DIFFERENTIAL PRESSURE MEASURING DEVICE

Abstract: 1. A pressure-difference measuring device comprising a measuring membrane arrangement composed of a semiconductor wafer (2) which is clamped between two basic components (3, 4) forming a first and a second measuring chamber (18 and 19), comprising two separating membranes (6, 7) which each form a pressure chamber (20, 22) on that side of the basic components (3, 4) which faces away from the semiconductor wafer, comprising through-bores (24, 25) in the basic components (3, 4) which serve to interconnect the measuring-and pressure chambers (18, 10 ; 19, 22) in each case located on one side of the semiconductor wafer (2) and comprising a pressure transmission fluid (26A) in the measuring-and pressure chambers (18, 20 ; 19, 22) and in the through-bores (24, 25), where the semiconductor wafer (2) comprises a central, membrane-like thinned zone (12) in which measured-value-detecting components (13) are arranged and which is formed by a recess introduced from the first side of the semiconductor wafer (2) and in the vicinity of the clamped zone (14) contains an annular groove (15), characterized in that the annular groove (15) is open towards the other side of the semiconductor wafer (2).

Description: Druckdifferenz-MeBeinrichtunq Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckdifferenz-MeQein- richtung mit einer Messmembrananordnung, die zwischen zwei Grundkörpern unter Bildung einer ersten und zweiten MeB- kammer. eingespannt ist, mit zwei Trennmembranen, die auf der von der liessmembrananordnung abgewanden Seite der Grundkörper jeweils eine Druckkammer bilden, mit Durchgangslöchern in den Grundkörpern zur Verbindung der jeweils auf einer Seite der liessmembrananordnung liegenden mess- und Druckkammer untereinander und mit einer Druckübertragsungsflüssigkeit in den Ness- und Druckkammern sowie in den Durchgangslöchern. Bei einer bekanqten Druckdifferenz-Messeinrichtung dieser Art (Druckschrift POS 2110g der Firma Rosemount Engineering GmbH) besteht die liessmembrananordnung aus einer liessmembran, die der Druckdifferenz entsprechend ausgelenkt wird. Die Grundkörper weisen bei der bekannten Messeinrichtung Isolierkörper auf, auf denen Kondensatorplatten aufgebracht sind Die bekannte Durskdifferenz-Messeinrichtung arbeitet demzufolge nach dem Prinzip des Differentialkondensators. Diese Differentialkondensatoren bedingen einen relativ hohen Fertigungsaufwand Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druck differenz-liesseinrichtung vorzuschlagen, die sich verhältnismässig einfach herstellen lässt und sich trotz der vereinfachten Herstellung durch eine geringe Fehlerabhängigkeit bei Temperaturänderungen und Änderungen des statischen Druckes auszeichnet. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Druckdifferenz- Messeinrichtung'der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss die liessmembrananordnung aus einer Halbleiterscheibe; die Halbleiterscheibe enthält einen mittleren, membranartig verdünnten Bereich, in dem sich messwerterfassende Teile befinden, und weist in der Nähe des eingespannten Randes eine ringförmige Nut auf Es ist zwar eine liesseinrichtung mit einer Halbleiterscheibe mit einem membranartig verdünnten Bereich bekannt (1,Kitachi Review'1 Vol. 30 (1981) 6, S. 286), jedoch handelt es sich bei dieser MeBeinrichtung um eine Druckmessanordnung mit einem von der erfindungsgemässen Druckdifferenz-Messeinrichtug stark unterschiedlichen konstruktiven Aufbau; auch weist die Halbleiterscheibe.der bekannten Einrichtung keine ringförmige Nut auf. Ein Vorteil der erfindungsgemässen Druckdifferenz-liessein- richtung besteht darin, dass ihr