-
Die
Erfindung betrifft eine Messzellenanordnung nach dem Oberbegriff
des hier beigefügten
Patentanspruches 1 wie er aus der
DE
40 28 376 02 bekannt ist. Auf diese Druckschrift wird hiernach
noch näher
eingegangen. Außerdem
betrifft die Erfindung einen mit einer solchen Messzellenanordnung
versehenen Drucksensor sowie ein Herstellverfahren für eine solche
Messzellenanordnung.
-
Die
meisten Drucksensoren messen den Druck eines Fluids, in dem die
Auslenkung einer druckbeaufschlagten Membran erfasst wird. Dies
kann derart erfolgen, dass die Auslenkung der Membran mittels Dehnmessstreifen
erfasst wird. Solche Dehnmessstreifen beinhalten elektrische Widerstandselemente,
deren Widerstand sich bei Kontraktion oder Dehnung des Substrats,
auf dem sie aufgebracht sind, ändern.
Es ist bereits bekannt, solche Dehnmessstreifen unmittelbar auf
einer Membran aufzubringen. Dies hat aber schwerwiegende Nachteile
bei der Herstellung: Bei den Membranen muss besonderer Augenmerk
auf die Genauigkeit der Dicke und Abmaße, sowie Oberflächenqualität gelegt
werden. Daher werden die Membrane zunächst einzeln hergestellt. Diese
einzelnen Membrane müssen
dann danach mit den Dehnmessstreifen versehen werden, was prozesstechnisch
aufwändig
ist.
-
Es
ist daher bereits bekannt, die Dehnmessstreifen nicht unmittelbar
auf der Membran aufzubringen, sondern auf einem Substrat, das wiederum
mit der Membran verbunden wird. Auf diese Weise können aus einem
Nutzen vergleichbar zu der Herstellung von Halbleiterelementen eine
Vielzahl solcher Dehnmessstreifenstrukturen aufgebracht werden,
wobei die einzelnen Substrate dann nach dem Aufbringen dieser Strukturen vereinzelt
werden müssen.
Die Membran kann davon unabhängig
bezogen auf die besten Membraneigenschaften optimiert hergestellt
werden und mit einem der vereinzelten Kraftmesselemente verbunden
werden.
-
Die
DE 40 28 376 02 beschreibt
ein solches Verfahren, wobei die Dehnmessstreifen auf einem Substrat
aus einem dünnen,
biegsamen Glasmaterial mit einer Dicke von maximal 60 μm angebracht
sind. Die so präparierte
Glasfolie wird dann auf die druckabgewandte Seite der Membran aufgeklebt
oder mittels anodischem Bonden verbunden. Die Glasfolie ist so dünn, dass
sie die volle Unterstützung
der Membran braucht.
-
Andererseits
ist auch die Messung von Druck und Kraft mit einem an sich selbsttragenden
Biegebalken bekannt, welcher formschlüssig und/oder stoffschlüssig auf
eine Membran aufgebracht wird. Die Biegebalken werden meist brückenartig,
also an voneinander beabstandeten Befestigungspunkten mit der Membran zur
gemeinsamen Auslenkung damit verbunden. Solche Konstruktionen sind
in der Literatur zur Druck- und Kraftmesstechnik beschrieben, so
zum Beispiel in dem Buch „H. Schaumburg: Sensoren", erschienen im B.G. Teubner-Verlag,
Stuttgart 1992, oder in dem Buch „H. Schaumburg:
Sensoranwendungen",
erschienen im gleichen Verlag 1995.
-
Die
kostengünstige
Herstellung derartiger Kraftsensorelemente in Form von Biegebalken
aus einem Nutzen ist von verschiedenen Anwendungen her bekannt.
Die Kraftmessbalken bestehen dabei oft aus Metall, so zum Beispiel
bei der
EP 1 255 099
A2 , der
DE
102004024919 A1 sowie bei der
EP 1 215 477 A2 .
-
Damit
ist zwar ein massentaugliches Verfahren zum Aufbau eines genauen
Drucksensors bekannt, jedoch müssen
weiterhin metallische Waferstrukturen bearbeitet und Schweißprozesse
durchgeführt
werden. Daher ist auch dieses Verfahren mit Metallbiegebalken immer
noch aufwändig
und daher teuer.
-
Ein
wesentliches Merkmal eines Drucksensors ist seine Langzeitstabilität. Insbesondere
bei einer Vielzahl von Lastwechseln kann das Material ermüden, was
zu Messfehlern oder dem Ausfall des Drucksensors führen kann.
-
Insbesondere
mit bisher bekannten kostengünstigeren
Herstellverfahren ist die Langzeitstabilität oft unzureichend.
-
Ausgehend
von dem Stand der Technik nach der
DE
40 28 376 02 ist es Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art derart auszugestalten,
dass er zugleich einfach und damit kostengünstig herstellbar ist als auch
eine genügende
Langzeitstabilität
aufweist. Vorteilhafterweise soll der Sensor 10–100 Millionen Lastwechsel
ohne eine Beeinträchtigung
der Sensorkennlinie mitmachen können.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Als
eine erste Maßnahme
zur Optimierung der Herstellungskosten und zur Verbesserung seiner
elektrischen Isolationseigenschaften bei gleichzeitiger Vergrößerung der
Langzeitstabilität
besteht das Kraftmesselement aus Glas.
