DE2921043C2

DE2921043C2 - Druckmeßwertwandler

Info

Publication number: DE2921043C2
Application number: DE2921043A
Authority: DE
Inventors: Andre Thomas Glenview Ill. Ambromaitis; Roger L. Mentor Ohio Krechmery
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1978-08-28
Filing date: 1979-05-23
Publication date: 1985-07-04
Also published as: FR2435022B1; GB2029094A; ES480076A1; DE2921043A1; IT1112793B; BR7902641A; CA1134021A; AU503379B1; JPS5533092A; ES480075A1; FR2435022A1; IT7922259A0; GB2029094B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckmeßwertwandler gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wandler, welche eine Widerstandsänderung entsprechend der auferlegten Druckänderung erzeugen, haben bisher Dünnfilmdehnungswandler sowie Halbleikrwandler umfaßt.

Es sind Halbleiterdruckwandler bekannt, bei welchen die Dehnungsmeßstreifenwiderstände auf einer Seite einer Einkristallhalbleitermembrane z. B. aus Silizium gebildet sind, in welcher ein Dotiermaterial wie z. B. Bor verteilt bzw. hineindiffundiert ist. Die Meßwiderstände sind normalerweise auf der Membrane so angeordnet, daß sie eine Brücke bilden, wobei die Meßwiderstände gleichzeitig zug- und druckbelastet sind, wenn die Membrane durch eine Kraft oder einen Druck, der auf die Membranoberfläche aufgebracht wird, durchgebogen wird. Es sind viele Konfigurationen von Widerstandselementen auf solchen Siliciummembranen bekannt. Beispiele solcher verschiedenen Konfigurationen sind in den US-PS 35 37 319 und 36 97 918 beschrieben.

Unabhängig von der Widerstandskonfiguration haben Druckwandler, welche diffundierte Widerstandsdehnungsmesser verwenden, sowohl lang- wie auch kurzfristige Driftprobleme, welche durch eine Anhäufung von Ladungen auf der Wandleroberfläche mit den in diese hineindiffundierten Dehnungsmessern verursacht werden. Solche Oberflächenladungen können durch eine Polarisierung des mit dem Wandler in Berührung stehenden Fluids, durch äußere Spannungsquellen, wie z. B. Gleichtaktstörspannungsquellen sowie durch andere Phänomene entstehen. Die Wirkung einer Oberflächenladung auf dem Wandler kann wie folg«, beschrieben werden. Ladungen auf der Oberfläche einer Oxidschicht, welche einen Halbleiter bedeckt, induzieren Spiegelladungen in dem Halbleitermaterial. Wenn der Halbleiter z. B. ein η-Halbleiter ist, stößt eine negative auf der Wandleroberfläche induzierte Oberfiächenladung negative Ladungen in dem Halbleiter zurück, wodurch eine Verringerung der Elektronenzahl in diesem Bereich verursacht wird Dies wird »Verarmung« genannt, da die Majoritätsträger in dem Halbleiter in diesem Bereich verarmt werden. Wenn auf der Oberfläche der über dem η-Typ Wandler angeordneten Oxidschicht eine positive Oberfläch ?nladung induziert wird, tritt ein Anstieg in der Elektronenzahl in diesem Bereich auf. Diese Wirkung wird »Anhäufung« genannt. Die gleichen Wirkungen treten mit p-Typ Material auf, wobei jedoch die Polarität der Spannungen umgekehrt ist. Im Falle des hineindiffundierten piezoohmschen Dehnungsmessers ist sowohl η-Typ wie auch p-Typ Material vorhanden. Das Grundmaterial ist ein η-Typ Material und die hineindiffundierten widerstände sind p-Typ Material.

Wenn der Dehnungsmesseraufbau der Wirkung von Oberflächenladungen auf der Oxidwandleroberfläche ausgesetzt wird, können die diffundierten Widerstände ihren Widerstand verändern und die Sperrströme ansteigen, woraus sien mögliche Änderungen des wirksamen Ausgangssignals des Dehnungsmeßwandlers ergeben.

