DE2248004A1 - Halbleiter-druckwandler - Google Patents
Halbleiter-druckwandlerInfo
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Description
H S*^ 8l-l9,458p(l9.459H) 29.9.1972
R ;:. QKETZ Jr.
BMQ n'ciion 22, Steinsdorfstr. 1β
HITACHI, LTD., Tokio (Japan)
Halbleiter-Druckwandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckwandler, der einen Eingangsdruck in eine Verformung und außerdem in ein
elektrisches Signal wandelt, das elektrische Signal verstärkt und als Ausgang das verstärkte elektrische Signal
liefert, insbesondere auf einen Wandler unter Verwendung eines Halbleiters für den Druck-Verformungs-Wandlerteil.
Bei einem bekannten Druckwandler müssen Zuführungsdrähte
mit einem Durchmesser von einigen Zehnern von Mikron mit den Anschlüssen der Verformungsmeßfühler im Wandler durch
Heißpreßbindung oder Ultraschallschweißen und dann mit den Anschlußstiften verbunden werden, die mit dem äußeren Kreis
zu verbinden sind. Ein solcher Verdrahtungsvorgang muß auf kleinem Raum durchgeführt werden und ist sehr schwierig.
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Veiter ist, da die einzelnen Teile äußerst klein sind,
eine besondere Fertigkeit beim Verdrahtungsvorgang erforderlich. Daher wird der fertige Wandler teuer, und dies mit
einer geringen Verläßlichkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Druckwandler
mit hoher Betriebswirksamkeit und Verläßlichkeit zu schaffen.
Um dies zu erreichen, werden die Anschlüsse der Diffusionstyp-Verformungsfühler
und die Spitzen der im Träger vorgesehenen Stifte im wesentlichen auf der gleichen Höhe
angeordnet. Es lassen sich zwei Arten von Diffusionstyp-Verformungsfühlern
vorschlagen; Eine Art ist ein P-Verformungsfühler, der in einer N-Unterlage gebildet ist, und die
andere Art ist ein N-Verformungsfühler, der in einer P-Unterlage
gebildet ist.
Der erste Typ hat ein besseres Verformungs-Widerstands-Verhalten
(die Linearität der Änderung des Widerstandes mit der erzeugten Verformung). Jedoch sind dabei» wenn der
Träger aus Metall besteht, die zwischen den P-Verformungsfühlern
und der N-Unterlage gebildeten PN-Übergänge vorwärts
durch eine Spannung vorgespannt, die an den mit den Verformungsfühlern verbundenen Zuführungsdrähten anliegt,
so daß sich keine ausreichende Isolierung erzielen läßt. Daher muß man, wenn eine N-Unterlage (d. h. eine Halbleitermembran
aus Silizium oder Germanium in dieser Erfindung) an einem Metallträger angebracht wird, ein Bindemittel mit guten
Isoliereigenschaften, wie z. Kunststoff oder Glas, verwenden.
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Die Schicht aus desa Kunststoff- oder Glasbindemittel
muß jedoch ziemlich dick sein, damit sich eine ausreichende Isolation ergibt, während die Verbindungskraft mit dem
Dickenanstieg sinkt.
Es ist daher ein zweites Ziel der Erfindung, solche Arten von Aufbau des Trägers und der Halbleitermembran vorzusehen,
die sowohl eine ausgezeichnete Isolation zwischen dem Träger und der Membran als auch einen wirksamen Verbindungsvorgang
der beiden Teile gewährleisten.
Um dieses zweite Ziel zu erreichen, ist es erforderlich9
eine N-SiIiziummembran mit darin enthaltenen P-Verformungsfühlern
an einem Siliziumträger, der einen PN~Übergarig enthält, mit einer eutektischen Au-Si-Legierung als Bindemittel
anzubringen» Hiermit lassen sich die Probleme der Eigenschaften und Isolierung gleichzeitig lösen.
Bei einem Wandler mit sehr kleinen Halbleiterteilen ist das Verfahren zum Schutz der Teile und der diese miteinander
verbindenden Zuführungsdrahte für die meisten Fehler
verantwortlich. Und wenn der Druckwandler mit dem Rohr . gekuppelt wird, durch welches ein zu messendes Fluid in den
Wandler eingeführt wird, verschiebt sich der Nullpunkt der Verformungsfühler etwas aufgrund der beim Kupplungsvorgjang
erzeugten Verformung.
Weiter hat der bekannte Druckwandler den Nachteil, daß die Zuführungsdrähte und verbundenen Teile durch mechanische
Stöße leicht brechen.
Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Be-
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seitigung dieses Nachteils und die Schaffung eines Halbleiter-Druckwandlers,
der gegenüber mechanischen Stößen stabil ist. Um dieses dritte Ziel zu erreichen, werden die Anschlüsse
der in der Siliziummembran vorgesehenen Verformungsfühler
so angeordnet, daß sie nach außerhalb des Lochs des Trägers herausragen, so daß die mit den Anschlüssen verbundenen ZufUhrungsdrähte
durch den angelegten Druck keine Verformung
erleiden.
erleiden.
Ein viertes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiter-Druckwandlers, der zum Messen sowohl des absoluten
als auch des Verformungsdrucks verwendbar ist« Um dieses
letzte Ziel der Erfindung zu erreichen, wird eine besondere Kammer vorgesehen, die sich evakuieren, hermetisch abdichten
und mit irgendeinem gegebenen Fluid füllen läßt.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert j darin
zeigen:
zeigen:
Fig. 1 einen bekannten Druckwandler im Längsschnitt;
Fig. 2 a und 2 b die beim Wandler nach Fig. 1 verwendete
Siliziummembran in vergrößertem Maßstab im Querschnitt und in der insicht;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Druckwandlers gemäß
der Erfindung im Längsschnitt;
Fig. 4 a, 4 b und 4 c die beim Wandler in Fig. 3 verwendete
Siliziummembran in vergrößertem Maßstab in Vorderansicht, im Querschnitt und in Hinteransicht
;
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Fig. 5 a und 5 b eine Siliziummembran als weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Vorderansicht und im Querschnitt.
Nach Fig. 1, 2a und 2b, die einen bekannten Druckwandler
und die darin verwendete Siliziummembran darstellen, umfaßt ein Flanschteil 1 mit einer Dr'uckaufnahme öffnung einen Träger
2, mit dem eine Siliziummembran 3 mittels eines schmelzbaren Materials h, wie zo B. Glas, verbunden ist. Zuführungsdrähte 5 verbinden Anschlußstifte 6 mit den Anschlüssen 13
von Verformungsfühlern 12, die in der Siliziummembran 3 vorgesehen
sind. Eine Kunstharzplatte 7 befestigt die Anschlußstifte 6 am Träger 2 und weist eine Bohrung in der Mitte auf,
durch welche hindurch die Verbindungsarbeit vorgenommen wird«
Ein Ring 8 dient zur Abdichtung des Trägers 2 und des Flanschteils 1. Ein Kompensationselement 9 ist in diesem ¥andler
enthalten, um die Kreise der Diffusionstyp-Verformungsfühler
12 zu kompensieren* Ein Kunstharzunterteil 11 verbindet starr die äußeren Zuführungsdrähte 10, das Kompensationselement 9
und die Anschlußstifte 6 zu einem einzigen Block. Die An-
>der
Schlüsse 13yVerformungsfühler 12 können aus einer aufgedampften
Schicht aus z. B. Aluminium bestehen. Der Leitungstyp des Körpers des Verformungsfühlers 12 ist dem der Unterlage
der Siliziummembran 3 entgegengesetzt gemacht, um eine Isolierung dazwischen zu gewährleisten. Bei dem vorstehend beschriebenen
Aufbau ändert ein angelegter.Druck den Widerstand des in der Siliziummembran vorgesehenen Verformungsfühlers aufgrund des Piezo-¥iderstandseffekts, so daß die
Stärke des angelegten Drucks durch Messen der Widerstandsänderung erfaßbar ist.
Jedoch müssen beim Aufbau des bekannten, in Fig. 1, 2a
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und 2b dargestellten Druckwandlers die Zuführungsdrähte 5»
die üblicherweise einen Durchmesser von einigen 10 Mikron aufweisen, mit den Anschlüssen 13 der Verformungsfühler 12
durch Heißpreßbindung oder Ultraschallschweißen und anschließend mit den Anschlußstiften 6 verbunden werden.