-
Aus
der Literatur ist bekannt, dass Glasplatten, wie sie bei Fensterscheiben
Verwendung finden, einige Millionen Lastwechsel aushalten (siehe „Structural
Engineering International" 2/2004,
Seite 126). Jedoch ist in der Literatur nichts über die
Verwendung als Drucksensorelement bekannt, in dem Glas die Rolle
eines Druck tragenden Teils übernimmt.
-
Bei
der
DE 40 28 376 02 sind
zwar die Dehnmessstreifen auf einer dünnen Glasfolie aufgebracht.
Bei diesem Stand der Technik übernimmt
eine Stahlmembran die Rolle des drucktragenden Teils. Die Glasfolie
ist so dünn
wie möglich
ausgeführt,
um die Auslenkungen der Membran mitmachen zu können. Das Glas übernimmt
in dem Stand der Technik nur die Rolle eines Isolators, um die einzelnen
Widerstandselemente der darauf aufgebrachten Dehnmessstreifen voneinander
elektrisch zu isolieren. Weiter wird bei dem bekannten Stand der
Technik diese Glasfolie mittels Klebstoff oder anodischem Bonden
aufgebracht. Diese Verbindungstechniken erweisen sich als nicht
ausreichend langzeitstabil. Insbesondere kann es bei diesen Verbindungstechniken
bei einer Auslenkung der Membran zu Brüchen und Rissen an dem Glas
und damit zu Ungenauigkeiten bei der Messung oder auch zum Ausfall
des Sensors kommen. Ferner ziehen diese Bondtechniken Eigenspannungen
in den Materialien nach sich, was sich ungünstig auf die Langzeitstabilität auswirkt.
-
Die
Erfinder haben erkannt, dass eine Ursache zu geringer Langzeitstabilität bei nach
dem Stand der Technik aufgebauter Sensoren mit sich mit bewegenden
Glasisolatoren darin liegt, dass Glas zwar Druckspannungen relativ
gut aufnehmen kann, es bei Zugspannungen aber jedoch sehr schnell
zu Brüchen
kommen kann. Mit dem Aufbringen der dünnen Glasfolie mittels Kleben
oder anodischen Bonden kann es bei Auslenkung der Membran aber zu
Zugspannungen in der Glasfolie kommen. Insbesondere daher kommt
es bei dem aus der
DE 40 28
376 02 bekannten Drucksensor relativ schnell, d.h. nach
einer relativ geringen Anzahl von Lastwechseln und/oder bei einem
relativ geringen Maximaldruck, zu Ausfällen. Der bekannte Drucksensor kann
daher nur bis zu einer relativ geringen Anzahl von Lastwechseln
und bis zu einem relativ geringen Maximaldruck eingesetzt werden.
Auch führen
bereits relativ geringe Temperaturschwankungen zu einer relativ starken
unterschiedlichen Ausdehnung der einzelnen Verbundmaterialien mit
der Folgen von Rissen in der Glasfolie.
-
Bei
der Erfindung ist dagegen das Glassubstrat mit einem Glaslot an
der Membran befestigt. Hier hat bereits das Glaslot einen vergleichbaren
Temperaturausdehnungskoeffizienten wie das Glassubstrat. Weiter erfolgt
die Befestigung mittels Glaslot bei höheren Temperaturen. Beim Abkühlen werden
die Glasmaterialien auf Druck vorgespannt, so dass die bei Auslenkung
der Membran auf das Glas wirkenden Zugspannungen zunächst diese
Druckspannung kompensieren und somit nicht so schnell zu Brüchen führen können.
-
Eine
Befestigung von Glasmaterialien mittels Glasloten ist zwar auf dem
Gebiet von Drucksensoren auch aus der
US 2002/0029639 A1 bekannt;
dabei wird jedoch nur eine Kappe, welche der eigentlichen Druckmesszelle
diese schützend überlagert
ist, auf einer Trägerstruktur
aus Glas aufgebracht, oder es wird die Trägerstruktur aus Glas auf einem
metallenen Untergrund mittels niedrigschmelzendem Glaslot aufgelötet. Die
eigentliche Membran ist an einem Silizium-Plättchen ausgeführt, wobei
an diesem Silizium Dehnmessstreifen angebracht sind. Somit ist diese
Struktur besonders aufwändig
und daher kostenintensiv in der Herstellung. Die Silizium-Membran
muss aufwändig
gegenüber
aggressiven Medien geschützt
werden. Dabei wird Langzeitstabilität des drucksensitiven Elements
durch die bekannte Glaslotverbindung nicht beeinflusst, insbesondere
keineswegs verbessert. Die Glaslotverbindung soll vielmehr vornehmlich
dazu dienen, den Drucksensor für
auch aggressive Medien kompatibel zu machen.
