NO313723B1 - Sensorelement - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår et sensorelement, samt en trykksensor omfattende dette, omfattende en første membran montert i en stiv ramme, hvilken membran står i trykkmessig kommunikasjon med to volumer mellom hvilke en trykkforskjell skal måles.

Trykksensorer blir stadig mer aktuelle for forskjellige anvendelser, fra måling i trykk i bildekk til måling av trykk under boreoperasjoner til havs. Trykksensorer blir i økende grad laget i halvledermaterialer, for eksempel silisium, ved hjelp av teknikker for mikromaskinering.

Trykkmålerne består oftest av en membran eller tilsvarende som står mellom to volumer mellom hvilke det skal måles en trykkforskjell, der det ene volumet som regel har et refe-ransetrykk, eventuelt et langsomt varierende trykk.

Ved trykkforskjeller vil membranen bøyes, i det minste langs kantene. Denne bøyningen måles ved hjelp av strekk-følsomme piezoresistive elementer plassert i de områdene som deformeres i membranen.

Det finnes en rekke forskjellige typer slike sensorer, som blant annet er beskrevet i tyske patenter DD 267.107, DD 286.222 og DD 291.398, samt US-patent 5.174.690. I flere av disse publikasjonene er følerne koblet parvis sammen, slik at den ene er montert parallelt med det påførte strekket, og den andre er montert normalt på denne retningen. Via en brokobling måles endringene i følernes egenskaper, for eksempel resistivitet, som angir graden av deformasjon, og dermed trykket.

Andre eksempler på kjente løsninger er vist i patentskriftene US 4.622.098, US 5.048.165, EP 385.574, EP 454.901, DE 33.27.653, DE 40.21.424, DE 40.24.780, US 3.213.400 og DE 42.15.722. Felles for disse er at de måler bøyning i én enkelt membran eller overgangs-sone som bøyes ved belastning.

Et problem med denne typen trykksensorer er at de har et begrenset måleområde. Når trykket (eventuelt trykkforskjell-en) overstiger en kritisk verdi vil bøyespenningene i kanten av membranen føre til at membranen ryker.

En måte å unngå dette på, er å stoppe membranen når et bestemt trykk overskrides, for eksempel ved å danne en støtteflate for membranen slik som i DD 291.398. Dette vil imidlertid ofte redusere membranens følsomhet, samtidig som sensoren øker i kompleksitet.

Den vanligste fremstillingen av trykksensorer i silisium benytter seg av såkalt anisotrop våtets. Man etser da bort silisium fra baksiden av silisiumskiven inntil man sitter igjen med den ønskede silisium membranen. Sideveis stopper etsen mot [111] planene i silisium krystallet. Dette resulterer i svært skarpe hjørner langs membranens periferi. I disse hjørnene blir de mekaniske spenningene forsterket ved såkalte kjervspenninger. I ovennevnte DE 42.15.722 beskrives en måte å unngå kjervspenningene på: Løsningen omfatter plassering av en elastisk ramme langs membranens periferi. Denne rammen sørger for at kjervspenningene flyttes fra det sterkt belastede området rundt membranens periferi til den mindre belastede overgangen mellom [111] planene og den elastiske rammen. På samme måte som avrunding av skarpe innvendige hjørner i vanlig maskinkonstruksjon gjør at delen tåler høyere belastning, gjør dette at membranen tåler et større trykk enn den ville gjort dersom membranens periferi falt sammen med den skarpe overgangen til [111] planene.

Et sensorelement med denne løsningen vil ha i det vesentlige det samme begrensede måleområdet som sensorelementer uten denne avlastningen, men med noe større mekanisk styrke.

Det er et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe

et sensorelement som kan tåle svært store trykk i forhold til de minste trykkene det er konstruert for å måle. Dette krever at man ikke bare eliminerer kjervspenningene, men også har en innfesting langs membranens ytterkant som oppfører seg

relativt stivt ved lave trykk, men som endrer vinkel ved høyere trykk.

