DE2938240C2

DE2938240C2 - Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Einrichtung

Info

Publication number: DE2938240C2
Application number: DE2938240A
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Katsuta Ibaraki Ai; Yoshitaka Mito Ibaraki Matsuoka; Kenji Mito Ibaraki Miyauchi; Hideyuki Katsuta Ibaraki Nemoto; Michitaka Katsuta Ibaraki Shimazoe; Masanori Hitachi Ibaraki Tanabe; Masatoshi Tsuchiya; Yoshimi Ibaraki Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1987-02-12
Also published as: US4303903A; DE2938240A1; JPS5543819A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs vorausgesetzten Art. Dabei geht es insbesondere um eine Einrichtung verbesserten Aufbaus 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 40 19 388 ist beispielsweise eine druckempfindliche Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs offenbart, bei der ein Siliziumplättchen als Halbleitermembraneinheit über ein Borsilikatglasrohr und eine zwischengefügte Nickel-Eisen-Legierung mit 39 bis 42% Nickel indirekt mit einem rostfreien Stahlgehäuse eines elektronischen Druckwandlers verbunden ist. Diese indirekte Verbindung verhindert Wärmerisse des Siliziumplättchens aufgrund des Unterschiedes der Wärmeausdehnung zwischen dem rostfreien Stahlgehäuse und dem Siliziumplättchen. Die Haltereinheit umfaßt das Borsiliktglasrohr, mit dem zunächst das Siliziumplättchen verbunden wird und das nachher mit dem Nickel-Eisen-Legierungshalter durch ein eutektisches Legierungslot verlötet wird. Beim Zusammenbau wird zunächst der Nickel-Eisen-Halter mit dem rostfreien Stahlgehäuse bei einer ersten Temperatur verlötet, die höher als die höchste, nicht zerstörend wirkende Temperatur entweder des Plättchens oder des Glasrohres ist, und das Glasrohr wird dann mit dem Nickel-Eisen-Halter bei einer niedrigeren Temperatur verlötet, die das Plättchen oder den rohrförmigen Halter nicht zerstört. Jedoch ist das vorstehend erwähnte Löten sehr mühsam, da beispielsweise die Verbindungsfläche des Nickel-Eisen-Halters und des Glasrohres mit einer dünnen Chromschicht und einer dünnen Goldschicht durch Verdampfen od. dgl. vor dem Löten überzogen wird. Zu der vorab erfolgenden Verbindung des Siliziumplättchens mit dem Borsilikatglasrohr ist nur allgemein auf bekannte Kleber und Verbinder hingewiesen.
Die US-PS 33 97 278 beschreibt allgemein ein anodisches Verbindungsverfahren zum Verbinden eines Siliziumplättchens mit einer Isolierstoffplatte, z. B. Borsilikatglasplatte, oder eines anorganischen Isoliermaterials, z. B. Glases, bei 150 bis 1200°C mit dünnen Schichten aus leitenden Metallen der Gruppe Aluminium, Platin, Beryllium, Palladium und Titan oder halbleitenden Metallen bzw. Verbindungen der Gruppe Germanium, Silizium und Galliumarsenid, geht aber nicht auf die Herstellung von druckempfindlichen Einrichtungen ein.
Aus der US-PS 36 97 918 ist es bekannt, bei einer druckempfindlichen Einrichtung die Halbleitermembraneinheit durch anodische Verbindungstechnik mit einem Glasträger zu verbinden, ohne daß ein weiteres Tragorgan oder ein Metallgehäuse erwähnt wird.
