DE3505924C2

DE3505924C2 - Kapazitiver Druckmesser

Info

Publication number: DE3505924C2
Application number: DE3505924A
Authority: DE
Inventors: Heikki Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2005-02-22
Also published as: US4594639A; FR2559899B1; IT1186831B; GB2154747A; IT8512436A0; NL8500465A; GB8504078D0; BR8500738A; DE3505924A1; FI840700A0; FI69211B; GB2154747B; FR2559899A1; FI69211C; JPS60195830A

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kapazitive Druckmesser mit einer plattenförmigen Unterlage, einer festen Kondensatorplatte, die auf der Unterlage aufgebracht ist und einer Aneroiddose, die mit der Unterlage verbunden ist und in einem Bereich mit einer beweglichen Kondensatorplatte versehen ist, die der festen Kondensatorplatte gegenüberliegt, sind aus folgenden Druckschriften bekannt:

(1) U.S.-PS 4 386 543 (Giachino et al.),
(2) U.S.-PS 4 257 274 (Shimada et al.),
(3) U.S.-PS 4 332 000 (Petersen),
(4) U.S.-PS 4 390 925 (Freund),
(5) U.S.-PS 4 203 128 (Guckel et al.),
(6) JP-Abstracts 56-98 630 (A),
(7) DE-32 36 848 A1,
(8) U.S.-PS 3 397 278 (Pomerantz) und
(9) K. E. Bean, "Anisotropic Etching of Silicon", IEEE Transactions on Electron Devices, Heft ED-25 (1978), Nr. 10, Seiten 1185-93.

Aus den genannten Druckschriften (1) bis (7) sind miniaturisierte kapazitive Druckmesser aus Silizium und Glas bekannt. Derartige Konstruktionen basieren auf dem Ausformen von Silizium mittels Mikrolithographie, dem Weiterverarbeiten durch Ätzen und dem Verbinden der Glasteile mittels elektrostatischer Methoden, wie dies aus der Druckschrift (8) bekannt ist.

Aus der Druckschrift (5) ist es weiter bekannnt, auf der plattenförmigen Unterlage eine Siliziumplatte aufzubringen, in die ein membranartiger, als bewegliche Kondensatorplatte funktionierender Mittelteil eingearbeitet ist. Auf der Siliziumplatte ist eine plattenförmige Abdeckung hermetisch aufgebracht, so daß ein Kesselraum zwischen Abdeckung und Mittelteil gebildet wird.

Für Druckmesser sind niederalkalische Borosilikatgläser (low-alkali borosilicate glass) am gebräuchlichsten, zum Beispiel von Corning Glass, Typ 7740, bekannt unter dem Begriff "Pyrex". Dieses Glas ist für diesen Zweck geeignet, da Alkalimetallionen eine Voraussetzung für die Bildung einer elektrostatischen Verbindung sind und ihr thermischer Expansionskoeffizient in etwa dem entsprechenden Koeffizienten von Silizium entspricht. Bei Raumtemperatur beträgt der thermische Expansionskoeffizient von Glas 3,25 ppm/°C und der von Silizium 2,5 ppm/°C. Bei hohen Temperaturen steigt bei Silizium die thermische Expansion nicht-linear an und übersteigt den entsprechenden Koeffizienten von Glas. Die Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten ist der wichtigste Faktor, der das Temperaturverhalten eines Druckmessers beeinflußt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Grundlage für die Temperaturabhängigkeit. Ein Siliziumstück 2, das mit einem dünnen, druckempfindlichen Teil 3 bzw. mit einer druckempfindlichen Membran 3 ausgebildet ist, auf eine Glasplatte 1 aufgebracht. Der Druckunterschied verbiegt die Membran 3 und ändert den Abstand zwischen der Membran und einer stationären Kondensatorplatte 4, die auf der Glasplatte 1 aufgebracht ist, wodurch sich auch die Kapazität dieser Anordnung ändert. Wird nun die Temperatur erhöht und die Druckdifferenz unverändert gehalten, wirkt auf die Membran 3 in horizontaler Ebene eine Zugbelastung, die von der unterschiedlichen thermischen Expansion herrührt. Diese Belastung versucht die durch den Druck verursachte Durchbiegung zu verringern. Wenn die Druckempfindlichkeit der Durchbiegung ohne Zugbelastung S_o ist, ist sie mit Zugbelastung

wobei a die Seitenlänge einer quadratischen Membran oder der Durchmesser einer kreisförmigen Membran, h die Dicke der Membran, ε die Längenausdehnung und der Koeffizient K 0,27 für eine quadratische Membran und 0,2 für eine kreisförmige Membran ist.

