DD230079A1

DD230079A1 - SEMICONDUCTOR PRESSURE MEASURING CELL

Info

Publication number: DD230079A1
Application number: DD27121984A
Authority: DD
Inventors: Gerald Gerlach
Original assignee: Messgeraetewerk Zwonitz Veb K
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1984-12-20
Publication date: 1985-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Druecken, insbesondere in gasfoermigen und fluessigen Medien. Das Ziel der Erfindung besteht in einer Verringerung des Herstellungsaufwandes und einer Verbesserung der thermischen Stabilitaet. Es soll eine Druckmesszelle mit Fluessigkeitsankopplung eines Halbleiterdruckwandlers und Trennmembran geschaffen werden, die ein verringertes Koppelvolumen und eine reduzierte Anzahl von Einzelbauteilen aus moeglichst gleichartigen Materialien aufweist. Erfindungsgemaess besteht die Trennmembran aus einem lokal abgeduennten Bereich eines Halbleitersubstrates aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Druckmembran, wobei das Verhaeltnis der Flaeche zur Dicke der Membranen fuer die Trennmembran um mindestens eine Groessenordnung groesser ist als fuer die Druckmembran. Die Halbleitersubstrate weisen an ihren Randzonen unabgeduennte Bereiche auf, die miteinander verbunden sind und die starren Gehaeuseteile der Halbleiterdruckmesszelle bilden. Ein spezielles Anwendungsgebiet besteht in der Medizintechnik fuer Druckmessaufgaben in physiologischen Fluessigkeiten und Koerperhohlraeumen. Fig. 1The invention relates to a device for measuring static and dynamic pressures, in particular in gaseous and liquid media. The object of the invention is to reduce the manufacturing costs and to improve the thermal stability. It is a pressure measuring cell with liquid coupling of a semiconductor pressure transducer and separation membrane are created, which has a reduced coupling volume and a reduced number of individual components of the most similar materials. According to the invention, the separating membrane consists of a locally thinned region of a semiconductor substrate of the same semiconductor material as the pressure membrane, the ratio of the surface to the thickness of the membranes for the separating membrane being greater by at least one order of magnitude than for the pressure membrane. The semiconductor substrates have at their edge regions on unabgeduennte areas which are interconnected and form the rigid Gehaeuseteile the semiconductor pressure cell. A special field of application is in medical technology for pressure measurement tasks in physiological fluids and body cavities. Fig. 1

Description

Halblei terdrucktneßzelle Anwendungsgebiet Semi-pressure cell Application field

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Drücken, insbesondere in gasförmigen und flüssigen Medien. Ihr Einsatz ist vor allem dort zweckmäßig, wo ein Schutz des eigentlichen Wandlerelementes vor Beschädigungen (Abrieb, Korrosion u. ä.) oder eine Anpassung an verschiedene Meßaufgaben erforderlich ist. Ein spezielles Anwendungsgebiet besteht in der Medizintechnik für Druckmeßaufgaben in physiologischen Flüssigkeiten und Körperhohlräumen.The invention relates to a device for measuring static and dynamic pressures, in particular in gaseous and liquid media. Their use is particularly useful where protection of the actual transducer element from damage (abrasion, corrosion, etc.) or adaptation to various measurement tasks is required. A special field of application is in medical technology for pressure measurement tasks in physiological fluids and body cavities.

Characteristic of the known technical solutions

Druckwandler auf Halbleiterbasis realisieren vorzugsweise ein piezoresistives oder kapazitives Meßprinzip. Dabei werden;die Aus!enkurrgen einer.', durch -Iokalesχ Abdünnen eines. Halbleitersubstrates gewonnenen Druckmembran*in elektrische Signale umgesetzt. Zum Söhutz^ des:Wändlerelementes:vor-Beschädigungen oder zur Anpassung.an verschiedene MeSaufgabeli (z. B. Messung einer mittleren Flächenkraft bei Hirndruckwandlern) wird eine Trennung zwischen dem Ort des zu messenden Druckes und dem Wandlerelement, d. h. der Druckmembran, gefordert. Eine solche Trennung kann durch eine Ankopplung der Druckmembran über eine Koppelflüssigkeit und eine. Trennmembran realisiert werden.Semiconductor-based pressure transducers preferably implement a piezoresistive or capacitive measuring principle. Here are;! From the enkurrgen a 'through -Iokales χ thinning one.. Semiconductor substrate derived pressure membrane * converted into electrical signals. For example, in order to prevent damage or to adapt it to different measuring conditions (eg measurement of average surface force in intracranial pressure transducers), a separation between the location of the pressure to be measured and the transducer element, ie the pressure membrane, is required. Such a separation can be achieved by coupling the pressure membrane via a coupling fluid and a. Separating membrane can be realized.

