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Die Erfindung bezieht sich auf eine Differenzdruck-Messzelle mit einer Messmembran, weiche zu beiden Seiten mit einem Fluid beaufschlagbar ist, weiches über jeweils einen Messanschluss mit jeweils einer Seite der Messmembran in Verbindung steht.
Aus der EP 167 941 ist eine Differenzdruck-Messzelle mit einer Halbleiter-Messmembran bekannt geworden, bei welcher die Messmembrane mit Dichtflächen ausgebildet ist, welche sich bel Überschreiten eines vorbestimmten Differenzdruckes an die Druckzuleitungen anpressen und diese auf diese Weise verschliessen. Die Druckzuleitung mündet hiebei In einer Ringnut im Gehäuse. Die Messmembran selbst ist in einen mittleren als Messmembrane wirksamen Teil und eine diese Messmembrane umgebende Verdickung ausgebildet, auf welcher Dichtflächen für die jeweils andere Druckzuleitung, weiche wiederum in Ringnuten mündet, ausgebildet sind.
Die eigentliche Messmembran ist hiebei auf einen kleinen Teilbereich einer beweglichen Wand beschränkt, um den entsprechenden Hub für ein Verschliessen der jeweiligen Druckzuleitungen zu gewährleisten, wobei der aussenliegende Teil dieser beweglichen Wand, dessen mittlerer Bereich die Messmembrane bildet, entsprechend flexibler ausgebildet ist und der mittlere die Messmembran bildende Bereich eine entsprechend dickere Wandstärke aufweist, um unzulässige Verformungen bzw. Beschädigungen des zentralen Bereiches, in welchem beispielsweise Dehnungsmessstreifen angeordnet sind, zu verhindern.
Mit einer derartigen Ausbildung wird allerdings eine Mindeststärke der Messmembran vorausgesetzt, weiche im Falle eines Schliessens der Membran an derjenigen Seite, an welcher die ringförmigen Verdickungen angeordnet sind, den vollen Differenzdruck zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem Schliessen noch aufnehmen muss, wodurch stossartige Belastungen dieser Membran unter gegebenenfalls unzulässiger Durchbiegung nicht verhindert werden können. Prinzipiell wird die bewegliche Wand nach Art eines Rückschlagventiles wirksam und stellt selbst die Überlastsicherung dar, wodurch sie beim Schliessvorgang aufgrund einer Überlast hohen Stosskräften ausgesetzt ist.
Differenzdruck-Messzellen konventioneller Bauart wurden bereits mit zusätzlichen Membranen ausgebildet, welche eine Überlastsicherung darstellen. Derartige konventionelle Einrichtungen erfordern jedoch einen hohen Montageaufwand.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Differenzdruck-Messzelle zu schaffen, bel welcher überaus empfindliche Halbleitermessmembranen eingesetzt werden können, welche gleichzeitig bei überaus geringem Fertigungs- und Montageaufwand auch die bekannte Funktion einer Überlastsi- cherung bieten.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemässe Ausbildung der Diffe- renzdruck-Messzelle im wesentlichen darin, dass belden Seiten der Messmembran jeweils eine zusätzliche verformbare Hilfsmembran zugeordnet ist, deren jeweils einem Messanschluss zugewandte Seite mit der Messmembran in offener Verbindung steht und deren jeweils diesem Messanschluss zugewandte Seite eine Dichtfläche trägt, weiche bei Verformung der Hilfsmembran In dichtende Anlage an den Messanschluss verformbar ist, und dass die Messmembran und die Hilfs- membranen als strukturierte Schichten eines Chips ausgebildet sind und im wesentlichen aus Si bzw. Polysilizium und/oder Glas bestehen.
Dadurch, dass nicht nur die Messmembran sondern auch
Hilfsmembranen vorgesehen sind, kann die Messmembran bei Überlast, d. h. bei unzulässig hoher
Druckdifferenz, sicher gegen übermässige Stossbeanspruchung geschützt werden und es wird gleichzeitig dadurch, dass die Messmembran und die Hilfsmembranen aus strukturierten Schichten eines Chips ausgebildet sind, eine Ausbildung geschaffen, welche sich durch mikromechanische
Bearbeitung besonders leicht und kostengünstig herstellen lässt.
