DE2938240A1 - Druckempfindliche einrichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Druckempfindliche einrichtung und verfahren zu ihrer herstellung

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DE2938240A1 DE19792938240 DE2938240A DE2938240A1 DE 2938240 A1 DE2938240 A1 DE 2938240A1 DE 19792938240 DE19792938240 DE 19792938240 DE 2938240 A DE2938240 A DE 2938240A DE 2938240 A1 DE2938240 A1 DE 2938240A1
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Druckempfindliche Einrichtung und Verfahren zu ihrer
Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf eine druckempfindliche Einrichtung. Insbesondere bezieht sie sich auf eine druckempfindliche Einrichtung eines verbesserten neuen Aufbaues entsprechend dem Halbleiter-Dehnungsmessertyp, der den Piezowiderstandseffekt ausnutzt und in dem ein Widerstand in einem Halbleitereinkristall durch Diffusion gebildet ist.
Bisher war eine druckempfindliche Einrichtung des Halbleiter-Dehnungsmessertyps gut bekannt, bei der ein p-Widerstandsbereich selektiv in einen n-Siliziumhalbleitereinkristall eindiffundiert ist, um ein druckempfindliches Element zu bilden, sich eine Dehnung bei Einwirken eines Drucks auf das Element .entwickelt und eine Widerstandsänderung des p-Widerstandes aufgrund des Piezowiderstandseffekts gemessen wird, um den Wert des Drucks zu erfassen.
In der US-PS 4 019 388 ist beispielsweise eine druckempfindliche Einrichtung offenbart, bei der ein Siliziumplättchen pber eine zwischengefügte Nickel-Eisen-Legierung
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indirekt mit einem rostfreien Stahlaehä'uso eines elektronischen Druckwandlers verbunden ist. Diese indirekte Verbindung verhindert Wärmerisse dos Siliziumplättchens aufgrund das Unterschiedes der Wärmeausdehnung zwischen dem rostfreien Stahlgehäuse und dem SiIiziumnlättchen. Die Haltereinheit umfaßt ein Borsilikatqlasrohr, mit dem das Siliz iumplättchen verbunden ist und das irit dem Nickel-
»
Eisen-Legierungshalter durch ein eutektisches Legierungslot verlötet ist. Beim Zusammenbau wird zunächst der Nickel-Eisen-Halter mit ucn rostfreien Stahl gehäuse bei einer ersten Temperatur verlötet, din höher als die höchste, nicht zerstörend v/irkende Temperatur entweder des Plättchens oder des GlasroLres ist, und das Glasrohr wird dann mit den Nickel-Eisen-Haltcr bei einer niedrigeren lomperatur verlötet, die das Plättchen oder den rohrförmigen Halter nicht zerstört. Jedoch ist das vorstehend erwähnte Löten sehr mühsam, da beispielsweise die Vorbindungsfleiche des Nickel-Eisen-Halters und des Glasrohres mit einer dünner. Chromschicht und einer dünnen Gol.lschicht durch Verdairof^en od. dgl. vor dem Löten überzoner wird.
Weiterer Stand der Technik ist folgender:
(1) US-PS 3 918 019, "Miniaturabsolutdruckwandlereinheit und -Verfahren" ; diese zeigt eina Siliziummembraneinheit, die mit einer Glasoberfläche nach der anodischen Verbindungstechnik verbunden ist.
(2) US-PS 3 397 278, "Anodisches Verbinden"; sie bezieht sich auf die anodische Verbindungstechnik.
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Dt Crf Ln ".!unit Ii -η*. Ii λ Auf'·;».' ο zua^untlo, cino druckemp^ina L ich ? "Jnrich: ung zu ent\.\i.--k.-ln, die 1On anv>. vorstc'ior.d bos^hriabenan !lachteLl i'.e: Stan Ic?; der Technik frei ist, el. h. oirvrj ein raeb:?r; 7 αfbau nit- einer «crir.n':n ZnY.l von Rest.aίο tr ilen ha·., und Ji nc ].-o- -■? Pro.lukt i^i tu t so 'i ·> Gir.j nohc li.rjcinn iscth : ^c :5t irk:>i' .a:'v/o i :;t.
