DE3505925A1

DE3505925A1 - Temperaturunabhaengiger kapazitiver druckmesser

Info

Publication number: DE3505925A1
Application number: DE19853505925
Authority: DE
Inventors: Heikki Helsinki Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1985-02-21
Publication date: 1985-08-22
Anticipated expiration: 2005-02-22
Also published as: BR8500735A; FI840701A; FR2559900A1; NL8500466A; GB2156078A; FR2559900B1; FI71015B; FI840701A0; IT8512438A0; FI71015C; IT1186833B; GB2156078B; JPH0583854B2; JPS60202323A; US4589054A; DE3505925C2; GB8504079D0

Description

Temperaturunabhängiger kapazitiver Druckmesser

Die Erfindung betrifft einen temperaturunabhängigen kapazitiven Druckmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Druckmesser sind aus den Druckschriften

(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 (Freud),

(5) U.S.-PS 3,397,278 (Pomerantz) und

(6) K.E. Bean, "Anisotropie Etching of Silicon", IEEE
Transactions on Electron Devices, Heft ED-25 (1978),
Nr. 10, Seiten 1185 - 93 bekannt.

Aus den Druckschriften (1) bis (4) ist es bekannt,miniaturisierte kapazitive Druckmesser aus Silizium und Glas herzustellen. Aus der Druckschrift (6) ist es bekannt, Silizium durch chemigraphisches Ätzen zu bearbeiten, mittels Mikrolitographie auszuformen und gemäß Druckschrift (5) die Si-

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lizium- und Glasteile mittels elektrostatischer Methoden zu verbinden.

Zur Verwendung in Druckmessern ist zum Beispiel Corning ^ Glass, Typ 7740, bekannt unter dem Begriff "Pyrex" oder der Glastyp "Tempax" von Schott geeignet. Diese Gläser enthalten Alkalimetallionen,die besonders für die Bildung von elektrostatischen Verbindungen geeignet sind. Die thermische Expansion dieser Gläser liegt in derselben Größenordnung _Wie bei Silizium. Bei Raumtemperatur beträgt der thermische Expansionskoeffizient von Silizium 2,5 ppm/°C und der thermische Expansionskoeffizient der genannten Gläser beträgt ungefähr 3,2 ppm/⁰C. Bei höheren Temperaturen dehnt sich Silizium nicht—linear aus und übersteigt den entspre-

¹^ chenden Koeffizienten von Glas.

Die Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten von ungefähr 0,7 ppm/°C ist der wichtigste Faktor, der die Temperaturabhängigkeit von kapazitiven Druckmessern aus Silizium und Glas beeinflußt.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Grundlage der Temperaturabhängigkeit von kapazitiven Druckmessern. Ein Siliziumstück 2 mit einem dünnen Teil 3, der durch Druck durchgebogen wird, ist auf einer Glasplatte 1 mittels elektrostatischer Methoden, wie sie aus der Druckschrift (5) bekannt sind, aufgebracht. Der über den Teil 3 wirksame Druckunterschied biegt den Teil 3 durch und ändert den Abstand zwischen ihm und einer festen Kondensatorplatte 4, die auf der Glasplatte 1 angebracht ist, wodurch sich auch die Kapazität dieser Anordnung ändert.

Falls die thermischen Expansionskoeffizienten von Silizium und Glas von unterschiedlicher Größenordnung sind, wirkt bei steigender Temperatur in dem druckempfindlichen Teil 3 eine horizontale Kraft F. Falls sich Glas mehr als SiIi-

* zium ausdehnt, versucht die Kraft F die durch den Druck P in dem Teil 3 verursachte Durchbiegung zu verringern. Wenn die Druckempfindlichkeit der Durchbiegung ohne die Kraft F S ist, gilt mit der wirksamen Kraft F °

l+K(a/hr£_si

wobei a die Seitenlänge der quadratischen Membrane 3 oder der Durchmesser einer kreisförmigen Membrane 3 ist. Der Koeffizient K ist 0,27 für den Fall einer quadratischen Membrane und 0,2 für den Fall einer kreisförmigen Membrane und Eg. ist die durch die Kraft F in der Siliziummembrane

3 verursachte Deformation bzw. Längenausdehnung. 15

Falls das Glasteil 1 wesentlich dicker als das Siliziumteil 2 ist, gilt näherungsweise folgende Gleichung:

t_si =6*At , (2)

Wobei AeC die Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten von Silizium und Glas und At die Temperaturänderung ist.

