CZ20011930A3 - Tlakový snímač - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká nezapouzdřeného tlakového snímače k měření tlaku kapalného nebo plynného média a zejména tlakového snímače s odporovým uspořádáním z vodivých drah, které jsou uspořádány na substrátu ve formě polovodičového čipu.

Dosavadní stav techniky

K měření tlaku v kapalinách, například k měření krevního tlaku uvnitř cévy, je známo používat uvnitř katetru tlakový snímač, který obsahuje polovodičový čip, na němž se nachází odporové uspořádání. Polovodičový čip, který představuje substrát, je pod odporovým uspořádáním opatřen vybráním, takže na měřicím místě figuruje velmi tenká tloušťka stěny. V důsledku tlakového působení dochází u tenké stěny k ohybu, čímž vznikají u odporů odporového uspořádání různá prodloužení. Tímto způsobem může být podle změny napětí měřeného na odporovém uspořádání zjištěn tlak působící na substrát. Substrát je nalepen na nosné stěně, která se může nacházet rovněž v katetru, přičemž odporové uspořádání se nalézá na straně substrátu odvrácené od nosné stěny. Jelikož je tato strana vystavena působení média, jehož tlak má být měřen, je opatřena přídavnou pasivační vrstvou, která zabraňuje tomu, aby se médium s odporovým uspořádáním, popřípadě se substrátem, nedostalo do kontaktu.

• to · to to to ···· ··· · · · · « to to to · ··· ·· ·>« ·· ···

I když jsou všechny elektrické komponenty tlakového snímače pokryty vrstvou, může přece jen dojít k elektrokorozi, a to zejména, když je tlakový snímač provozován v elektricky vodivých kapalinách. Tato koroze pak vede k úbytku na snímači nebo k inherentní změně. Vzhledem k tomu působí eventuální poškození pasivační vrstvy bezprostředně na způsob funkce snímače. Konečně přináší použití takovýchto tlakových snímačů v krevním oběhu jisté problémy, neboť může dojít k fluidně podmíněným chybným měřením a k usazení částic krve.

Z DE 39 37 522 Al je znám polovodičový tlakový snímač, který obsahuje nosnou stěnu a polovodičový substrát. Otvor přenášející tlak se nachází v substrátu. Je vytvořen jako prohloubení v substrátu a ohraničen membránou. Odporové uspořádání se nachází na té straně substrátu, která doléhá na nosnou stěnu. Mezi substrátem a nosnou stěnou je pružné těsnění, které se však nevyskytuje v oblasti membrány.

Podstata vynálezu

Vynález si klade za úkol navrhnout nezapouzdřený tlakový snímač, který by nebyl citlivý vůči poškozením a vyznačoval by se malými rozměry a velkou přesností.

V souladu s předmětem tohoto vynálezu byl proto vyvinut tlakový snímač obsahující odporové uspořádání sestávající z vodivých drah uspořádaných na substrátu, dále obsahující nosnou stěnu, na níž je upevněn substrát, a tlakový přenosový otvor vytvořený v nosné stěně a protilehlý odporovému uspořádání, kterýžto otvor je rovnou stranou přivrácen k substrátu, přičemž substrát je tou stranou, na níž se nachází odporové uspořádání, přivrácen k nosné stěně a mezi nosnou stěnou a substrátem je uspořádána elastická mezivrstva, a přičemž jsou na straně substrátu nesoucí odporové uspořádání uspořádány kontaktní plochy, jehož podstata spočívá v tom, že na kontaktní plochy jsou naplocho připojeny připojovací kabely, které jsou ponořeny do vybrání nosné stěny.

Podle výhodného provedení vynálezu je tlakový přenosový otvor v podstatě vyplněn materiálem mezivrstvy.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu je odporové uspořádání uspořádáno na tenké membráně substrátu, která lícuje s povrchem substrátu přivráceným k nosné stěně, přičemž za membránou se nachází vybrání.

Vybrání substrátu může být odvzdušněno a pokryto hermetickou vrstvou.

Vybrání může být vyplněno izolační a elastickou umělou hmotou.

U tlakového snímače podle vynálezu je ta strana substrátu, na niž je uspořádáno odporové uspořádání, přivrácena k nosné stěně, přičemž mezi nosnou stěnou a substrátem je uspořádána pružná mezivrstva. U tohoto tlakového snímače jsou elektrické komponenty na substrátu chráněny mezi substrátem a nosnou stěnou. Pokud dojde působením vnějších vlivů na snímači k poškozením, nemá to na funkci vliv, neboť jsou zasaženy pouze povrchové strany substrátu nebo Čipu.

·· · ·*·· · · · »··· · * · » · · · ·

9 9 ··* ·· ·· * ·

Snímač může být provozován na základě chráněného umístění odporového uspořádání v elektricky vodivých kapalinách, aniž by mohla elektrokoroze vést ke ztrátám na snímači nebo k inherentní chybě. Pokud je zapotřebí izolačních vrstev, mohou být tyto nanejvýš tenké.

