NO854029L - Transduser for absolutt trykk. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en kapasitiv transduser for absolutt trykk ifølge innledningen i krav 1.

For tidligere kjent teknologi kan det vises til følgende publikasjoner: (1) C.S. Sander, J.W. Knutti, J.D. Meindl, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol ED-27

(1980) No. 5 pp. 927 930

Publikasjon (1) viser en kapasitiv transduser for absolutt trykk som omfatter et elastisk element av silikon og et glass-substrat, bundet til bruk av fremgangsmåten beskrevet i referanse (6). Rommet som er igjen mellom det elastiske element og glass-substratet virker som vakuumkammeret for transduseren. En trykkfølsom kapasitans er dannet mellom det elastiske element og metallfilmen på glass-substratet.

Den elektriske forbindelse med metallfilmen på glass-substratet er dannet av en diffus leder på silikonet, som anvender forskjellige typer ledende materiale. Den største ulempe med transduseren er den store og sterkt temperaturavhengige kapasitans med sperreområdet som er forbundet i parallell med transduserens trykkfølsomme kapasitans. Dette avtar det relative dynamiske område for transduseren ogøker dens tempera-tur avhengighet.

Referansene (2), (3) og (4) beskriver andre utførel-ser av trykktransduser, i prinsippet analoge med den beskrevet ovenfor. Ledningsgjennomgangen er forskjellig. Den er utført med et boret hull i glass-substratet, innvendig metall-belagt og hermetisk forseglet ved fylling med smeltet metall (loddemetall). Gjennomgangen fremviser ingen parasittiske kapasitanser. Forsegling av hullene i masseproduksjon er imidlertid noe besværlig.

Referanse (5) beskriver en transduser i hvilken silikonsubstratet og det elastiske element er bundet med en tynn glassfilm, produsert ved påspruting eller vakuumfordamp-ning. Glassfilmtykkelsen styrer også mellomrommet mellom kondensatorelektrodene. Fordelen med denne oppbygging er at produksjonsmaterialet nesten bare er av silikon. Dette sikrer gode temperaturstabilitets-egenskaper. Imidlertid svekker de parasitiske kapasitanser forbundet med glass forseglingen ut-førelsen av transduseren. I fremgangsmåtene referert til ovenfor, kan glass-substrattykkelsen være maksimalt 10^m som ved sin kapasitans svarer til en luftdielektrisk kondensator med 2 elektrodeavstand. Følgelig er størrelsen av forseglingsarealet dominerende for transduserkapasitansen med mindre transduserarealet er meget stort.

Referanse (5) beskriver også en oppbygging i hvilken en høy glassvegg adskiller de to silikonkomponenter nevnt ovenfor. Denne anordning unngår problemet med den parasitiske kapasitans. På den annen side vil størrelsestoleransen for kondensatorluftgapet være dårlig.

For fremgangsmåten med binding av silikon og glass-elementer refereres til publikasjon (6). Teknologien fra kjent teknikk for fremstilling av elastiske elementer er beskrevet i referanse (7).

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å over-vinne ulempene som er støtt på i den kjente teknikks teknologi beskrevet ovenfor og å tilveiebringe en ny type kapasitiv transduser for absolutt trykk. Silikon og borsilikatglass anvendes fortrinnsvis som fremstillingsmaterialer for transduseren. Transduseroppbyggingen er slik at elektrodene for den trykkfølsomme kondensator er opptatt i et vakuumkammer, beskyttet mot berøring med det trykksignalutøvende medium. Oppbyggingen tillater at kapasitansen mellom kondensatorpla-tene innenfor vakuumkammeret kan måles på utsiden av transduseren .

Transduseren ifølge oppfinnelsen er basert på føl-gende ideer: - I en kapasitiv trykktransduser dannes den trykk-følsomme•kapasitans mellom et elastisk element, produsert av silikon, og en metallfilm på et substrat.

Rommet mellom platene på den trykkfølsomme kondensator er dannet av en vollgrav' eller brønn, produsert enten i det elastiske element eller substratet.

