FI98853C - Ylipainesuoja - Google Patents

Description

_ 98853

Ylipainesuoja

Keksinnön kohteena on ylipainesuoja sovitettavaksi kahden toisistaan erotetun tilan väliin estämään liian 5 suuren paine-eron syntyminen näiden tilojen välille, joka ylipainesuoja käsittää yksikiteistä piitä olevan runkokap-paleen, jossa on etupinta ja takapinta, runkokappaleen läpi ulottuvan, kemiallisesti syövyttämällä työstetyn purkauskanavan ja runkokappaleen etupintaan tukeutuvan, ennen 10 purkauskanavan syövytystä kasvattamalla aikaansaadun, purkauskanavan peittävän ja paine-eroon reagoivan kalvon.

On tunnettua käyttää erilaisten antureiden tai muun rakenteen suojaamiseen metallikalvoista tai muista kalvoista muodostettuja sekä jousikuormitettuja ylipainesuo-15 jia. Näiden ylipainesuojien toiminta-alue alkaa sadoista millibareista päätyen tuhansiin baareihin. Tavanomaisten ylipainesuojien ongelmana on niiden kallis hinta ja suuri koko varsinkin toimittaessa pienillä paine-eroilla. Jou-sikuormitettu ylipainesuoja esimerkiksi säätimen mittaus-20 piiriin sijoitettuna saattaa vuotamaan jäädessään myös aiheuttaa merkittäviä virheitä mittausarvoihin ja sitä kautta jopa vaarallisia virhetoimintoja.

Ylipainesuoja suhteellisen pieniä paineita varten tunnetaan EP-hakemusjulkaisusta 519 585. Siinä muovikal-25 vosta muodostettuun kalvoon on tehty ristikkäiset viillot, jotka jakavat kalvon neljään riippumattomaan osaan. Kalvon päälle on sovitettu kalvon osia tukeva ja sähköiseen il-maisinpiiriin yhteydessä oleva metallinen johdinliuska, jonka eri kalvon osia tukevat osuudet risteävät kalvossa 30 olevien viiltojen risteyskohdassa. Johdinliuskan risteys-pisteeseen tehdyllä heikennyksellä asetellaan se paine, jolla johdinliuska murtuu. Johdinliuskan murtuminen puolestaan havaitaan sähköisen ilmaisinpiirin avulla.

Astioiden ja putkistojen suojaamiseen tarkoitettu 35 ylipainesuoja tunnetaan US-patenttijulkaisusta 5 279 321.

98853 2

Siinä käytetään paineeseen reagoivana kalvona termoplastista materiaalia, johon on upotettu johdinlankoja, joiden avulla sen lisäksi, että ne lujittavat kalvoa, saadaan tieto kalvon puhkeamisesta.

5 Termoplastista materiaalia olevia kalvoja ei voida kuitenkaan käyttää erittäin pienille paineille tarkoitettuina ylipainesuojina, koska niiden puhkeamista tai repeytymistä ei kyetä luotettavasti mitoittamaan kapealle pai-nealueelle.

10 US-patenttijulkaisusta 4 275 406 ja itäsaksalaises ta patenttijulkaisusta 281 457 puolestaan tunnetaan johdantokappaleessa mainitut tunnusmerkit omaavia pietso-resistiivisiä paineantureita, joissa taipuvan piikalvon pinnalle on kasvatettu eristekerroksen erottama pietsovas-15 tus. Nämä paineanturit on tarkoitettu paineen mittaamiseen perustuen sen kalvon venymiseen, jolle pietsovastukset on sovitettu. Nämä paineanturit eivät sovellu käytettäväksi ylipainesuojana, koska niissä on runsaasti rakenteita, kuten eristekerroksia, jotka eivät mahdollista kalvoraken-20 teen repeytymistä tai puhkeamista pienillä paine-eroilla tai ennalta määrätyllä kapealla painealueella. Näissä paineantureissa kalvolle on pyritty antamaan tietyt kimmo-ominaisuudet eikä tiettyjä murtumisominaisuuksia, kuten . . ylipainesuojassa olisi tarpeen.

