NO852284L - Kapasitiv trykkfoeler. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse omfatter en kapasitiv trykkføler i samsvar med den innledende del av det etter-følgende krav 1. Oppfinnelsen omfatter videre en fremgangsmåte for fremstilling av en slik trykkføler.

Når det gjelder tidligere kjent teknologi, skal det henvises til følgende dokumenter: {1} C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, IEEE

Transactions on Electron Devices Vol ED-27

(1980) No. 5, pp. 927-930

{2} US patentskrift nr. 4 261 086

{3} US patentskrift nr. 4 386 453

{4} US patentskrift nr. 4 384 899

{5;} US patentskrift nr. 4 405 970

{6 } US patentskrift nr. 3 397 278

I det refererte dokument {l } blir beskrevet en kapasitiv føler for absolutt trykk bestående av et elastisk • silisiumelement og en glassplate sammenføyet ved hjelp av en metode beskrevet i referanse {6). Mellom det elastiske element og glassplaten befinner det seg et hulrom som tjener som trykk føle rens vakuum-kapsling. Mellom det elastiske element og en metallfilm på glassplaten dannes en kondensator som er avhengig av det påtrykte trykk. Elektrisk forbindelse til metallfilmen på glassplaten oppnås fra trykkfølerens utside ved en leder som på forhånd er innstøpt i silisiumet ved hjelp av diffusjonsteknikk og som således har en lednings-evne som adskiller seg fra ledningsevnen for det elastiske element. En vesentlig ulempe ved denne føler er den høye og meget temperaturavhengige fordelte kapasitet som dannes mellom den diffunderte leder og det elastiske element og som kommer inn på siden av følerens trykkavhengige kapasitet.

Ved dette reduseres følerens dynamiske omfang og temperaturavhengigheten økes.

I de refererte publikasjoner {2.}, {3} og {4} beskrives en trykkføler med en liknende konstruksjon som den nylig omtalte. Tilkoplingen er imidlertid forskjellig og foregår gjennom et hull som er boret i glasset og hvor glasset har en metallbelagt innerside.' Dette hull er lukket ved at smeltet metall (loddetinn) er tilført. Tilkoplingen har ingen parasittære ulemper, men forsegling av hullene er derimot

vanskelig å utføre praktisk i masseproduksjon.

I referansen {5} beskrives en føler hvor støtte-platene av silisium og det elastiske element på en måte er "limt" sammen ved hjelp av en tynn glassfilm som er påsprøytet eller dannet ved vakuum-pådamping. Kondensatorens plateav-stand blir derved bestemt ved glassfilmens tykkelse. Det er en stor fordel ved denne konstruksjon at produksjonsmaterial-et hovedsakelig består av silisium. Dette sikrer en god temperaturstabilitet, men spredekapasitetene som oppstår i forbindelse med glassammenføyningen ødelegger delvis følerens egenskaper. Ved hjelp av disse nevnte fremgangsmåter kan glasstykkelsen maksimalt være 10 ym, med en .kapasitet som tilsvarer et luftgap på 2 pm. Således dominerer sammen-føyningssonens rolle i følerens totale kapasitet, såfremt følerens areal ikke er meget stort.

I den refererte publikasjon {5} beskrives videre en konstruksjon hvor en høy glassvegg skiller de omtalte to ; silisiumplater. I dette tilfelle vil man ikke ha sprede-kapasitet, men kondensatorens luftgapnøyaktighet vil derimot være meget dårlig.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å eliminere de omtalte ulemper innenfor den kjente teknologi som definert fra det ovenstående og å fremskaffe en kapasitiv trykkføler av en helt ny type såvel som en fremgangsmåte for å produsere denne.

Oppfinnelsen baserer seg på den grunntanke at et sjikt med et isolerende materiale, dvs. glass, smeltes eller støpes på et substrat av maskinerbart og ledende materiale, dvs. silisium. Derved oppnås at tykkelsen på isolasjonssjiktet er større på utsparinger i substratet enn på dettes andre partier. Når isolasjonssjiktet (og delvis substratet selv) slipes slik at de øverste partier av det omrammende sjikt og de .gjenstående partier av isolasjonssjiktet danner en jevn, plan overflate, lages en elektrisk gjennomføring fra substrat-sjiktets bunnside til dets øverste side og som øverst omgis av et isolerende sjik. Ved hjelp av denne elektriske gjennom-føring er det mulig å lage en mekanisk gjennomgående åpning ved å bore et hull gjennom den elektriske gjennomføring.

