DE1959900A1

DE1959900A1 - Druckmessfuehler

Info

Publication number: DE1959900A1
Application number: DE19691959900
Authority: DE
Inventors: Polye William Ronald
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1968-12-03
Filing date: 1969-11-28
Publication date: 1970-06-18
Also published as: FR2025090A1; GB1251910A; US3634727A

Description

Dr₁ Irrj. H. Nsgendank

Πϊ,?ί !ng. H. Haudc

DIiJ. Phys. W. Sdimitz

6 Muivchen ¹SS, Mozarisfr.23

Tel. 5380580

The Bendix Corporation
Bendix Center

Southfield, Michigan i*8o75/USA . 26. November 1969

Anwaltsakte M-9M-3

Druckmeßfühler

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Druckmeßfühlers. Es sollen insbesondere kapazitive Druckmeßfühler hergestellt werden.

Bisher verwendete Druckmeßfühler benutzen aus Eisen, Kupfer oder Nickellegierungen hergestellte Membranen, um Drückänderungen zu erfassen. Diese Druckmeßfühler sind nicht so genau wie gefordert wird, weil sie eine Hysterese oder Änderungen in der Federkonstanten aufweisen. Auch sind diese Druckmeßfühler nachteilig, weil sie verhältnismäßig große Abmessungen aufweisen und nicht unbedingt zuverlässig sind.

j Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Druckmeßfühler zu

! schaffen, der diese genannten Nachteile behebt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein reiner Silizium-Einkristall durch Dotierung leitend gemacht wird

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(η-!..oder pi-. Typ) mit einem spezifischen Widerstand in der Größen-} Ordnung von einigen Ohm.'cm, daß aus dem Kristall. Siliziumplätt-. chen geschnitten werden, daß die Plättehen auf beiden Seiten ·,.-glatt poliert und über die gesamte Oberfläche mit einer Oxyd-, schicht von o,2 bis o,5 λι versehen werden, daß mit Hilfe eines Präzisions-Ätzverfahrens auf einer Seite jedes Plättchens in,
deren mittleren Flächenbereich die Oxydschicht und ein Teil des Siliziums bis zu einer vorgegebenen Tiefe weggeätzt werden,
und daß die Plättchen mit gegenüberliegenden weggeätzten mittleren Flächenbereichen gegeneinander isoliert aneinandergesetzt werden.

Mit Hilfe dieses Verfahrens wird ein Druckmeßfühler geschaffen, der aus einer hohlen Druckdose besteht, deren gegenüberliegende Wände aus monokristallinem Silizium bestehen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden Ausführungsformen anhand von beiliegenden Zeichnungen in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. .

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Druckmeßfühler gemäß
der Erfindung.

Fig. 2 -zeigt einen Querschnitt entlang 2-2 der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt ähnlich Fig. 2, jedoch mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

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In der Zeichnung sind zwei verschiedene Ausführungsformen des ι neuen Druckmeßfühlers mit kapazitivem Verhalten dargestellt, . die gemäß der Erfindung aufgebaut sind. '

Der in den Fign. I₉ 2 und 3 gezeigte Druckmeßfühler besteht aus einer hohlen Druckdose mit zwei gegenüberstehenden Wänden 3, 5, die aus Siliziumplättchen gebildet sind. Die Plättchen sind vorzugsweise von einem größeren Einkristall aus reihern

hin-

Silizium geschnitten, der zur Erzielung einer/länglichen Leitfähigkeit, vorzugsweise mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von einigen Ohm**cm, dotiert ist .XnI'oder p*_ Typ). Das Silizium wird auf beiden Seiten mit Hilfe eines bekannten Verfahrens blank poliert. Anschließend wird das Silizium oxidiert, so daß sich eine Silizium-Oxydschicht, vorzugsweise von einer Dicke von o,2 bis o,5 .u, über die gesamte Oberfläche bildet. Die mittleren Flächenbereiche der einander gegenüberliegenden Flächen der Plättchen werden mit Hilfe eines Photo-Ätzverfahrens bis zu einer vorgegebenen Tiefe ausgeätzt. Das Ätzen entfernt die Oxydschicht und einen Teil des Siliziums im mittleren Flächenbereich, um nach dem Zusammenbau der Plättchen einen Hohlraum 17 zu bilden. In die außen liegende Ober- ; fläche der Oxydschicht werden Löcher eingeätzt, in die und um i diese herum galvanische Kontakte eingesetzt werden. Zur Verbin - . dung mit einer Schaltung werden elektrische Leiter an den Kon- ! takten befestigt. Die Plättchen bilden die Platten eines Kondensators. Die Plättchen biegen sich, wenn der den Druckmeßfühler ι beaufschlagende Druck sich ändert, so daß die Kapazität des :

j Kondensators sich in Obereinstimmung mit der Druckänderung ' ändert. Die Druckdose kann evakuiert oder mit irgendeinem ge- i

