DE3026785A1

DE3026785A1 - Druckwandler und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3026785A1
Application number: DE19803026785
Authority: DE
Inventors: Herman W Erichsen
Original assignee: Data Instruments Inc
Current assignee: Honeywell Data Instruments Inc
Priority date: 1979-07-17
Filing date: 1980-07-15
Publication date: 1981-02-05
Also published as: GB2054954A; FR2461939A1; FR2470373B1; FR2461939B1; FR2470373A1; GB2054954B; JPS5629136A; DE3026785C2; US4327350A; JPS6345050B2

Description

Patentanwäi+e Dipl.-lnp. C urt Wallach

λ Dipl.-lng. Günther Koch

^D?R7RR Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

U1ο ö 0 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: I5, Juli I9ÖO

Unser Zeichen: l6

Anmelder: Data Instruments, Inc.

4 Hartwell Place
Lexington, MA 02173
USA

Bezeichnung: Druckwandler und Verfahren

zu seiner Herstellung

Priorität: 17. Juli 1979

05&,282
USA

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Die Erfindung bezieht sich, allgemein auf Druckwandler und insbesondere auf Halbleiterdehnungsmeß-Druckwandler.

Es gibt zwei Grundbauarten von Halbleiterdehnungsmeß-Druckwandlern, und zwar (1) die Trägerdehnungsmeß-Druckwandler-Bauart, wie diese in der US-PS 3 611 767 beschrieben ist, und (2) die Bauart mit diffundierter Membran, wie diese in "Transducers, Pressure and Temperature", 1974-» beschrieben ist (ein Katalog und ein Handbuch über Druck- und Temperaturwandler mit integrierter Schaltung, die von der National Semiconductor Corporation von Santa Clara, Kalifornien, veröffentlicht wurden).

Bei der ersten Bauart mit Stegträger ist eine Membran als integraler Teil eines Gehäuses spanabhebend bearbeitet oder als getrenntes Element hergestellt, das vom Gehäuse getragen wird. Ein Fühlträgersteg wird als Teil des Trägeraufbaus bearbeitet, beispielsweise als Ring, der in das Gehäuse derart einpaßt, daß eine Auslenkung der Membran eine Auslenkung des Steges zur Folge hat. Wenigstens zwei gering dotierte Halbleiterstäbe aus Germanium oder Silicium sind an gegenüberliegenden Seiten und über die Länge des Sensorsteges derart angeklebt, daß ein Stift einer Kompression und der andere einer Zugspannung unterworfen wird, wenn die Membran den Steg auslenkt. Die Stifte bilden zwei Spannungsmeßelemente, die dann in eine Brückenschaltung in Verbindung mit zwei äußeren Widerständen gelegt werden.

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In diesem letztgenannten Fall ist die Einheit als aktive Halbwellen-Brückenschaltung ausgebildet. Statt dessen kann eine Doppelweg-Brückenschaltung dadurch geschaffen werden, daß (1) die beiden Stäbe auf jeder Seite des Steges so befestigt werden, daß sie unter Druck bzw. unter Zugspannung stehen, wenn der Steg gemäß der Auslenkung der Membran verbogen wird, und (2) indem die vier Stäbe so zusammengeschaltet werden, daß sie eine Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden. Sowohl bei der Halbwellenschal tung als auch bei der Doppelwellenschaltung bewirkt das Auftreffen eines Drucks auf der Membran ein Auslenken des Sensorsteges proportional zu dem aufgebrachten Druck. Dies führt wiederum zu einer Änderung des Widerstandswertes der Halbleiterstäbe, die am Steg befestigt sind, und dies ergibt einen Spannungs- oder einen Stromausgang der Brückenschaltung, der proportional zu dem aufgebrachten Druck ist.

Die Halbleiterwandler der Bauart mit diffundierter Membran weisen allgemein eine Membran auf, die aus einem Siliciumkörper ausgeätzt ist, wobei Halbleitersensoren durch die übliche Halbleiterherstellungstechnik auf der Oberfläche der Siliciummembran durch Diffusion aufgebracht sind. Diese Halbleitersensoren, die beispielsweise durch Diffusion von Borverunreinigungen in das Siliciumsubstrat hergestellt werden, werden in einer Brückenschaltung in geeigneter Weise so angeordnet, daß bei Aufbringen eines Druckes auf die Membran dieser Druck eine Beanspruchung zur Folge hat, wodurch piezoresistive Änderungen in den diffundierten Sensoren hervorgerufen werden, wie dies bei den Wandlern der zuerst genannten Bauart der Fall ist. Dies führt ru einem elektrischen

