CN104204755B - 微机械的压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高动态的测量区域的微机械的压力传感器。该压力传感器具有两个压力敏感的、闭合的传感器薄膜，其中，两个传感器薄膜中的每一个传感器薄膜可以耦接到一自身的压力贮存器上；还具有一布置在传感器薄膜之间的止挡装置，该止挡装置具有下列元件：一锚固元件，用于将止挡装置锚固在传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜上；至少一个将两个传感器薄膜基本上刚性连接的耦接元件；多个支撑元件，传感器薄膜中的一个传感器薄膜在定义的几何上的偏移的情况下能与支撑元件接触；以及一密封元件，用于密封止挡装置。通过两个传感器薄膜的基本上刚性的耦接，有利地取消了单个的绝对压力值的相减。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械的压力传感器。
背景技术
在已知的烟灰颗粒过滤器中，为了确定烟灰质量采用压差传感器。在较高的烟灰质量的情况下，会在传感器上产生直至1.5bar超压的压力。通常一完整无损的烟灰颗粒过滤器挡住所有烟灰颗粒的多于95%。但在其运行持续时间内，颗粒过滤器会漏水，其中，在该情况下泄漏测量可以识别出颗粒过滤器中的可能的泄漏。为了测量泄漏压差所需的压力分辨率位于大致5mbar，该压力例如可以利用一其它的具有大致200mbar的满量程的传感器实现。
WO3045110公开了一种传感器，其中，在一可自由运动的、不气密的薄膜和一支撑元件之间施加一电压，用以将薄膜为了运行而有目的性地带到止挡上。
从DE102010040373中还公开了一种具有双线性的特征曲线的压力传感器，但其由于污染危险仅可用作绝对压力传感器或者其特征曲线仅沿着一个方向具有一双线性的特征。
发明内容
本发明的任务在于，提出一种改良的微机械的压力传感器。
该任务利用微机械的压力传感器解决，其具有：
- 两个压力敏感的、闭合的传感器薄膜，其中，两个传感器薄膜中的每一个都能耦接在一自身的压力贮存器上；以及
- 一个布置在传感器薄膜之间的止挡装置，其具有下列元件：
- 一个锚固元件，用于将止挡装置锚固在传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜上；
- 至少一个将两个传感器薄膜基本上刚性地连接起来的耦接元件；
- 多个支撑元件，传感器薄膜中的一个传感器薄膜在定义的几何上的偏移的情况下能与支撑元件接触；以及
- 一个密封元件，用于密封止挡装置。
压力传感器的优选的改进方案在以下说明中描述。
发明优点
根据本发明的压力传感器具有如下特别的优点，其可用作压差传感器，其中，取消了单个压力相减的必要性。这能够通过基本上刚性的耦接元件实现，该耦接元件将两个传感器薄膜相互连接。通过一密封止挡装置的密封元件有利地防止检测机构受到有害的影响（例如以烟灰颗粒为形式），由此能够显著地延长传感器的运行持续时间。
压力传感器的一种有利的改进方案的特征在于，锚固元件和支撑元件借助于弹性元件相互连接。由此可以有利地定义地调节整个止挡装置的弹簧常数。
压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，止挡装置和两个传感器薄膜中的每个传感器薄膜之间的间距基本上是相等的。这有利地产生了压力传感器的对称的特征曲线。
压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，两个传感器薄膜基本上是相等厚度的。由此同样辅助了压力传感器的对称的运行行为。
压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，在传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜中和/或在止挡装置中构造方位地（azimuthal）走向的凸起。以这种方式可以设计薄膜的弹簧常数的大小和/或止挡装置的弹簧常数的大小。