Eine solche Verdrahtungsarbeit muß innerhalb eines kleinen Raums durchgeführt werden und hat daher einen schlechten
Wirkungsgrad. Außerdem sind, wenn der Druckwandler aus Halbleitermaterial hergestellt wird, alle Teile üblicherweise
miniaturisiert. Dementsprechend wird die Verdrahtungsarbeit noch komplizierter, so daß die Schwierigkeit des Herstellverfahrens
nicht nur die Produktionskosten, sondern auch die Verläßlichkeit der erhaltenen Anordnung ungünstig beeinflußt»
Es soll nun auf die Figuren 3» ^a, ^b und kc eingegangen
werden, die einen Druckwandler als Ausgangsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt bzw. die darin verwendete Siliziummembran
mit darin enthaltenen Verformungsfühlern und der zugehörigen
Verdrahtung in Vorderansicht, im Querschnitt und in Hinteransicht zeigen. Gleiche Bezugsziffern in diesen
Figuren bezeichnen gleiche Teile oder Elemente wie in Fig. und 2. Nach Fig. 3 und 4 weist ein Flanschte^l 1 eine Bohrung
25 mit Innengewinde auf, in die ein (nicht dargestelltes)
Druckübertragungsrohr mit Außengewinde eingeschraubt wird. Eine Umfangsnut 3^ ist daran vorgesehen, um eine Verspannung
aufgrund der Deformation des Flanschteils 1 bei der Montage auf dem Druckübertragungsrohr zu absorbieren.
Der Flanschabschnitt 22 des Flanschteils 1 und das Gehäuse 26 des Wandlers sind längs einer Umfangsrippe 15 bogenverschweißt.
Eine Umfangsnut 14 am Flanschabschnitt 22 und eine Umfangsnut \6 am Gehäuse 26 sind vorgesehen, um eine Vor-
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2/οπή/
4 α U U £*>
spannung beim Schweißen zu absorbieren. Eine Abdichtungsmembran
19 ist zwischen dem Flanschabschnitt 22 und dem Wandlergehäuse 26 eingefügt und mit Bogenschweißen befestigt.
Eine Ölkatnmer 27» die von einem Membranträger 2 und der Abdichtungsmembran
19 gebildet wird, enthält Z0 B. Siliconeöl
in hermetischem Abschluß. Der Membranträger 2 weist in seiner Mitte eine Bohrung 31 auf, durch welche der Druck auf
eine Siliziummembran 3 übertragen wird, die so vorgesehen ist, daß sie die Bohrung 31 abdeckt. Stifte 6 sind an ihren
einen Enden im Träger 2 eingebettet» Der Träger 2 ist mit dem Gehäuse 26 längs eines kreisförmigen Vorsprungs 23 bogenverschweißt,
bei welchem Schweißvorgang nur eine geringe Wärmeenergie zu verwenden ist und sich eine Verspannung
aufgrund des Schweißens durch eine Nut 28 innerhalb des Vorsprungs 23 absorbieren läßt. Die Siliziumraembran 3 ist
am Membranträger 2z. B» mittels einer aufgeschmolzenen
Au-Si-Legierung fest angebracht. Die Anschlüsse 13 der in der Siliziummembran 3 enthaltenen Verformungsfühler 12 sind
mit den Stiften 6 durch Zuführungsdrähte 5. mittels Heißpreßverbindung
oder Ultraschallschweißung verbunden. Ein
Schweißstück 7' mit einer Nut 17 zur Absorption einer Verspannung
aufgrund des Schweißens ist mit dem Gehäuse 26 des' Wandlers verschweißt. Geschlitzte rohrförmige Buchsen 18,
die von dem Schweißstück 7' gehalten sind, nehmen an ihren einen Enden die Stifte 6 auf, die durch den Träger 2 an
ihrer Stelle gehalten werden. Die Kontaktoberflächen der Buchsen 18 und der Stifte 6 sind mit einem Goldfilm überzogen,
um den Kontaktwiderstand zu verringern, und können, wenn nötig., mit einer Lötmittelschicht überzogen sein, so
daß sich die Stifte 6 und die Buchsen 18 durch Erhitzung zusammenlöten lassen, nachdem sie miteinander in Eingriff
gebracht sind. Der Träger 2 und das Schweißstück 71 definie-
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ren eine Kammer 32, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht oder von dieser mittels einer Stahlkugel 20 im Verbindungskanal
getrennt wird, so daß sich der Wandler sowohl zum Messen des atmosphärischen als auch zum Messen
der absoluten Drücke verwenden laßt. Eine gedruckte Schaliungseinheit
2\ umfaßt ein Kompensationselement zur Kompensation
der Kreise der Verformungsfühler in der Siliziumrnembran
3 und einen Verstärkerkreis 9· Ein Aufsatzstück
ist mit dem Wandlergehäuse 26 längs einer Umfangsrippe 29
bogenverschweißt, um eine hermetische Schutzkammer 33 zum
Schutz der gedruckten Schaltungen gegenüber atmosphärischen Einflüssen zu bilden. Eine Abdichtungsplatte 2k legt Stifte
10 hermetisch fest, die in die Buchsen 18 eingeführt werden,
die vom Schweißstück 7' getragen und gehalten sind.
