NL8501639A - Capacitieve drukdetector en werkwijze voor het vervaardigen hiervan. - Google Patents

Description

NL 32.939-dV/lb * *

Capacitieve drukdetector en werkwijze voor het vervaardigen hiervan.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een capacitieve drukdetector volgens de kop van conclusie 1, alsmede op een werkwijze voor het vervaardigen van een dergelijke i detector.

5 Met betrekking tot de stand van de techniek wordt ge wezen op de volgende publicaties: (1) C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-27 (1980) No. 5, blz. 927-930 i 10 (2) Amerikaans octrooischrift no. 4.261.086 (3) Amerikaans octrooischrift no. 4.386.453 (4) Amerikaans octrooischrift no. 4.384.899 (5) Amerikaans octrooischrift no. 4.405.970 (6) Amerikaans octrooischrift no. 3.397.278 15 In publicatie (1) is een capacitieve detector voor absolute druk beschreven, die bestaat uit een elastisch sili-ciumelement en een glasplaat, die aan elkaar zijn gehecht op de wijze, zoals beschreven in publicatie (6). Tussen het elastische element en de glasplaat is een holte aanwezig, welke 20 als de vacuumcapsule van de detector werkzaam is. Tussen het elastische element en een op de glasplaat aangebrachte metaal-film wordt een capaciteit gevormd, die afhankelijk is van de druk. Een elektrische verbinding met de op de glasplaat gelegen metaalfilm wordt van buiten de detector verkregen 25 door middel van een geleider, die door diffusie in het silicium is vervaardigd en een van het elastische element afwijkend geleidingstype heeft. Een belangrijk nadeel van deze - detector is de sterke en sterk temperatuur-afhankelijke ver-armingscapaciteit, die tussen de gediffundeerde geleider en 30 het elastische element wordt opgewekt, welke optreedt naast de druk-afhankelijke capaciteit van de detector. De relatieve dynamiek van de detector neemt af en de afhankelijkheid van de temperatuur neemt toe.

In de genoemde publicaties (2), (3) en (4) wordt een 35 met de voorgaande constructie overeenkomende drukdetectorcon-structie beschreven. De bedrading daarvan is echter anders uitgevoerd. De bedrading is verkregen via een gat, dat in het HL λ ~ “ £ 7 ύ r* i - 2 - glas is geboord en dat aan de binnenzijde met metaal is bekleed. Het gat is afgesloten door hier metaal in te smelten (soldeer). De bedrading heeft geen parasitaire eigenschappen. Het afdichten van de gaten is echter een betrekkelijk 5 lastig uit te voeren handeling bij massaproduktie.

In de publicatie (5) wordt een detector beschreven, waarbij draagplaten uit silicium en het elastische element door middel van een dunne glasfilm, die door sputteren of door vacuumverdampen is vervaardigd, aan elkaar worden "ge-10 lijmd". Door middel van de dikte van de glasfilm wordt tevens de afstand tussen de condensatorplaten bepaald. Een goede eigenschap van deze detectorconstructie is, dat het fabrica-gemateriaal nagenoeg geheel uit silicium bestaat. Dit waarborgt een goede temperatuurstabiliteit. De lekcapaciteiten, 15 die gepaard gaan met de glasverbinding, hebben echter een sterk nadelige invloed op de eigenschappen van de detector.

Bij de beschreven methoden kan de dikte van het glas maximaal 10 μπι zijn, .waarvan.de capaciteit overeenkomt met een luchtspleet van 2 μη. De verbindingszone speelt derhalve een 20 dominerende rol in de capaciteit van de detector, tenzij het oppervlak van de detector zeer groot is.

In de publicatie (5) is eveneens een constructie be-• schreven, waarbij een hoge glaswand de twee siliciumdelen scheidt. In dit geval is er .geen probleem met lekcapacitei-25 ten. De afmetingsnauwkeurigheid van de luchtspleet van de condensator zal echter slecht zijn.

De onderhavige uitvinding beoogt de nadelen van de stand van de techniek te ondervangen en een capacitieve drukdetector van een geheel nieuw type te verschaffen, 30 alsmede een werkwijze voor het vervaardigen hiervan.

De uitvinding is gebaseerd op de gedachte, dat een laag isolerend materiaal, bijvoorbeeld glas, wordt gesmolten of gegoten op een substraat van een machinaal bewerkbaar en geleidend materiaal, bijvoorbeeld silicium. Hierdoor 35 is de dikte van de isolatielaag op de in het substraat gevormde uitsparingen groter dan op de overige delen hiervan. Wanneer de isolatielaag (en gedeeltelijk het substraat) zijn afgeslepen, zodat de bovenste delen van de dragende laag en de resterende delen van de isolatielaag een gelijkmatig op-40 pervlak vormen, wordt een elektrische doorgang aangebracht, 1501839 - 3 - * "* die vanaf het ondervlak van het substraat naar het bovenvlak loopt en die aan het boveneinde door een isolatielaag wordt omgeven. Via de elektrische doorgang kan een mechanische doorgang worden gemaakt door een gat door de elektrische doorgang 5 te vormen.

