DE2303706B2

DE2303706B2 - Mechanisch-elektrischer Wandler für Druck mit einem Basiskörper aus dielektrischem Material und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2303706B2
Application number: DE19732303706
Authority: DE
Inventors: Joseph M. Alliance Ohio Giachino (V.St.A.)
Original assignee: Bailey Meter Co
Current assignee: Elsag Bailey Inc
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1973-01-26
Publication date: 1975-01-09
Also published as: CA977464A; FR2169942A1; DE2303706A1; FR2169942B1; GB1417801A; DE2303706C3; JPS4885092A; IT976525B

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanisch-elektrischen Wandler für Druck mit einem Basiskörper aus dielektrischem Material und einer darauf angeordneten Schicht aus piezoresistivem Material.

Zu den Meßumformern, die auf eine Druckänderung ansprechend eine Änderung des Widerstandes erzeugen, gehören Meßumformer mit Draht und Dünnfilm-Dehnung sowie Halbleiter-Meßumformer. Bei den Halbleiter-Meßumformern ist der Meßfühlerteil in ein Plättchen aus Halbleitermaterial diffundiert. Der diffundierte Streifen ist aus entgegengesetztem Material, wie es das des Plättchens ist. Beispielsweise kann in ein η-Silizium eine p-Region diffundiert sein, um eine pn-Grenzsicht zu bilden.

Die p-Region ist der Piezoresistor und das n-Material ist die Basis. Obgleich dies ehi integrierter Einkristall-Meßumformer ist, hängt er bezüglich der elektrischen Isolierung von der pn-Grenzschicht ab. Die pn-Grenzschicht muß in entgegengesetzter PoIarität vorgespannt sein, um eine einwandfreie elektrische isolierung zu gewährleisten. Das Vorhandensein einer solchen Grenzschicht schränkt auch die möglichen Verwendungszwecke dieser Art von Meßumformer ein.

Ein Grenzschicht-Meßumformer ist hinsichtlich der Temperaturen der Umgebung, in denen er arbeiten kann, beschränkt. Mit dem Ansteigen der Umgebungstemperaturen wird die Grenzschicht durchlässig und kann nicht mehr die für das einwandfreie Arbeiten des Meßumformers notwendige elektrische Isolierung bieten.

Ein Grenzschicht-Meßumformer ist auch ungeeignet zur Verwendung in einer Umgebung, in der eine nukleare Strahlung vorhanden ist. Die Grenzschicht ist hochempfindlich gegen nukleare Strahlung, da diese die Grenzschicht aufreißt und den Meßumformer zerstört.

Da der Grenzschicht-Meßumformer in entgegengesetzter Polarität vorgespannt sein muß, damit die elektrische Isolierung vorhanden ist, kann er nicht mit Wechselspannung arbeiten. Die Grenzschicht bildet eine Diode, durch die entweder die positive oder die negative Halbwelle des Wechselstromes hindurchgehen würde, so daß die elektrische isolierung nur für eine Halbwelle erfolgen würde.

Das zum Diffundieren der Grenzschicht verwendete Plättchenmaterial ist auch vielen Prozeßmedien gegenüber empfindlich. Zum Beispiel ist Silizium sehr wenig beständig gegenüber NaOM. Das verhindert

den direkten Kontakt des Meßumformers mit dem gemessenen Medium und erfordert oft komplizierte und aufwendige Zwischenabdichtungen.

Es sind auch piezoelektrische Meßumformer bekannt, die aus einer Polymere-Film Basis gebildet sind (US-PS 3 624430). Bei diesen Meßumformern ist eine Legierung von zwei Metallen auf einen Teil ihrer Oberfläche im Vakuum aufgedampft. Dabei ist jedoch weder der Metallfilm noch die Trägerbasts ein

Einkristall, so daß die oben geschilderten Nachteile zoresistive Material von dem dielektrischen Material

auftreten, des Basiskörpers zu entfernen. Schließlich erfolgt ein

Es ist weiterhin bekannt, die Struktur der Halb- Säureätzen des Meßfühlerelements, jm das Alumi-

leiterschicht in einem in geeigneter Weise orientier- nium davon zu entfernen.

ten poly-kristallinen Zustand herzustellen (FR-PS- 5 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

1422139). Ein solcher poly-kristalliner Meßumfor- Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher

mer weist Spannungen auf, die im Laufe der Zeit zur beschrieben. Es zeigt

Ermüdung oder Schaden führen. Fig. 1 eine Draufsicht einer mechanisch-elektri-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehen Wandlers, dessen piezoresistive Meßfühlcrseite

mechanisch-elektrischen Wandler für Druck mit io gezeigt ist,

einem Basiskörper aus dielektrischem Material und Fig.2 eine Seitenansicht des Wandlers nach

einer darauf angeordneten Schicht aus piezoresistivem F i g. 1 und

Material zu schaffen, der die geschilderten Mangel F i g. 3 eine perspektivische Ansicht einer alterna-

nicht aufweist und der eine Verstärkung des Piezo- tiven Ausführungsform.