Die GB-PS 14 04 016 beschreibt ebenfalls eine druckempfindliche Einrichtung, bei der die Halbleitermembraneinheit durch anodische Verbindungstechnik mit einem Glasträger verbunden wird. Der Glasträger wird einerseits im Gehäuse gehalten, indem auf dessen unteres Ende ein Flansch aufgeschraubt wird, auf dessen Innenschulter der Glasträger ruht und durch einen Haltering und einen Dichtungsring abgedichtet gehalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, das mit möglichst wenigen Verfahrensschritten und Bestandteilen und mit hoher Produktivität die Herstellung einer druckempfindlichen Einrichtung guter Gasdichtheit und hoher mechanischer Festigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
Durch das gleichzeitige Verbinden der Halbleitermembraneinheit, des Glastragorgans und des Metalltragorgans aus einer 35 bis 43% Nickel enthaltenden Eisen-Nickel-Legierung durch anodische Verbindungstechnik bei höchstens 300°C werden zum Erzielen guter Gasdichtheit und hoher mechanischer Festigkeit weniger Verfahrensschritte und weniger Bestandteile als beim eingangs vorausgesetzten bekannten Verfahren benötigt, und die Verbindung des Metalltragorgans mit der Druckaufnahmebasis des Metallgehäuses durch eine äußere Schweißstelle erleichtert die Durchführung und verbessert auch die Produktivität des Verfahrens.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht, die eine gemäß der Erfindung hergestellte druckempfindliche Einrichtung zeigt;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Wärmeausdehnungseigenschaften der Eisen-Nickel-Legierungen zum besseren Verständnis der Erfindung veranschaulicht; und
Fig. 3 eine Schnittansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß hergestellten Einrichtung zeigt.
Gemäß Fig. 1 weist eine druckempfindliche Einrichtung eine Siliziummembraneinheit 10, die aus einer Siliziumkristallplatte gebildet ist, in deren mittlerem Teil ein flexibler Membranteil vorgesehen ist und die beispielsweise mit einer Brückenschaltung eines Dehnungsmessers auf der Oberfläche des Membranteils ausgebildet ist, ein isolierendes Tragorgan 20, das aus einem Isolierstoff, nämlich Borsilikatglas, besteht und die auf seiner Oberseite angebrachte Siliziummebraneinheit 10 trägt, und ein Metalltragorgan 30 auf, das aus der Nickel-Eisen-Legierung besteht und mit dessen oberem Ende die Siliziummembraneinheit 10 und das Glastragorgan 20 verbunden sind, die ihrerseits fest verbunden sind. Der untere Endteil des Metalltragorgans 30 ist 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 Siliziummembraneinheit 10 und die darauf ausgebildete Dehnungsmeßschaltung sind nach Verfahren hergestellt, die bereits gut bekannt sind. Als Borsilikatglas zur Bildung des Glastragorgans 20 ist es zweckmäßig, ein Glas zu verwenden, das als "Pyrex"-Glas erhältlich ist. Der mittlere Teil des Glastragorgans 20 ist mit einem durchgehenden Loch 22 versehen, durch welches und durch ein durchgehendes Loch 34 des rohrförmigen Metalltragorgans 30 ein zu messender Druck oder ein Bezugsdruck zu einer Oberfläche der Siliziummembraneinheit 10 eingeführt wird. Wie die Fig. 1 zeigt, ist der mittlere Teil der aus rostfreiem Stahl bestehenden Druckaufnahmebasis 40 mit einer Vertiefung 42 ausgebildet, in der die Verbundeinheit angeordnet ist, die aus der Siliziummembraneinheit 10, dem Glastragorgan 20 und dem Metalltragorgan 30 besteht. Der obere Endteil der Vertiefung 42 ist mit einem Flansch 44 versehen, auf dem eine beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehende metallische Membran 60 z. B. mittels Schweißens montiert ist. Ein Raum, der durch die metallische Membran 60 und die in der Druckaufnahmebasis 40 gebildete Vertiefung 42 definiert wird, ist mit einem Fluidmaterial wie Öl 70 gefüllt, durch das ein auf die Oberfläche der metallischen Membran 60 durch das Loch 55 des Abdeckkörpers 50 ausgeübte zu messende Druck oder Bezugsdruck auf die andere Oberfläche der Siliziummembraneinheit 10 einwirkt.
Die Druckaufnahmebasis 40 ist mit durchgehenden Löchern 46 ausgebildet, in denen mit Glas abgedichtete Anschlüsse 80 angeordnet sind. Glas 84, das ein Isolator ist, ist um die Anschlußleiter 82 eingebracht. Die auf der Siliziummembraneinheit 10 ausgebildete Dehnungsmeßschaltung ist durch die Anschlußleiter 82 sowie durch leitende Drähte 86 herausgeführt.