De capacitieve drukdetector en de werkwijze voor het vervaardigen hiervan volgens de uitvinding worden gekenmerkt door de bijgaande conclusies.

De capacitieve drukdetector volgens de uitvinding 10 heeft in de eerste plaats het voordeel, dat de parasitaire capaciteit tussen het elastische element en het silicium-gedeelte van het substraat veel kleiner is dan de detector-capaciteit. Bovendien is de afhankelijkheid van de temperatuur van de parasitaire capaciteit laag.

15 Voorts is een constructie verkregen, die hermetisch is afgesloten en waarvan vervormingen ten gevolge van tempe-ratuurvariaties gering zijn.

De detectorconstructie heeft het kenmerk, dat de afstand tussen de condensatorplaten, die enkele micrometers ' 20 bedraagt, wordt bepaald door het elastische element en bijgevolg met nauwkeurige afmetingen kan worden vervaardigd.

De condensatorplaat, die het dichtst bij het substraat ligt, ligt elektrisch buiten de vacuümkamer, zonder dat extra handelingen nodig zijn.

25 De constructie van de drukdetector is zeer geschikt voor massaproduktie.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld is weergegeven.

30 Fig. 1 is een dwarsdoorsnede van een substraat, dat _ uit een machinaal bewerkbaar, geleidend materiaal bestaat.

Fig. 2 toont het substraat volgens fig. 1, waarop een laag isolerend materiaal is gegoten.

Fig. 3 toont het substraat uit fig. 2, nadat het boven-35 vlak hiervan vlak is afgeslepen.

Fig. 4 toont het substraat volgens fig. 3, waarop een capsule, die uit een machinaal bewerkbaar materiaal bestaat, hermetisch is bevestigd.

Fig. 5 toont het substraat volgens fig. 3, waarbij 40 door het geheel geleidende gedeelte hiervan een mechanische 8501639 - 4 - doorgang is gevormd.

Het siliciumgedeelte 1 van het substraat is vervaardigd uit een siliciumschijf met een dikte van ongeveer 1,3 mm. De andere afmetingen bedragen ongeveer 5 x 6 m2. Een uit-5 sparing 5 is aangebracht met behulp van bekende micromecha-nische siliciumbewerkingen, zodat de diepte hiervan ongeveer 200 μια bedraagt. Het oppervlak van de mesa-vormige zone 6, die in het midden overblijft, bedraagt ongeveer 5 mm2, welke zone 6 de ene condensatorplaat van de detector vormt. Het 10 elastische element 3, dat gevoelig is voor druk, vormt de andere condensatorplaat. Deze moet hermetisch aan het substraat worden bevestigd, doch tevens elektrisch hiervan zijn geïsoleerd. Voor dit doel wordt een glaslaag 2 van ongeveer 300 μια dik op het siliciumgedeelte 1 gesmolten, zoals in fig. 2 15 is weergegeven. Voor het glas wordt een zodanige glaskwaliteit gekozen, dat de thermische uitzettingscoëfficiënt dicht bij die van silicium ligt. Hierdoor zijn de vervormingen van . het afgewerkte substraat ten gevolge van temperatuurvariaties minimaal. De diëlektrische constante van het glas dient 20 evenmin sterk afhankelijk van de temperatuur te zijn. Geschikte glassoorten zijn bijvoorbeeld Corning 7749, 7070 en Schott 8248. Na het opbrengen wordt het glas afgeslepen tot het niveau A, waardoor de bovenzijde van het mesage-de.elte 6 eveneens wordt blootgelegd. Hierna wordt het boven-25 vlak zo goed gepolijst, dat het elastische element 3 op het glas 2* kan worden bevestigd, bijvoorbeeld door anodisch hechten. De elektrische verbindingen met het elastische element 3 en het substraat 1, 2' worden met bekende technieken tot stand gebracht. De detector volgens de uitvinding is 30 geschikt voor toepassing als absolute detector en als ver-schildetector, indien een gat 4 in de draagplaat wordt aangebracht, zoals in fig. 5 is weergegeven.

De substraten 1, 2' kunnen worden verkregen door zagen uit een grotere plaat, die op de beschreven wijze is 35 vervaardigd en een diameter van bijvoorbeeld 7,6 cm heeft.

