DE69807319T2 - Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer kapazitiver Druckmesswandler aus Glas - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Druckwandler und insbesondere einen Prozeß zur Herstellung von Glasdruckkapazitätswandlern in Chargen.
• Bernot beschreibt in dem eigenen US-Patent Nr. 5,189,591 einen Aluminosilikat-Glasdrucksensor und ein Verfahren zur Herstellung jeweils eines derartigen Sensors. Bei der Herstellung derartiger Sensoren könnten natürlich Kostenersparnisse erzielt werden, wenn sie in Chargen hergestellt werden könnten. Awtrey beschreibt im US-Patent Nr. 5,317,919 ein Verfahren zur chargenmäßigen Herstellung von Glassensoren. Bei diesem Verfahren werden die leitenden Beschichtungen durch fotolithographische und Ätztechniken definiert.
• Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf an einem neuen verbesserten Verfahren zur Herstellung derartiger Glassensoren in Chargen.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Glassensoren in Chargen.
• Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem mit einem Verfahren, das die folgenden Schritte beinhaltet. Ritzen von Glasplatten. Sputtern eines Elektrodenmusters auf die Platten, gefolgt vom Siebdruck einer Glasfritte und Überkreuzungsfahnen darauf. Die Platten werden vorglasiert und aneinander geklebt, um mehrere Sensoren zu bilden. Die Platten werden dann entlang der Ritze gebrochen, um einzelne Sensoren zu bilden.
• Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bei Lektüre in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen spezifisch dargelegt oder gehen daraus hervor.
• Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Glasdruckwandler, der durch den von der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogenen Chargenprozeß hergestellt ist.
• Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Druckwandlers von Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Glasbeschleunigungsmessers.
• Fig. 4 ist ein Flußdiagramm des von der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogenen Chargenprozesses.
• Fig. 5 zeigt die zur Herstellung eines Druckwandlers von Fig. 1 verwendeten Komponenten, wobei der von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogene Prozeß verwendet wird.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Aus Bernot, US-Patent Nr. 5,189,591, das am 23. Februar 1993 an AlliedSignal Inc. erteilt wurde, ist ein aus Aluminosilikatglas hergestellter kapazitiver Druckwandler bekannt.
• Ein von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogener Glasdruckwandler 10 ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Der Wandler oder Sensor 10 enthält eine obere Membran 12 und eine untere Membran 14, hergestellt aus einem Glas, bevorzugt Aluminosilikatglas wie etwa Corning #1723 oder #1737F. Auf den äußeren Flächen der Membranen 12 und 14 sind Masseabschirmungen 18 und 24 abgeschieden. Elektroden 20 und 22 sind in den inneren Flächen der Membranen 12 und 14 abgeschieden. Eine Überkreuzungsmetallfahne 26, die bevorzugt aus Silber hergestellt ist, wirkt wie ein Leiter von der Elektrode 20 zu einer oberen Elektrodenleitung 21. Die Überkreuzungsfahne 26 kann aber auch aus anderen Metallen wie etwa Palladium oder Gold hergestellt werden. Die Elektrode 22 ist mit einer unteren Elektrodenleitung 23 verbunden. Eine Masseleitung 25 kann ebenfalls hinzugefügt werden. Die Leitungen 21, 23 und 25 sind bevorzugt aus Platin hergestellt. Nicht gezeigte Drähte sind an diese Leitungen angekoppelt. Die Elektroden 20 und 22 können eine runde oder quadratische Geometrie aufweisen, und außerdem können sie auch einen Referenzkondensator besitzen. Die Masseabschirmungen 18, 24 und die Elektroden 20, 22 sind aus einem Edelmetall hergestellt, bevorzugt Platin.
• Die Membranen 12 und 14 werden aneinander geklebt, so daß, die Elektroden 20 und 22 einen Kondensator bilden. Die Verklebung wird durch eine Hydratverbindung oder durch Glasfritten hergestellt. Das Frittenglas 30 wirkt wie ein Abstandshalter zwischen den Membranen 12 und 14 und außerdem als Abdichtung zur Ausbildung eines Hohlraums 32 zwischen den Membranen. Der Hohlraum 32 kann evakuiert werden, um entweder ein Vakuum oder einen anderen Referenzdruck zu bilden.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann aus dem Druckwandler 10 ein dreiteiliger Glasbeschleunigungsmesser 40 ausgebildet werden, indem ein Glas, bevorzugt Aluminiumsilikat, einer seismischen Masse 42 zwischen der oberen und unteren Membran 12, 14 montiert wird. Die seismische Masse 42 weist eine Elektrode 44 in gegenüberliegender Beziehung zur Elektrode 20 und eine Elektrode 46 in gegenüberliegender Beziehung zur Elektrode 22 auf. Die seismische Masse 42 ist durch eine Fritte 48 so an die Membranen 12, 14 geklebt, daß ein Hohlraum 49 gebildet wird.
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 können der Glasdruckwandler 10 oder der Beschleunigungsmesser 40 und weitere diesen ähnliche Wandler und Beschleunigungsmesser wie folgt kosteneffektiv in Chargen hergestellt werden. Der Prozeß beginnt mit einer Platte aus unbeschichtetem Glas wie etwa Aluminosilikatglas Corning 1737F. Die Dicke des Glases wird auf der Grundlage des Sensordruckbereichs ausgewählt. So wäre beispielsweise für einen Sensor von 1,4 Bar (20 psi) die Dicke 0,5 mm. Die Glasplatte wird im Schritt S0 geritzt und im Schritt S2 in 15,2 · 15,2 cm (6 · 6 Zoll) große quadratische Platten oder bevorzugt 14,6 · 14,6 cm (5 3/4 · 5 3/4 Zoll) große Platten geschnitten oder gebrochen. Falls gewünscht kann der im '591-Patent gezeigte beabstandete Hohlraum in das Glas geätzt werden. Jede Platte wird dann einem Reinigungsprozeß unterzogen, wozu beispielsweise das Waschen in einem Spin-Rinser-Dryer und die Ozonreinigung über etwa sechzig Minuten zählen, Schritte 54 und 56.
