DE2926154C2 - Drucksensor mit einer Halbleitermembran - Google Patents

Drucksensor mit einer Halbleitermembran

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DE2926154C2
DE2926154C2 DE2926154A DE2926154A DE2926154C2 DE 2926154 C2 DE2926154 C2 DE 2926154C2 DE 2926154 A DE2926154 A DE 2926154A DE 2926154 A DE2926154 A DE 2926154A DE 2926154 C2 DE2926154 C2 DE 2926154C2
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pressure sensor
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Teruyoshi Yokohama Mihara
Tamotsu Tominaga
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem druckempfindlichen Element, das einen Körper aus einem kristallinen Halbleiter aufweist von dem ein Teil als Membran ausgeführt ist, in deren Frontseite mindestens ein diffundierter Widerstand in einem Oberflächenbereich ausgebildet ist, mit einem Gehäuse, das das druckempfindliche Element umschließt und einen HaI-ter aus einem elektrisch nichtleitenden Material aufweist, dessen linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient nahezu gleich dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des kristallinen Halbleiters ist, wobei der Körper aus dem kristallinen Halbleiter fest so auf dem HaI-ter montiert ist, daß die Membran in ihrer Gesamtheit einen Abstand von der Innenseite des Gehäuses aufweist und ein hermetisch geschlossener Raum zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Frontseite der Membran entsteht, wobei dieser Raum auf einem vorbestimmten Druck gehalten wird, so daß der Raum als Vergleichsdruckkammer dient und wobei das Gehäuse mit einer Durchgangsbohrung versehen ist, um einen zu messenden Fluiddruck in das Innere des Gehäuses gelangen und an der Rückseite der Membran ankommen zu lassen.
Es ist bekannt Drucksignale in elektrische Signalwerte unter Ausnutzung des Piezo^Widerstandseffekts eines Halbleiterkristalls umzuwandeln. Ein typischer
Drucksensor, der auf diesem Verfahren beruht, weist eine Siliciumplatte oder einen Siliciumkörper auf. von dem ein Teil in Art einer Membran oder einer dünnen Schicht ausgebildet ist, an deren Oberflächenbereich ein diffundierter Widerstand erzeugt wurde. Der Siliciumköprer ist fest an einer Grundplatte aus einem elektrisch isolierenden Material befestigt und in einer Gehäuseanordnung so eingeschlossen, daß der diffundierte Widerstand einer in dem Gehäuse gebildeten Vakuumkammer zugewendet liegt, während ein zu messender Fluiddruck auf die andere Seite der dünnen Siliciumschicht oder der Siliciummembran durch ein an dem Gehäuse angebrachtes Rohr und eine durch die Platte gebohrte Öffnung aufgebracht werden kann. Der Siliciumkörper ist luftdicht mit der Basisplatte verbunden, welche wiederum mit einer Innenfläche des Gehäuses verbunden ist, so daß der Fluiddruck nicht in die Vakuumkammer eindringt und aus diesem Grund nicht an dem diffundierten Widerstand ankommt Wenn ein Druckunterschied an beiden Seiten der dünnen Siliciumschiclit besteht, verändert sich der Widerstandswert des diffundierten Widerstands proportional zu der dadurch erzeugten Verspannung der Silidumschicht
Im Vergleich zu den bekannteren Drucksensoren, die mit Metalldrähten aufgebaut sind, besitzt der Siiiciummembrandrucksensor eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit und dient deshalb zur genauen Messung von Druckunterschieden auch sehr geringer Größe. Da der diffundierte Widerstand immer von der äußeren Gasatmosphäre isoliert ist, arbeitet ein derartiger Drucksensor auch dann stabil, wenn er in einer chemisch aktiven Gasatmosphäre verwendet wird. In jüngster Zeit sind solche Drucksensoren in der Automobilindustrie, beispielsweise zur genauen Messung des Unterdrucks im Ansaugsystem eines Motors, eingesetzt worden, um eine genaue Steuerung entweder des Luft/Brennstoff-Verhältnisses oder der Auspuffgas-Wiedereinführrate zu ermöglichen.
