CS256798B1

CS256798B1 - Semiconductor pressure pick-up

Info

Publication number: CS256798B1
Application number: CS866949A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Machala; Josef Cihak
Original assignee: Frantisek Machala; Josef Cihak
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1986-09-26
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS694986A1

Abstract

Podetata navrženého řešení spočívá v tom, že funkční křemíková membrána je překrytá ochrannou folií ve tvaru kruhové membrány, která je pevně spojena s povrchem funkční křemíkové membrány přímo nebo pomooí tmelu. Tmelem je vyplněn prostor mezi funkční křemíkovou membránou a ochrannou folií po celé ploše nebo po obvodě funkční křemíkové membrány v místě jejího qpevnění na základnu. Okraj ochranné folie je zatmelen mezi vybrání tělesa a základnu.The idea behind the proposed solution lies in that the functional silicon membrane is covered with a protective film in a circular shape a membrane that is firmly attached to the surface of a functional silicon membrane directly or sealant. It is filled with putty space between the functional silicon membrane and a protective film over or over the surface the periphery of the functional silicon membrane in place its attachment to the base. Fringe the protective foil is sealed between the recesses body and base.

Description

Vynález se týká polovodičového snímače tlaku určeného především pro přímá měření tlaků v lékařství, průmyslu a laboratoří ch, zejména v prostředí se zvýšeným mechanickým znečištěním.The present invention relates to a semiconductor pressure transducer intended primarily for direct pressure measurements in medicine, industry and laboratories, particularly in environments with increased mechanical contamination.

V současné době se polovodičové snímače tlaku a vetknutou kruhovou křemíkovou membránou vyrábí » hlediska přenosu tlaku ve dvou základních provedení ch. Tlak může být přiváděn buá přímo na zadní střená fUnkční křemíkové membrány S aktivními prvky, nebo na křemíkovou membránu ze strany aktivních prvků, t.j. odporů a kontaktů pomocí olejové náplně přes pružnou kovovou oddělovací membránu. Obě provedení mají nevýhodu v tom, že při měření tlaků v prostředí se zvýšeným mechanickým znečištěním ae usazují nečistoty na povrchu membrány, což značně snižuje jejich funkční použitelnost a životnost. Čištění funkčních ploch těchto membrán není možné z důvodu vysokého rizika Zničení funkční křemíkové membrány.At present, semiconductor pressure transducers and fixed silicon diaphragm are manufactured in two basic versions. The pressure can be applied either directly to the rear-facing active silicon diaphragm membranes or to the silicon diaphragm from the active elements, i.e. resistors and contacts via an oil charge through a flexible metal separating membrane. Both embodiments have the disadvantage that when measuring pressures in an environment with increased mechanical contamination and that dirt deposits on the membrane surface, this greatly reduces their functionality and service life. Cleaning the functional surfaces of these membranes is not possible due to the high risk of destruction of a functional silicon membrane.

Při měření tlaků nebo posuvu hornin pro důlní nebo geologické účely, včetně modelových měření, dochází často vlivem ostrohremmých zrníček horniny k narušování povrchů funkční křemíkové membrány tlakového čidla. Rovněž často dochází k dokonalé adhezi měřeného kontaktního materiálu s funkční křemíkovou membránou tak, že pO měření je Zcela znemožněno vyjmutí a oddělení čidla bez zničení funkční membrány. Tím se tlakové čidlo po jedné aplikaci zcela znehodnotí. ' ‘When measuring rock pressures or displacements for mining or geological purposes, including model measurements, the surface of the functional silicon diaphragm of the pressure sensor often disturbs due to sharp-grained rock grains. Also, perfect adhesion of the measured contact material to the functional silicon membrane often occurs, such that removing and detaching the sensor without destroying the functional membrane is completely prevented after measurement. This completely depreciates the pressure sensor after one application. '‘

V průmyslu jsou polovodičové snímače tlaku využívány např. při měřeni tlaků v potrubích nebo tlakových nádobách, přičemž jsou převážně upevňovány přímo do stěny potrubí nebo tlakové nádoby tak, aby rovina membrány byla totožná s vnitřní plochou potrubí nebo tlakové nádoby. V lékařství je využíváno polovodičových snímačů tlaků pří měření mozkOmíěních tlaků přímou cestou nebo při měření tlaků respiračních plynů. V těchto případech bývá zpravidla 256798In industry, semiconductor pressure sensors are used, for example, to measure pressures in pipelines or pressure vessels, and are mainly mounted directly into the wall of the pipeline or pressure vessel so that the diaphragm plane is identical to the inner surface of the pipeline or pressure vessel. In medicine, semiconductor pressure transducers are used to measure brain pressure control directly or to measure respiratory gas pressures. In these cases it is usually 256798

- 2 využíváno kovových membrán zhotovených z kvalitních, pružných, vysoce legovaných nerez ocelí, které jsou v přímém kontaktu a měřeným prostředím, např. technickým plynem, proudící kapalinou, v případě lékařství s epidúrální blánou nebo proudícími výdechovými plyny. Měřený tlak deformující membránu je měřen pomocí tenzometrických nebo kapacitních e induktivních převodníků, umístěných za kovovou membránu. J3e~li o prostředí s dostatečnou čistotou bez působení mechanického charakteru, ncpř. koloidní částečky, působení vysoce vizkozních kapalin, jsou používány křemíkové membrány s difuznínri tenzometry, které jsou v přímém kontaktu s měřeným prostředím. Pro případ měření.mozkomíšních tlaků je přímý mechanický kontakt křemíkové membrány a epidúrální blány vyloučen z bezpečnostních důvodů. Proto jsou v technické praxi používány i propojovací redukce s trubičkami a hydraulickým přenosem tlaku.- 2 used metal membranes made of high-quality, flexible, high-alloy stainless steels which are in direct contact with the measured environment, eg technical gas, flowing liquid, in the case of medicine with epidural membrane or flowing exhalation gases. The measured membrane-deforming pressure is measured using strain-gauge or capacitive e-inductive transducers located downstream of the metal membrane. If the environment is of sufficient purity without mechanical action, eg. colloidal particles, under the action of highly viscous liquids, are used silicon membranes with diffusive strain gauges that are in direct contact with the measured environment. For the case of the measurement of intermittent pressures, direct mechanical contact between the silicon membrane and the epidural membrane is excluded for safety reasons. Therefore, in the technical practice also connection reducers with tubes and hydraulic pressure transfer are used.

V lékařská praxi je používáno specielních katetrů vyplněných vhodným roztokem nebo katetrů uzavřených membránou.In medical practice, special catheters filled with a suitable solution or membrane-enclosed catheters are used.

Nevýhodou dosud používaných polovodičových snímačů s kovovou přestupní membránou je větSí tepelná dilatace olejové náplně, tuhnutí oleje pří záporných teplotách a přídavná hystereze kovové oddělovací membrány, které se výrazně uplatňuje při měření tlaků poď 100 kPa. Snímače tohoto typu jsou málo odolné proti pádům a vibracím. Technologie výroby je velmi složitá a lze jen obtížně docílit rozměrové miniaturizace i hmotnostní minimalizace. Přímý přenos tlaku na křemíkovou membránu má malou odolnost proti náhodné destrukci a tato čidla snadno podléhají působení přímých mechanických vlivů. Tím je snížena spolehlivost i bezpečnost měření,The disadvantages of the semiconductor sensors with metal transfer diaphragm used hitherto are the greater thermal expansion of the oil charge, oil solidification at negative temperatures and the additional hysteresis of the metal separating membrane, which is significantly applied in the measurement of pressures up to 100 kPa. Sensors of this type are not resistant to falls and vibrations. Production technology is very complex and it is difficult to achieve dimensional miniaturization and mass minimization. Direct pressure transfer to the silicon diaphragm has little resistance to accidental destruction and these sensors are easily exposed to direct mechanical influences. This reduces measurement reliability and safety,

Což je často nepřípustné, zvláště při měření v lékařství. Oddělení pomocí redukcí, trubiček, katetrů s různými médii nebo oddělovacích membrán s olejovou náplní vždy zhoršuje základní vlastnosti snímačů, měření je zatíženo častými artefakty a reprbdukovatelnóst výsledků bývá často problematická.This is often unacceptable, especially when measured in medicine. Separation using reducers, tubes, catheters with different media or separating membranes with oil filling always worsens the basic properties of the sensors, measurement is burdened by frequent artifacts and the reproducibility of results is often problematic.

Pro řadu závažných aplikací lze převážnou část výše uvedených nedostatků odstranit polovodičovým snímačem tlaku podle vynálezu,For a number of serious applications, the bulk of the above drawbacks can be overcome by the semiconductor pressure sensor of the invention,

- jehož podstata spočívá v tom, že funkční křemíková membrána je překryta ochrannou fólií ve tvaru kruhové membrány, která je pevně spojena s povrchem funkční křemíkové membrány přímo, nebo pomoci tmelu. Tmelem je vyplněn prostor mezi fUnkční křemíkovou membránou a ochrannou fólií po celé ploše nebo pó obvodě funkční křemíkové membrány v místě jejího upevněnína základnu. Okraj ochranné fólie může být zatmělen mezi vybrání tělesa a Základnu.- which is based on the fact that the functional silicon membrane is covered by a protective film in the form of a circular membrane which is firmly connected to the surface of the functional silicon membrane directly or by means of a sealant. The filler is filled with the space between the functional silicon membrane and the protective film over the entire surface or the periphery of the functional silicon membrane at the point of attachment to the base. The edge of the protective film may be darkened between the body recess and the base.

- 3 Ochranná fólie může být tvořena nepř. vrstvou korozi odolného kovu, např. chrómu, titanu, niklu, zlata, nerez oceli nebo vrstvou syntetického materiálu, teflonu, PVC, silikonu, umakrylu, polystyrénu, polyethylenu a pod. Způsob upevněni ochranné membrány může umožnit buň její výměnu, nebo stálé neměnné připevnění. Možnost výměny ochranné membrány může být úspěšně řešena pomocí snímatelných adhesních ochranných fólií s plošným nebo Obvodovým připevněním. Stálé ochranné fólie mohou být vytvořeny např. napraδ ováním, elektrochemickým vylučováním, nanesením a vytvrzením lakové vrstvy nebo tmelením.- 3 The protective foil may consist of non- a layer of corrosion resistant metal such as chromium, titanium, nickel, gold, stainless steel or a layer of synthetic material, teflon, PVC, silicone, umacryl, polystyrene, polyethylene and the like. The method of attachment of the protective membrane may allow the cell to be replaced, or to be permanently fixed. The possibility of replacing the protective membrane can be successfully solved by means of removable adhesive protective films with flat or perimeter fastening. Permanent protective films can be formed, for example, by sputtering, electrochemical deposition, coating and curing of the lacquer layer, or by sealing.

Přednostní polovodičového snímače tlaku s ochrannou fólií podle vynálezu je zvýšení mechanické odolnosti, funkční bezpečnosJ ti a možnosti příméhď mechanického kontaktu i se značně znečištěným nebo agresivním měřeným prostředím, přičemž je docíleno velmi dobrých elektrických vlastností těchto snímačů, přesnosti fUnkcí a kvalitního dynamického přenosu. Dále je dosaženo vysoké korozní odolnosti, dobré linearity, tepelné i časové stability, odolnosti proti chvění a rázům, hmotnostní á rozměrové minimalizace, využívající předností progresivní modifikované technologie výroby integrovaných obvodů.A preferred semiconductor pressure transducer with a protective film according to the invention is an increase in mechanical resistance, functional safety and the possibility of direct mechanical contact even with heavily contaminated or aggressive measured environments, while achieving very good electrical properties of these transducers, accuracy of functions and good dynamic transmission. Furthermore, high corrosion resistance, good linearity, thermal and time stability, vibration and shock resistance, mass and dimensional minimization, using the advantages of progressive modified integrated circuit technology are achieved.

Při lékařských aplikacích, např. při kontaktním měření tlaku epldUrální blány v mozkomíšním prostoru, je dosaženo zvýšení provozní mechanické bezpečnosti snímače tlaku ták, že např. při případné destrukci křemíkové membrány při zavádění snímače nedojde k vysypání křemíkových zbytků z membrány do mozkomíšního prostoru.In medical applications, for example by contact pressure measurement of the epidural membrane in the cerebrospinal space, an increase in the operational mechanical safety of the pressure transducer is achieved so that, for example, the silicon diaphragm upon destruction will not spill silicon debris from the diaphragm into the cerebrospinal space.

Při používání polovodičového snímače tlaku s ochrannou fólií , podle vynálezu pro geologická měření materiálů s ostrohrennými zrny dojde k rozložení bodových tlaků, např. křemenných zrn, na plošný tlak, čímž se uchrání funkční křemíková membrána proti mechanickému poškození a zničení.When using a semiconductor pressure sensor with a protective film, according to the invention for geological measurements of sharp-edged grain materials, the point pressures, eg quartz grains, are distributed over the surface pressure, thereby protecting the functional silicon membrane against mechanical damage and destruction.

Při použití polovodičových snímačů tláku se snímatelnou ochrannou fólií podle vynálezu tvořenou nápř. několiksmikronovou vrstvou vytvrzeného umákryloyého laku, na kontaktní měření objemových změn cementových směsí, umožní ochranná fólie po měření následné oddělení cementové směsi od křehké funkční křemíkové membrány bez jejího poškození nebo destrukce a opětné funkční použití tohoto snímače tlaku.When using semiconductor pressure sensors with a removable protective film according to the invention, e.g. A multi-micron coating of cured acrylic lacquer, for contact measurement of volume changes in cementitious compositions, the protective film, after measurement, allows subsequent separation of the cementitious composition from the brittle functional silicon membrane without damage or destruction and reuse of the pressure sensor.

- 4 Na připojených výkresech je znázorněno příkladné provedení polovodičového snímače tlaku s ochrannou fólií podle vynálezu.4 shows an exemplary embodiment of a semiconductor pressure sensor with a protective film according to the invention.

**

Na obr. 1 je v řezu znázorněno provedení snímače tlaku s ochrannou fólií ve tvaru kruhové membrány, připevněné po celé ploše křemíkové membrány. Na obr. 2 je znázorněno v řežu provedení snímače Háku s ochrannou fólií ve tváru kruhové membrány, připevněné po obvodě křemíkové membrány v místě jejího upevnění na základnu.Fig. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a pressure sensor having a protective membrane in the form of a circular membrane mounted over the entire surface of the silicon membrane. FIG. 2 shows a cross-sectional view of an embodiment of a hook sensor with a protective film in the face of a circular membrane mounted around the periphery of the silicon membrane at the location of its attachment to the base.

Na obr. 1 je znázorněn v řezu polovodičový snímač tlaku podle vynálezu s ochrannou fólií 4 ve tvaru kruhové membrány připevněné k funkční křemíkové membráně χ po celé ploše pomocí tmelu χ. FUnkční křemíková membrána 3 opatřené difuzními tenzometrickými odpory 8 je upevněna na základnu 2, která je vložena do tělese 1· Difúzní tenzometrické odpory 8 jsou propojeny do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů 6, drátových vodičů 7, vodivého tmelu 9 a pomocného plošného spoje 12. Okraj 10 ochranné fólie 4 je zatmelen mezi vybrání 11 tělesa 1 a základnu 2.FIG. 1 shows a cross-section of a semiconductor pressure sensor according to the invention with a protective membrane 4 in the form of a circular membrane attached to a functional silicon membrane χ over the entire surface by means of the sealant χ. The silicon diaphragm 3 provided with diffusion strain gauge resistors 8 is fixed to a base 2 which is inserted into the body 1. The diffusion strain gauge resistors 8 are connected to the Wheatstone resistor bridge by means of gold conductors 6, wire conductors 7, conductive sealant 9 and auxiliary printed circuit 12. The edge 10 of the protective film 4 is sealed between the recesses 11 of the body 1 and the base 2.

Na obr. 2 je znázorněn v řezu polovodičový snímač tlaku podle vynálezu s Ochrannou fólií 4 ve tvaru kruhové membrány připevněné po obvodě funkční křemíkové membrány χ v místě jejího upevnění na základnu 2 pomocí tmelu χ. Funkční křemíková membrána 3 opatřená difuzními tenzometrickými Odpory 8 je připevněna na základ nu 2, která je vložena do tělesa 1. Difúzní tenzometrické odpory 8 jsou propojeny do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů 6, drátových vodičů 7 vodivého tmelu χ a pomocného plošného spoje 12.FIG. 2 shows a cross-section of a semiconductor pressure sensor according to the invention with a protective membrane 4 in the form of a circular membrane fixed around the circumference of the functional silicon membrane χ at the point of attachment to the base 2 by means of sealant χ. The functional silicon membrane 3 provided with diffusion strain gauge resistors 8 is mounted on a base 2 which is inserted into the body 1. The diffusion strain gauge resistors 8 are connected to the Wheatstone resistor bridge by gold conductors 6, conductive sealant conductors 7 and auxiliary circuit board 12.

Polovodičový snímač tlaku podle vynálezu sestává ze základny 2 zhotovené např. ze skla, křemíku nebo korundové keramiky, na kterou je připevněna křemíková membrána χ, která je opatřena difuzními tenzometrickými odpory 8, které jsou propojeny do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů 6, drátových vodičů 7, vodivého tmelu 9 a pomocného plošného spoje 12. Zlaté vodiče 6 a drátové vodiče 7 jsou navzájem propojeny pomocí vodivého tmelu χ na vnitřní stěně základny 2. Wheatstoneoův odporový můstek je napájen ze zdroje konstantního proudu nebo napětí a výstupní napětí je úměrné působícímu tlaku, který deformuje funkční křemíkovou membránu 3. Ochranná fólie 4 je spojena s funkční křemíkovou membránou j přímou adhesí nebo pomocí tmelu χ. Tím je dosaženo vysoké mechanické odolnosti polovodičového snímače tlaku jak při prů256798The semiconductor pressure transducer according to the invention consists of a base 2 made of, for example, glass, silicon or corundum ceramic, to which a silicon membrane χ is attached, which is provided with diffusive strain-gauge resistors 8 which are connected to the Wheatstone resistor bridge by gold conductors 6 7, the conductive sealant 9 and the auxiliary printed circuit 12. The gold conductors 6 and the wire conductors 7 are interconnected by means of the conductive sealant χ on the inner wall of the base 2. The Wheatstone resistor bridge is supplied from a constant current or voltage source and the output voltage is proportional The protective film 4 is bonded to the functional silicon membrane by direct adhesion or by means of χ sealant. This achieves a high mechanical resistance of the semiconductor pressure transducer as in the case of 256798

- 5 nyslových, tak i lékařských aplikacích, např. při kontaktu s epidurální blánou mozku nebo při styku s médiem, které má mírné abrasivní účinky, např. koloidní roztoky. Ochranná fólie 4 splňuje funkci oddělovací membrány bez nutnosti použití oddělovacího média. Ochranná fólie £ ve tvaru kruhové membrány je pomocí tmelu g připevněna buá po celé ploše_řnebo po obvodu funkční křemíková membrány g, čímž je docíleno dobrých dynamických vlastností, vysoká mechanická odolnosti snímače a bezpečnosti měření. V případě, že ochranná fólie 4 ve tvaru kruhové membrány je pomocí tmelu g připevněna jein po obvodě funkční křemíkové membrány g v místě jejího upevnění ně základnu 2, je docíleno lepší stability teplotní i časové, přenos tlaku je pak přímý, kontaktní a je výrazně omezen případný vliv tmelu g na funkční křemíkovou membránu g. Pro obvodové tmelení kovové ochranná fólie je vhodná její mechanická tvarování vymezující Obvodový prostor pro její pří tmelení, přičemž zvýěení obvodu fólie ve tvaru mezikruží má mít větěí průměr než je průměr otvoru v základně určující funkční průměr pevného vetknutí křemíkové membrány. Tím se zachytí případný přídavný tlak ochranné fólie na funkční plochu křemíkové membrány.- 5 nano- and medical applications, eg in contact with the epidural membrane of the brain or in contact with a medium that has mild abrasive effects, eg colloidal solutions. The protective film 4 fulfills the function of a separating membrane without the use of a separating medium. Protective film £ shaped circular membrane is secured with putty g of either the whole surface or along the circumference _of function g silicon membrane, thereby achieving good dynamic properties, high mechanical strength and safety of the sensor measurements. If the protective membrane 4 in the shape of a circular membrane is attached by means of g g only on the periphery of the functional silicon membrane g at the place of its attachment to the base 2, better temperature and time stability is achieved, pressure transfer is then direct, contact and The effect of the sealant g on the functional silicon membrane g. For circumferential cementing of the metal protective foil, its mechanical shaping defining the peripheral space for its bonding is suitable, the increase in the circumference of the annulus foil should be larger than silicon membranes. As a result, any additional pressure of the protective film on the functional surface of the silicon membrane is absorbed.

PŘEDMĚT VIRÍLEZUSUBJECT OF VIRILLIA

Claims

SUBJECT OF VIRILE ·· »

A semiconductor pressure sensor comprising a _záklAdgy> body and the functional silicon wafer diffuse strain gauge resistors connected in a Wheatstone resistor bridge via gold wires, wire conductors electrically connected with the auxiliary printed circuit, characterized in that the functional silicon membrane / 3 / is covered with a protective film / 4) in the form of a circular membrane, which is firmly connected to the surface of the functional silicon membrane (3) directly or sealant (5), the filler (5) filling the space between the functional silicon membrane (3) and the protective film (4) over the entire surface or the periphery of the functional silicon membrane (3) at its attachment point to the base (2) and the edge (10) of the protective film (4) is sealed between the recesses (11) of the body (1) and the base (2).

2 drawings