FI71015B

FI71015B - Temperaturoberoende kapacitiv tryckgivare

Info

Publication number: FI71015B
Application number: FI840701A
Authority: FI
Inventors: Heikki Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-02-21
Publication date: 1986-07-18
Also published as: FR2559900B1; FR2559900A1; GB2156078A; JPH0583854B2; IT1186833B; US4589054A; FI840701A; DE3505925C2; JPS60202323A; NL8500466A; IT8512438A0; FI840701A0; GB2156078B; GB8504079D0; BR8500735A; DE3505925A1; FI71015C

Description

71015 Lämpötilasta riippumaton kapasitiivinen paineanturi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kapasitiivinen paineanturi.

Tekniikan tason osalta viitattakoon seuraaviin julkaisuihin: [1] US-patenttijulkaisu 4,386,453 (Giachino et ai.).

[2] «. *4,257,274 (Shimada et ai.) [3] » 4,332,000 (Petersen) C4] .. 4,390,925 (Freud) [5] n 3,397,278 (Pomerantz) [6] K.E. Bean: Anisotropic Etching of Silicon. IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-25 (1978)

No. 10, pp. 1185-93.

On tunnettua, että miniatyrisoituja kapasitiivisia painean-tureita voi valmistaa piistä ja lasista (viitteet [1]...[4]). Piitä voi työstää kemiallisella syövytyksellä (viite [6]), kuvioida mikrolitografiän keinoin, ja pii- ja lasiosat voi liittää toisiinsa sähköstaattisella menetelmällä (viite (53).

Antureissa sopii käytettäväksi esim. Corning Glass, tyyppi 7740, "Pyrex"- tai Schott'in *'Tempax"-lasi. Ne sisältävät alkalimetalli-ioneja, mikä on edullista sähköstaattisen liitoksen synnylle. Näiden lasien lämpölaajeneminen on myös samaa suuruusluokkaa piin kanssa. Huoneen lämpötilassa piin laajenemiskerroin on 2,5 ppm/°C ja mainittujen lasien n. 3,2 ppm/°C. Korkeammissa lämpötiloissa pii laajenee epälineaari-sesti ja ohittaa lasin vastaavan kertoimen.

Lämpölaajenemiskertoimien ero, n. 0,7 ppm/°C, on tärkein piilasi-rakenteisten kapasitiivisten paineantureiden lämpötilariippuvuuteen vaikuttava tekijä.

Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti kapasitiivisen paineanturin lämpötilariippuvuuden synty. Lasilevyyn 1 on liitetty 2 71015 sähköstaattisella menetelmällä (viite [5]) piikappale 2, jossa on ohut, paineen vaikutuksesta taipuva osa 3. Osan 3 yli vaikuttava paine-ero taivuttaa kyseistä osaa 3 ja muuttaa sen ja lasilevyllä 1 olevan kiinteän kondensaattorilevyn 4 etäisyyttä sekä niiden välistä kapasitanssia.

Jos piin ja lasin lämpölaajenemiskertoimet ovat erisuuret, syntyy lämpötilan kohotessa paineherkkään osaan 3 vaakasuora voima F. Jos lasi laajenee enemmän kuin pii, pyrkii voima F pienentämään paineen P osaan 3 aiheuttamaa taipumaa. Jos taipuman paineherkkyys ilman voimaa F on S^, on se voiman F vaikuttaessa S© s = --- , (1) 1+K (a/h) ^ j missä a on kalvon 3 sivu (jos se on neliömäinen) tai halkaisija (jos se on pyöreä), kerroin K on 0,27 neliömäiselle ja 0,2 pyöreälle kalvolle ja e§i on voiman F piikalvoon 3 aiheuttama muodonmuutos (venymä).

Jos lasiosa 1 on paljon paksumpi kuin piiosa 2, on likimain voimassa ε Si = AaAt , (2) missä Δα on piin ja lasin lämpölaajeneraiskertoimien ero ja At on lämpötilan muutos.

S0 ja esi ovat lämpötilasta riippuvia. S0:n lämpötilariippuvuus johtuu piin kimmokertodmien lämpötilariippuvuudesta. Herkkyyden S lämpötilakerroin on 1 3S K(a/h)2Aa 1 as0 - — ---;- + - - (3)

S 9T 1+K(a/h)2cSi 3o aT

piillä (100)-tasossa (1(S0)( S0/aT) £* 70 ppm/°C. Jos valitaan a/h = 20, saadaan (1/S)(3S/3T) ^ o, eli ilmiöt kumoavat 3 71015 toisensa. Kuitenkin suhde a/h = 20 sopii vain melko suuria paineita (n. 50 bar) mittaaviin antureihin.