Beim praktischen Einsatz arbeitet jedoch der beschriebene Siliciummembrandrucksensor immer noch nicht zufriedenstellend in bezug auf seinen Widerstand gegen mechanische Stoß- oder Schockbeanspruchungen und rauhe Behandlung. Da der Siliciumblock an dem Gehäuse befestigt ist, an dem wiederum das Druckeinführrohr befestigt ist, können die Siliciumschicht oder die Siliciummembran so gestört werden, daß sich eine bedeutende Veränderung in der Signalabgabe des Sensors ergibt, wenn eine mechanische Kraft auf das Druckeinführrohr ausgeübt wird, beispielsweise wenn der Sensor auf eine harte Oberfläche auffällt.
Ein Drucksensor der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 25 52 393 bekannt Bei diesem vorbekannten Drucksensor ist das druckempfindliche Element auf einem Halter angeordnet, der wiederum fest auf einem Trägerkörper angebracht ist. Halter, Trägerkörper und eine Haube bilden das Gehäuse für das druckempfindliche Element. Der Trägerkörper ist fest auf einem Gewindebolzen angebracht, in dem eine Bohrung für das Druckfluid vorgesehen ist. Durch die Haube sind elektrische Anschlußleiter hindurchgeführt. Nachteilig an diesem Drucksensor ist, daß die aus druckempfindlichem Element und Gehäuse gebildete Einheit von keinem äußeren Gehäuse umgeben ist, von dessen Innenwänden sie mit Abstand angeordnet ist. Dadurch ist der Drucksensor nicht ausreichend gegen Stoß- und Schockbeanspruchungen geschützt, die zu einer Veränderung der Signalabgabe des Sensors führen.
Den gleichen Nachteil weist der aus der US-PS 41 02 210 bekannte Drucksensor auf. Das von einem Gehäuse umschlossene druckempfindliche Element ist ebenfalls nicht ausreichend gegen Stoß und Schlag gesichert, da ein äußeres Gehäuse, in dem das das druckempfindliche Element umgebende Gehäuse jeweils mit Abstand angeordnet ist, fehlt
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der gegen Stoß- oder Schockbeanspruchungen besser geschützt ist und damit keine Ausgangssignaländerungen aufweist, wenn mechanische äußere Kräfte auf den Drucksensor einwirken.
Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 angegebenen Drucksensor gelöst
Vorzugsweise ist der Halbleiterkörper ein Siliciumkörper, und Mullit und Zirkon sind bevorzugte Beispiele elektrisch nicht leitender Materialien, deren linearer Ausdehnungskoeffizient in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten von Silicium liegt
Im zusammengebauten Zustand umfaßt ein erfindungsgemäßer Drucksensor folgende Teile:
a) Eine Sondenanordnung, die das Gehäuse, das in dem Gehäuse eingeschlossene druckempfindliche Element und eine Vielzahl von Zuführungsrahmen umfaßt, die Metallteile darstellen, die mit dem Gehäuse so verbunden sind, daß sie jeweils von der Außenseite des Gehäuses vorstehen, und die elektrisch mit dem erwähnten mindestens einen diffundienen Widerstand verbunden sind,
b) eine Grundplatte mit einer Vielzahl von elektrischen Anschlußteilen und
c) eine an der Grundplatte so befestigte Kappe, daß ein Raum zwischen der Kappe und der Basisplatte oder Grundplatte bestimmt ist.
Die Zuführungsrahmen sind jeweils mit den elektrischen Klemmen oder Anschlußstellen an der Grundplatte so verbunden, daß das Gehäuse durch die Zuführungsrahmen in einem solchen Zustand in dem durch die Kappe geschaffenen Raum gestützt wird, daß es im ganzen von der Grundplatte und der Kappe getrennt gehalten ist. So dienen die Zuführungsrahmen nicht nur als Zuleitungen, sondern auch als Stützen zur mechanisehen Abstützung des das druckempfindliche Element enthaltenden Gehäuses in einem im wesentlichen isoliert von der Kappe und der Grundplatte gehaltenen Zustand, d. h. in einem von dem äußeren Gehäuse des Sensors isoliert gehaltenen Zustand. Entweder die
so Grundplatte oder die Kappe besitzen eine Öffnung, die Zutritt zu dem Raum in dem aus Kappe und Grundplatte bestehenden äußeren Gehäuse gewährt. Als weiteres Teil ist
ein Rohr mit der Öffnung in der Grundplatte oder mit der Öffnung in der Kappe verbunden, um einen zu messenden Fluiddruck in den Raum durch diese öffnung einzuleiten.