Das oben erwähnte Phänomen ist bei der Verwendung von diffundierten piezoohmschen Druckwandlern als Druckmeßelement in einem fluidgefüllten absoluten Druckgeber beobachtet worden. Wenn eine Spannungsquelle zwischen das Gehäuse des Druckgebers und entweder die positive oder negative Klemme der Quelle eingeschaltet wu^rde, wurde eine geringfügige Änderung des Ausgangssignals des Druckgebers !estgestellt mit einer Zeitkonstanten im Bereich zwischen einer halben und einer Stunde. We;ii die Polarität der Spannung umgekehrt wurde, verschob sich das Ausgangssignal des Druckgebers in der entgegengesetzten Richtung. Es wird vermutet, daß eine langsame Polarisierung des Fluids innerhalb des Gehäuses des Druukgebers auftrat. Bei Ersetzen der Gleichstromquelle durch eine Wechselstromquelle wurde der erwähnte Effekt reduziert, jedoch nicht eliminiert.

In der älteren deutschen Patentanmeldung P 29 13 772.2 ist ein Druckmeßwertwandler gemäß

Ί0 Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben. Die Schicht aus elektrisch leitendem Matet il. die über der das pie zoohmsche Material bedeckenden Oxidschicht angeordnet ist. dient der Verbesserung und Vereinfachung der Verbindung zwischen dem eigentlichen Halbleiter-Druckwandler und einem Deckglied. Da die Piezowiderstandselemente in ein<.m inaktiven Zustand oder einer Vakuumkammer sind, werden die Pie/owiderstands-Kennlinien und die Isolierkennlinien des pn-Übergangs von ihnen gegenüber der Umgebung gc schützt.

Die vorliegende Erfindung im darauf gerichtet, du: Unzulänglichkeiten der bekannten Wandler, insbesondere die durch Oberflächenladungen verursachten Driftprobleme zu vermeiden.

Dies wird bei einem Druckmeßwertwandler gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 erreicht. Durch die erfindungsge-

mäße gleichzeitige elektrische Verbindung der Schicht aus elektrisch leitendem Material und des piezoohmschen Materials mit der positiven Klemme einer Gleichspannungsquelle mit im wesentlichen konstantem Potential können eine Ansammlung von überschüssiger Oberflächenladung, welche, falls sie auftreten sollte, unmittelbar in die Gleichspannungsquelle abgeführt wird, und die mit einer solchen überschüssigen Oberflächen-Indung verbundenen Driftprobleme vermieden werden.

Bei einer vo.tsilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Schicht aus elektrisch leitendem Material, weiche die Oxidschicht bedeckt, eine Schich« aus Chrom und siner darüberliegenden Schicht aus Gold auf.

Eine beispielhafte Ausfuhrungsfarm der vorliegenden Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht des Druckmeßwertwandlers gemäß der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 eine Querschnittansicht des Druckmeßwertwandlers längs der Linie 2-2 der Fig. 1, und

F ί g. 3 einen elektrischen Schaltpian, welcher die elektrische Verbindung des Oberflächenladun^ischildes des Druckwandlers der F i g. 1 und 2 zeigt.

In den F i g. 1 und 2 ist ein piezoohmscher Halbieiterdruckwandleraufbau 10 zur Verwendung in einem bekannten fluidgefüllten Druckgeber (nicht gezeigt) gezeigt, welcher die Widerstandsänderung des Wandleraufbaus 10 entsprechend den Druckänderungen überwacht, um hierdurch eine Anzeige des auf den Wandleraufbau 10 ausgeübten Druckes zu schaffen.

Der Druckwandleraufbau 10 weist eine Grundplatte 12 aus η-Typ Silicium-Blockmateria! auf, in das ein p-Typ Dotiermaterial hineindiffundiert ist, um eine Reihe von druckempfindlichen Widerständen R zu bilden. Bei dem vorliegenden Aufbau 10 sind fünf einzelne Widerstandsmuster hineindiffundiert mit zwei mittig angeordneten Widerständen R_c und R'_c, welche bei Verwendung des Wandleraufbaus 10 im Druckübertrager bzw. -geber die unter Druck stehenden Widerstände sind. Die Endwiderstä/ide R, und /?',, welche iängs des Umfangs des Wandleraufbaus 10 in Reihe mit den Druckwiderständen R, und /?', angeordnet sind, sind die Widerstände, welche bei Verwendung des Wandleraufbaus 10 in dem Druckgeber unter Zug stehen. Ein fünfter Widerstand Rt ist rechtwinklig zu den druckempfindlichen Widerständen R angeordnet, um den fünften Widerstand Rk druckunempfindlich zu machen. Der Widerstand /?» ist in die Grundpiatte 12 h.neindiffundiert und kann als Temperaturkompensationswiderstand verwendet werden.

Beim Diffusionsvorgang. bei welchem ein Dotiermaterial in das η-Typ Silicium-Grundmaterial hineindif'undiert. um die p-Typ diffundierten Widerstände zu bilden, wird Iängs der gesamten Oberfläche der Grundplatte, in welche die Widerstände hineindiffundiert werden, eine Schicht aus Siliciumdioxid gebildet. Die Siliciumdioxidschicht wirkt als elektrischer Isoletor und als Schutzschicht für die Halbleitereinrichtung, weiche durch die Diffusion von Verunreinigungen in die n-Typ-Grundplatie /ur Ausbildung der diffundierten Widerstände /?,, R'c, Ri, R', gebildet ist. Diese Siliciumdioxidschicht wird selektiv in einer Weise entfernt, welche später beschrieben wird, um eine Schicht 14 auf der Oberfläche der Grundplatte mit Ausnahme der elektrischen Kontaktbcreiche 16 für die Widerstände R_c, R'_c, Ri, R'i zurückzulassen und die elektrische Verbindung von R₁- zu R, zu erleichtern.

Wenn man den soweit beschriebenen Aufbau betrachtet, wird angemerkt, daß ein funktionierender Halbleiterdruckwandleraufbau durch Schaffung eines elektrischen Kontaktes zu den Kontaktpunkten 16 in den Bereichen erhalten wird, in welchen die Siliciumdioxidschicht entfernt worden ist, wodurch die Messung der Widerstandsänderungen über den Widerständen R,. R\, R, und R', möglich ist. Wie jedoch bereits bei der Erörterung des Standes der Technik erwähnt worden ist. kann der Aufbau einer Oberflächeniadung eine Verarmung oder Anhäufung bewirken, welche störend in den stationären kontinuierlichen Betrieb des in einem Druckübertrager montierten Wandleraufbaus 10 eingreifen würde. Um dieses Problem zu vermeiden, ist eine Schicht 18 aus Chrommaterial mit einer Dicke zwischen 750 und 1000 Ä über den Widerständen R_c, R'c R: und R', abgelagert, gefolgt von einer Schicht 20 aus Goldmaterial mit einer Dicke von ungefähr 5000 Ä über dem Chrommaterial. Die Chrommaterialschicht 18 wird zuerst abgelagert, da die Goldmatenalschicht nicht so leicht an der η-Typ Silicium-Grund »Wtte 12 und der Siüciurn-Oxidschieht !4 haftet, wie dies die Chromschicht 18 tut. Andererseits haftet die Goldschicht 20 sehr gut an der Chromschicht 18. Da die Goldschicht 20 im Hinblick auf die Korrosionsbeständigkeit und nohe elektrische Leitfähigkeit wünschenswert ist, wird die Chromschicht 18 als Zwischenschicht verwendet. Der Temperaturkompensationswiderstand Rk ist nicht mit einer Chrom-Gold-Abschirmschicht 18, 20 bedeckt, da er bei der tatsächlichen Druckmessung nicht wie die Widerstände R_c und R, ins Spiel kommt. Aus Herstellungsgründen wird der Kontakt mit den diffundierten Widerständen R^ R¹^R, und R', mit der gleichen Chrom-Gold-Schicht hergestellt, weiche für den Schirm benutzt wird, wobei Leitungen über die Oberfläche der Siliciumdioxidschicht zu großen Kissen für die Befestigung von Drähten von einer äußeren Quelle ausgestreckt sind.

Bei der Montage des Wandleraufbaus 10 in einem Druckgeber wird der Wandleraufbau 10 normalerweise mit einem hohlen Unterstützungsaufbau 17 verbunden, welcher eine Druckübertragung auf die Widerstände /?,. R\: R, und R ermöglicht. Um die Ausrichtung des Wandleraufbaus !0 mit diesem Unterstützungsaufbau 17 zu erleichtern, sind eine Reihe von Ausrichtungsringen 22 auf der Oberfläche des Wandleraufbaus 10 geformt, welche den inneren Umfang 19 des Untcrstützungsaufbaus 17 bestimmen und die Ausrichtung dieses durch die Ringe 22 bestimmten Umfangs mit dem tatsächlichen Umfang 19 aes Unterstützungsaufbaus 17 erfordern.