CJe<ionstt". :n1 '?r j:rf LniUi:i<·, vomit clic"?r Aufgabe ftol<"r?t. wird, ist eine druck iiripfir Ί1 ich·.;■ ;'ir>ric'itunn zum Liefern ο ines Ausiarn's in Ansprecher auf einen Druck nit
einer Ilall-lv: iterreenbraneinheit, auf ler eine- clriicl'.onr fin''licho Membran aebLldvt ist, auf 'ler cl.'hnu:\asc->.t-f im"' liehe F. lenc;nte aus<ii>})i ldit sind und daher cinon rcr' darauf einv/irkender. Q:ucl^abhän<ii<:er Ausgang Liefern,
ei .ion or st ei; Traaorgan ms iso 1 i ;rer .lern Hatoriai, auf dessen Oberseite cLe HalbLeitornembraneinheit starr befestigt ist,
einen zweiten Traiorgan aus Metal. 1, auf dessen Oberseite das erste, mit der Halblei termenbraneiniioit verbundene isolierende Tragorgan starr befestigt ist, und
einem Metallgehäuse, in tleni dio drei verbundenen Teile, d. h. die Halbleitemembranoirihei t, das erste isolierende Tragoryan umi das zv/eite iietalltragorgan, angeordnet sind und an dem das zv/eite Metal.ltragorgan an seine'n untt>ren Endteil starr befestigt ist, mit den Kennzeichen,
daß die Halbleitermembranainheit, das erste isolierende Tragorgan und das zweite Metalltragorgan durch anodische Verbindungstechnik hermetisch untereinander verbunden sind,
daß das zweite Metalltragorgan aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht und daß das erste isolierende Tragorgan aus Borsilikatglas oder einem anderen, einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizient wie Silizium aufweisenden Isolier-
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BAD ORIGINAL
material besteht.
Vorzugsweise besteht das f'cialltragorgan aus einor Fisen-Nickel-hcqierung, deren flickelgchal t im Boreich von 35 bis 13 % liegt.
Gegenstand dvr Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Herstellen einor solchen Hinrichtung, mit den Kennzeichen, daß die anodische Verbindung bei einer Temperatur iin Bereich von 2 50 bis 300 °C erzeugt wird.
Die Erfindung aibt also einen Druckwandler an, der eine Siliziummeirbrcin, auf der ein Halbleiterdehnungsmesser gebildet ist und die einen im Ansprechen auf einen Druck verformbaren Membranteil hat, einen isolierenden Träger, der aus Borsilikatglas mit der starr darauf montierten Siliziummeirbran besteht und mit einem Druckeinführungsloch in seinen mittleren Teil versehen ist, einen Metallträger, der zylindrisch ist und aus einer in ihrem Wärmeausdehnungskoeffizient dem Borsilikatglas ähnlichen Eisen-Nickel-Legierung besteht und auf dem der isolierende Glasträger starr montiert ist, und ein Metallgehäuse aufweist, in der der aus der Siliziummembran, dem isolierenden Glasträger und dem Metallträger bestehende integrierte Aufbau angeordnet ist, wobei die Siliziummembran, der isolierende Träger und der Metallträger durch das anodische Verbinden untereinanderperbunden sind und der Metallträger mit dem Metallgehäuse an seinem unteren Endteil fest verschweißt ist.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, die eine druckempfindliche Einrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
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Fig. 2 evr. Diagram, das die V.'ärmeansdehnungseigonschaften dor Eisen-l.'ickol-Legiorunner r.um besseren Verständnis d ?r Erfindung veranschaulicht; und
Picj. 3 eine Schnittansicht, din ein anderes flusführ'ingsiel dor Frfindimn zeigt.
