DE2248004A1

DE2248004A1 - Halbleiter-druckwandler

Info

Publication number: DE2248004A1
Application number: DE19722248004
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kimura; Taisaku Kozuma; Satoshi Shumada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1973-04-19
Also published as: US3817107A; JPS4843380A; JPS5112437B2

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.

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:

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 z_o 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 13^yVerformungsfühler 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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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

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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.

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 Fig_o 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.

Der Standarddruck ist der im Vakuum, wenn der absolute

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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

Oberfläche der Membran 3» wo der Verformungsfühler nicht

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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«

Es sollen nun die Fig. 5a und 5b erläutert werden, die

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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

Patentansprüche

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 (7^f) 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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