S und £_c. sind temperaturabhängig. Die Temperaturabhängig- ° ^bl

keit von S resultiert aus der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätskoeffizienten von Silizium. Der Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit S ist

g₀ ^Χ ^ds K(a/h)²A<* 1 as_{o (3)}

l+K(a/h)²£_si S_o

Für Silizium in der (100)-Ebene gilt (1/S ) (* S /VT) sy ^70 ppm/°C. Wird für a/h = 20 gewählt, wird (1/S)(?S/?T) fss 0, c das heißt die Phänomene heben sich gegenseitig

Das Verhältnis a/h = 20 ist jedoch nur für Druckmessungen bei ziemlich hohem Druck von ungefähr 50 Bar passend.

Falls der zu messende Druck unter einem Bar liegt, ergibt ° sich als angemessenes Verhältnis von a/h ^ 80. Das führt zu einem Temperaturkoeffizienten ~ 1000 ppm/°C.

Es wäre daher wünschenswert, die Differenz der thermischen Expansionskoeffizienten zu verringern, um Druckmesser für den Niederdruckbereich temperaturstabil zu machen. Eine passende Glasqualität mit thermischen Expansionkoeffizienten die näher bei den entsprechenden Werten von Silizium liegen, sind jedoch im Handel nicht erhältlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen temperaturunabhängigen Druckmesser nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, bei dem der thermische Expansionskoeffizient der Grundplatte des Druckmessers den gewünschten Wert aufweist.

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

Die wesentlichen Punkte dieser Lösung sind: _ Der Temperaturkoeffizient für die Empfindlichkeit des kapazitiven Druckmessers kann minimiert werden, wenn die Differenz der thermischen Expansion der isolierenden Grundplatte und der druckempfindlichen Siliziummembran auf einen solchen Pegel eingestellt wird, daß es die Temperaturabhängigkeit der elastischen Eigenschaften von Silizium überlagert.

- Die isolierende Grundplatte besteht aus Glas- und Siliziumplatten, die miteinander verbunden sind.

- Der thermische Expansionskoeffizient der Grundplatte mit Sandwichstr.uktur kann auf den gewünschten Wert gebracht werden, indem man die Dicken der Silizium- und Glasschich ten passend wählt.

- In der Sandwichstruktur sind Silizium- und Glasschichten mittels elektrostatischer Verfahren miteinander verbunden, wie sie aus der Druckschrift (5) bekannt sind.

- Die Dicke der Glasschichten beträgt 50 um bis 1mm. 5

Durch die Erfindung werden bemerkenswerte Vorteile erzielt. Zum Beispiel ist es dadurch möglich, den Temperaturkoeffizienten der isolierenden Grundplatte des kapazitiven

Druckmessers in der gewünschten Weise einzustellen. 10

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigen

Fig. 2 eine Schnittansicht von der Seite eines

Druckmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ,
20

Fig. 3 eine Schnittansicht von der Seite von einer

zweiten Ausführungsform eines Druckmessers gemäß der vorliegenden Erfindung, und
25

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Ebene A-A in

Fig. 3.

In Fig. 2 wurde das dicke Glasstück 1,wie es in Fig. 1 gezeigt ist,durch ein dünnes Glas 5 und eine damit verbundene dickere Siliziumplatte 6 ersetzt. Die Teile 5 und 6 können mittels elektrostatischer Methoden, wie sie in der Druckschrift (5) beschrieben sind, miteinander verbunden werden.
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BAD

Wenn die Siliziumplatte 6 im Vergleich zur Glasplatte dick ist, kann die Durchbiegung vernachläßig.t werden und der thermische Expansionskoeffizient der Sandwichstruktur kann wie folgt berechnet werden:

1 - mn

wobei Ot - der thermische Expansionskoeffizient von Silizium und Qf₁ der von Glas ist, m das Verhältnis der Dicken von Glas und Silizium und η das Verhältnis der Elastizitätskoeffizienten von Glas und Silizium ist.

