DE10130376B4

DE10130376B4 - Differenzdrucksensor

Info

Publication number: DE10130376B4
Application number: DE10130376A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Scholz; Albrecht Dr.-Ing. Vogel; Peter Dr.-Ing. Krippner
Original assignee: ABB AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2021-06-24
Also published as: US20020194918A1; DE10130376A1; US6598482B2

Abstract

Differenzdrucksensor mit einer ersten und einer zweiten Messkammer, wobei jede Messkammer durch eine starre Trägerplatte und eine Membranplatte, die im Bereich der Messkammer als druckempfindliche Messmembran ausgebildet ist, begrenzt ist, wobei
– die Trägerplatte (3) zwischen einer ersten und einer zweiten Membranplatte (1, 2) angeordnet ist und an gegenüberliegenden Seiten in der Plattenebene deckungsgleiche konkave Vertiefungen (6) aufweist,
– die Membranplatten (1, 2) im Bereich der Messkammern (10) deckungsgleich zu den Vertiefungen (6) als druckempfindliche Messmembranen (7) ausgebildet sind und
– die Messkammern (10) und ein Kanal (9) mit einem inkompressiblen Fluid befüllt sind,
– die Vertiefungen (6) durch den die Trägerplatte (3) senkrecht zur Plattenebene, abseits der Vertiefungen (6) durchstoßenden Kanal (9) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik gemäß des Anspruchs 1.
Aus der DE 42 07 949 C1 ist ein kapazitiver Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik bekannt, bei dem eine als druckempfindliche Membran und als erste Elektrode dienende Platte aus Silizium zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Platte und die Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der als Membran dienenden Platte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Platte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, dass die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden.
Die differenzdruckabhängige Verformung der als Membran dienenden Platte bewirkt eine Kapazitätsänderung der Kondensatoranordnung, wobei die Kapazitätsänderung direkt ein Maß für den Differenzdruck ist. Die Kapazitätsänderung wird elektrisch gemessen. Die Kondensatoranordnung ist über Verbindungsleiter mit einer Messwertverarbeitungseinrichtung verbunden.
Darüber hinaus ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 200 19 067 U1 eine Druckmesseinrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor und hydraulischer Kraftübertragung bekannt, bei der der Prozessdruck des Meßmediums unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf den Drucksensor übertragen wird, bei der die prozessdruckabhängige, druckmittlerverdrängende Auslenkung der Trennmembran auf einen den Messbereich vorgebbar übersteigenden Betrag mechanisch begrenzt ist und der Drucksensor in der Druckmesseinrichtung beweglich an einer mechanisch vorgespannten Überlastmembran angeordnet ist, die in Abhängigkeit von den Messbereich übersteigendem Prozessdruck einen volumenvariablen Ausgleichsraum zur Aufnahme überschüssigen Druckmittlers begrenzt.
Weiterhin ist aus der DE 23 64 027 A1 eine Differenzdruckmesszelle mit elektrischem Abgriff bekannt, bei der die Messkammern jeweils durch eine konkave Vertiefung in einem Zentralkörper und eine Membran gebildet und durch einen zentralen Kanal miteinander verbunden sind. Die Messkammern und der Kanal sind mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt.
Aus der CH 680 392 A5 ist ein kapazitiver Differenzdruckwandler bekannt, bei dem zwischen zwei Messmembranen eine Trägerplatte angeordnet ist, die eine zentrale Öffnung aufweist.
Schließlich ist aus der DE 43 33 753 A1 ein kapazitiver Differenzdrucksensor bekannt, bei dem die Membranplatten aus Silizium und die Trägerplatte aus Glas bestehen.
Das Messprinzip beruht jedenfalls auf der Verformung einer Membran durch die auf beiden Seiten der Membran anliegende Druckdifferenz. Die Steifigkeit der Messmembranen wird einerseits so gewählt, dass im zu detektierenden Differenzdruckbereich eine möglichst große Auslenkung erzeugt und damit ein möglichst großer Hub des Ausgangssignals entsteht. Andererseits muss die Steifigkeit der Membran so groß sein, dass im Überlastfall bei Differenzdrücken oberhalb des Messbereichs Zerstörungen oder Beschädigungen der Membran vermieden werden.
Ein typischer Wert für die erforderliche Überlastfestigkeit von Silizim-Membran-Differenzdrucksensoren ist der vierfache Differenzdruck des Messbereichsendwertes. Dies ist für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere zur atmosphärischen Druckmessung ausreichend. Dem gegenüber sind in der Prozessmesstechnik eine Vielzahl von Anwendungen bekannt, bei denen beispielsweise ein Messbereichsendwert von 1 kPa in Kombination mit einer Überlastfestigkeit von 40 Mpa gefordert werden. Derartige Überlastfestigkeiten werden in Übereinstimmung mit DE 200 19 067 U1 durch eine sogenannte Ölvorlage und eine Anordnung von zusätzlichen Membranen erreicht, die den maximalen Differenzdruck an der Sensorzelle auf einen zulässigen Wert begrenzen.
