NL8500466A

NL8500466A - Capacitieve drukdetector.

Info

Publication number: NL8500466A
Application number: NL8500466A
Authority: NL
Original assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1985-02-19
Publication date: 1985-09-16
Also published as: FI840701A; BR8500735A; FR2559900A1; DE3505925C2; JPH0583854B2; FI840701A0; FR2559900B1; GB8504079D0; US4589054A; GB2156078B; FI71015B; JPS60202323A; IT8512438A0; FI71015C; IT1186833B; GB2156078A; DE3505925A1

Description

- W <· · \J -/ / UV / JmXJ

* t.

Capacitieve drukdetector.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een capacitieve drukdetector volgens de kop van conclusie 1.

Met betrekking tot de bekende stand van de 5 techniek wordt gewezen op de volgende publicaties: (1) Amerikaans octrooischrift 4.386.453 (2) Amerikaans octrooischrift 4.257.274 (3) Amerikaans octrooischrift 4.332.000 (4) Amerikaans octrooischrift 4.390.925 10 (5.) Amerikaans octrooischrift 3.397.278 (6) K.E. Bean, "Anisotropic Etching of Silicon", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-25 (1978)

No. 10, biz. 1185-93.

Het is algemeen bekend, dat geminiaturiseerde 15 capacitieve drukdetectors kunnen worden vervaardigd uit silicium en glas (zie publicaties (1) tot (4) ). Silicium kan worden bewerkt door middel van chemigrafisch etsen (zie publicatie (6) ), waarbij door middel van micro-lithografie patronen worden gevormd, en waarbij de silicium- en glas-20 delen met elkaar worden verbonden door middel van een elektrostatische methode (zie publicatie (5) ). i

Geschikt voor toepassing in detectors zijn bijvoorbeeld Corning Glass, type 7740, "Pyrex" of het "Tempax" glas van Schott. Deze glassoorten bevatten ionen van alkali-25 metalen, hetgeen gunstig is voor het vormen van een elektrostatische verbinding. De thermische uitzetting van deze glassoorten heeft dezelfde orde van grootte als die van silicium. Bij kamertemperatuur is de thermische uitzettingscoëffi-ciënt van silicium 2,5 ppm/°C en die van de genoemde glassoor-30 ten ongeveer 3,2 ppm/°C. Bij hogere temperaturen zet het silicium niet-lineair uit en overschrijdt de overeenkomstige coëfficiënt van glas.

Het verschil in thermische uitzettingscoëffi- ciënten, ongeveer 0,7 ppm/°C, is de meest belangrijke faktor, 35 die de afhankelijkheid van de temperatuur van capacitieve drukdetectors met een silicium-glasconstructie beïnvloedt.

__In fig. 1 is schematisch de grondslag weerge-

BAD ORIGINAL

geven voor de temperatuurafhankelijkheid bij een capacitieve fi R fl Π /. fi £ - 2 - drukdetector. Een siliciUmdeel 2, dat is voorzien van een dun gedeelte 3, dat onder invloed van de druk wordt gebogen, is bevestigd op een glasplaat 1 door middel van een elektrostatische methode (zie publicatie (5) ). Het drukverschil, 5 dat werkzaam is over het gedeelte 3 buigt het gedeelte 3 .

door en wijzigt de afstand tussen dit gedeelte en een stationaire condensatorplaat 4, die op de glasplaat T is aangebracht, alsmede de capaciteit hiertussen.

Indien de thermische uitzettingscoëfficienten 10 van silicium en glas een verschillende grootte hebben, ontstaat, wanneer de temperatuur toeneemt, een horizontale kracht F in het voor druk gevoelige gedeelte 3. Indien het glas meer uitzet dan silicium, tracht de kracht F de door de druk P in het gedeelte 3 veroorzaakte doorbuiging te 15 verminderen. Indien de drukgevoeligheid van de doorbuiging

zonder de kracht FS is, is deze met de kracht F

.o

S

o S = - , (1) 1+K(a/h)2egi 20 waarbij a de zijde van het membraan 3 is (indien het membraan vierkant is) of de diameter van het membraan 3 (indien het membraan cirkelvormig is), de coëfficiënt K is 0,27 in het geval vein een vierkant membraan en 0,2 in het geval van een cirkelvormig membraan en sgi is de vervorming (verlenging) 25 die door de kracht F wordt veroorzaakt in het siliciummem-braan 3.