Et kammer er dannet mellom substratet og det elastiske element, fylt på forseglingsstadiet med det ønskede referansetrykk eller vakuum; idet den trykk-følsomme kondensator er oppbygget på innsiden av dette kammer.

Substratet er oppbygget ved laminering av en tynnere

glassplate og en tykkere silikonskive.

Glassplatedelen av substratet opptar innenfor vakuum-kammerområdet en brønn eller et hull som stikker gjennom glassplaten og er i det minste delvis dekket av metallfilmen som danner den andre elektrode av kondensatoren, eller av dens forlengelse, slik at den forannevnte metallfilm danner en elektrisk kontakt med silikondelen av substratet via forannevnte brønn eller hull.

En metallfilm er dannet på substratet i form av en lukket ring eller et lignende nesten lukket forløp som adskiller det elastiske element på substratet og områder forbundet med det på substratet fra disse ledende områder på substratet som er i kontakt med substratets glassplatedel.

Silikonskilleveggen av det elastiske element, bøyd av det påførte trykksignal, har form av en ring, og silikonoppbygningen som forblir innenfor ringen har vesentlig den samme tykkelse som silikonskiven an-vendt i prosessen og er minst fem ganger så tykk som den fleksible silikonskilleveggdel.

Nærmere bestemt er trykktransduseren ifølge oppfinnelsenkarakterisert veddet som er meddelt i den karakteri-serende del av krav 1.

Ved hjelp av oppfinnelsen oppnås vesentlige fordeler. Den elektriske kontakt med kondensatorplaten innenfor vakuumkammeret er derfor slik at følgende ulemper unngås: parasitisk pn forbindelse (jf. referanse (1)), besværlig fylling av hull (referanse (2), (3), (4)), høy parallell kapasitans via berøringsområdet

(referanse (5)), og

problemer som oppstår fra forskjellige temperatur-utvidelseskoeffisienter for materialer da substratet er nesten helt av det samme materiale som det elastiske element (jf. referanser (1) (4)).

Den elastiske elementoppbygging oppnår følgende karakteristikker:

høy følsomhet,

god I/C linearitet, og

frihet fra temperaturavhengig bøyningsbelastning

da sentraldelen av elementet kan formes tilstrekke-lig tykt og stivt sammenlignet med den fleksible del.

Tilsvarende tilveiebringer de produserte områder som anvender en metallfilm følgende fordeler: forhindring av overflatelekkasjestrømmer på glass platen fra å få innflytelse på måleresultatene (lekkasjestrømmer er et problem særlig ved forhold der den relative omgivelsesfuktighet overskrider 50%), og

muligheten for plassering av alle transduserens ledere på en overflate i det samme plan.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvis-ning til tegningene, der fig. IA og IB er snittriss av en utførelsesform av transduseren ifølge oppfinnelsen sett hen-holdsvis fra siden og ovenfra, fig. 2 er et snittriss av en annen utførelsesform av transduseren sett fra siden, fig. 3 er et snittriss av en tredje utførelsesform av transduseren sett fra siden, fig. 4A og 4B viser et snittriss sett fra siden av en fjerde utførelsesform av transduseren, fig. 5 er et snittriss av en femte utførelsesform av transduseren sett fra siden, fig. 6 er et snittriss av en sjette utførelsesform av transduseren sett fra siden.

Transduseren ifølge fig. IA og IB omfatter to grunn-deler: et elastisk element 1 og et substrat 2.

Det elastiske element 1 er produsert ved kjemiske fremgangsmåter (referanse (7)) fra en silikonskive, skåret i

<100> planet fra et enkelt silikonkrystall. Silikonskiven 1

er etset på begge sider for å danne brønner 3 og 4, som er omgitt av et krageavsnitt 18. Brønnen 3 har en dybde på 1-10 /*m, og danner luftgapet og vakuumkammer for en trykkfølsom kondensator. Brønnen 4, etset på den andre side av silikonskiven, er typisk mye dypere (200 - 400 ju m) . I spesielle tilfeller (for måling av et ekstremt høyt trykk), kan brønnen 4 være grunnere eller utelates. Mellom brønnene 3 og 4 forblir det ved prosessen en silikonskillevegg 5, med en tykkelse på 10 - 400/cm, i samsvar med transduserens trykkområde. Silikonskilleveggen 5 bøyes når en trykkdifferanse er fremherskende mellom begge sider. Den elastiske elementstørrelse er typisk 2x2 til 10 x 10 mm 2.

