FI93059C - Kapasitiivinen paineanturirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Description

93059

Kapasitiivinen paineantuhrakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi

Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista kapasitiivistä paineanturi-5 rakennetta.

Keksintö koskee myös menetelmää kapasitiivisen paineanturirakenteen valmistamiseksi.

10 Seuraaviin julkaisuihin viitataan tekniikan tason kuvaamiseksi: USA:n patentit [1] U.S. Pat. No. 4 386 453 (Gianchino et ai.) 15 [2] U.S. Pat. No. 4 257 274 (Shimada et ai.) [3] U.S. Pat. No. 4 332 000 (Petersen) [4] U.S. Pat. No. 4 390 925 (Freud) [5] U.S. Pat. No. 3 397 278 (Pomerantz) [6] U.S. Pat. No. 4 589 054 (Kuisma) 20 [7] U.S. Pat. No. 4 628 403 (Kuisma) [8] U.S. Pat. No. 4 594 639 (Kuisma) : [9] U.S. Pat. No. 3 288 656 (Nakamura)

Julkaisut [l]-[5] koskevat kapasitiivista paineanturirakennetta, jossa toisena elektrodina 25 toimiva piikalvo taipuu kohti liikkumatonta metallielektrodia siten, että paineen sumentuessa elektrodit lähenevät toisiaan. Elektrodien liike toistensa suhteen on verrannollinen paineeseen. Julkaisuissa [6], [7] ja [8] esitetään kapasitiivinen paineanturi-rakenne, jossa toisena elektrodina toimiva piikalvo taipuu kauemmaksi liikkumattomasta metallielektrodista paineen kasvaessa. Julkaisussa [9] esitetään ensimmäisen kerran 30 menetelmä kahden piikiekon yhteenliittämisestä eli fuusiobondauksesta.

Aikaisemmin esitetyt kapasitiiviset paineanturirakenteet, jotka toimivat siten, että 2 95059 matalissa paineissa elektrodit ovat lähimpänä toisiaan, on esitetty julkaisuissa [6], [7] ja [8]. Esitetyn kaltaisen paineanturirakenteen painealue on hyvin laaja. Anturiraken-teen kapasitanssin herkkyys paineen suhteen on suurin pienissä paineissa elektrodien ollessa hyvin lähellä toisiaan, joten on mahdollista mitata painetta erittäin tarkasti 5 myös pienissä paineissa. Tyhjökammion läpi ei tarvitse tehdä johtimien läpivientiä, mikä edesauttaa stabiilin tyhjön aikaansaamista. Tyhjökammio on suljettu lasilevyllä tai piikiekolla, jonka päällä on lasikerros. Anturin toiseksi kondensaattorilevyksi on siis muodostunut kartiomaisen tyhjökammion pinta-alastaan pienempi pää. Toisin sanoen tyhjön muodostava kartio aukeaa poispäin anturikalvosta.

10

Tunnetun tekniikan mukaisten rakenteiden haittoja ovat: 1. Piin ja lasin erilaisten lämpölaajenemiskertoimien vuoksi taipuvaan kalvoon kohdistuu jännityksiä, jotka aiheuttavat anturiin merkittävää lämpötilariippuvuutta.

15 2. Tyhjökammion jäännöskaasut aiheuttavat epästabiilisuutta pitkällä aikavälillä.

3. Anturin koko on ollut liian suuri halpaa massatuotetta ajatellen. Anturien lukumäärä kiekkoa kohti on ollut liian pieni.

20 4. Anturirakenteet ovat olleet monimutkaisia vaatien useita litografiaprosesseja. Jotta « « 1 anturin saannosta saataisiin hyvä, tulisi rakenteen ja prosessin olla mahdollisimman yksinkertainen.

25 5. Koska anturielementtinä toimiva kalvo on kartiomaisen tyhjökammion pienempi pääty, on toinen, pinta-alaltaan suurempi pääty ollut anturielementin kokoa kasvattava tekijä. Toisin sanoen tavoiteltaessa tiettyä anturikalvon pinta-alaa, on käytössä olevan anturitekniikan vuoksi tyhjökammion toisen pään koko vähentänyt piikiekolle mahtuvien anturien lukumäärää.

30 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ,, ja aikaansaada aivan uudentyyppinen kapasitiivinen paineanturirakenne ja menetelmä 3 93059 sen valmistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että 5 1) Anturirakenteen tyhjökammio suljetaan fuusiobondaamalla kaksi piipintaa yhteen.

2) Taipuvaksi tarkoitettu piikalvo ohennetaan kammion sulkemisen jälkeen.

10 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle kapasitiiviselle paineanturille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa.