For å oppnå disse formålene er det tilveiebragt et sensorelement som angitt ovenfor og som er kjennetegnet slik som beskrevet i det foreliggende krav 1 og en trykkmåler omfattende et slikt sensorelement ifølge krav 11.

Ifølge den foreliggende oppfinnelsen er således problemet med overlastbeskyttelse løst ved bruk av en ytre, forholdsvis stiv membran som tåler relativt stor belastning, men som vil gi forholdsvis lav følsomhet ved små trykkvariasjoner, og som har en tilstrekkelig stor radiell utstrekning til å bøyes ved stor belastning. Den ytre membranen bøyes fordi: • Den akkumulerte trykkbelastningen over den indre membranen setter opp et bøyemoment i den ytre membranen som er proporsjonalt med den ytre membranens radielle utstrekning. • Det akkumuleres trykk over den ytre membranen selv, dette er proporsjonalt med størrelsen på den ytre membranen. • Det overføres et bøyemoment fra den indre membranen til den ytre.

I ovennevnte DE 42.15.722 overføres kun bøyespenninger fra rammen til en enkelt membran, der overgangs-sonen mellom rammen og membranen er forsterket. Dette er ikke tilstrekkelig til oppnå de ønskede formålene ved denne oppfinnelsen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelsen flyttes bøyestress fra den myke til den stive membranen etter hvert som trykket økes, samtidig som at overgangen mellom den indre og den ytre membranen endres fra bøyning til strekk. Siden materialet tåler strekket bedre enn bøyningen vil dermed ikke membranen ryke. Ved i tillegg å måle bøyningen i den stive membranen oppnås dessuten et utvidet måleområde i forhold til målinger foretatt ved en konvensjonell membran.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet nedenfor med hen-visning til de vedlagte tegningene, som illustrerer eksempler på utførelser av oppfinnelsen.

Figur 1 viser et sensorelement ifølge en første utførelse

av oppfinnelsen.

Figur 2 viser et sensorelement ifølge en andre utførelse av

oppfinnelsen.

Figur 3A og 3B viser tverrsnitt av utførelsene i figurene 2

cg 1, henholdsvis.

Figur 4A og 4B viser delvise tverrsnitt av sensorelement i utførelsen illustrert i figurene 2 og 3A, under forskjellige trykkbelastninger. Figur 5 illustrerer sammenhengen mellom målt trykkforskjell og utgangs-signalet fra følerne ifølge utførelsen av oppfinnelsen som er illustrert i de øvrige figurene. Figur 1 viser et sensorelement ifølge oppfinnelsen be-stående av en første membran 1 montert i en ramme 3. Sen-tralt plassert på den første membranen 1 er en andre membran 2 med redusert stivhet i forhold til den første.

Membranene 1,2 er fortrinnsvis symmetrisk utformet for å gi en jevn fordeling av belastningen rundt hele omkretsen, og dermed minske faren for brudd på materialet ved store trykk. Den sentrale, andre membranen 2 er fortrinnsvis sirkulært utformet, men kan selvsagt også være kvadratisk eller ha en annen form, avhengig av det påtenkte bruksområdet og pro-duksj onsmetoden.

I ytterkant av den første membranen er et antall følere 11,13 plassert, og et antall andre følere 12,14 er plassert i ytterkant av den andre membranen 2. Følernes posisjoner velges ut fra kjente modeller for den maksimale bøyningen som påføres membranen når den påføres et trykk fra den ene siden. Et eksempel på en slik modell er vist i ovennevnte US-patent 5.174.690.

På i cg for seg velkjent måte er følerne, henholdsvis 11,13 og 12,14, plassert parvis med retning parallelt og normalt på bøyningens retning, slik at følernes følsomhet kan utnyttes maksimalt i en brokobling. Følerne 11,12,13,14 kan være av hvilken som helst kjent type, men utgjør ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen piezoresistive elementer.