Widerstandes entsprechend dem Grad der Empfind- 15 In F i g. 1 und F i g. 2 ist ein mechanisch-elektri-

Hchkeit als Funktion des Temperaturkoeffizienten scher Wandler für Druck 10 dargestellt, der aniso-

oder der Abhängigkeit, die für den vorgesehenen trope Einkristall-Basis 12 von hoher dielektrischer

Verwendungszweck geeignet sind, erlaubt. Stärke aufweist, mit lotrechten Meßfühlerelementen

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch ge- 14 α, 14 b, die aus einer einkristallinen piezoresfoti-

löst, daß bei einem mechanisch-elektrischen Wandler 20 ven Mattrialschicht gebildet r.nd, die epitaxial auf

das Material des Basiskörpers und der Schicht ein- der Basis 12 aufgewachsen ist. I<„:intak ti ahnen 16, 18

kristallin ist und daß das piezoresistive M? erial epi- sind auf der Basis 12 angelegt, so daß sie in Kontakt

taxial auf den Basiskörper aufgewachsen ist. mit den Enden und Ecken der lotrechten Meßfühler-

Nach einer praktischen Ausführungsform ist der elemente 14 a, 14 6 stehen. Die Basis 12 ist zylin-

Basiskörper als Würfel gestaltet. 25 drisch dargestellt, könnte jedoch ebensogut in der

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, Mittel zur Form eines symmetrischen Druckkörpers hergestellt

Verstärkung der elektrischen Ausgangssignale vorzu- werden.

sehen und diese mit dem Basiskörper zu "erbinden. Das lotrechte Meßfühlerelement 14 a ist aus der

wobei das piezoresistive Material p-Silizium ist. epitaxial aufgewachsenen Schicht gebildet, so daß es

Vorteilhafterweise wird das p-Silizium auf den Ba- 30 in einem solchen Verhältnis zu der anisotropen Basis

siskörper in Form erster und zwei'er lotrechter Strei- 12 steht, daß sich ein druckempfindlicher Widerstand

fen angeordnet und diese Streifen bezüglich des Ba- 22 a und ein druckunempfindlicher Widerstand 24 a

siskörpers so ausgerichtet, daß der erste Streifen ergeben. Ähnlich ist das lotrechte Meßfühlerelement

elektrisch unempfindlich gegen Druck ist, der auf 146 ausgebildet, um einen druckempfindlichen

den Basiskörper einwirkt, und der zweite Streifen 35 Widerstand 22 6 und einen druckunempfindlichen

elektrisch empfindlich gegen diesen Druck ist. Dabei Widerstand 24 zu erzeugen. Eine Signalände-

wird vorteilhafterweise der erste und der zv/eite rungsvorrichtung 19, wie z. B. ein Halbleiter-Vorver-

Streifen oh-e Druckeinwirkung im wesentlichen so stärker, ist mit der Basis 12 verbunden, ubwohl sie

ausgelegt, daß sie gleichen Widerstand haben. auch epitaxial auf der Basis 12 aufgewachsen sein

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wird 40 könnte. Die Vorrichtung 19 ist in einer dem Fachdas piezoresistive Material auf einer (lll)-Fläche mann bekannten (nicht dargestellten) Weise elekdes Basiskörpers aufgewachsen. Nach einer besonde- Irisch an die Piezoresistoren 22, 24 durch die Konren Maßnahme der Erfindung ist der Basiskörper ein takte 25 angeschlossen, um deren Ausgang in geSpinell, wünschter Weise zu verändern. Die Vorrichtung 19

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Her- 45 wird mit Strom durch Anlegen einer (nicht dargestellung eines mechanisch-elektrischen Wandlers stellten) geeigneten Stromquelle an die Anschlüsse wird zunächst eine epitaxial Schicht piezoresistiven 21 versorgt. Der Ausgang des veränderten Ausgangs-Materials auf einem dielektrischen Basiskörper auf- signals des Piezoresistors erfolgt bei den Anschlüssen gewachsen, worauf eine selektive Entfernung dieses 23, die an ein geeignetes Anzeige- oder Regelsystem piezoresistiven Materials von dem dielektrischen Ba- 50 angeschlossen werden können,
siskörper in einem vorher bestimmten Muster erfolgt, Obwohl jedes Basismaterial von hoher dielektrium ein Meßfühlerelement zu bilden, und daß an- scher Stärke verwendet werden kann, wie z.B. Saschließend Kontaktfahnen auf dem Basiskörper in phir, um ein piezoresistives Material epitaxial auf elektrischem Kontakt mit den Enden dieses Meßfüh- sich aufwachsen zu lassen, sind mit Spinell als Basislerelementes angebracht werden. 55 material 12 und p-Silizium als piezoresistivem Mate-