Nezapouzdřený tlakový snímač podle vynálezu umožňuje malorozměrové a ploché uspořádání a může být integrován do tenké nosné stěny v desetinách milimetru. Nosná stěna může být rovinná nebo zakřivená. Tlakový snímač nevykazuje dále žádnou světelnou citlivost, neboť elektricky eventuelně fotogalvanicky aktivní plochy jsou uspořádány bez možnosti osvětlení mezi substrátem a nosnou stěnou.

Pomocí vynálezu je realizováno nanejvýš ploché snímací zařízení bez přídavného pouzdra, které je obzvláště vhodné k měření tlaků v elektricky vodivých médiích. Izolační mezivrstva mezi nosnou stěnou a substrátem je pružná. To vysvětluje, že tato mezivrstva připouští určité posuvy snímače vzhledem k nosné stěně, takže substrát je na nosné stěně uložen plovoucím způsobem. Tím je dosaženo mechanického odpojení snímače od nosné stěny a je zajištěno, že mechanické nebo tepelné deformace nosné stěny nevyvolají žádné podstatné elektrické signály. S výhodou je pro mezivrstvu použit silikonový materiál.

Podle výhodného dalšího provedení vynálezu je odporové uspořádání na tenké membráně substrátu, která lícuje s povrchem substrátu přivráceným k nosné stěně, přičemž se za membránou nalézá vybrání. Průměr vybrání leží v rozmezí 0,1 až 0,6 mm, takže je vybrání příliš malé na to, aby bylo možno *4 * 4a·· « •444444 φ · · φ > 4 • · «44 444 •44 4 44 444 4· 444 běžným nástrojem jako například pinzetou dosáhnout na ponořeně uloženou tenkou membránu a poškodit ji.

Další výhoda spočívá v tom, že kabely mohou být bezprostředně upevněny lepením nebo cementováním, takže na spojovacím místě dojde k odlehčení. Dále je přípojná oblast v důsledku svého umístění mezi substrát a nosnou stěnu mechanicky chráněna.

Tlakový snímač podle vynálezu může být vytvořen jako absolutní tlakový snímač. Vybrání substrátu je přitom odvzdušněno a pokryto hermetickou vrstvou. Rovněž je možné vytvořit tlakový snímač jako diferenční tlakový snímač, přičemž obě strany nosné stěny a tím také obě strany tenké membrány jsou vystaveny různým tlakům.

Přehled obrázků na výkresech

Dále jsou blíže vysvětleny příklady provedení vynálezu s odvoláním na přiložené výkresy, na nichž značí:

obr. 1 řez prvním provedením tlakového snímače, který je zde vytvořen jako absolutní tlakový snímač;

obr. 2 pohled zespodu na substrát ve směru šipky II-II z obr. 1; a obr. 3 řez tlakovým snímačem, který je vytvořen jako diferenční tlakový snímač.

Φ φφφφ • φ φφφφ

Příklady provedení vynálezu

Tlakový snímač podle obr. 1 a 2 obsahuje nosnou stěnu 10, která ohraničuje tlak Pl, který panuje na jedné straně nosné desky 10 oproti okolí. Řekněme/ že v okolí panuje tlak P2. Nosná stěna 10, s výhodou silná pouze několik desetin mm, je vytvořena z pevného nepropustného materiálu,

7o-imóťi-= -T t/mrn V Π ř í r>3 Η (= ph <50 rmjnP7 TTlťlŤO ϊ ΑΓίη,Α ť C u . T -J — £ £--------------- ------ -------válcový nebo jiný tvarový díl.

Na nosné stěně 10 se nachází čip 11, který sestává ze substrátu 12, který na své spodní straně 13, která je přivrácena k nosné stěně 10, nese elektrické odporové uspořádání 14, které je znázorněno na obr. 2. Substrát 12 sestává z vysocečistého křemíku a má tloušťku asi 200 pm. V uvedeném případě se jedná o obdélníkovou destičku o velikosti 1 400 pm x 600 pm. Na substrátu 12 jsou vytvořeny vodivé dráhy 15 metodami depozice a leptání obvyklými u polovodičových produktů.

Současně s vodivými dráhami 15 jsou vytvořeny kontaktní plochy 16, které mohou být připojeny na venkovní kabely. Vodivé dráhy 15 jsou dále spojeny s odporovými můstky 17 k můstkovému spojení. V uvedeném případě se jedná o čtyři odporové můstky 17, které tvoří obvyklé můstkové spojení. Odporové můstky 17 sestávají z úzkých a proto vysokoohmových úseků vodivých drah 15. Odporové můstky 17 jsou uspořádány v oblasti membrány 18. Tato membrána 18 sestává z tenké stěny substrátu 12, která zůstala v oblasti vybrání 19. Vybrání 19 má pyramidový tvar se šikmými boky 20. Okrajová délka má hodnotu 250 pm. Tloušťka membrány 18 je asi 10 pm. Membrána 18 se nachází na spodní straně substrátu 12, takže

9999 999 9

9 9 9 9

999 9 9· 9·9

9·9 99 9999 tato spodní strana je vcelku rovná, tzn. neobsahuje žádné prohlubně ani vyvýšeniny.