-
Die
Erfinder haben dagegen erkannt, dass die Glaslotverbindung auch
zum Befestigen von aus Glas gebildeten Biegebalken an einer Membran
sehr gut geeignet sind. Auch bei einer Vielzahl von Lastwechseln bleibt
der Drucksensor stabil. Dennoch kann auf diese Weise die kostengünstige gemeinsame
Herstellung vieler Kraftmesselemente auf einem Nutzen mit anschließender Vereinzelung
verwendet werden.
-
Die
Erfinder haben weiter erkannt, dass auch die Höhe der Biegebalken einen beachtlichen
Einfluss auf die Langzeitstabilität hat. Je dicker die Balkenhöhe desto
größerer Druck
kann bei gegebener Membrangröße gemessen
werden. Mit abnehmender Balkenhöhe
nimmt dagegen die Rissneigung an der Balkenunterseite zu. Eine weitere
Rolle spielt der Spannungsgradient, d.h. die Verteilung der Spannungen
im beschriebenen Verbundmaterial (Stahl – Glaslot – Glas). Diese Spannungsgradienten
im Glaskörper
sind mit der Drift korreliert. Eine erlaubte Größenordnung kann im Bereich
um 100 Mpa/mm angesetzt werden.
-
Es
ist daher bevorzugt, dass das Glassubstrat des Kraftmesselements
eine Dicke von mehr als 80 μm (vorzugsweise
von mehr als 100 μm)
aufweist. Gute Werte wurden mit einer Glasdicke von etwa 200 μm erreicht.
Zu große
Dicken führen
zu hoher Steifigkeit des Gesamtsystems mit der Folge einer relativ
geringen Auflösung
des Messsignals. In weiter bevorzugter Ausgestaltung liegt somit
die Dicke des Glassubstrates des Kraftmesselementes zwischen 80 μm und 350 μm.
-
In
Messreihen konnten Druckmessungen im Bereich von 1 bis 2000 bar
und Einsatztemperaturen von bis zu 250°C problemlos bewiesen werden.
Driften des Nullpunktsignals lagen hier in der Grössenordnung
von 1% des Sensormessbereiches über
500–1000
Stunden.
-
Zur
Befestigung des Kraftmesselements an der Membran sind verschiedene
Methoden denkbar.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Glassubstrat
im wesentlichen mit seiner gesamten der Membran zugewandten Unterseite
mittels des Glasfilms an der Membran befestigt ist. In dem Falle
spricht man auch von einem Verbundbalken, welcher vollflächig mit
der Membran verbunden ist. Diese Ausgestaltung ist prozesstechnisch
besonders einfach auszuführen.
Das Glaslot kann über
gängige Siebdruckverfahren
sehr einfach aufgebracht werden. Weiterhin kann man den Balken und
die Membranoberfläche
besonders einfach gegenüber äußeren Einflüssen versiegeln,
da es keinen Spalt zwischen der Balkenoberfläche und der Membranoberfläche gibt.
-
Nachteilig
dabei kann eine reduzierte Auflösung
des Messsignals sein, da die Steifigkeit des Gesamtsystems in Folge
der Verbundwirkung in Vergleich zu bekannten Kraftmessbalken in
Brückenausgestaltung größer ist.
-
Andererseits
ist bei dieser Variante wird eine größere Balkendicke wichtig, damit
Beanspruchungen sicher im elastischen Bereich liegen. Eine größere Balkendicke
bedeutet aber größere Steifigkeit
und hat somit Einfluss auf die Auflösung des Messsignals.
-
Überraschend
bei der Erfindung ist, dass gerade mit dem Glasbiegebalken eine
sehr gute Langzeitstabilität
erreicht werden kann. Versuche haben gezeigt, dass selbst auch das
Risiko einer Langzeitdrift sehr gering ist. Dies ist insofern überraschend,
da bisher generell umstritten ist, ob Glas als Festkörper oder
als Flüssigkeit
zu betrachten ist. In der Fachliteratur ist umstritten, ob sich
Glas unter bestimmten Umständen
nicht doch wie eine Flüssigkeit
verhält,
so dass eine Veränderung
des Glasmessbalkens nicht ausgeschlossen werden könnte. Neuere
Untersuchungen gehen jedoch davon aus, dass je nach Definition auch
die Beschreibung des Glases als Festkörper mit ausreichenden Festigkeitswerten
zutreffend ist (siehe zum Beispiel „Is glass liquid or solid?" PHYSICS FAQ updated
PEG Januar 1997, Philipp Gibbs, October 1996), was durch
die Lastwechselversuche der Erfinder bestätigt worden ist.
-
Allgemein
ist für
den Erfolg der Erfindung mit maßgebend,
dass Glas zwar sehr viele Lastwechsel unter Druck aushält, jedoch
bei Zugspannungen oder vorhandenen Spannungsgradienten im Glaskörper sehr schnell
ausfallen kann.