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Ausgang proportional zu dem aufgebrachten Druck. Die diffundierten Membranen können durch Massenfabrikation, beispielsweise durch Diffusion der Sensoren in eine SiIiciumunterlage an mehreren Stellen, hergestellt werden, so daß an jeder Stelle ein Brückenzweig gebildet wird. Dann wird die Unterlage selektiv geätzt, um die Membran zu bilden, die im typischen Fall etwa 0,025 nm dick ist, wobei herkömmliche Techniken angewendet werden. Dann wird die Unterlage in Scheiben aufgeteilt, um eine einzige Membran jeweils zu bilden. Diese Membran wird dann auf einem Trägersubstrat, beispielsweise aus Glas oder Silicium, befestigt, um eine Bezugskammer bzw. eine Öffnung zwischen der Membran und der Unterlage zu schaffen. Das Verfahren zur Verbindung der Membran mit der Unterlage kann im Vakuum derart durchgeführt werden, daß eine Vakuumbezugszelle geschaffen wird, wodurch ein Sensor für Absolutdruck geschaffen wird. Statt dessen kann ein kleines Loch in der Unterlage angebracht werden, um den Hohlraum nach der Atmosphäre hin zu entlüften, wodurch ein Meßdruckwandler geschaffen wird.

Ein Vorteil des Wandlers der Träger-Bauart besteht in einer hohen Flexibilität für verschiedene Anwendungen. Außerdem kann die Membran aus verschiedenen korrosionswiderstandsfähigen Materialien, beispielsweise rostfreiem Stahl, Berylliumkupfer, Inconel X, Monel usw., hergestellt werden. Das Fühlermodul kann auf diese Weise gegenüber dem zu messenden Medium dadurch geschützt werden, daß ein für die jeweilige Anwendung geeignetes Material benutzt wird. Der Meßbereich der Vorrichtung kann leicht dadurch geändert werden, daß die Dicke der Membran geändert wird. Der Hauptnachteil dieser Bauart besteht jedoch

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darin, daß relativ hohe Herstellungskosten erforderlich sind im Vergleich mit den Wandlern der letztgenannten Bauart. Außerdem erfordert diese Bauart individuell bearbeitete Teile für Membran, Steg und Zubehör, die sämtlich einzeln zusammengebaut werden müssen. Die Automatisation des Aufbaus erfordert speziell ausgebildete Anlagen, die nicht ohne weiteres verfügbar sind und eigens gebaut werden müssen. Deshalb wurden bei einer Automatisation die Kosten noch höher zu liegen kommen.

Der Hauptvorteil der Halbleiterwandler besteht in der kostengünstigen Herstellung. Es können Hunderte von Sensoren aus einer Unterlage aus Silicium hergestellt werden, wobei die üblichen Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen Anwendung finden können. Die Membran besteht jedoch aus Silicium und dies ist nicht immer kompatibel mit den zu messenden Medien. Bei zahlreichen Anwendungen muß das zu messende Medium mit Teilen der Vorrichtung in Berührung stehen, beispielsweise mit den diffundierten Leitungen, den Widerständen usw. Hierdurch wird die Anwendung dieser Wandler begrenzt. Oft werden die Teile mit einem Schutzüberzug, beispielsweise Parylen, überzogen, der für zahlreiche Anwendungsfälle kompatibel sind. Jedoch auch bei Anwendung solcher Schutzüberzüge können derartige Wandler mit einer so dünnen Membran leicht durch Temperatureinflüsse des zu messenden Mediums beschädigt werden, welches direkt mit der Membran in Berührung steht. Andere Probleme ergeben sich bei der Herstellung, wobei sich insbesondere Schwierigkeiten hinsichtlich der reproduzierbaren Genauigkeit von Wandler zu Wandler ergeben, was wiederum zu einer Kostenanhebung führt.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Halbleiterdruckwandlern zu schaffen, wodurch die Vorteile der beiden bekannten Bauarten aufrechterhalten werden, jedoch die Nachteile beider Bauarten im wesentlichen vermieden werden.

Veiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines verbesserten Herstellungsverfahrens für Halbleiterdruckwandler, welches einfach durchführbar ist und reproduzierbar genaue mechanische Aufbauten mit relativ niedrigen Kosten liefert.

Weiter bezweckt die Erfindung die Schaffung eines preisgünstigen Herstellungsverfahrens für Wandler der Halbleiterbauart durch Erzeugung des Wandlers in Massenproduktion mit Vielfacheinheiten. Hierdurch soll die Herstellung von Einheiten mit engeren Toleranzen gewährleistet werden als dies bisher möglich ist, wobei die Wandler weniger anfällig für absolute Toleranzen sind als dies bei Wandlern mit diffundierter Membran möglich war.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch einen verbesserten Druckwandler, der aus einem Blattmaterial vorbestimmter Dicke besteht. Eines der Blätter ist mit wenigstens einer öffnung derart versehen, daß ein auslenkbarer Steg gebildet wird. Dieser Steg trägt wenigstens zwei Drucksensoren. Ein weiteres Blatt definiert eine ebene flexible Membran, die über dem Steg liegt und (1) so ausgebildet ist, daß sie sich in ihrer Ebene relativ zum Steg nicht bewegen kann, (2) jedoch so, daß (a) bei Auslenkung der Membran der Steg in wenigstens einer Eichtung

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ausgelenkt wird und (b) die Sensoren so ansprechen, daß das Ausmaß der Ablenkung der Membran angezeigt wird. Durch Verwendung von Blattmaterialien zur Herstellung des Wandlers können zahlreiche Wandler gleichzeitig hergestellt und zusammengebaut werden, wobei eine Vielzahl von Elementen in Schichtform hergestellt wird, die dann in Einzeleinheiten aufgeteilt werden, und wobei Halbleitertechniken oder andere bekannte Techniken Anwendung finden können.

Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 1, Fig. 4· ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die zum Verständnis des kostengünstigen Herstellungsverfahrens beiträgt,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. Λ und des in Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Verfahrens,

Fig. 7 ein Explosionsschaubild einer abgewandelten Ausführungsform eines Wendlers gemäß der Erfindung,

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Jig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 gemäß Sig- 7,

Fig. 9 ein Explosionsschaltbild, welches dem Verständnis eines abgewandelten Herstellungsverfahrens dient.

In der Zeichnung sind zur Bezeichnung einander entsprechender Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen sind die Hauptbestandteile des Wandlers aus Blech hergestellt, dessen Dicke'einfach und genau eingestellt werden kann, wobei Techniken aus dem Herstellungsverfahren in Massenproduktion Anwendung finden können, die eine hohe reproduzierbare Genauigkeit gewährleisten. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 wird vorzugsweise nach einer Ätztechnik hergestellt, wie sie bei der Halbleiterherstellung Anwendung findet, wie dies in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 5 deutlich wird.

Die aus Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Wandlerelemente bilden die wesentlichen Teile des Wandleraufbaus 10. Der Wandleraufbau 10 besitzt einen Schichtenaufbau aus drei Schichten 12, 14- und 16. Die erste Schicht bzw. die Trägerschicht 12 besteht vorzugsweise aus Silicium oder Germanium und besitzt eine vorbestimmte Dicke und sie ist mit zwei öffnungen 18 versehen, die so gestaltet sind, daß dazwischen ein Auslenksteg 20 gebildet wird, der an den beiden Enden 22 eingespannt ist. Die kristallographische Achse des Halbleitermaterials der Trägerschicht ist

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in Hinblick auf eine optimale Sensorcharakteristik gewählt und verläuft über die Länge des Steges 20. Die mittlere Schicht 14 bzw. die Abstandshalterschicht weist eine Mittelöffnung 24 und eine Kraftübertragungsvorrichtung in Gestalt eines Zapfens 26 auf. Die dritte Schicht, die als Membranschicht 16 ausgebildet ist, besteht aus flexiblem lOlienmaterial vorbestimmter Dicke. Die Schichten 14 und 16 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa so groß ist wie jener der Schicht 12. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Schicht 12 aus Silicium besteht, können die Schichten 14 und 16 aus einem Glas mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise geschmolzenem Silicium, bestehen oder aus einem Glas, welches unter dem Warenzeichen "Pyrex" von der Corning Glass Works of Corning, New York, hergestellt wird. Die Schichten werden in geeigneter Weise derart miteinander verbunden, daß die Schichten innerhalb ihrer Ebenen miteinander verbunden sind, und derart, daß die Schicht 16 mit der Öffnung 24 der Abstandshalterschicht 14 einen aktiven Membranabschnitt 28 definiert. Der Zapfen 26 liegt derart, daß er sowohl den Steg 20 als auch die Membran 28 in der Mitte berührt und dort festgelegt ist.

Der laminierte Aufbau der Schichten 12, 14 und 16 kann unter Abdichtung in einem Gehäuse untergebracht werden, wobei der Umfangsrand der Membranschicht 16 an einem Ende einer Drucköffnung 32 zu liegen kommt, deren anderes Ende bei 34 offen ist. An einem Ende der Öffnung 32 ist ein geeignetes Gehäuse 36 befestigt, welches am anderen Ende mit einer Endkappe 38 verschlossen ist.

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Vorzugsweise wird eine halbe aktive Brückenkonfiguration wie aus Fig. 2 ersichtlich vorgesehen, wobei zwei Sensoren 30 vorzugsweise aus piezoresistivem Material durch Diffusionsbindung, durch Ionenverpflanzung oder auf andere Weise auf einer Seite des Steges 20 aufgebracht sind, d. h. auf jener Seite des Steges 20, die der Seite gegenüberliegt, die dem Zapfen 26 zugewandt ist. Bei einer Diffusionsbindung oder einer Ioneneinpflanzung werden die Dotierungspegel der Sensoren 30 im Hinblick auf optimale piezoresistive Eigenschaften längs der kristallographischen Achse gewählt. Die Sensoren 30 sind auf dem Steg so angeordnet, daß ein Sensor unter Druck steht und der andere unter Zugspannung, wenn der Steg 20 sich gemäß dem Ausschlag des Membranteils 28 verbiegt. Der Sensor 3OA wird von dem Steg 20 in der Nähe des einen Endes 22 des Steges so getragen, daß er unter Druck steht, wenn ein positives Druckdifferential angelegt wird, d. h. wenn der Druck des gemessenen Mediums in der Öffnung 32 den Bezugsdruck in dem Gehäuse 36 überschreitet. Umgekehrt steht der Steg unter Spannung, wenn ein negatives Druckdifferential angelegt wird, d. h. wenn der Druck des in der Öffnung 32 zu messenden Mediums kleiner ist als der Bezugsdruck innerhalb des Gehäuses 36. Der Sensor 3OB liegt benachbart zur Mitte des Steges, derart, daß er unter Spannung steht, wenn ein positives Druckdifferential angelegt wird, während er zusammengedrückt wird, wenn ein negatives Druckdifferential anliegt.