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Solche Trennmembranen werden vorzugsweise als gewellte Membranen aus Metall oder Gummi ausgeführt und mit starren Gehäuseteilen verbunden, die gemeinsam mit der Trennmembran und der Druckmembran das Koppelvolumen mit der darin befindlichen Koppelflüssigkeit umgrenzen (z. B. DD-WP 157.997). .Such separating membranes are preferably designed as corrugated membranes made of metal or rubber and connected to rigid housing parts, which define the coupling volume together with the separating membrane and the pressure membrane with the coupling liquid therein (eg DD-WP 157.997). ,

Die Herstellung gewellter Membranen mit großer akustischer Nachgiebigkeit mittels feinmechanischer Methoden ist aufwendig und teuer. Das relativ große Flüssigkeitsvolumen führt infolge seines vom Halbleitermaterial der Druckmembran und vom Gehäuse des Druckwandlers verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erheblichen Verfälschungen des Meßergebnisses bei Temperaturänderungen. Weiterhin bewirkt die Verbindung des Halbleitersubstrates, in dem sich die Druckmembran befindet, mit dem Gehäuse, das das Halbleitersubstrat und die Trennmembran aufnehmen muß, infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten erfahrungsgemäß Instabilitäten und damit ebenfalls fehlerhafte Meßresultate..The production of corrugated membranes with great acoustic compliance by means of precision mechanical methods is complicated and expensive. The relatively large volume of liquid due to its different from the semiconductor material of the pressure membrane and the housing of the pressure transducer thermal expansion coefficient leads to significant distortions of the measurement result with temperature changes. Furthermore, the connection of the semiconductor substrate, in which the pressure membrane is located, with the housing, which must accommodate the semiconductor substrate and the separation membrane, as a result of different coefficients of thermal expansion experience instabilities and thus also erroneous measurement results.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Verringerung des Herstellungsaufwandes und einer Verbesserung der thermischen Stabilität.The object of the invention is to reduce the manufacturing costs and to improve the thermal stability.

Wesen der Erfindung. Essence of the invention .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmeßzelle mit Flüssigkeitsankopplung eines Halbleiterdruckwandlers und Trennmembrän zu schaffen, die ein verringertes Koppelvolumen und eine reduzierte Anzahl von Einzelbauteilen aus möglichst gleichartigen Materialien aufweist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Trennmembrän ebenfalls aus einem lokal abgedünnten Bereich eines Halbleitersubstrates, aus dem gleichen Halbleitermaterial wie die Druckmembran gebildet wird, wobeiThe object of the invention is to provide a pressure measuring cell with fluid coupling of a semiconductor pressure transducer and Trennmembrän having a reduced coupling volume and a reduced number of individual components of similar materials as possible. The object is achieved in that the Trennmembrän is also formed from a locally thinned region of a semiconductor substrate, from the same semiconductor material as the pressure membrane, wherein

das Verhältnis der > Fläche zur Dicke der Membranen für die Trennmembran um mindestens eine Größenordnung größer ist als für die Druckmembran. Die Halbleitersubstrate weisen mindestens an ihren Randzonen unabgedünnte Bereiche auf, die miteinander verbunden sind und die starren Gehäuseteile der Halbleiterdrucknießzelle bilden. Das Koppelvolumen:, ist rait mindestens einer den unabgedünnten Bereich des Halbleitersubstrates der Trennmembran oder/und der Druckmembran durchdringenden, hermetisch verschließbaren Öffnung verbund en·the ratio of the area to the thickness of the membranes for the separation membrane is greater by at least an order of magnitude than for the pressure membrane. The semiconductor substrates have at least at their edge zones on unabused areas, which are interconnected and form the rigid housing parts of the semiconductor Drucknießzelle. The coupling volume is connected to at least one hermetically sealable opening which penetrates the unabsorbed region of the semiconductor substrate of the separating membrane and / or the pressure membrane.