Nun wiiktein in den Flanschteil 1 eingeführter Druck
auf die Abdichtungsmembran 19 unter Steigerung des Drucks des Öls in der Öl kammer 27» so daß eine Verformung in der
Siliziummembran 3 erzeugt wird. Die erzeugte Verformung
wird in die Änderung des Widerstandes des in der Siliziummembran vorgesehenen VerformungsfUhlers gewandelt, durch
die Stifte 6, die Buchsen 18 und die Stifte 10 weitergeleitet
und den äußeren Anschlüssen in der Abdichtplatte 2k
zugeführt. Der Ddffusionstyp-Verformungsfühler ist mit den
gedruckten Schaltungseinheiten 21 gemäß der Schaltung der
Wlieatstone-Brücke verbunden, um die Aus gang seinpf indlichkei t
zu steigern, und die Brücke wird mittels des Kompensationselements ausbalanciert. Die Wdderstandsänderung wird dann
durch den Verstärker 9 in ein übliches elektrisches Signal
von 0 bis 16 mA ßcvande]t und den weiteren Stufen zugeführt.
Der Druckwandler gemäß der Erfindung mit dem vorstehend
.< U (J fl 1 fS / 0 7 B 7
beschriebenen Aufbau weist folgende Vorteile aufs
Da die Anschlüsse der Verformungsfühler in, der Siliziummembran
und die Endteile der Stifte zum Herausführen der Zuführungsdrähte auf der gleichen Höhe über der Oberfläche
des Trägers angeordnet werden können, ist die Drahtverbindungsarbeit
stark vereinfacht gegenüber dem Fall des in Fig. 1 und 2 gezeigten Wandlers. Außerdem läßt sich, da
die Verbindung zwischen den Anschlüssen innerhalb und außerhalb des Trägers 2 nach Art eines Steckanschlusses vorgenommen
wird, eine komplizierte Verdrahtungsarbeit vermeiden, so daß der Wirkungsgrad des Verdrahtungsvorganges verbessert
wird. So läßt sich das erste Ziel der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise nach den erfindungsgemäßen Merkmalen
erreichen. Es soll noch festgestellt werden, daß zur Erleichterung der Verbindung der Zuführungsdrähte mit den
Stiften 6 die Oberseiten der Verformungsfühler-Anschlüsse an der Siliziummembran, die am Träger angebracht ist, auf
der gleichen Höhe wie oder etwas höher als die Höhe der Stifte 6 sind.
Der Träger gemäß der Erfindung besteht aus Glas, keramischem Werkstoff oder Metall mit dem gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten
wie dem der Siliziummembran und weist in seiner Mitte eine Bohrung 31 auf, die vorzugsweise durch
Uberschallbehandlung oder ein Sandblasverfahren hergestellt
wird, welche Bohrung den Durchmesser der Druckaufnahmefläche
der Siliziummembran bestimmt. Die Stifte 6 zum Ausführen der Zuführungsdrähte 5 werden gleichfalls während der Bildung
des Trägers festgelegt.
Falls ein Träger aus Silizium mit hohem Widerstand,
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eine N-Siliziummembran und «in P-Verformungsfühler verwendet
werden, lassen sich die Siliziummembran und der Träger durch eine eutektische Au-Si-Legierung mit starker Bindekraft verbinden.
Die elektrische Isolation zwischen dem Verformungsfühler und dem Wandlergehäuse kann daher durch den hohen
Widerstand des Siliziumträgers gewährleistet werden. So läßt sich das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung leicht erreichen.
