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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement zur Druckerfassung
mit mindestens einer Membranstruktur, auf der mindestens ein Piezowiderstand
zum Erfassen von Membrandeformationen angeordnet ist, wobei dieser
Piezowiderstand so verschaltet ist, dass ein druckabhängiges Ausgangssignal
erzeugt wird.
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In
der deutschen Offenlegungsschrift 100 32 579 wird die Herstellung
eines solchen Bauelements mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik
(OMM) beschrieben. Als Ausgangsmaterial dient hier ein Siliziumsubstrat,
in dem mittels porösem
Silizium ein Hohlraum erzeugt wird. Dadurch wird in dem Schichtsystem über dem
Siliziumsubstrat eine Membran freigelegt, die einen Hohlraum überspannt,
so dass in diesem Hohlraum ein Referenzvolumen zur Druckmessung
eingeschlossen ist. Die Messwerterfassung erfolgt mit Hilfe von
Piezowiderständen,
die im Randbereich der Membran angeordnet sind, da hier die größten mechanischen
Spannungen auftreten, wenn die Membran deformiert wird. Die Piezowiderstände sind
in der Regel in einer Wheatstonebrücke miteinander verschaltet,
die ein druckabhängiges
Ausgangssignal liefert.
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Soll
der Messbereich eines derartigen Drucksensors dahingehend erweitert
werden, dass sich auch höhere
Drücke
erfassen lassen, so muss die Membran unempfindlicher gegen Druckeinwirkungen
gemacht werden. Dabei muss beachtet werden, dass die Dicke der Membran
durch den Herstellungsprozess vorgegeben ist und nicht ohne weiteres variiert
werden kann.
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In
der Praxis wird deshalb üblicherweise
die Kantenlänge
von rechteckigen Membranen reduziert. Runde Membranen werden ebenfalls
einfach verkleinert. Dabei rücken
die Piezowiderstände
im Randbereich der Membran zwangsläufig näher zusammen. Da die Piezowiderstände und
deren Zuleitungen eine Mindestausdehnung haben und nicht unbegrenzt verkleinert
und zusammengeschoben werden können,
lässt sich
der Messbereich der bekannten Sensorelemente auf diese Weise nur
eingeschränkt
auf höhere
Drücke
ausdehnen.
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Vorteile
der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, durch
die sich mikromechanische Bauelemente realisieren lassen, die besonders
gut zur Messung hoher Drücke
geeignet sind. Die erfindungsgemäßen Membranstrukturen
können mit
Standardverfahren der Mikromechanik hergestellt werden, sind relativ
unempfindlich und ermöglichen eine
Messwerterfassung mit Hilfe von Piezowiderständen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Membranstruktur eines mikromechanischen Bauelements
der eingangs genannten Art lediglich eine Membran, deren äußerer Rand
konkave und konvexe Abschnitte umfasst. Die Piezowiderstände sind
hier im Bereich der konvexen Abschnitte des äußeren Membranrandes angeordnet.
Die konkaven Abschnitte des Membranrandes werden durch in die Membranmitte
ragende Auflagestrukturen, wie z.B. Stege, gebildet. Diese Strukturen
bilden erfindungsgemäß den neuen
Membranrand und sorgen dafür, dass
weniger Stress an den Piezowiderständen bei Druckänderungen
wirken kann. Dadurch wird die Druckempfindlichkeit der Piezowiderstände reduziert und
die Membran wird insgesamt versteift, so dass sie auch höheren Drücken standhält.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, in der die Membranstruktur eines mikromechanischen
Bauelements der eingangs genannten Art ebenfalls lediglich eine
Membran umfasst und die Piezowiderstände im äußeren Randbereich der Membran
angeordnet sind, ist die Membran ringförmig ausgebildet, so dass die
Membran durch einen äußeren und
einen inneren Membranrand begrenzt wird. In vorteilhaften Varianten
dieser Ausführungsform
umfasst der innere und oder der äußere Membranrand konkave
und konvexe Abschnitte. In diesem Fall ist im Mittelbereich der
Membran eine zusätzliche
Auflagestruktur ausgebildet, die die Druckempfindlichkeit der Membran
verringert.
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In
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Membranstruktur eines mikromechanischen
Bauelements der eingangs genannten Art mehrere benachbart angeordnete
Einzelmembranen, wobei jede Einzelmembran mit mindestens einem Piezowiderstand
ausgestattet ist und diese Piezowiderstände der Einzelmembranen zur
Erzeugung eines druckabhängigen
Ausgangssignals miteinander verschaltet sind. Diese dritte erfindungsgemäße Variante
stellt eine „Verschmelzung" der ersten und zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
dar.
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Allen
drei beanspruchten Ausführungsformen
eines mikromechanischen Bauelements liegt der Erfindungsgedanke
zugrunde, die Überlastfestigkeit
des bekannten Sensorelements durch Variation der Membrangeometrie
und insbesondere durch Vergrößerung der
Membranauflagefläche
zu erhöhen, um
so durch Erniedrigung der Druckempfindlichkeit auch höhere Drücke erfassen
zu können.