根据本发明的压力传感器的一种优选的改进方案的特征在于，支撑元件和/或传感器薄膜具有相互对准的止挡元件，所述止挡元件具有较小的表面。由此形成了定义的止挡点，其支持了传感器的精确的传感行为并且防止了薄膜的粘接。
根据本发明的压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，止挡元件的表面和/或传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜的表面具有一防粘层。该防粘层支持薄膜与止挡元件的不粘接，这有利地实现了传感器的无故障的运行特征。
压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜由单晶材料形成。因此可以有利地实现了显著的压电效应，由此支持了压力传感器的可靠的传感行为。
根据本发明的传感器的一种优选的实施方式的特征在于，在传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜中布置至少一个压电测量元件。由此有利地在压力传感器中执行验证过的测量方法。
压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，在传感器薄膜中的至少一个传感器薄膜中并且在支撑元件中布置电容的测量元件。由此实现了针对传感器的一种替选的测量原理。
传感器的一种优选的实施方式的特征在于，止挡装置具有翻转元件，它们通过横向的翻转相互止挡。以这种方式有利地提供了一种用于传感器的替选的传感原理。
压力传感器的优选的实施方式在于，两个传感器薄膜由两个晶圆或由一个晶圆制成。由此可以利用不同的基础材料以及成本方案来使用不同的制造方法用于制造传感器。
压力传感器的一种优选的实施方式的特征在于，传感器薄膜中的一个传感器薄膜具有穿通接触部，通过穿通接触部将压电测量元件电联接。由此得出了用于压电测量元件的电接触的一种替选的方式。
附图说明
下面参照附图借助于多个实施方式阐述本发明的其它特征和优点。在此，所有所描述的或所展示的特征针对自身或以任意的组合形成本发明的主题，与它们在说明书或附图中的撰写或展示无关。
附图主要用于，展示根据本发明的原理且因此不必按比例绘制。在附图中相同的附图标记表示相同的或者功能相同的元件。
其中:
图1 示出了根据现有技术的微机械的压力传感器；
图2 示出了根据现有技术的微机械的压力传感器的特征曲线；
图3 示出了根据本发明的微机械的压力传感器的第一种实施方式；
图4 示出了根据本发明的微机械的压力传感器的第二种实施方式；
图5 示出了根据本发明的微机械的压力传感器的第三种实施方式；
图6 示出了根据本发明的微机械的压力传感器的第四种实施方式；
图7 示出了根据本发明的微机械的压力传感器的第五种实施方式；
图8 示出了根据本发明的微机械的压力传感器的一种实施方式的俯视图。
具体实施方式
图1示出了一种根据现有技术的按照支承原理（Auflageprinzip）的微机械的压力传感器的原理性的横截面视图，利用该压力传感器可以执行灰尘压力测量。该压力传感器1具有一在基质7上的薄膜6，其中，该基质7和该薄膜6围住一空穴8。从该空穴8中第一压力p1产生第一力到薄膜6上。在薄膜6的上侧面上布置一用于检测薄膜6的变形的检测区域9。该检测区域9具有一锚固区域2、一弹簧区域3和一支撑区域4。该支撑区域4在其下侧面上具有多个止挡元件，这些止挡元件在薄膜6变形时与薄膜接触其由此可以改变薄膜6的特征曲线特性。借助于压电元件5获知电参量的改变，该改变由于薄膜6的机械变形而产生。
在薄膜6的上方第二压力p2产生第二力到检测区域9上，由此当在烟灰颗粒过滤器中使用传感器1时存在如下缺点，即检测区域9不受保护地暴露在有害的具有烟灰颗粒的废气中。由此会将检测区域9在压力传感器1的运行持续时间的过程中严重污染并且显著地损坏传感器1的传感行为或者说运作。