Weiter werden, wenn die Verbindung einer Siliziummembran und eines Glasträgers mit vergoldeter Fläche, an dem
die Membran angebracht wird, durch Bildung einer eutektischen Au-Si-Legierung an der Grenze zwischen dem Goldfilm
und der Siliziummembran hergestellt wird, der Träger und
die Membran voneinander mit einem vom Goldfilm freien Teil des Trägers isoliert. Daher wird auch in diesem Fall das
zweite Ziel der Erfindung erreicht. Falls ein Metallträger aus z. B. Fanico (Warenzeichen) verwendet wird, muß vorher ein Isolierfilm z. B. durch Aufdampfung nur auf der Fläche des Trägers, wo die Siiiziummembran angebracht wird, gebildet und dann ein Goldfilm auf dem Isolierfilm angebracht
werden, so daß die Siliziummembran und der Goldfilm mit der dazwischen gebildeten eutektischen Au-Si-Legierung verbunden werden. Wenn Glas als isolierendes Bindemittel verwendet wird, kann der Träger entweder aus Metall oder aus
Nichtmetall bestehen. Wenn ein Metallträger verwendet wird, muß vorher eine Glasschicht auf der Oberfläche des Metallträgers angebracht werden, um die Verbindung des Trägers
und der Membran zu erleichtern.
und der Siliziummembran hergestellt wird, der Träger und
die Membran voneinander mit einem vom Goldfilm freien Teil des Trägers isoliert. Daher wird auch in diesem Fall das
zweite Ziel der Erfindung erreicht. Falls ein Metallträger aus z. B. Fanico (Warenzeichen) verwendet wird, muß vorher ein Isolierfilm z. B. durch Aufdampfung nur auf der Fläche des Trägers, wo die Siiiziummembran angebracht wird, gebildet und dann ein Goldfilm auf dem Isolierfilm angebracht
werden, so daß die Siliziummembran und der Goldfilm mit der dazwischen gebildeten eutektischen Au-Si-Legierung verbunden werden. Wenn Glas als isolierendes Bindemittel verwendet wird, kann der Träger entweder aus Metall oder aus
Nichtmetall bestehen. Wenn ein Metallträger verwendet wird, muß vorher eine Glasschicht auf der Oberfläche des Metallträgers angebracht werden, um die Verbindung des Trägers
und der Membran zu erleichtern.
Außerdem wird erfindungsgemäß die N-SiIiziummembran 3
am Träger 2 derart angebracht, daß die Oberfläche der Membran '), wo die P-Verf ormungsfUhler nicht gebildet sind, in
Berührung mit dem Träger ist und die Fläche der Anschlüsse
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13 größer als die der "Bohsrang 31 gemacht ist, so daß die
Zuführungsdrähte 5 mit den Anschlüssen in der Fläche verbunden werden können, wo der Eingangsdruck keine Verspannung erzeugt» Und zwar sind die Anschlüsse 13 der.Verformung
s fühl er 12 in der Siliziummembran '3 zum Nichtverformungs-Verbindungsteil
der Membran 3 mit Hilfe von aufgedampften Melallelektroden erstreckt, und Drähte 5 verbinden
die Enden der Elektroden mit den Stiften 6„ Bei dieser
Konfiguration wirkt auf die verbundenen Drähte 5» die mit
den Verformungsfühleranschlüssen 13 am nichtverformten Verbindungsteil
verbunden sind, auch dann keine Kraft ein, wenn, wiederholt auf die Membran 3 durch die Bohrung 31
Druck einwirkte Infolgedessen wird ein Bruch der Drähte 5
mit Sicherheit verhinderte
Wie man in Figo 3 sieht, ist die Wand des Wandlergehäuses
26 dicker gemacht, um eine ausreichende Steifheit zu erzielen, während die Umfangsnut Jk am Flanschten 1
vorgesehen ist, um eine Biegsamkeit zu erzielen« Bei diesem ATifbau wird die im Flanschteil 1 beim Auf schraxiben
desselben auf das Druckübertragungsrohr verursachte Verformung durch die Nut Jh absorbiert, so daß sie nicht auf das
Wandlergehäuse 26 übertragen wird. So läßt sich die Änderung
des Nullpunkts des Verformungsfühlers aufgrund der genannten Verformung verhindern. Die aufgrund der Schweißvorgänge
und Zusammensetzungsvorgänge erzeugten Verformungen werden in gleicher Weise mittels der Nuten 1*1, 16 und
17 absorbiert. Außerdem liegt der Halbleiter-Verformungsfühler in der Ölkammer, die mit hoehyiskosem Öl gefüllt ist
und deren Trennwand aus der Abdichtungsmembran I9 niedriger
Steilheit besteht. So dient das Öl nicht nur als Druckübertragung
smedium zur Übertragung des von der Abdichtungsmem-
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bran 19 auf die Siliziummembran 3 wirkenden Druckes, sondern
auch als Puffer zur Verhinderung einer direkten Einwirkung des anliegenden Druckes auf die Verbindungedrähte 5 aufgrund
des Dämpfungseffektβ des hochviekosen Öls. So lassen sich
die Drähte 5 gegen Druckstöße schützen, so daß ein Bruch derselben verhindert wird.
