DE10134360A1

DE10134360A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE10134360A1
Application number: DE2001134360
Authority: DE
Inventors: Dietfried Burczyk; Tanja Stoecklin; Thomas Velten
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-07-14
Filing date: 2001-07-14
Publication date: 2003-02-06

Abstract

Es ist ein Drucksensor vorgesehen, der einfach und kostengünstig herstellbar ist, mit einem Grundkörper (3), einem auf dem Grundkörper (3) angeordneten druckempfindlichen Element (1), das einen elektromechanischen Wandler aufweist, der dazu dient, eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements (1) zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Größe umzuwandeln, die über Anschlußleitungen (13) abnehmbar ist, einem Träger (17) aus Glas, auf dem der Grundkörper (3) befestigt ist, und in den mit den Anschlußleitungen (13) verbundene Kontaktstifte (9) eingeglast sind, und einem Gehäuse (19), in das der Träger (17) eingefaßt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor. Drucksensoren weisen mindestens ein druckempfindliches Element auf, auf das im Betrieb ein zu messender Druck p einwirkt. Dem druckempfindlichen Element ist ein elektromechanischer Wandler zugeordnet.

Drucksensoren werden in nahezu allen Industriezweigen zum Messen von Drücken eingesetzt. Die gemessen Druckwerte werden z. B. zum Steuern, Regeln und/oder Überwachen eines industriellen Herstellungs- und/oder Verarbeitungsprozesses eingesetzt.

In der Druckmeßtechnik werden gerne sogenannte Halbleiter- Sensoren, z. B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Ein heute üblicher Sensoraufbau ist in Fig. 1 dargestellt. Dort ist ein membran-förmiger Drucksensor-Chip auf einen Grundkörper 3 aufgebracht. Der Grundkörper 3 ist z. B. ein Substrat aus Glas oder ebenfalls aus Silizium. Der Grundkörper 3 ist auf einem metallischen Träger 5 angeordnet. Der metallische Träger 5 wird in ein Gehäuse 7 derart eingebaut, daß das Gehäuse 7 in zwei Hälften unterteilt ist. Eine erste Hälfte, in der sich die Membran 1 befindet ist üblicherweise an einen Druckmittler 8 angeschlossen, über den ein zu messender Druck auf die Membran 1 übertragen wird. Der Druckmittler 8 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die einen auf eine äußere Trennmembran des Druckmittlers 8 einwirkenden zu messenden Druck p auf die Membran 1 überträgt. Eine zweite Hälfte des Gehäuses 7 ist durch den Träger 5 völlig getrennt von der ersten Hälfte und eignet sich daher zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung zur Aufnahme und/oder Verarbeitung von von den Widerstandselementen erzeugten druckabhängigen elektrischen Meßgrößen. Hierzu sind Kontaktstifte 9vorgesehen, die durch Glasdurchführungen 11 durch den Träger 5 hindurch geführt sind und mit Anschlußleitungen 13 an in dem Silizium-Chip verlaufende Leitungen angeschlossen sind.

Soll der Drucksensor als Relativdrucksensor arbeiten, d. h. soll er einen zu messenden Druck bezogen auf einen Referenzdruck p_R, z. B. einen in der Umgebung des Sensor herrschenden Atmosphärendruck, erfassen, so ist zusätzlich eine Referenzdruckzufuhr vorzusehen. In Fig. 1 ist dies durch eine durch den metallischen Träger 5 und den Grundkörper 3 hindurch führende Bohrung 15 realisiert.

Derartige Drucksensoren sind aufwendig in der Herstellung. Es müssen der metallische Träger 5 hergestellt und mindestens zwei Glasdurchführungen für die Kontaktstifte 9 eingeglast werden. Zusätzlich ist gegebenenfalls die Referenzdruckzufuhr einzurichten.

Ein Nachteil besteht darin, daß bei einem Grundkörper 3 aus Silizium eine elektrische Isolation des Grundkörpers 3 gegenüber dem metallischen Träger 5 eingefügt werden muß, damit eine ausreichende Isolation gegenüber dem Gehäuse 7 besteht.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei Temperaturänderungen thermische Spannungen zwischen dem Grundkörper 3 und dem metallischen Träger 5 auftreten können, die sich auch auf die Druckempfindlichkeit des Drucksensors auswirken können.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, der einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit

- einem Grundkörper,
- einem druckempfindlichen Element,
- das auf dem Grundkörper angeordnet ist und
- das einen elektromechanischen Wandler aufweist, der dazu dient eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Größe umzuwandeln, die über Anschlußleitungen abnehmbar ist,
- einem Träger aus Glas,
- auf dem der Grundkörper befestigt ist und
- in den mit den Anschlußleitungen verbundene Kontaktstifte eingeglast sind, und
- einem Gehäuse, in das der Träger eingefaßt ist.

Gemäß einer Ausgestaltung ist das druckempfindliche Element eine Membran aus einem Halbleiter und der elektromechanische Wandler weist in die Membran eindotierte Widerstandselemente auf.

Gemäß einer Ausgestaltung weist der Grundkörper eine durchgehende Bohrung auf, deren eines Ende in einer durch das druckempfindliche Element und den Grundkörper gebildeten Kammer mündet und deren anderes Ende am Träger mündet. Im Träger verläuft eine Verbindung, durch die die Bohrung im Grundkörper durch den Träger hindurch fortgeführt ist. Im Betrieb liegt ein Referenzdruck, auf den ein zu messender Druck zu beziehen ist, durch die Verbindung und die Bohrung hindurch an einer grundkörperzugewandten Innenseite des druckempfindlichen Elements an.

Gemäß einer Ausgestaltung führt die Verbindung durch den Träger hindurch zu einer von dem druckempfindlichen Element abgewandten Seite des Trägers.

Gemäß einer Weiterbildung führt die Verbindung durch den Träger hindurch zu dem Gehäuse und steht dort durch eine das Gehäuse durchdringende Bohrung in Verbindung mit einer Umgebung des Gehäuses.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung eines der vorgenannten Drucksensoren mit einer Verbindung, bei dem die Kontaktstifte eingeglast werden und parallel die Verbindung durch ein Füllmaterial erzeugt wird, das nach dem Auskühlen des Glases aus dem Träger entfernt wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Einglasung der Kontaktstifte und die Erzeugung der Verbindung in einem Arbeitsgang erfolgt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Träger aus Glas eine sehr gute Isolation gegenüber dem Gehäuse bildet. Eine weitere Isolation des Grundkörpers und des druckempfindlichen Elements werden hierdurch überflüssig. Auch bei sehr hohen Potentialunterschieden zwischen dem Gehäuse und dem druckempfindlichen Element ist eine hohe Durchschlagfestigkeit gegeben.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einem Träger aus Glas deutlich geringere durch Temperaturänderungen bedingte mechanische Spannungen auftreten als bei einem Träger aus Metall.