I figurene er parene 11,13 og 12,14 plassert med en viss avstand fra hverandre, noe som på grunn av den symmetriske utformingen av membranene ikke påvirker målingene. For å oppnå en tilnærmet balansert helbro, plasseres to av følerne 11,13 i hver bro i radiell retning, mens de to andre 12,14 plasseres tangentielt. Da tøyningene i første rekke er radielle, vil de radielle piezoresistive følerne få mindre motstand, mens de tangentielle vil få større motstand.

I sin enkleste form kan trykksensoren leveres med 4 tilkoplingspunkter for hver målebro. Man kopler da en strøm-kilde til inngangen og leser av signalet på utgangen. Ut fra kalibreringskurver for de to målebroene kan man så finne det virkelige trykket. Det finnes en rekke kommersielle enheter beregnet for dette. Av illustrasjonshensyn er ikke elektriske ledningstilknytninger og lignende vist i tegningene.

En mer avansert løsning er at trykkføleren integreres med en ASIC brikke som leser signalene fra begge målebroene og regner ut trykket fra en kalibreringskurve. Den utregnede trykkverdien kan så avleses i digital eller analog form.

Alternativt til følere plassert på membranene kan andre metoder anvendes for å måle bøyningen. For eksempel kan optiske målemetoder brukes der avstandsendringer til midten av membranen eller endringer i vinkel eller materialegen-skaper i bøyningsområdene tenkes. Kapasitive målinger av avstanden til membranen fra et referansepunkt kan i enkelte tilfeller også tenkes.

I figur 2 er det illustrert et tilsvarende sensorelement som i figur 1, men der den andre membranen omfatter et sen-tralt område 4 med større stivhet enn den andre membranen 2.

I figurene 3A og 3B vises tverrsnitt av utførelsene vist i henholdsvis figur 2 og figur 1, der stivheten ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, er tilpasset ved å tilpasse membranenes tykkelse. Endring av materialets egenskaper for å endre stivheten er også mulig, men vil gi mindre spillerom, blant annet i forhold til de oppnåelige forskjellene i stivhet.

For rimelig fremstilling, høy følsomhet og liten stør-relse vil silisium være et egnet materiale for produksjon av sensorelementet. Membranene 1,2 fremkommer ved etsing fra baksiden av en silisiumskive, mens tøyningene måles ved hjelp av piezoresistive følere 11,12,13,14 implantert i forsiden av membranene.

Typiske fysiske dimensjoner på membranene vist i figurene 3A og 3B dersom sensorelementet er laget i silisium kan eksempelvis være:

Den tykke membranen 1 er ca. 24 |xm.

Den tynne membranen 2 er ca. 3 [ im.

Den 24 [ im tykke membranen har 4 mm sidelengder.

Den 3 [ im tynne membranen har 2 mm sidelengder, eller 2

mm diameter hvis den er rund.

I de utgavene som har stivt midtparti er sidelengden/-

diameter 1 mm.

Skivetykkelsen er typisk 500 nm.

Overgangen fra full skivetykkelse til 24^im membran

strekker seg over 280 |j.m, sett vinkelrett på skiven. Overgangen fra 24 nm membran til 3 jim membran er ca. 100

\ im.

Disse størrelsene kan selvfølgelig varieres for å maksimere sensoren for forskjellige anvendelser, og er avhengig av den anvendte prosessen.

Dersom sensorelementet ifølge oppfinnelsen utformes i silisium vil det kunne produseres ved hjelp av velkjente, mikromekaniske prosesser, omfattende delprosesser som:

• Fotolitografi.

• Oksydering av silisium.

• Deponering av overflatelag.

• Epitaksiell groing av overflatelag.

• Implantering for ledere, motstander, og etsestopper med egnede atomer.

• Diffusjoa av implanterte atomer.