-
Je
höher somit
die druckaufnehmenden Glaselemente unter Druck vorgespannt sind,
desto weniger wird eine Auslenkung der Membran zu einer Zugspannung
führen.
Es ist somit bevorzugt, dass das Glassubstrat mit einer Längsdruckspannung
auf der Membran befestigt ist, die größer bemessen ist als die im
Betrieb des Drucksensors bei Auslenkung der Membran auf das Glassubstrat
wirkende Längszugspannung.
Dies kann prozesstechnisch insbesondere mit Hilfe des Glaslotverfahrens
in vorteilhafter Weise über
die Auswahl der Prozesstemperaturen sowie die Auswahl der Temperaturausdehnungskoeffizienten
der betroffenen Materialien erreicht werden.
-
Zunächst ist
vorteilhaft, wenn die Ausdehnungskoeffizienten des Glases des Glassubstrats
und des Glaslots oder des Glasfilmes in etwa vergleichbar sind.
Es ist daher bevorzugt, dass sich diese Temperaturausdehnungskoeffizienten
nicht um mehr als einen Faktor 3 voneinander unterscheiden. Vorzugsweise
ist dieser Faktor geringer, beispielsweise weniger als 1,5.
-
Weiter
sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glassubstrats und/oder
des Glasfilms so gewählt
werden, dass er wesentlich unter dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des Membranmaterials liegt. Vorteilhafterweise ist der thermische
Ausdehnungskoeffizient der Membran um einen Faktor 10 oder mehr
größer als
derjenige der Glasmaterialien. In dem Herstellverfahren werden das
Glassubstrat, das Glasmaterial des Glasfilms sowie die Membran auf
eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Glasmaterials des
Glasfilms gebracht. Dieses Material schmilzt dann und verbindet
bei einer darauf folgenden Abkühlung
das Glassubstrat mit der Membran. Wenn nun der Temperaturausdehnungskoeffizient
der Membran größer ist,
so zieht sich die Membran bei dieser Abkühlung mehr zusammen. Die Glasmaterialien
werden durch diese größere Kontraktion
der Membran auf Druck vorgespannt. Diese Vorspannung wird durch
das Abkühlen eingefroren.
-
Lenkt
sich dann im Betrieb des Drucksensors aufgrund des Druckes die Membran
aus, so wird das Glassubstrat auf Zug beansprucht, wobei sich dadurch
zunächst
nur die Druckspannung zum Teil entlastet. Auf diese Weise wird das
Glassubstrat auch bei einer Auslenkung der Membran noch nicht auf
Zug sondern nur auf gegenüber
dem Ruhezustand geringeren Druck belastet.
-
Als
besonders vorteilhaft hat sich für
das Glassubstrat ein Borosilikatglas mit einem Ausdehnungskoeffizienten
von (4,5 ± 1) × 10
–6°C
–1 erwiesen.
Die Membran besteht bevorzugt aus Stahl, insbesondere Edelstahl
(1.4548, 1.4542 oder Inconel 718), und ist weiter bevorzugt Teil
einer einstückigen
napfförmigen
oder hutförmigen
Druckmesszelle aus Stahl. Alternativ ist die Druckmesszelle einschließlich der
Membran oder auch nur die Membran aus Keramik ausgeführt. Insbesondere
eine Stahlmesszelle kann besonders einfach in einem Drucksensor
auch ohne Verwendung von O-Ringen eingebunden werden, so wie dies
beispielsweise in der
EP
1281947 A2 beschrieben und gezeigt ist. O-Ringe stellen
immer eine Begrenzung für
die Medienkompatibilität
dar. Bei der Verwendung von Edelstahl ist eine große Medienkompatibilität gegeben;
die Membran kann so unmittelbar auch aggressiven Medien ausgesetzt
werden.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Darin
zeigt:
-
1 eine
Schnittdarstellung durch eine Druckmesszellenanordnung eines Drucksensors
mit einem mit einer Membran versehenen Grundkörper sowie einem damit verbundenen
Glasbiegebalken-Kraftaufnehmer;
-
2 eine
Draufsicht auf die Druckmesszellenanordnung von 1;
-
3 eine
perspektivische Ansicht des Glasbiegebalken-Kraftaufnehmers;
-
4 einen
Längsschnitt
durch den auf der Membran befestigten Glasbiegebalken-Kraftaufnehmer;
-
5 einen
Querschnitt entlang der Linie 1-1 von 4 durch
eine erste Ausführungsform;
-
6 den
Querschnitt entlang der Linie 1-1 von 4 durch
eine zweite Ausführungsform;
-
7 eine
perspektivische Darstellung eines Segments der Druckmesszellenanordnung
in einer Finite-Elemente-Simulation zum Simulieren des Ortes mit
der höchsten
mechanischen Dehnung bzw. Spannung, um so die Durchbiegung des Kraftsensors
in einer Druckanwendung zu messen;
-
8 eine
schematische Halbquerschnittsdarstellung der ersten und zweiten
Ausführungsform
der Druckmesszellenanordnung von 1 und 2,
wobei sich die erste Ausführungsform
durch Anwendung der in 5 gezeigten Glassubstratdicke
t = h und die zweite Ausführungsform
durch Anwendung der in 6 gezeigten Glasssubstratdicke
t = h ergibt und die unterschiedlichen Glassubstratdicken ansonsten
aus Einfachheitsgründen
nicht dargestellt sind; und
-
9 eine schematische Halbquerschnittsdarstellung
einer dritten Ausführungform
der Druckmesszellenanordnung, ausgelegt für einen größeren Nenndruck.