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. eigneten Gas. unter einem gewünschten Druck gefüllt werden. Der Innen- und der Außendruck der Druckdose kann sich so -ändern, ' .. daß der Kondensator ein Ausgangssignal entsprechend dem Differenzdruck erzeugt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, können die Plättchen miteinander verbunden werden, indem das Oxyd der Berührungsschicht mit Hilfe bekannter Verfahren, wie Verdampfen oder Zerstäuben, metallisiert wird. Zur Vervollständigung der Dichtung werden herkömmliche Lötverfahren verwendet. Die Plättchen können auch mit Hilfe einer nicht h metallischen hermetisch dicht schließenden Verbindung miteinander verbunden werden. Hierzu wird niedrig schmelzendes Glas, das mit Silizium verträglich ist, verwendet. (Ein solches Glas ist im Handel erhältlich und wird beispielsweise von Corning Glass Co. vertrieben).

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Anordnung gezeigt, bei der das . Siliziumoxyd an den aneinanderliegenden Flächen der Plättchen, mit Hilfe eines Photo-Ätzverfahrens entfernt ist. Das Silizium wird in diesem Bereich in einen Leitfähigkeitszustand überführt, (p- oder n—Typ.) der^dem .Leitfähigkeitszustand der übrigen Plättchen entgegengesetzt ist. Die Plättchen können mit Hilfe einer, metallischen Bindung, wie etwa äher eutektischen Silizium-Gold-Legierung, wie sie gewöhnlich in der Halbleiterfertigung verwendet wird, miteinander verbunden werden.

; Unabhängig davon, wie die Plättchen miteinander verbunden werden,

muß die Verbindung so beschaffen sein, daß sie weder die Elasti-' zität der Plättchen noch einen Hysterese-Effekt im Betrieb des

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' Meßfühlers mit sich bringt* Die Verbindung muß eine elektrische j Isolierung zwischen den zwei Plättchen herbeiführen, da diese

■ die leitenden Elemente eines Kondensators sind. Die Isolierung wird normalerweise durch die Siliziumoxydschicht oder durch den

. umgekehrten Leitfähigkeitstyp im Bereich der aneinanderliegen- : den Oberflächen der Plättchen bewerkstelligt. Das neue Verfahren zur Herstellung eines Druckmeßfühlers, wie er in den Fign. 1 bis 3 gezeigt ist, weist folgende Schritte auf:

1. Ein großer reiner Silizium-Einkr^istall wird durch Dotierung leitend gemacht (n— oder ρ-Typ) mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von einigen Ohm/· cm.

2. Von dem Kristall wird ein Paar Plättchen geschnitten.

3. Die Plättchen werden auf beiden Seiten glatt poliert und über die gesamte Oberfläche mit einer Oxydschicht von o,2 bis o,5,u versehen.

Η. Mit Hilfe eines Präzis ions** Photo-Ät ζ Verfahrens wird auf einer ; Seite jedes Plättchens in deren mittleren Flächenbereich die

^: Oxydschicht und ein Teil des Siliziums bis zu einer vorgege- ; benen Tiefe entfernt.

5. Durch die Oxydschicht aufäen den mittleren Flächenbereichen gegenüberliegenden Seiten der Plättchen ^werden Löcher

eingeätzt.

6. In diese Löcher werden galvanische Kontakte, eingesetzt.

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7. Mit den galvanischen Kontakten werden elektrische Leitungen

■

verbunden.

8. In der Ausführungsform gemäß den Fign. 1 und 2 werden die Plättchen dadurch miteinander verbunden, daß die Oxydschicht der aneinanderliegenden Flächen durch Verdampfen oder Zerstäuben metallisiert wird. Anschließend werden die Plättchen zusammengelötet oder durch Verwendung von niedrig schmelzendem Glas, das mit Silizium verträglich ist, miteinander verbunden.