De siliciumoppervlakken op het afgeslepen bovenvlak A kunnen op bekende wijze met metaal worden bekleed voor het bevestigen van externe elektrische geleiders op geschikte plaatsen. Het gat 4 kan door etsen vanaf de boven- of onder-40 zijde worden gevormd en de diameter hiervan kan naar behoefte 8501639 - 5 - 1 10 tot 300 μια bedragen, terwijl de afmeting van het bovenoppervlak van het mesagedeelte 6 bij het weergegeven uitvoe-ringsvoorbeeld 2x2 mm2 bedraagt.

De materialen van de detector bestaan bij voorkeur 5 uit silicium en borosilicaatglas. De detector is zodanig vervaardigd, dat de platen van de drukgevoelige condensator binnen een vacuumcapsule zijn gelegen en niet in aanraking zijn met het te meten medium.

Dankzij de constructie van het substraat kan de 10 capaciteit tussen de condensatorplaten binnen de vacuumcapsule worden gemeten vanaf de buitenzijde van de detector.

De temperatuursafhankelijkheid van de capaciteit van de detector kan bijgevolg laag worden gehouden.

De uitvinding is niet beperkt tot de in het voor-15 gaande beschreven uitvoeringsvoorbeelden, die binnen het kader der uitvinding op verschillende manieren kunnen worden gevarieerd. Indien nodig kan een isolatielaag (niet weergegeven) op het substraat worden gevormd door sputteren, neerslag enz. , teneinde ongewenste chemische reacties tussen het 20 te gieten materiaal en het substraat te voorkomen. Door der- j gelijke reacties zouden bellen in het te gieten materiaal kunnen worden gevormd. De isolatielaag kan bijvoorbeeld ! een laag SiC>2 of Si3N4 met een dikte van bijvoorbeeld 10 tot 100 nm zijn. Deze laag wordt uiteraard afgeslepen ter plaatse 25 van de elektrische doorgang.

8501639

Claims (8)

1. Capacitieve drukdetector, voorzien van een substraat, dat is vervaardigd uit een elektrisch geleidend materiaal en een bovenvlak met een eerste condensatorplaat bezit, een elektrisch isolerende laag, die een bovenvlak bezit 5 en de eerste condensatorplaat omgeeft, en een elektrisch geleidend, elastisch plaatvormig orgaan, dat hermetisch aan het bovenvlak van de isolerende laag is gehecht, en een tweede condensatorplaat omvat, zodanig dat een kamer is gevormd tussen de eerste en de tweede condensatorplaat, met het 10 kenmerk, dat de elektrisch isolerende laag (2') is gelegen in een eerste uitsparing (5), die in het substraat (1) is gevormd, zodat de bovenvlakken van het substraat (1) en de laag (2') althans nagenoeg in het zelfde vlak liggen, terwijl de kamer is gevormd als een tweede uitsparing in de naar de 15 eerste condensatorplaat (6') toegekeerde zijde van het plaatvormige orgaan (3).

2. Werkwijze voor het vervaardigen van een capaci-tieve drukdetector met een elektrisch geleidend substraat, een elektrisch geleidend, plaatvormig orgaan, dat op een 2. afstand van het substraat is geplaatst, en een elektrisch isolerende laag, die het substraat en het orgaan hermetisch aan elkaar hecht, zodat een condensatorkamer wordt gevormd tussen het substraat en het orgaan, met het kenmerk, dat ten minste één uitsparing (5) in de ene zijde van het 25 substraat (1) wordt gevormd, waarbij een laag (2) van elektrisch isolerend materiaal in gesmolten toestand op de bewerkte zijde van het substraat (1) wordt aangebracht, zodat de laag (2) de bewerkte zijde van het substraat bedekt, waar- ... na, na het uitharden van de laag (2), materiaal van het opper-30 vlak van de aldus verkregen constructie wordt verwijderd, teneinde een althans nagenoeg vlak oppervlak te verkrijgen met ten minste één geleidend mesagedeelte 6 van het substraat (1), dat door ten minste één isolerend laaggedeelte 2' wordt omgeven.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat een siliciumsubstraat wordt gebruikt als het te bewerken substraat (1).

4. Werkwijze volgens conclusie 2, met het 8501639 • · · 1 - 7 - kenmerk, dat glas wordt gebruikt als isolerend materiaal (2) .

5. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de laag (2) van isolerend materiaal op 5 de bewerkte zijde van het substraat wordt gegoten.

6. Werkwijze volgens conclusie 2, m e t h e t kenmerk, dat de laag (2) van isolerend materiaal op de bewerkte zijde van het substraat (1) wordt gesmolten.

7. Werkwijze volgens conclusie 2, met het 10kenmerk, dat de laag (2) van isolerend materiaal zodanig wordt aangebracht, dat het substraat (1) geheel wordt i i bedekt.

8. Werkwijze volgens conclusie 2, m e t h e t kenmerk, dat een mechanische doorgang (4) wordt ge- 15 vormd door het mesagedeelte (6') door bijvoorbeeld etsen. S50 1 639