Der Siliciumkörper des Sensorelements ist mit der Innenseite des Gehäuses vorzugsweise mit einer hermetischen Verbindungsschicht verbunden, die eine innig auf die Innenseite des Gehäuses aufgebrachte dünne Metallschicht, eine auf die Metallschicht aufgetragene dünne Goldschicht und eine dünne Schicht aus einer eutektischen Legierung aus Gold und Silicium umfaßt, die auf der Zwischenfläche zwischen dem Siliciumkörper und der Goldauftragsschicht ausgebildet ist.
Die Erfindung und dem Stand der Technik entsprechende Drucksensoren werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Hauptabschnitts eines erfindungsgemäßen Drucksensors,
Fig.2 den gleichen Hauptabschnitt des gleichen Drucksensor in ähnlicher, jedoch vergrößerter Schnittdarstellung mit übertrieben dargestellten Verbindungsschichten,
Fig.3 eine perspektivische, teilweise auseinandergezogene Darstellung des gleichen Hauptabschnitts des Drucksensors nach Fig. 1,
Fig.4 eine perspektivische Ansicht des gleichen Hauptabschnitts in zusammengebautem Zustand,
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Drucksensor im End-Montagez(jstand,
F i g. 6 eine perspektivische Darstellung eines vollständig zusammengebauten Drucksensors nach F i g. 5,
F i g. 7 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Drucksensors,
Fig.8 eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Drucksensor, und
Fig.9 eine Schnittdarstellung eines weiteren herkömmlichen Drucksensors.
Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungen des erfindungsgemäßen Drucksensors werden zunächst anhand der F i g. 8 und 9 Eigenheiten herkömmlicher Drucksensoren beschrieben, um die durch die Erfindung erzielten Fortschritte klarzustellen. Der Drucksensor gemäß F i g. 8 ist aus der JP-OS 52(1977)-19 091 und der Drucksensor gemäß Fig. 9 ist aus der JP-OS 52(1977)-8 878 bekannt.
Der Drucksensor nach F i g. 8 enthält einen kristallinen Siliciumkörper 50. Die Unterseite des Siliciumkörpers 50 ist so mit einem Einschnitt oder Vertiefung versehen, daß sich eine dünne Schicht oder Membran (5Oa^ im Mittelbereich der Oberseite des Körpers 50 ergibt, und ein diffundierter Widerstand (oder diffundierte Widerstände) 53 ist (oder sind) im Außenflächenbereich der Silicium-» Membran« 50a ausgebildet.
Der Siliciumkörper 50 ist luftdicht oder hermetisch mit einer Grund- oder Basisplatte 54 aus einem elektrisch isolierenden anorganischen Material so verbunden, daß die Membran 50a nach oben absteht, und so ist ein Raum 55 zwischen der Grundplatte 54 und der Membran 50a gebildet. Die Grundplatte 54 hat eine Durchgangsöffnung 54a, die in den Raum 55 führt; sie ist hermetisch mit einer Metallplatte 56 verbunden. Die Metallplatte 56 besitzt ebenfalls eine Durchgangsöffnung, in die ein Rohr oder eine Röhre 58 eingepaßt und mit der Platte 56 so verbunden ist. daß ein zu messender Fluiddruck in den Raum 55 durch die Bohrung 54a zugeleitet werden kann. Zwei Leitungen oder Zuführungen 60 stehen durch die Metallplatte 56 hindurch vor und sind hermetisch mit dieser Platte 56 verbunden; eine elektrische Verbindung des diffundierten Widerstandes 52 ist mit diesen Zuführungen 60 durch Golddrähte 62 hergestellt- Eine schüsseiförmige Kappe oder ein schüsseiförmiger Deckel 64 ist hermetisch (gasdicht) mit der Metallplatte 56 so verbunden , daß Grundplatte 54, Siliciumkörper 50 und Golddrähte 62 insgesamt in dem Dekkel oder der Kappe 64 enthalten oder eingeschlossen sind, aber trotzdem einen Abstand von der Innenfläche der Kappe 64 aufweisen. Der dadurch gebildete Raum 66 in der Kappe 64 wird als Referenz- oder Vergleichsdruckkammer, beispielsweise als Unterdruckkammer benutzt
Wie bereits erwähnt, wird durch Ausübung einer Schub- oder einer Biegekraft auf die Druckeinführröhre 58 dieses Drucksensors eine Störung oder Verzerrung der Siliciummembran 50a hervorgerufen und dadurch ergibt sich eine beträchtliche Änderung der Signalabgabe des Sensors. Der Grund dafür besteht in der integrierten Anordnung des Siliciumkörpers 50, der Grundplatte 54, der als Gehäuseteil wirkenden Metallplatte 56 und des Rohres 58.