• Etsing for å frigjøre mekaniske strukturer, hvor etseprosessen stopper mot dopede områder.

Prosessering av et sensorelement ifølge denne oppfinnelsen følger typisk disse trinnene: Gro silisium på en silisium substratskive hvor overflate

silisiumet er isolert med oksyd.

Lage ledningsførere og motstander.

Grovetsing av en 24 |im tykk membran fra baksiden. Finetsing av de 3 \ im tynne strukturene i den 24^m tykke

membranen.

Mer detaljert kan dette utføres på følgende måte: Prosessering av elektriske ledere, og motstander, samt etsestopp: Overflaten av skiven blir implantert med n-type dopeatomer. Disse arealene defineres med fotomaske, og

dybden bestemmes med diffusjonsparametre.

Begravde ledere implanteres med p-type atomer.

Et silisium overflatelag blir grodd epitaksielt på

overflaten. Dette blir grodd med n-type dopeatomer.

Si02blir grodd på overflaten. Både topp og bunn. Overflateledere blir implantert gjennom oksydet. Atomene

er av p-type. Etterfulgt av termisk diffusjon.

• Overflatemotstander blir implantert gjennom oksydet.

Atomene er av p-type. Etterfulgt av termisk diffusjon.

• Implantasjon av n-type dopeatomer for etsestopp.

Etterfulgt av termisk diffusjon.

• Kontakthull lages ved å åpne oksydet. Disse er definert av maske. • Metalledere og metallkontakter deponeres. Definert av maske.

Utetsing av membranene:

Baksideoksydet åpnes. Definert med maske.

Grovetsing av silisium-substratet definert av en oksydmaske og substratets krystallretning. I samme trinn

inngår også 'finetsing', som gjøres med et p-n stopp. Utførelsen av de enkelte trinnene vil være nærliggende for en fagmann på området, og vil ikke bli nærmere beskrevet her.

Figur 4A og 4B viser et tverrsnitt av en utførelse av oppfinnelsen tilsvarende den som er vist i figur 3A, under påtrykking av forskjellig trykk. Den første og den andre membranen 1,2 bøyes i et første og et andre område 21,22 ved påtrykning av forskjellige trykk.

I figur 4A er det påtrykt et relativt lavt trykk oven-fra, slik at den stivere, første membranen 1 bøyes lite. Den andre membranen 2 bøyes imidlertid med en maksimal krumning i det andre område 22. I dette andre området vil det være fordelaktig å plassere følere.

En tilsvarende krumning oppnås nærmere den sentrale membrandelen 4, og det vil være mulig å plassere følere også i dette området. Imidlertid vil problemer med å plassere elektriske ledere på den tynne membrandelen 2, med de resul-terende endringene i membranens stivhet, gjøre denne løsning-en lite ønskelig. I tillegg vil nærheten til membranenes sentrum gi redusert nøyaktighet, siden strekket i materialet over det området som blir dekket av hver føler vil ha større spredning med hensyn til retning.

Figur 4B viser sensorelementet med et relativt høyt påtrykt trykk, der den stive, første membranen 1 bøyes i et første område 21 nær rammen, der følere med fordel kan plasseres. Det tidligere bøyde, andre området 22 på den andre membranen 2 har imidlertid rettet seg ut og er utsatt for et rent strekk. Siden strekket gir en mer homogen belastning av materialet vil membranen kunne utsettes for et større trykk enn det som ville vært tilfelle dersom den tynne membranen 2 var oppspent direkte på en ramme.

Følere plassert i det andre området 22 på den andre, tynne membranen vil miste følsomhet når bøyningen går over til strekk. Følerne plassert på den tykke membranen vil imidlertid fortsatt måle en bøyning i det første området 21. Dette er illustrert i figur 5. Figur 5 illustrerer forholdet mellom påført trykk P og det målte strekket St, henholdsvis signalet Si fra følerne, begge aksene i logaritmisk skala. Kurvene angir simulerte verdier, og skal derfor bare forståes som en illustrasjon av mulige måleverdier.