Wie am besten aus Fig. 1 erkennbar, sind die Sensoren 3OA und 30B miteinander und mit einem geeigneten Anschluß 40, von denen nur einer dargestellt ist, verbunden. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, können die Anschlüsse 40 ihrerseits

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mit äußeren Widerständen 42A und 42B derart verbunden sein, daß eine Brückenschaltung gebildet wird, wobei die Sensoren 3OA und 3OB zwei Arme der Brücke bilden. In bekannter Weise wird eine Spannungsquelle 44 an die Brücke an den gegenüberliegenden Brückenpunkten der Zweige angelegt, um ein gleiches Eingangssignal an die kombinierten zwei Brückenzweige anzulegen, die durch die Sensoren 3OA und 3OB einerseits und die restlichen Arme der Brücke, die von den Widerständen 42A und 42B andererseits gebildet sind, anzulegen. In bekannter Weise wird ein Meßgerät 46 an die verbleibenden Brückenpunkte derart angelegt, daß eine Änderung im Widerstand der Sensoren 30A und 3OB gemäß der Auslenkung des Steges 20 eine Änderung in der Ablesung des Meßgerätes zur Folge hat. Es können zwei zusätzliche Spannungssensoren entsprechend den Sensoren 30A und 3OB vom Steg 20 derart getragen werden, daß die sich hieraus ergebenden vier von dem Steg getragenen Sensoren jeweils paarweise druckbeaufschlagt bzw. zugbeaufschlagt sind, wenn eine Auslenkung des Steges erfolgt. Bei einer solchen Ausbildung werden die vier Sensoren in geeigneter Weise so verbunden, daß eine voll aktive Brückenschaltung gebildet ist. Wie bekannt, wird in beiden Fällen die Brücke in ihren Zweigen abgeglichen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Aufbaus 10 beschrieben. Der Aufbau 10 wird dadurch hergestellt, daß drei Platten 50, 52 und 54 (entsprechend den Schichten 12, 14 und 16 mehrerer Aufbauten 10) so zusammengebaut werden, daß (1) die Trägerplatte 50 eine Vielzahl von Öffnungen 18 aufweist, um eine Mehrzahl der Stege 20 zu bilden, die jeweils eine geeignete Zahl von Sensoren 30 tragen;

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(2) die Abstandsplatte 52 eine gleiche Anzahl von öffnungen 24 und Zapfen 26 besitzt, die in geeigneter Weise gegenüber den jeweiligen Stegen 20 ausgerichtet sind, und

(3) die Membranplatte 5^ eine gleiche Anzahl von Membranabschnitten 28 bildet.

Das bevorzugte Verfahren umfaßt eine Ätzstufe, um die Öffnungen 18 und 24 herzustellen, und eine Verbindungs- oder Verschmelzungsstufe, um die Platten miteinander zu verbinden, und ferner eine Diffusionsstufe bzw. eine Ioneneinpf1anzstufe, um die Sensoren 30 zu bilden.

Die öffnungen 18 und 24 werden durch geeignete Maskierungsblätter 50 und 52 und durch Ätzen an den entsprechenden Stellen der CBlätter 30 und 52 hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Blatt 50 aus Silicium oder Germanium und das Blatt 52 aus einem Glas mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, und beide Blätter können in bekannter Weise maskiert und geätzt werden, beispielsweise durch ein chemisches Ätzverfahren oder durch Ultraschallschleifverfahren, wie diese an sich bekannt sind. Die Sensoren 30 werden durch Diffusion an genau festgelegten Stellen des Steges des Blattes 50 befestigt. Dies geschieht dadurch, daß geeignete Dotierungsstoffe, beispielsweise Bor, durch Diffusion oder Ioneneinpflanzung in dem Blatt 50 eingebaut werden.

Die Platten bzw. Blätter 50, 52 und 5^ werden dadurch miteinander verbunden, daß sie entweder verklebt oder bei relativ hohen Temperaturen miteinander verschweißt werden. Der hieraus resultierende Schichtenkörper wird dann, zu Scheiben geschnitten, um einzelne Wandleraufbauten 10

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zu schaffen, wie dies in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 56 angedeutet ist.