Außerdem bietet ein Träger aus Glas den Vorteil, daß zur Referenzdruckzufuhr in metallischen Trägern erforderliche lange, dünne und damit teure Bohrungen entfallen.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Drucksensor, gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einer in dem Gehäuse mündenden Referenzdruckzufuhr; und
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einer seitlich aus dem Gehäuse heraus geführten Referenzdruckzufuhr.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor. Der Drucksensor weist eine druckempfindliches Element 1 und einen Grundkörper 3 auf. Das druckempfindliche Element 1 ist hier eine Membran, die auf dem Grundkörper 3 von dem Grundkörper 3 beabstandet angeordnet ist. Die Membran ist z. B. ein Silizium-Chip. Der Grundkörper 3 ist z. B. ein Substrat aus Glas oder ebenfalls aus Silizium.
In dem druckempfindlichen Element 1 ist ein elektromechanischer Wandler vorgesehen, der dazu dient eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements 1, hier eine Auslenkung der Membran, zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Größe umzuwandeln.
Besteht die Membran aus einem Halbleiter, hier z. B. Silizium, so weist der elektromechanische Wandler vorzugsweise in die Membran eindotierte Widerstandselemente auf, deren elektrische Eigenschaften von auf sie einwirkenden mechanischen Einflüssen abhängen, z. B. piezoresistive Elemente. Dabei können entweder einzelne Widerstände eingesetzt werden oder es können mehrere Widerstände z. B. zu einer Brückenschaltung zusammen gefaßt werden, bei der z. B. eine druckabhängige Brückenspannung auswertbar ist. Die elektrische Größe ist über Anschlußleitungen 13, z. B. Bonddrähte, abnehmbar.
Andere druckempfindliche Elemente und diesen zugeordnete elektromechanische Wandler, z. B. kapazitive oder optische Drucksensoren, sind natürlich ebenfalls einsetzbar.
Es ist ein Träger 17 aus Glas vorgesehen, auf dem der Grundkörper 3 befestigt ist. Der Träger 17 weist hierzu z. B. eine Ausnehmung auf, in die der Grundkörper 3 eingeklebt oder eingelötet ist. Sofern das druckempfindliche Element 1 und der zugehörige elektromechanische Wandler der Schmelztemperatur des Glases standhalten können, kann der Grundkörper 3 auch in den Träger 17 eingeglast werden. Die mit den Anschlußleitungen 13 verbundene Kontaktstifte 9 werden ebenfalls eingeglast und das druckempfindliche Element 1 bleibt frei.
Der Träger 17 ist in ein Gehäuse 19 eingefaßt. Der Träger 17 ist derart angeordnet, daß er das Gehäuse 19 in zwei Hälften unterteilt. Eine erste Hälfte, in der sich das druckempfindliche Element 1 befindet ist an einen Druckmittler 8 angeschlossen, über den ein zu messender Druck p auf das druckempfindliche Element 1 übertragen wird. Der Druckmittler 8 ist mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z. B. einem Silikonöl, gefüllt, die einen auf eine äußere Trennmembran 25 des Druckmittlers 8 einwirkenden zu messenden Druck p auf das druckempfindliche Element 1 überträgt. Eine zweite Hälfte des Gehäuses 19 ist durch den Träger 17 völlig getrennt von der ersten Hälfte und eignet sich daher zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung 20 zur Aufnahme und/oder Verarbeitung von von dem elektromechanischen Wandler erzeugten druckabhängigen elektrischen Meßgrößen. Die elektronische Schaltung 20 ist an die Kontaktstifte 9 über Leitungen angeschlossen.
Der in Fig. 2 dargestellte Drucksensor ist als Relativdrucksensor ausgebildet. Hierzu weist der Grundkörper 3 eine durchgehende Bohrung 21 auf, deren eines Ende in einer durch die Membran 1 und den Grundkörper 3 gebildeten Kammer mündet und deren anderes Ende am Träger 17 mündet. Im Träger 17 verläuft eine Verbindung 23, durch die die Bohrung 21 im Grundkörper 3 durch den Träger 17 hindurch nach außen fortgeführt ist.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel führt die Verbindung 23 durch den Träger 17 hindurch zu einer von dem druckempfindlichen Element 1 abgewandten Seite des Trägers 17. Dort kann die Referenzdruckzufuhr, z. B. wie in Fig. 2 dargestellt, durch ein Druckröhrchen 24 weiter fortgeführt sein.
Im Betrieb liegt ein Referenzdruck p_R, auf den ein zu messender Druck p zu beziehen ist durch die Verbindung 23 und die Bohrung 21 hindurch an einer grundkörperzugewandten Innenseite des druckempfindlichen Elements 1 an. Eine druck-bedingte Veränderung des druckempfindlichen Elements 1 ist somit durch den auf das druckempfindliche Element 1 einwirkenden Relativdruck bestimmt.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Aufgrund der großen Übereinstimmung zu dem vorangehenden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die Unterschiede näher erläutert.
Auch hier handelt es sich um einen Relativdrucksensor, der eine Bohrung 21 im Grundkörper 3 aufweist. Die Bohrung 21 ist hier jedoch an eine Verbindung 27 angebunden, die durch den Träger 17 hindurch zu dem Gehäuse 19 führt, in das der Träger 17 eingefaßt ist. Es ist eine das Gehäuse 19 durchdringende Bohrung 29 vorgesehen, durch die die Verbindung 27 in Verbindung mit einer Umgebung des Gehäuses 19 steht.
Die Verbindung 27 mündet also nicht, wie die in Fig. 2 dargestellte Verbindung 23 in der zweiten Hälfte des Gehäuses 19, sondern führt seitlich aus dem Gehäuse 19 heraus. Dies ist z. B. dann von Vorteil, wenn bei einer Zerstörung des druckempfindlichen Elements 1 verhindert werden soll, daß Flüssigkeit in die zweite Hälfte des Gehäuses 19 gelangt.
An das Gehäuse 19 ist druckmittler-seitig ein Prozeßanschluß 31 angeschlossen. Dieser ist hier ein im wesentlichen zylindrisches Bauteil, das auf das Gehäuse 19 aufgeschraubt ist und an dessen gehäuse-abgwandten Ende ein Außengewinde 33 angeformt ist, das dazu dient, den Drucksensor an einem Meßort zu befestigten.
Der Prozeßanschluß 31 weist eine durchgehende zentrale axiale Bohrung 35 auf, durch die im Betrieb ein Medium, dessen Druck gemessen werden soll zu der Trennmembran 25 des Druckmittlers 8 gelangt.
Auf einer vom Prozeßanschluß 31 abgewandten Seite ist das Gehäuse 19 mit einem auf das Gehäuse 19 aufgeschraubten Deckel 37 verschlossen.
Deckel 37 und Prozeßanschluß 31 können selbstverständlich auch in Verbindung mit dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzt werden.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors werden die Kontaktstifte 9 eingeglast. Vorzugsweise geschieht dies, indem Kontaktstifte 9 und Gehäuse 19 auf einer Halterung montiert werden und die Kontaktstifte 9 direkt in dem Gehäuse 19 eingeglast werden.
Bei der Herstellung eines Relativdrucksensors ist die für die Referenzdruckzufuhr erforderliche Verbindung 23, 27 vorzugsweise eine Aussparung im Glas, die durch ein Füllmaterial erzeugt wird, das nach dem Auskühlen des Glases aus dem Träger 17 entfernt wird. Dies erfolgt parallel zu der Einglasung der Kontaktstifte 9. Es erfordert keinen zusätzlichen Arbeitsgang.
Mit einem Träger 17 aus Glas läßt sich genau wie mit einem metallischen Träger eine druckfeste Trennung der ersten und der zweiten Hälfte des Gehäuses 19 realisieren. Glas bietet jedoch den Vorteil, daß es ein Isolator ist. Der elektromechanische Wandler ist somit optimal isoliert gegenüber dem Gehäuse 19.
Außerdem werden zusätzliche Isolationen und/oder elektrisch isolierte Durchführungen, z. B. Glasdurchführungen, durch den erfindungsgemäßen Aufbau überflüssig.
Glas weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem von für Drucksensoren üblichen Halbleitern sehr viel ähnlicher ist, als der von Metall. Entsprechend sind temperaturbedingte Spannungen bei einem erfindungsgemäßen Drucksensor geringer als bei herkömmlichen Drucksensoren mit metallischen Trägern.
Bei einem Träger 17 aus Glas sind mit der Herstellung des Trägers 17 selbst alle wesentlichen Herstellungsschritte abgeschlossen. Wird der Träger 17 direkt in das Gehäuse 19 eingeglast, so sind abgesehen von der Befestigung des Grundkörpers 3 auf dem Träger 17 keine weiteren Arbeitsgänge erforderlich. Die bei metallischen Trägern erforderlichen Bohrungen für die Kontaktstifte und die Referenzdruckzufuhr sowie die Einbringung von druckfesten Glasdurchführungen für die Kontaktstifte entfallen. Die erfindungsgemäßen Drucksensoren sind daher sehr viel einfacher und kostengünstiger herstellbar als herkömmliche Drucksensoren.