Der Drucksensor in F i g. 9 nach dem Stand der Technik ist im Prinzip gleichartig wie der Sensor nach F i g. 8 aufgebaut, besitzt jedoch einige andere Aufbaumerkmale. Im Sensor nach Fig.9 ist der Siliciumkörper 50 mit einer Endfläche eines Keramikrohres 68 hermetisch verbunden. Das Gehäuse dieses Sensors enthält eine Grundplatte 70 aus Aluminiumoxid und das Rohr durchdringt eine Öffnung in dieser Platte 70 und ist mittels eines mit Erweiterungen und einem Abschlußflansch versehenen Metallrohres 72 mit dieser Platte 70 verbunden. Das Metallrohr 72 ist mit der Außenfläche des Keramikrohres 68 und mit der Außenseite der Grundplatte 70 verbunden. Das Gehäuse wird durch eine Kappe 64 vervollständigt, die hermetisch mit der Grundplatte 70 so verbunden ist, daß wiederum eine Unterdruck- oder Vakuumkammer 66 gebildet wird.
Der diffundierte Widerstand 52 liegt zur Unterdruckkammer 66 hin frei und ist elektrisch durch Golddrähte 62 mit Zuführungen oder Klemmen 74 verbunden, die an der Grundplatte 70 befestigt sind. Der Sensor nach F i g. 9 ist funktionell gleich dem Sensor nach F i g. 8 und besitzt den gleichen Nachteil, daß die Silicium-Membran 50a leicht durch eine auf das Gehäuse, insbesondere auf das Rohr 68 ausgeübte Kraft gestört oder beeinflußt werden kann.
F i g. 1 zeigt den Hauptabschnitt einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Drucksensors. Ähnlich wie bei den beschriebenen herkömmlichen Drucksensoren umfaßt dieser Drucksensor eine Siliciummembran 10a, die im oberen Endabschnitt eines kristallinen Siliciumblocks 10 ausgebildet ist und ein diffundiener Widerstand (oder diffundierte Widerstände) 12 ist (oder sind) in einem Frontfiächenbereich der Membran 10a gebildet. Dieser Siliciumkörper 10 ist fest und feststehend in einem Gehäuse 30 angeordnet, das grundsätzlich aus einer Grundplatte oder einem Grundteil 14, einem mit dem Grundteil verbundenen, den Siliciumkörper 10 mit Abstand umgebendenRahmen 20 und einem Deckel 26 aufgebaut ist, wobei der Deckel 26 mit dem Rahmen so verbunden ist, daß ein Raum 27 in dem Gehäuse 30 gebildet ist Elektrodenanschlüsse 22
so sind an dem Grundteil 14 zum Raum 27 hin freiliegend angeordnet und eine Vielzahl von Zuleitungsrahmen 32 sind am Außenumfang des Grundteils 14 befestigt und elektrisch mit den Elektrodenanschlüssen 22 verbunden. Der Siliciumkörper 10 ist so im Raum 27 angeordnet, daß seine Frontfläche mit dem daran ausgebildeten diffundierten Widerstand 12 dem Raum 27 zugewendet ist und einen Abstand vom Deckel 26 einhält. Der diffundierte Widerstand 12 ist elektrisch über Golddrähte 24 mit den Anschlüssen 22 verbunden. Eine kleine Bohrung 14a ist durch das Grundteil 14 so gebohrt, daß ein Fluiddruck durch diese Bohrung 14a in einen Hohlraum 15 im Siliciumkörper 10 eintreten kann, jedoch nicht in den Raum 27 gelangt, der als Referenz- oder Vergleichsdruckkammer benutzt wird und normalerweise evaku- iert oder mit Unterdruck versehen ist Die Zuleitungsrahmen 32 sind ausreichend lang und stehen von der Ebene der (äußeren) unteren Endfläche des Grundteils 14 so vor, daß die in F i g. 1 gezeigte Anordnung auf eine
weitere Grundplatte gesetzt und mit ihr verbunden werden kann, wobei die Zuleitungsrahmen 32 als Stützen dienen und die übrigen Teile des Gehäuses 30 von der Grundplatte getrennt halten.
In dem erfindungsgemäßen Drucksensor sind die strukturellen oder wesentlichen Teile des Gehäuses 30, d. h. das Grundteil 14, der Rahmen 20 und der Deckel 26 aus einem vorzugsweise keramischen Material hergestellt, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient nahezu dem des Siliciums entspricht (etwa 4 · 10~6/°C), im Hinblick auf eine Verhinderung einer durch Wärmeausdehnung herbeigeführten Dehnung oder Pressung der Siliciummembran 10a und einer dadurch erzeugten Änderung des Ausgangssignals des Sensors bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei der dargestellten Ausführung wird MuIIit als Material für das Gehäuse 30 verwendet; sein linearer Ausdehnungskoeffizient ist 4,0 bis 4,6 · 10-b/°C
In Fig. 1 ist eine luftdichte Verbindungsschicht 16 schiedenen Goldschicht 22c und einer Anschlußklemme 22c/ aus goldplattiertem Nickel, die mit der Goldschicht 22c hart verlötet ist. Die Leitschichten 34 an der Außenseite des Gehäuses sind in gleicher Weise wie die Elektrodenanschlüsse 22 gebildet.
Die gasdichte oder hermetische Verbindungsschicht 28 zwischen dem Rahmen 20 und dem Deckel 26 wird durch die Verwendung eines Verbindungsmaterials 36 geschaffen, das aus einer Glasmasse oder einer Au-Sn-Eutektikum-Legierung bestehen kann. Davor kann die obere Endfläche des Rahmens 20 und die Innenfläche des Deckels 26 metallisiert und plattiert sein. Beispielsweise kann dieser Verbindungsvorgang in einer evakuierten Heizkammer ausgeführt werden, um gleichzeitig die verschiedenen Lötverbindungen und die Schaffung der Unterdruckkammern 27 zu erreichen. Daraufhin werden die Zuführungsrahmen 32 durch Löten oder Hartlöten mit dem halbfertigen Gehäuse 30 verbunden, das bereits den Siliciumkörper 10 enthält. Dieser Vor-
zwischen dem Grundteil 14 und der unteren Endfläche 20 gang des Rahmen-Anfügens und Deckel-Aufsetzens ist des Siliciumkörpers 10 um die Bohrung 14a herum aus- in F i g. 3 dargestellt, während F i g. 4 die fertiggestellte
Anordnung 40 nach F i g. 1 zeigt.
Das für das Gehäuse 30 verwendete Material braucht nicht auf den genannten Werkstoff Mullit beschränkt elektrisch leitende Verbindungsschichten 34 verbunden 25 werden. Andere verwendbare Materialien mit geeigne- oder durch sie befestigt, die am Außenumfang des ten linearen Ausdehnungskoeffizienten und einer ausreichenden Steifheit sind beispielsweise Zirkon, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient 3,7 bis 4,3 · 10-"/0C beträgt sowie Borsilikatglas, dessen linearer Ausdeh-30 nungskoeffizient etwa 3 bis 3,6 · 10-b/°C beträgt.
Vorzugsweise werden alle tragenden Bestandteile des Gehäuses 30 aus dem gleichen Material gefertigt.
Die endgültige Fertigestellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors wird nach F i g. 5 und 6 durch Befestigung der Anordnung 40 nach F i g. 1 und 4 auf einer Grundplatte 42 erreicht, wobei die Zuleitungsrahmen 32 als Stützen verwendet werden; dann wird eine Kappe 46 an der Grundplatte 42 so angebracht, daß die Anordnung 40 umschlossen ist. In dieser Ausführung ist die
nur in einem Bereich überzogen wird, der der Breite des 40 Kappe 46 durchbohrt und ein Rohr 48 ist so daran befe-Siliciumkörpers 10 entspricht. Diese sehr dünne Schicht stigt, daß ein zu messender Fluiddruck ins Innere des
zusammengebauten Sensors gelangen kann. Die Grundplatte 42 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Aluminiumoxid, auf dem eine elek-45 trische Schaltung, die in der Darstellung weggelassen wurde, angebracht ist, um die elektrischen Signale von der Sonde 40 des Sensors abnehmen zu können. Es kann auch bereits eine Signalverarbeitungsschaltung auf der Grundplatte 42 ausgebildet werden. Die Zuführungs-Gold plattiert, das leicht in Silicium eindiffundiert, so 50 rahmen 32 an dem Gehäuse 30 werden sowohl elekdaß sich eine dünne Goldschicht 16c von beispielsweise trisch als auch mechanisch jeweils mit Anschlüssen 44 3 bis 5 μπι Stärke ergibt. Der Siliciumkörper 10 wird mit
der Goldschicht 16c durch Aufschmelzen der Goldschicht 16c verbunden, so daß sich zwischen dem Gold
und dem Silicium eine dünne Au-Si-Eutektikum-Legie- 55
rungsschicht 16d ausbildet. Damit ist die tatsächliche
Gesamtstärke der Verbindungsschicht 16 im Bereich
von 10 bis 15 μπι, so daß die thermische Ausdehnung
dieser Schicht 16 nur geringen oder kaum spürbaren
Einfluß auf die Siliciummembran 10a ausübt Die Nik- 60
kelschicht 16i> verhindert ein Eindringen des aufgeschmolzenen Goldes in die Wolframschicht 16a.
Jede Leitschicht 18 besteht aus einer dünnen Wolframschicht, die gleichartig wie die Wolframschicht 16a
aufgebaut ist und mit Nickel und Gold plattiert ist Die 65 ehe der Kappe 46 einhält.
Elektrodenanschlüsse 22 bestehen aus einer dünnen Die Druckerfassung des Sensors nach Fig.6 ge-
Wolframschicht 22a, einer dünnen darauf abgeschiede- schieht in gleicher Weise wie bei den Sensoren nach nen Nickelschicht 226, einer dünnen, wiederum abge- F i g. 8 und 9. Der zu messende Fluiddruck wird durch
gebildet und eine hermetische Verbindungsschicht 28 liegt zwischen dem Rahmen 20 und dem Deckel 26. Die Zuleitungsrahmen 32 sind mit dem Grundteil 14 durch
Grundteils 14 ausgebildet sind. Elektrisch leitfähige Schichten 18 sind an der oberen Fläche des Grundteils 14 ausgebildet und verbinden die Anschlüsse 22 mit den äußeren Leitschichten 34. Damit eine zuverlässige Gasabdichtung erreicht wird und damit keine durch Wärme hervorgerufene Schub- oder Zugbeanspruchung auf den Siliciumkörper 10 übertragen wird, werden die jeweiligen Verbindungsschichten dieser Anordnung 40 auf folgende Weise gebildet:
Die Verbindung des Siliciumkörpers 10 mit dem aus Mullit bestehenden Grundteil 14 wird nach Fig. 2 so hergestellt, daß zuerst die obere Endfläche des Grundteils 14 durch eine Metallschicht entweder ganz oder
16a mit einer Stärke von beispielsweise 3 bis 5 μίτι besteht aus Wolfram, das ausgezeichnete Hafteigenschaften an Keramikmaterialien besitzt. Auf die Wolframschicht 16a wird eine dünne Schicht 166 aus Nickel aufgebracht, deren Stärke ebenfalls etwa 3 bis 5 μπι beträgt; Nickel hat gute Hafieigenschaften sowohl mit Wolfram als auch mit Gold. Das Auftragen geschieht durch Abscheiden. Dann wird die Nickelschicht 16 mit verbunden, die entsprechend in der Schaltung an der Grundplatte 42 so angeordnet sind, daß das zusammengebaute Gehäuse 30, d. h. die Sondenanordnung 40, durch die Zuleitungsrahmen 32 in Abstand über der Grundplatte 42 gehalten wird. Dann wird die Kappe 46 an der Grundplatte 42 beispielsweise mit einem Klebemittel befestigt. Es besteht keine Einschränkung für das Material, aus dem die Kappe 46 und das daran befestigte Rohr 48 gebildet werden, so daß irgendein geeignetes Material, beispielsweise ein Metall, ein keramisches Material oder ein Kunstharz verwendet werden kann. Die Abmessungen der Kappe 46 sind so ausgelegt, daß das Gehäuse 30 insgesamt einen Abstand von der Innenflä-
das Rohr 48 ins Innere der Kappe 40 eingelassen und gf'angt von dort durch die Bohrung 14a in die in einem Gehäuse befindliche Sondenanordnung, so daß er die Unterseite der Membran 10a beaufschlagt. Dann zeigt der diffundierte Widerstand 12 eine Änderung seines Widerstandswertes proportional zur Größe der Druckdifferenz an beiden Seiten der Membran.
Da der diffundierte Widerstand 12 der gasdicht abgeschlossenen Unterdruckkammer 27 zugewendet liegt, besteht keine Möglichkeit, daß der diffundierte Widerstand 12 chemisch durch irgendein in die Sondenanordnung 40 eingebrachtes Gas beeinflußt oder beeinträchtigt wird. Infolgedessen ist dieser Drucksensor außerordentlich dauerhaft und kann auch in chemisch aggressiven Gasatmosphären, beispielsweise in einer oxidierenden Atmosphäre, benutzt werden. Da die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem das Gehäuse 30, insbesondere das Grundteil 14 besteht und des Siliciums nahe beieinander liegen und infolge der Verbindung des Siliciumkörpers 10 mit der metallisierten Oberfläche des Grundteils 14 mit der Bildung einer dünnen Au-Si-Eutektikum-Legierung an der Zwischenfläche besitzt dieser Drucksensor auch ein ausgezeichnetes Temperaturverhalten, d. h. die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals dieses Sensors ist sehr gering und in einem weiten Temperaturbereich linear. Dementsprechend können mit einer einfachen Kompensationsschaltung die Änderungen des Ausgangssignals mit der Temperatur praktisch ausgeschaltet werden. Darüber hinaus wird das Ausgangssignal dieses Drucksensors kaum durch von außen auf den Sensor aufgebrachte mechanische Kräfte beeinflußt Da die in einem Gehäuse befindliche Sondenanordnung 40 mit der Siiiciummembran 10a durch die Zuleitungsrahmen 32 abgestützt ist und sowohl von der Grundplatte 42 als auch von der Kappe 46 getrennt und isoliert ist und damit auch gegenüber dem Rohr 48, kann auch eine große Kraft, z. B. ein Schlag oder ein Schock nach einem Zusammenstoß des Sensors mit einem starren Körper oder einem Aufprallen des Sensors auf eine harte Oberfläche, wodurch das Rohr 48, die Kappe 46 oder die Grundplatte 42 etwas verformt werden, den Siliciumkörper 10 nicht beeinflussen. Damit gibt es wenig Möglichkeiten, die Siiiciummembran 10a durch eine äußere Kraft zu ziehen oder zu drücken, so daß sich keine zufälligen Veränderungen der Ausgangssignale oder der sonstigen Eigenschaften des Sensors ergeben. Damit ist eine ausgezeichnete Funktionsstabilität erzeugt.