Wie in F i g. 3 gezeigt, werden, wenn der Wandleraufbau 10 in einem Druckgeber montiert ist, die nachfolgenden elektrischen Verbindungen mit den Meßwiderstand'·-. R₁ und R, sowie der die Meßwiderstände R, und R, bedeckenden Chrom-Gold-Abschirmschicht 18, 20 hergestellt. Bei der ■ orliegenden Ausfühmngsform wird nur der druckbelastete Widerstand A₁ .n Verbindung mit seinem benachbarten zugbelasteten Widerstand R verwendet. Eine Gleichspannungsquelle von ungefähr 10 Volt wird an die seriengeschalteten Widerstände R. und R, angelegt und der Ausgang des zugbelasteten Widerstands Rt wird überwacht. Wenn sich der auf den Wandleraufbau 10 aufgebrachte Druck äidert, ändert sich ebenfalls der Widerstand der Widerstände R_c und Ri in bekannter Weise, wodurch die Spannungs- und/ oder Stromänderung am Widerstand Ri die Anzeige des Druckes ermöglicht. Wie gezeigt, sind die Chrom-Gold-Schirme 18,20, welche die Widerstände R_c und R, bedek-

ken. elektrisch durch einen Schaltdraht 24 verbunden, wobei die beiden Schirme ihrerseits durch eine Leitung 26 mit der positiven Klemme der 10 Volt-GIeichspannungsquelle verbunden sind. Die Leitung 26 ist bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 tatsächlich eine der Spuren bzw. Leiter 20, die zum äußeren Umfangskissen zur äußeren Leitungs- bzw. Drahtverbindung verlaufen. Diese Verbindung des Gold-Chrom-Schirms 20, 18 mit der gleichen Spannungsquelle, welche mit den Widersländen R_c und Ri verbunden ist, scheint den Schirm auf einem festen Potential in bezug zur Grundplatte zu halten und verhindert die Anhäufung von Oberflächenladung über den Widerständen R₁ und R₁, welche ihre Effektivwerte und das Ausgangssignal des Meßfühlers in der oben beschriebenen Weise ändern würde. Demzufolge ist keine veränderliche Spiegelladung von irgendeiner Oberflächenladung möglich, da jede überschüssige Ladung, welche eine Schirmspannung induzieren ^W'M

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nung abweicht, in die Spannungsquelle abgeführt wird. Demzufolge sind die oben erörterten Driftprobleme, welche normalerweise mit solchen Meßwiderständen, die einer Oberflächenladungsanhäufung unterworfen sind, verbunden sind, wirksam eliminiert.

Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird ein klares Verständnis des Druckwandleraufbaus 10 nach der folgenden Erörterung des Herstellungsverfahrens des Aufbaus 10 erhalten.

Wie oben bereits erwähnt, werden die p-Typ-Widerstände in die π Typ Grundplatte hineindiffundiert zur Ausbildung von Widerständen R₁-, R'^ R, und R',. Als Folge dieses Diffusionsprozesses wird eine Siliciumdioxidschicht auf der gesamten Oberseite 28 des n-Typ Siliciummaterials 12 gebildet. Um für die Widerstände Rc ÄV. Ri. R'i und Ä« elektrische Kontakte zu schaffen, wird eine Reihe von Punkten 16 unter Verwendung bekannter Ätztechniken weggeätzt, welche sich nach unten bis zu dem p-Typ Siliciummaterial der Piezowiderständo /?., R'.. R, und R', sowie des Temperaturkompensationswiderstandes R_t zur Ausbildung elektrischer Kontakte erstrecken. Das Siliciumdioxidmaterial wird auch in dem Bereich weggeätzt, welcher sich vom Umfang 30 b;s zum Ende der Seiten 32 des Druckwandleraufbaus 10 erstreckt. Dieser weggeätzte Bereich wird als Kontaktbereich verwendet, um den Chrom-Gold-Schirm 18,20. der sich über den Widerstand R, erstreckt, leicht mit dem Chrom-Gold-Schirm 18,20. der sich über den Widerstand R_c erstreckt, zu verbinden durch Verbindung des Schaltdrahts 24 zwischen dem Bereich außerhalb des Umfangs 30 und des Schirms 18, 20 über dem Widerstand Rc. Es wird angemerkt, daß der Schirm 18, 20 über dem Widerstand R, mit dem weggeätzten Bereich, der sich jenseits des Umfangs 30 erstreckt, durch Leitungsbahnen (runners) 34 verbunden wird, welche während des später beschriebenen Verfahrens gebildet werden. Um den Oberflächenschirm über den Widerständen R^ /?V. R und R₁ zu bilden, wird eine Schicht 18 aus Chrom auf die gesamte Oberfläche der Grundplatte 12 einschließlich der geätzten und ungeätzten Teile vakuurnaufgedampft. Dieses bekannte Vaku- ω umaufdampfungsverfahren wird fortgesetzt, bis die Chromschicht 18 in einer Dicke zwischen 750 und lOOOÄ abgelagert ist. Chrom wird verwendet, da es ausgezeichnete Haftungseigenschaften mit dem n-Typ Siliciummaterial sowie mit dem Siliciumdioxidmaterial aufweist und außerdem den gewünschten Umfang an elektrischer Leitfähigkeit hat. Anschließend wird eine 5000 Ä dicke Goldschicht 20 auf die gesamte Chromschicht 18 vakuumaufgedampft. Gold hat eine ausgezeichnete Adhäsion mit Chrom sowie Korrosionswiderstandsfähigkeil und ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit. Der Grund, daß Gold nicht direkt auf der n-Typ Silicium und der Siüciumdioxidoberfläche abgelagert wird, besteht darin, daß Gold, welches wünschenswert ist aus Gründen der Korrosionsbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit, eine relativ geringe Haftung bzw. Adhäsion mit den vorgenannten Oberflächen hat,