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungs- rial gute Ergebnisse erzielt worden. Sowohl Silizium

gemäßen Verfahrens wird das piezoresistive Material als auch Spinell sind flächenzentrierte kubische Kri-

zunächst mit verdampftem Aluminium überzogen stalle, deren Kristallgitter gut zusammenpassen und

und danach das Aluminium an den Stellen, an denen die miteinander vereinbare Wärmedehnungskoeffi-

ein Meßfühlerelement gebildet werden soll» mit einer 60 zienten haben.

säurefesten Schicht versehen. Darauf wird in einem Spinell ist als ein Feststoffgemisch aus MgO und

weiteren Verfahrensschritt ein säureätzendes Alumi- Al₂O₃ üblich, mid ist ein guter Isolator, der als Flam-

nium vorgenommen, um das piezoresistive Material menschmelz- odwr Ciochralski-gewachsene Einkri-

um das Meßfühlerelemeiu herum freizulegen. Sodann stalle im Handel erhältlich ist. Ein Siliziutn-Einkri-

wird die säurefeste Schicht von dem Aluminium, das 65 stall kann auf jeder Fläche eines solchen Spinelt-Kri-

auf dem Meßfühlerelctnent verbleibt, entfernt, wor- stalls epitaxial aufgewachsen werden. Eine 2 μ starke

auf ein Zerstäubungsämn des freigelegten piezore- epitaxiale p-Siliziumschicht, die auf der (1, 1,

sistiven Materials vorgenommen wird, um dieses pie- I) Fläche einer 20 mil dicken Spinell'Basis epitaxial

5 6

aufgewachsen ist, ist im Handel erhältlich und kann Die Ablese- und Überwachungsmittel des Meßum-

als ein integriertes Plättchen bezogen werden. formers 10 können die Form einer üblichen Wheat-

Zur Herstellung eines mechanisch-elektrischen stoneschen Brückenschaltung haben, bei der die Wi- Wandlers für Druck aus dem vorstehend beschriebe- derstände 22, 24 die vier Arme einer solchen Brücke

nen Plättchen wird folgendes Verfahren angewendet: 5 bilden. Diese Schaltung und ihre Anschlüsse ist den

Das Plättchen wird mit verdampftem Aluminium Fachleuten bekannt. Die Ablese- und Überwa-

überzogen, und dieser Aluminiumüberzug wird dann chungsmittel könnten auch die Form einer L-Wider-

mit einer säurefesten Schicht in der Region bedeckt, standsbrücke haben, bei der entweder das lotrechte

die die gewünschte Orientierung des Meßfühlers um- Meßfühlerelement 14 a oder das Meßfühlereiement

reißt. Das Plättchen wird dann in eine Atzsäure ge- ΐσ 14 b verwendet wird.

bracht, die das Aluminium entfernt und das Silizium Der Ausgang der Ablese- und Überwachungsmittel

Überall freilegt, mit Ausnahme des umrissenen MeB- wird dann an die Signaländerungsvorrichtung 19 in

fühlerelementes, das von der säurefesten Schicht be- einer den Fachleuten bekannten Weise angeschlos-

deckt ist. Diese säurefeste Schicht wird nun entfernt, sen, um ein Signal zu erzeugen, das in einem Regel-

um den mit Aluminium bedeckten Meßfühler freizu- 15 system verwendet werden kann,

legen, und das ganze Plättchen wird entweder mit In der F i g. 3 weist ein würfelförmiger Meßumfor-

Säure oder durch Elektropolieren geätzt. Beim Zer- mer 10' im wesentlichen gleiche Flächen 13 auf, die

stäubungsätzen zerstäubt Aluminium im Vergleich die Basisregion umfassen. Die piezoresistiven Meß-

zum Silizium sehr tangsam. Somit wird das Silizium fühlerelemente 14 sind epitaxial auf der Fläche He

entfernt und das Spinell wird überall freigelegt, aus- «o des Meßumformers 10' aufgewachsen, obwohl sie

genommen unter dem Aluminium. Das Plättchen ebensogut auf jeder der Flächen 13 aufgewachsen

wird dann mit Säure geätzt, um auf dem Meßfühler sein könnten.

verbliebene Aluminiumrückstände zu entfernen und Der Vorteil des Würfel-Meßumformers 10' besteht

ein Spinell-Fenster zurückzulassen, mit dem ein darin, daß ein auf eine der Flächen 13 des Würfels,

Meßfühler in molekularem Kontakt und orientiert as die lotrecht zu dem Piezowiderstandsmuster stehen,

ist. Aluminium-Kontaktfahnen werden nun auf dem einwirkendes Drucksignal eine im wesentlichen

Spinell aufgelagert, so daß sie in Kontakt mit dem Si- gleichen Änderung des Widerstandes von den piezo-

lizium sind und als elektrische Kontaktpunkte die- resistiven Meßfühlern 14 erzeugen wird. Dadurch

nen. Die Signaländerungsvorrichtung 19 wird nun wird der Würfel-Meßumformer 10' besonders geeig-

mit der Basis 12 in einer den Fachleuten bekannten 30 net für die Anwendung in Meßumformern für Dif-

Weise — Epoxy, Löten usw. — verbunden. ferenzdruck.

