auf der Fläche 16 des AOFW-Substrats angeordneten AOFW-Verzögerungsleitung stellt eine vollständige AOFW-Druckfühleranordnung dar. Der Fühler

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kann zwar ohne weiteren Aufbau und ohne Vakuumverkapselung des AOFW-Substrats benutzt werden, die Verwendungszwecke sind jedoch auf Vorrichtungen niedriger Genauigkeit für die Relativdruckmessung begrenzt. Für Verwendungszwecke, in denen der absolute Druck mit hoher Genauigkeit zu messen ist, muß das aktive Signalgebiet der AOFW-Verzögerungsleitung vakuumverkapselt sein, um es gegen Oberflächenverunreinigung zu schützen und um außerdem einen absoluten Bezugsdruckwert null auf einer Seite der Membran zu schaffen. Ein Verfahren zum Herstellen eines vakuumverkapselten AOFW-Druckfühlergebildes wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, gemäß welcher ein AOFW-Druckfühlergebilde 40 den AOFW-Fühler 10 als verkapselte AOFW-Vorrichtung enthält. Der AOFW-Fühler hat zwei Substrate 12, 14, die durch eine Glasverbindung 4 2 miteinander verbunden sind, und eine Membran, von der eine Fläche durch das aktive Signalgebiet 30 gebildet ist, während die zweite Fläche einen Teil 18' der unteren Fläche 18 des AOFW-Substrats aufweist. Das Loch 38 bildet eine Fluidleitung für externe Drucksignale zu der inneren Fläche 18¹ der Membran. Das aktive Signalgebiet 30 und die darin angeordneten Wandlerpaare 24, 26 sind in einer Vakuumumgebung 44 durch ein Gehäuse vakuumverkapselt, das aus einem Distanzstück 4 6 und einem Deckel 48 besteht, die jeweils aus dem gleichen Material wie die Substrate 12, 14 bestehen. Der Deckel 48 und das Distanzstück 46 sind miteinander und mit der Fläche 16 des AOFW-Fühlers vakuumdicht und in einer kristallographischen Orientierung verbunden. Das Distanzstück 46 besteht aus elektrisch nichtleitendem Material und kann direkt über den an den Wandlerpaaren 24, 26 befestigten Leitern angeordnet sein, ohne die Leiter elektrisch zu stören.

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In einem metallverkapselten AOFW-Druckfühler erfordert die elektrische Verbindung mit den Wandlern mehr Aufwand, was in Fig. 3 gezeigt ist. Das Metallvakuumgebilde 50 hat einen Deckelteil 52 zum Einschließen des Fühlers in eine Vakuumkammer 54, die durch vakuumdichtes Verbinden des Deckels 52 mit einem Unterteil 56 hergestellt wird. Der Fühler 10 ist in der Vakuumkammer durch eine zylindrische Metallbüchse 58 abgestützt, wie sie in einer gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin, für die die Priorität der US-Patentanmeldung Serial No. 972 542 vom 22. Dezember 1978 beansprucht worden ist, vorgeschlagen ist. Die Büchse trägt den Fühler in einem Abstand (Höhe h₁) von dem Unterteil 56. Das Gebilde von Fig. 3 stellt eine Verbesserung gegenüber dem vorgenannten Vorschlag dar, da der Doppelsubstratfühler das Bilden eines in Abschnitte geteilten Loches in dem Grundsubstrat 14 und dadurch das Herstellen der Büchse 58 mit dem erwünschten Minimaldurchmesser, der in der Größenordnung der Hälfte des Durchmessers der Membran liegt, gestattet. Gemäß Fig. 3 hat das in Abschnitte geteilte Loch einen ersten Teil 59 mit einem Lochdurchmesser an der Innenfläche 18', der gleich dem gewünschten Durchmesser der Membran ist. Das Loch 59 hat eine Länge L₁ innerhalb des Substrats 14, die so gewählt ist, daß an der Fläche 18¹ ein ausreichendes Volumen vorhanden ist, das die Verteilung der Druckkräfte über die gesamte Membranfläche gestattet. Ein zweiter Teil 59' des in Abschnitte geteilten Loches hat eine öffnung in der Fläche 22 des Grundsubstrats, deren Durchmesser kleiner als die Hälfte des Durchmessers des Loches 59 ist. Infolgedessen kann dem Durchmesser D der Metallbüchse ein Wert gegeben werden, der gleich der Hälfte des Durchmessers der Membran ist, was für die Minimierung der Differenz in der Ausdehnung zwischen der Metallbüchse und dem Substratma-

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terial über der Temperatur der optimale Durchmesser der Büchse ist.