图2示出了图1的压力传感器的特征曲线。所示的是压力关于电的输出信号的走向，该输出信号可借助于压力传感器1的压电元件5测量。可识别的是，在阈值压力ps时，特征曲线的斜度发生拐弯，从而整个特征曲线非线性地构造有两个不同的斜度。因此拐点在阈值压力ps时引起，在该压力时薄膜6止挡到支撑区域4的止挡元件上且由此突然地改变薄膜6的弹簧常数。
图3示出了根据本发明的压力传感器的第一种实施方式的原理性横截面视图。该压力传感器100具有一构造在第一基质11中的第一薄膜10。此外，该压力传感器100具有一构造在第二基质21中的第二薄膜20。传感器薄膜10、20分别撑开一向下或者说向上打开的空穴。优选地，两个传感器薄膜10、20由单晶材料制成，其中，优选SOI基质（英文：silicon-on-insulator，硅在绝缘体上）用于构造两个传感器薄膜10、20。这允许了简单地产生通过埋入的氧化物36（BOX，英文：buried oxide）特殊限定的压力传感器薄膜，该压力传感器薄膜在一种制造方法中作为蚀刻停止层起作用。此外，可以利用一SOI基质来较好地调节薄膜层的机械的张紧状态。
传感器薄膜10、20优选在两个基质11、21相互连接之后才通过引入空穴来产生。传感器薄膜10、20之间的连接经由一晶圆键合（直接键合、热压键合、共晶键合）或层转移方法来建立。
第一压力贮存器40从下侧面作用到第一薄膜10上，第二压力贮存器50从上侧面作用到第二传感器薄膜20上。两个传感器薄膜10、20是闭合地并且基本上气密地构造的，由此两个压力贮存器40、50相互脱开并且无论如何都不会发生压力贮存器40、50之间的气体交换。
在两个传感器薄膜10、20之间构造一具有多个元件的止挡装置30。该止挡装置30具有一锚固元件31，其锚固在传感器薄膜10、20中的至少一个传感器薄膜上。此外，止挡装置30包括一弹性元件34，通过其可规定止挡装置30的弹性。该弹性元件34优选具有高的穿孔度，经由该穿孔度可以调节弹性元件34的刚度。
此外设置多个支撑元件33，利用可选地构造在支撑元件33上的止挡元件33a接触传感器薄膜10、20中的一个传感器薄膜且由此改变传感器薄膜10、20的特征曲线。止挡元件33a的止挡面优选构造得特别小或者说一维的。支撑元件33优选具有很小的穿孔度，由此能够实现传感器薄膜10、20和支撑元件33的止挡元件33a之间的定义的接触。
按照两个压力贮存器40、50中的压力比的不同，两个传感器薄膜10、20中的一个传感器薄膜与支撑元件33的止挡元件33a发生接触。优选地，支撑元件33和传感器薄膜10、20的相互面对的表面具有一防粘层。这支持定义的运行行为，尤其支持所述元件的不粘接。
密封元件35完全围住整个止挡装置30并且由此形成一用于止挡装置30的防止有害的环境影响的有效防护。由此可以有利地基本上抑制烟灰颗粒对于压力传感器100的有害的且腐蚀性的影响。
基本上刚性的耦接元件32将两个传感器薄膜10、20基本上居中地相互耦接并且代表了两个传感器薄膜10、20的固定连接。也可以考虑的是，多个耦接元件32形成了两个传感器薄膜10、20之间的多个连接点。由此将两个传感器薄膜10、20通过在两个压力贮存器40、50中产生的压力差基本上相等地偏转。作为检测机构不仅考虑电容的也可以考虑压电的或压阻的测量元件。作为检测机构，在两个传感器薄膜10、20中的至少一个中实现压电测量元件60，这是测量值检测的一种成本低廉的可能性。当然，为了提高精确度且为了改善测量冗余度，也可以在两个传感器薄膜10、20中构造压电元件60。借助于电导线61（例如键合金属线）将金属性触头62电连接，用于压电测量元件60的电供给。
传感器薄膜10、20可以在第一压力区域中自由变形，由此产生了具有第一斜度的第一线性的特征曲线区域。两个压力传感器薄膜10、20中的至少一个压力传感器薄膜自一定的压力阈值开始，机械地在支撑区域中接触所构造的止挡元件33a中的至少一个止挡元件，由此产生至少一个具有第二斜度的第二线性的特征曲线区域。结果是，由此可以产生压力传感器的对称的且持续的特征曲线走向。
因此识别到，根据本发明的压力传感器100的特定的作用机构弃用了单个压力相减的必要性。由此可以比利用传统的压力传感器明显更精确地执行压力差的测量。