Ausgehend von der im Stand der Technik üblichen geschlossenen runden
oder rechteckigen Membranform wird erfindungsgemäß zunächst vorgeschlagen, die Membran
vom äußeren Randbereich
ausgehend zusätzlich zu
unterstützen
und so zu versteifen. Verschiedene Ausführungsformen dieser Art der
Versteifung sind in den 1 und 2 dargestellt. Alternativ oder auch ergänzend dazu
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine
von der Membranmitte ausgehende zusätzliche Unterstützung und
Versteifung zu realisieren, was in den 3 dargestellt
ist. Die Weiterführung
dieses grundlegenden Erfindungsgedankens führt dann zu einer Membranstruktur
mit Einzelmembranen, wie in den 4 dargestellt.
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Das
mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Konzept ermöglicht einen
einfachen, kostengünstigen
Aufbau eines mikromechanischen, piezoresistiv arbeitenden Absolutdrucksensors
für beliebige
und insbesondere auch hohe Drücke
mit einer linearen Kennlinie, da bei den erfindungsgemäßen Membrangeometrien
immer hinreichend große
Membranbereiche mit linearem Stressgradienten für die Anordnung von Piezowiderständen zur
Verfügung stehen.
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Vorzugsweise
wird eine stressoptimierte Membrangeometrie verwendet, bei der die
Piezowiderstände
in den Bereichen maximalen Stresses am Membranrand angeordnet werden.
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Wie
bereits erwähnt,
kann das erfindungsgemäße Bauelement
mit Standardverfahren der Mikromechanik hergestellt werden. So lässt sich
die Membranstruktur beispielsweise mit einem Verfahren der OMM fertigen,
wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 100 32 579 beschrieben
ist. In Frage kommt aber auch eine Realisierung in Bulkmikromechanik, beispielsweise
durch eine getrenchte Membran. In diesem Fall wäre die Membran dann in einer
entsprechenden Rahmenstruktur aufgespannt.
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Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend ausführlich
erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1a zeigt
die Draufsicht auf die quadratische Membran eines Sensorelements
gemäß dem Stand
der Technik, die den Ausgangspunkt für die in den 1b bis 1g dargestellten
erfindungsgemäßen Variationen
der Membrangeometrie bildet.
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Die 2a bis 2f dienen
zur Erläuterung
des Erfindungsgedankens und zeigen jeweils die Draufsicht auf eine
Membran.
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Die 3a und 3b zeigen
jeweils die Draufsicht auf eine Membran mit einem inneren und einem äußeren Rand.
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Die 4a und 4b zeigen
jeweils die Draufsicht auf eine Membranstruktur mit mehreren Einzelmembranen.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Wie
bereits erwähnt
ist in 1a die quadratische Membran 1 eines
mikromechanischen Bauelements dargestellt. Derartige Bauelemente
sind aus dem Stand der Technik bekannt und fungieren beispielsweise
als Sensorelement zur Druckerfassung. Am äußeren Rand der Membran 1 sind
dazu vier Piezowiderstände 2 jeweils
paarweise einander gegenüber
angeordnet, mit deren Hilfe Membrandeformationen erfasst werden.
Dazu sind die Piezowiderstände 2 beispielsweise
in einer Wheatstonebrücke
miteinander verschaltet, die ein druckabhängiges Ausgangssignal liefert.
Um die Empfindlichkeit elektrisch zu reduzieren kann alternativ
nur ein druckempfindlicher Piezowiderstand in die Wheatstonebrücke geschaltet
werden, die restlichen Widerstände
sind druckunabhängig,
vorteilhafter Weise liegen sie neben der Membran auf dem „Festland".
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Zur
Versteifung der in 1a dargestellten Membranstruktur
wird die Membrangeometrie so verändert,
dass der äußere Rand
der Membran konkave und konvexe Abschnitte umfasst. Mit der Membranform ändert sich
die Geometrie des Rahmens bzw. der Kaverne, den bzw. die die Membran überspannt. Verschiedene
Realisierungsmöglichkeiten
dieses Erfindungsgedankens sind in den 1b bis 1g dargestellt.
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In
den Fällen
der 1b bis 1d wird
die Membran 1 jeweils durch versteifende Stege 3 unterstützt, die
von den Ecken der Membran 1 ausgehen und in die Membranmitte
ragen. Je weiter die Stege 3 in die Membranmitte ragen
und je breiter diese Stege 3 sind, um so unempfindlicher
ist die Membran 1. Die Form der Stege 3 kann beispielsweise
im Wesentlichen rechteckig sein, wie in den 1b und 1c dargestellt,
oder auch im Wesentlichen trapezförmig, was in 1d dargestellt
ist. Vorteilhafterweise werden die Ecken der Membranstruktur bzw.
der Stege 3 abgerundet. Derartige Membrangeometrien sind
in den 1e bis 1g dargestellt. Die „Stege" 3 sind
hier ebenfalls in den Membranecken angeordnet und in Form von Kreissegmenten realisiert,
die in die Membranmitte hineinragen. Je größer der Radius dieser Kreissegmente
ist, um so mehr wird die Membran 1 versteift, da die deformierbare
Membranfläche
durch die Kreissegmente reduziert wird. Dementsprechend nimmt auch
die Druckempfindlichkeit ab.
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Bei
allen in den 1b bis 1g dargestellten
Varianten sind die Piezowiderstände 2 im
Bereich der konvexen Abschnitte des äußeren Membranrandes angeordnet,
wo relativ große
mechanische Spannungen bei Membrandeformationen auftreten.
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Wie
bereits erwähnt,
soll der Erfindungsgedanke nachfolgend nochmals anhand der 2a bis 2f erläutert werden.
Wenn die in 2a dargestellte Rechteckmembran 20 eine
Druckempfindlichkeit von angenommenen 100 % aufweist, so liegt die Druckempfindlichkeit
der in 2b dargestellten runden Membran 21 nur
noch bei ca. 77 %. Führt
man die Verschiebung der Membranecken in Richtung Membranmitte bzw.
eine entsprechende Einschnürung
der Membran weiter fort, um die Druckempfindlichkeit weiter zu reduzieren,
so erhält
man beispielsweise Membrangeometrien, wie in den 2c bis 2f – Membranen 22 bis 25 – dargestellt.
Grundsätzlich
ist die Kurvenform einer derartigen Membraneinspannung beliebig.
Um einen möglichst
hohen Berstdruck zu gewährleisten
sollte sie jedoch so ausgestaltet sein, dass keine Stressüberhöhung an scharfen
Kanten auftritt.
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Die 3a und 3b zeigen
erfindungsgemäße Membrangeometrien,
die wieder jeweils von einer Rechteckmembran ausgehen aber – im Unterschied
zu den in den 1 und 2 dargestellten
Varianten – im
Mittelbereich versteift sind. Die in 3a dargestellte
Membran 31 ist in einem quadratischen Rahmen aufgespannt
und wird mittig durch eine quadratische Auflagefläche 32 unterstützt. Im
Fall der in 3b dargestellten Membran 33 ist
die mittig angeordnete Auflagefläche 34 kreuzförmig mit
abgerundeten Ecken ausgebildet, wobei die einzelnen Arme der Auflagefläche 34 auf
die Ecken der Membran 33 weisen. Erfindungsgemäß kann eine
mittig angeordnete Auflagefläche
grundsätzlich
eine beliebige Form aufweisen. Vorteilhafterweise sollte diese Form
auf die Kurvenform der äußeren Membraneinspannung abgestimmt
sein.
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Eine
Kombination der in den 1 oder 2 dargestellten Membrangeometrien mit einer
mittigen Auflagefläche,
wie in Verbindung mit 3 erläutert, führt zu Membranstrukturen
mit mehreren benachbart angeordneten Einzelmembranen, die jeweils
mit mindestens einem Piezowiderstand ausgestattet sind. Bei dieser
Ausführungsform
der Erfindung werden die Piezowiderstände der Einzelmembranen zur Erzeugung
eines druckabhängigen
Ausgangssignals miteinander verschaltet. 4 zeigt
zwei Beispiele für
derartige Membranstrukturen 41, 44. Die Einzelmembranen 42, 45 haben
hier die Form von Kreisen oder Kreissegmenten, können aber grundsätzlich auch
eine andere Form aufweisen, beispielsweise rechteckig sein. Derartige
Membranstrukturen eignen sich insbesondere zum Erfassen hoher Drücke. Bei
sehr kleinen Einzelmembranen können
jedoch nichtlineare Effekte auftreten, wenn sich die Piezowiderstände über einen
Membranbereich mit nichtlinearem Stressgradienten erstrecken. Nur
solange der Stressgradient im Bereich der Piezowiderstände linear
ist, verändert
sich auch der Widerstandwert proportional zum Druck. Analog verhält es sich
mit dem Temperaturstress und der Linearität über der Temperatur.
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- 1
- Membran
(1a – Stand
der Technik)
- 2
- Piezowiderstände
- 3
- Stege
- 20
- Membran
(2a)
- 21
- Membran
(2b)
- 22
- Membran
(2c)
- 23
- Membran
(2d)
- 24
- Membran
(2e)
- 25
- Membran
(2f)
- 31
- Membran
(3a)
- 32
- Auflagefläche (3a)
- 33
- Membran
(3b)
- 34
- Auflagefläche (3b)
- 41
- Membranstruktur
- 42
- Einzelmembran
- 43
-
- 44
- Membranstruktur
- 45
- Einzelmembran