NO314963B1 - Trykksensor - Google Patents

Description

INNLEDNING

Den foreliggende oppfinnelse angår trykksensorer fremstilt i planarteknikk. Spesielt angår oppfinnelsen en trykkmåler fortrinnsvis innrettet til å virke utvendig på et

■måle-element. Måle-elementet har et sentralt hulrom forløpende i lengderetningen til måle-elementet og er sammensatt av minst to deler som er tettsluttende sam-menføyet for dannelse av hulrommet. Piezo-resistive elementer anvendes for å registrere måle-elementets mekaniske spenningstilstand under trykkpåvirkning.

BAKGRUNNSTEKNIKK

En trykkmåler består i prinsippet av et fjærelement (måle-element) og et måle- eller sensororgan. Vanlige kommersielt tilgjengelige trykkmålere basert på silisium-teknologi kan benytte membraner som fjærelement, forsynt med piezo-resistive motstander som sensororgan. Slike membransensorer har en typisk størrelse på 3mm x 4mm. Fjærelementer som membraner er ugunstig for høye trykk fordi slike er følsomme for effekter knyttet til innspenningen i et substrat med overgang til materialer med ulik elastisitetsmodul. Spenningen som detekteres på slike membraner vil være en kombinasjon av trykk- og strekkspenninger. Hvis strekkspenningene blir tilstrekkelig høye vil brudd kunne oppstå. Ved store deformasjoner vil ikke spenningene i en membran være lineært avhengig av trykket, noe som gir ulineært signal.

Den nærmest kjente teknikk i denne sammenheng beskrives i det norske patentet NO 304 328 som beskriver en trykkmåler særlig for svært høye trykk. Måleprinsip-pet som benyttes er beskrevet i boken "Instrumenteringsteknikk" av Ole A. Solheim, Tapir forlag Trondheim 1966, og benytter piezoresistive elementer anbrakt på utsiden av måle-elementet for å detektere strekkspenningene som opp-står i måle-elementet. Måle-elementets to deler er fremstilt i planarteknikk, fortrinnsvis av silisium eller kvarts, og har vesentlig større lengde enn tverrmål, med hulrommet forløpende i lengderetningen. Trykkmåleren er imidlertid spesielt egnet for måling av meget høye trykk.

Den foreliggende oppfinnelse representerer en videreutvikling av sensoren som beskrives i det norske patentet NO 304 328 til lavere trykkområder.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

I et første aspekt omfatter oppfinnelsen en trykkmåler fortrinnsvis innrettet til å virke utvendig på et måle-element som har et sentralt hulrom forløpende i lengderetningen til måle-elementet og er sammensatt av minst to deler, som er fremstilt i planarteknikk og fortrinnsvis av silisium eller kvarts, og som er tettsluttende sam-menføyet for dannelse av hulrommet, og omfattende sensor-anordninger i form av piezo-resistive elementer for måle-elementets mekaniske spenningstilstand under trykkpåvirkning. Trykksensoren er kjennetegnet ved at høyden til det sentrale hulrom er i det minste av størrelsesorden fem ganger bredden.

Det sentrale hulrommet har en vesentlig større høyde enn bredde. Det sentrale hulrommet kan omfatte to enkeltkanaler forløpende i lengderetningen til måle-elementet og som er anordnet side ved side. Hulrommet utgjøres av en øvre del og en nedre del, der den øvre og nedre delen er komplementære. Hulrommet kan også være sammensatt av deler som danner et tverrsnitt med effektivt tre lag. De tre lagene utgjøres av en øvre del, en nedre del, og en midtdel, der den øvre og nedre delen er komplementære, og midtdelen er innskutt for å øke høyden av hulrommet i forhold til bredden. Hulrommet kan også i en annen utførelsesform være sammensatt av deler som danner et tverrsnitt med effektivt fire lag.

I en ytterligere utførelsesform er den øvre og nedre delen identiske i det minste for så vidt angår tverrsnittsformen og hulrom er dannet ved RIE i delene fra den overflate som vender mot den andre delen. Den ytre tverrsnitts-formen av måle-elementet kan for eksempel være seks-, åtte- eller ti-kantet og symmetrisk om to lengdeplan. Hulrommets tverrsnitt er rektangulært og symmetrisk om to lengdeplan, men alternativt kan det også være utformet som en sekskant og være symmetrisk om to lengdeplan. To av delene som danner måle-elementet kan også være identiske i det minste for så vidt angående tverrsnittsformen. Måle-elementets deler kan være sammenføyet ved anodisk bonding, eller ved såkalt direkte bonding. Trykkmåleren kan innrettes til måling av fullskalatrykk i området 0,5-100 bar.