Oppfinnelsen kjennetegnes ved de trekk som frem-går av det etterfølgende krav l's karakteriserende del og hvor de underordnede krav omfatter fremgangsmåten for å produsere denne trykkføler. Fordelene med oppfinnelsen er: For det første oppnås en konstruksjon hvor de parasittære kapasiteter mellom det elastiske element og silisiumdelen av substratet er langt lavere enn følerkapasi-teten. Dessuten er temperaturavhengigheten for disse parasittære kapasiteter lav.

For det andre oppnås en konstruksjon som er hermetisk lukket og hvis deformasjoner som følge av temperaturvariasjoner er små.

For det tredje karakteriseres konstruksjonen ved at avstanden mellom kondensatorplatene, noen få ym, bestem-mes ut fra det elastiske element og således kan fastlegges meget nøyaktig.

For det fjerde er det et karakteristisk trekk ved konstruksjonen at den kondensatorplate som ligger nær-mest substratet befinner seg elektrisk på utsiden av vakuum-kammeret uten noen tilleggs-anordninger.

For det femte oppnås en konstruksjon som er meget vel egnet for masseproduksjon.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i detalj

i det følgende ved hjelp et eksempel på utførelse i samsvar med de ledsagende skisser.

Fig. 1 viser et tverrsnitt av et rent substrat at et maskinerbart, ledende materiale. Fig. 2 viser en oppbygning i samsvar med fig. 1 og på hvilken et sjikt av isolerende materiale er påstøpt. Fig. 3 viser en oppbygning i samsvar med fig. 2 etter at dens øverste flate er plan-slipt. Fig. 4 viser en oppbygning ifølge fig. 3 hvor en kapsling laget av et maskinerbart materiale er hermetisk pålagt. Fig. 5 viser en oppbygning i samsvar med fig. 3 hvor en mekanisk gjennomgående åpning har blitt boret gjennom oppbygningens fullt ledende parti.

Substratets silisiumdel 1 er laget av en silisium-skive som har en typisk tykkelse på 1,3 mm. Skivens øvrige dimensjoner kan typisk være 5x6 mm . Fordypningen 5 lages ved hjelp av kjent mikroteknikk for silisium til en dybde av ca. 200 ym. Flateinnholdet av den mesa-formede sone 6 som gjenstår i midten er omkring 5 mm 2 og danner en av følerens kondensatorplater. Det elastiske element 3 følsomt for trykk danner den andre kondensatorplate. Denne må sammenføyes med substratet på en hermetisk måte, men samtidig isoleres elektrisk fra denne. For dette formål er et glassjikt 2 med ca. 300 ym tykkelse smeltet på silisiumdelen 1 som vist på fig. 2. Det er valgt en glasstype hvis termiske utvidelses-koeffisient ligger nær silisiumets og deformasjoner av det ferdige substrat som følge av temperaturvariasjoner holdes derved på et minimum. Glassets dielektrisitetskonstant bør også være relativt uavhengig av temperaturen. Eksempler på slike glass er Corning 7740, 7070 og Schott 8248. Etter på-smeltingen slipes glasset ned til nivået A, hvorved mesa-strukturenes 6 øvre flater eller platåer avdekkes. Ved denne slipeprosess blir overflaten så fint polert at det elastiske element 4 kan festes til glasset 2' ved anodisk binding. De elektriske forbindelser tilknyttes det elastiske element 3 og substratet 1, 2' ved hjelp av i og for seg kjente metoder. Oppfinnelsen som sådan er således egnet for absolutt trykkbestemmelse og for differensiell trykkbestemmelse hvis et hull 4 bores i støtteplaten slik som vist på fig. 5.