Det elastiske element 1 er bundet til substratet 2

på siden av brønnen 3 ved anvendelse av en fremgangsmåte beskrevet i referanse (6). Bindingen er beliggende i et for-seglingsområde 6 som forsegler et hermetisk kammer 7, avgrenset av brønnen 3 og substratet 2. Dersom delene er bundet i et vakuum, vil kammeret 7 danne et vakuumkammer i transduseren og transduseren vil operere som en transduser for absolutt trykk.

Substratet 2 er fremstilt ved laminering av en silikonskive 8 og en glassplate 9. Den foretrukne tykkelse for silikonskiven er 300 - 1000 jUm og for glassplaten 100 -

500ftm. skiven 8 og palten 9 er bundet ved anvendelse av den elektrostatiske fremgangsmåte beskrevet i referanse 6. Materialet i glassplaten 9 er fortrinnsvis av alkaliborsili-katglass (handelsvarenavn Corning Glass 7070 og Schott 8284) med en temperaturutvidelsesfaktor nær den for silikon og som viser god dielektrisk karakteristikk (lite tap og tempe-raturkoeffisient av dielektrisitetsfaktor). Minst én side av silikonskiven som vender mot glassplaten er lakkert meget ledende.

Et ledende areal 10, bestående av en tynn metallfilm, er dannet på glassplateoverflaten 9 av substratet 2. Området er beliggende innenfor området grensende til forseglingsarealet 6. Dets form kan være rettvinklet, rund, mangekantet eller lignende. Diameteren av det ledende areal 10 er typisk 1-5 mm. Det ledende areal 10 danner den andre elektrode av den trykkfølsomme kondensator.

Arealet begrenset av forseglingsarealet 6 omfatter en brønn 11, fremstilt på substratet 2 og strekker seg gjennom glassplaten 9 opp til silikonskiven 8. En del av den ledende metallfilm 10 er beliggende over arealet for brønnen 11, tilpassende dens overflate. På bunnen av brønnen 11, i punkt 12, berører metallfilmen 10 silikonskiven 8 for å danne en elektrisk ledende vei. Brønnen 11 kan fremstilles ved boring, sliping, saging, sandblåsesliping, lasermaskinering, kjemisk maskinering eller en lignende fremgangsmåte kjent i teknikken. Brønnformen kan være rund/spissformet, avlang/slissformet, lukket ringformet, osv., omliggende det ledende areal 10 fra alle sider. Brønndiameteren (bredden) kan være 100 - 1000 / ira.

Et ledende areal 13 av tynn metallfilm er fremstilt delvis innenfor forseglingsarealet 6, delvis utenfor den, på overflaten av substratet 2. Det ledende areal 13 lager en elektrisk kontakt med det elastiske silikonelement innenfor forseglingsarealet 6 uten å strekke seg over forseglingsarealet 6 til arealet for vakuumkammeret 7. Hoveddelen av det ledende areal 13 faller på utsiden av forseglingsarealet 6. Lederen for feste av transduserelektroden til målelektro-nikken er bundet til arealet 13. Lederstørrelsen kan variere mellom 0,1 x 0,1 mm 2 til 2x2 mm 2, avhengig av den bindende fremgangsmåte.