止挡装置30和两个传感器薄膜10、20之间的间距以及两个传感器薄膜10、20的厚度基本上是相等的。以这种方式可以以有利的方式产生压力传感器100的可较好地复制的传感特征。例如压力阈值可以任意地经由薄膜厚度和支撑元件33与传感器薄膜10、20的间距来规定。第二特征曲线区域的斜度可以经由支撑元件33的弹簧刚度来规定。
通过支撑元件33的局部的、竖直的逐渐变细（未示出），或通过单独的、机械地相互脱开的、在不同刚度的弹簧元件34上悬挂的支撑元件33，也可以有利的产生压力传感器100的多次拐弯的特征曲线。
图4示出了根据本发明的微机械的压力传感器200的第二种实施方式的原理性的横截面视图。与图3的实施方式不同，锚固元件31基本上布置在传感器薄膜10、20上，由此在薄膜偏转时，出现在阈值ps时传感器薄膜10、20的外部支承（Aussenauflage）。除此之外，压力传感器200的工作方式等同于第一种实施方式中的那样。
图5示出了根据本发明的微机械的压力传感器300的第三种实施方式的原理性的横截面视图。与图3和图4所示的实施方式不同，压力传感器300构造在唯一一个基质11上。为此，可以例如产生多晶的薄膜层或转移单晶的薄膜层。优选地，止挡装置30构造在单晶的第一传感器薄膜10中。
向外地，压力传感器300可以通过一构造成金属线键合连接的电导线61联接在传感器薄膜10、20中的一个传感器薄膜上。与图5的示图方式不同，两个传感器薄膜10、20优选具有相等的边缘长度或直径。为此目的，锚固元件31布置在第二传感器薄膜20的薄膜外翻部（未示出）中，由此能够实现两个传感器薄膜10、20的基本上相等的大小尺寸。除此之外，图5的压力传感器300的工作方式等同于前述实施方式中的任一种。
图6示出了根据本发明的微机械的压力传感器400的第四种实施方式的横截面视图。与图5的实施方式不同，现在压电测量元件60的电接触借助于穿通接触部63实现，在这些穿通接触部中引导电导线61。除此之外，结构和工作方式都相应于图5的实施方式的那样。
图7示出了根据本发明的微机械的压力传感器500的第五种实施方式的原理性的横截面视图。该实施方式的压力传感器基于一种可替换的工作原理，其方式为，具有翻转元件33b，所述翻转元件是可横向偏转的并且当传感器薄膜10、20偏转了定义的尺度时，所述翻转元件相互止挡。以这种方式通过翻转元件33b的夹紧限制了翻转元件33b的偏转。横向偏移可以光刻式地定义并且可以同时在同一光刻平面中同时产生多个不同的止挡间距。
图8示出了在图3中所示的机械的压力传感器100的实施方式的止挡装置30的截平面A-A'的原理性的截面视图。在此较好可见的是，支撑元件33借助于弹簧式的弹性元件34弹性悬挂在锚固元件31上。
还可考虑的是，为了强化弹簧常数，在传感器薄膜10、20中的至少一个传感器薄膜中和/或在止挡装置30中构造方位式地走向的波纹部或者说凸起（未示出）。以这种方式可以有利地设计弹簧常数且由此设计弯曲刚度。
总而言之，利用本发明提供了一种具有高动态的测量区域的微机械的压力传感器。借助于将传感器薄膜相互连接的耦接元件，两个传感器薄膜被强制相同的偏转，其中，偏转的方向取决于两个压力贮存器40、50中的压力比。借助于根据本发明的压力传感器有利地实现了，利于一个且同一个装置，不仅测量比较小的压力（差），也测量比较大的压力（差）。因此针对压差测量，有利地没有必要将绝对压力值相减。由于压力传感器的耦接原理，仅需要唯一一个检测结构，这在成本上表现为有利的方面。
有利地，根据本发明的压力传感器可以相比于传统的传感器就每个薄膜而言针对较低的和较高的压力测量区域以很小的结构型式来制造。有利地，根据本发明的压力传感器提供了较高的构造自由度，其方式为，线性的特征曲线区域可以相互独立地最优化，这不仅涉及斜度也涉及阈值。
有利地，压力传感器的密封的结构型式提供了介质稳固的实施方式，因为由于气密的结构型式，最大程度地抑制了腐蚀性的介质（例如酸）或颗粒对于压力传感器的有害影响。由此以有利的方式得出了较高的污染不敏感度。
尽管本发明借助于优选的实施例进行了描述，但其不限于此。尤其是所述的材料和拓扑结构仅是示例性的并且不限于所阐释的例子。本领域技术人员可以改变本发明的所述特征或相互组合，不偏离本发明的核心。
Claims (13)
1.微机械的压力传感器（100；200；300；400；500），具有：
- 两个压力敏感的、闭合的传感器薄膜（10、20），其中，所述两个传感器薄膜（10、20）中的每一个都能耦接在一自身的压力贮存器（40、50）上；以及
- 一个布置在所述传感器薄膜（10、20）之间的止挡装置（30），其具有下列元件：
- 一个锚固元件（31），用于将所述止挡装置（30）锚固在所述传感器薄膜（10、20）中的至少一个传感器薄膜上；
- 至少一个将所述两个传感器薄膜（10、20）基本上刚性地连接起来的耦接元件（32）；
- 多个支撑元件（33），所述传感器薄膜（10、20）中的一个传感器薄膜在定义的几何上的偏移的情况下能与所述支撑元件接触，
其中，所述锚固元件（31）和所述支撑元件（33）借助于弹性元件（34）相互连接，
其中，所述止挡装置（30）具有翻转元件（33b），所述翻转元件通过横向的翻转相互止挡。
2.按照权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，设置一用于密封所述止挡装置（30）的密封元件（35）。
3.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，在所述止挡装置（30）和所述两个传感器薄膜（10、20）中的每个传感器薄膜之间的间距基本上是相等的。
4.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述两个传感器薄膜（10、20）基本上是相同厚度的。
5.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，在所述传感器薄膜（10、20）中的至少一个传感器薄膜中和/或在所述止挡装置（30）中构造方位地延伸的凸起。
6.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述支撑元件（33）和/或所述传感器薄膜（10、20）具有相互对准的止挡元件（33a），所述止挡元件具有较小的表面。
7.按照权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，所述止挡元件（33a）的表面和/或所述传感器薄膜（10、20）中的至少一个传感器薄膜的表面具有一防粘层。
8.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述传感器薄膜（10、20）中的至少一个传感器薄膜由单晶材料形成。
9.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，在所述传感器薄膜（10、20）中的至少一个传感器薄膜中布置至少一个压电测量元件（60）。
10.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，在所述传感器薄膜（10、20）中的至少一个传感器薄膜中并且在所述支撑元件（33）中布置电容的测量元件。
11.按照权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述两个传感器薄膜（10、20）由两个晶圆或由一个晶圆制成。
12.按照权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述传感器薄膜（10、20）中的一个传感器薄膜具有穿通接触部（63），所述压电测量元件（60）通过所述穿通接触部电联接。
13.按照权利要求1至11中任一项所述的压力传感器的应用，具有至少两个用于测量烟灰颗粒过滤器的泄漏率和烟灰质量的线性的特征曲线区域。
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