Indien het glasdeel 1 veel dikker is dan het siliciumdeel 2, geldt bij benadering de volgende vergelijking: egi * Δ o Δ t, (2) 30 waarbij Δα.het verschil is tussen de thermische uitzettings-coëfficiënten "van silicium en glas en At de temperatuurverandering is.

SQ en cgi zijn afhankelijk van de temperatuur.

De temperatuurafhankelijkheid van wordt veroorzaakt door 35 de temperatuurafhankelijkheid van de elasticiteitscoëffi-cienten van silicium. De temperatuurcoëfficiënt van de ge-

wnol -i rrVxai Λ S i.S

-- % -.3 - '

1 3S K(a/h)3 Δα 1 3S

- — = - -- . +--2 (3)

S 3T 1+K(a/h)2 ε_. S 3T

Sl O

Met silicium op (100)-niveau (1/S ) (3S /3T) * 70 ppm/°C.

o o

Indien de waarde a/h = 20 wordt gekozen, wordt (1/S) (3S/3T) 5*0· verkregen, dat wil zeggen de verschijnselen heffen elkaar op. De verhouding a/h = 20 is echter alleen geschikt voor detectors voor het meten van betrekkelijk hoge drukken (ongeveer 50 bar).-

Indien de te meten druk lager is dan 1 bar, is 10 een geschikte verhouding a/h ~ 80. Dit resulteert in een temperatuurcoëfficiënt £ 1000 ppm/°C.

Het dient derhalve mogelijk te zijn het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten Δα te verkleinen, teneinde detectors, die bestemd zijn voor een laag druk-15 bereik, stabiel te maken bij variërende temperatuur. Een geschikte glaskwaliteit, waarvan de thermische uitzettingsco-efficiënt dichter bij die van silicium ligt, is echter niet in de handel verkrijgbaar. De thermische uitzettingscoëffi-ciënt van de draagplaat 1 kan echter op het gewenste niveau 20 worden gebracht door middel van de constructie volgens figi 2.

De uitvinding beoogt een capacitieve drukdetec-tor te verschaffen, waarbij het genoemde nadeel is ondervangen en waarbij de thermische uitzetting van de draagplaat van de drukdetector op de gewenste waarde is gebracht.

25 De uitvinding is gebaseerd op de volgende ge dachten: - De temperatuurcoëfficiënt van de gevoeligheid van een capacitieve drukdetector kan worden geminimaliseerd, wariheer het verschil in thermische uitzetting van de isolerende draagplaat 30 en van het drukgevoelige siliciummembraan op eén zodanig niveau wordt ingesteld, dat het de temperatuursafhankelijk-heid van de elastische eigenschappen van silicium overheerst.

- De isolerende draagplaat bestaat uit glas- en silicium-platen, die met elkaar zijn verbonden.„ 35 - De thermische uitzettingscoëfficiënt van de draagplaat met deze sandwich-constructie kan op het gewenste 'niveau worden gebracht door op geschikte wijze de dikten van de silicium- BADOg|G^ALlagen te kiezen.

fi ü η n /. ft £ - 4 - - Bij de sandwich-constructie worden het. silicium en het glas met elkaar verbonden door middel van een elektrostatische methode (zie publicatie (5) ).

- De dikte van de glaslaag bedraagt 50 yum tot 1 mm.

5 De drukdetector volgens de uitvinding wordt ge kenmerkt door de maatregelen uit het kenmerk van conclusie 1.

Door middel van de uitvinding worden belangrijke voordelen bereikt. Volgens de uitvinding is het mogelijk de 10 temperatuurcoëfficiënt van de isolerende draagplaat van de capacitieve drukdetector op de gewenste wijze te regelen.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin enkele uitvoeringsvoorbeelden in de fig. 2-4 zijn weergegeven.

15 Fig. 2 is een doorsnede van een uitvoeringsvorm van de detector volgens de uitvinding.

Fig. 3 is een doorsnede van een tweede uitvoeringsvorm van de detector volgens de uitvinding.

Fig. 4 is een doorsnede volgens het vlak A-A

20 uit fig. 3.