Die genaue Folge von Herstellungsstufen hängt bei dem bevorzugten Verfahren teilweise von der Wahl der Materialien für die Platten 50, 52 und 54- ab. Allgemein werden die Platten 52 und 54- zuerst miteinander verbunden, indem sie miteinander verklebt oder bei hoher Temperatur miteinander verschweißt werden. Dann werden die Öffnungen 24 an der geeigneten Stelle eingeätzt, wobei jeder Zapfen 26 intakt bleibt. Der sich hieraus ergebende aktive Membranabschnitt 28 wird nicht geätzt und daher werden die kritischen Erfordernisse vermieden, die beim Ätzen der Membran bei bekannten Wandlern der Diffusions-Membranbauart auftraten, um die Dicke der Membran zu steuern. Wenn das Plättchen 50 mit den kombinierten Plättchen 52 und 54-verschmolzen wird, dann hängt die nächste Verfahrensstufe von der Fusionstemperatur und der resultierenden Temperatur ab, die auftritt, wenn die Sensoren 30 durch Diffusion oder Ioneneinpflanzung aufgebracht werden. Allgemein wird der Verfahrensschritt, der die höhere Temperatur erfordert, zu Anfang durchgeführt. Wenn die Diffusionsoder Einpflanztemperatur höher als die Fusionstemperatur ist, darm werden die Sensoren 30 durch Diffusion oder Einpflanzen an der betreffenden Stelle festgelegt, bevor das Plättchen 50 mit dem geätzten Plättchen 52 verschmolzen wird, um eine Lösung der Schichten voneinander zu vermeiden. Andererseits wird das ungeätzte Plättchen 50 mit dem geätzten Plättchen 52 verschmolzen, wenn die Fusion bei einer höheren Temperatur stattfindet. Dann werden die Sensoren an der präzisen Stelle durch Diffusion oder Ioneneinpflanzung festgelegt. In jedem Fall

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wird das ungeätzte Plättchen ^O gegenüber dem geätzten Plättchen 52 festgelegt, wobei die Sensoren an der richtigen Stelle liegen. Dann werden die einzelnen Stege 20 individuell durch Ätzung der Öffnungen 18 in dem sich ergebenden zusammengesetzten Körper hergestellt. Dieser zusammengesetzte Körper wird dann in Scheiben aufgeteilt, um die einzelnen Wandlereinheiten 10 zu bilden.

Die auf diese Weise hergestellten Scheibeneinheiten 10 können in geeigneter Weise an der Drucköffnung 32 durch Verschweißen oder Verkleben der ümfangsränder der Membranschicht 28 am Ende der öffnung festgelegt werden. Dann kann das Gehäuse 36 an Ort und Stelle befestigt werden und die Sensoren 30 v/erden miteinander und mit Anschlußklemmen 40 verbunden, wobei der Klemmenträger 38 an Ort und Stelle festgelegt wird. Das Gehäuse kann abgedichtet werden, um einen vorbestimmten Bezugsdruck für den Wandler zu liefern (beispielsweise ein Vakuum), oder statt dessen kann das Gehäuse auch nach der Atmosphäre hin entlüftet sein.

Vorstehend wurde ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Wandlers beschrieben. Es können jedoch zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So können beispielsweise, wie aus Eig. 6 ersichtlich ist, mehrere Drucköffnungen 32A aus einer einzigen Platte 58, vorzugsweise aus Glas, wie beispielsweise geschmolzenem Silicium, hergestellt werden, indem die Platte an vorbestimmten Stellen geätzt oder durch Ultraschall geschliffen wird, um die Hohlräume 60 für jeden Wandleraufbau 10 auf einer Seite der Platte zu bilden. Die Platte wird weiter geätzt oder geschliffen,

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um eine Entlüftungsöffnung 62 zu bilden, die "jeden Hohlraum mit der gegenüberliegenden Seite der Platte 60 verbindet. Während der Herstellung der Plättchen 50, 52 und 54- wird das geätzte Plättchen 58 beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen mit dem Plättchen 54- so verbunden, daß jeder Hohlraum 60 einem entsprechenden Membranabschnitt 28 zugewandt ist und diesen umgibt. Die Verbindung der Plättchen 58 und 54- kann leicht bewerkstelligt werden, nachdem das Plättchen 50 am Plättchen festgelegt ist und die Öffnungen 24- hergestellt sind. Die übrigen Stufen bei der Erzeugung und beim Aufbau der Wandlereinheiten 10 sind dann die gleichen wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, so daß bei der folgenden Scheibenbildung des laminierten Schichtenkörpers in einzelne Einheiten 10 jede dieser Einheiten eine Drucköffnung 32A enthält, die der Drucköffnung 32 gemäß Mg. 1 entspricht.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung besteht der Wandler aus Halbleitermaterial, jedoch können auch andere Materialien und Herstellungstechniken benutzt werden. Beispielsweise können die Plättchen 50 "und 52 aus Metall oder Metallegierungen bestehen, beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Berylliumkupfer, und sie könnten heiß verpreßt, metallurgisch verlötet, verklebt oder auf andere Weise verbunden werden, um zwei Laminataufbauten zu schaffen. Die Öffnungen 24- und die Zapfen 26 können dann durch Selektivätzung der Berylliumkupfers mittels einer geeigneten Ätzlösung, beispielsweise mit Ferrichlorid, geätzt werden, welches gegenüber dem aus rostfreiem Stahl bestehenden Plättchen 54· inert ist. In gleicher Weise kann das Plättchen 50 aus retail, beispielsweise aus