-
In 1 und 2 ist
eine als Verbundsystem ausgeführte
Druckmesszellenanordnung 10 für einen Drucksensor dargestellt.
Die Druckmesszellenanordnung 10 hat einen Grundkörper 12,
der einstückig
aus Stahl (1.4548) gebildet ist, und ein damit fest verbundenes
Kraftmesselement in Form eines Glasbiegebalkens 14.
-
Der
Grundkörper 12 ist
insgesamt hutförmig
oder napfförmig
ausgebildet und hat einen ringförmigen Stützkörper 16 und
eine einstückig
damit ausgebildete Membran 18. In den durch den Stützkörper 16 und
die Membran 18 umschlossenen Hohlraum 20 wird
im Betrieb des Drucksensors unter dem zu messenden Druck stehendes
Fluid (Flüssigkeit
oder Gas) eingeleitet. Der Glasbiegebalken 14 ist auf der
dem Hohlraum 20 abgewandten Seite 22 der Membran 18 fest
mit der Membran 18 verbunden. Hierzu ist zwischen der Membran 18 und
dem Glasbiegebalken 14 ein Glasfilm 24 aus niedrigschmelzendem
Glas vorhanden.
-
Der
Glasbiegebalken 14 besteht zu einem wesentlichen Anteil
aus einem Glassubstrat 15 und ist auf seiner Unterseite 26 vollflächig mittels
des Glasfilms 24 auf die Membran 18 aufgelötet.
-
Auf
seiner entgegengesetzten Oberseite 28 ist das Glassubstrat 15 des
Glasbiegebalkens 14 mit einer Beschichtung 30,
insbesondere aus NiCr, versehen, die eine DMS-Struktur (Dehnmesstreifen) 32 bildet,
wie dies genauer in 3 wiedergegeben ist. Die Beschichtung 30 kann
in Dünnschichttechnik
oder in Dickschichttechnik aufgebracht sein.
-
Aus
dem in
1 und
2 dargestellten Verbundsystem
lässt sich
leicht ein medienkompatibler Drucksensor (nicht näher dargestellt,
Aufbau zum Beispiel vergleichbar zu der
EP 1281947 A2 oder der
DE 102004024919 A1 ;
es wird für
weitere Einzelheiten ausdrücklich
auf diese Druckschriften hingewiesen; diese Druckschriften werden
durch Bezugnahme in die hiesige Offenbarung inkorporiert) aufbauen.
Das Verbundsystem umfasst den Grundkörper
12 (Membran
18),
eine fügende
Zwischenschicht – hier
in Form des niedrigschmelzendes Glases des Glasfilms
24 –, den eigentlichen
Glasbiegebalken
14 (Glas-Dehnungs-Messstreifen, DMS) und
der eigentlichen messsensitiven Dünnschichtbeschichtung – hier in
Form einer NiCr-Beschichtung
30.
Bevorzugt für
die Beschichtung
30 sind das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
verwendete NiCr oder TiON, wobei ersteres bis 250°C, letzteres
bis 350°C
temperaturbeständig
ist.
-
1 zeigt
den Schnitt durch den als Glasbiegebalken 14 ausgeführten Kraftaufnehmer,
der mit dem Grundkörper 12 und
der Membran 18 zur Verwendung als Drucksensor kombiniert
ist. Zur Herstellung dieser Konstruktion wird wie folgt vorgegangen:
Konventionelle
Waferfertigung, wie sie seit Jahren in der Halbleitertechnologie
(CMOS-Technologie) verwendet wird, erlaubt eine kostengünstige Massenfertigung
von elektronischen Chips oder Sensoren. In dem hier vorgeschlagenen
Herstellungsverfahren wird bei einem hierzu entsprechenden Verfahren
als Substratmaterial Glas statt Silicium verwendet. Für das Glassubstrat 15 eignen
sich insbesondere die Glassorten AF45 oder D263 der Fa. Schott AG.
Diese beiden Glassorten sind die bekanntesten Vertreter von Substratgläsern und werden
unter anderem in der Medizinaltechnik verwendet. AF45 ist ein alkalifreies
Borosilikatglas, das in Form von Wafer-Scheiben mit unterschiedlichen
Dicken zwischen 0,05 mm bis zu 0,5 mm erhältlich ist. Auf diese Scheiben
wird eine Vielzahl der DMS-Strukturen 32 aufgebracht, so
dass durch Zersägen
des Glaswafers in streifenförmige
Einzelelemente mit typischen Abmessungen von etwa 1 × 8 mm eine
Vielzahl der Glasbiegebalken gewonnen wird. Diese streifenförmigen Einzelelemente
können
dann form- und kraftschlüssig
mit dem metallischen Grundkörper 12 verbunden
werden.