25 Esillä olevan keksinnön tavoitteena onkin tuoda esiin ylipainesuoja, joka soveltuu käytettäväksi myös pienillä paine-eroilla ja on mitoitettavissa toimimaan ennalta määrätyllä painealueella ja jonka valmistustoleranssit tästä huolimatta saadaan helposti pieniksi ilman että val-30 mistuskustannukset kuitenkaan muodostuvat suuriksi. Tähän päästään keksinnön mukaisen ylipainesuojan avulla, jolle on tunnusomaista, että kalvo on ohutkalvo, joka on sovitettu särkymään sen yli vaikuttavan paine-eron ylittäessä ennalta määrätyn arvon, että kalvo käsittää sähkönjohta-35 vuudeltaan kalvon muusta materiaalista eroavan kaistan,

II

98853 3 joka on sovitettu ulottumaan purkauskanavan poikki, että kaista on varustettu purkauskanavan eri puolilla sijaitsevista osista johdinliuskoilla ja/tai ulkopuolisilla joh-timilla, ja että johdinliuskoihin tai johtimiin on kytket-5 ty välineet sähkövirran syöttämiseksi kaistaan joko katkeamisen havaitsemiseksi tai kalvon tarkoitukselliseksi puhkaisemiseksi sähkövirran kuumennusvaikutuksen avulla. Esillä olevan keksinnön mukaisen ylipainesuojan valmistuksessa hyödynnetään siten puolijohdekomponenttien ja piimi-10 kromekaniikan valmistuksesta tunnettuja prosesseja, joiden avulla samalle piikiekolle voidaan valmistaa suuri määrä samankaltaisia komponentteja, jolloin yksikkökustannukset jäävät suhteellisen pieniksi. Tällaista tekniikkaa hyödyntämällä keksinnön mukainen ylipainesuoja voidaan myös val-15 mistaa huomattavasti tavanomaisia ylipainesuojia pienikokoisemmaksi. Keksinnön mukaiset ylipainesuojat ovat täten myös helposti koteloitavissa tavanomaisiin mikropiirikote-loihin.

Edullisimmin keksinnön mukaisen ylipainesuojan 20 ohutkalvo on monikiteistä piitä oleva kalvo.

Edellä mainittujen virransyöttövälineiden sovittaminen keksinnön mukaisen ylipainesuojan yhteyteen on helposti toteutettavissa erityisesti silloin, kun ylipaine-suoja koteloidaan tavanomaiseen mikropiirikoteloon tai 25 muuhun vastaavaan koteloon. Koska tällaisen mikropiiriko-telon yhteydessä suurinta osaa kotelon liitinnastoista ei tarvita piirin sähköisiin kytkentöihin, voidaan keksinnön mukaiseen ylipainesuojaan liittää sen asentamista ja käyttöä helpottava lisäpiirre, jonka mukaan osa kotelon lii-30 tinnastoista on oikosuljettu keskenään kyseiseen koteloon sijoitetun ylipainesuojan toiminta-alueen ilmaisevan koodin mukaisesti.

Seuraavassa keksinnön mukaista ylipainesuojaa ja sen valmistusmenetelmää kuvataan yksityiskohtaisemmin vii-35 täten oheiseen piirustukseen, jossa 98853 4 kuvio 1 esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisesta ylipainesuojasta purkauskanavan kohdalta, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen ylipainesuojan altapäin nähtynä, 5 kuvio 3 esittää kaaviollisesti keksinnön mukaista ylipainesuojaa päältäpäin nähtynä, kun siihen sisältyy välineet ylipainesuojän toiminnan tarkkailemista varten, ja kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen ylipainesuojan 10 kotelointia ja sen liittymistä ulkoiseen virtapiiriin.