Jos mitattava paine on alle 1 bar, on sopiva suhde a/h ^ 80. Se johtaa lämpötilakertoimeen £, 1000 ppm/°C.

Lämpölaajenemiskertoimien eroa Δα olisi siis saatava pienennetyksi, jotta myös alhaiselle painealueelle tarkoitetut anturit olisivat stabiileja lämpötilan suhteen. Sopivaa lasi-laatua, jonka lämpölaajenemiskerroin olisi lähempänä piin kerrointa, ei kuitenkaan ole kaupallisesti saatavana. Tuki-levyn 1 lämpölaajenemisen voi kuitenkin saada halutun suuruiseksi kuvan 2 rakenteella.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainittu haitta ja saada paineanturin tukilevyn lämpölaajeneminen halutun suuruiseksi.

Keksintö perustuu seuraaviin ajatuksiin: - Rapasitiivisen paineanturin herkkyyden lämpötilakerroin voidaan minimoida, kun säädetään eristävän tukilevyn ja piitä olevan paineherkän kalvon lämpölaajenemisero sellaiseksi, että se kumoaa piin kimmo-ominaisuuksien lämpötilariippuvuuden.

- Eristävä tukilevy koostuu yhteen liitetyistä lasi- ja piilevyistä.

- Kerrosrakenteisen tukilevyn lämpölaajenemiskerroin saadaan halutun suuruiseksi valitsemalla pii- ja lasiker-rosten paksuudet sopivasti.

- Pii ja lasi on kerrosrakenteessa liitetty toisiinsa sähköstaattisella menetelmällä (viite [5]).

- Lasikerroksen paksuus on 50 pm...1 mm.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle paineanturille tunnusomaista on se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

4 71015

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Niinpä keksinnön avulla voidaan kapasitiivisen paineanturin eristävän tukilevyn lämpötilakerrointa säädellä halutulla tavalla.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan kuvioiden 2-4 mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

Kuvio 2 esittää sivuleikkauskuvantona yhtä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 3 esittää sivuleikkauskuvantona toista keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 4 esittää kuvion 3 tasoa A-A myöten tehtyä leikkausta.

Kuviossa 2 on kuvion 1 mukainen paksu lasiosa 1 korvattu yhteen liitetyillä ohuella lasilla 5 ja paksummalla piilevyllä 6. Osat 5 ja 6 voi parhaiten liittää toisiinsa viiteen [5] mukaisella sähköstaattisella menetelmällä.

Kun piilevy 6 on paksu verrattuna lasilevyyn 5, voi taipuman jättää huomiotta ja laskea kerrosrakenteen lämpölaajenemis-kertoimen ou + rana.

a = —-3— . (Ί) 1 - mn missä a2 on piin ja α-j lasin lämpölaajenemiskerroin, m on lasin ja piin paksuuksien suhde ja n on lasin ja piin kimmo-kertoimien suhde.

Piin ja kerrosrakenteen (5, 6) lämpötilakertoimien ero on

mn(a1 - aO

Δα = -±i- (5) 1 + mn

Lasilla ja piillä on n = 0,36. Jos valitaan m = 0,5, saadaan Δα & 0,15 (α-|-α2)· On siis mahdollista pienentää oleellisesti piin ja lasin lämpölaajenemiskertoimien epäsovitusta.

5 71015

Valitsemalla lasi- ja piilevyjen paksuuksien suhde m sopivasti, voidaan saavuttaa tilanne, jossa lämpölaajenemiseron ja kimmokertoimlen lämpötilariippuvuudet kumoavat toisensa.

Keksintöä voi soveltaa myös esim. kuvioiden 3 ja 4 mukaisessa absoluuttisessa paineanturirakenteessa. Piikappaleeseen 13 on työstetty onkalo 14 tyhjökapselia varten ja syvennys 8 paineherkän kondensaattorin levyjen välistä rakoa varten. Tyhjökapseli on suljettu levyllä 15, joka koostuu ohuesta lasikerroksesta 17 ja paksummasta piilevystä 18. Levyt 17 ja 18 on ensin liitetty toisiinsa sähköstaattisella menetelmällä (viite [5]). Kerrosrakenne 15 on sen jälkeen liitetty tyhjössä piikappaleeseen 13 samalla menetelmällä.