Dadurch, daß das Verhältnis der Fläche zur Dicke der Membranen für die Trennmembrän um mindestens eine Größenordnung größer gewählt wird als für die Druckmembran, ergibt sich für die Trennmembran die erforderliche hohe akustische liächgiebigkei't. ,Die akustische Nachgiebigkeit ist dabei als das Verhältnis des Volumens V, das infolge eines auf eine Seite der Membran v/irkenden Druckes ρ verdrängt wird, zum wirkenden Druck ρ definiert, unter der Voraussetzung, daß keine zusätzlichen Kräfte auf die Membran wirkenrThe fact that the ratio of the surface to the thickness of the membranes for the Trennmembrän is selected by at least an order of magnitude larger than for the pressure membrane, resulting in the separation membrane required high acoustic liächgiebigkei't. The acoustic compliance is defined as the ratio of the volume V displaced as a result of a pressure ρ acting on one side of the membrane to the acting pressure ρ, provided that no additional forces act on the membrane

Auf Grund der Verwendung des gleichen Halbleitermaterials, vorzugsweise von Silizium, für die Trennmembran, die Druckmembran und die - damit integriert en starren.Gehäuseteilewerden:Tetii|);erät&rinstäbili^:täten^f;düreti unterschiedliche · t toermi sche'^v &sdehnühg|k^:öef f i zi ent en-.: ausgeschlo säen»,., Durch= die Maau zierring j dar. Anzahl' der_: Bauteile :der:-'-Hä.lbleiterdr.uc'kmeßzelle auf im wesentlichen die zwei Halbleitersubstrate, die sich sehr vorteilhaft mittels halbleitertechnologischer Verfahren herstellen lassen, läßt sich der Herstellungsaufwand insbesondere im Hinblick auf die Serienfertigung derartiger Halbleiterdruckmeßzellen wesentlich· verringern.. Das Koppelvolumen kann durch die flache Bauweise und- di^:e:: ho;he.· akustxache-HachgiebigkeitDue to the use of the same semiconductor material, preferably of silicon, for the separation membrane, the pressure membrane and the - thus integrated rigid housing parts: Tetii |); devices & fittings ^: ^f; düreti different · t toermi specific ^'v sdehnühg | ^k: öef fi zi ent en- .: ausgeschlo sow ", by = the Maau j ornamental ring is Number..' _of: components: the: -'- Hä.lbleiterdr.uc 'kmeßzelle on essentially the two semiconductor substrates, which can be produced very advantageously by means of semiconductor technology, the production costs, in particular with regard to the mass production of such semiconductor pressure measuring cells can be significantly reduced .. The coupling volume can be due to the flat design and di ^: e :: heigh. · acoustics-hachgiebigkeit

der Trennmembran, ohne daß wesentliche Auslenkungen senkrecht zur Trennmembran auftreten, minimiert werden.the separation membrane without significant deflections occur perpendicular to the separation membrane can be minimized.

Ausführungsbei game

Die Erfindung soll an Hand nachfolgender vorteilhafter Ausführungsformen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following advantageous embodiments. In the drawing show

Pig. 1 den Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Druckmeßzelle im Querschnitt mit minimalem KoppelvolumenPig. 1 shows the basic structure of the pressure measuring cell according to the invention in cross-section with minimal coupling volume

Pig. 2 den Aufbau der Druckmeßzelle zur vorteilhaften Realisierung des kapazitiven MeßprinzipsPig. 2 shows the construction of the pressure measuring cell for the advantageous realization of the capacitive measuring principle

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der Druckmeßzelle zur Realisierung günstiger Herstellungs- und Einsatz-· bedingungen.3 shows a further embodiment of the pressure measuring cell for the realization of favorable manufacturing and operating conditions.

