DE2951469A1

DE2951469A1 - Vakuumverkapseltes akustisches oberflaechenwellen(aofw)-druckfuehlergebilde

Info

Publication number: DE2951469A1
Application number: DE19792951469
Authority: DE
Inventors: Donald Edward Cullen
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1980-07-03
Also published as: AU524762B2; FR2444936B1; SE7910311L; IT1125925B; CA1126975A; IT7928110A0; GB2037988A; FR2444936A1; JPS5598323A; AU5379779A; GB2037988B; JPS6345049B2

Description

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Vakuumverkapseltes akustisches Oberflächenwellen (AOFW)-

Druckfühlergebilde

Die Erfindung bezieht sich auf akustische Oberflächenschallwellen (AOFW) -Druckfühler und betrifft insbesondere Vakuumverkapselungen derselben.

AOFW-Druckfühler sind beispielsweise aus den US-PSen 3 978 und 4 100 811 bekannt. AOFW-Verzögerungsleitungen, die ein ebenes Substrat mit zwei Hauptflächen aufweisen, wobei auf einer dieser Hauptflächen in einem aktiven Signalgebiet elektroakustische Wandler angeordnet sind, bilden, kurz gesagt, AOFW-Druckfühler, wenn in dem aktiven Signalgebiet eine flexible, verformbare Membran gebildet wird. Die Membran wird zwischen derjenigen Fläche des Substrats, die das aktive Signalgebiet enthält, und einer dazu parallelen Fläche gebildet, welche durch die Stirnwand eines inneren zylindrischen Hohlraums oder einer Bohrung in der zweiten

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Hauptfläche gebildet wird. Der Hohlraum wirkt als Fluidleitung zu der inneren Fläche der Membran zum Anlegen von Drucksignalen, die eine Beanspruchung auf die Membran ausüben und bewirken, daß diese verformt wird und daß ihre Schallwellenausbreitungseigenschaften in dem aktiven Signalgebiet des Substrats geändert werden. Durch Verbinden der AOFW-Verzögerungsleitung mit einem externen Oszillator kann die Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen als Änderung der Schwingungsfrequenz gemessen werden, was alles in den vorgenannten Patentschriften beschrieben ist.

Bei Verwendung als Fühlvorrichtungen für den absoluten Druck müssen die AOFW-Drückfühler vakuumverkapselt sein, damit ein Druck null an einer Bezugsfläche der Membran (der Fläche mit dem aktiven Signalgebiet) vorhanden ist, während die entgegengesetzte Fläche der Membran (die durch die Hohlraumstirnwand gebildete Innenfläche) für die abgefühlten Drucksignale zugänglich ist. Die Verkapselung muß außerdem externe elektrische Verbindungen zu den Wandlern der Verzögerungsleitung gestatten und darf - im Idealfall keine Wärmespannungen in dem aktiven Signalgebiet des AOFW-Substrats aufgrund einer Temperaturwechselbeanspruchung der Verkapselung über dem Betriebstemperaturbereich des Fühlers verursachen. Das Erfordernis, innere Wärmespannungen zu verhindern oder zu minimieren bereitet Schwierigkeiten, wenn es zwischen dem AOFW-Substratmaterial und dem Vakuumverkapselungsmaterial unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten gibt. Das Problem ist besonders akut, wenn das AOFW-Substrat selbst aus piezoelektrischem Material, wie Quarz, besteht, das anisotrope Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Ein Gebilde, das sämtliche Erfordernisse erfüllt, insbesondere das Minimieren von inneren Spannungen, besteht aus dem gleichen Kristallmaterial wie das Substrat,