^! In der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Siliziumoxyd von den aneinanderliegenden Flächen der Plättchen mit Hilfe eines Photo-Ätzverfahrens entfernt worden. Das Silizium ist in diesem Bereich ! in einen dem Plättchen entgegengesetzten Leitfähigkeitszustand : überführt worden (p- oder n-i-Typ). Die Plättchen sind mit einer metallischen Bindung miteinander verbunden, wie etwa einer eutektischen Silizium-Gold-Legierung.

Ein gemäß der Erfindung aufgebauter Druckmeßfühier besitzt verhältnismäßig geringe Abmessungen (etwa 2,5 cm im Durchmesser) , i

ist äußerst stabil und empfindlich und besonders für die Verwen- i dung in Luftfahrzeugen geeignet. Der Druckmeßfühler hat vernach- j lässigbare Hysterese-Eigenschaften. I

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Claims

Patentansprüche

(l/. Verfahren zur Herstellung eines Druckmeßfühlers, dadurch gekennzeichnet, daß ein reiner Silizium-Einkristall durch Dotierung leitend gemacht wird (ή¹-oder ρ-Typ) mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von einigen Ohm/cm, daßaus dem Kristall SiIiziumplättchen geschnitten werden, daß die Plättchen auf beiden Seiten glatt poliert und über die gesamte Oberfläche mit einer Oxydschicht von o,2 bis o,5,u versehen werden, daß mit Hilfe eines Präzisions-Ätzverfahrens auf einer Seite jedes Plättchens in deren mittleren Flächenbereich die Oxydschicht und ein Teil des Siliziums bis zu einer vorgegebenen Tiefe weggeätzt werden, und daß die Plätt-

■ chen mit gegenüberliegenden weggeätzten mittleren Flächenbereichen gegeneinander isoliert aneinandergesetzt werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in

die Oxydschicht jedes Plättchens ein Loch so weit eingeätzt

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wird, daß das Silizium freigelegt ist, daß in die Löcher ein ' galvanischer Kontakt eingesetzt wird und daß die Kontakte mit > elektrisch leitenden Drähten verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusammensetzen das Siliziumoxyd der aneinanderliegenden Oberflächen der Plättchen durch Verdampfen oder Zerstäuben metallisiert und daß die Plättchen anschließend aneinandergelötet werden.

H. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen unter Verwendung von niedrig schmelzendem mit Silizium verträglichem Glas miteinander verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen durch Entfernung des Siliziumoxyds von den einander zugekehrten Flächen durch Überführung dieser Bereiche in einen dem Plättchen entgegengesetzten Leitfähigkeitszustand (p"* oder n' Typ) und durch Verwendung einer metallischen Bindung, wie etwa eutektische Silizium-Gold-Legierung, miteinander verbunden, werden.

6. Druckmeßfühler, hergestellt mit einem Verfahren nach einem

der Ansprüche 1 bis 5^ dadurch gekennzeichnet, daß er aus ■ | einer hohlen Druckdose(l)besteht, deren gegenüberliegende Wände (-3, 5) aus monokristallinem Silizium bestehen.

7. Druckmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Seiten (13, 15) der Wände (3,5

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eine Ausnehmung haben, durch die ein Hohlraum (17) gebildet ist.

8. Druckmeßfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß er kapazitives Verhalten aufweist und daß die Wände (3,5)

die Platten eines Kondensators sind.

9. Druckmeßfühler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitende Drähte (23, 25) an den einander gegenüberliegenden Enden (3, 5) befestigt sind. ■

10. Druckmeßfühler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Silizium durch Dotierung leitend gemacht ist und daß die einander gegenüberliegenden Wände (3, 5) gegeneinander isoliert sind.

11. Druckmeßfühler nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß ^[ die einander gegenüberliegenden Wände (3, 5) durch eine Siliziumoxydschxcht gegeneinander isoliert sind.

12. Druckmeßfühler nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die

einander gegenüberliegenden Wände (3, 5) durch Oberführung

des ■ der einander zugekehrten Oberflächen in einen dem Silizium /

übrigen Plättchens _ _-_. . .. ^ . . . . ,. J 'entgegengesetzten Leitfähxgkextszustand gegeneinander isoliert sind.

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