Kurven markert som 0 viser det målte strekket i de første følerne: (11,13 i figur 1 og 2) . Ved lave trykk gir de første følerne et signal som ligger under den laveste målbare verdien D, men har et relativt lineært forløp ved økende trykk opp til bruddpunktet F, som angir den største belastningen sensorelementet tåler.

Kurven merket som I gir målbare verdier for lavere trykk, men får et ulineært forløp når bøyningen går over til strekk, i dette tilfellet ved et trykk P på ca IO<3>Pa. Dette kan oppfattes som at føleren, når membranen retter seg ut i overgangen bøyning til strekk, trekker seg sammen eller slutter å utvide seg i samme grad som trykket skulle tilsi.

Ved hjelp av sensorelementet ifølge oppfinnelsen oppnås dermed et øket måleområde i forhold til kjente membraner. Man oppnår også en kombinasjon av høy følsomhet for lave trykk, med en bruddfasthet forbundet med stivere og mer robuste sensorer.

I tillegg til silisium kan membranen være konstruert av en rekke materialer, f.eks. stål. For en stålmembran vil det være naturlig å måle tøyningene ved hjelp av påmonterte strekklapper. Disse kan monteres i balanserte helbroer ved at to av strekklappene i hver bro monteres på undersiden, mens de andre to monteres på oversiden. Bøyespenningene vil da gi like mye strekk på den ene siden som de gir kompresjon på den andre.

Claims (11)

1. Sensorelement, særlig for trykksensorer, omfattende en første bøyelig membran montert i en stiv ramme, hvilken membran står i trykkmessig kommunikasjon med to volumer mellom hvilke en trykkforskjell skal måles,karakterisert vedat det omfatter minst én andre bøyelig membran omsluttet av den første membranen og i trykkmessig kommunikasjon med de samme volumene, der den andre membranen i det minste ved overgangsområdet mellom den første og den andre membranen har en stivhet som er mindre enn den første membranens stivhet.

2. Sensorelement ifølge krav 1, karakterisert vedat et antall følere er montert i minst én av overgangssonene mellom rammen og den første membranen, eller mellom den første og den andre membranen, hvilke følere er forsynt med ledningstilknytninger innrettet til kobling til en måleinnretning for måling av deformasjoner i den aktuelle sonen basert på signalet fra følerne.

3. Sensorelement ifølge krav 1, karakterisert vedat den andre membranen omfatter felt med øket stivhet som er adskilt fra den første membranen.

4. Sensorelement ifølge krav 1 eller 3,karakterisert vedat det er utformet i silisium, og der forskjellene i stivhet er frembragt ved forskjeller i membranenes tykkelse.

5. Sensorelement ifølge krav 2, karakterisert vedat følerne består av piezoresistive elementer.

6. Sensorelement ifølge krav 5, karakt eirisert ved at halvparten av de piezoresistive elementene har en orientering i det vesentlige parallelt med membrankantene og de øvrige har en orientering i det vesentlige perpendikulært på disse.

7. Sensorelement ifølge krav 6,karakterisert vedat de piezoresistive elementene er koblet sammen i en balansert bro-kobling.

8. Sensorelement ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat minst én av membranene er rektangulær, og fortrinnsvis kvadratisk.

9. Sensorelement ifølge et av kravene 1-6,karakterisert vedat minst én av membranene er sirkulær.

10. Sensorelement ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat membranene er symmetriske om en akse.

11. Trykkmåler omfattende et sensorelement slik som angitt i et av de foregående krav, og omfattende et volum med et i det vesentlige stabilt trykk, utgjørende et av de nevnte volumene, karakterisert vedat den omfatter midler for måling av bøyningen til membranene som respons på trykkdifferansen mellom de to volumene.