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das gleiche Wärmeausdehnungseigenschaften ergibt und elektrisch isolierend ist, was eine Verbindung des Verkapselungsgebildes direkt über den Wandlerleitern gestattet. Infolgedessen wird das aktive Signalgebiet in einem Vakuum gehalten, während die entgegengesetzte Fläche der Membran für die abgefühlten Drucksignale leicht zugänglich ist. Es gibt jedoch viele Fälle, in denen ein Metallvakuumgebilde aufgrund der Betriebsumgebung vorzuziehen ist. Es stehen zwar geeignete Metallverkapselungsverfahren zur Verfügung, um die elektrische Verbindung mit den Wandlern herzustellen, die Kombination von ungleichen Materialien, d.h. von Metall und Kristall führt jedoch nicht nur zu inneren Spannungen in der AOFW-Fühlermembran, sondern bei piezoelektrischen Substraten mit anisotropen Temperatureigenschaften kann die Spannung so stark werden, daß sie das Reißen des Vakuumverschlusses der Verkapselung an dem Substrat bewirkt. Gegenwärtig stellt dies eine definitive Begrenzung sowohl für die Genauigkeit als auch für den maximalen Betriebstemperaturbereich von metallverkapselten AOFW-Druckfühlern dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verkapselung zu schaffen, mittels welcher ein AOFW-Druckfühler in einem ausgedehnten Betriebstemperaturbereich in einer Vakuumumgebung gehalten und die AOFW-Fühlermembran von inneren Wärmespannungen, die aus einer Temperaturwechselbeanspruchung der Verkapselung in demselben Temperaturbereich herrühren, isoliert wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der AOFW-Druckfühler in einer Vakuumumgebung innerhalb eines vakuumdichten Gebildes durch eine zylindrische Metallbüchse abgestützt, die den Fühler mit Abstand von einer Befestigungswand des Gebildes hält, wobei der Abstand zehn- bis zwanzigmal größer ist als die Zylinderwanddicke. Die Büchse ist an einem

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Ende vakuumdicht an der Hohlraumöffnung in dem AOFW-Substrat und am anderen Ende vakuumdicht an einer in der Befestigungswand des Gebildes gebildeten öffnung angeordnet und bildet eine Pluidleitung für externe Drucksignale durch die Vakuumumgebung von der öffnung zu der Innenfläche der AOFW-Membran. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat der Büchsendurchmesser den Minimalwert, der erforderlich ist, um den Fühler über dem Betriebsbereich von Schwingungsfrequenzen abzustützen. In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Büchse aus einem Metall, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen den anisotropen Temperaturkoeffizienten eines piezoelektrischen AOFW-Substrats liegt. In noch anderer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Büchse aus einem Metall mit guten Vakuumeigenschaften einschließlich eines niedrigen Dampfdruckes, hohen Schmelzpunkts, Korrosionsbeständigkeit, einfacher Entgasbarkeit, spanabhebender Bearbeitbarkeit und Lot-, Schweiß- oder Hartlötbarkeit, wie Nickel.

Die Vakuumverkapselung nach der Erfindung schafft ein Mindestvakuum von 10 Torr über einem ausgedehnten Temperaturbereich in der Größenordnung von 200 ⁰C. Die Verkapselung isoliert das AOFW-Substrat und minimiert die in dem Substrat hervorgerufenen inneren Spannungen, die sich aufgrund einer Temperaturwechselbeanspruchung der Verkapselung über dem Betriebstemperaturbereich des Fühlers ergeben.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Bs zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten AOFW-Druckfühlers, der bei der Erfindung benutzt werden kann,

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Fig. 2 eine vereinfachte Längsschnittansicht des AOFW-Fühlers von Fig. 1,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Wärmeausdehnungscharakteristik des AOFW-Druckfühlergebildes nach der Erfindung,

Fig. 4 eine vereinfachte Längsschnittansicht einer

Ausführungsform eines vakuumverkapselten AOFW-Druckfühlergebildes nach der Erfindung und

Fig. 5 eine vereinfachte Teillängsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform des AOFW-Druckfühlergebildes von Fig. 4.

Gemäß den Fig. 1 und 2 enthält ein AOFW-Druckfühler 10 der aus der US-PS 4 100 811 bekannten Art ein ebenes Substrat 11 mit einer ersten Hauptfläche 12 und einer zweiten Hauptfläche 14. Paare elektroakustischer Wandler 16, 18 sind auf der ersten Fläche in dem aktiven Signalgebiet 19 angeordnet, das außerdem die verformbare Membran 20 enthält, die in dem Substrat durch einen zylindrischen Hohlraum oder eine Bohrung 22 des Durchmessers d_Q gebildet ist. Die Dicke der Membran wird zwischen der ersten Fläche 12 und der in dem Substrat durch die Stirnwand des Hohlraums 22 gebildeten Innenfläche 24 gemessen. Die Membran 20 biegt sich, wenn Druck auf die Fläche 24 durch ein in dem Hohlraum befindliches Fluid ausgeübt wird.