Kuvioissa 1 ja 2 on esitetty keksinnön mukaisen ylipainesuojän esimerkinomainen suoritusmuoto, joka käsittää yksikiteistä piitä olevan runkokappaleen 1, jossa on alapinta 5 ja yläpinta 4, kuten kuviosta 1 ilmenee. Tämän 15 runkokappaleen 1 läpi kulkee purkauskanava 2. Runkokappaleen 1 etupinnan 4 puolella on koko etupinnan samoinkuin purkauskanavan 2 peittävä ohutkalvo 3. Tämä ohutkalvo on edullisimmin monikiteistä piitä, mutta se voisi olla myös jotakin muuta materiaalia, kuten molybdeeniä, volfrämiä 20 tai jotakin muuta metallia, metallioksidia tai piinitridiä oleva ohutkalvo tai timanttikalvo.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetynkaltäinen ylipainesuoja voidaan aikaansaada seuraavasti. Ensimmäiseksi kasvatetaan monikiteisen piikiekon molemmille pinnoille esimerkiksi 25 noin 1 μπι paksuinen piidioksidikerros uhrautuvaksi kerrokseksi 10. Kuviossa 1 tämä piidioksidikerros 10 näkyy runkokappaleen 1 etupinnan 4 päällä olevana kerroksena. Tämän jälkeen kasvatetaan mainitun piidioksidikerroksen 10 päälle ylipainesuojan varsinaisena ohutkalvona toimiva, edul-30 lisimmin monikiteistä piitä oleva ohutkalvo 3, jonka paksuus voi olla esimerkiksi noin 0,6 μτη. Purkauskanavan 2 muodostamista varten runkokappaleen 1 etupinnan 4 puolella olevan monikiteisen piikalvon suojaksi kasvatetaan seuraa-vaksi esimerkiksi CVD-oksidikerros vahvuudeltaan esimer-35 kiksi noin 500 nm tai vaihtoehtoisesti runkokappale peite- 98853 5 tään sekä etu- että takapintansa puolelta ohuella, esimerkiksi noin 100 nm paksuisella, piinitridikerroksella. Seu-raavassa vaiheessa kiekon takapinnan 5 puoleiselta pinnalta poistetaan mahdollinen suojanitridi ja monikiteistä 5 piitä oleva ohutkalvo plasmaetsaamalla. Tämän jälkeen takapinnan puoleiselle, nyt näkyvissä olevalle piidioksidi-kerrokselle muodostetaan fotoresistin ja kemiallisen syö-vytyksen avulla halutun suuruinen alue purkauskanavaan muodostamista varten. Kyseinen alue voi olla esimerkiksi 10 1500 μπ\ x 1500 μτα suuruinen neliö, kuten kuvioissa 1-3 on esitetty. Myös muun muotoiset, kuten pyöreät tai soikeat, alueet ovat luonnollisesti mahdollisia. Näin muodostetun alueen kautta sitten jatketaan syövytystä kemiallisesti esimerkiksi 25 prosenttisella tetrametylammoniumhydroksi-15 dilla (TMAH), siten, että yksikiteistä piitä olevan kiekon 1 läpi muodostuu reikä 2, jonka sivun pituus piikappaleen etupinnalla 4 on noin 1000 μπι. Tämä piikappaleen etupinnan puoleinen aukko on siis edelleen neliömäinen, mutta kuitenkin sivun pituudeltaan pienempi kuin takapinnan 5 puo-20 leinen lähtöaukko. Tämä perustuu siihen, että kyseisellä tavalla syövytettäessä syöpyminen etenee juuri kuvatulla tavalla kartiomaisesti. Viimeisenä vaiheena uhrautuvana kerroksena toimiva piidioksidikerros 10 ja ohutkalvon 3 päällä oleva suojakerros syövytetään pois fluorivetyliuok-25 sen avulla. Tällä tavoin päästään kuvioissa 1-3 kuvattuun rakenteeseen, jossa uhrautuva kerros 10 on syöpynyt jonkin verran myös etupinnan 4 ja ohutkalvon 3 välistä. Käytettäessä lähtökohtana esimerkiksi 100 mm halkaisijaista pii-kiekkoa voidaan yhdelle tällaiselle kiekolle prosessoida 30 samassa prosessissa useita kymmeniä kuvatunkaltaisia moni-kiteistä piitä olevia neliömäisiä ikkunoita, joiden paksuus on siis esimerkiksi 0,6 μιη ja sivun pituus 1000 μπκ Yllä kuvatun prosessin jälkeen voidaan syntyneiden painesuojien toimintapainetta edelleen jossain määriä ase-35 telia erilaisten lämpökäsittelyjen avulla. Lämpökäsittely 98853 6 vaikuttaa ohutkalvon jäännösjännityksiin ja sitä kautta myös repeytymispaineeseen.