eigentlicher Druckdifferenz Fühler vergleichsweise einfach aufgebaut ist, da er von der die liessmembrananordnung bildenden Halbleiterscheibe dargestellt ist. Der Druckdifferenz-Fühler ist bei der erfindungsgemässen Druckdifferenz-Messeinrichtung einteilig ausgeführt und besteht daher nicht aus einer liessmembran für sich und weiteren Kondensatorplatten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die ringförmige Nut in=radialer Richtung auf die Halbleiterscheibe ausgeübte Zugspannungen absorbiert werden. Diese Zugspannungen treten bei Temperaturänderungen auf, weil dabei - beispielsweise im Falle einer Temperaturerhöhung - aufgrund der Ausdehnung der GrundkÏrper mechanische Beanspruchungen auf die Halbleiterscheibe übertragen werden. Eine entsprechende mechanische Belastung auf die Halbleiterscheibe Würde ohne die ringförmige Nut bei Änderungen des statischen Andruckes auftreten, weil auch in diesem Falle die Grundkörper zusammen mit einem sie gegebenfalls umfassenden Haltekörper nach aussen gedrückt werden. Die Absorption von radial auf die Halbleiterscheibe einwirkenden Kräften ist also allein durch die ringförmige Nut bewirkt, so dass zusätzliche Massnahmen zur Kompensation dieser unerwünschten mechanischen Bean spruchungen nicht erforderlich sind. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn bei der erfindungsgemässen Druckdifferenz-Messeinrichtung der membran artig verdünnte Bereich der Halbleiterscheibe durch eine von einer Seite der Halbleiterscheibe aus eingebrachte Ausnehmung gebildet ist und wenn die ringförmige Nut zur anderen Seite der Halbleiterscheibe hin offen ist. Bei einer derartigen Anordnung von Ausnehmung und ringförmiger Nut ergibt sich eine besonders gute Absorption der oben erwähnten mechanischen Beanspruchungen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der er findungsgemäBen Druckdifferenz-liesseinrichtung ist zwischen dem membranartig verdünnten Bereich der Halbleiterscheibe und ihrer ringförmigen Nut eine ringförmige Ausnehmung vorhanden. Diese ringförmige Ausnehmung bewirkt einen Schutz der Halbleiterscheibe bei Überlastbedingungen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die ringförmige Ausnehmung von der einen Seite der Halbleiterscheibe eingebracht ist, also auf derselben Seite wie die. den membranartig verdünnten Bereich der Halbleiterscheibe bildende Ausnehmung liegt. Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 1 ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der er findungsgemässen Druckdifferenz-MeBeinrichtung, in Figur 2 ein Schnitt durch die die liessmembrananordnung bildende Halbleiterscheibe, in Figur 3 eine Aufsicht auf eine Seite der Halbleiterscheibe und in Figur 4 eine Aufsicht auf die andere Seite des Ha1b1#iter- scheibe wiedergegeben. Die dargestellte Durckdifferenz-liesseinrichtung 1 enthält eine eine liessmembrananordnung bildende Halbleiterscheibe 2 sowie einen ersten Crundkörper 3 und einen zweiten Grundkörper 4. Diese Grundkörper sind von einem Haltekörper 5 umfasst. Ferner enthält die dargestellte Druckdifferenz-Messeinrichtunc eine erste Trennmembran 6 und eine zweite Trennmembran 7, die von einer ersten Druckkappe 8 und einer zweiten Druckkappe 9 abgedeckt sind. Die Halbleiterscheibe 2 besteht aus monokristallinem Silizium und weist einen mittleren Bereich 12 auf (ugl. Fig.2), der membranartig verdünnt ist. liesswerterfassende Teile sind in Form einer Spannungsmesseinrichtung 13 durch Diffusion auf der einen Seite des mittleren Bereiches 12 angeordnet. Ein eingespannter Bereich 14 bildet einen äusseren Teil der Halbleiterscheibe 2 und ist zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper 3 und 4 befestigt. In