Volgens fig. 2 is het dikke glasdeel 1 uit fig. 1 vervangen door een dunne glasplaat 5 en een hiermee verbonden dikke siliciumplaat 6. De delen 5 en 6/ kunnen het best met elkaar worden verbonden door middel van de elektro-25 statische methode volgens publicatie (5).

Wanneer de siliciumplaat 6 dik is ten opzichte van de glasplaat, kan de doorbuiging worden verwaarloosd en kan de thermische uitzettingscoëfficiënt van de sandwich-constructie als volgt worden berekend; 30 a2 + _ a = —-— , (4) 1 - mn waarbij α^ 3® thermische uitzettingscoëfficiënt van silicium en cc.j die van .glas is, m de verhouding is van de dikten van 35 het glas en het silicium en n de verhouding is van de elas-

ticiteitscoëfficiënten van glas en silicium. Het verschil tussen de temperatuurcoëfficiënten van silicium en de sandwich-construq£ie (5, 6) is BAD ORIGINAL

—-· - 5 - mn(a - α ) Λα = -3-é— (5) 1 + mn

In het geval van glas en silicium, n = 0,36. Indien m = 0,5 5 wordt gekozen, verkrijgen wè Δα «0.15 (α^ - α^) . Het is.

derhalve mogelijk de misaanpassing tussen de thermische uit-zettingscoëfficiënten van silicium en glas belangrijk te verminderen. Door de verhouding m van de dikten van de glasen siliciumplaten op geschikte wijze te kiezen, is het moge-10 lijk een situatie te verkrijgen, waarin de temperatuurafhankelijkheden van het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten. en elasticiteitscoëfficiënten elkaar opheffen.

De uitvinding kan bijvoorbeeld ook worden toegepast op de constructie van een detector voor absolute druk 15 volgens fig. 3 en 4. In een siliciumdeel 13 is een holte 14 gevormd voor een vacuumcapsule, alsmede een uitsparing 8 voor de luchtspleet tussen de platen van een drukgevoelige condensator. De vacuumcapsule is afgesloten door een plaat 15, die bestaat uit een dunnere glaslaag 17 en een dikkere silicium-20 plaat 18. De platen 17 en 18 zijn eerst met elkaar verbonden door middel van een elektrostatische methode (zie publicatie (5) ). Hierna is de sandwich-constructie 15 in vacuum op dezelfde wijze op het siliciumdeel 13 bevestigd. !-

Een gedeelte van het siliciumdeel 13, een dun 25 siliciummembraan 16 ligt tussen de vacuumcapsule 14 en de spleet 8 tussen de condensatorplaten. Het siliciummembraan 16 buigt door naar de vacuumcapsule 14 onder invloed van de uitwendige druk. Het siliciumdeel 13 is bevestigd op een steundeel 19. Het oppervlak van het steundeel 19 is vervaar-30 digd uit een isolatiemateriaal en op het deel 19 is een dunne metaalfilm neergeslagen, waarin een stationaire condensator-schijf 7, een geleider 12 en aansluitzones 10 en 11 zijn gevormd. Tussen het flexibele siliciummembraan 16 en het neergeslagen metaalpatroon 7 is een drukgevoelige condensator 35 gevormd. De capaciteit van de detector kan tussen de aansluitzones 10 en 11 worden gemeten. De aansluitzone 11 staat elektrisch -in verbinding met het siliciumdeel 13, terwijl de aan-sluitzone 10 geleidend is verbonden met het metaalpatroon 7 via de .geleider 12, welke door een tunnel 9 verloopt. De te BAD ORIGINAL; * A c η λ / e fi - 6 .- ♦ meten druk kan eveneens- via de tunnel 9 op het siliciummem-braan 16 inwerken. Het steundeel 19 bestaat uit een dunne glaslaag 20 en een siliciumplaat 21, welke op elkaar zijn bevestigd door middel van een elektrostatische methode '5 (zie publicatie (5) ). Het siliciumdeel 13 is op dezelfde wijze op de steunplaat 19 bevestigd.

De temperatuurafhankelijkheid van de beschreven drukdetectorconstructie is aanzienlijk lager dan die van een constructie/ waarbij de plaat 15, welke de vacuuiti-10 capsule 14 afsluit, en de steunplaat 19 uitsluitend uit glas zijn vervaardigd. Aangezien de drukdetectorconstructie symmetrisch is heffen de koppels, die afhankelijk zijn van· de temperatuur en worden afgeleid van de sandwich-construc-tie van de platen 15 en 19, elkaar op.