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Berylliumkupfer, hergestellt werden, und die Sensoren 30 können demgemäß an Ort und Stelle verklebt werden und die Öffnungen 18 können ebenfalls leicht durch Ätzung mit Ferricchlorid geätzt werden. Außerdem können andere Techniken zur Herstellung der Öffnungen 18 und 24 benutzt werden. Beispielsweise können, wie aus Fig. 7 bis 9 ersichtlich ist, die einzelnen Plättchen 5OA und 52A aus Metall oder einer Metallegierung, beispielsweise Berylliumkupfer, bestehen und die öffnungen 18A und 24A können durch Ausstanzen hergestellt werdea. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Zapfen 26 weggelassen und die kreisförmigen Öffnungen 24A sind in dem Plättchen 52A angeordnet, während die Kraftübertragungsvorrichtung dadurch gebildet wird, daß die Öffnungen 18A so ausgestanzt werden, daß wenigstens eine, aber vorzugsweise zwei abbiegbare Metallzungen 62 gebildet werden, die einstückig etwa in der Mitte eines jeden Steges 18A ausgebildet sind. Die Plättchen 5OA, 52A und 54A können darin metallurgisch durch Löten, Schweißen, Heißpressen oder ähnliche Verfahren verbunden werden. Hierbei können die einzelnen Zungen gegenüber dem Steg abgebogen werden, bevor die Schichtenbildung erfolgt, derart, daß sie die Membran 28 etwa berühren, wenn die Bildung des Schichtenkörpers erfolgt. Der gesamte Schichtenkörper kann dann in Scheiben aufgeteilt werden, um einzelne Wandleraufbauten zu schaffen, von denen ein Jeder an einer Drucköffnung 32 festgelegt werden kann, wie dies aus Fig. 7 und 8 ersichtlich ist.

Die Erfindung ermöglicht eine Kostenersparnis, da die Wandler in einer großen Zahl, beispielsweise in einer Stückzahl von 100 oder mehr pro Gesamtaufbau, hergestellt

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werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß trotz der Herstellung in Vielfacheinheiten mit niedrigen Herstellungskosten die einzelne, später davon getrennte Baueinheit engere Toleranzen aufweist als dies bei den bisherigen lertigungsverfahren möglich war. Dies wird erreicht, da die Dicke der Membran 28 innerhalb extrem geringer Toleranzen gehalten werden kann, da sie nicht in der Weise geätzt zu werden braucht, wie dies bei diffuserartigen Membranwandlern der Fall ist. Allgemein ist es einfacher, die Öffnungen 18 und 24- bei dem erfintLungsgemäßen Verfahren zu ätzen oder auf andere Weise zu erzeugen, als eine diffundierte Membran gemäß dem Stande der Technik herzustellen. Die Materialien, die für die Plättchen 50, 52 und 54- benutzt werden, können so gewählt werden, daß sie unterschiedliche Ätzparameter aufweisen, so daß eine Ätzung des Plättchens 52 erfolgen kann, während das Plättchen 54- ungeätzt bleibt. Außerdem sind die Sensoren thermisch besser gegenüber dem zu messenden Medium in der Drucköffnung 32 isoliert, da sie durch den Membranabschnitt 28, die Abstandsschicht 14- und den größten Teil der Trägerschicht 16 getrennt sind, im Vergleich mit der dünnen Membran, die im typischen Fall 0,025 mm dick ist bei den bekannten Wandlern mit diffundierter Membran. Außerdem ist die Geometrie des erfindungsgemäßen Aufbaus weniger empfindlich im Hinblick auf absolute Toleranzen als bei bekannten Wandlern der Bauart mit diffundierter Membran infolge der engen Toleranzen, mit denen die Platten bzw. Blätter hergestellt werden können. Es wird beispielsweise angenommen, daß die folgenden Ergebnisse bei einem Wandleraufbau der Halbleiterbauart auftreten, der diffundierte Sensoren für einen Bereich von 1,03 bar aufweist mit einer durchschnittlichen

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Dehnung pro Sensor von 700 M. . Der Halbleiteraufbau gemäß der Technik, die in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wurde, besitzt eine abgeschätzte Empfindlichkeit von Einheit zu Einheit von weniger als +/10 % des Kennwertes.