På overflaten av substratet 2 er det også fremstilt

et ledende areal 14 av tynn metallfilm, hvilken som en lukket ring innelukker det elastiske element 1 og det ledende areal 13. Arealet 14 opptar en bredere del 14b for binding av en leder på en måte beskrevet ovenfor for arealet 13. Formålet med det ledende areal 14 er å forhindre elektriske lekkasje-strømmer mellom transduserens virksomme terminaler tvers over overflaten og over kantene av glassplaten 9 mellom det elastiske element 1 og silikonsubstratet 8. Når arealet 14

er jordet, føres lekkasjestrømmene fra transduserens virksomme terminaler til jordterminalen.

Dessuten er det fremstilt et ledende areal 15 på overflaten av substratet. I tillegg til den forannevnte brønn 11, har arealet 15 en lignende brønn 16, som strekker seg gjennom glassplaten 9 opp til silikonskiven 8. Metallfilmen 15 passerer tilpassende over overflaten av brønnen 16

lager en elektrisk kontakt med silikonskiven 8 på punkt 17.

På den måten dannes en elektrisk vei mellom metallfilmene 10 og 15 via silikonskiven 8. Detaljene ved fremstilling, form og dimensjoner av brønnen 16 er like med de beskrevet for brønnen 11. Formen av arealet 15 er slik det i det minste delvis dekker brønnen 16 og i tillegg tilveiebringer et underlag for binding av en leder på den samme måte som for arealene 13 og 15.

Innenfor rammen for oppfinnelsen kan andre utførelses-former, forskjellig fra disse vist på fig. IA og IB, også være mulig.

Fig. 2, 3, 4A, 4B og 5 viser slike utførelsesformer som kan overveies for det elastiske element (dvs. delen av-bøyet av trykket og støtteoppbyggingene umiddelbart forbundet med det) for en transduser ifølge den foreliggende oppfinnelse. Alternativene 2 og 3 er konvensjonelle hva angår det elastiske element, og de er allerede beskrevet i referanser (1) - (4). Delnummereringen er delvis lik med num-mereringen på fig. IA, IB.

Oppbyggingene vist på fig. 4A, 4B og 5 er mer kompli-sert å fremstille, og deres størrelse vil bli større enn den vist på fig. 2 og 3. Imidlertid fremviser disse utfør-elsesformer noen fordeler, såsom: mer enn to ganger trykk-følsomhet for kapasitans med de samme grunndimensjoner og fremstillingstoleranser, og bedre enn ti ganger forbedring 1 ulineær feil, sammenlignet med oppbyggingene vist på fig.

2 og 3.

Det elastiske element vist på fig. 4A, 4B er fremstilt ved anvendelse av de kjemiske fremstillingsmetoder beskrevet i referanse 7, eller en lignende metode. Grunnmaterialet er en silikonskive 1 med en tykkelse på 0,2 - 1 mm. Ved anvendelse av fotolitografiske fremgangsmåter, er et areal 19 avgrenset på sin ene overflate og etset til en ønsket dybde. Dybden av det etsede areal 19 bestemmer av-standen mellom kondensatorelektrodene. Igjen ved anvendelse av fotolitografi, på den andre side av silikonskiven 1 av-grenses et ringformet areal 20 som også er etset til en ønsket dybde. Mellom bunnene av arealene 19 og 20 er det igjen en silikonskillevegg 21, med en tykkelse på maksimalt en femtedel av tykkelsen av grunnmaterialet. Silikonskilleveggen 21 er ringformet. I dens senter forblir et areal 22 med en tykkelse lik den for silikonskiven 18 og en stivhet på minst 100 ganger sammenlignet med den for silikonskilleveggen 21. Bredden av arealet 22 er i størrelsesordenen 0,5 - 5 mm. Bredden av ringen 20 (silikonskillevegg 21) er i størrelsesordenen 0,2-2 mm. Silikonskilleveggen 21 bøyes når en trykkdifferanse påføres mellom overflatene av silikonskiven 1. Den faste silikondel 22 vil ikke bøyes men i steden-for bevege seg udeformert med bøyningen av silikonskilleveggen 21.