Im allgemeinen besteht das Substrat aus piezoelektrischem Material, es kann aber auch piezoelektrisches Material, wie Zinkoxid in Form eines Dünnfilmüberzugs zwischen den Wandlern 16, 18 und der ersten Fläche 12 aufgebracht werden. Das Substrat kann, wenn es piezoelektrisch ist, aus irgendeinem

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bekannten piezoelektrischen Material bestehen, wie Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat. Von diesen wird meistens Quarz wegen seiner Verfügbarkeit und seines niedrigeren Preises benutzt. Quarz hat anisotrope Temperaturkoeffizienteneigenschaften, da die optische oder Z-Achse einen Wärmeausdehnungskoeffizient hat, der doppelt so groß ist wie der in der X-oder Y-Achse. Das Quarzsubstrat wird aus einem Ausgangsquarzkristall in irgendeiner von mehreren kristallographischen Orientierungen geschnitten, beispielsweise als eine Y-Schnitt- oder ST-Schnitt-Wafer, je nach dem besonderen Verwendungszweck der AOFW-Vorrichtung. Für Y-Schnitt-Quarz liegt der 2 5 °C-Wärmeausdehnungskoeffizient in der Z-Achse in der Größenordnung von 13,7x10 '

ITXIXl K^

und in der X-Achse, der Achse der AOFW-Ausbreitung, in der Größenordnung von 7,5x1O~ · Infolge der anisotropen

IuIu L

Temperatureigenschaften verformt sich der zylindrische Hohlraum 22 über dem Betriebstemperaturbereich in insgesamt elliptischer Weise, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die Darstellung in Fig. 3 ist aus Erläuterungsgründen übertrieben, um die Art der Verformung zu veranschaulichen, wobei ein Kreis 26 die Gestalt des Hohlraums bei Raumtemperatur darstellt, der sich mit zunehmender Temperatur im wesentlichen elliptisch verformt, was strichpunktiert durch das Ellipsoid 28 dargestellt ist, dessen Hauptachse auf der Z-Achse der Kristallwafer liegt.

Gemäß Fig. 4 ist in einem vakuumverkapselten AOFW-Druckfühlergebilde 30 nach der Erfindung der AOFW-Fühler 10 durch ein Vakuumgehäuse verkapselt, das einen Deckelteil 32 aufweist und den Fühler 10 in eine durch den Deckel 3 2 und ein Unterteil 36 gebildete Kammer 34 einschließt. Der Deckel und das Unterteil sind aus Vakuummaterial, sei es Metall oder Glas, hergestellt, das geeignet ist, ein Mindestvakuum von 10 Torr innerhalb der Kam-

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mer 34 herzustellen. Der Deckel ist mit dem Unterteil längs der Paßfläche 37 vakuumdicht verbunden, beispielsweise durch einen Lötverschluß oder eine Schweißung. Der Deckel 32 hat eine kleine Öffnung 38, die das Evakuieren der Kammer 34 nach dem Verbinden des Deckels mit dem Unterteil gestattet, woran anschließend die Öffnung mit einem Lötverschluß 39 verschlossen wird.

Die elektrischen Verbindungen zwischen den AOFW-Wandlern 16# 18 und den externen Oszillatorschaltungen (nicht gezeigt) erfolgen über elektrische Leiter 40, die durch das Unterteil 36 mit Durchführungsisolatoren 41 bekannter Art hindurchgeführt sind, welche sowohl für die elektrische Isolierung des Leiters als auch für einen vakuumdichten Verschluß zwischen der Kammer 34 und der äußeren Umgebung sorgen. Bei einem Metallvakuumgehäuse kann das Unterteil selbst als Rückstromweg für den Wandler benutzt werden und innere Massedrähte 42 können zwischen den AOFW-Wandlern und dem Unterteil vorgesehen sein.

Der AOFW-Fühler 10 ist in der Kammer durch eine zylindrische Metallbüchse 44 abgestützt, die das Fühlersubstrat um eine Strecke oder Höhe h.. über der Innenfläche 46 des Unterteils hält. Die Büchse hat einen Durchmesser D, der gleich oder kleiner als der Durchmesser des Hohlraums (22) sein kann. Die Bohrung 48 der Büchse bildet einen Fluiddurchlaß oder eine Fluidleitung zwischen dem Hohlraum und einer Öffnung 50, die in der Wand des Unterteils gebildet ist und für eine externe Quelle von Drucksignalen (nicht gezeigt) zugänglich ist. In Fig. 4 ist die Metallbüchse 44 als geradwandiger Zylinder dargestellt, der eine Auflagefläche 52 hat, die in eine in dem Substrat 11 an dem Umfang der Hohlraumöffnung in dem Substrat 11 gebildete zylindrische Senkung paßt, und eine Sitzfläche