Luonnollisesti ylipainesuojan toimintapaineeseen vaikuttavat ennen kaikkea purkauskanavan pinta-ala ja tä-5 män purkauskanavan peittävän ohutkalvon paksuus. Näiden parametrien ja jo mainitun lämpökäsittelyn avulla kyetään keksinnön mukainen ylipainesuoja mitoittamaan varsin laajalla painealueella toimimaan halutulla paine-erolla, toisin sanoen sen kalvo kyetään mitoittamaan siten, että se 10 särkyy halutun paine-eron vaikuttaessa kalvon yli.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen ylipainesuojan jatkokehitysmuoto, jossa kalvon 3 pinnalle kasvattamalla tai ehkä edullisemmin kalvoon 3 seostamalla on aikaansaatu sähkönjohtavuudeltaan kalvon 3 materiaalista 15 eroava kaista 6. Tämä kaista 6 on sovitettu ulottumaan purkauskanavan 2 poikki ja varustettu purkauskanavan eri puolilla sijaitsevista osista alkavilla johdinliuskoilla 7 ulkopuoliseen piiriin liittämistä varten. Kun kuvion 3 ylipainesuoja koteloidaan esimerkiksi sopivaan mikropiiri-20 koteloon 11 kuvion 4 mukaisesti, liitetään johdinliuskat 7 kotelon 11 liitinnastoihin 12. Näihin liitinnastoihin 12 voidaan puolestaan johtimien 8 avulla kuvion 4 mukaisesti kytkeä välineet 9, jotka ovat tarkoitetut kaistan 6 katkeamisen seuraamiseen. Nämä välineet 9 siis esimerkiksi 25 mittaavat kaistan 6 resistanssia. Kalvon 3 särkyminen merkitsee oleellista muutosta kalvon 6 resistanssissa. Täl-löinhän kaista 6 katkeaa ja sen resistanssi kasvaa käytännössä äärettömäksi. Täten välineiden 9 avulla kyetään havaitsemaan ylipainesuojan toiminta eli kalvon 3 särkymi-30 nen.

·* Keksinnön kannalta ehkä edullisin tapa on toteuttaa kaista 6 seostamalla kalvon 3 materiaaliin, koska tällöin kalvon 3 paksuus ei juurikaan muutu eikä tällä seostami-sella täten ole juurikaan vaikutusta ylipainesuojan muuhun 35 toimintaan tai esimerkiksi siihen painealueeseen, jolla se li 98853 7 on mitoitettu toimimaan. Sen sijaan, jos johtava kaista aikaansaadaan kasvattamalla kalvon 6 pinnalle jotakin johtavaa ainetta, on tällä luonnollisesti vaikutuksensa ohutkalvon repeytymispaineeseen, mikä täytyy ottaa huomioon 5 ylipainesuojaa mitoitettaessa ja sen painealuetta määritettäessä. Todennäköisesti päällekasvatetulla kaistalla on lisäksi pyrkimys lisätä tällä tavoin valmistettujen pai-nesuojien toimintapisteen hajontaa.