Als Meßfiihlerumriß wurde ein Paar lotrechter Für Fachleute werden beim Lesen dieser Beschrei-Meßfühler entlang der anisotropen kristallographi- bung viele Abänderungsmöglichkeiten offensichtlich sehen Orientierung des Spinells gewählt, wodurch sein. Als Beispiel für solche Abänderungen könnte nur ein Schenkel jedes lotrechten Meßfühlerpaares 35 die Meßfühlerorientierung bezüglich der Basis 12 abdruckempfindlich ist. geändert werden, um aus den anisotropen Eigen-

Im Betrieb kann der Meßumformer 10 als das schäften des gewünschten Basismaterials Nutzen zu Meßfühlereiement vieler Prozeß-Druckgeber verwen- ziehen.

det werden, wie sie den Fachleuten bekannt sind. Die Thermistoren könnten auf dem Basismateria

Spinell-Basis 12 ist undurchlässig für viele Prozeß- 40 oder der Epitaxial-Schicht ausgebildet werden, um

medien wie z. B. NaOH und kann als die Meßfühler- für den Meßumformer 10 einen Temperaturausgleich

blende des Gebers zur direkten Meßfühlung des zu schaffen. Der Umfang dieser Erfindung schließi

Druckes des Prozeßmediums verwendet werden. diese erwähnten und sonstigen Abänderungen ein. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mechanisch-elektrischer Wandler für Druck mit einem Basiskörper aus dielektrischem Material und einer darauf angeordneten Schicht aus piezoresistivem Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Basiskörpers (12) und der Schicht (14 a, 14 b) einkristaU'm ist und daß das piezoresistive Material epitaxial auf dem Basiskörper (12) aufgewachsen ist.

2. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper ein Würfel (10') ist (F i g. 3).

3. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (19) zur Verstärkung der elektrischen Ausgangssignale vorgesehen und diese mit dem Basiskörper (12) verbunden sind und daß das piezoresistive Material p-SiHzium ist.

4. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das p-Silizium auf dem Basiskörper (12) in Form erster und zweiter lotrechter Streifen (22a, 22b; 24a, 24 b) angeordnet ist und daß diese Streifen (22a, 22b; 24a, 24i>) bezüglich des Basiskörpers (12) so ausgerichtet sind, daß der erste Streifen elektrisch unempfindlich gegen Druck ist, der auf den Basiskörper Ί2) einwirkt, und der zweite Streifen elektrisch empfindlich gegen diesen Druck ist.

5. Mechanisch-elektrische Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Streifen (22t/, 22b; 24a, 24 b) ohne Druckeinwirkung im wesentlichen gleichen Widerstand haben.

6. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoresistive Material auf einer (lll)-Fläche des Basiskörpers (12) aufgewachsen ist.

7. Mechanisch-elektrischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper ein Spinell ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines mechanisch-elektrischen Wandlers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine epitaxiale Schicht piezoresistiven Materials auf einem dielektrischen Basiskörper aufgewachsen wird, worauf eine selektive Entfernung dieses piezoresistiven Materials von dem dielektrischen Basiskörper in einem vorher bestimmten Muster erfolgt, um ein Meßfühlerelement zu bilden, und daß anschließend Kontaktfahnen auf dem Basiskörper in elektrischem Kontakt mit den Enden dieses Meßfühlerelementes angebracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoresistive Material zu- »ächst mit verdampftem Aluminium überzogen nlrd und danach das Aluminium an den Stellen, •ti denen ein Meßfühlerelement gebildet werden ■oll, mit einer säurefesten Schicht versehen wird, worauf ein Säureätzen des Aluminiums erfolgt, ■m das piezoresistive Material um das Meßfühlerelement herum freizulegen, und daß sodann die säurefeste Schicht von dem Aluminium, das ■uf dem Meßfühlerelement verbleibt, entfernt wird, Worauf ein Zerstäubungsätzett des freigelegten piezoresistiven Materials vorgenommen wird, um dieses piezoresistive Material von dem dielektrischen Material des Basiskörpers zu entfernen, und daß schließlich ein Säureätzen des Meßfühlerelementes erfolgt, um das Aluminium davon zu entfernen.