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54, die in eine gleiche zylindrische Senkung paßt, die in der Fläche 4 6 längs des Umfangs der Öffnung 50 vorgesehen ist. Die Büchsenflächen sind jeweils mit den mit ihnen zusammenpassenden Flächen durch einen Lötverschluß verbunden. Bei dem Zusammenbau des Gebildes wird zuerst die Büchse an dem Substrat befestigt. Im Anschluß an einen Schritt des HF-Aufsprühens von Dünnfilmen aus Chrom und Gold auf die Seitenwand der zylindrischen Senkung wird eine Nickelauflage auf den Goldfilm aufgebracht und die Lagerfläche 52 wird in der zylindrischen Senkung mit einem Blei-Zinn-Lot, das einen Schmelzpunkt von ungefähr 200 ⁰C hat, festgelötet. In einem späteren Schritt wird die Sitzfläche an das Unterteil mit einem Indiumlot angelötet, das eine niedrigere Schmelzpunkttemperatur von 156 C hat. Die Lötverbindungen ergeben jeweils einen Vakuumverschluß zwischen dem Substrat und dem Unterteil an den mit ihnen zusammenpassenden Flächen der Büchse.

Die Metallbüchse besteht aus einem Vakuummetall, das gute Vakuumeigenschaften hat, wie einen niedrigen Dampfdruck, einen hohen Schmelzpunkt, Korrosionsbeständigkeit, leicht entgast werden kann, leicht durch spanabhebendes Bearbeiten geformt werden kann und außerdem gelötet, geschweißt oder hartgelötet werden kann. Zum Verhindern des Reißens der Vakuumdichtung zwischen der Büchse und dem Substrat muß das Metall außerdem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der mit dem des Substrats kompatibel ist. Für Substrate aus piezoelektrischem Material mit anisotropen Temperatureigenschaften sollte das Metall einen Temperaturkoeffizienten haben, der zwischen denjenigen der optischen Achse sowie der X- und der Y-Achse liegt, so daß in Fig. 3 ein Metall, das einen kompatiblen Temperaturkoeffizienten hat, eine Büchsenausdehnung gegenüber dem ausgezogenen Kreis 26 zu dem gestrichelten Kreis 60 ergibt, während sich der Hohlraum von dem Kreis 26 zu dem Ellipsoid

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28 ausdehnt. Das bevorzugte Metall dehnt sich, wie dargestellt, weniger als das Substrat längs der Z-Achse aus, sondern mehr längs der X-Achse, was eine ungefähre mittlere Ausdehnung zu der der beiden Achsen des Substrats ergibt.

Die Ausdehnung der Büchse in der X-Achse über das Substrat hinaus würde, wenn sie gestattet würde, dazu führen, daß in dem Substrat innere Spannungen und möglicherweise Risse längs der Innenfläche des Hohlraums hervorgerufen werden. Wenn sich jedoch die Metallbüchse so verformt, daß die Zylinderwände die begrenzte Ausdehnung der Büchse längs der X-Achse des Substrats ergeben, folgt die Büchse der elliptischen Verzerrungscharakteristik des Substrathohlraums, wodurch die inneren Spannungen reduziert oder sogar eliminiert werden und die Integrität des Vakuumverschlusses aufrechterhalten wird. Selbstverständlich muß die Büchse sich elastisch verformen, damit die Wiederherstellung des Büchsenumrisses bei Raumtemperatur zusammen mit der Wiederherstellung des Hohlraums möglich ist. Zusätzlich zu dem Erfordernis, daß die Büchse aus Metall besteht, das zum Herstellen eines Vakuumverschlusses geeignet ist, d.h. einen hohen Dampfdruck hat, muß es einen Temperaturkoeffizienten haben, der mit dem der anisotropen Eigenschaften des Quarzes kompatibel ist, und es muß außerdem elastisch verformbar sein. Ein Metall, das alle diese Forderungen erfüllt, ist Nickel, das alle Anforderungen an ein gutes Vakuummaterial erfüllt und einen 25 °C-Tem-

peraturkoeffizienten von 12,6x1O~⁶ hat. Nickel ist

Π1ΙΠ L

elastisch verformbar und durch eine geeignete Büchsengeometrie, zu der die Wanddicke, die Büchsenlänge und der Büchsendurchmesser gehören, kann die Büchse so ausgebildet werden, daß sie die Verformung erfährt, die erforderlich ist, um sich gemeinsam mit dem Quarzsubstrat in

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dem Betriebstemperaturbereich des Fühlers zu verformen.