Piikappaleessa kohdalle 13 jää tyhjökapselin 14 ja konden-saattorilevyjen välisen raon 8 kohdalle ohut piikalvo 16. Piikalvo 16 taipuu tyhjökapseliin 14 päin ulkoisen paineen vaikutuksesta. Piikappale 13 on liitetty tukikappaleeseen 19· Tukikappaleen 19 pinta on eristävää ainetta ja siihen on päällystetty ohut metallikalvo, johon on kuvioitu kiinteä kondensaattorilevy 7, johdin 12 ja liitosalueet 10 ja 11. Paineherkkä kondensaattori muodostuu taipuvan piikalvon 16 ja metalliointikuvion 7 väliin. Anturin kapasitanssin voi mitata liitosalueiden 10 ja 11 väliltä. Liitosalue 11 tekee sähköisen kontaktin piikappaleen 13 kanssa, ja liitosalue 10 on johtavassa yhteydessä metallikuvion 7 kanssa johtimen 12 välityksellä, joka kulkee pitkin tunnelia 9. Mittava paine pääsee vaikuttamaan piikalvoon 16 myös tunnelin 9 välityksellä. Tukikappale 19 koostuu ohuesta lasikerroksesta 20 ja piilevystä 21, jotka on liitetty toisiinsa sähköstaattisella menetelmällä (viite [5]). Piikappale 13 on liitetty tukilevyyn 19 samalla menetelmällä.

Kuvatun paineanturirakenteen lämpötilarakenteen lämpötila-riippuvuus on oleellisesti pienempi kuin sellaisen, jossa tyhjökapselin 14 sulkeva levy 15 Ja tukilevy 19 olisivat kokonaan lasia. Koska paineanturirakenne on symmetrinen, kumoutuvat levyjen 15 ja 19 kerrosrakenteesta johtuvat lämpötilasta riippuvat vääntömomentit.

6 71015

Keksinnön puitteissa voidaan ajatella myös edellä kuvatuista suoritusesimerkeistä poikkeavia ratkaisuja. Niinpä tukilevy-nä voi myös käyttää piilevyä, johon on kasvatettu eristekal-vo. Kuitenkin kalvon on oltava paksu hajakapasitanssien välttämiseksi, ja paksun kalvon kasvatus on hidasta ja kallista. Hiotun lasilevyn liittäminen sähköstaattisella menetelmällä (viite [5]) on nopea ja halpa työvaihe.

Claims

1. Kapasitiivinen paineanturi, joka käsittää - tukilevyn (5, 6; 19), joka koostuu piikerroksesta (6; 21) ja tämän päällä olevasta lasi kerroksesta (5; 20), - tukilevyn (5, 6; 19) päälle sovitetun kiinteän kondensaattorilevyn (4; 7) ja - tukilevyn (5, 6; 19) päälle kiinteää kondensaattorilevyä (4; 7) ympäröivästi sovitetun piilevyn (2; 13), jonka keskiosa on ohennettu liikkuvana kondensaattorilevynä toimivaksi kalvo-maiseksi rakenteeksi (3; 16), t u n n e t t u siitä, että - lasikerros (5; 20) on piikerrosta (6; 21) siten olennaisesti ohuempi, että näin saadun yhdis-telmälevyn (5, 6; 20, 21) ja piikalvon (3; 16) läm-pölaajenemisero olennaisesti supistuu lasikerroksen (5; 20) ja piikerroksen (6; 21) paksuuksien suhteen pienenemisen vaikuttaessa yhdistelmälevyn (5, 6; 20, 21) lämpölaajenemiskerrointa pienentävästi, ja - lasikerros (5; 20) on levymäisenä yhdistetty pii-kerrokseen (6; 21) sähköstaattisella menetelmällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, jossa absoluuttisena paineanturina toimivana on piilevyn (13) päälle sovitettu tyhjökapselin (14) peittävä kansilevy (15), tunnettu siitä, että myös tämä kansilevy koostuu piikerroksesta (18) ja tähän kiinnitetystä, piilevyä (13) vasten olevasta lasikerroksesta (17), joka on piikerrosta (18) olennaisesti ohuempi (kuviot 3 ja 4).