-
Grundsätzlich sind
auch andere Flächenformen
als die Rechteckform für
die Einzelelemente denkbar. Eine rechteckige oder quadratische Form
wird aus Gründen
der optimalen Ausnutzung des Glaswafers bevorzugt. In einer nicht
näher dargestellten
alternativen Ausgestaltung wird ein keramischer Grundkörper anstelle des
metallenen Grundkörpers 12 verwendet.
-
Durch
das hier vorgeschlagene Herstellverfahren kann ein kostengünstiges,
präzises
und langzeitstabiles Drucksensorelement hergestellt werden. Insbesondere
im Falle der Verwendung von Stahl bildet das in 1 dargestellte
Drucksensorelement – Druckmesszellenanordnung 10 – ein medienkompatibles
Element, das auch völlig
ohne O-Ringe abgedichtet werden kann.
-
Zur
Verbindung des Glasbiegebalkens 14 wird ein sogenannter
Anglasungsprozess verwendet. Beispielsweise wird hierzu ein Glaslot
verwendet. Beispiele für
passende Glaslote sind Ferro FX 11-036 der Fa. Ferro oder Schott
Glaslot G018-084 der Fa. Schott AG. Diese Glaslote wurden beispielsweise
im Fraunhofer Institut für
Silizium-Technologie untersucht, siehe „Laserlöten von Silizium/Glas mittels
Glaslot zur Kapselung von Mikrosensoren auf Waferebene", Bericht 12.644
B/DVS Nr. 7.037; dieses Dokument ist unter anderem über das
Internet vor dem Anmeldetag der hiesigen Anmeldung veröffentlicht
worden.
-
Prozesstechnisch
vorteilhaft für
die Funktion als Drucksensor ist der Fügeprozess, in dem nach der Abkühlung unterhalb
der Schmelztemperatur des Glaslotes (im Beispiel ca. 420°C) Druckspannungen
in dem beschriebenen Verbundsystem, d.h. in der Druckmesszellenanordnung 10,
eingefroren werden. Druckmessungen führen in der Druckmesszellenanordnung 10 zu
Zugspannungen, die durch die durch den Herstellprozess bedingten Druckspannungen
kompensiert werden, so dass ein langlebiges Drucksensorelement gefertigt werden
kann. Die Druckmesszellenanordnung 10 ist für über 100
Mio. Lastwechsel ausgelegt.
-
Für die nachfolgende
Nutzung als Sensor wird die Oberseite 28 des Glasbiegebalkens
mittels Drahtbonden oder Löten
mit einer elektrischen Verstärkerschaltung
verbunden. Die Bondstellen werden mit einer Silikonmasse vergelt.
-
Wie
in 3 ersichtlich, ist auf der Oberseite 28 des
Glasbiegebalkens 14 eine Nickelschicht 40 sowie eine
Nickel-Chromschicht 42 aufgebracht. Die Druckmesszellenanordnung 10 erhält auf seiner
inneren Seite 22 eine spannungsabbauende Profilierung 44 (siehe
hierzu insbesondere 7) und die resistive Dünnschicht-Beschichtung 30 (alternative
Dickschicht-Beschichtung) auf der Oberseite 28, wie sie
in Druck- und Kraftsensoren in Form der durch Beschichtung aufgebrachten
Dehnungsmessstreifen auf anderen drucksensitiven Elementen Stand
der Technik ist. Bei der hier beschriebenen Ausführung sind diese Dehnungsmessstreifen
jedoch auf dem Glassubstrat 15 des Glasbiegebalkens 14 aufgebracht.
-
Versuche
haben gezeigt, dass die Auswahl der Materialien, insbesondere deren
Temperaturausdehnungskoeffizienten sowie die Dicke des Glassubstrates
einen entscheidenden Einfluss darauf haben, ob auf der Unterseite 26 des
Glasbiegebalkens 14 Risse auftreten – siehe der Riss 46 in 4 –. Die Risse 46 treten geneigt
auf. Aufgrund der Neigung kann man grob das maximale Biegemoment
bis zum Bruch abschätzen.
-
Wird
ein dünneres
Substrat, beispielsweise ein Substrat von 100 μm Dicke, wie in 5 gezeigt,
verwendet, so bilden sich bereits bei geringeren Auslenkungen mehr
Risse als bei einem dickeren Substrat, wie in 6 dargestellt.
Dies lässt
sich mit einem größeren Widerstand
gegen Schubspannungen bei einem dickeren Balken erklären und
rechnerisch belegen.