Gemäß Fiy. 1 v/eist eine druckenpfindliche Einrichtung "cnäß der Erfindung eine Si liziunwombran 10, die aus ainor Silj ziurikt istal lplatt 3 gebildet ist, in deren mittleren Teil ein floxiblcr Membranteil vorgesehen ist und die beispielsv/e is^ mit ei nor Brückonschaltung eines Dehnungsmessers auf der Oberfläche dos r-jmbranteils ausgebildet ist, ein isolierendes Tragorgnn 20, das aus einen Isolierstoff, wie z. B. Borsilikatglas, besteht und die auf seiner Oberseite angebrachte Siliziumncmbran 10 trägt, und ein Motalltragorgan 30 auf, das aus einem Metall wie Nickel-Eisen-Legierung besteht und mit dessen oberem Fndn die Siliziummembran und das isolierende Tranorgan 20 verbunden sind, die ihrerseits fest verbunden sind. Der untere Endteil des Metalltragorgans ist beisninlsweise mit einer Schweißstelle 33 mit einer druckaufnehmenden Basis 40 fest verbunden, die z. B. aus rostfreiem Stahl besteht und auf der ein gleichartig aus rostfreiem Stahl od. dgl. bestehender Abdeckkörper 50 mit solchen Mitteln wie (nicht dargestellten) Bolzen starr montiert ist. Die Bezugsziffer 55 bezeichnet ein Druckeinführungsloch,das im rostfreien Stahlabdeckkörper 50 vorgesehen ist. Die Siliziummembran 10 und die darauf ausgebildete Dehnungsmeßschaltung sind nach Verfahren hergestellt, die bereits gut bekannt sind. Als Borsilikatglas zur Bildung des isolierenden Tragorgans 20 ist es zweckmäßig, ein Glas zu verwenden, das als "Pyrex"-Glas erhältlich ist. Der mittlere Teil des isolierenden Tragorgans 20 ist mit einem
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durchgehenden Loch 22 versehen, durch welches und durch ein durchgehendes Loch 34 des rohrförmigen MetalItragorgans 30 ein zu messender Druck oder ein Bezugsdruck zu einer Oberfläche der Siliziummembran 10 eingeführt wird. Wie die Figur 1 zeigt, ist der mittlere Teil der aus rostfreiem Stahl bestehenden Druckaufnahmebasis 40 mit einer Vertiefung 42 ausgebildet, in der die Verbundeinheit angoerdnet ist, die aus der Siliziummembran 1O, dem isolierenden Tragorgan und dem Metalltragorgan 30 besteht. Der obere Endteil der Vertiefung 42 ist mit einem Flansch 44 versehen, auf dem eine beispielsweise aus rostfreien Stahl bestehende metallische Membran 60 z. B. mittels Schweißens montiert ist. Ein Raun, der durch die metallische Membran 60 und die in der Druckaufnahmebasis 4O gebildete Vertiefung 42 definiert wird, ist nit einem Fluidmaterial wie Γ>1 70 gefüllt, durch das ein auf die Oberfläche der metallischen Membran 60 durch das Loch 55 des Abdeckkörpers 50 ausgeübte zu messende Druck oder Bezugiäruck auf die andere Oberfläche e'er filiziummembran 10 einwirkt.
Die Druckaufnahmebasis 40 ist mit durchgehenden Löchern 4C ausgebildet, in danen mit Glas abgedichtete Anschlüsse 80 angeordnet sind. Glas 34, das ein Isolator ist, ist un die Laitcranschlüsse 82 eingebracht. Die auf der Siliziummembran ausgebildete Dehnungsmeßschaltung ist durch die Leiteranschlüsse 82 sowie durch leitende Drähte 86 herausgeführt.
Die Siliziummembran 10, das isolierende Tragorgan 20 aus Borsilikatglas und das Metalltragorgan 30 aus der Eisen-Nickel-Legierung sind untereinander durch das anodische Verbindungsverfahren hermetisch verbunden. Wie schon angegeben, ist das Metalltragorgan 30 mit der metallischen Druckaufnahmebasis
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mit hoher mechanischer Festigkeit und hentietisch durch Schweißen oder sin anderes Verfahren verbunden. Dabei ist das Metalltragorgan 30 vorzugsweise ausreichend lang gemacht, xun zu verhindern, daß eine Wärraeverfonmamg während des Schweißens einen ungünstigen Einfluß aaf die Verbindungsfläche zwischen dem MetalItragorgan 3O und dem isolierendem Tragorgan 2O ausübt.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei der drackeapfindlichen Einrichtung gemäß der Erfindung das anodische Verbinden angewendet, um untereinander die Siliziumaembran 1O, das isolierende Glastragorgan 2O und das Metalltragorgan zu verbinden. Hierzu ist die Verbindung zwischen dem isolierenden Glastragorgan 20 und dem Metalltragorgan 30 besonders ausgelegt. Aus der US-PS 3 397 278 ist es bekannt, daß, wenn "Pyrex"-Glas und ein leitendes Bauteil anodisch miteinander zu verbinden sind, die beiden zu verbindenden Teile auf einer Temperatur zwischen 3OO und 7OO 0C gehalten werden, wobei die optimale Temperatur 4OO 0C ist, während eine Spannung von 500 bis 10OO V über beide Teile unter Halten des leitenden Bauteils am positiven Pol und des isolierenden Bauteils am negativen Pol mit dem Ergebnis angelegt wird, daß beide Teile hermetisch miteinander verbunden werden. Es ist erwünscht, daß beide zu verbindenden Teile gleiche oder ähnliche Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Als für die obigen Bedingungen geeignete Materialien sind "Covar", Molybdän, Wolfram usw. erwähnt. Es ist jedoch bekannt, daß ein solches Metall und das "Pyrex"-Glas, die anodisch verbunden sind, zur Trennung voneinander neigen, wenn sie einem Stoß ausgesetzt werden. Dies ist der Tatsache zuzuschreiben, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient eines solchen
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Metalls;dem des "Pyrcx"-Glases oder Borsilikatglases ungleich ist, wobei der erstere geringer als der letztere ist.