Kuviossa 3 kuvatun mukainen rakenne tarjoaa myös 10 sen mielenkiintoisen mahdollisuuden, että kaistan 6 sähkönjohtavuuden seuraamiseen käytetyt välineet 9 sen lisäksi, että ne ehkä tavanomaisimmin generoivat vähäisen sähkövirran kulkemaan tämän kaistan 6 kautta sen resistanssin seuraamiseksi, kykenevät myös kehittämään tarvittaessa 15 suuremmankin virran. Tätä suurempaa virtaa voidaan käyttää hyväksi siten, että sen avulla tarkoituksellisesti laukaistaan ylipainesuoja. Tällä tavoin toimimaan tarkoitetuissa ylipainesuojissa kaista 6 on toteutettu siten, että sillä on kohtalainen vastus. Kun virta nyt johdetaan tämän 20 vastuksen omaavan kaistan 6 läpi, se kuumiaa voimakkaasti johtaen kalvon 3 särkymiseen eli ylipainesuojan laukeamiseen.

Kuten edellä jo mainittiin, kuviossa 4 on esitetty keksinnön mukaisen ylipainesuojan sijoittaminen mikropii-25 rikoteloon 11, jossa on lukuisia liitinnastoja 12. Kotelo voi olla käytännössä mikä tahansa sopivan kokoinen tavanomainen mikropiirikotelo. Koska tällaisen mikropiiriko-telon yhteydessä suurinta osaa kotelon liitinnastoista ei tarvita ylipainesuojan sähköisiin kytkentöihin, voidaan 30 keksinnön mukaiseen ylipainesuojaan liittää sen asentamis-·· ta ja käyttöä helpottava lisäpiirre, jonka mukaan osa ko telon liitinnastoista on oikosuljettu keskenään kyseiseen koteloon sijoitetun ylipainesuojan toiminta-alueen ilmaisevan koodin mukaisesti. Tällä tavoin laitteisto, jonka 35 osaksi ylipainesuoja sijoitetaan, kykenee joko tunnista-. maan ylipainesuojan tai ainakin havaitsemaan onko asenne- 8 98853 tun ylipainesuojan koodi halutun kaltainen eli sen toiminta-alue oikea.

Yllä keksinnön mukaista ylipainesuojaa on kuvattu vain joidenkin esimerkinomaisten suoritusmuotojen avulla 5 ja on ymmärrettävää, että kuvattuja esimerkinomaisia mittoja voidaan halutun painealueen saavuttamiseksi merkittä-västikin muuttaa ja samoin voidaan ohutkalvon materiaalina käyttää muutakin materiaalia kuin tällä hetkellä edullisimmaksi ajateltua monikiteistä piitä. Samoin voivat käy-10 tetyt uhrautuvat kerrokset ja suojakerrokset muodostua muistakin kuin yllämainituista materiaaleista, kuten puolijohdekomponenttien ja piimikromekaniikan valmistuksesta on tunnettua.

Il

Claims (5)