Trykkmåleren ifølge oppfinnelsen er angitt i de vedføyde patentkrav.

Sensoren gir store og robuste signaler som medfører at den kan kobles til billigere og enklere elektronikk. Den vil også ha et vesentlig mindre areal og dermed bli billigere å produsere.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere i form av forskjellige utførel-sesformer som eksempelvis er illustrert på tegningene, hvor: fig. 1 representerer kjent teknikk og viser i perspektiv en utførelse av en trykkmåler (måle-element) montert i en holder,

fig. 2A viser et forstørret tverrsnitt av hoveddelen av måle-elementet på fig-1,

fig. 2B viser i forstørret tverrsnitt et støtteparti på måle-elementet i fig. 1, inntil den nevnte holder,

fig. 3 viser i tilsvarende tverrsnitt som fig. 2A og 2B, en variant av måle-elementets tverrsnittsform, nemlig hulrommets tverrsnitt,

fig.4 viser et forstørret tverrsnitt av hoveddelen av måle-elementet ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen beregnet til måling av lave trykk,

fig.5 viser et forstørret tverrsnitt av hoveddelen av måle-elementet ifølge en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen beregnet til måling av høyere trykk, og

fig.6-8 viser varianter av tverrsnittsformen ifølge oppfinnelsen.

DETALJERT BESKRIVELSE

Figur 1 viser den nærmeste kjente teknikk og viser et eksempel på en utførelses-form av sensoren i NO 304 328. Et langstrakt måle-element 1 er sammensatt av to deler 1A og 1B som er identiske og som sammen danner et indre hulrom 3 mellom to endevegger 3A og 3B. Hulrommet 3 strekker seg ikke helt ut til endene av hoveddelen av måle-elementet 1, som her er vist med et åttekantet tverrsnitt.

En overflate 5 på måle-elementet er forsynt med sensororganer 11,12,13 og 14, som gjennom et antall tilledere 15 er forbundet med ekstern elektronikk eller måle-kretser. Sensor-organene 11,12, 13 og 14 har form av i og forseg kjente piezo-resistive elementer som fortrinnsvis er anordnet i en brokopling. Sensoren er føl som for endringer i måleelementets mekaniske spenningstilstand eller deforma-sjon når det utsettes for varierende trykkdifferanse mellom de ytre omgivelser og det innvendige hulrom 3.

Ved sin indre ende går måle-elementets åttekantede hoveddel 1 over i et støtte-parti 2 som har en kvadratisk ytre tverrsnittskontur, med sikte på samvirke med et holdestykke 18 som hele måle-elementet er montert i. Moldestykket 18 har således et gjennomgående hull 19, som fortrinnsvis er sirkulært, og som er tilpasset et gjennomføringsparti 7 på måle-elementet. Partiet 7 har med fordel samme ytre tverrsnittskontur som hoveddelen 1. Støttepartiet 2 tjener til å gi en sikker forankring av måle-elementet mot holdestykket 18, hvilket har spesiell interesse når måle-elementet utsettes for meget høye utvendige trykk. Slike trykk vil søke å presse måle-elementet 1 i aksiell retning inn i hullet 19, men de utstikkende hjør-ner 2A, 2B, 2C og 2D (se også fig. 2A) vil effektivt blokkere mot forskyvning av måle-elementet under slik trykkpåkjenning. Gjennom hullet 19 kan gjennomfør-ingspartiet 7 være ytterligere festet ved hjelp av passende lim som fyller ut mel-lomrommet mellom det åttekantede tverrsnitt og det sirkulære hull 19.

Fig. 2A, 2B og 3 viser mer detaljert forskjellige utførelsesformer av tverrsnittet til det kjente måle-elementet i fig. 1. De to delene 1A og 1B er sammenføyet i planet markert ved 8. De fire hjørnene 2A, 2B, 2C og 2D i fig.1 A tjener til forankring mot

holderen 18. Den kvadratiske ytre tverrsnittkonturen på fig. 2B tilsvarer tverrsnittet i støttepartiet 2, men det indre hulrom 3 finnes egentlig ikke i støttepartiet 2 når det dreier seg om absolutt trykkmåling, dvs. med lukket hulrom 3 mellom endevegger 3A og 3B som på fig. 1. Således kan fig. 2B anses å illustrere en alternativ hoved-form av den effektive lengde av et måle-element 1, hvor hulrommet 3 kan ha samme tverrsnittsform som på fig. 2A og fig. 1. Det er således fordelaktig å utforme hulrommet 3 i det kjente måle-elementet med et rombeformet tverrsnitt som har to hjørner beliggende i sammenføyningsplanet 8 mellom de to delene 1A og 1B.