dem eingespannten Bereich 14 der Halbleiterscheibe 2 bzw am inneren Rand des eingespannten Bereichs befindet sich eine ringförmige Nut 15, die somit gewissermassen den Übergang des eingespannten Bereichs t4 zu dem übrigen Bereich der Halbleiterscheibe darstellt. Ein ringförmiger, dicker Bereich 16 und ein ringförmiger, in der Stärke reduzierter Bereich 17 sind konzentrisch angeordnet und liegen zwischen dem mittleren, membranartig verdünnten Bereich 12 und dem eingespannten Bereich 14 der Halbleiterscheibe 2. Die Halbleiterscheibe 2 der oben beschriebenen Ausführung ist zwischen dem ersten und dem zweiten Grundkörper 3 und 4 so ange#rdnet; dass sie den Raum zwischen den inneren Oberflächen der beiden Grundkörper 3 und 4 in eine erste Mess- kammer 18 und in eine zweite MeEkammer 19 unterteilt. Die Halbleiterscheibe 2 und die beiden Grundkörper 3 und 4 sind fest mit dem Haltekörper 5 verbunden, beispielsweise verschueisst. Eine erste Druckkammer 20 ist von der ersten Trennmembran 6 und der äusseren Oberfläche 21 des ersten Grundkörpers 3 gebildet, während eine zweite Druckkammer 22 von der zweiten Trennmembran 7 und der äusseren Oberfläche 23 des zweiten Grundkörpers 4 umschlossen ist. Ein erstes Durchgangsloch 24 ist in dem ersten Grundkörper 3 vorgesehen, damit die erste Druckkammer 20 mit der ersten MeEkammer 18 in Verbindung steht; über ein zweites Durchgangsloch 25 in dem zweiten Grundkörper 4 ist eine Verbindung zwischen der zweiten Oruckkammer 22 und der zweiten liesskammer 19 geschaffen. Eine Druckübertragungsflüssigkeit 26 ist in der ersten Messkammer 18 der ersten Druckkammer 20 und dem ersten Durchgangsloch 24 eingeschlossen, während eine weitere Druckflüssigkeit 26A sich in der zweiten Messkammer 19, der zweiten Druckkammer 22 und dem zweiten Durchgangsloch 25 befindet. Die erste Druckkappe 8 und zweite Druckkappe 9 enthalten jeweils eine Druckaufnahmekammer 27 bzw. 28 sowie Druckzuführungsöffnungen 29 bzw. 30, durch die Drücke Pl und P2 den Druckaufnahmekammern 27 und 28 zugeführt werden. Befestigungsringe 31 bzw. 32 sichern die Trennmembranen 6 und 7 an dem Haltekörper 5. Die oben beschriebene Druckdifferenz-liesseinrichtung arbeitet in folgender Weise: Die den Druckaufnahmekammern 27 und 28 zugeführten Drücke P1 und P2 werden über die beiden Trennmembranen 6 und 7 exakt auf die Druckübertragungsflüssigkeiten 26 und 26A übertragen. Da diese Flüssigkeiten inkompressibel sind, werden von ihnen die Drücke P1 und P2 auf die Halbleiterscheibe 2 übertragen, dadurch ist in vorteilhafter Weise die Halbleiterscheide 2 vor schädlichen Einwirkungen der die Drücke P1 und P2 aufweisenden Flüssigkeiten und vor atmophärischen Gasen geschützt. Die Halbleiterscheibe 2 erfasst die Druckdifferenz P1 - P2 in Form einer Widerstandsänderung der messwerterfassenden Teile 13 aufgrund eines Piezoeffektes. Da sich der Haltekörper 5 aufgrund der Beaufschlagung mit den hohen liessdrücken Pl und P2 in radialer Richtung ausdehnt und weil der termische Ausdehnungsquotient des Haltekörpers 5 grösser ist als der der Halbleiterscheibe 2, wird auf diese eine mechanische Beanspruchung in der radialen Richtung D ausgeübt Die ringförmige Nut 15 im eingespannten Bereich 14 der Halbleiterscheibe 2 absorbiert diese Beanspruchung der Halbleitscheibe 2 und bewahrt die messwerterfassenden Teile 13 in dem mittleren, membranartig verdünnten Bereich 12 der Halbleiterscheibe vor unerwünschten Ausuirkungen dieser Beanspruchung. Auf diese Weise kann die sogenannte statische Druckcharakteristik und die Temperaturcharakteristik wesentlich verbessert werden. Bei Überlastbedingungen, die durch eine sehr hohe Druckdifferenz P1 - P2 (P1 > P2) verursacht sind, wird der in der Stärke reduzierte Bereich 17 der Halbleiterscheibe 2 stark deformiert, wodurch das Volumen der ersten Messkammer 18 verändert wird. Die eingeschlossene Druckübertragungs flüssigkeit 26 in der ersten Druckkammer 20 wird in die erste Messkammer 18 über das Durchgangsloch 24 gedruckt, so dass die Trennmembran 6 sich gegen die äussere Oberfläche 21 des ersten Grundkörpers 3 legt und dadurch eine weitere ÜbArtragung des Druckes P1 auf die erste Messkammer 18 verhindert. Mit anderen Worten, der in der Stärke reduzierte Bereich 17 schützt die Halbleiterscheibe 2 vor Überlastung. Der ringförmig verdickte Bereich 16, der ausserhalb des mittleren, membranartig verdünnten Bereiches 12 liegt, erlaubt normale Deformationscharakteristik der messuert- erfassenden Teile bzw. Spannungsmesseinrichtung 13 unbeachtlich der Deformation des eingespannten Teils 14 in Richtung D und einer zu starken Durchbiegung des in der Stärke reduzierten Bereiches 17 Es zeigt sich also, dass bei der erfindungsgemässen Druck differenz-Messeinrichtung mit dem membranartig verdünnten, mittleren Bereich in der Mitte der Halbleiterscheibe die ringförmige Nut in der Halbleiterscheibe die Funktion hat, radiale Beanspruchungen zu absorbieren, so dass sie ohne Einfluss auf das Messergebnis bleiben. Der ringförmig in seiner Stärke reduzierte Bereich zwischen dem mittleren, membranartig verdünnten Bereich und dem eingespannten Bereich der Halbleiterscheibe absorbiert aufgrund einer Deformation des in der Stärke reduzierten Bereichs Überlastbeans#ruchungen der Halbleiterscheibe, wodurch eine Druckdifferenz-I9esseinrichtung hoher Genauigkeit, hoher Zuverlässigkeit, einfacher Konstruktion und insgesamt verringerter Grösse gewonnen ist.

Claims: Patentansprüche 9 1. Qruckdifferenz-Nlesseinrichtung mit einer Messmembrananordnung, die zwischen zwei Grundkörpern unter Bildung einer ersten und einer zweiten Messkammer einspannt ist, mit zwei Trennmembranen, die auf der von der liessmembranan- ordnung abgewandten Seite der Grundkörper jeweils eine Druckkammer bilden, mit Durchgangslöchern in den Grundkörpern in Verbindung der jeweils auf einer Seite der Messmembrananordnung liegenden liess- und Druckkammern untereinander und mit einer Druckübertragungsflüssigkeit in den Mess- und Druck- kammern sowie in den Durchgangslöchern, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die liessmembrananordnung aus einer Halbleiterscheibe (2) besteht, dass die Halbleiterscheibe (2) einen mittleren, membranartig verdünnten Bereich (12) enthält, in dem sich messwerter- fassende Teile (13) befinden, und dass die Halbleiterscheibe in der Nähe des eingespannten Bereichs (14) eine ringförmige Nut (15) aufweist. 2. Druckdifferenz-Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der membranartig verdünnte Bereich (12) der Halbleiterscheibe (2) durch eine von einer Seite der Halbleiterscheibe (2) eingebrachte Ausnehmung gebildet ist, und dass die ringförmige Nut (15) zur anderen Seite der Halbleiterscheibe (2) hin offen ist. 3. Druckdifferenz-liesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass zwischen dem membranartig verdünnten Bereich (12) der Halbleiterscheibe (2) und ihrer ringförmigen Nut (15) unter Bildung einer ringförmigen Ausnehmung ein ringförmiger, dicker Breich (16) und ein ringförmiger, in der Stärke reduzierter Bereich (17) liegen. 4. Druckdifferenz-f9esseinrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die ringförmige Ausnehmung von der einen Seite der Halbleiterscheibe (2) eingebracht ist.

Inventors: TAKESHI, YASUHARA, DIPL. ING.
Applicants: FUJI ELECTRIC CO. LTD.
Application year: 1983
Main classification: G01L13
IPC codes: G01L13, G01L9