Nachteiligerweise stellen die zwischengeschalteten Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler in der Fertigung der Druckmesseinrichtung einen erheblichen Kostenfaktor dar, der ein Vielfaches der Kosten des Differenzdrucksensors beträgt.
Darüber hinaus beeinflussen die Eigenschaften der Trennmembranen insbesondere bei Differenzdrucksensoren für geringe Differenzdrücke die Sensoreigenschaften negativ. Durch die Steifigkeit der Trennmembranen sinkt die Messdynamik und die Ansprechempfindlichkeit am Messbereichsanfang.
Der Aufbau mit externen Trennmembranen behindert eine Miniaturisierung der Druckmesseinrichtung und damit den Einsatz in platzkritischen Anwendungen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen überlastfesten Differenzdrucksensor anzugeben, der ohne externe Trennmembranen zu seinem Schutz auskommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von einem Differenzdrucksensor mit einer ersten und einer zweiten Messkammer aus, wobei jede Messkammer durch eine starre Trägerplatte und eine Membranplatte, die im Bereich der Messkammer als druckempfindliche Messmembran ausgebildet ist, begrenzt ist.
Erfindungsgemäß ist eine einzige Trägerplatte zwischen einer ersten und einer zweiten Membranplatte angeordnet. Die Trägerplatte weist an gegenüberliegenden Seiten in der Plattenebene deckungsgleiche konkave Vertiefungen auf. Die Vertiefungen sind durch einen dezentralen, die Trägerplatte senkrecht zur Plattenebene durchstoßenden Kanal miteinander verbunden. Die Membranplatten sind im Bereich der die Messkammern deckungsgleich zu den Vertiefungen als druckempfindliche Messmembranen ausgebildet, wobei jede Messkammer durch den Raum zwischen der Oberfläche jeweils einer konkaven Vertiefung und der der Trägerplatte zugewandten Oberfläche der zugehörigen Messmembran gebildet ist. Die Messkammern und der Kanal sind mit einem inkompressiblen Fluid befüllt. Die Messmembranen sind über das Fluid hydraulisch miteinander gekoppelt.
Die konkaven Vertiefungen und die Steifigkeit der Messmembranen sind dabei so bemessen, dass die Messmembranen im Messbereich des Differenzdrucksensors frei beweglich sind.
Die der Trägerplatte abgewandten Seiten der Messmenbranen werden mit den Prozessdrücken beaufschlagt. Dabei wird die erste Messmenbran mit dem ersten Prozessdruck und die zweite Messmenbran mit dem zweiten Prozessdruck belastet.
Bei asymmetrischer Druckbeaufschlagung beider Messmenbranen wölbt sich die stärker druckbeaufschlagte Messmenbran in Richtung der Trägerplatte in den Raum der angrenzenden Messkammer. Über die hydraulische Kopplung wölbt sich die andere Messmenbran um denselben Betrag von der Trägerplatte weg.
Bei den Messbereich übersteigender asymmetrischer Druckbeaufschlagung legt sich die stärker druckbeaufschlagte Messmenbran an die Oberfläche der konkaven Vertiefung an. Die Auslenkung der geringer druckbeaufschlagten Messmenbran ist durch die hydraulische Kopplung auf denselben Betrag begrenzt. Vorteilhafterweise wird dadurch eine Beschädigung der Messmenbranen bei Überlast vermieden. Dabei kommt der Differenzdrucksensor ohne separates Überlastschutzsystem bestehend aus Trennmembranen und Ölvorlage aus.
Vorteilhafterweise ist darüber hinaus auch die interne Ölbefüllung verzichtbar. Dadurch wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors vereinfacht und damit billiger.
Die Messmembranen stehen im direkten Kontakt mit dem Prozessmedium, wobei ihre Beweglichkeit in Richtung des Prozessmediums im Messbereich nicht eingeschränkt wird. Dies verhindert Beschädigungen durch Einklemmen von im Prozessmedium mitgeführten Partikeln.
Durch die leicht gekrümmte Oberflächentopographie der konkaven Vertiefungen wird die Membranbelastung um Überlastfall begrenzt.
Durch mechanische Koppelung von zwei Messmembranen mit jeweils einseitiger Unterstützung wird eine beidseitige Überlastfestigkeit des Differenzdrucksensors erreicht.
Die frei zugänglichen, außenliegenden Messmembranen erleichtern das Aufbringen von Korrosionsschutzschichten zur Verlängerung der Lebensdauer des Differenzdrucksensors in aggressiven Medien.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachstehend in einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen
1 eine Schnittdarstellung durch einen Differenzdrucksensor