Det elastiske element vist på fig. 5 er i sin oppbygging nesten identisk med det vist på fig. 4. Den eneste forskjell er at arealet som avgrenser kondensatorluftgapet 19 er formet på den samme overflate av silikonskiven 1 som det ringformede areal 20. Den andre overflate av silikonskilleveggen 21 formes så av den originale overflate av silikonskiven 1. Bindingen av det elastiske element til substratet 23 gjøres fra den motsatte side av silikonskiven 1, sammenlignet med oppbyggingen vist på fig. 4A, 4B.

De elastiske elementer vist på fig. 2, 3, 4A, 4B og

5 kan også bindes til substratet 2 ifølge fig. 6 slik at kondensatorelektrode-mellomrommet bestemmes av en etset brønn 24 på glassplaten 23.

Claims (12)

1. Transduser for absolutt trykk omfattende en fundamentplate (9) av et isolerende materiale, f.eks. glass, en fast kondensatorelektrode (10) anbragt på fundamentplaten, en bevegelig kondensatorelektrode-skillevegg (5, 21) av silikon, i det minste delvis på linje med den faste kondensatorelektrode (10), og anbragt med mellomrom fra den slik at det dannes et hermetisk forseglet kammer (7) mellom den faste elektrode (10) og den bevegelige skilleveggelektrode (5, 21), og elektriske kontakter (12 og 13) festet til den faste elektrode (10) henholdvis bevegelige skilleveggelektrode (5), karakterisert ved at fundamentplaten (9) er bundet med en ledende materialskive (8) for å oppnå et laminert substrat (2), kondensatorens skilleveggelektrode (5) er vesentlig en oppbygging i ett stykke med den omliggende og vesentlig tykkere kragedel (18), og at den elektriske vei til den faste kondensatorelektrode (10) i området for vakuumkammeret (7) er dannet av en gjennomgang (11, 12) som gjennomtrenger fundamentplaten (9) til den ledende skive (8).

2. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at den ledende skive (8) er av silikon og vesentlig tykkere enn fundamentplaten (9).

3. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at kragedelen (18) strekker seg fra den bevegelige skilleveggelektrode (5) av kondensatoren mot fundamentplaten (9) (fig. IA, 2, 3, 4A, 5).

4. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at kragedelen (18) strekker seg utover fra den bevegelige skilleveggelektrode (5) av kondensatoren slik at den ytre overflate av skilleveggen (5) og den indre overflate av kragedelen (18) avgrenser et brønn-formet rom (4) (fig. IA, 3).

5. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at kragedelen (18) strekker seg både utover og innover fra den bevegelige skilleveggelektrode (5) (fig. IA, 3, 4A) .

6. Transduser ifølge krav 2, karakterisert ved at den bevegelige skilleveggelektrode (21) er tilveiebragt i dens sentrumsområde med en stiv del (22), vesentlig tykkere enn skilleveggdelen og omgitt av en ringformet brønn (20) (fig. 4A, 4B, 5, 6).

7. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at overflaten av fundamentplaten (9) som vender mot skilleveggelektroden (21) er tilveiebragt med en brønn (24) for å fullføre et vakuumkammer (fig, 6).

8. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at gjennomgangen for den elektriske kontakt er et konisk hull (11) gjennom fundamentplaten (9) avsmalnende mot skiven (8) og metallisert på sin overflate.

9. Transduser ifølge krav 8, karakterisert ved at metalliseringen av gjennomgangen (11, 12) er i ett med kondensatorens faste elektrode (10) .

10. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at den elektriske krets bestående av gjennomgangen (11, 12) mellom den faste kondensatorelektrode (10) og skiven (8) er supplert med en annen gjennomgang (16, 17), fullført med et ytre ledende areal (15) som passerer gjennom skiven (8) til vakuumkammeret (7).

11. Transduser ifølge krav 2, karakterisert ved at skivens (8) overflate som vender mot fundamentplaten (9) er lakkert sterkt ledende.

12. Transduser ifølge krav 2, karakterisert ved at fundamentplatens (9) overflate er forsynt med et omsluttende jordet metallfilmforløp (14) som, på avstand, helt omgir kragedelen (18) (fig. IB).