15

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Valmistusprosessi ja anturirakenne ovat erittäin yksinkertaiset. Anturirakenne saadaan erittäin pieneksi jahalvaksi. Anturi toimii laajalla painealueella. Minimoimalla anturin 20 koko voidaan päästä mahdollisimman halpaan anturirakenteeseen. Yksinkertaisen prosessin avulla «m mahdollista päästä hyvään saantoon ja minimoida valmistuskustannukset.

Eräs keksinnön eduista on mahdollisuus tehdä tyhjökammion tilavuudesta suuri 25 säilyttäen kuitenkin anturin pinta-ala mahdollisimman pienenä. Tyhjökammion jäännöskaasut aiheuttavat nollapisteen lämpötilariippuvuutta, jota voidaan vähentää mahdollisimman suurella tyhjökammion tilavuudella. Tässä keksinnössä on esitetty ensimmäisen kerran anturirakenne, jonka tyhjökammiossa ei ole mitään muuta materiaalia kuin piitä. Tiedetään, että rakenteissa, joissa tyhjökammio on suljettu lasin 30 avulla lasiin imeytyy helposti kaasuja, jotka vapautuessaan aiheuttavat epästabiilisuutta pitkällä aikavälillä. Anturin pinta-ala on mahdollisimman pieni, koska tyhjökammion valmistuksessa ei menetetä pinta-alaa tyhjökammion viistoihin seinämiin kuten 4 93059 rakenteissa, jotka on julkaistu aiemmin [6], [7].

Tämän keksinnön etu on myös se, että hermeettinen liitos on tehty pii/pii-rajapinnal-le, jolloin hermeettisyys voidaan aikaansaada helposti tunnetulla menetelmällä 5 tavanomaisia pintakäsittelyjä hyväksikäyttäen [9]. Anodisesti bondatulla lasi/pii-raja-pinnalla ei esitetyssä rakenteessa ole hermeettisyysvaatimusta.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

10

Kuvio 1 esittää sivukuvantona yhtä keksinnön mukaista kapasitiivista paineanturia.

Kuvio 2 esittää sivukuvantona toista keksinnön mukaista kapasitiivista paineanturia.

15 Kuvio 3 esittää sivukuvantona kolmatta keksinnön mukaista kapasitiivista paineanturia.

Kuvio 4 esittää sivukuvantona neljättä keksinnön mukaista kapasitiivista paineanturia. 20 Kuvio 5 esittää yläkuvantona kuvion 4 mukaisen ratkaisun pii/lasirajapintaa.

• · · ‘. Kuviot 6a - 6g esittävät sivukuvantoina keksinnön mukaisen menetelmän eri vaiheita.

Kuvio 7 esittää sivukuvantona keksinnön mukaista ylipainesuojalla varustettua 25 kapasitiivista paineanturia.

Kuvio 8 esittää sivukuvantona keksinnön mukaista kapasitiivista paine-eroanturia.

Kuvissa 1, 2, 3 ja 4 on esitetty esimerkkejä tämän keksinnön mukaisista paineanturira-30 kenteista, joissa piikalvo taipuu kauemmas metallielektrodista paineen kasvaessa ja joissa tyhjökammio on suljettu piilevyllä. Anturirakenteet on kuvattu yksittäisinä : * antureina. Valmistusteknisesti anturit valmistetaan kuitenkin matriisina kiekkomaisille li 5 93059 levyille, joista yksittäiset anturielementit sahataan irti. Keksinnön edullisessa rakenteessa tyhjökammio on valmistettu piihin tavanomaisin mikromekaniikan menetelmin paksuun piikiekkoon ja suljettu kammio ohuemmalla piikiekolla, jota on ohennettu edelleen piikiekkojen liittämisen jälkeen. Kuvioissa 6a - 6g on havainnollis-5 tettu tämän keksinnön mukainen valmistusmenetelmä.