Bei der druckempfindlichen Einrichtung gemäß der
Erfindung ist die Eisen-Nickcl-Legierung günstig als das
ans
Material des Metalltragorg 30, wie schon angegeben wurde. Diese Eisen-Nickel-Legierung hat die Eigenschaft, daß ihr Wärmeausdehnungskoeffizient in Abhängigkeit vom Nickelgehalt variiert. Daher wurde experimentell eine für den erfindungsgemäßen Aufbau geeignete Eisen-Nickel-Legierung ermittelt.
Ein in Fig. 2 gegebenes Diagramm veranschaulicht Ergebnisse, die durch Messen der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Eisen-Nickel-Legierungen mit dem Nickelgehalt als Parameter erhalten wurden. In diesem Diagramm deuten eine ausgezogene Linie (a) den Wärmeausdehnungskoeffizient des "Pyrex"-Glases, eine gestrichelte Linie (b) den Wärmeausdehnungskoeffizient einer Eisen-Nickel-Legierung, deren Nickelgehalt 35 % war, eine Punkt-Strich-Linie (c) den Wärmeausdehnungskoeffizient einer Eisen-Nickel-Legierung, deren Hickelgehalt 40 % war, und eine Punkt-Punkt-Strich-Linie (d) den Wärmeausdehnungskoeffizient einer Eisen-Nickel-Legierung an, deren Nickelgehalt 43 % war. Es wurde demgemäß gefunden, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eisen-Nickel-Legierungen, deren Nickelgehalte von 35 bis 43 % betragen, für dj.e anodische Verbindung mit dem "Pyrex"-Glas in einem 300 C nicht überschreitenden Temperaturbereich brauchbar sind. Insbesondere sind, wie das Diagramm erkennen läßt, die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eisen-Nickel-Legierungen, deren Nickelgehalte von 39 bis 43 % betragen,
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dem Wärmeausdehnungskoeffizient des "Pyrex"-Glases in dem 300 0C nicht überschreitenden Temperaturbereich sehr nahe, und es wurde experimentell bestätigt, daß diese Eisen-Nickel-Legierungen als Material des Metalltragorgans 30 besonders geeignet sind. Wenn sich der Nickelgehalt von 36 bis 39 % ändert, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der Eisen-Nickel-Legierung etwas geringer als der des Siliziums. Es ist daher zu erwarten, daß die Siliziummembran nach dem Verbinden durch den Glasträger gezogen wird, was zu einer Verringerung eines nichtlinearten Fehlers führt.
Zum anodischen Verbinden der Eisen-Nickel-Legierung mit dem "Pyrex"-Glas wird wenigstens die Legierungsseite geläppt, da sonst die hermetische Dichtung nach dem Verbinden versagen könnte, wonach die anodische Verbindung mit einer Temperatur unter 300 0C nach ι
durchgeführt wird.
unter 300 C nach dem im folgenden erläuterten Verfahren
Die Siliziummembran 10, das isolierende Tragorgan 20 aus dem "Fyrex"-Glas und das Metalltragorgan 30 aus der Eisen-Nickel-Legierung werden übereinander gestapelt und in einem auf einer Temperatur von angenähert 250 bis 3OO C gehaltenen Konstanttemperaturofen angeordnet. Es wird eine Gleichspannung von 12OO V unter Zuordnung des positiven Pols zur Siliziummembran 10 sowie zum Eisen-Nickel-Legierungstragorgan 30 und des negativen Pols zum isolierenden "Pyrex"-Glastragorgan 20 angelegt. Als Ergebnis werden die drei Bauteile fest verbunden, und der Verbindungszustand erfüllt völlig die Gasdichtheit und die mechanische Festigkeit, die für die druckempfindliche Einrichtung erforderlich sind.