Gemäß Pig. T besteht die Druckmeßzelle aus zwei scheibenförmigen Halbleitersubstraten 1 und 2, vorzugsweise aus monokristallinem Silizium, Durch lokales Abdünnen mit einem der bekannten Verfahren der Halbleitertechnologie wurde im Halbleitersubstrat 1 eine Druckmembran 3 und im Halbleitersubstrat 2 die Trennmembran 4 erzeugt. Die hermetisch dichte Verbindungsstelle 5 der Halbleitersubstrate 1 und 2 liegt im Bereich der unabgedünnten Randzonen. Bei etwa gleicher Membrandicke beträgt das Verhältnis der Flächen von Druckmetnbran 3 und Trennmembran 4 1 ; 10 bis 1 : 50, Die Verbindung der beiden Halbleitersubstrate erfolgt dabei so, daß der beim Abdünnvorgang der Druckmembran 3 entstehende, im Querschnitt trapezförmige, Hohlraum sich außerhalb des KoppelVolumens befindet und damit das Koppelvolumen minimal gehalten werden kann. Im unabgedünnten Bereich des Halbleitersubstrates 1 befindet sich weiterhin eine Sinfül!öffnung 7, die nach dem Einbringen der Koppelflüssigkeit 6 in das Koppelvolumen wieder hermetischAccording to Pig. The pressure measuring cell consists of two disk-shaped semiconductor substrates 1 and 2, preferably of monocrystalline silicon. By local thinning with one of the known methods of semiconductor technology, a pressure membrane 3 was produced in the semiconductor substrate 1 and the separation membrane 4 in the semiconductor substrate 2. The hermetically sealed connection point 5 of the semiconductor substrates 1 and 2 lies in the region of the unabsorbed edge zones. At approximately the same membrane thickness, the ratio of the areas of Druckmetnbran 3 and separation membrane 4 1; 10 to 1: 50, The connection of the two semiconductor substrates takes place so that the resulting during the thinning of the pressure membrane 3, trapezoidal in cross-section, cavity is located outside of the coupling volume and thus the coupling volume can be minimized. In the unabsorbed region of the semiconductor substrate 1 there is furthermore a sinusoidal opening 7, which hermetically re-seals after the introduction of the coupling liquid 6 into the coupling volume

verschlossen wird.is closed.

Die Verbindung der Halbleitersubstrate 1 und 2 kann aber auch gemäß Fig· 2 so erfolgen, daß sich der Hohlraum über der Druckmembran 3 innerhalb des Ko.ppelvolutnens. befindet. Trotz der damit verbundenen zwangsläufigen Erhöhung des Koppelvolutnens ist diese Ausführungsform dann vorteilhaft, wenn die Druckmembran 3 eine Elektrode eines kapazitiven Druckmessers darstellt und die zweite Elektrode in geringer Entfernung zur Druckmembran 3 angebracht werden soll. In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform zur Realisierung günstiger Herstellungs- und Einsatzbedingungen aufgezeigt. Neben den bereits in der ersten Ausführungsform beschriebenen Merkmalen weist diese Druckmeßzelle eine weitere hermetisch verschließbare Öffnung 8 auf, die den unabgedünnten Bereich der Trennmembran 2 durchdringt und dabei um ca. 180 versetzt gegenüber der ersten Öffnung 7 angeordnet ist. Mittels eines an der Verbindungsstelle 5 der unabgedünnten Bereiche der Halbleitersubstrate 1 und 2 geführten Kanals 9 ist die Öffnung 8 mit dem Koppelvolumen verbunden. Die genannte Ausgestaltung und Anordnung der Öffnungen 7 und 8 besitzt; für das Einbringen der Koppelflüssigkeit 6 Vorteile. Zu diesem Zweck wird die gesamte Druckmeßzelle gegenüber der gezeichneten Lage um 90 nach links gedreht, die Koppelflüssigkeit 6 unter Druck durch die Öffnung 7 eingefüllt, wobei die im Koppelvo,lunfen:.befinäli,chexlüft über den Kanal 9 und die Öffnung entweicht. Auch nach dem vollständigen Ausfüllen des Köppelvo lumens irnit der Koppelflüssigkeit 6 werden noch aufsteigende Gasblasen entlang der schrägen- Seitenwand des Koppelvolumens in den Kanal 9 geleitet und durch weiteres Nachfüllen.von Koppelflüssigkeit 6 mittels der Öffnung 8 nach außen abgeführt. Nach Beendigung des Füllvorganges werden beide Öffnungen 7, 8 hermetisch verschlossen. Zur Vermeidung unerwünschter mechanischer Spannungen in der Dru:ckmembran 3 wird die Druckmeßzelle mittels eines hohlzyllndrigen Befestigungsteiles 10 mit einer Träger-However, the connection of the semiconductor substrates 1 and 2 can also take place in accordance with FIG. 2 such that the cavity above the pressure membrane 3 is located inside the co-pile vane. located. Despite the associated inevitable increase in the coupling volume, this embodiment is advantageous when the pressure membrane 3 is an electrode of a capacitive pressure gauge and the second electrode is to be mounted at a short distance to the pressure membrane 3. In Fig. 3, another embodiment for the realization of favorable manufacturing and operating conditions is shown. In addition to the features already described in the first embodiment, this pressure measuring cell has a further hermetically sealable opening 8, which penetrates the unabgedünnten region of the separation membrane 2 and is offset by approximately 180 relative to the first opening 7 is arranged. By means of a guided at the junction 5 of the unabgedünnten areas of the semiconductor substrates 1 and 2 channel 9, the opening 8 is connected to the coupling volume. The said configuration and arrangement of the openings 7 and 8 has; for the introduction of the coupling fluid 6 advantages. For this purpose, the entire pressure measuring cell with respect to the drawn position is rotated by 90 to the left, the coupling fluid 6 is filled under pressure through the opening 7, wherein in Koppelvo, lunfen: .befinäli, exhausts over the channel 9 and the opening escapes. Even after the complete filling of Köppelvo lumen with the coupling liquid 6 still ascending gas bubbles along the sloping side wall of the coupling volume are passed into the channel 9 and discharged by further Nachfüll.von coupling fluid 6 by means of the opening 8 to the outside. After completion of the filling process, both openings 7, 8 are hermetically sealed. In order to avoid undesired mechanical stresses in the pressure membrane 3, the pressure measuring cell is connected by means of a hollow-cylindrical fastening part 10 with a carrier