Die Verformung kann festgelegt werden, indem für die Büchse eine Länge gewählt wird, die gewährleistet, daß das Substrat 11 sich gegenüber der Innenfläche 4 6 des Unterteils in einer Höhe h.. befindet, die zehnmal größer als die Dicke der Zylinderwände 62 ist, welche mit einer minimalen Abmessung hergestellt sind. Die minimale Wanddicke wird gewählt, indem beachtet wird, daß der Büchsenaufbau eine ausreichende Steifigkeit erhält, um eine Verformung der zylindrischen Gestalt der Büchse bei einer maximalen Druckdifferenz zwischen dem abgefühlten Druck und dem Druck null der Kammer 34 zu verhindern, und daß ein vakuumdichter Verschluß über dem gleichen Betriebsbereich von abgefühlten Drücken geschaffen wird, d.h. daß die Zylinderwände nicht so dünn werden, daß sie eine Porosität aufweisen, die ein Vakuumleck ergeben kann. Eine Mindestabmessung für die Zylinderwanddicke für einen 3,45 bar - Fühler liegt in dem Bereich von 0,05 bis 0,08 mm. Eine konservativere, praktische Wanddicke für den gleichen Fühler liegt in der Größenordnung von 0,13 mm, was dann eine Höhe h.. von 1,27 mm ergibt. Die zusätzliche Länge der Büchse, die über diese Höhenabmessung hinausgeht, wird so gewählt, daß sich eine geeignete Einführungslänge der Büchse jeweils in die zylindrischen Senkungen für den Hohlraum 22 und die öffnung 50 ergibt.

Ein Verhältnis von 10:1 zwischen der Höhe und der Wanddicke ergibt eine Büchse mit ausreichender Elastizität, damit sich die Lagerfläche 52 und der benachbarte obere Teil zusammen mit dem Hohlraum verformen können, die ungleichen Temperaturkoeffizienten erzeugen jedoch noch Abmessungsdifferenzen bei der Ausdehnung. Die Lötverbindung längs der Fläche 52 weist eine ausreichende Elastizität

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auf, um den Vakuumverschluß trotz der geringfügigen Verformungsungleichheiten aufrechtzuerhalten. Zum Erzielen der minimalen Verlagerung wird für den Büchsendurchmesser D der niedrigstmögliche Wert gewählt. Dieser ist durch zwei Zwänge begrenzt. Der erste Zwang ist der Durchmesser des Hohlraums 22, da der Außendurchmesser der Büchse nicht kleiner sein kann, als die öffnung des Hohlraums in der Substratfläche. Gemäß Fig. 4 ist der Hohlraumdurchmesser gleich dem der Membran, da die Membran (20, Fig. 1) durch Bohren des Hohlraums in die zweite Fläche des Substrats hergestellt wird. Wenn andere Methoden gefunden werden können, um den erforderlichen Membrandurchmesser zu schaffen, kann der Durchmesser des übrigen Teils des Hohlraums, d.h. derjenige Teil, der sich in die Fläche 24 öffnet, schmaler sein und trotzdem noch für die Fluidverbindung von der öffnung 50 zu der Membranfläche 24 sorgen, so daß der Büchsendurchmesser kleiner als der der Membran selbst sein kann.

Der zweite Zwang besteht darin, daß die Büchse die erforderliche steife Abstützung für die Substratmasse bilden muß. Die Substrat/Büchse-Halterung erfolgt nach Art eines Sockels, der unter Fühlerbetriebsbedingungen schwingen kann, Wenn die Schwingung oder Vibration stark genug ist, kann sie dazu führen, daß das Substrat von der Büchsenfläche losgerissen wird, was zu einem Vakuumleck oder zu einem Bruch in den zu den AOFW-Wandlern führenden elektrischen Verbindungen führen kann. Ein Mindestdurchmesser, der die Erfordernisse der mechanischen Abstützung erfüllt, liegt in der Größenordnung von einem Viertel der maximalen Abmessung des rechteckigen Substrats von Fig. 1. Wenn ein kreisförmiges Substrat benutzt wird, liegt der Büchsen durchmesser in der Größenordnung von einem Viertel des

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Durchmessers des Substrats. Da der Membrandurchmesser typischerweise gleich der Hälfte des Durchmessers eines kreisförmigen Substrats oder gleich der Hälfte der maximalen Abmessung eines rechteckigen Substrats ist, liegt der Mindestdurchmesser der Hülse 44 in der Größenordnung der Hälfte des Durchmessers der Membran.

Die Metallbüchse 44 hat, kurz zusammengefaßt, folgende Eigenschaften: (1) sie besteht aus einem Vakuummetall mit einem Wärmeausdehnungkoeffizienten, der mit dem der anisotropen Eigenschaften des AOFW-Substratmaterials kompatibel ist, (2) sie hat eine Gesamtlänge im Verhältnis zur Wanddicke, die bewirkt, daß sich das Substrat in einem Abstand von dem Gehäuseunterteil befindet, der zehnmal größer als die Wanddicke der Büchse ist, und (3) sie hat einen Durchmesser, der gleich oder kleiner als der Durchmesser der in dem AOFW-Substrat gebildeten Membran ist, und einen optimalen Mindestdurchmesser, der gleich der Hälfte des Durchmessers der Membran ist. Solange diese Forderungen erfüllt sind, kann die Büchse eine etwas geänderte Geometrie haben, um andere Erfordernisse der Befestigung der Büchse sowohl an dem Substrat als auch an der in der Wand gebildeten öffnung, wie dem Unterteil 46, der Vakuumverkapselung zu erfüllen.

Gemäß Fig. 5 enthält eine andere Ausführungsform der Büchse 44' einen Rand oder Flansch 70, der um die Außenfläche der zylindrischen Wand gebildet ist. Der Rand 70 bildet eine Lagerfläche 72 zum Abstützen des Substrats 11 in der Höhe h., über der Fläche 46 des Unterteils 36. Auf diese Weise braucht das Substrat 11 keine zylindrische Senkung längs des Umfangs des Hohlraums zu haben, was zu bevorzugen sein kann. Die Büchse 44· besteht aus dem gleichen Material, wie die Büchse 44 und erfüllt dieselben Forderungen, einen Vakuumverschluß zu schaffen und elastische Verformungsei-

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genschaften zu haben, so daß sich die Büchse der Verformung des Loches über der Temperatur anpaßt. Die Büchse bildet eine gleiche Fluidleitung 48 zwischen der öffnung 50 und dem Hohlraum 22, die eine Fluidverbindung zwischen einer externen Quelle von Drucksignalen und der Fläche 24 der in dem Substrat gebildeten Membran gestattet. Die Büchse 44' hat eine Sitzfläche 74, die mit einer zylindrischen Senkung in dem Unterteil 36 des Gehäuses zusammenpaßt. In Fig. 5 ist die Sitzfläche durch einen Schulterteil 76 der Büchse gebildet, der sowohl für eine bessere mechanische Festigkeit der Büchse an der Sitzfläche als auch für eine Verringerung des Durchmessers der in dem Unterteil 36 gebildeten öffnung 50 sorgt. Das ermöglicht unter praktischen Gesichtspunkten sowohl eine dünnwandige Büchse mit ausreichender Steifigkeit für die Handhabung, das heißt zum Verhindern des Verwindens der Büchse während der Herstellung, was Büchsen mit minimalen Wanddicken ergeben kann, als auch das Schaffen eines Durchmessers der öffnung, der mit Druckfittings von Standardgröße kompatibel ist, so daß die öffnung und/oder die Innenwand der Schulter 76 mit einer externen Fluidleitung verschraubt werden können. Da die Büchsen 44 und 44' jeweils Temperaturkoeffizienten haben, die mit dem des Metallgehäuses kompatibel sind, ist es nicht erforderlich, daß die Büchse eine unübliche Verformung längs der Sitzfläche hat. Unbeabsichtigte Differenzen in den Temperaturkoeffizienten, die innere Spannungen in dem Unterteil 36 hervorrufen können, rufen keine inneren Spannungen in dem Substrat hervor. Die Büchse 44, die in Fig. 4 gezeigt ist, kann deshalb in gleicher Weise mit der Schulter 76 versehen werden, die für die Büchse 44' dargestellt ist, während die Lagerfläche 52 der Büchse 44 dieselbe bleibt.

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Das vakuumverkapselte AOFW-Druckfühlergebilde nach der Erfindung sorgt sowohl für eine vakuumdichte Verkapselung des AOFW-Substrats, um eine Verschlechterung oder Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit aufgrund einer Verunreinigung durch die Umgebung zu verhindern, als auch für den erforderlichen Druckbezugswert null für eine Absolutdruckfühlerkonfiguration. Die Verwendung der Metallbüchse zum Abstützen des Substrats mit Abstand von der Wand des Gehäuses isoliert das AOFW-Substrat von jedweder inneren Spannung, die aus einer Temperaturwechselbeanspruchung der Verkapselung über dem Betriebstemperaturbereich resultiert. Die Büchsengeometrie einschließlich Länge, Wanddicke und Durchmesser kann innerhalb der oben angegebenen Richtlinien geändert werden, damit sich höhere Betriebstemperaturbereiche ergeben, so daß eine Mindestwanddicke in dem Bereich von 0,05 bis 0,08 mm für einen Fühler mit einer maximalen Druckdifferenz von 3,45 bar erhöht werden muß, um höheren Druckdifferenzen gerecht zu werden. Für einen 41,4 bar - Fühler liegt die Mindestwanddicke in der Größenordnung von 0,08 bis 0,10 mm, mit einer typischen Dicke in der Größenordnung von 0,20 mm. Das bevorzugte Material für die Metallbüchse ist Nickel, obwohl jedes andere Material, das die oben beschriebenen erforderlichen Eigenschaften hat, benutzt werden kann.

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Claims

Patentansprüche :

1.) Vakuumverkapseltes akustisches Oberflächenwellen (AOFW)-Druckfühlergebilde,

gekennzeichnet durch einen AOFW-Druckfühler (10) mit einer AOFW-Verzögerungsleitung, die in einem aktiven Signalgebiet (19) auf einer ersten von zwei parallelen Hauptflächen (12, 14) eines Substrats (11) angeordnet ist, in welchem eine verformbare Membran gebildet ist, die die gleiche Ausdehnung wie das aktive Signalgebiet hat und eine Membrandicke hat, die durch den relativen Abstand der ersten Fläche (12) von einer parallelen Innenfläche (24), die durch die Stirnwand eines in der zweiten Hauptfläche (14) des Substrats gebildeten zylindrischen Hohlraums (22) gebildet ist, festgelegt ist, wobei der Hohlraum einen den Durchmesser der verformbaren Membran genau festlegenden Durchmesser aufweist;

durch ein vakuumdichtes Gehäuse (30) mit einem Unterteil (36) und einem Deckel (32), die an dem Unterteil vakuum-

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dicht miteinander verbunden sind und die den AOFW-Fühler (10) in einer zwischen ihnen gebildeten Vakuumkammer (34) aufnehmen, wobei das Unterteil eine Öffnung (50) hat, die in einer Linie mit dem Hohlraum in dem Substrat ist; und

durch eine zylindrische Metallbüchse (44), die eine auf ihrer Länge gebildete zentrale Bohrung (48) hat und vakuumdicht an entgegengesetzten Enden mit dem Hohlraum bzw. mit der Öffnung verbunden ist und an beiden Enden Paßflächen (52, 54) in Abhängigkeit von dem Außendurchmesser (D) und der Wanddicke der Büchse hat, wobei die zentrale Bohrung eine Fluidleitung für externe Drucksignale durch die Vakuumumgebung von der Öffnung zu dem Hohlraum bildet.

2. Druckfühlergebilde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (44) den AOFW-Druckfühler (10) in einem Abstand (h.) von dem Unterteil (36) abstützt, der zehn- bis zwanzigmal größer als die Wanddicke der Büchse ist.

3. Druckfühlergebilde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (44) einen Mindestaußendurchmesser (D) hat, der kleiner als der Durchmesser der verformbaren Membran ist.

4. Druckfühlergebilde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die. Büchse (44) aus einem Metall besteht, das einen niedrigen Dampfdruck und einen hohen Schmelzpunkt hat.

5. Druckfühlergebilde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (D) der Büchse (44) gleich der Hälfte des Durchmessers der verformbaren

Membran ist.

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6. Druckfühlergebilde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (44) aus Nickel besteht.

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