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Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der druckempfindlichen Einrichtung gemäß der Erfindung. Ein unterschiedlicher Punkt gegenüber der anhand der Fig. 1 bereits beschriebenen druckempfindlichen Einrichtung ist, daß der obere Endteil eines aus der Eisen-Nickel-Legierung hergestellten Metalltragorgans 30' breit ist, so daß die Verbindungsfläche zv/ischen dem Metalltragorgan 30' und dem "Pyrex"-Glastragorgan 20 eine große Ausdehnung hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist demgemäß die Verbindung zwischen dam "Pyrex"-Glastragorgan 20 und dem Metalltragorgan 30' noch starrer und wird auch in einem solchen Fall nicht zerstört, wo eine hohe Stoßeinwirkung auftritt. Das abgeänderte Ausführungsbeispiel ist daher bezüglich der Dauerhaftigkeit und der Stoßbeständigkeit sehr wirkungsvoll.
Obwohl in der vorstehenden Beschreibung nur das Borsilikatglas als Beispiel des Glasmaterials für die erfindungsgemäße Verwendung erläutert wurde, kann auch irgendein anders isolierendes Material verwendet v/erden, solange sein Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Silizium gleich oder ähnlich ist. Es versteht sich, daß die Erfindung auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt ist, sondern zahlreiche Änderungen und Abwandlungen der Einzelheiten für Fachleute ohne weiteres ersichtlich sind, weshalb die Erfindung auf die BeispielseijSelheiten nicht beschränkt ist, sondern auch solche Änderungen und Abwandlungen umfassen soll, wie sie für Fachleute erkennbar sind.
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Claims (5)

  1. Ansprüche
    « 1yDruckempfindliche Einrichtung zum Liefern eines Ausgangs in Ansprechen auf einen Druck mit
    einer Halblei termerabraneinheit, auf der eine druckempfindliche Membran gebildet ist, auf der dehnungsempfindliche Elemente ausgebildet sind und daher einen vom darauf einwirkenden Druck abhängigen Ausgang liefern,
    einem ersten Tragorgan aus isolierendem Material, auf dessen Oberseite die Halbleitermembraneinheit starr befestigt ist,
    einem zweiten Tragorgan aus Metall, auf dessen Oberseite das erste, mit der Halbleitermembraneinheit verbundene isolierende Tragorgan starr befestigt ist, und
    einem Metallgehäuse, in dem die drei verbundenen Teile, d. h. die Halbleitermembraneinheit, das erste isolierende Tragorgan und das zweite Metalltragorgan, angeordnet sind und an dem das zweite Metalltragorgan an seinem unteren Endteil starr befestigt ist, dadurch gekennz e i c h η et,
    daß die Halbleitermembraneinheit (10), das erste isolierende Tragorgan (20) und das zweite Metalltragorgan (30; 30') durch anodische Verbindungstechnik hermetisch untereinander verbunden sind,
    daß das zweite Metalltragorgan (30; 30') aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht und
    daß das erste isolierende Tragorgan (20) aus Borsilikatglas oder einem anderen, einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizient wie Silizium aufweisenden Isoliermaterial besteht.
    68O-(15496-H6145)-TF
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  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Metalltragorgan (3O; 30') aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht, deren Nickelgehalt im Bereich von 35 bis 43 % liegt.
  3. 3. Verfahren zun Herstellen einer Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anodische Verbindung bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 3OO C erzeugt wird.
  4. 4. Nach Anspruch 3 hergestellte Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelgehalt der das Metalltragorgan (30; 3O1) bildenden Eisen-Nickel-Legierung insbesondere von 39 bis 43 % gewählt ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Metalltragorgan (30; 30') aus der Eisen-Nickel-Legierung besteht, deren Nickelgehalt in einem Bereich von 36 bis 39 % liegt.
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