Der Sensor nach Fig.7 ist gegenüber dem Sensor nach F i g. 6 etwas abgewandelt. Zwar ist die Sondenan-Ordnung 40 mit dem Gehäuse 30 nicht abgeändert, jedoch ist die Di uckzuführung nicht durch die Kappe 46Λ erreicht, sondern die Grundplatte 42 ist mit einem Gaseinlaß 42a versehen, und ein Rohr 48Λ ist an der Unterseite der Grundplatte 42 so angebracht, daß ein zu messender Fluiddruck ins Innere der Kappe 46a durch die öffnung 42a eingeführt wird. Die sonstige Funktion des Sensors nach Fig.7 entspricht der des Sensors nach F i g. 6 und die gleichen Vorteile, wie bereits besprochen, treffen auch hier zu.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Drucksensor mit einem druckempfindlichen Element, das einen Körper aus einem kristallinen Halbleiter aufweist, von dem ein Teil als Membran ausgeführt ist, in deren Frontseite mindestens ein diffundierter Widerstand in einem Oberflächenbereich ausgebildet ist, mit einem Gehäuse, das das druckempfindliche Element umschließt und einen Halter aus einem elektrisch nichtleitenden Material aufweist, dessen linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient nahezu gleich dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des kristallinen Halbleiters ist, wobei der Körper aus dem kristallinen Halbleiter fest so auf dem Halter montiert ist, daß die Membran in ihrer Gesamtheit einen Abstand von der Innenseite des Gehäuses aufweist, und ein hermetisch geschlossener Raum zwischen der innenseite des Gehäuses und der Frontseite der Membran entsteht, wobei dieser Raum auf einem vorbestimmten Druck gehalten wird, so daß der Raum als Vergleichsdruckkammer dient, und wobei das Gehäuse mit einer Durchgangsbohrung versehen ist, um einen zu messenden Fluiddruck in das Innere des Gehäuses gelangen und an der Rückseite der Membran ankommen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vielzahl von elektrischen Zuleitungsrahmen (32) vorgesehen sind, die längliche Metallteile sind, die elektrisch mit dem diffundierten Widerstand (12) verbunden sind, an dem Gehäuse (30) befestigt sind und das Gehäuse (30) tragen,
ein äußeres Gehäuse (42,46; 42,46A) vorgesehen ist, das das Gehäuse (30) umschließt, und das eine Grundplatte (42) mit einer Vielzahl von elektrischen Anschlüssen (44) sowie eine auf der Grundplatte (42) befestigte Kappe (46,46A) aufweist,
die Zuleitungsrahmen (32) jeweils an den elektrischen Anschlüssen (44) der Grundplatte so befestigt sind, daß das von den Zuleitungsrahmen (32) getragene Gehäuse (30) vollständig von den Innenseiten des äußeren Gehäuses mit Abstand angeordnet ist, und
das äußere Gehäuse mit einer einzigen öffnung (48, 4SA) versehen ist, durch die Fluiddruck in das äußere Gehäuse gelangt.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kristalline Halbleiter kristallines Silicium ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gehäuse (30) bildenden Bauteile (14, 20, 26) jeweils aus einem Material bestehen, das aus der aus Mullit und Zirkon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus kristallinem Silicium bestehende Körper (10) mit der Innenseite des Gehäuses (30) zumindest in einem ausgewählten Bereich verbundene dünne Metallschicht (16a. t6b), eine dünne, auf die Metallschicht aufplattierte Goldschicht (16c,) und eine an der Zwischenfläche zwischen dem Körper (10) und der Goldschicht (\6c) ausgebildete dünne Schicht aus einer eutektischen Legierung aus Gold und Silicium umfaßt.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht eine Verbindung einer dünnen Wolframschicht (16a,) in direkter Berüh-
rung mit der Innenseite des Gehäuses (30) und einer auf die Wolframschicht aufgebrachten dünnen Nikkeischicht (16b) ist.
6. Drucksensor nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) eine Vielzahl elektrischer, an der Innenseite des Gehäuses (30) befestigter und elektrisch mit jeweils einem der Zuleitungsrahmen (32) verbundener elektrischer Anschlüsse (22) umfaßt und daß der diffundierte Widerstand (12) elektrisch mit den Anschlüssen (22) in dem Gehäuse (30) durch eine Vielzahl von in dem ersten Raum (27) befindlichen Metalldrähten (24) verbunden ist.
7. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der das Gehäuse (30) bildende Bauteile (14, 20, 26) mit dem benachbarten Bauteil durch eine gasdichte Verbindungsschicht verbunden ist.
8. Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hermetisch geschlossene Raum (27) evakuiert ist.
9. Drucksensor nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (30) aus einem ebenen Grundteil (14), einem mit diesem Grundteil verbundenen Rahmen (20) und einem mit dem Rahmen verbundenen Deckel (26) besteht, wobei sich im Grundteil (14) die Durchgangsbohrung (14a^ befindet, der Rahmen (20) ein ebenes Teil mit offenem zentralen Bereich ist. dessen Querschnitt größer als der Körper (10) ist, Grundteil (14) und Rahmen (20) so miteinander verbunden sind, daß die Durchgangsbohrung (14a,) mit dem offenen zentralen Bereich in Verbindung steht, und der das druckempfindliche Element bildende Körper (10) mit dem Grundteil (14) so verbunden ist daß er eine Sperre zwischen der Durchgangsbohrung (\4a) und zumindest dem größeren Volumen des offenen zentralen Bereichs bildet.
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