DE3009163C2

DE3009163C2 -

Info

Publication number: DE3009163C2
Application number: DE3009163A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Phys. 7500 Karlsruhe De Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-03-10
Filing date: 1980-03-10
Publication date: 1989-03-09
Also published as: JPS56142431A; DE3009163A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwertaufnehmer für Druck, bei dem eine Halbleiter-Meßmembran mit piezoresistiven Dehnungsmeßstreifen mit ihrem ringscheibenförmig verdickten Rand auf der Stirnfläche eines Trägers mit Druckzuleitung und elektrischen Anschlüssen mittels einer metallischen Schmelz verbindung befestigt ist.The invention relates to a transducer for Pressure at which a semiconductor measuring membrane with piezoresistive Strain gauges with their thickened washer Edge on the end face of a support with pressure supply line and electrical connections by means of a metallic enamel connection is attached.

Bei derartigen Meßwertaufnehmern für Druck oder Differenzdruck ist die Verbindung zwischen der Halbleiter-Meßmembran und dem mechanischen Träger weitgehend für den Kennlinienverlauf (Linearität) und das Temperaturverhalten bestimmend. Die Ver bindung muß außerdem eine genügend hohe Festigkeit aufweisen, um dem Meßdruck sowie der zulässigen Überlast standzuhalten.With such sensors for pressure or differential pressure is the connection between the semiconductor measuring membrane and the mechanical carrier largely for the characteristic curve (Linearity) and determining the temperature behavior. The Ver Binding must also have a sufficiently high strength, to withstand the measuring pressure and the permissible overload.

Halbleiter-Meßmembranen für Meßwertaufnehmer in Druck- oder Differenzdruck-Meßgeräten bestehen üblicherweise aus einer dünnen planparallelen Halbleiterscheibe, bei der von einer Seite her durch Materialabtrag eine kreisförmige, zentrische Ausnehmung hergestellt ist, so daß nur noch eine, den aktiven Teil der Meßmembran bildende Schicht von einigen µm Dicke stehen bleibt. Auf der gegenüberliegenden Seite werden durch Dotierung die piezoresistive Dehnungsmeßstreifen bildenden Zonen und die Anschlußbahnen eingebracht. Mit ihrem verdickten kreisscheibenförmigen Rand sind die Meßmembranen auf einen die elektrischen Anschlüsse und die Druckzuleitung enthaltenden Träger aufzubringen, wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient des üblicherweise metallischen Trägers dem des Halbleiterwerk stoffs zumindest nahe kommen soll, um temperaturgangbedingte, meßwertverfälschende Spannungen in der Meßmembran zu vermeiden.Semiconductor measuring membranes for transducers in pressure or Differential pressure measuring devices usually consist of one thin plane-parallel semiconductor wafer, in the case of a A circular, centric one by removing material Recess is made so that only one, the active Part of the measuring membrane forming a few microns thick stop. On the opposite side are through Doping the piezoresistive strain gauges Zones and the connecting tracks introduced. With her thickened circular disk-shaped edge are the measuring membranes on a electrical connections and the pressure supply line Apply carrier, the coefficient of thermal expansion of the usually metallic carrier that of the semiconductor plant material should at least come close to temperature-related Avoid voltages in the measuring membrane that distort the measured value.

Aus der DE-AS 26 17 731 ist ein Druckmeßwandler bekannt, dessen die Halbleiter-Meßmembran enthaltender Verformungskörper mittels einer Schmelzverbindung mit einem Trägerkörper bzw. Überlastaufnehmer verbunden ist. Als Verbindungsmittel werden niedrig schmelzendes Glas, ein Metalleutektikum, z. B. Gold- Silizium, oder Silikonlack empfohlen.From DE-AS 26 17 731 a pressure transducer is known its deformation body containing the semiconductor measuring membrane by means of a fusion connection with a carrier body or Overload sensor is connected. As a lanyard low melting glass, a metal eutectic, e.g. B. Gold Silicon or silicone varnish recommended.

Die Herstellung derartiger Schmelzverbindungen ist jedoch rela tiv aufwendig.However, the production of such fusion joints is rela tivly complex.

Bei dem in der DE-OS 22 48 004 beschriebenen Halbleiter-Druck wandler ist die Silizium-Membran ebenfalls mittels einer eutek tischen Au-Si-Legierung mit dem Trägerkörper verbunden. Für die gegen mechanische Beanspruchung sehr empfindlichen Anschluß drähte sind Anschlußstifte und -buchsen vorgesehen, deren Kon taktoberflächen mit einem Goldfilm überzogen sind, um den Kon taktwiderstand zu verringern. Stifte und Buchsen können auch mit einer Lötmittelschicht überzogen und miteinander verlötet werden.In the semiconductor printing described in DE-OS 22 48 004 The silicon membrane is also a converter by means of an eutek table Au-Si alloy connected to the support body. For the connection, which is very sensitive to mechanical stress wires are provided pins and sockets, the con tact surfaces are covered with a gold film to the Kon to reduce clock resistance. Pins and sockets can also covered with a layer of solder and soldered together will.

Es besteht die Aufgabe, eine einfache und fertigungstechnisch günstige Art der Befestigung der Halbleiter-Meßmembran auf der Stirnfläche des Trägers zu finden.There is a simple and manufacturing task favorable way of attaching the semiconductor measuring membrane on the Find the end face of the wearer.

Eine Lösung der Aufgabe wird mit einem Meßwertaufnehmer er reicht, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. A solution to the problem is with a transducer enough that has the features of claim 1.

