DE2745263A1

DE2745263A1 - Messfuehler mit dehnungsmesstreifen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2745263A1
Application number: DE19772745263
Authority: DE
Inventors: Pierre Deschamps; Jacques Fournier; Roger Moura; Rene Rose
Original assignee: Schlumberger SA
Current assignee: Schlumberger SA
Priority date: 1976-10-08
Filing date: 1977-10-07
Publication date: 1978-04-13
Also published as: FR2367280A1; FR2367280B1; IT1085284B; NL7711021A; BE859016A; GB1562139A

Description

Dipl.-Ing Dipl-Chem Dipl.-Ing

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Er nsber ger st rass e 19

8 München 60

SCHLUMBERGER INDUSTRIE 7. Oktober 1977

12, Place dee Etats-Unis 92120 Montrouge / Frankreich

Unser Zeichen: C 3142

Meßfühler mit Dehnungsmeßstreifen und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft Dehnungsmeßstreifen-Meßfühler für physikalische Größen und insbesondere einen solchen Meßfühler, der mit einem Temperaturfühler ausgestattet ist, sowie sein Herstellungsverfahren.

Bekanntlich sind Meßfühler mit aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen zum Messen von physikalischen Größen, wie Kraft, Druck und Verschiebung, verwendbar. Diese Meßfühler enthalten im allgemeinen ein empfindliches Element, das aus einer Membran oder einem Balken aus isolierendem oder aus durch einen Auftrag eines isolierenden Substrats, wie Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid,isolierend gemachtem Werkstoff besteht. Auf die Membran ist im Vakuum eine Anordnung aus vier Meßstreifen und ihren Anschlüssen derart niedergeschlagen worden, daß sie eine elektrische Widerstandsbrücke bilden. Wenn die Membran der Verformung ausgesetzt ist, die aus dem Anlegen der zu messenden physikalischen Größe resultiert, ergibt sich eine

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Verstimmung der Meßstreifenbrücke durch Änderung ihres Widerstandes und es wird ein Ausgangssignal abgegeben, das die betreffende Größe darstellt.

Aus verschiedenen Gründen wird dieses empfindliche Element auch durch die Temperatur beeinflußt. Dieser Einfluß muß korrigiert werden, damit er nicht als eine Änderung des Signals der physikalischen Größe selbst interpretiert wird. Diese Korrektur erfolgt am häufigsten durch Einfügung von wärmeempfindlichen Elementen, die als Temperaturfühler dienen, in der Nähe des empfindlichen Elements angeordnet und in die dem Meßfühler zugeordnete elektronische Meßschaltung geschaltet sind. Nachteilig ist bei dieser Lösung, daß die Temperatur des Temperaturfühlers nicht genau mit der des empfindlichen Elements identisch ist und daß insbesondere eine schnelle Änderung der Umgebungsbedingungen einen großen vorübergehenden Fehler verursacht, solange die Anordnung aus dem Temperaturfühler und dem empfindlichen Element kein thermisches Gleichgewicht erreicht hat. Zur Vermeidung dieses Fehlers ist es daher erwünscht, den Temperaturfühler in das empfindliche Element des Meßfühlers zu integrieren, damit er denselben thermischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist.

Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Meßfühlers mit aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen, der mit einem in das empfindliche Element integrierten Temperaturfühler versehen ist, sowie eines Verfahrens zur gleichzeitigen Herstellung dieses empfindlichen Elements und seines Temperaturfühlers.

Das Verfahren nach der Erfindung enhält folgende Schritte:

a) Es werden nacheinander auf ein verformbares isolierendes Substrat eine Schicht aus einer Metallegierung und eine erste dünne Metallschicht aufgebracht,

b) eine zweite dicke Metallschicht wird auf die erste dünne Metallschicht aufgebracht,

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c) die so aufgebrachten Schichten werden selektiv geätzt, so daß auf dem isolierenden Substrat nur eine Brücke aus Meßstreifen aus Metallegierung bestehen bleibt, die durch metallische Verbindungen aus dicken Schichten in einer bestimmten Konfiguration miteinander verbunden sind, und ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der zweiten dicken Metallschicht nicht eine selektiv gewählte Zone der dünnen Metallschicht bedeckt, so daß diese Zone der dünnen Metallschicht den Temperaturfühler des Meßfühlers bildet.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es gestattet, im Verlauf der Operationen des Auftragens der Meßstreifen gleichzeitig den Temperaturfühler herzustellen. Da dieser Temperaturfühler mit Hilfe derselben Werkstoffe hergestellt wird, die für die Herstellung der Meßstreifenbrücke benutzt werden, ist darüberhinaus sein Herstellungspreis vernachlässigbar und läßt sich gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Meßfühlers verbessern und eine vollkommene Reproduzierbarkeit in der Serienfertigung erzielen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das empfindliche Element eines Meßfühlers nach der Erfindung, und

Fig. 2 einen Schnitt in einer Mittelebene H-II.