Ί5 De uitvinding is niet beperkt tot de in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoorbeelden, die binnen het kader der uitvinding op verschillende manieren kunnen worden gevarieerd. Als steunplaat is het bijvoorbeeld ook mogelijk een siliciumplaat te gebruiken, waarop een isola-20 tiefilm is neergeslagen. De film moet echter dik zijn, teneinde lekcapaciteiten te vermijden en het neerslaan van een dikke film vergt veel tijd en is kostbaar. Het bevestigen van een gepolijste glasplaat door middel van eeh elektrostatische methode gaat snel en is goedkoop.

25 De afmetingen van de uitvoeringsvorm volgens de fig. 3 en 4 zijn als volgt (waardebereik tussen haakjes aangegeven)i Glasplaten 17 en 20 breedte : 4 mm (2 tot 6 mm) 30 dikte i 100 ym (10 tot 200 ym)

Siliciumplaten 18 en 21 breedte s 4 mm ( 2 tot. 6 mm) dikte : 1 mm (0,5 tot 1,5 mm)

Siliciumplaat 13 35 plaatdikte : 0,4 mm (0,2 tot 0,5 mm) membraandikteï 5 tot 200 yirr (afhankelijk van druk)

Stationaire condensatorplaat 7 en aansluitingen 10 en 11 BAD ORIGINAL dikte : 0,2 ym <0,1 tot 1,0 um) o e η n /. c e - 7 -

Condensatorplaat 8 breedte : 4 μη (1 tot 10 ym).

/ . 1 ' ·

BAD ORIGINAL

o c n n /. fi

Claims

1. Capacitieve 4rukdetector, voorzien van een steunplaat, een op de steunplaat geplaatste, stationaire condensatorplaat en een siliciumplaat, die zodanig op de steunplaat is geplaatst, dat deze de stationaire condensator- 5 plaat omgeeft, waarbij het middengedeelte van de siliciumplaat dunner is uitgevoerd, zodat het een membraanvormige structuur heeft, welke werkt als mobiele condensatorplaat en bodem van een vacuumcapsule, met het kenmerk, dat de steunplaat bestaat uit een siliciumplaat (6; 21) en 10 een glaslaag (5; 20), die op de siliciumlaag is bevestigd en tegen de siliciumplaat (2; 13) is geplaatst, welke glaslaag aanmerkelijk dunner is dan de siliciumlaag, zodatbijde op deze wijze verkregen combinatieplaat (5, 6; 20, 21) dankzij de elasticiteitscoëfficiënten en thermische uitzettingscoëffi-15 ciënten van de verschillende lagen (5 en 6; 20 en 21),het verschil in thermische uitzetting tussen de combinatieplaat (5, 6; 20, 21) en het siliciummembraan (3? 16) aanmerkelijk is verkleind.

2. Detector volgens conclusie 1, waarbij ter 20 verkrijging van een absolute drukdetector een dekselplaat op de siliciumplaat is eengebracht, welke de vacuumcapsule afdekt, met hetkenmerk, dat de dekselplaat eveneens bestaat uit een siliciumlaag (18) en een glaslaag (17), die op de siliciumlaag is bevestigd en tegen de 25 siliciumplaat (13) is geplaatst, welke glaslaag (17) aanmerkelijk dunner is dan de siliciumlaag.(18) (fig. 3 en 4).

3. Detector volgens conclusie 1 of 2, m e t het k-enmerk, dat van elke combinatieplaat (5, 6; 20, 21; 17, 18) de siliciumlaag (6; 21, 18) met de glaslaag 30 (5; 20, 17) is verbonden door middel van een elektrostatische methode.

4. Detector volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat"bij de combinatieplaat (5, 6? 20, 21; 17, 18) de verhouding van de dikten 35 van de glas- en siliciumlagen zodanig is gekozen, dat de BAD ORlCtHAL van het verschil in thermische uitzettingen op het temperatuurgedrag van de drukgevoeligheid van de membraan- * --- - 9 - vormige structuur (3;· 6) althans nagenoeg gelijk, doch tegengesteld gericht is ten opzichte van de invloed van de temperatuurafhankelijkheid van de elasticiteitscoëfficiënt van silicium. / BAD ORIGINAL 8500466