Wenn man dieses Ergebnis mit einem Wandler bekannter Bauart mit diffundierter Membran vergleicht, der ähnliche Abmessungen und eine ähnliche Ausbildung besitzt, dann würde die Empfindlichkeit um ungefähr +44 % bei einer 0,025 mm dicken Membran schwanken. Mit den obigen Dimensionen ist es möglich, etwa 100 Einheiten aus einem Schichtenkörper herzustellen, der einen Durchmesser von 7,5 cm aufweist. Gleiche Ergebnisse können mit Einheiten erreicht werden, bei denen die Sensoren mit dem Steg verklebt sind. loleranzerfordernisse sind immer weniger gravierend, wenn man die Dicke der Membran in geeigneter Weise auf die Dicke des Steges anpaßt.

Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Steg an beiden Enden fest eingespannt. Statt dessen könnte jedoch eine einzige Öffnung so angeordnet werden, daß ein freitragender Steg gebildet wird, der nur an einem Ende festgelegt ist. Außerdem könnte die Lage 14 wegfallen, und in diesem Falle würden nur die Blätter 50 und 54- den Ausgangskörper bilden. In diesem Falle würde die Form des Steges derart zu ändern sein, daß die von dem Steg getragenen Sensoren das erforderliche Ansprechen gewährleisten, wenn der Steg ausgelenkt wird.

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Zusammenfassung

Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Druckwandler und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Allgemein besteht der Wandler aus Blattmaterial und weist die Vorteile sowohl der Trägerbauart als auch der Bauart mit diffundierter Membran auf, während zahlreiche der Nachteile vermindert oder vermieden werden. Das Erzeugnis ist so aufgebaut, daß eine Vielzahl von Einheiten aus einem einzigen mehrlagigen Schichtenkörper hergestellt werden können, und zwar mit einer relativ hohen reproduzierbaren Genauigkeit und bei relativ niedrigen Herstellungskosten.

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Claims

Patentanwälte D:pl.-!ny. Curt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch 3026785 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d Datum: I5. Juli I98O Unser Zeichen: 16 3ΛM- K/CTu Pat ent ansprüctxe

1. Druckwandler, dadiirch gekennzeichnet , daß er ein erstes Materialblatt aufweist, welches wenigstens zxirei Öffnungen derart besitzt, daß dazwischen ein Steg gebildet wird, daß wenigstens zwei Dehnungssensoren derart angeordnet sind, daß sie auf die Auslenkung des Steges ansprechen, und daß ein zweites Blatt über dem ersten Blatt angeordnet und so festgelegt ist, daß eine Bewegung relativ zu diesem ersten Blatt längs der Ebene des ersten Blattes verhindert ist, wobei wenigstens ein Teil des zweiten Blattes eine flexible Membran bildet, die über dem Steg liegt und derart ausgebildet ist, daß (a) der Steg entsprechend ausgelenkt wird, wenn die Membran in wenigstens einer Richtung ausgelenkt wird, und

(b) die Sensoren derart ansprechen, daß sie das Ausmaß der Auslenkung der Membran anzeigen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er ein drittes Materialblatt aufweist, welches eine vorbestimmte Dicke besitzt und

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zwischen dem ersten und zweiten Blatt angeordnet ist, und daß das dritte Blatt eine Öffnung aufweist, die mit jenem Abschnitt des zweiten Blattes derart zusammenwirkt, daß die Membran gebildet wird.

3· Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Kraftübertragungsmittel in der Öffnung des dritten Blattes angeordnet sind, um die Kraft von der Membran auf den Steg zu übertragen, wenn die Membran in wenigstens der einen Richtung ausgelenkt wird.

4-. Wandler nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß der Steg an beiden Enden festgelegt ist und daß die Kraftübertragungsmittel die Mitte des Steges mit dem Mittelabschnitt der Membran koppeln.

5· Wandler nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Kraftübertragungsmittel wenigstens eine Zunge aufweisen, die mit dem Steg einstückig hergestellt ist und von dem Steg durch die Öffnung nach der Membran hin vorsteht.

6. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren auf dem Steg so angeordnet sind, daß wenigstens einer der Sensoren unter Druckbeanspruchung steht und der andere unter Zugbeanspruchung, wenn der Steg infolge der Auslenkung der Membran einer Auslenkung unterworfen wird.

7· Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren am Steg verklebt sind.

8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eines der Blätter aus Halbleitermaterial besteht.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren am Steg durch Diffusion festgelegt sind.

10. Wandler nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren durch Ioneneinpflanzung mit dem Steg verbunden sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schichtenkörper aus drei Platten gebildet wird, wobei die erste Platte mit einer Vielzahl von öffnungen versehen ist, die eine Vielzahl von Stegen in einer vorbestimmten Anordnung definieren, daß die zweite mittlere Platte mit einer gleichen Zahl sekundärer Öffnungen versehen ist, die jeweils einen Steg umschreiben und einen entsprechenden aktiven Membranabschnitt der dritten Platte definieren, und daß dieser Schichtenkörper in eine entsprechende Anzahl von Scheiben aufgeteilt wird, von denen jede einen Steg, eine zweite Öffnung und einen aktiven Membranabschnitt "bildet.