2 eine Darstellung einer Draufsicht auf die Trägerplatte
In 1 ist der Aufbau eines Differenzdrucksensors im Querschnitt dargestellt. Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 2 eine Draufsicht gezeigt.
Der Differenzdrucksensor besteht aus einer ersten Membranplatte 1 und einer zweiten Membranplatte 2, die mit einer Trägerplatte 3 jeweils flächig an einer gasdichten Fügestelle verbunden sind. Beide Membranplatten 1 und 2 weisen in der Materialstärke reduzierte Bereiche auf, die jeweils eine Messmembran 7 bilden.
Die Trägerplatte 3 weist auf jeder einer Membranplatte 1 und 2 zugewandten Seite jeweils eine konkave Vertiefung 6 auf. Die beiden Vertiefungen 6 sowie die Messmembranen 7 der Membranplatten 1 und 2 sind zueinander deckungsgleich.
Der Raum zwischen der Oberfläche jeweils einer konkaven Vertiefung 6 und einer Messmembran 7 der Membranplatten 1 und 2 bildet jeweils eine Messkammer 10. Durch diese Anordnung kann die stärker druckbeaufschlagte Messmenbran 7 bei anliegendem Überdruck so weit auslenken, bis sie an der Trägerplatte 3 flächig anliegt. Eine weitere Auslenkung wird im Überlastfall durch die Trägerplatte 3 verhindert.
Die Trägerplatte 3 weist darüber hinaus einen die beiden konkaven Vertiefungen 6 verbindenden Kanal 9 auf, der abseits der Vertiefungen 6 angeordnet ist. Die Messkammern 10 und der Kanal 9 sind mit einem inkompressiblen Fluid befüllt. Durch dieses Fluid sind beiden Messmembranen 7 hydraulisch miteinander gekoppelt. Diese Koppelung bewirkt, dass bei Überlastung der jeweils stärker druckbeaufschlagte Messmenbran 7 auch die jeweils schwächer druckbeaufschlagte Messmenbran 7 nur im zulässigen Rahmen ausgelenkt wird.
Weiterhin ist die Trägerplatte 3 mit einer grabenartigen Ausnehmung 8, die im Randbereich zu einer Aufnahme 11 für eine Kapillare 5 erweitert ist, ausgestattet. Die Kapillare 5 ist über die Ausnehmung 8 mit dem Kanal 9 und den Messkammern 10 zu einem in sich abgeschlossenen Gefäßsystem verbunden.
Bei der Herstellung des Differenzdrucksensors wird das Gefäßsystem über die Kapillare 5 mit einem inkompressiblen Fluid befüllt. Anschließend wird die Kapillare 5 verschlossen.
Die Trägerplatte 3 besteht vorzugsweise aus Glas, das an den Fügestellen 5 durch anodisches Bonden mit den Membranplatten 1 und 2 verbunden wird. Die Membranplatten 1 und 2 bestehen aus Silizium. Die Messmembranen 7 sind durch Ätzverfahren strukturiert.
Die Kapillare 5 besteht vorzugsweise aus mit Polyimid ummanteltem Quarzglas und ist an einer Fügestelle 4 gasdicht mit dem Differenzdrucksensor verbunden. Dabei kann vorgesehen sein, die Kapillare 5 durch Kleben mit dem Differenzdrucksensor zu verbinden. Alternativ kann die Fügestelle 4 eine Lötstelle sein. Das Gefäßsystem ist vorzugsweise mit Silikonöl gefüllt.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, den Differenzdrucksensor zur Gewinnung eines elektrischen Messsignals kapazitiv auszulesen. Hierzu sind auf der Oberfläche der Vertiefungen 6 und jeder einer Vertiefung 6 zugewandten Seite der Messmenbran 7 voneinander isolierte leitfähige Bereiche als Kapazitätsbeläge vorgesehen. Vorzugsweise bestehen diese leitfähigen Bereiche aus Gold. Für die Kapazitätsbeläge auf den aus Silizium bestehenden Messmembranen 7 kann alternativ eine lokale Dotierung des Siliziums vorgesehen sein. Diese leitfähigen Bereiche sind mit einer Auswerteschaltung verbunden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den leitfähigen Bereichen und der Auswerteschaltung sind auf der Glasoberfläche angeordnet. Alternativ können die elektrischen Verbindungen auf der Siliziumoberfläche angeordnet sein.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, den Differenzdrucksensor piezoresisitiv auszulesen. Hierzu sind auf den Messmembranen 7 voneinander isolierte piezoresistive Leiterbahnen angeordnet, die vorzugsweise durch dotiertes Silizium gebildet sind. Eine hohe Empfindlichkeit des Differenzdrucksensors wird durch vier Piezowiderstände in einer Brückenschaltung erreicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die der Trägerplatte 3 abgewandten Oberflächen der Membranplatten 1 und 2 mit einer Schutzschicht zum Schutz vor Beschädigung durch aggressive Prozessmedien zu belegen. In einer ersten Ausführungsform besteht die Schutzschicht aus Diamant. In einer alternativen Ausführungsform ist eine Schutzschicht aus Siliziumnitrid vorgesehen, die in besonders vorteilhafter Weise durch für sich bekannte Prozesse zur Oberflächennitrierung von Silizium herstellbar ist. In einer dritten Ausführungsform ist eine Beschichtung mit einem korrosionsfesten Metall vorgesehen.