Veiter wird bei dem bekannten Druckwandler nach Fig. 1
das Bindemittel k in Berührung mit einem Fluid gebracht, dessen Druck zu messen ist, und es tritt die Wahrscheinlichkeit auf, daß das Bindemittel chemisch mit dem Fluid
reagiert und erodiert wird. Infolgedessen sind die Arten von zu messenden Fluiden begrenzt. Dagegen kommt erfindungsgemäß das zu messende Fluid in Berührung mit der Abdichtungsmembran, und wenn ein korrosionsbeständiges Material für die Abdichtungemembran verwendet wird, läßt sich
eine große Auswahl von Fluiden in den Druckwandler einführen, ohne daß die Gefahr der Korrosion besteht. Außerdem
sind die Zuführungedrähte 5, die Stifte 6 und die Verformungsfühler sämtlich in das Öl 27 eingetaucht und daher
gegenüber der Atmosphäre isoliert, so daß eine Schädigung oder Verschlechterung der Verformungefühler verhindert wird
und die Verformungsfühler eine gute Stabilität während eines Langzeitbetriebes aufweisen.
So lassen sich bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau die während der Fertigung, Einrichtung und Verwendung des
Wandlers hervorgerufenen Verformungen und Vorspannungen leicht beseitigen, was das dritte Ziel der vorliegenden Erfindung ist.
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Druck gemessen wird, oder der atmosphärische Druck, wenn
der Fühlerdruck gemessen wird«
Beim bekannten Wandler nach Fig« 1 ist der Verformungsfühler gegenüber der Atmosphäre durch das Kunstharzunterteil isoliert, so daß der Verformungsfühler zur Messung
eines absoluten Drucks geeignet ist. Wenn.es erforderlich
ist, den atmosphärischen Druck mit diesem Druckwandler, wie er ist, zu messen, muß die die Kunstharzplatte 7 enthaltende Kammer mit der Atmosphäre in Verbindung gebracht werden.
Infolgedessen verschlechtert sich die Stabilität des V*rformungsfühlers, da er nicht mehr gegen die atmosphärisch·
Korrosion und Feuchtigkeit geschützt werden kann. Dagegen kommt bei dem Wandler gemäß der Erfindung nach Fig. 3 die
mlp
ausgebildet ist, in Berührung'der Atmosphäre durch Verbinden der Kammer 32 mit der Atmosphäre mittels Verstellen der
Stahlkugel 20, wenn der Fühlerdruck zu messen ist, während der Verformungsfühler stets in das öl 27 «ins;·taucht ist.
Beatentsprechend tritt die oben genannte Schwierigkeit des
bekannten Wandlers auch dann nicht auf. wenn die Druckaestunf auf Basis des atmosphärisch·» Druckes durchgeführt
wird. Wenn di· Kassier 32 evakuiert wird und durch di· Stahlkugel 20 abgedichtet ist, wird der Wandler zur Messung des
absoluten Druck·· bereit. Daher läßt sich d»r Wandler gemäß der Erfindung leicht für di· Messungen sowohl auf Basis des atmosphärischen als auch des absoluten Druckes anpassen, indem man lediglich di· Stellung der Stahlkugel
steuert und keine andere weiter· Einrichtung benötigt. So läßt sich das vierte Ziel der Erfindung leicht erreichen«
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den einzelnen Aufbau des Halbleiterträgers zeigen, der beim
Druckwandler gemäß der Erfindung verwendbar ist. Zwei Zonen verschiedenen Leitungstyps, wie z. B. eine n-Zone 131 und
eine b-Zone 132 sind in einem Siliziumplättchen 30 zur Bildung eines PN-Überganges gebildet, der bezüglich des Strompfades vom Verformungsfühler 12 zum Siliziumplättchen 30
entgegengesetzt gerichtet ist. Dieser PN-Übergang verhindert jeden Leckstrom vom Verformungsfühler 12 zum Gehäuse
26 des Wandlers, auch wenn das Siliziumplättchen 30 am Gehäuse 26 mittels eines solchen leitenden Bindemittels, wie
der eutektischen Au-Si-Legierung angebracht ist. Um die Gesamt abmessungen des vollständigen Wandlers zu verringern,
sind ein Kompensationselement zur Kompensation des Kreises des Verformungsfühlers 12 und ein Teil 133 der elektronischen Elemente eines Verstärkers, wie z. B. ein Konstantspannungs-, Konstant Stromkreis auf den Siliziumplättchen
in der Nähe des Verformungsfühlers 12 nach integrierter Schalttechnik vorgesehen. Dieser Teilkreis 133 dient nicht
nur zua Justieren dea Nullpunkts de« Brückenkreisea, der
durch die Verforeungsfühler 12 und ihr· sugehBrigen Kreis·
gebildet wird, sondern auch iur Kompensation der Jüntferungen des Nullpunkt· oder der Empfindlichkeit aufgrund von
T«Mf>eraturänd«r«nsen. B*i d«a oben beschrieben·« Aufbau
bleiben, auch wenn «in· plötzliche T«mperatur&nd«runf de·
zu messenden Fluids auftritt, die Verformung·fühler 12 und
das Kompensationselement praktisch auf gleicher Temperatur
wegen ihrer gegenseitigen Näh·. Infolg«d«ss«n läßt sich das
Durchgangsansprechverhalten des Ausgang« aufgrund äußerer
Temperaturetörungan verbessern.