Dadurch, dass jeweils die einem
Messanschluss zugewandte Seite mit der Messmembran in offener Verbindung steht und lediglich die
Hilfsmembran an ihrer jeweils dem zugeordneten Messanschluss zugewandten Seite eine Dichtflä- che trägt, wird lediglich die Hilfsmembran im Schliessfalle stossartig belastet und es können der- artige Stossbelastungen von der Messmembrane ferngehalten und von den Hilfsmembranen aufge- nommen wer-den. Insgesamt lässt sich eine derartige Ausbildung in einfacher Weise durch aus- schliesslich mikromechanische Bearbeitung so ausbilden, dass die Stossbeanspruchung beim Schlie- ssen nur gedämpft auf die Messmembrane wirksam wird.
In vorteilhafter Weise ist die Ausbildung hiebei so getroffen, dass die Messmembran an einander diametral gegenüberliegenden Seiten mit der jeweils benachbarten Hilfsmembran an der der Einspannstelle der Hilfsmembran gegenüber- liegenden Seite unter Zwischenschaltung von Distanzelementen dichtend verbunden ist.
Die Mess- membran kann hiebei entsprechend der geforderten Empfindlichkeit grossflächig und/oder dünner ausgebildet sein und eine entsprechende Zahl von Sensoren, insbesondere von integrierten Piezo-
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resistoren oder kapazitiven Messzellen tragen, welche die Empfindlichkeit bedeutend steigern, da die Anordnung und die Ausgestaltung der Messmembrane selbst keinen wie immer gearteten Einschränkungen unterworfen ist, wie sie beispielsweise durch die Anordnung von Dichtflächen an der Messmembran notwendigerweise vorausgesetzt werden müssten. Es kann somit je nach gewünschter Empfindlichkeit in einfacher Weise durch mikromechanische Bearbeitung die gewünschte Struktur ausgebildet werden, wobei auf die Art und die Anordnung der Druckmittelzuleitung keine Rücksicht genommen werden muss.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung so getroffen, dass der aus Membranen und Distanzelementen hergestellte Aufbau monolithisch aufgebaut ist. Für die mikromechanische Bearbeitung der Struktur von übereinander angeordneten einzelnen Waferplättchen können konventio- nelle mikromechanische Bearbeitungstechnologien eingesetzt werden, wobei die einzelnen Wafer in der Folge lediglich entsprechend miteinander verbunden werden müssten, was wiederum durch einfaches Verkleben oder Bonden mit konventionellen Methoden gelingt. Der mechanische Aufbau gestaltet sich auf diese Weise wesentlich einfacher, da auch mehrschichtige Konstruktionen mit mikromechanischer Bearbeitung wesentlich einfacher herzustellen sind, als der mechanische Zusammenbau diskreter gesonderter Bauteile.
Die erforderliche Elastizität kann durch einfache Ätzschritte mit hoher Präzision eingestellt werden und aufgrund der gewählten Struktur kann ein hohes Mass an Elastizität ohne Überlastung einer der Membranen gewährleistet werden, was insbesondere dadurch besonders einfach gelingt, dass sich die Messmembran jeweils gegensinnig zur Bewegung der Hilfsmembranen bewegen lässt.
Ohne Beeinträchtigung der Präzision und der Eigenschaften der Messmembran gelingt es erfindungsgemäss, wie es einer bevorzugten Ausführung entspricht, dass die den Dichtflächen benachbarten Bereiche der Hilfsmembranen mit geringerer Dicke oder elastischer Struktur ausgebildet sind. Für die Elastizität der Hilfsmembranen, welche die Dichtfunktion im oberlastfall übernehmen müssen, können somit beliebig grosse Bereiche auf entsprechend geringere Dicke abgesetzt oder entsprechend strukturiert ausgebildet werden, ohne dass auf die für eine präzise Messung erforderliche Geometrie der Messmembran Rücksicht genommen werden muss. Mit Vorteil ist die Ausbildung hiebei so getroffen, dass die Mebranen an ihren Rändern über Distanzelemente aus Si bzw.