Zur Herstellung der lötfähigen Auflage auf der ringschei benförmigen Fläche des Membranrandes wird dort Edelmetall, vorzugsweise Silber oder Gold, in einer dünnen Schicht aufgedampft und gegebenenfalls bei Temperaturen unter 400°C mit dem Halbleitermaterial versintert. Edelmetalle sind weitgehend inert. Die mit einer solchen Auflage versehenen Halbleiter-Meßmembranen können deshalb ohne weiteres bis zur Weiterverarbeitung gelagert werden. Bei dem Aufdampfvorgang braucht der aktive Membranbereich nicht maskiert zu werden, was die Herstellung sehr ver einfacht. Das gilt auch für die Verwendung niedrigschmel zender Weichlote zur Verbindung der Halbleiter-Meßmembran mit der Stirnfläche des Trägers bei niedriger Temperatur belastung. Mit Weichlot als Bindemittel lassen sich auch Unebenheiten der beiden zu verbindenden Flächen ohne wei teres ausgleichen, so daß auf ein sonst notwendiges, auf wendiges Planschleifen verzichtet werden kann.To produce the solderable pad on the ring disc ben-shaped surface of the membrane edge becomes precious metal there, preferably silver or gold, in a thin layer evaporated and if necessary at temperatures below 400 ° C sintered with the semiconductor material. Precious metals are largely inert. The one with one Semiconductor measuring membranes can therefore be provided easily stored until further processing. The active membrane area is required during the vapor deposition process not to be masked, which makes the manufacturing very difficult simple. This also applies to the use of low-melting zender soft solders for connecting the semiconductor measuring membrane with the face of the wearer at low temperature burden. With soft solder as a binder, too Unevenness of the two surfaces to be connected without white Compensate teres, so that on an otherwise necessary, agile surface grinding can be dispensed with.

Die Erfindung wird anhand eines in der Figur dargestell ten Ausführungsbeispiels eines Meßwertaufnehmers im fol genden erläutert.The invention is illustrated by means of one in the figure th embodiment of a transducer in fol explained.

Der im Längsschnitt dargestellte Meßwertaufnehmer setzt sich aus der Halbleiter-Meßmembran 1 und ihrem mechanischen Träger 2 in Form einer Metallplatte mit einem Anschluß stutzen 3 für die den Meßdruck P führende Druckleitung und mehreren, im Randbereich verteilten glasisolierten Durch führungen 4 für Lötstifte 5 oder ähnliche Anschlußmittel zusammen. Diese sind über gebondete Leitungen 11 mit Lei terbahnen auf der Membranoberfläche verbunden.The transducer shown in longitudinal section is composed of the semiconductor measuring diaphragm 1 and its mechanical support 2 in the form of a metal plate with a connecting piece 3 for the pressure line P leading the measuring pressure P and several, in the edge area distributed through insulated guides 4 for solder pins 5 or similar connection means together. These are connected via bonded lines 11 with conductor tracks on the membrane surface.

Die Halbleiter-Meßmembran 1 besteht aus einer Silizium scheibe, in deren zentrischem Teil durch Materialabtrag der einige µm dicke, aktive Teil 6 herausgearbeitet ist. Dessen durch eindotierte Dehnungsmeßstreifen abgegriffene Auslenkung ist ein Maß für den auf ihn wirkenden Druck P. Der bei der Herstellung des aktiven Teils 6 stehengeblie bene ringscheibenförmige Rand 7 der Meßmembran 1 ist auf seiner mit der Stirnfläche 9 des Trägers 2 zu verbinden den Stirnfläche mit einer gut lötfähigen Auflage 8 ver sehen, die aus einer aufgedampften Silberschicht besteht. Als Bindemittel zwischen den zu verbindenden Stirnflächen von Halbleitermembran 1 und Träger 2 dient ein Weichlot 10, beispielsweise ein Lötzinn nach DIN 1707, mit einem Schmelzpunkt zwischen 180 und 300°C.The semiconductor measuring diaphragm 1 consists of a silicon wafer, in the central part of the active part 6 is worked out by material removal of the few microns thick. Its deflection, tapped off by doped strain gauges, is a measure of the pressure P acting on it. The standing in the production of the active part 6 bene ring-shaped rim 7 of the measuring membrane 1 is to be seen on its ver with the end face 9 of the carrier 2 to connect the end face ver with a good solderable pad 8 , which consists of a vapor-deposited silver layer. A soft solder 10 , for example a solder according to DIN 1707, with a melting point between 180 and 300 ° C. serves as a binder between the end faces of the semiconductor membrane 1 and the carrier 2 to be connected.

Das Weichlot 10, dessen Schichtdicke hier nicht maßstäb lich dargestellt ist, gleicht vorhandene Unebenheiten in den Stirnflächen der Halbleitermembran 1 und des Trägers 2 aus, so daß eine völlig gleichmäßige Verbindung der Halb leiter-Meßmembran mit ihrem Träger möglich ist und keine Verspannungen auftreten.The soft solder 10 , the layer thickness of which is not shown here to scale, compensates for any unevenness in the end faces of the semiconductor membrane 1 and the carrier 2 , so that a completely uniform connection of the semiconductor measuring membrane with its carrier is possible and no stresses occur.

Claims

1. Transducer for pressure, in which a semiconductor measuring membrane with piezoresistive strain gauges with its ring disk-shaped thickened edge is attached to the end face of a support with pressure supply line and electrical connections by means of a metallic fusion connection, since characterized in that the with the support face ( 9 ) to be connected to the end face of the annular disk-shaped edge ( 7 ) of the semiconductor measuring membrane ( 1 ) is provided with a solderable support made of noble metal and is connected to the carrier end face ( 9 ) by means of a solder ( 10 ) with a melting point below 400 ° C. .

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the support ( 8 ) is evaporated as a thin layer on the end face of the edge ( 7 ).

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the support ( 8 ) at temperatures below 400 ° C is connected to the semiconductor material by sintering.