-
In
der Tabelle 1 sind die einzelnen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der im Verbundsystem gemäß
1 und
2 des
Ausführungsbeispiels
verwendbaren Materialien zusammengestellt.
| Bauteil | Material | αTh [K–1] | Bemerkung |
| Balken | AF45 | 4.5·10–6 | Modifiziertes
Borosilikatglas. |
| D263 | 7.0·10–6 | Borosilikatglas |
| Bonding-Schicht | Sealing
Glass | 2 ÷ 3·10–6 | 1Vergleich: αTh =
2.5·10–6 für Silicon. |
| Membran | 1.4548 | 1.11·10–5 | Stahl |
Tabelle
1
-
In
der Tabelle 2 finden sich weitere Materialkennwerte dieser Materialien.
| Bauteil | Material | E
[N/mm2] | Bemerkung |
| Balken | AF45 | 6.60·104 | Für
Vergleichsrechnungen als Ersatzbalken mit E = 6.60·104 N/mm2 idealisiert |
| Bonding-Schicht | Sealing
Glass | ? |
| Membran | 1.4548 | 1.95·105 | |
Tabelle
2
-
Die
in den 4 bis 6 angegebenen Längenmassangaben
sind in μm
bemessen.
-
Bei
den für
den Glasfilm 24 genannten Glasmaterialien handelt es sich
um Bleiglas. Sie haben eine geringere Viskosität als das für den Glasbiegebalken verwendete
Borosilikatglas. Für
eine besonders hohe Langzeitstabilität haben sich Dicken des Glasfilms 24 als
vorteilhaft erwiesen, die wesentlich geringer als die Dicken des
Glassubstrats 15 sind. Die Dicke beträgt bei dem Ausführungsbeispiel
20 μm gegenüber Dicken der
untersuchten Glassubstrate von 100 μm, 200 μm und 300 μm.
-
Bezüglich der
Dicke des Glassubstrats 15 hat sich eine mit einer Dicke
von 200 μm
aufgebaute Druckmesszellenanordnung 10 als besonders langzeitstabil
ergeben. Auch eine Dicke von 300 μm
ergab gute Werte, während
bei einer Dicke von 100 μm
eine gegenüber
den anderen erhöhte
Drift der Sensorkennlinie zu verzeichnen war.
-
Ein
Faktor für
die Langzeitdrift ist, dass an keiner der Oberflächen des Glaskörpers (Kombination
aus Glasfilm 24 und Glassubstrat 15) bei Nenndruck
des Drucksensors und in dem vorgesehenen Temperaturbereich Biegezugspannungen
auftreten sollten. Auch Biegezugspannung in einem tolerierbaren
Bereich könnten zu
Mikrorissen führen.
Eindringende Wassermoleküle
könnten
zu Spannungskorrosion führen.
Der Herstellprozess und/oder die Auswahl der Materialien sollte
daher so geführt
werden, dass an den einzelnen Oberflächen des Glaskörpers eine
Druckvorspannung herrscht, die die an den Oberflächen im Messbereich auftretenden
Biegezugspannungen übersteigt.
Die tatsächlich
auftretenden Spannungen können
leicht mit bekannten optischen Spannungsmessmethoden ermittelt werden,
da die Spannungen an Glaskörpern
auftreten, die für solche
Spannungsmessmethoden ideal sind. Weiter können die bei Druckbelastung
auftretenden Spannungen rechnerisch mit der Methode der finiten
Elemente ermittelt werden, wie dies in 7 angedeutet
ist.
-
In
die Gesamtbetrachtung der auftretenden Spannungen geht auch die
Dicke der Membran ein. In den 8 und 9 finden sich Querschnitte durch Druckmesszellenanordnungen 10 und 10a von
drei getesteten konkreten Ausführungsbeispielen.
-
Der
Durchmesser des Grundkörpers 12 beträgt bei allen
Ausführungen
etwa 11 mm, wobei die eigentliche Membran 18 etwa 7 bis
15 mm Durchmesser hat. Die Membran 18 hat jeweils durch
die Profilierung einen dickeren mittleren Bereich 48 und
einen ringförmigen
dünneren
Bereich 50, an dem sich die Auslenkung konzentriert.
-
8 repräsentiert
zwei Ausführungsformen,
bei denen der Grundkörper 12 gleich
ausgebildet ist und jeweils für
einen Nenndruck von 16 bar ausgelegt. Unterschiedlich bei diesen
beiden Ausführungsformen
ist lediglich die Dicke t des Glassubstrats 15, die in
der einen Version 100 μm
und in der anderen Version 300 μm beträgt.
-
Der
Grundkörper 12 der
in 9 gezeigten dritten Ausführungsform
ist auf 250 bar Nenndruck ausgelegt, mit einem entsprechend auszulenkenden
dünneren
Bereich 50, der dicker ist als derjenige bei den anderen
Ausführungsformen.
Die Glassubstratdicke t beträgt
hier 200 μm.
-
Alle
drei Druckmesszellenanordnungen 10, 10a wurden
mit der zuvorstehend erläuterten
Fertigungsmethode hergestellt worden, wobei das Verbundsystem zwecks
Schmelzen des Glasfilms 24 über dessen Schmelztemperatur
erhitzt wurde und anschließend
abgekühlt
worden ist.
-
Erhitzen
und anschließendes
Abkühlen
sind auch in der Bau- und Fahrzeugglasindustrie zum Herstellen von
vorgespanntem Glas bekannt. Zum Beispiel wird Sicherheitsglas auf
eine höhere
Temperatur gebracht und anschließend abgekühlt. Das so gebildete vorgespannte
Glas kann höhere
Belastungen aushalten und beispielsweise für Windschutzscheiben (Einscheibensicherheitsglas)
von Fahrzeugen eingesetzt werden. Insbesondere ergeben sich durch
das Vorspannungen Druckspannungen an den Glasoberflächen, die
durch das Abkühlen
eingefroren werden. Den Grad der Vorspannung kann man über die
Steuerung der Prozesstemperaturen, insbesondere deren Zeitsteuerung
beeinflussen. Für
nähere
Einzelheiten wird auf die für
ein ganz anderes technisches Gebiet, nämlich das Bauingenieurswesen,
bestimmte Literatur zu vorgespanntem Bauglas, beispielsweise „Siebert,
Geralt; Entwurf und Bemessung von tragenden Bauteilen aus Glas;
Bauingenieur-Praxis; Verlag Wiley-VCH, April 2001 verwiesen.
-
Ähnliche
Effekte werden bei dem Glas des Glasbiegebalkens 14 durch
die Anwendung des Glaslot-Verfahrens und die dabei erfolgte Temperaturerhöhung und
Abkühlung
erhalten. Die Oberflächenspannung wird
noch durch die Druckspannung durch das beim Abkühlen stärker schrumpfende Membranmaterial
verstärkt.
-
Rechnerisch
ist ermittelt worden, dass an den Oberflächen der Glaskörper der
drei Ausführungsbeispiele
typischen Messtemperaturen (die Drucksensoren sollen im Bereich
bis zu maximal 250°C
einsetzbar sein) Druckvorspannungen in der Größenordnung von etwa 100 MPa
bei 100°C
erhalten werden.
-
Diese
Vorspannungen waren bei den Ausführungsbeispielen
etwa identisch. Auch die übrigen
Eigenschaften waren vergleichbar. Dennoch hat sich bei einer Ausführung mit
dünnerem
Glasbiegebalken eine größere Drift des Messsignals ergeben als bei dickeren
Glasbiegebalken. Dieser Effekt ist noch nicht vollständig verstanden.
Es wird vermutet, dass dies mit einem erhöhten Spannungsgradienten bei
einem dünneren
Glassubstrat zusammenhängt.
Die Druckvorspannungen sind über
die Höhe
des Glaskörpers
gesehen nicht einheitlich, sondern verändern sich über die Höhe. Die Veränderung ist bei einem dünneren Glaskörper größer als
bei einem dickeren. Auch verhalten sich dünnere Glasbiegebalken überraschenderweise
anders, als man anhand einer Abschätzung aufgrund der dickeren
Glasbiegebalken erwarten könnte.
Man vermutet, dass bei diesen Größenordnungen
bereits Mikroeffekte des Glasmaterials wirken und zu nichtlinearem
Verhalten führen.
-
Aufgrund
von Versuchen bei verschiedenen Druckmesszellenanordnungen 10,
und 10a wurde abgeschätzt,
dass ein Spannungsgradient von mehr als 200 MPa/mm zu einer unerwünscht großen Drift
des Sensorsignals nach einer Vielzahl von zyklischen Belastungen
mit Nenndruck führen
dürfte.
Die Auswahl der Dicken und Dimensionen sowie die Materialauswahl
und die Prozessführung
sollte daher so gewählt
werden, dass in dem Glaskörper
keine Spannungsgradienten von mehr als 200 MPa/mm entstehen. Passable
Werte liegen um die 100 MPa/mm.
-
Diese
werden zum Beispiel mit den Dimensionen des zweiten Ausführungsbeispieles
gemäß 8 mit
der größeren Substratdicke
t und des zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß 9 erreicht. Dabei sollte die Länge des
Glasbiegebalkens 14 mehr als etwa 4 mm betragen. Die Breite
des Glasbiegebalkens sollte etwa zwischen 0,5 und 2 mm betragen,
idealerweise ca. 1 mm.
-
- 10,
10a
- Druckmesszellenanordnung
- 12
- Grundkörper
- 14
- Glasbiegebalken
(Kraftmesselement)
- 15
- Glassubstrat
- 16
- ringförmiger Stützkörper
- 18
- Membran
- 20
- Hohlraum
für unter
Druck stehendes Fluid
- 22
- druckabgewandte
Seite der Membran
- 24
- Glasfilm
(Glaslot)
- 26
- Unterseite
des Glasbiegebalkens
- 28
- Oberseite
des Glasbiegebalkens
- 30
- Beschichtung
NiCr
- 32
- DMS-Struktur
- 40
- Nickelschicht
- 42
- Nickel-Chromschicht
- 44
- Profilierung
- 46
- Riss
- 48
- dickerer
Bereich der Membran
- 50
- dünnerer Bereich
der Membran