Kuviossa 1 esitetyssä anturiversiossa paksuun piikiekkoon 1 on valmistettu tavanomaisin mikromekaniikan menetelmin tyhjökammio 21, jonka viistot seinämät 11 eivät vie ylimääräistä pinta-alaa pieneen anturikokoon pyrittäessä. Keksinnön mukaisesti 10 piikalvoon 2 muodostetun, anturikondensaattorin toisena elektrodina toimivan kalvon 4 ja seinämän 11 välinen kulma a on pienempi tai yhtä suuri kuin 90°. Kulma a määritellään kulmaksi, joka muodostuu kalvon 4 ollessa jännityksettömässä tilassa. Tyhjökammion 21 leveys määrää taipuvan kalvon 4 leveyden, joka on tärkeimpiä anturin dimensioita tiettyyn sovellutukseen pyrittäessä. Tyhjökammion 21 sisältävään 15 kiekkoon 2 on liitetty fuusiobondaamalla ohut piikiekko 2. Tasaiset piipinnat on käsitelty tavanomaisin piipintojen pesumenetelmin ja asetettu päällekkäin tyhjössä sekä vahvistettu liitos lämpökäsittelyllä. Kuviossa 1 ohennettu piikiekko 2 muodostaa taipuneen kalvon 4 sekä peruskapasitanssin määräävän ilmaraon 23. Tyhjökammion 21 syvyyttä rajoittaa käytetyn piikiekon paksuus, joka on tyypillisesti 500 - 1500 /im. 20 Kalvo 4 tai ainakin sen alapinta seostetaan johtavaksi. Tyypillinen seostus on 1018 epäpuhtausatomia/ cm3 •

Ohut, taipunut kalvo 4 on koko prosessoinnin ajan paksuun piikiekkoon 1 liitettynä, mikä on olennaista hyvään saantoon pyrittäessä, jottei kalvo rikkoonnu prosessoinnis-25 sa. Taipuvan kalvon 4 paksuus on tiedettävä anturin paineherkkyyden määrittämiseksi, mutta koska kalvo 4 on kiinni paksussa kiekossa sen paksuutta ei voida mitata tavanomaisin menetelmin. On kuitenkin mahdollista mitata kalvon 4 taipumaprofiili optisesti ja laskea kalvon paksuus taipumasta. Ohennettuun, tasaiseen piipintaan liitetään metallielektrodin 5 tukilevy 3 esimerkiksi anodisesti bondaamalla perusmateri-30 aalina olevan lasin toimiessa eristeenä.

: Kuviossa 2 on esitetty edellisen kaltainen anturirakenne, joka kuitenkin eroaa 6 93059 ilmaraon 23 paikan suhteen kuvion 1 rakenteesta. Ilmarako 23 on valmistettu lasiin 3 kun se kuvion 1 rakenteessa oli piikiekon 2 piissä. Anturin kriittisin dimensio on ilmaraon syvyys ja sen valmistaminen on hallitumpaa homogeeniseen lasiin kuin piihin, jossa piin syövytysnopeuteen vaikuttaa mm. piikiekon resistiivisyys.

5

Kuviossa 3 on esitetty rakenne, jossa metallielektrodin 5 tukilevynä on piikiekko 3, jonka päällä on ohut lasikerros 6 kuten viitteessä [6]. Ilmarako 23 on syövytetty levyn 2 piihin.

10 Kuviossa 4 on esitetty rakenne, jossa ilmarako ja kiekon 2 sähköinen eristys elektrodista 5 on aikaansaatu ohuella lasikerroksella 6. Kuvion leikkaustaso on ulkoisen paineyhteen kohdalla.

Kuviossa 5 on esitetty rakenne ylhäältä katsottuna metallielektrodia 5 tukevan levyn 15 3 ja ohennetun piikiekon rajapinnalta. Pii/lasi-liitospintaa on kuvattu viitenumerolla 15. Ulkoinen paineyhde 13 on muodostettu toisen kondensaattorilevyn metalloinnin 5 kohdalle.

Kuvioiden 6a - 6g mukaisesti anturi valmistetaan seuraavasti: 20 a) Valmistetaan tyypillisesti 500-1500 /im paksuun piikiekkoon 1 tavanomaisin ’/ litografiamenetelmin tyhjökammio 21, jonka syvyys on 100-1000 /im. Piin syövytys tapahtuu esimerkiksi 3 - 50 %:n kaliumhydroksidiliuoksella syövytysnopeuden ollessa tyypillisesti 0,5 - 1 μπι/min. Normaalikiekolla kammion 23 sivut muodostuvat 25 viistoiksi siten, että kammiosta 23 muodostuu kartiomainen.

b - c) Liitetään tyhjökammiot sisältävään piikiekkoon 1 fuusiobondaamalla toinen piikiekko 2, jonka paksuus on tyypillisesti 200 - 400 μιη. Ennen fuusiobondausta piipinnat käsitellään esimerkiksi kuumalla typpihapolla, RCA-pesulla tai H2S04/H202-30 pesulla.

.. d - e) Ohennetaan kalvo 2 erittäin ohueksi 1-100 μπι kalvon paksuuden ollessa

II

93059 7 tyypillisesti 20 μτη. Ohennettu kalvo 2 on koko prosessoinnin ajan tuettuna paksuun kalvoon. Tarvittaessa ohennetaan kalvoa 2 edelleen onkalon 21 kohdalta, jotta anturikalvon 4 alapuolelle saataisiin muodostettua ilmaväli toiseen elektrodiin nähden.