Falls die Längenausdehnung eine Funktion der Temperatur ist, gilt für den Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit

Bei dieser Betrachtung wurden die Temperaturabhängigkeiten der Elastizitätskoeffizienten außer acht gelassen, weil diese für den Fall von Silizium klein sind.

Ausgehend von der US-PS 4 203 128 ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei dem es möglich ist, die Auswirkung des thermischen Expansionskoeffizienten zu eliminieren.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruches 1.

Die Lösung der Erfindung stellt sich im wesentlichen wie folgt dar.

- Die Druckmesserkonstruktion weist zwei Teile aus Glas mit einer elastischen Siliziummembran dazwischen auf.
- Die Siliziummembran ist nahe bei einem der Teile aus Glas und nahe bei einer aus einem Metallfilm auf der Oberfläche des Teiles aus Glas bestehenden Kondensatorplatte angeordnet.
- Die Siliziummembrane ist jedoch an ihren Kanten nicht in direktem mechanischen Kontakt mit dem besagten Glasteil, sondern ist am Ende einer Röhrenstruktur aus Silizium mit der Form eines Konus, eines Zylinders etc. plaziert.
- Das andere Ende der Röhre ist an eines der Glasteile angebracht.
- Die Glasteile sind verbunden und ihr relativer Abstand zueinander wird durch ein Stützstück aus Silizium bestimmt.
- Das Stützstück, die Röhre und die elastische Membrane sind alle aus Silizium hergestellt und aus einem Stück hergestellt, um eine ausreichende Präzision für die Abmessungen des Luftspaltes des druckempfindlichen Kondensators zu erreichen.

Es kann als der Hauptvorteil dieser Konstruktion angesehen werden, daß es die Auswirkungen des von der unterschiedlichen thermischen Expansion von Silizium und Glas erzeugten Spannungszustandes auf die Eigenschaften der druckempfindlichen Siliziummembran verhindert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 2 eine schematische Seitenteilansicht eines Druckmessers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt des Druckmessers von Fig. 2 durch die Ebenen A-A unnd B-B von unten betrachtet, und

Fig. 4 die Übertragung der Verformung zwischen den Enden der konischen Röhre anhand eines normierten Kurvensystems.

Falls es nicht gewünscht wird, daß der Unterschied der thermischen Expansion sich auf die Empfindlichkeit des Druckmessers auswirkt, muß die Membrane des Druckmessers isoliert werden, so daß in ihr keine Ausdehnungskräfte erzeugt werden. Die Fig. 2 und 3 zeigen eine Druckmesserkonstruktion, bei der die auf die Membran wirkenden horizontalen Kräfte eliminiert worden sind.

Die Siliziumplatte wurde nach einem Verfahren bearbeitet, wie dies aus der Druckschrift (9) bekannt ist, so daß auf der einen Seite davon eine Mulde 6 ausgebildet ist. In die andere Seite ist eine Aussparung 7 eingearbeitet. Die druckempfindliche Membran 8 ist zwischen dem Boden der Mulde 6 und der Aussparung 7 ausgebildet. Die Membrane 8 und die Aussparung 7 sind von einer geschlossenen V-Profilrille 10 umgeben. Die Wand zwischen der V-Profilrille 10 und der Mulde 6 bildet eine konische Röhre 11, von der ein Ende mit der Siliziumplatte verbunden ist, während das andere Ende durch die druckempfindliche Membrane 8 abgeschlossen wird. Die Mulde 6 wird von einer Glasplatte 12 bedeckt, die auf die Siliziumplatte 5 in Vakuum hermetisch aufgebracht wird, so daß die Mulde 6 eine Aneroiddose bildet. Alternativ kann die Glasplatte 12 auch mit einem Loch versehen werden, wodurch die Kammer 6 mit einem Referenzdruck beaufschlagt werden kann. Eine Glasplatte 13 wird an der anderen Seite der Siliziumplatte 5 angebracht, wobei diese Glasplatte 13 eine stationäre bzw. feste Kondensatorplatte 14 aus einem dünnen Metallfilm trägt.

Bei steigender Temperatur wird auf den Oberflächen der Siliziumplatte 5 in horizontaler Ebene eine Zugbelastung erzeugt. Diese Belastung verursacht eine Deformation an dem Ende der konischen Röhre 11, das der Glasplatte 12 anliegt. Falls die Röhre 11 passend dimensioniert ist, wird die Deformation im wesentlichen nicht auf das Röhrenende übertragen oder sie wird nun sehr geringfügig auf das Röhrenende übertragen, bei der sich die druckempfindliche Membran 8 befindet. Auf diese Weise wird die Auswirkung der Temperatur auf die Zugbelastung der Membrane 8 eliminiert oder verringert.

In Übereinstimmung mit dem, was zuvor erläutert wurde, zeigt Fig. 4 die Übertragung der Deformation zwischen den Enden der konischen Röhre anhand eines normierten Kurvensystems. Die horizontale Achse stellt die Längsachse der Röhre 11 dar. Die Entfernung zwischen den Enden der Röhre 11 wurde auf eine Einheitslänge normiert. Die vertikale Achse stellt die Deformation der Röhre dar, wenn die Deformation am Ausgangspunkt 1 ist; Kurve 15 illustriert eine ziemlich kurze Röhre, Kurve 16 eine längere und Kurve 17 eine noch längere Röhre. Im Falle einer kurzen Röhre wird die Deformation senkrecht zur Achse verringert. Im Falle einer passend langen Röhre wird sie auf Null verringert, aber am Ende wird eine Torsion, eine von Null verschiedene Ableitunng der Deformation erzeugt. Mit einer genügend langen Röhre nähern sich sowohl die Deformation als auch deren Ableitung Null an. In so einem Fall wird das andere Ende der Röhre vollständig von Deformationen abgeschirmt, die an dem einen Ende der Röhre auftreten.

Die Tiefe der Mulde 6 ist vorzugsweise wenigstens 30% des Durchmessers des Bodens der Mulde 6.

Eine beispielhafte Dimensionierung der Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 2 und 3 ist nachfolgend aufgelistet, wobei in Klammern jeweils typische Dimensionierungsbereiche angegeben sind:

Breite und Länge: 7 mm (5 bis 10 mm)
Dicke: 1 mm (0,5 bis 1,5 mm)

Siliziumplatte 5
Dicke der Platte: 0,7 mm (0,2 bis 1,5 mm)
Dicke der Membran: 5 bis 50 µm
Dicke des Röhrenmantels: 50 bis 200 µm

Stationäre Kondensatorplatte 14
Dicke: 0,2 µm (0,1 bis 1,0 µm)

Kondensatorspalte 7
Breite: 4 µm (1 bis 10 µm)

Claims

1. Kapazitiver Druckmesser mit einer plattenförmigen Unterlage, einer festen Kondensatorplatte, die auf der Unterlage aufgebracht ist, und einer Aneroiddose, die in Verbindung mit der Unterlage aufgebaut ist und mit einem Bereich mit einer beweglichen Kondensatorplatte versehen ist, die der festen Kondensatorplatte gegenüberliegt und den Abstand zu der festen Kondensatorplatte durch Druck verändert, wobei
auf der plattenförmigen Unterlage (13) eine Siliziumplatte (5) aufgebracht ist, in die ein membranartiger Mittelteil (8) eingearbeitet ist, der als bewegliche Kondensatorplatte funktioniert, und wobei
auf der Siliziumplatte (5) eine plattenförmige Abdeckung (12) hermetisch aufgebracht ist, so daß ein Kesselraum (6) der Aneroiddose zwischen der Abdeckung (12) und dem Mittelteil (8) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der membranartige Mittelteil (8) auf der Siliziumplatte (5) mit dem Kantenbereich der Siliziumplatte (5) über einen relativ dünnwandigen Kragen oder eine Röhrenstruktur (11) verbunden ist, die sich von der Kante des Mittelteils (8) zu der nahen inneren Oberfläche der Abdeckung (12) erstreckt, wobei der Mittelteil (8) und der Kragen oder die Röhrenstruktur (11) aus einem Stück mit dem Kantenbereich der Siliziumplatte (5) gemacht sind und der Kantenbereich der Siliziumplatte (5) und der Kragen oder die Röhrenstruktur (11) zwischen sich eine im wesentlichen V-förmige Rille (10) definieren, die den Kesselraum (6) umgibt.

2. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmige Unterlage (13) und die Abdeckung (12) aus Glas hergestellt sind.

3. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des Kesselraumes (6) wenigstens 30% des Durchmessers des Bodens des Kesselraumes (6) beträgt.