ίο wobei es jedoch eine ausgezeichnete Adhäsion mit der Chromoberfläche 18 aufweist. Anschließend wird photoohmsches Material auf die Goldoberfläche 20 aufgebracht und die mit photoohmschen Material bedeckte Oberfläche wird dann durch eine Maske belichtet, welehe eine Belichtung der Bereiche 20 und 22 in Fig. 1 ermöglicht, während die Bereiche 14 in Fig. 1 abgedeckt sind. Die Maske wird dann entfernt und das photoohmsche Material in bekannter Weise entwickelt, wodurch das unbelichtete photoohmsche Material aus den Bereichen 14 in F i g. 1 entfernt wird. Anschließend werden bekannte Ätzmaterialien verwendet, um das Gold in den Bereichen, welche nicht durch das photoohmsche Material geschützt sind, wegzuätzen, gefolgt von einem Wegätzen des Chroms aus den gleichen nicht durch das photoohmsche Material geschützten Bereichen. Es werden gesonderte Ätzmaterialien verwendet, um individuell das Gold und Chrom wegzuätzen, da ein Universalätzmit'sl, das gleichzeitig in effektiver Weise beide Materialien entfernt, nicht gefunden worden ist. Die vorgenannten Schritte lassen einen fertig bearbeiteten Wandleraufbau 10 zurück, wie er in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist. Obwohl ein Deckbelag über den gesamten Aufbau plaziert werden könnte, hat sich ein solcher Belag nicht als erforderlich erwiesen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit abgeschirmten piezoohmschen Dehnungsmessern versehener Druckmeßwertwandler mit einem η-leitenden Grundmaterial, einem p-leitenden, in dem η-leitenden Grundmaterial ausgebildeten piezoohmschen Material, einer über dem p-leitenden piezoohmschen Material angeordneten Oxidschicht, die als elektrischer Isolator für das piezoohmsche Material wirkt, einer Schicht aus elektrisch leitendem Material, die über der das piezoohmsche Material bedeckenden Oxidschicht angeordnet ist und gegenüber dem piezoohmschen Material elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schicht (18,20) aus elektrisch leitendem Material als auch das piezoohmsche Material (Rc R,) mit der positiven Klemme einer Gleichspannungsquelle mit im wesentlichen konstantem Potential elektrisch verbunden ist, um das über dem piezoohmschen Material angeordnete elektrisch leitende Material auf dem gleichen Potential wie das piezoohmsche Material zu halten und um hierdurch eine Ansammlung von überschüssiger Oberflächenladung, welche eine Verschiebung des Meßwertes des piezoohmschen Materials verursachen würde, auf der Schicht aus elektrisch leitendem Materia! zu verhindern.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus elektrisch leitendem Material, welche die Oxidschicht (14) bedeckt, eine Schicht (18) aus Chrom und eine darüber liegende Schicht (20) aus Grid aufv -;ist.