Die oben erwähnte integrierte Schaltung 133 läßt sich vorsehen, indem man entweder Verunreinigungen in die Si-
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liziummembran oder in den Siliziumträger eindiffundiert,
oder indem man ein getrennt hergestelltes integriertes Sehaltplättchen am Träger anbringt.
Wenn die mit Diffusionstyp-Verformungsfühlern versehene
Siliziummembran am Siliziumträger durch ein Bindemittel aus der eutektisehen Au-Si-Legierung angebracht wird,
läßt sich eine vollständige Isolation unabhängig von den Leitungstypen der Verformungsfühler erzielen. Daher kann
vom Verhalten sowohl der p- als auch der n-Verformungsfühler
Gebrauch.gemacht werden, so daß man einen Druckwandler
mit gutem Isolierverhalten und linearer Charakteristik erhält.
Weiter werden Drähte mit dem Teil der Membran 3 verbunden,
wo keine Verformung auftritt, so daß der Drahtverbindungsvorgang erleichtert ist und gleichzeitig ein Bruch
der Drähte aufgrund des wiederholten Einwirkens von Druck verhindert werden kann.
Daher ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Membran mit den darin enthaltenen Halbleiter-Verformungsfühlern
den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie den des Trägers aufweist, und daß die
elektronischen Teile für einen Verstärker und das Kompensationselement zur Kompensation des Brückenkreises auf einer
Platte 21 nach der Technik der gedruckten Schaltungen vorgesehen sind. Daher ist die Verbindung der Siliziummembran
und des Trägers fast einstückig und verhindert jeden .Druckverlust. Weiter sind das Kompensationselement und die
elektronischen Teile, da sie in der Schutzkammer 33 angeordnet sind, gegenüber schädlichen atmosphärischen Einflüssen
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-logeschützt. Da der elektronische Teil 91 der vom druckaufnehmenden
Teil beim bekannten Druckwandler getrennt ist, auf der Platte 21 nach der gedruckten Schaltungstechnik vorgesehen
werden kann, lassen sich die Gesamtabmessungen des
fertigen Wandlers verringern.
Die Widerstände und die Widerstandstemperaturkoeffizienten
zwischen irgendwelchen zwei bestimmten Verformungsfühlern müssen ausgeglichen werden, und daher sollten das Plättchen,
in welchem die Verformungsfühler durch Diffusion von Verunreinigungen gebildet werden, und die Unterlage, auf der
die integrierte Schaltung gebildet wird, getrennt fertiggestellt und nachher miteinander vereinigt werden, um den Fehler
des Wandlers zu vermeiden, der sich daraus ergibt, daß entweder nur das Plättchen oder nur die Unterlage nicht in
Ordnung ist. Außerdem läßt sich der Preis der integrierten Schaltung senken, wenn ein Massenfertigungssystem dabei angewendet
wird.
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Claims (3)
1. Halbleiter-Druckwandler, gekennzeichnet
durch einen Flanschteil (i) mit einer Druckaufnahmebohrung
(25)» ein fest am Flanschte!! angebrachtes Gehäuse (26), einen isolierenden Träger (2) mit einer Bohrung (31)
in seiner Mitte, der fest mit dem Gehäuse verbunden ist, eine Siliziummembran (3)» die an der Druckaufnahmeseite des
Trägers (2) in der Weise angebracht ist, daß die Membran die Bohrung (31) des Trägers abdichten kann, Diffusionstyp-Verformungsfühler
(12) an der Druckaufnahmeoberfläche der Membran
(3) und Stifte (6), die mit den Verformungsfühlern (12) durch Zuführungsdrähte (5) verbunden und vom Träger (2) hermetisch
getragen sind, wobei die Anschlüsse (13) der Verformungsfühler
(12), mit denen die Zuführungsdrähte (5) verbunden
sind, und die oberen Enden der Stifte (6) praktisch auf der gleichen Höhe über dem Träger (2) liegen.
2. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziummembran (3) aus N-Silizium ist und die Verformungsfühler (12) in die Membran (3) als P-Zonen
eindiffundiert sind, und daß di© Membran (3) am Träger
(2) unter Verwendung einer eutektischen Au-Si-Legierung als Bindemittel dazwischen angebracht ist.
3. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziummembran (3) aus N-Silizium
ist und die Verformungsfühler (12) in die Membran als P-Zonen
eindiffundiert sind, und daß die Membran (3) am Träger (2) durch ein Glasbindemittel angebrächt ist.
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h. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziummembran (3) aus N-Silizium ist
und die Verformungsfühler (12) in die Membran als P-Zonen eindiffundiert sind, und daß der Träger (2) eine Metallplatte
ist, die mit einem isolierenden Glasfilm überzogen ist, auf dem die Siliziummembran (3) durch ein Glasbindemittel
angebracht ist.
5. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziummembran (3) aus N-Silizium ist
und die Verformungsfühler (12) in die Membran als P-Zonen
eindiffundiert sind, und daß der Träger (2) eine Metallplatte ist, die mit einem Isolierfilm überzogen ist, auf dem die
Siliziummembran mittels einer eutektischen Au-Si-Legierung
als Bindemittel dazwischen angebracht ist.
6. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlüsse (13) der VerformungsfUhIer
(12) so vorgesehen sind, daß sie nach außerhalb der Fläche der Bohrung (31) des Trägers (2) reichen.
7. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Umfangsnut (i4) längs des Umfangs
des Planschteils (1) nahe dem Gehäuse (26) ausgeschnitten ist.
8. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Abdichtungsmembran (19) an der Druckaufnahmeseite
des Trägers (2) zur Bildung einer geschlossenen Kammer (27) vorgesehen ist und diese Kammer mit hochviskosem Öl gefüllt ist.
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9. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß weiter ein Schweißsttick (7f) mit Hülsen
(18) zur Kontaktnahme mit den Stiften (6) des Trägers (2) vorgesehen ist.
10. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 9t dadurch
gekennzeichnet, daß eine Bohrung in dem Gehäuse (26) zwischen dem Träger (2) und dem Schweißstück (71) vorgesehen
ist, die eine Kugel (20) aufnimmt f die die Bohrung öffnen
und schließen kann.
11. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (2) aus einem Halbleiter besteht und ein PN-Übergang, der eine Isolation zwischen den
Verformungsfühlern (12) und dem Gehäuse (26) schafft, im Halbleiterträger gebildet ist.
12. Halbleiter-Druckwandler nach AnspEnacSi 1, dadurch
gekennzeichnet, daß außerdem an der Druckaufnähmeseite des
Trägers /sowohl ein Element zur Kompensation des Kreises
einer Brücke, die aus den Verformungsfühlern (i2) gebildet
ist, als auch elektronische Teile eines Verstärkers vorgesehen sind, wobei das Kompensationselement und die elektronischen
Teile mit den Anschlüssen (13) der Verformungsfühler oder mit den oberen Enden der Stifte (6) verbunden
sind.
13. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Träger (2) mit einer Nut (28)längs
seines Innenumfangs versehen ist, die der Absorption von Verspannungen dient.
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14. Halbleiter-Druckwandler nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß weiter ein stützendes Aufsatzstück (11) vorgesehen ist, das ''Hermetisch eingebettete Stlften(iO)
zum Einführen in die Buchsen (i8) versehen ist und zusammen
mit dem Gehäuse (26) des Wandlers und dem Schweißetück
(71) eine von der Atmosphäre getrennte Kammer definiert, wobei
eine Platte (21) an dem Schweißstück in der Kammer angebracht ist, die ein Element (9) zur Kompensation des Kreises
einer Brücke trägt, die aus den Verformungsfühlern (12)
und den elektronischen Teilen (131) eines Verstärkers gebildet
ist, und wobei der Ausgang der Verformungsfühler (12) über die Stifte (1O) und Buchsen (18) abgeleitet wird.
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