Glas miteinander gebondet sind, wobei mit Vorteil die Dichtflächen der Hilfsmembranen aus poliertem Polysilizium bzw. Si oder einem polierten Glas bestehen.
Prinzipiell werden derartige Differenzdruckmesszellen In der Regel gekapselt ausgebildet und tragen an ihrer Aussenseite noch entsprechende Sperrmembranen, sodass die Messzelle und die
Hilfsmembranen selbst mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt werden können. Der zu messende
Druck gelangt hiebei auf die Sperrmembranen zur Wirkung, wobei die Druckdifferenz über das im
Inneren der Messzelle enthaltene Übertragungsfluid auf die Messmembrane zur Wirkung gelangt. Zu diesem Zweck ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, dass die Hohlräume des mehrschichtig aufgebauten Chips mit einem Übertragungsfluid, insbesondere Öl, gefüllt sind und die Messanschlüsse des Chips mit einer elastischen Dichtmembran gegenüber dem Übertragungsfluid abgedichtet sind.
Mit der erfindungsgemässen Ausbildung kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, dass die Hilfsmembranen bei Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz den Messanschluss mit dem niedrigeren Druck abschliessen. Da ein entsprechend grossflächiger Anschluss aufgrund der Ausbil- dung der Dichtflächen an den Hilfsmembranen ohne weiteres realisiert werden kann, kann es nach einem Verschliessen der entsprechenden Seite mit dem niedrigeren Druck zu einem Anhaften kommen, was insbesondere bei präzise bearbeiteten hochpolierten Dichtflächen zur erwarten ist.
Um in diesen Fällen ein sicheres Trennen in der Folge wieder zu gewährleisten, ist mit Vorteil die
Ausbildung so getroffen, dass die den Dichtflächen des Messanschlusses benachbarten Wandberei- che der Messzelle dünnwandiger ausgebildet sind, und in Richtung einer Trennung der Dichtflächen nach dem Schliessen und mit Druckfluid beaufschlagbar sind bzw. dass die Dichtflächen der Hilfs- membranen und/oder die den Messanschlüssen benachbarten Gegenflächen als Piezovibratoren ausgebildet sind und zur Erzielung einer Vibration zur Unterstützung der Öffnungsbewegung mit einer Stromquelle verbindbar sind, sodass es nicht nur gelingt, den jeweiligen Anschluss sicher und dichtend zu verschliessen, sondern in der Folge auch eine sichere Trennung zu erzielen.
Um eine entsprechende gedrosselte Zuführung der Druckdifferenzen auf die Messmembrane selbst zur Wirkung gelangen zu lassen, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, dass die den
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jeweiligen Messanschluss mit einer Seite der Messmembran verbindenden Kanäle einer sich zur Messmembran verjüngenden konischen Querschnitt aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Erstausbildung der Halbleitermesszelle schematisch im Schnitt, Fig. 2 eine weitere abgewandelte Ausbildung, Fig. 3 eine abgewandelte Ausbildung, bei welcher die Anzahl der verwendeten Schichten verringert wurden, Fig. 4 eine Differenzdruck-Messzelle in ihrer fertig zusammengebauten und gekapselten Ausbildung und Fig. 5 eine schematische Darstellung der relativen Lagen der Membran bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Druckdifferenz.
In Fig. 1 ist ein mehrschichtiger Aufbau einer Messzelle ersichtlich, bel welcher eine Reihe von Wafern durch mikromechanische Bearbeitung, insbesondere Ätzen, bearbeitet und übereinander gelegt wurden. Ausgehend von einem ersten Silizium- oder Glaswafer 1, in welchem die Einlassöffnung 2 für einen Druckanschluss bzw. Messanschluss vorgesehen ist, wird unter Zwischenschaltung von aus einem Glas- oder Siliziumwafer 3 ausgebildeten Distanzstück eine erste Hilfsmembran 4 aus Silizium strukturiert. Zur Ausbildung elastisch verformbarer Bereiche ist eine meandrierende Strukturierung 5 vorgesehen, welche eine elastische Verformung der Hilfsmembran 4 ermöglicht.
Im Schichtaufbau folgt eine weitere Glas- bzw. Si-Waferschicht 6, weiche wiederum als Distanzelemente ausgebildet ist, wobei gleichzeitig ein freies Ende der Hilfsmembran 5 über ein derartiges Distanzelement 6 mit einem freien Ende der Messmembran 7 gebondet ist. Die eigentliche Messmembran besteht hiebei aus den auf geringeren Querschnitt abgesetzten Bereichen 8, an welchen Piezoresistoren 9 angeordnet sind. Seitlich der Messmembran 7, ebenso wie seitlich der ersten Hilfsmembran 5, ist ein durchgehender Kanal 10 mit jeweils sich verengenden Querschnitten zur Dämpfung des Fluidflusses vorgesehen, welcher in eine geschlossene Kammer 11 an einer Seite der Messmembran 7 mündet.
Die Kammer wird hiebei wiederum durch Anordnung von aus einem Glaswafer ausgebildeten Distanzstücken 12 begrenzt, wobei die Kammer 11 in offener Verbindung mit der Kammer 13, weiche dem Druckanschluss 2 benachbart ist, steht. Eine Beaufschlagung der Kammer 13 und der Kammer 11 mit einem Druck P1 führt hiebei zu einer Bewegung der ersten
Hilfsmembran in Richtung des Pfeiles 14 und zu einer gegenläufigen Bewegung der Messmembran 7 in Richtung des Pfeiles 15. Ober die Distanzstücke 12, die wiederum aus Glas oder Si ausgebildet sein können, schliesst die zweite Hilfsmembrane 16 an und es ist wiederum ein Anschluss 17 als zweiter Messanschluss ausgebildet, welcher in einem Silizium- oder Glaswafer 18 angeordnet ist
Dazwischen wurden wiederum Distanzelemente 19 durch mikromechanische Verfahren aufge- bracht.
Ein über den Messanschluss 17 angelegter Druck P2 breitet sich über die Kammer 20 und die wiederum durchgehenden Kanäle 21 in den Raum 22 an der Rückseite der Membran, sodass auch hier eine Beaufschlagung mit einem Druck P2 prinzipiell zu einer gegenläufigen Bewegung der
Hilfsmembran 16 zur Messmembran 7 führt.
Bei der Darstellung nach Fig. 2 wurden die elastisch verformbaren Bereiche der Hilfsmem- branen 4 und 16 als Bereiche geringerer Querschnittsdicke ausgebildet, sodass hier ebenso eine elastische Verformung ermöglicht wird, wobei diese Bereiche entsprechend der gewünschten
Elastizität bemessen werden können. Die Messmembran selbst, die hier wiederum mit 7 bezeichnet ist, kann ebenso wie bei der Ausbildung nach Fig. 1 ausgebildet sein, sodass durch entsprechende
Bearbeitung der Hilfsmembranen 4 und 16 die jeweils zulässigen Grenzdruckdifferenzen eingestellt werden können.
Die den jeweiligen Anschlüssen 2 bzw. 17 zugewandten Flächen 23 und 24 sind ebenso wie die entsprechenden Gegenflächen 25 und 26 poliert ausgebildet, sodass bei einem Anschlagen der
Membranen 4 bzw. 16 an diesen Gegenflächen 25 bzw. 26 unmittelbar ein dichtender Abschluss erzielt wird. Um in der Folge die Öffnung auch dann zu ermöglichen, wenn im Zuge des dichten
Schliessens die beiden polierten Flächen aneinander haften, sind jeweils dünne Wandbereiche 27 und 28 im Bereich der polierten Anschlagflächen 25 und 26 vorgesehen, weiche über gesonderte
Kanäle 29 und 30 mit Druck beaufschlagt werden können, um ein Lösen der Hilfsmembranen 4 bzw. 16 zu ermöglichen.
Bei der Ausbildung nach Fig 3 wird eine entsprechend geringere Anzahl von Schichten im
Aufbau verwendet, wobei die jeweiligen Membranen mit den gleichen Bezugszeichen wie in den
Fig. 1 und 2 bezeichnet sind. Auch hier Ist durch entsprechende Bohrung prinzipiell die gleiche Art der Beaufschlagung der Membran vorgesehen und der Raum 13 steht mit dem Raum 11 sowie der
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Raum 20 mit dem Raum 22 in offener Verbindung, wodurch wiederum eine gegenläufige Bewegung der Messmembrane 7 zur Bewegung der jeweiligen Hilfsmembranen 4 bzw. 16 erzielt wird. Da die beiden Hilfsmembranen 4 und 16 in einer gemeinsamen Ebene liegen, können insgesamt zwei Schichten eingespart werden, wobei der Halbleitersensor insgesamt flacher baut.
Bei der Darstellung nach Fig. 4 ist nun die fertig zusammengebaute Differenzdruck-Messzelle ersichtlich, wobei äussere Abdeckmembranen 31 und 32 in den Gehäuseteilen 33 und 34 vorgesehen sind und die Messzelle selbst vollständig mit inkompressiblem Fluid gefüllt ist. Der Druck wird somit unter Zwischenschaltung der Membranen 31 und 32 auf das Fluid im Inneren der Messzelle übertragen und auf diese Weise der Differenzdruck gemessen. Die beiden Gehäuseteile 33 und 34 werden mittels Spannschrauben 35 miteinander verbunden, wobei Dichtungen 36 zwischen den Halbleiterbauteilen und dem Gehäuse angeordnet sind, sodass ein abgedichteter Hohlraum gebildet wird, in weichem die elektrische Kontaktierung bei 37 erfolgen kann.
In Fig. 5 ist nun die Verschiebelage der einzelnen Membranen bei einem Messsensor nach Fig. 2 bzw. 4 im Falle einer unzulässig hohen Druckdifferenz ersichtlich. Die polierten Flächen 24 und 26 gelangen hiebei in dichtende Anlage aneinander, sodass der Messanschluss 17 mit dem geringeren Druck P2 verschlossen wird. Die Messmembran 7 wird hiebei in Richtung des Pfeiles 15 abwärts bewegt, da der Druck aus der Kammer 13 über den Kanal 21 in der Kammer 11 zur Wirkung gelangt. Gleichzeitig kann die Hilfsmembran 4 in Anlage an die Messmembran 7 gebracht werden, sodass eine unzulässige Verformung der Messmembran 7 nicht auftreten kann.
Um nun ausgehend aus einer derartigen Stellung, bei welcher die maximal zulässige Druckdifferenz überschritten wird, ein Öffnen der Hilfsmembran 16 zu gewährleisten, wird Druck nicht nur über den Anschluss 17 sondern gleichzeitig auch über den Anschluss 30 auf den Wandbereich 28 ausgeübt, sodass dieser Wandbereich verformt wird, um bei seiner Verformung eine Trennung bzw. eine Auseinanderbewegung der polierten Flächen 24 und 26 ergibt.
Die Membranen 16,7 und 4 sind im Querschnitt gesehen und schematisiert S-förmig aneinander gereiht, sodass ein hohes Mass an Elastizität bei gleichzeitig geringer Bruchgefahr gewährleistet ist. Die polierten Flächen bilden unmittelbar ein hoch wirksames Rückschlagventil aus, sodass bei Überschreiten einer zulässigen Druckdifferenz ein sicheres Schliessen und damit eine weitere Verschiebung der Membran 7 verhindert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Differenzdruck-Messzelle mit einer Messmembran (7), weiche zu beiden Seiten mit einem
Fluid beaufschlagbar ist, welches über jeweils einen Messanschluss (2,17) mit jeweils einer
Seite der Messmembran (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass beiden Sei- ten der Messmembran (7) jeweils eine zusätzliche verformbare Hilfsmembran (4,16) zuge- ordnet ist, deren jeweils einem Messanschluss (2,17) zugewandte Seite mit der Messmem- bran (7) in offener Verbindung steht und deren jeweils diesem Messanschluss (2,17) zuge- wandte Seite eine Dichtfläche (23, 24) trägt, welche bei Verformung der Hilfsmembran (4,
16) in dichtende Anlage an den Messanschluss (2,17) verformbar ist, und dass die Mess- membran (7) und die Hilfsmembranen (4,16)
als strukturierte Schichten eines Chips aus- gebildet sind und im wesentlichen aus Si bzw. Polysilizium und/oder Glas bestehen.