98853 9

1. Ylipainesuoja sovitettavaksi kahden toisistaan erotetun tilan väliin estämään liian suuren paine-eron 5 syntyminen näiden tilojen välille, joka ylipainesuoja käsittää yksikiteistä piitä olevan runkokappaleen (1) , jossa on etupinta (4) ja takapinta (5) , runkokappaleen läpi ulottuvan, kemiallisesti syövyttämällä työstetyn purkaus-kanavan (2) ja runkokappaleen (1) etupintaan (4) tukeutu-10 van, ennen purkauskanavan syövytystä kasvattamalla aikaansaadun, purkauskanavan (2) peittävän ja paine-eroon reagoivan kalvon (3), tunnettu siitä, että kalvo on ohutkalvo (3) , joka on sovitettu särkymään sen yli vaikuttavan paine-eron ylittäessä ennalta määrätyn 15 arvon; kalvo (3) käsittää sähkönjohtavuudeltaan kalvon muusta materiaalista eroavan kaistan (6), joka on sovitettu ulottumaan purkauskanavan (2) poikki; kaista (6) on varustettu purkauskanavan eri puolil-20 la sijaitsevista osista johdinliuskoilla (7) ja/tai ulko puolisilla johtimilla (8); ja johdinliuskoihin (7) tai johtimiin (8) on kytketty välineet (9) sähkövirran syöttämiseksi kaistaan (6) joko katkeamisen havaitsemiseksi tai kalvon (3) tarkoitukselli-25 seksi puhkaisemiseksi sähkövirran kuumennusvaikutuksen avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ylipainesuoja, tunnettu siitä, että ohutkalvo on monikiteistä piitä oleva kalvo (3).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ylipaine- suoja, tunnettu siitä, että kaista (6) on aikaansaatu kalvoon (3) seostamalla.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ylipaine-suoja, tunnettu siitä, että kaista (6) on aikaan-35 saatu kalvon (3) pinnalle kasvattamalla. 98853 10

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen yli-painesuoja, kun ylipainesuoja on koteloitu mikropiiri- tai muuhun vastaavaan liitinnastoja (12) käsittävään koteloon (11), tunnettu siitä, että osa kotelon (11) lii-5 tinnastoista (12) on oikosuljettu keskenään kyseiseen koteloon sijoitetun ylipainesuojan toiminta-alueen ilmaisevan koodin mukaisesti. 11 98853 1. Övertrycksskydd avsett att anordnas mellan tvk frän varandra itskilda utrynunen för att hindra att en 5 alltför stor tryckskillnad uppstär mellan dessa utrymmen, vilket övertrycksskydd omfattar ett stomstycke (1) av monokristallin kisel, som uppvisar en främre yta (4) och en bakre yta (5), en genom stomstycket sig sträckande, genom kemisk etsning bearbetad utsläppskanal (2) och en 10 mot stomstyckets (1) främre yta (4) anliggande, fore etsningen av utsläppskanalen genom odling ästadkommen, utsläppskanalen (2) täckande och pk tryckskillnaden reagerande film (3),kännetecknat av att filmen är en tunnfilm (3), som är anordnad att 15 brista dä tryckskillnaden over den överskrider ett givet värde; filmen (3) omfattar en remsa (6), vars elledningsförmiga awiker frän det övriga materialets i filmen och som är anordnad att sträcka sig tvärsöver 20 utsläppskanalen (2); remsan (6) är försedd med ledarremsor (7) och/eller yttre ledare (8) p k olika sidor av utsläppskanalen; och organ (9) för inmatning av elström i remsan (6) 25 är kopplade till ledarremsorna (7) eller ledarna (8) antingen för att detektera bristning eller för att avsiktligt punktera filmen (3) medelst elströmmens värme-verkan. 2. Övertrycksskydd enligt patentkrav 1, k ä n -30 netecknat av att tunnfilmen utgörs av en film (3) av flerkristallin kisel. 3. Övertrycksskydd enligt patentkrav 1 och 2, kännetecknat av att remsan (6) är ästadkommen i filmen (3) genom sammansättning. 35 4. Övertrycksskydd enligt patentkrav 1 och 2, 98853 12 kännetecknat av att remsan (6) är ästadkommen pk filmens yta (3) genom odling. 5. Övertrycksskydd enligt nägot av patentkraven 1 - 4, dci övertrycksskyddet är inkapslat i ett mikro-5 kretshus eller annat liknande hus (11) med anslutnings-stift (12), kännetecknat av att en del av husets (11) anslutningsstift (12) är inbördes kortslutna i enlighet med en kod som indikerar funktionsomrädet för det i huset anordnade övertrycksskyddet. Il