Claims

1. Drucksensor mit
einem Grundkörper (3),
einem auf dem Grundkörper (3) angeordneten druckempfindlichen Element (1),
das einen elektromechanischen Wandler aufweist, der dazu dient eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements (1) zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Größe umzuwandeln, die über Anschlußleitungen (13) abnehmbar ist,
einem Träger (17) aus Glas,
auf dem der Grundkörper (3) befestigt ist, und
in den mit den Anschlußleitungen (13) verbundene Kontaktstifte (9) eingeglast sind, und
einem Gehäuse (19), in das der Träger (17) eingefaßt ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem das druckempfindliche Element (1) eine Membran aus einem Halbleiter ist und der elektromechanische Wandler in die Membran (1) eindotierte Widerstandselemente aufweist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem
der Grundkörper (3) eine durchgehende Bohrung (21) aufweist, deren eines Ende in einer durch die das druckempfindliche Element (1) und den Grundkörper (3) gebildeten Kammer mündet und deren anderes Ende am Träger (17) mündet,
im Träger (17) eine Verbindung verläuft(23, 27), durch die die Bohrung (21) im Grundkörper (3) durch den Träger (17) hindurch fortgeführt ist, und
im Betrieb ein Referenzdruck (p_R), auf den ein zu messender Druck (p) zu beziehen ist, durch die Verbindung (23, 27) und die Bohrung (21) hindurch an einer grundkörperzugewandten Innenseite des druckempfindlichen Elements (1) anliegt.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, bei dem die Verbindung (23) durch den Träger (17) hindurch zu einer von dem druckempfindlichen Element (1) abgewandten Seite des Trägers (17) führt.

5. Drucksensor nach Anspruch 3, bei dem die Verbindung (27) durch den Träger (17) hindurch zu dem Gehäuse (19) führt und dort durch eine das Gehäuse (19) durchdringende Bohrung (30) in Verbindung mit einer Umgebung des Gehäuses (19) steht.

6. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach Anspruch 3, 4 oder 5, bei dem
die Kontaktstifte (9) eingeglast werden, und parallel
die Verbindung (23, 27) durch ein Füllmaterial erzeugt wird, das nach dem Auskühlen des Glases aus dem Träger (17) entfernt wird.