Zuerst wird das übliche Verfahren für die Herstellung eines Meßfühlers beschrieben, der nicht mit einem Temperaturfühler ausgerüstet ist, und anschließend wird gezeigt, wie dieses Verfahren gemäß der Erfindung modifiziert wird, um den Temperaturfühler zu erhalten. Gemäß den Fig. 1 und 2 wird auf

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eine Membran 10 aus einem Werkstoff, der durch einen überzug aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid isolierend ist, zuerst im Vakuum eine dünne Schicht 11 mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,02 μΐη aus einem Werkstoff niedergeschlagen, der die Meßstreifen bilden soll, beispielsweise eine Nickel-Chrom-Legierung oder Konstantan, deren k-Faktor zwischen 2 und 3 liegt, wobei dieser Faktor das Verhältnis der relativen Widerstandsänderung zu der relativen Längenänderung ist. Auf dieser Legierungsschicht 11 wird anschließend im Vakuum eine erste dünne Metallschicht 12 mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,04 um niedergeschlagen, die vorzugsweise aus Gold besteht. Dann wird diese erste Metallschicht durch elektrolytischen Niederschlag mit einer zweiten dicken Metallschicht 13 mit einer Dicke in der Größenordnung von 1 μτα verstärkt, die vorzugsweise aus Gold besteht, aber auch aus einem anderen elektrisch gut leitenden Metall, wie etwa Platin, Silber oder Nickel bestehen kann.

Durch Maskierung mit Hilfe von lichtempfindlichen Harzen, die die zu bewahrenden Stellen schützen, wird eine lokale Ätzung der übereinander angeordneten Schichten 11, 12, 13 so durchgeführt, daß diese Schichtanordnung nur in der mit 15 bezeichneten Konfiguration bestehen bleibt. Dann wird durch einen selektiven chemischen Angriff einerseits die Metallegierung an vier Stellen J1 bis J4, die so die vier Meßstreifen der Meßbrücke bilden, und andererseits die dicke Metallschicht auf vier Bahnen 14, die die Verbindungen zwischen den vier Meßstreifen bilden, freigelegt. Die Anordnung 15 bildet eine Meßbrücke, die mit ihrer Versorgungsschaltung und mit ihrer Ausgangsschaltung durch Golddrähte verbunden werden kann, welche durch Thermokompression auf den Leiterbahnen an den zu diesem Zweck erweiterten Stellen 16 bis 19, die die vier Anschlußklemmen der Brücke bilden, angebracht werden.

Die Wahl von Gold zur Herstellung der beiden Metallschichten 12 und 13 der Schichtanordnung ist durch dessen Beständigkeit

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und Schweißbarkeit durch Thermokompression begründet.

Die Meßstreifen J1 bis J4 sind für die Verformung der Membran unter der Einwirkung der zu messenden physikalischen Größe empfindlich. Im allgemeinen werden die Meßstreifen J1 und J2 auf Dehnung und die Meßstreifen J3 und J4 auf Zusammendrückung beansprucht.

Es könnte daran gedacht werden, den Temperaturfühler in derselben Weise herzustellen. Die Legierung der Dehnungsmeßstreifen ist aber so gewählt, daß sich ihr spezifischer Widerstand stark mit der Verformung, aber wenig mit der Temperatur ändert. Für den Temperaturfühler muß dagegen ein Werkstoff gewählt werden, dessen spezifischer Widerstand sich stark mit der Temperatur ändert, damit die Korrektur einfach ist und damit sein Temperaturkoeffizient groß gegenüber Verformungseffekten ist.

Gemäß der Erfindung wird der Temperaturfühler im Verlauf der Herstellung der Meßbrücke hergestellt, indem die erste dünne Metallschicht 12 folgendermaßen benutzt wird: mit Hilfe von lichtempfindlichen Masken oder mit Hilfe jeder anderen geeigneten Maßnahme wird die gewünschte Stelle des Temperaturfühlers 20 auf der Membran 10 örtlich geschützt, um den Niederschlag der zweiten dicken Metallschicht 13 in dieser Zone zu verhindern. Anschließend wird dieselbe Zone durch ein Harz oder durch irgendeinen anderen Stoff geschützt, der in der Lage ist, die Ätzung zu überstehen, durch die die Meßstreifen mit ihren Verbindungen freigelegt werden. Es ist jedoch vorgesehen, die Metallschichten nicht auf dem gesamten Umfang der Zone 20 zu entfernen, sondern sie in zwei Gebieten 21, 22 stehenzulassen, die als Verbindungen für den Temperaturfühler 20 mit der Ausgangsschaltung dienen.

Die Membran 10 wird so mit ihrer Brücke aus Meßstreifen J1 bis J4 und mit ihrem Temperaturfühler 20 versehen, welch letz-

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terer im Verlauf der Herstellung der Brücke hergestellt worden ist, ohne daß das Verfahren modifiziert werden mußte, mit Ausnahme der zusätzlichen selektiven Schutzüberzüge für die Stelle 20 im Verlauf der Operation des Niederschiagens der zweiten Metallschicht 13 und für die Stellen 20, 21, 22 im Verlauf der Ätzoperationen.

Eine weitere Lösung könnte darin bestehen, für den Temperaturfühler 20 gleichzeitig die Schichten 12 und 13 zu verwenden. Der in diesem Fall erhaltene Widerstand wäre aber viel zu gering, um das gewünschte Korrektursignal zu liefern. Es wäre auch möglich, den Temperaturfühler 20 allein durch Ätzung der dicken Schicht 13 herzustellen. Diese Herstellungsart würde aber eine zusätzliche Operation erfordern und würde nicht gestatten, eine Metallschicht von gleichmäßiger Dicke in der Größenordnung von einigen Hundertstel Mikrometern zu erhalten, und ferner wäre sie nicht reproduzierbar. Es ist viel vorteilhafter, mit Maskierung der ersten dünnen Schicht zu arbeiten.

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Claims

Patentanwälte 2 7 A 5 2 6 3 Dipl.-Ing Dipl.-Chem. Dipl.-hig E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser Er nsbei gerstrasse 19 8 München 60 SCHLUMBERGER INDUSTRIE 7. Oktober 1977 12, Place des Etats-Unis 92120 Montrouge / Frankreich Unser Zeichen: C 3142 Patentansprüche :

1.1 Verfahren zur gleichzeitigen Herstellung eines Meßfühlers mit Dehnungsmeßstreifen und mit einem Temperaturfühler, die auf dasselbe Substrat aufgebracht werden, in folgenden Schritten:

a) Auftragen einer Schicht aus einer Metallegierung und einer ersten dünnen Metallschicht nacheinander auf ein verformbares isolierendes Substrat,

b) Auftragen einer zweiten dicken Metallschicht auf die erste dünne Metallschicht, und

c) selektives Ätzen der so aufgebrachten Schichten derart, daß auf dem isolierenden Substrat nur eine Brücke aus Meßstreifen aus Metallegierung bestehen bleibt, die durch metallische Verbindungen aus dicken Schichten in einer bestimmten Konfiguration miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag der zweiten dicken Metallschicht nicht eine selektiv gewählte Zone der dünnen Metallschicht bedeckt, so daß diese Zone der dünnen Metallschicht den Temperaturfühler des Meßfühlers bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch selektive Ätzung von der dicken Metallschicht auch Gebiete

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ORIGINAL INSPECTED

stehengelassen werden, die Anschlüsse für den Temperaturfühler bilden.

3. Meßfühler mit Dehnungsmeßstreifen, hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Temperaturfühler aufweist, der aus einer Zone der ersten dünnen Metallschicht besteht.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste dünne Schicht und die zweite dicke Schicht aus dem gleichen Metall hergestellt sind.

5. Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Gold, Platin, Silber oder Nickel ist.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler derart in eine Meßschaltung geschaltet ist, daß er die Angaben des Meßfühlers in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen, denen dieser ausgesetzt ist, korrigiert.

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