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Platte an der dritten Platte festgelegt wird und daß die zweite Platte selektiv geätzt wird, um die zweiten Öffnungen in der zweiten Platte zu bilden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß durch Ätzen ein Zapfen in der Mitte jeder zweiten Öffnung hergestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Platte auf die geätzte zweite Platte laminiert wird.

15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens zwei piezoresistive Sensoren durch Diffusion auf jedem Steg festgelegt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß durch Ioneneinpflanzung wenigstens zwei piezoelektrische Sensoren in jeden Steg eingepflanzt werden.

17· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine gleiche Zahl von Hohlräumen auf einer Seite einer vierten Platte in der vorbestimmten Anordnung angebracht wird und daß die vierte Platte auf der dritten Platte derart festgelegt wird, daß jeder Hohlraum jeweils einen

Membranabschnitt umgibt und daß beim Aufteilen des Schichtenkörpers in Scheiben die vier Schichten einer jeden Einheit eine Drucköffnung aufweisen.

18. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten und zweiten Platten so ausgestanzt werden, daß die Öffnungen entstehen.

19· Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine Zunge einstückig mit dem mittleren Teil eines jeden Steges ausgestanzt und abgebogen wird, derart, daß die Zungen in Berührung mit dem entsprechenden Membranmittelabschnitt gelangen, wenn der Aufbau zusammengesetzt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß erste und zweite Materialschichten zusammengebaut werden, die eine erste und eine zweite vorbestimmte Dicke derart besitzen, daß (1) die erste Schicht wenigstens eine Öffnung so aufweist, daß ein flexibler Steg gebildet wird, der wenigstens zwei Spannungssensoren trägt, und (2) die Schichten so übereinanderliegen, daß sie relativ zueinander festgelegt sind und sich nicht längs der Ebene der ersten Schicht bewegen können, und (3) wenigstens ein Abschnitt der zweiten Schicht eine flexible Membran der zweiten vorbestimmten Dicke bildet und daß die Membran über dem Steg derart angeordnet wird, daß (a) der Steg gemäß einer Auslenkung

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der Membran in wenigstens einer Richtung einer Auslenkung unterworfen wird und (b) die Sensoren derart ansprechen, daß sie das Ausmaß der Auslenkung der Membran anzeigen.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß eine dritte Schicht einer dritten vorbestimmten Dicke derart gebildet wird, daß diese eine zweite öffnung aufweist, und daß die dritte Schicht zwischen die erste und zweite Schicht derart gelegt wird, daß die zweite öffnung die Grenze der Membran mit der zweiten Schicht definiert.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß Kraftübertragungsmittel gebildet werden und daß erste, zweite und dritte Schicht derart miteinander verbunden werden, daß die Kraftübertragungsmittel eine Kraftübertragung zwischen der Membran und dem Steg bewirken, wenn die Membran in wenigstens dieser einen Richtung ausgelenkt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungsmittel als integraler Bestandteil der ersten oder dritten Schicht hergestellt werden und durch die zweite öffnung der dritten Schicht zwischen Membran und Steg hindurch verlaufen.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch ge k e η η -

zeichnet , daß die Kraftübertragungsmittel gleichzeitig mit der Herstellung der zweiten Öffnung in der dritten Schicht hergestellt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24·, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Schicht auf die
zweite Schicht laminiert wird und daß ein Teil der
dritten Schicht so entfernt wird, daß die zweite öffnung gebildet wird und daß ein Kraftübertragungszapfen innerhalb der zweiten öffnung angeordnet
wird.

26. Verfahren nach Anspruch 23» dadurch gekennzeichnet,, daß wenigstens eine Öffnung in
der ersten Schicht angeordnet wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens eine biegbare Zunge einstückig mit dem Steg ausgestanzt wird und daß die Zunge so abgebogen wird, daß sie durch die zweite Öffnung hindurch verläuft und benachbart zur Membran endet.

28. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren auf dem Steg
verklebt werden.

29. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren durch Diffusion auf dem Steg festgelegt werden.

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30. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Sensoren durch Ioneneinpflanzung auf dem Steg festgelegt werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 Ms 30, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Schichten
derart hergestellt werden, daß eine Schicht eine Öffnung enthält, die mit der anderen Schicht so zusammenwirkt, daß die Membran gebildet wird.

32. Verfahren nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Schichten zusammenlaminiert werden und daß die Öffnung in einer
Schicht ausgeätzt wird.

33· Verfahren nach Anspruch 31 j dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Schichten zusammenlaminiert werden und daß durch Ultraschallschleifen die öffnungen in der einen Schicht angebracht
werden.

34-. Verfahren nach Anspruch 31 j dadurch gekennzeichnet , daß die eine Schicht so ausgestanzt wird, daß die öffnung gebildet wird, und daß die beiden Schichten aufeinanderlaminiert werden.

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