Die Siliziummembraneinheit 10, das Glastragorgan 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 40mit hoher mechanischer Festigkeit und hermetisch durch Schweißen verbunden. Dabei ist das Metalltragorgan 30 vorzugsweise ausreichend lang gemacht, um zu verhindern, daß eine Wärmeverformung während des Schweißens einen ungünstigen Einfluß auf die Verbindungsfläche zwischen dem Metalltragorgan 30 und dem Glastragorgan 20 ausübt.
Wie vorstehend beschrieben, wird bei der Herstellung der druckempfindlichen Einrichtung erfindungsgemäß das anodische Verbinden angewendet, um untereinander die Siliziummembraneinheit 10, das Glastragorgan 20 und das Metalltragorgan 30 zu verbinden. Hierzu ist die Verbindung zwischen dem Glastragorgan 20 und dem Metalltragorgan 30 besonders ausgelegt. Aus der US-PS 33 97 278 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 300 und 700°C gehalten werden, wobei die optimale Temperatur 400°C ist, während eine Spannung von 500 bis 1000 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 die beiden zu verbindenden Teile gleiche oder ähnliche Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung der druckempfindlichen Einrichtung ist die Eisen-Nickel-Legierung das Material des Metalltragorgans 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 das erfindungsgemäße Verfahren 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 Nickelgehalt 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 die 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, dem Wärmeausdehnungskoeffizient des "Pyrex"-Glases in dem 300°C 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 Siliziummembraneinheiten nach dem Verbinden durch den Glasträger gezogen wird, was zu einer Verringerung eines nichtlinearen Fehlers führt.
Zum anodischen Verbinden des Metalltragorgans aus der Eisen-Nickel-Legierung mit dem "Pyrex"-Glas wird wenigstens die Legierungsseite geläppt, da sonst die hermetische Dichtung nach dem Verbinden versagen könnte.
Die Siliziummembraneinheit 10, das Glastragorgan 20 aus dem "Pyrex"-Glas und das Metalltragorgan 30 aus der Eisen-Nickel-Legierung werden übereinander gestapelt und in einem auf einer Temperatur von angenähert 250 bis 300°C gehaltenen Konstanttemperaturofen angeordnet. Es wird eine Gleichspannung von 1200 V unter Zuordnung des positiven Pols zur Siliziummembraneinheit 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.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß hergestellten druckempfindlichen Einrichtung. 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&min; breit ist, so daß die Verbindungsfläche zwischen dem Metalltragorgan 30&min; und dem "Pyrex"-Glastragorgan 20 eine große Ausdehnung hat. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist demgemäß die Verbindung zwischen dem "Pyrex"-Glastragorgan 20 und dem Metalltragorgan 30&min; 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 anderes isolierendes Material verwendet werden, solange sein Wärmeausdehnungskoeffizient dem von Silizium gleich oder ähnlich ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer druckempfindlichen Einrichtung zum Liefern eines Ausgangs im Ansprechen auf einen Druck mit einer Halbleitermembraneinheit, 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 Borsilikatglas, auf dessen Oberseite die Halbleitermembraneinheit starr befestigt wird,
einem zweiten Tragorgan aus Metall, auf dessen Oberseite das erste Glastragorgan starr befestigt wird und das aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 35 bis 43% Nickel besteht, und
einem Metallgehäuse, in dem die drei verbundenen Teile, d. h. die Halbleitermembraneinheit, das erste Glastragorgan und das zweite Metalltragorgan, angeordnet werden und an dem das zweite Metalltragorgan an seinem unteren Endteil starr befestigt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Halbleitermembraneinheit (10), das erste Glastragorgan (20) und das zweite Metalltragorgan (30, 30&min;) nach Läppen des letzteren durch anodische Verbindungstechnik bei einer Temperatur bis zu 300°C gleichzeitig hermetisch untereinander verbunden werden, wobei der positive Pol der Gleichspannung an die Halbleitermembraneinheit (10) und das zweite Metalltragorgan (30 ) und der negative Pol an das erste Glastragorgan (20) angeschlossen werden,
und daß der untere Endteil des Metalltragorgans (30) durch eine äußere Schweißstelle ( 33) mit der Druckaufnahmebasis (40) des Metallgehäuses fest verbunden wird.