1, 2: Membranplatte
3: Trägerplatte
4: Fügestelle
5: Kapillare
6: Vertiefung
7: Messmembran
8: Ausnehmung
9: Kanal
10: Messkammer
11: Aufnahme

Claims

Differenzdrucksensor mit einer ersten und einer zweiten Messkammer, wobei jede Messkammer durch eine starre Trägerplatte und eine Membranplatte, die im Bereich der Messkammer als druckempfindliche Messmembran ausgebildet ist, begrenzt ist, wobei – die Trägerplatte (3) zwischen einer ersten und einer zweiten Membranplatte (1, 2) angeordnet ist und an gegenüberliegenden Seiten in der Plattenebene deckungsgleiche konkave Vertiefungen (6) aufweist, – die Membranplatten (1, 2) im Bereich der Messkammern (10) deckungsgleich zu den Vertiefungen (6) als druckempfindliche Messmembranen (7) ausgebildet sind und – die Messkammern (10) und ein Kanal (9) mit einem inkompressiblen Fluid befüllt sind, – die Vertiefungen (6) durch den die Trägerplatte (3) senkrecht zur Plattenebene, abseits der Vertiefungen (6) durchstoßenden Kanal (9) miteinander verbunden sind.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (3) aus Glas besteht.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatten (1, 2) aus Silizium bestehen.
Differenzdrucksensor nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatten (1, 2) anodisch auf die Trägerplatte (3) gebondet sind.
Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die der Trägerplatte (3) abgewandten Oberflächen der Membranplatten (1, 2) mit Diamant beschichtet sind.
Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die der Trägerplatte (3) abgewandten Oberflächen der Membranplatten (1, 2) mit Siliziumnitrid beschichtet sind.
Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die der Trägerplatte (3) abgewandten Oberflächen der Membranplatten (1, 2) mit einem korrosionsfesten Metall beschichtet sind.
Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die der Trägerplatte (3) zugewandten Oberflächen der Messmembranen (7) und die Oberfächen der konkaven Vertiefungen (6) voneinander isoliert leitfähig beschichtet sind.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung aus Gold besteht.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Beschichtung der Oberflächen der Messmembranen (7) durch eine lokale Dotierung des Siliziums gebildet ist.
Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass auf den der Trägerplatte (3) zugewandten Oberflächen der Messmembranen (7) voneinander isolierte piezoresistive Leiterbahnen angeordnet sind.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die piezoresistiven Leiterbahnen durch eine lokale Dotierung des Siliziums gebildet sind.