Na kontaktních plochách 16 jsou přípojnými kabely 22 připojeny vodiče 21. Tyto přípojné kabely 22 jsou svými izolacemi fixovány prostřednictvím epoxidového lepidla 23 na nosné desce 10. V nosné desce 10 je vytvořeno vybrání 24, do něhož jsou ponořeny vodiče 21, takže jejich konce se nacházejí pod substrátem 12. Vybrání 24 je vyplněno izolační a elastickou umělou hmotou 25, podobnou elastické mezivrstvě 26.

Mezí spodní stranou čipu 11 a nosnou deskou 10 se nalézá rovněž elastická mezivrstva 26 ze silikonového materiálu. Tato vrstva 26 se rozprostírá nad celou spodní plochou substrátu 12, včetně membrány 18. Na mezivrstvě 26 je plovoucím způsobem nesen čip 11.

V nosné desce 10 je pod membránou 18 uspořádán tlakový přenosový otvor 27, který prochází celou tloušťkou nosné desky. Tlakový přenosový otvor je vyplněn náplni 28, která je tvořena materiálem mezivrstvy 26 nebo tlakovým přenosovým gelem. Spodní strana náplně 28 lícuje se spodní stranou nosné desky 10. To má za následek, že médium, které je ohraničeno nosnou deskou 10, nemůže vniknout do tlakového přenosového otvoru 27 a vytvořit tam usazeniny. Kromě toho nemohou vysoké rychlosti proudění na spodní straně nosné desky v důsledku beznárazového přechodu mezi nosnou deskou a náplní 28 vést k tlakovým artefaktům.

Horní strana čipu 11, která tvoří zadní stranu, je pokryta hermetickou vrstvou 29, která je například rovněž ·· · · « · · « « · • · · · « I » · • ···· · · a · β * · a • · · · · » » « ··· · ·· ♦·♦ ·* tvořena křemíkem. Tato vrstva 29 uzavírá nahoře vybrání 19. Vybrání 19 je odvzdušněno. Tlak, který působí přes náplň 28 na membránu 18, je tlak PÍ a přetvoření membrány 18 je závislé výhradně na tomto tlaku PÍ. Tlakový snímač je tudíž absolutní tlakový snímač.

Obr. 3 znázorňuje příklad provedení z obr. 1 v modifikačním provedení jako diferenční tlakový snímač. Od vrstvy 29 je zde upuštěno, takže na jednu stranu membrány 18 působí tlak PÍ a na druhou stranu tlak P2. Diferenční tlakový snímač měří tedy rozdíl PÍ - P2. Vybrání 19 může být přitom vyplněno tlakovým přenosovým gelem 30 nebo silikonem.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Tlakový snímač obsahující odporové uspořádání (14) sestávající z vodivých drah uspořádaných na substrátu (12), dále obsahující nosnou stěnu (10), na níž je upevněn substrát (12), a tlakový přenosový otvor (27) vytvořený v nosné stěně (10) a protilehlý odporovému uspořádání (14), kterýžto otvor (?7) jn rovnou stranou přivrácen k substrátu (12), přičemž substrát (12) je tou stranou (13), na níž se nachází odporové uspořádání (14), přivrácen k nosné stěně a mezi nosnou stěnou (10) a substrátem (12) je uspořádána elastická mezivrstva (26), a přičemž jsou na straně (13) substrátu (12) nesoucí odporové uspořádání (14) uspořádány kontaktní plochy (16), vyznačující se tím, že na kontaktní plochy (16) jsou naplocho připojeny připojovací kabely (22), které jsou ponořeny do vybrání (24) nosné stěny (10).
2. 2. Tlakový snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že tlakový přenosový otvor (27) je v podstatě vyplněn materiálem mezivrstvy (26) .
3. 3. Tlakový snímač podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že odporové uspořádání (14) je uspořádáno na tenké membráně (18) substrátu (12), která lícuje s povrchem substrátu přivráceným k nosné stěně (10), přičemž za membránou (18) se nachází vybrání (19).
4. 4. Tlakový snímač podle nároku 3, vyznačuj ící tím, že vybrání (19) ·· · • 4

   4444

   4 * • 4 • 4 • 4 • 4

   4 4

   4 4 4 4 · substrátu (12) vrstvou (29).

   je odvzdušněno a je pokryto hermetickou
5. 5. Tlakový vyznačuj í vyplněno izolační snímač podle nároků 1 cí se tím, že vybrání a elastickou umělou hmotou (25).

   až 4,