Die Teile 59, 59' des in Abschnitte geteilten Loches werden in dem Grundsubstrat vor dem Verbinden desselben mit dem AOFW-Substrat hergestellt. Jeder Teil wird unter Anwendung derselben Verfahren, die oben für das Loch 38 beschrieben worden sind, hergestellt. Der kleinere Durchmesser des Loches 59' wird zuerst hergestellt und das größere Loch 38, das zu dem kleineren Loch konzentrisch ist, wird dann durch Herstellen einer zylindrischen Senkung der Länge L₁ hergestellt. Die untere Fläche 22 des Grundsubstrats 14 erhält eine O-Ring-Nut zur Aufnahme der Metallbüchse, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, die die untere Fläche des Grundsubstrats 14 (d.h. die Unterseite des Fühlers 10) darstellt. Das Loch 59' kleineren Durchmessers ist mittig in der Fläche 22 angeordnet. Die O-Ring-Nut 60 hat eine Nutbreite, die so gewählt ist, daß sie die Zylinderwand der Büchse 58 aufnehmen kann, wobei die Breite der Nut etwas größer ist als die Zylinderwanddicke, um das Einführen einer Glasfritte in die Nut zu gestatten. Der Nutdurchmesser ist ungefähr gleich der Hälfte des Durchmessers der Membran, die durch den gestrichelten Kreis dargestellt ist, oder gleich der Hälfte des Durchmessers des Loches 59. Die Nut ist in einer Fläche in einem ausgewählten radialen Abstand von der öffnung des Loches 59* angeordnet, um eine Beschädigung des Substrats 14 durch Mikrorisse während der Herstellung der Nut oder infolge einer ungleichen Wärmeausdehnung des Metalls und des Substratmaterials zu verhindern.

Die Metallverbindung zwischen der Metallbüchse und dan Substrat 14 wird in derselben Weise wie die Verbindung 4 2 zwischen den Substraten 12, 14 hergestellt. Im allgemeinen werden die Metallverbindung und die Substratverbindungen gleich-

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zeitig hergestellt. Die gewählte Glasfritte wird sowohl auf die Fläche 20 des Grundsubstrats als auch auf die Innenseite der O-Ring-Nut 60 aufgebracht. Nach dem Brennen des Grundsubstrats in Luft zum Entfernen der Glasfrittenzusätze wird die Kombination aus den beiden Substraten zusammen mit der Metallbüchse zusammengebaut und in eine gewichtsbelastete Spannvorrichtung eingesetzt, die die durch die Büchse ergänzte Anordnung aufnehmen kann. Die Spannvorrichtung hält die drei Teile wieder unter Druckbeaufschlagung in einer Temperaturkammer während des Schmelzens der Glasfritte. Die in dem O-Ring zwischen der Büchse und dem Substrat gebildete Glasverbindung bildet einen Vakuumverschluß für einen ausgedehnten Temperaturbereich, der einem Lötverschluß überlegen ist.

In dem Gebilde von Fig. 3 kann die Büchse 58 auch eine Schulter 64 aufweisen, die eine zweckmäßige Fläche für die Befestigung des Unterteils 56 an dem Vakuumgehäuse bildet. Ebenso hat das Unterteil 56 eine öffnung 66, die eine Fluidverbindung zwischen einer externen Drucksignalquelle und der Innenfläche 18' der Membran über die durch die Büchse gebildete Fluidleitung 68 herstellt. Die elektrischen Verbindungen mit den Wandlerpaaren 24, 26 werden über elektrische Leiter 69 hergestellt, indem die Leiter durch die Wand des Unterteils 56 mit Durchführungsisolatoren 70 hindurchgeführt werden. Außerdem kann ein Massedraht 71 an dem Unterteil 56 vorgesehen sein, der bei Bedarf einen Signalrückkehrweg bildet, um die Anzahl der erforderlichen Durchführungsisolatoren zu verringern. Ein Abquetschröhrchen 72 in dem Deckel 52 gestattet das Evakuieren der Kammer 54 im Anschluß an das Fertigstellen des Gebildes. Das Röhrchen wird durch einen Lötverschluß 74 vakuumdicht verschlossen.

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Der verbesserte Druckfühler und die für diesen vorgesehenen Vakuumverkapselungsgebllde nach der Erfindung bringen eine beträchtliche Anzahl von Vorteilen gegenüber den bekannten Fühlern und Gebilden mit sich. Der Doppelsubstratfühler gestattet das Herstellen der verformbaren Membran ohne die eingangs beschriebenen Probleme, was das Herstellen einer Membran mit eng kontrollierter Membrandicke und Gleichmäßigkeit, d.h. Parallelität zwischen den beiden Membranflächen gestattet. Die Verkapselung des verbesserten Fühlers mit dem Vakuumgehäuse, das aus dem gleichen Substratmaterial besteht, ergibt ein zuverlässigeres Gebilde als im Stand der Technik aufgrund der höheren Genauigkeit der Herstellung des Druckfühlers. Außerdem wird die Verbesserung der Vakuumverkapselung des Fühlers in einem Metallbechergehäuse durch einen Metallbüchsenisolator ermöglicht, der den optimalen Durchmesser hat, welcher gleich der Hälfte des Durchmessers der Membran ist, um die Wärmeausdehnungsdifferenz und dadurch die in der Membran infolge einer Temperaturwechselbeanspruchung des Metallgehäuses selbst hervorgerufenen thermischen Spannungen zu minimieren.

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Claims

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut O61O1, V.St.A.

Patentansprüche :

,1.' Akustischer Oberflächenwellen(AOFW)-Druckfühler, gekennzeichnet durch eine AOFW-Verzögerungsleitung mit elektroakustischen Wandlern (24, 26), die in einem aktiven Signalgebiet (30) einer ersten Hauptfläche (16) eines piezoelektrischen AOFW-Dünnfilmsubstrats (12) angeordnet sind, dessen zweite parallele Hauptfläche (18) in einem ersten Abstand (d₁) angeordnet ist und das in kristallographischer Orientierung durch eine Glasverbindung mit einem mit einem mittigen Loch (38) versehenen Grundsubstrat (14) aus einem Material, das die gleichen thermischen Eigenschaften hat, verbunden ist.
2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittige Loch (38) des Grundsubstrats (14) konzentrisch in einer Linie mit dem aktiven Signalgebiet (30) des AOFW-Substrats (12) angeordnet ist und eine Leitung zur Fluid- verbindung von externen Drucksignalen mit dem aktiven Si-

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gnalgebiet bildet/ und daß das aktive Signalgebiet des AOFW-Substrats eine Membran bildet, deren Dicke (d-) gleich dem ersten Abstand ist und die durch an sie angelegte externe Drucksignale verformbar ist.
3. Akustisches Oberflächenwellen (AOFW)-Druckfühlergebilde mit einem AOFW-Druckfühler mit einer in einem Substrat desselben gebildeten verformbaren Membran, mit einem vakuumdichten Gehäuse zur Aufnahme des AOFW-Fühlers in einer Vakuumumgebung und mit einer zylindrischen Metallbüchse zum Abstützen des AOFW-Fühlers in dem Vakuumgehäuse und mit einem mittigen Loch zum Herstellen einer Fluidverbindung zwischen der AOFW-Fühlermembran und einer in der Wand des Vakuumgehäuses gebildeten öffnung, gekennzeichnet durch einen AOFW-Druckfühler mit zwei piezoelektrischen Substraten, nämlich einem AOFW-Substrat (12), auf welchem in einem aktiven Signalgebiet auf einer ersten von zwei parallelen Hauptflächen desselben elektroakustische Wandler (24, 26) angeordnet sind und welches in kristallographischer Orientierung durch eine Glasverbindung über eine zweite der beiden parallelen Hauptflächen mit einer passenden Fläche eines mit einem mittigen Loch (59, 59') versehenen Grundsubstrats (14) verbunden ist, dessen mittiges Loch einen Hauptdurchmesser, der gleich dem des aktiven Signalgebietes ist, in der passenden Fläche hat, sowie einen kleinen Durchmesser, der gleich der Hälfte des Hauptdurchmessers ist, in einer zweiten Fläche (22) des Grundsubstrats hat, wobei die zweite Fläche des Grundsubstrats weiter eine kreisförmige Nut (60) aufweist, die das Loch (59') kleinen Durchmessers umgibt und eine Metallbüchse (58) mit einer passenden Fläche berührt, wobei die zweite Fläche des Grundsubstrats mit der Metallbüchse durch eine Glasverbindung längs der mit ihr zusammenpassenden Fläche verbunden ist.

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