Fig. 3 viser en variant hvor den ytre tverrsnittskontur av måle-elementet 31 er den samme som på fig. 2A, det vil si åttekantet, mens det indre hulrom 33 har en sekskantet tverrsnittsprofil. Dette er i likhet med hulrommene 3, som har rombeform, velegnet for fremstilling i planarteknikk, særlig ved etsning. Foruten firkantet og

åttekantet ytre tverrsnittskontur kan det kjente måle-elementet fremstilles med mangekantet ytre tverrsnittskontur i andre varianter, så som et sekskantet tverrsnitt.

Den kjente trykksensoren som er beskrevet over er imidlertid spesielt tilpasset høye trykk.

Den foreliggende oppfinnelse representerer en videreutvikling av trykksensoren som beskrives i det norske patentet NO 304 328 og som er beskrevet over. Trykksensoren ifølge oppfinnelsen kan brukes i lavere trykkområder, dvs i området 0,5-100 bar. Oppfinnelsen består i hovedsak av en endring av hulrommets tverrsnitts-geometri, til et hulrom som i tverrsnitt har en vesentlig større høyde enn bredde. Utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet.

Figur 4 viser en første utførelsesform av hulrommet i måle-elementet ifølge oppfinnelsen. Hulrommet haren rektangulær tverrsnittsform, med en vesentlig større høyde enn bredde. Måle-elementet er satt sammen av to deler 100A og 100B som er identiske og som sammen danner det indre hulrom 103. Den ytre formen av måle-elementet er i utførelsesformen vist i fig. 4 mangekantet. Overflaten 105 strekker seg utover de langstrakte sideveggene som definerer høyden av måle-elementet. Denne konstruksjonen gir plass til sensor-organene på utsiden av måle-elementet slik som i den kjente utførelsesformen i fig. 1. Den minste utvendige bredden av måle-elementet må være om lag 100(im for at det skal være mulig å få plass til å kunne anbringe tilledere 15. Det benyttes her også piezo-elektriske elementer i brokopling som sensor-organer slik som i den kjente utførel-sesformen i fig.1. En typisk størrelse på hulrommet vil i følge den foreliggende oppfinnelse være en høyde på 4-6mm og bredde på 200nm, men bredden kan reduseres til for eksempel 100u,m . Høyden bør minst være fem ganger bredden av hulrommet for at den ønskede effekt skal oppnås. Sideveggene i dette modifi-serte hulrommet vil, når måle-elementet utsettes for trykkpåvirkning, presses inn-over. Dette medfører at de ytre overflatene til de to endene vil gi opphav til betyde-lig påvirkning av sensor-organene 15 anbrakt på utsiden av måle-elementet på disse endeflatene. Måle-elementet ifølge oppfinnelsen er imidlertid fremdeles vesentlig lengre enn det er bredt, og lengden kan være av størrelsesorden 100 ganger bredden. Som nevnt bestemmes bredden i stor grad av sensor-organene som skal plasseres på utsiden av måleelementet. Dersom piezo-resistive elementer benyttes som sensor-organer vil en typisk størrelse på signalene i trykkområdet 0,5-1 OObar være omkring 40 mVVVbar. Dette er et vesentlig større signal enn det som kan oppnås med den kjente utførelsesformen vist i figurene 1-3, som er mak-simalt 1mVA/bar. Innfestingen av måle-elementet kan for eksempel utføres som vist i figur 1 for den kjente sensoren utformet for svært høye trykk.

I figur 5 vises en annen utførelsesform av hulrommet spesielt til måling av høyere trykk. Her er forholdet mellom høyde og bredde redusert i forhold til utførelsesfor-men vist i figur 4. Figurene 6 og 7 viser alternative utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelse. I fig.6 er høyden økt ved at det er innskutt et tredje midtparti 100C mellom de to hoveddelene 100A og 100B. En slik midtdel kan også innskytes i den kjente utfør-elsesformen vist i figurene 1, 2A, 2B og 3 for å oppnå en vesentlig større høyde enn bredde. Denne utførelsesformen er vist i fig.8. Her oppnås et sekskantet indre hulrom 203, mens den ytre geometriske form blir åtte-kantet. Fig.7 viser enda en alternativ utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse der det inngår en midtdel for å øke høyden av hulrommet 103 i forhold til bredden av måle-elementet. Her er midtdelens sidevegger tynnere enn sideveggen til den øvre og nedre delen, men den indre formen til hulrommet er rektangulær. Den ytre geometriske formen til måle-elementet er 12-kantet. Høyden kan økes ytterligere ved at ytterligere midtdeler skytes inn mellom den øvre 100B og nedre 100A delen. Tverrsnittet av måle-elementet vil da utgjøres av minst fire lag.

I en alternativ utførelsesform kan hulrommet 103 være utstyrt med en skillevegg for dannelse av to kaviteter. De to kavitetene danner to enkeltkanaler som side ved side forløper i lengderetningen til måle-elementet. Høyden av hulrommene må være vesentlig større en summen av bredden av de to hulrommene.

Det brønnformede, dype hulrommet i den foreliggende oppfinnelse kan fremstilles ved bruk av reaktiv ione-etsing (RIE). Dette er en sammensatt teknikk der det først etses brønnformede fordypninger i elementet, og deretter legges på en beskyttel-sesfilm. Denne beskyttelsesfilmen fjernes ved fysisk etsing på utvalgte steder og hulrommet kan da gjøres dypere. RIE er en kjent teknikk som gjør det mulig å etse en fordypning i et planarelement der dybden er vesentlig større enn bredden.

Basert på planarteknikk kan de minst to delene måle-elementet består av sam-menføyes som nevnt ved for eksempel bruk av anodisk bonding eller eventuelt såkalt direkte bonding ("fusion bonding"). Delene kan også sammenføyes ved bruk av egnet lim.

Måle-elementets bredde bestemmes som nevnt av ledninger og tilkoplingspunkter som må ha plass på utsiden av de smale øvre endeflatene til elementet. Dette set-ter en nedre grense for hvor smalt måle-elementet kan være, og denne grensen er med dagens teknologi omlag 100|am.

I forbindelse med montering, pakking og innkapsling av måle-elementet, er det klart at dette på overflaten kan påføres en beskyttende film, f.eks. av Si3N4, eventuelt polyimidplast, slik at måle-elementet vil kunne eksponeres direkte for det aktuelle trykkmedium.

Også en rekke andre modifikasjoner og varianter er mulig innenfor rammen av oppfinnelsen som defineres av de vedføyde patentkravene, kanskje særlig knyttet til ønsket om å oppnå rasjonelle og økonomiske produksjonsprosesser. F.eks. kan delene måle-elementet i seg selv består av ha en sammensatt struktur hvor det kan inngå lag av ulike materialtyper. Ytterligere en mulig modifikasjon består i at sensor-organer kan være anordnet på mer enn én overflate av måle-elementet, f.eks. på to motsatt rettede hovedoverflater.

Claims (13)

1. Trykkmåler fortrinnsvis innrettet til å virke utvendig på et måle-element, idet måle-elementet har et sentralt hulrom forløpende i lengderetningen til måle-elementet og er sammensatt av minst to deler, som er fremstilt i planarteknikk og fortrinnsvis av silisium eller kvarts, og som er tettsluttende sammenføyet for dannelse av hulrommet, og omfattende sensor-anordninger i form av piezo-resistive elementer for måle-elementets mekaniske spenningstilstand under trykkpåvirkning, karakterisert ved at høyden til det sentrale hulrommet er i det minste av størrelsesorden fem ganger bredden.

2. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at det sentrale hulrommet omfatter to enkeltkanaler forløpende i lengderetningen til måle-elementet og som er anordnet side ved side.

3. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at hulrommet utgjøres av en øvre del og en nedre del, der den øvre og nedre delen er komplementære.

4. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at hulrommet er sammensatt av deler som danner et tverrsnitt med effektivt tre lag.

5. Trykkmåler ifølge krav 4, karakterisert ved at de tre lagene utgjøres av en øvre del, en nedre del, og en midtdel, der den øvre og nedre delen er komplementære, og midtdelen er innskutt for å øke høyden av hulrommet i forhold til bredden.

6. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at hulrommet er sammensatt av deler som danner et tverrsnitt med effektivt fire lag.

7. Trykkmåler ifølge krav 3 eller 5, karakterisert ved at den øvre og nedre delen er identiske i det minste for så vidt angår tverrsnittsformen og at hulrom er dannet ved RIE i delene fra den overflate som vender mot den andre delen.

8. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at den ytre tverrsnitts-form av måle-elementet er seks-, åtte- eller ti-kantet og symmetrisk om to lengdeplan.

9. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at hu Irommets tverrsnitt er rektangulært og symmetrisk om to lengdeplan.

10. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at hulrommets tverrsnitt er sekskantet og symmetrisk om to lengdeplan.

11. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at to av delene som danner måle-elementet er identiske i det minste for så vidt angående tverrsnittsformen.

12. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at måle-elementets deler er sammenføyet ved anodisk bonding eller ved såkalt direkte bonding.

13. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at den er innrettet til måling av fullskalatrykk i området 0,5-100 bar.