Substratet 1, 2' kan utformes ved avsaging fra en større plate som er fremstilt på den ovenfor beskrevne måte og som har en diameter på f.eks. 76 mm. Silisiumflåtene på den slipte overflate A kan påføres metall ved allerede kjent teknikk for det formål å feste ytre elektriske ledere på passende steder. Hullet 4 kan etses fra undersiden eller fra oversiden og dets diameter kan være fra 10 til 300 ym avhengig av behovet, og størrelsen av platået på mesa-partiet 6 er i eksempelet omkring 2x2 mm.

Materialet for føleren er fortrinnsvis silisium og borsilikatglass. Konstruksjonen er slik at de platene som utgjør kondensatoren følsom for trykk befinner seg på innersiden av en vakuumkapsling og er ikke i kontakt med det medium som skal måles.

Takket være substratets oppbygning kan kapasiteten av den kondensator som dannes mellom platene på innersiden av vakuumkapslingen måles fra følerens utside. Derved kan temperaturavhengigheten for følerens kapasitet holdes lav.

Det er videre innenfor rammen av oppfinnelsen mulig å tenke seg løsninger som avviker fra det ovenfor beskrevne eksempel på utførelse. Således vil det om nødvendig være mulig å pålegge et isolasjonssjikt (ikke vist)ved på-sprøyting eller pådamping på substratet for å hindre uønskede kjemiske reaksjoner mellom det materiale som skal påstøpes og selve substratet. Dersom slike reaksjoner får forekomme, vil f.eks. blærer kunne dannes i det materiale som blir på-støpt. Isolasjonssjiktet kan fortrinnsvis være et sjikt av SiC>2eller Si^N^med en tykkelse i størrelsesordenen 10 til 100 nm. Dette sjikt blir da naturligvis avslipt fra de steder hvor man ønsker elektrisk gjennomføring.

Claims (8)

1. Kapasitiv trykkføler omfattende et substrat (1) laget av et elektrisk ledende materiale og med en øvre overflate omfattende en første kondensatorskive (6'), et elektrisk ledende sjikt (2') med en øvre overflate og som omslutter den første kondensatorskive (6 <1> )/ et elektrisk ledende elastisk flatt element (3) hermetisk sammenføyet med det elektrisk ledende sjikts (2') øvre overflate og som omfatter en andre kondensatorskive slik at det dannes et kammer mellom den første (6) og den andre kondensatorskive, karakterisert ved at det elektrisk ledende sjikt (2') er dannet i en første fordypning (5) utført i substratet (1) slik at dettes øvre overflater og sjiktet (2 <1> ) hovedsakelig blir liggende i samme plan og at kammeret hovedsakelig formes som en andre fordypning i den av det plane elements (3) sider.som vender mot den første kondensatorskive (6 <1> ).

2. Fremgangsmåte for å fremstille en kapasitiv trykk-føler med et elektrisk ledende substrat (1), et elektrisk ledende plant element (3) som befinner seg i en avstand fra substratet og. et elektrisk ledende sjikt (2') hermetisk sammenfø yet med substratet (1) og elementet (3) slik at det dannes et kapasitivt kammer mellom substratet (1) og elementet (3), karakterisert ved maskinbearbeiding av i det minste en fordypning (5) i substratets (1) ene side, påføring av et sjikt (2) av elektrisk isolerende materiale i smeltet tilstand på substratets (1) bearbeidete side slik at sjiktet (2) dekker denne substratsiden, at sjiktet (2) gis mulighet for å herdes, og at det blir fjernet materiale fra oppbygningens overflate slik at det oppnås en hovedsakelig plan overflate med i det minste et ledende mesa-parti (6) i substratet (1) og som omgis i det minste^t isolerende sjiktparti (2').

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at substratet (1) som bearbeides består av silisium.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det isolerende materiale (2) er glass.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at sjiktet (2) av isolerende materiale er på-støpt på den bearbeidete side av substratet (1).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at sjiktet (2) av isolerende materiale er smeltet på den bearbeidete side av substratet (1).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at sjiktet (2) av isolerende materiale dekker substratet (1) fullstendig.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at en mekanisk gjennomgående åpning (4) er ut-ført ved mekanisk bearbeiding, dvs. etsing, gjennom det mesa-formede parti (6').