Die Differenz der Temperaturkoeffizienten von Silizium und der Sandwichstruktur 5, 6 ist

mn {afc, -06-)

AoC= ± —- (5)

1 + mn

Für den Fall von Glas und Silizium ist η = 0,36. Falls m = 0,5 gewählt wird, ergibt sich für ÄPC«»0,15 (C*. -*>L· ) .

"⁵^ Damit ist es möglich, die Fehlanpassung der thermischen Expansionskoeffizienten von Silizium und Glas wesentlich zu reduzieren. Durch passende Wahl der Verhältnisses m der Dicken der Glas- und Siliziumplatten ist es möglich, eine Situation herbeizuführen, bei der sich die Temperaturabhängigkeiten der Differenzen bei der thermischen Expansion und der Elastizitätskoeffizienten sich gegenseitig aufheben.

Die Erfindung kann beispielsweise auch bei der Konstruktion eines Druckmessers für Absolutdruck angewendet werden,wie er in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. In ein Siliziumstück 13 wird ein Hohlraum 14, der als Vakuumkapsel dient, und eine Aussparung 8 als Spalte zwischen den Platten eines druckempfindlichen Kondensators eingearbeitet. Die Vakuumkapsel wird durch eine Platte 15 abgeschlossen, die aus

einer dünneren Glasschicht 17 und einer dickeren Siliziumplatte 18 besteht. Die Platten 17 und 18 sind zuerst mittels elektrostatischer Methoden, wie sie aus der Druckschrift (5) bekannt sind, miteinander verbunden worden. Dann sind die Sandwichstruktur 15 und das Siliziumstück unter Vakuum mit der gleichen Methode zusammengefügt worden.

Ein Teil des Siliziumsstücks 13, eine dünne Siliziummem-

*■ bran 16,1st zwischen der Vakuumkapsel 14 und dem Spalt 8 zwischen den Kondensatorplatten angeordnet. Die Siliziummembrane 16 wird in Richtung der Vakuumkapsel 14 durch von außen einwirkenden Druck verbogen. Das Siliziumstück 13 ist an eine Grundplatte 19 angefügt. Die Oberfläche der Grundplatte 19 ist aus isolierendem Material gemacht und auf der Oberfläche ist ein dünner Metallfilm aufgebracht, auf dem eine feste Kondensatorplatte 7, eine Leiterbahn und thermische Anschlußbereiche 10 und 11 ausgeformt worden sind. Der aufgebrachte Metallfilm 7 und die flexible Siliziummembran 16 bilden einen druckempfindlichen Kondensator. Die Kapazität dieses Detektors kann über die Anschlußbereiche 10 und 11 gemessen werden. Der Anschlußbereich 11 stellt eine elektrische Verbindung mit dem Siliziumstück 13 her und der Anschlußbereich 10 ist über die Leiterbahn 12, die entlang einem Tunnel 9 verläuft, in leitendem Kontakt mit dem Metallfilm 7. Der zu messende Druck kann über den Tunnel 9 auch auf die Siliziummembrane 16 einwirken. Die Grundplatte 19 besteht aus einer dünnen Glasschicht 20 und einer Siliziumplatte 21, die mittels elektrostatischer Methoden, wie sie in der Druckschrift (5) beschrieben sind aneinandergefügt sind. Mit der gleichen Methode sind das Siliziumstück 13 und die Grundplatte 19 aneinandergefügt.

Die Temperaturabhängigkeit der hier beschriebenen Druckmesserkonstruktion ist wesentlich geringer im Vergleich zu

einer Konstruktion,bei der die Vakuumkapsel 14 abschließende Platte 15 und die Grundplatte 19 ausschließlich aus Glas gemacht sind. Da diese Druckmesserkonstruktion symmetrisch ist, heben sich die von der Sandwichstruktur der

° Platten 15 und 19 herrührenden temperaturabhängigen Drehmomente gegenseitig auf.

Innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung sind durchaus Lösungen denkbar, die sich von den hier beispielhaft beschriebenen Ausführungensformen unterscheiden. Demnach ist es auch möglich, eine Siliziumplatte zu verwenden, auf die ein isolierender Film aufgebracht worden ist. Dieser Film muß jedoch dick sein, um Streukapazitäten zu vermeiden, und das Aufbringen eines dicken Films ist langsam und

!5 teuer. Das Anfügen einer polierten Glasplatte durch elektrostatische Methoden, wie sie in der Druckschrift (5) beschrieben sind, ist schnell und billig durchzuführen.

Nachfolgend wird eine beispielhafte Dimensionierung für die Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 aufgelistet, wobei in Klammern jeweils typische Bereiche angegeben sind:

Glasplatten 17 und 20

Breite: 4 mm (2 bis 6 mm)

Dicke: 100 um (10 bis 200 um)

Siliziumplatten 18 und 21

Breite: 4 mm ( 2 bis 6 mm)

Dicke: 1 mm (0,5 bis 1,5 mm) 30

Siliziumplatte 13

Dicke der Platte: 0,4 mm (0,2 bis 0,5 mm)

Dicke der Membran: 5 bis 200 um (abhängig vom Druck)

1 Feste Kondensatorplatte 7 und Anschlüsse 10 und Dicke: 0,2 um (0,1 bis 1,0 um)

Kondensatorspalte ° Breite: 4 \xm (1 bis 10 um)

• iz.

- Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Kapazitiver Druckmesser mit einer Grundplatte, einer auf der Grundplatte angeordneten festen Kondensatorplatte und einer derart auf der Grundplatte angeordneten Siliziumplatte, daß diese die feste Kondensatorplatte umgibt,- wobei der Mittelteil der Siliziumplatte dünner ausgeführt ist, so daß sich eine membranähnliche Struktur ergibt, die als bewegliche Kondensatorplatte und als Boden einer Vakuumkapsel dient, dadurch gekennzeichnet ,

daß die Grundplatte aus einer Siliziumschicht (6; 21) und einer darauf aufgebrachten und auf der Siliziumplatte (2; 13) plazierten Glasschicht (5; 20), wobei die Glasschicht wesentlich dünner als die Siliziumschicht ist, so daß auf diese Weise in der Plattenkombination (5, 6; 20, 21) aufgrund der Elastizitäts- und thermischen Expansionskoeffizienten der verschiedenen Schichten (5 und 6; 20 und 21) die Differenz der thermi-

• -Büro Frankfurt/Frankfurt Office:

Adenauerallee te Tel. O6i7i/3OO-i D-637O Oberursel Telex: 526547 pawa d

•Büro Munchen/Miinich Office

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Telegrammadresse- Pawamuc — PosiMrhcck München I.1WJ52-et«

-2- 350592S

sehen Expansion zwischen der Plattenkombination (5, 6; 20, 21) und der Siliziummembran (3; 16) wesentlich verringert wird.

2. Druckmesser nach Anspruch 1, der als Druckmesser für

Absolutdruck mit einer auf der Siliziumplatte (13) mit einer die Vakuumkapsel (14) abdeckenden Deckplatte (15) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Deckplatte auch aus einer Siliziumschicht (18) und einer ₁q darauf aufgebrachten Glasschicht (17) besteht, die wiederum auf der Siliziumplatte (13)aufgebracht ist, wobei die Glasschicht (17) wesentlich dünner als die Siliziumschicht (18) ist.

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3. Druckmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Plattenkombination (5, 6; 20,21; 17, 18) die Siliziumschicht (6; 21, 18) mittels elektrostatischer Methoden mit der Glasschicht (5; 20, 17) verbunden ist.

4. Druckmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß in der Plattenkombination (5, 6; 20, 21; 17, 18) das Verhältnis der Dicken von Glas- und Siliziumschichten so gewählt ist, daß die Wirkung des ₂g Unterschieds der thermischen Expansion auf das Temperaturverhalten der Druckempfindlichkeit der membranähnlichen Struktur (3; 6) im wesentlichen gleich, aber entgegengesetzt gerichtet ist wie die Wirkung der Temperaturabhängigkeit des Elastizitätskoeffizienten von _Λ Silizium.