• Zur Ausbildung der Membranen 12 wird die Blendenmaske 100 auf der Glasplatte 102 fixiert, und die Blendenmaske 104 wird auf der Unterseite der Platte 102 fixiert. Je nach der Art der verwendeten Sputtermaschine kann auf jede Seite der Platten 102, 114 entweder getrennt gesputtert werden, oder es kann gleichzeitig auf beide gesputtert werden. Bei getrenntem Sputtern wird die Platte zwischen den Sputtervorgängen mit Ozon gereinigt. Für die Membranen 14 wird die Blendenmaske 116 am Boden der Glasplatte 114 und die Blendenmaske 112 auf der Oberseite der Platte 114 fixiert. Die Platten 102, 114 werden mit ihren jeweiligen Masken in eine herkömmliche Sputtermaschine eingeführt, Schritt 60, wo sie 5-10 Minuten lang vorgeätzt wird. Das Muster in der Maske 100 wird auf die Platte 102 gesputtert, wodurch Masseabschirmungen 18 gebildet werden, und das Muster auf der Maske 104 bildet Elektroden 20. Analog wird das Muster in der Maske 116 auf den Boden der Platte 114 gesputtert, damit Masseabschirmungen 24 gebildet werden, und die Maske 112 Elektroden 22. Das bevorzugte Sputtergas ist Argon. Die Muster werden dann bis zu einer Dicke von 750-1000 Anström abgeschieden, wobei 1000 Angström bevorzugt werden. Die Abscheidungen erfolgen mit einem Sauerstoffpartialdruck. Bei der Abscheidung können alternative Verfahren und Materialien verwendet werden, wie etwa Elektronenstrahl, Ionenstrahl oder metall- organische Verbindungen. Zwecks einer größeren Ausbeute kann wahlweise ein Siliziumdioxidisolator 110 bis zu einer Dicke von 1000 Angström auf die Elektroden 22 gesputtert werden.
• Nach einem Untersuchungsschritt 64 besteht der nächste Schritt 66 im Auftrag des Glasfrittensiebes auf die untere Fläche der Platte 102. Die Glasfritte 106 wird so gewählt, daß sie zum Glas paßt. Für Corning 1737 kann man die Glasfritte Corning 7574 oder Semcom SCB1 verwenden. Die Glasfritte 106 wird durch eine herkömmliche Siebdruckvorrichtung aufgetragen und weist bevorzugt eine Maschengröße von 325 oder darüber auf. Obwohl die Maschengröße je nach dem Druckbereich des Sensors variieren kann. Weitere mögliche Maschengrößen sind 200 oder 250. Die Überkreuzungsmetallfahnen 108 werden ebenfalls mit einer Maschengröße, die genausogroß ist wie bei der Glasfritte, auf die obere Fläche der Platte 114 siebgedruckt.
• Nach dem Sieben ist es wichtig, daß die siebgedruckte Fritte (nicht die Überkreuzungsfahne) sich setzen kann, so daß sich Höcker und kleine Hohlräume verteilen und ausglätten. Dieser Schritt 68 wird bewerkstelligt, indem man die Fritte sich etwa 30 Minuten lang setzen läßt, bevor die Fritte bei 150ºC getrocknet wird, Schritt 70. Die gefrittete Platte wird dann auf eine flache optische Quarzplatte übertragen und dann geringfügig von Hand geläppt, Schritt 72, mit einer 5 Mikrometer-Oberflächenschleifbehandlung für einige wenige Sekunden, um hohe Punkte auf der getrockneten Fritte zu entfernen, und dann wird sie mit einem flusenfreien Tuch saubergewischt. Die Platte 114 mit den Überkreuzungsfahnen aus Silber wird dann ebenfalls saubergewischt. Beide Platten 102, 114 werden dann in einem Ofen vorglasiert, Schritt 74. Folgendes ist ein typisches Vorglasierprofil: Erwärmung von 25 Grad C (Raumtemperatur) bis 570 Grad C über eine Stunde; Halten bei konstanten 570 Grad C für etwa 45 Minuten; Erwärmen auf 640 Grad C über etwa 30 Minuten; Halten bei konstanten 640 Grad C für etwa 30 Minuten, Abschalten der Heizgeräte im Ofen und Abkühlenlassen.
• Es werden wahlweise wieder hohe Punkte auf der Fritte durch Läppen von Hand über eine geschliffene, optisch flache Fläche für einige wenige Sekunden entfernt.
• Unter Verwendung einer Haltevorrichtung mit Inconel- Klips bei einem Druck von etwa 0,21 Bar (3 psi) pro Klip wird in Schritt 76 die Platte 114 an der Platte 102 fixiert, wobei die Fritte den Silberfahnen zugewandt ist. Nach ordnungsgemäßer Ausrichtung wird die Haltevorrichtung zu einem Vakuumofen transportiert. In Schritt 78 wird zur Bildung eines Vakuums (Druck unter 100 Millitorr) der Ofen evakuiert. Die Platten werden dann unter Erwärmung von Raumtemperatur auf etwa 600 Grad C über einen Zeitraum von 60 plus oder minus 10 Minuten zusammengeschmolzen. Halten bei 600 Grad C für etwa 15 plus oder minus 1 Minute. Erwärmen auf etwa 680 Grad C über 15 plus oder minus 1 Minute. Halten bei 680 Grad C für etwa 45 plus oder minus 1 Minute. Abschalten der Heizvorrichtungen und Abkühlenlassen. Bei 400 Grad C oder darunter wird der Ofen zur Atmosphäre geöffnet. Alle in dem Prozeß angeführten Temperaturen können um plus oder minus 50 Grad C variieren.
• Entfernen der Haltevorrichtung und Untersuchen der Frittenverschmelzung 80. Wahlweise wird ein Druckwechseltest 82 durchgeführt. Anordnen der Haltevorrichtung in einer Druckkammer und Wechseln auf über den Betriebsdruck des Sensors, wobei eine Druckhysterese entfernt wird.
• In Schritt 84 werden die verklebten Platten geritzt und zu einem Bruchtisch übertragen und entlang der Ritzen gebrochen, um mehrere Sensoren zu bilden. Nach einer Sichtuntersuchung 86 werden die Sensoren auf einer Druckgehäusebasis montiert, Schritt 88.
• Der Fachmann erkennt zahlreiche Modifikationen und Änderungen an der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform. Diese Beschreibung der Erfindung sollte deshalb als beispielhaft angesehen werden und nicht als den Schutzbereich der Erfindung wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt begrenzend.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Glasdruckkapazitätswandlern in Chargen, mit den folgenden Schritten:

(a) Ritzen einer ersten und zweiten Platte aus unbeschichtetem Glas;

(b) Reinigen der ersten und zweiten Platte;

(c) Fixieren einer ersten Blendenmaske mit einem Elektrodenmuster auf einer ersten Seite der ersten Platte;

(d) Fixieren einer zweiten Blendenmaske mit dem Elektrodenmuster auf einer ersten Seite der zweiten Platte;

(e) Sputtern des Elektrodenmusters auf die erste Seite der ersten und zweiten Platte;

(f) Entfernen der ersten und zweiten Blendenmaske;

(g) Siebdrucken einer Glasfritte auf die erste Seite der ersten Platte;

(h) Siebdrucken von Überkreuzungsfahnen auf die erste Seite der zweiten Platte;

(i) Vorglasieren der ersten und zweiten Platte;

(j) Fixieren der ersten und zweiten Platte aneinander, so daß sich die jeweiligen ersten Seiten berühren;

(k) Abdichten und Kleben der ersten und zweiten Platte aneinander, um mehrere Sensoren zu bilden; und

(l) Ritzen und Brechen der verklebten Platten entlang der Ritzen, um mehrere Sensoren zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit den folgenden Schritten:

Fixieren einer dritten Blendenmaske mit einem Masseabschirmungsmuster an einer zweiten Seite der ersten Platte;

Fixieren einer vierten Blendenmaske mit dem Masseabschirmungsmuster an einer zweiten Seite der zweiten Platte;

Sputtern des Masseabschirmungsmusters auf die zweite Seite der ersten und zweiten Platte; und Entfernen der dritten und vierten Blendenmaske.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Sputterschritte einen Vorsputter-Ätzschritt beinhalten.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Reinigungsschritt das Ultraschallreinigen, Waschen und Ozonreinigen beinhaltet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Absetzenlassens der Fritte nach Schritt (g).

6. Verfahren nach Anspruch 5, weiterhin mit den Schritten des Trocknens und Läppens der Fritte von Hand nach dem Absetzen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Aufsputterns eines Siliziumdioxidisolators auf eine der ersten Seiten nach Schritt (f).

8. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin mit dem Schritt des Montierens eines einzelnen Sensors auf einer Gehäusebasis nach Schritt (l).

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (k) den Schritt des Erwärmens der Platten in einem Vakuum beinhaltet.

10. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin mit dem Schritt des Schickens der Platten durch einen Druckwechseltest nach Schritt (k).