platte 11 verbunden, wobei das Befestigungsteil 10 an den unabgedünnten Bereichen des Halbleitersubstrates 1 befestigt ist und vorteilhafterweise ebenfalls aus monokristallinem Silizium besteht.plate 11 is connected, wherein the fastening part 10 is fixed to the unabgedünnten areas of the semiconductor substrate 1 and advantageously also consists of monocrystalline silicon.

Die Koppelflüssigkeit sollte vorteilhafterweise eine solche Viskosität aufweisen, daß die Halbleiterdrucktneßzelle bei Anregung mit sinusförmigem Wechseldruck in der Umgebung ihrer ersten Resonanzfrequenz bedämpft wird. Als besonders geeignet hat sich Silikonöl für diesen Zweck erwiesen.The coupling fluid should advantageously have a viscosity such that the semiconductor Drucktneßzelle is attenuated when excited with sinusoidal alternating pressure in the vicinity of its first resonant frequency. Silicone oil has proven particularly suitable for this purpose.

Claims

invention claim

1. Halbleiterdruckmeßzelle, consisting of a pressure-sensitive pressure membrane, which is formed by a locally thinned region of a semiconductor substrate, and a pressure-sensitive separation membrane, which hermetically bounds a coupling volume together with rigid housing parts and the pressure membrane, wherein the coupling volume is completely filled with a coupling fluid, characterized in that the separation membrane is likewise formed from a locally thinned region of a semiconductor substrate made of the same semiconductor material as the pressure membrane, the ratio of the area to the thickness of the membranes for the separation membrane being greater by at least an order of magnitude than for the pressure membrane, that the semiconductor substrates at least have at their marginal areas unthinned areas which are interconnected and form the rigid housing parts of the semiconductor pressure measuring cell, and that the coupling volume with at least one of the unbaked B ereich of the semiconductor substrate of the separation membrane and / or the pressure membrane penetrating, hermetically sealable opening is connected.

2. A semiconductor pressure measuring cell according to item 1, characterized in that there are two hermetically sealable openings, one penetrating the unabsorbed region of the pressure membrane and opening in the vicinity of the junction of the unabsorbed regions of the semiconductor substrates in the coupling volume and the other the unbabününnten region of the separation membrane penetrates, thereby offset by approximately 180 ° relative to the 'first opening is arranged and connected by means of a run at the junction of the unabgedünnten areas of the semiconductor substrate channel with the coupling volume. ,

3. Halbleiterdruckmeßzelle according to the points 1 and 2, characterized in that .Daß-the coupling liquid has a viscosity such that the Halbleiterdruckmeßzelle is attenuated in an excitation with sinusoidal alternating pressure in the vicinity of their first resonant frequency.

4. Halbleiterdruckmeßzelle according to the points 1 to 3, characterized in that as a coupling fluid silicone oil. is used.

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