5 f - g) Liitetään taipuvan kalvon 4 sisältävät yhdistetyt piikiekot metallielektrodin 5 eristävään tukilevyyn 3.

Kuviossa 7 on esitetty kuviossa 1 esitetyn kaltainen rakenne, joka sisältää yli-painesuojan 17. Ylipainesuoja 17 saadaan, jos osa kammion pohjasta syövytetään 10 syvyyteen, joka vastaa haluttua kalvon 4 suurinta taipumaa. Anturi voidaan altistaa myös hyvin suurille paineille, koska kalvo taipuu ylipainesuojaa 17 vastaan rikkoutumatta.

Kuviossa 8 on esitetty paine-eroanturi, jossa kammioon on porattu tai syövytetty 15 reikä 19 ulkoisen paineen päästämiseksi tilaan 23.

Kontaktit anturin kondensaattorielektrodeihin voidaan tehdä myös lasialustan 3 läpi tehtyjen läpivientien kautta. Läpiviennit voidaan toteuttaa joko mekaanisesti tai kemiallisesti. Läpiviennit sputteroidaan sopivalla metallilla sähköisten kontaktien 20 muodostamiseksi. Tällä ratkaisulla voidaan piikiekolle mahtuvien anturien määrää kasvattaa.

«

Claims (8)

93059

1. Kapasitiivinen paineanturirakenne, joka käsittää 5. yhtenäisen kaivorakenteen (2), josta ainakin osa on sähköä johtava anturina toimivan kondensaattorin ensimmäisen elektrodin (4) muodostamiseksi, - kaivorakenteen (2) ensimmäiselle pinnalle kiinteästi yhdistetyn tukilevyn (3), joka käsittää 10 - kondensaattorin toisen elektrodin (5) välimatkan päässä ensimmäisestä elektrodista (4) ja oleellisesti tämän kohdalla, ja - kaivorakenteen (2) toiselle pinnalle kiinteästi yhdistetyn piirakenteen (1), joka 15 on varustettu tilalla (21) ensimmäisen elektrodin (4) taipumisen mahdollistami seksi, tunnettu siitä, että 20. tilan (21) pystyseinämien (11) ja ensimmäisen elektrodin (4) välinen kulma a on pienempi tai yhtä suuri kuin 90°, ja • · f - tilaa (21) ympäröivä materiaali on piitä tai seostettua piitä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kapasitiivinen paineanturirakenne, tunnettu siitä, että tilan (21) sisälle on muodostettu ensimmäisen elektrodin (4) liikettä rajoittava uloke (17).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kapasitiivinen paineanturirakenne, tunnettu 30 siitä, että tila (21) on tyhjökammio.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kapasitiivinen paineanturirakenne, tunnettu 93059 siitä, että tila (21) on kanavalla (19) yhdistetty anturin ulkopuolelle.

5. Menetelmä kapasitiivisen paineanturin valmistamiseksi, jossa menetelmässä muodostetaan anturi rakenne, joka käsittää 5 - yhtenäisen kaivorakenteen (2), josta ainakin osa on sähköä johtava anturina toimivan kondensaattorin ensimmäisen elektrodin (4) muodostamiseksi, - kaivorakenteen (2) ensimmäiselle pinnalle kiinteästi yhdistetyn tukilevyn (3), 10 joka käsittää - kondensaattorin toisen elektrodin (5) välimatkan päässä ensimmäisestä elektrodista (4) ja oleellisesti tämän kohdalla, ja 15. kaivorakenteen (2) toiselle pinnalle kiinteästi yhdistetyn piirakenteen (1), joka on varustettu tilalla (21) ensimmäisen elektrodin (4) taipumisen mahdollistamiseksi, tunnettu siitä, että 20 - piirakenteessa (1) olevan tilan (21) päälle yhdistetään oleellisesti tyhjöolosuh- : teissä fuusiobondaamalla piimateriaalia oleva levyrakenne (2), - levyrakennetta (2) ohennetaan piimikromekaanisin menetelmin ensimmäisen 25 elektrodin (4) muodostamiseksi ja - ensimmäisen elektrodin (4) sisältävä piirakenne (1) yhdistetään toisen elektrodin (5) sisältävään tukilevyyn (3).

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tilan (21) sisälle muodostetaan ensimmäisen elektrodin (4) liikettä rajoittava uloke (17). 93059

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tila (21) muodostetaan tyhjökammioksi.

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tila (21) 5 yhdistetään kanavalla (19) anturin ulkopuolelle. • · 9όϋ59 Paten tkrav: