NL8500465A - Capacitieve drukdetector. - Google Patents

Description

1« JÜ J ** · w 7 v U V / Xit/ ^ %

Capacitieve drukdetector.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een capacitieve drukdetector volgens de kop van conclusie 1.

Met betrekking tot de bekende stand van de techniek dient in de eerste plaats te worden gewezen op de 5 volgende publikaties: (1) Amerikaans octrooischrift 4.386.543 (2) Amerikaans octrooischrift 4.257.274 (3) Amerikaans octrooischrift 4.332.000 (4) Amerikaans octrooischrift 4.390.925 10 (5) Amerikaans octrooischrift 3.397.278 (6) K.E. Bean, "Anisotropic Etching of Silicon", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-25 (1978)

No. 10, biz. 1185-93.

Zoals békend, kunnen geminiaturiseerde capa-15 citieve drukdetectors worden vervaardigd uit silicium en glas (zie publikaties (1) tot (4)).De bekende constructies zijn gebaseerd op het vormen van patronen in het silicium door middel van micro-lithografie, het bewerken hiervan door etsen en het verbinden met de glasdelen door middel van een 20 elektrostatische methode (zie publikatie (5) ) .Gewoonlijk -· wordt bariumsilicaatglas met laag alkali-geh^lte gebruikt · in detectors (bijvoorbeeld Corning Glass, type 7740 "Pyrex"). Dit materiaal is voor dit doel geschikt, omdat alkali-metaal-ionen een eerste vereiste zijn voor het vormen van een elek-25 trostatische verbinding, terwijl de thermische uitzettings-coëfficiënt dicht bij de overeenkomstige coëfficiënt van silicium ligt. Bij kamertemperatuur is de coëfficiënt van glas 3,25 ppra/°C en die van silicium 2,5 ppm/°C. Bij hoge temperaturen neemt de thermische uitzetting van silicium niet-30 lineair toe en overschrijdt de overeenkomstige coëfficiënt · van glas. Het verschil in thermische uitzettingscoëfficiën-ten vormt de belangrijkste faktor, die het temperatuurge-drag van een drukdetector nadelig beïnvloedt.

Fig. 1 toont schematisch de grondslag voor 35 de temperatuurafhankelijkheid. Een siliciumdeel 2, dat is voorzien van een dun, drukgevoelig gedeelte 3> is op een glasplaat 1 bevestigd. Het drukverschil buigt het membraan BADO^Akj zigt de afstand tussen dit membraan en de stationaire / - 2 - condensatorplaat 4, die op de glasplaat 1 is geplaatst, alsmede de capaciteit hiertussen. Indien nu de temperatuur wordt verhoogd en het drukverschil ongewijzigd blijft, wordt een rekkracht, veroorzaakt door het verschil in thermische üitzet- *s, 5 ting, uitgeoefend op het membraan 3 en het horizontale vlak. Deze rek tracht de doorbuiging, die door de druk wordt veroorzaakt, te verkleinen. Indien de drukgevoeligheid van de doorbuiging zonder rek SQ is, is deze met rek 10 ' s . S° , . 1 + K(a/h)2e waarbij a de zijde is van een vierkant membraan of de diameter van een cirkelvormig membraan, h de dikte is van 15 het membraan, ε de verlenging is en de coëfficiënt K 0,27 is voor een vierkant membraan en 0,2 voor een cirkelvormig membraan.

Indien de verlenging een functie is van de temperatuur, is de temperatuur-gevoeligheidscoëfficiënt 20 1 3S K(a/h)2(9ε/3Τ) S 3T 1 + K (a/h)2 ε '

Hierbij is geen rekening gehouden met de temperatuurafhankelijkheid van de elasticiteitscoëfficiënten, aangezien deze in het geval van silicium klein zijn.

25 De onderhavige uitvinding beoogt een drukdetec- tor te verschaffen, waarbij de invloed van de thermische uitzettingscoëfficiënt is geëlimineerd.

De uitvinding is op de volgende gedachten gebaseerd: 30 - De drukdetectorconstructie omvat twee glasdelen en een hiertussen geplaatst elastisch siliciummembraan.

- Het siliciummembraan is dicht bij éên van de glasdelen geplaatst en dicht bij een condensatorplaat, die bestaat uit een metaalfilm op het oppervlak van het glasdeel.

35 - Het siliciummembraan is echter met zijn randen niet in BAD QBtëJNAbiechanisch contact met het glasdeel, doch het is aanbracht op _het uiteinde van een buisstructuur, die uit sili- W v cium is vervaardigd en de vorm van een kegel, cilinder, enz. heeft.

- Het andere uiteinde van de buis is bevestigd aan één van de glasdelen.

5 - De glasdelen zijn met elkaar verbonden en hun onderlinge afstand wordt bepaald.door'een steunelement uit silicium.

- Het steunelement, de buis en het elastische membraan, die alle uit silicium zijn vervaardigd, worden uit ëën stuk silicium gemaakt, teneinde voldoende nauwkeurige afmetingen 10 te kunnen verkrijgen voor de luchtspleet van de drukgevoelige condensator.

De drukdetector volgens de uitvinding wordt gekenmerkt door de in het kenmerk van conclusie 1 vermelde maatregelen.

15 De capacitieve detector volgens de uitvinding heeft het voordeel, dat de invloed van de spanningstoestand, die wordt veroorzaakt door de verschillende thermische uitzettingen van silicium en glas, op de eigenschappen van het voor druk gevoelige siliciummembraan is geëlimineerd.

20 De uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld is weergegeven in de fig. 2-4.

Fig. 2 is een gedeeltelijk in doorsnede uitge*'-voerd zij-aanzicht van een uitvoeringsvorm van de detector 25 volgens de uitvinding.

Fig. 3 is een doorsnede van de detector uit fig.

2 volgens de vlakken A-A en B-B, gezien vanaf de onderzijde.

Fig. 4 toont de overdracht van de vervorming tussen de uiteinden van de conische buis door middel van 30 een genormaliseerd krommestelsel.

Wanneer het ongewenst is dat het verschil in thermische uitzetting de gevoeligheid van de detector be-invloedt, moet het membraan van de detector worden geïsoleerd, zodat geen trekkracht hierin kan optreden. De fig. 2 en 3 35 tonen een drukdetectorconstructie, waarbij de horizontale krachten, die op het membraan kunnen inwerken, zijn geëlimineerd.

De siliciumplaat is bewerkt door middel van bekende technieken (zie publicatie (6)), zodat 'aan de ene zijde 40 hiervan een kom 6 is gevormd. Aan de andere zijde is een uit-

Bwn 6 5 - 4 - sparing 7 aangebracht. Het membraan 8, dat gevoelig is voor druk, is gevormd tussen de bodems van de kom 6 en de uitsparing 7. Het membraan 8 (en de uitsparing 7) wordt omgeven door een gesloten groef 10 met V-vormige doorsnede. De wand 5 tussen de groef 10 en de kom 6 'vormt een conische buis 11, waarvan het ene uiteinde is bevestigd aan de siliciumplaat 5, terwijl het anderè uiteinde wordt afgesloten door het voor druk gevoelige membraan 8. De kom 6 wordt afgedekt door een glasplaat 12, die in een vacuum hermetisch is bevestigd 10 op de siliciumplaat 5, zodat de kom 6 een aneroïde-capsule vormt. Als alternatief kan de glasplaat 12 zijn voorzien van een gat, door middel waarvan een referentiedruk aan de kamer 6 wordt doorgegeven. Een glasplaat 13 is op dé andere zijde van de siliciumplaat 5 bevestigd, welke glasplaat 13 een 15 stationaire condensatorplaat 14 draagt, die uit een dunne metaalfilm is vervaardigd.

Wanneer de temperatuur wordt verhoogd, wordt een trekkracht opgewekt in het horizontale vlak in de oppervlakken van de siliciumplaat 5. De trekkracht veroorzaakt een 20 vervorming aan het uiteinde van de conische buis 11, dat naar de glasplaat 12 is gekeerd. Indien de buis 11 geschikte afmetingen heeft, wordt de vervorming nagenoeg niet overge- .. bracht naar het buisuiteinde of slechts in geringe mate over- -gebracht naar het buisuiteinde, waar het voor druk gevoelige 25 membraan 8 is gelegen. Op deze wijze wordt de invloed van de temperatuur op de trekkracht op het membraan 8 geëlimineerd of aanzienlijk verkleind.

In fig. 4 is overeenkomstig het voorgaande de overdracht van de vervorming tussen de uiteinden van de coni-30 sche buis weergegeven door middel van een genormaliseerd krommestglsel. De horizontale as stelt de langsas van de buis 11 voor. De afstand tussen de uiteinden van de buis 11 is genormaliseerd als ëên eenheid. De verticale as stelt de vervorming van de buis voor, wanneer de vervorming aan het 35 begin-einde gelijk is aan een eenheid? de kromme 15 stelt een betrekkelijk korte buis voor, de kromme 16 een langere en de kromme 17 een nog langere buis. In het geval van een korte buis is de vervorming loodrecht op de as verkleind.

BAD Öftlèft$AÉfeva^ van een kuis met geschikte lengte is de vervor-40 ming tot nul gereduceerd, doch wordt een torsie opgewekt aan —- 5 - ' dit uiteinde; de afgeleide van de vervorming wijkt af van nul. Met een buis met voldoende lengte, zijn zowel de vervorming als de afgeleide hiervan nagenoeg nul. In een dergelijk geval is het andere uiteinde van de buis volledig ge-5 isoleerd van enige vervorming, die plaatsvindt aan het andere uiteinde van de buis.

Bij voorkeur bedraagt de diepte van de kom 6 ten minste 30% van de diameter van de bodem van de kom 6. De afmetingen van de uitvoering volgens de fig; 2 en 3 zijn 10 als volgt (bereikentussen haakjes aangegeven)i

Glasplaten 12 en 13 breedte en lengte : 7 mm (5 tot 10 mm) dikte : 1 mm (0,5 tot 1,5 mm)

Siliciumplaat 5 15 plaatdikte : 0,7 mm (0,2 tot 1,5 mm) membraandikte : 5 tot 50 yum kraagdikte j 50 tot 200 yum

Stationaire condensatorplaat 14 dikte i 0,2 yum (0,1 tot 1,0 μνα) 20 Condensatorspleet 7 : breedte : 4.^im (1 tot 10 yum) .

BAD ORIGINAL

ÖR Π Π A R R

Claims (3)

1. Capacitieve drukdetector, voorzien van een plaatvormige drager, een op de drager geplaatste, stationaire condensatorplaat, een met de drager verbonden aneroïde-cap-sule, die is voorzien van een gebied met een beweegbare con- 5 densatorplaat, die naar de stationaire condensatorplaat is gericht en waarvan de afstand tot de stationaire condensatorplaat wijzigt onder invloed van de druk, m e t h e t k enme rk, dat op de plaatvormige drager (13) een silicium-plaat (5) is aangebracht, waarin een membraanvormig middenge-10 deelte (8), dat als de beweegbare condensatorplaat functioneert, is gevormd, terwijl op de siliciumplaat (5) een bij voorkeur plaatvormige deksel (12) hermetisch is geplaatst, zodat een komruimte (6) van de aneroïde-capsule is gevormd tussen het deksel (12) en het middengedeelte (8), waarbij 15 het membraanvormige middengedeelte (8) van de siliciumplaat (5) met het randgedeelte van de siliciumplaat (5) is verbonden door middel van een relatief dunwandige kraag of buis (11), die zich vanaf de rand van het middengebied (8) uitstrekt tot in de nabijheid van het binnenoppervlak van het 20. deksel (12), waarbij het middengebied (8) en de kraag of buis (11) uit ëën stuk zijn vervaardigd met het randgedeelte van de siliciumplaat (5), terwijl het randgedeelte van de siliciumplaat (5) en.de kraag of buis (11) een tussenliggende, althans nagenoeg V-vormige groef (10) bepalen, die de kom-25 ruimte (6) omgeeft.

2. Detector volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de plaatvormige drager (13) en het deksel uit glas zijn vervaardigd.

3. Detector volgens conclusie 1 of 2, met 30 hetkenmerk, dat de diepte van de komruimte (6) ten minste 30% bedraagt van de diameter van de bodem van de komruimte (6) . BAD ORIGINAL _ 85 0 04 65