DE102006024381B3

DE102006024381B3 - MEMS Vakuumsensor nach dem Reibungsprinzip

Info

Publication number: DE102006024381B3
Application number: DE102006024381A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dr. Ing. Kurth; Dirk Dipl.-Ing. Tenholte; Karla Dr. Ing. habil. Hiller; Christian Dr. Ing. Kaufmann; Thomas Prof. Geßner; Wolfram Prof. Dr. Ing. Dötzel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-25
Also published as: WO2007134714A1; JP2009537831A; US8186225B2; EP2021756A1; US20100024562A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Druckmessung, welches ein Substrat und mindestens ein Massenelement aufweist, das beabstandet zum Substrat angeordnet und schwingungsfähig mit dem Substrat und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper verbunden ist, so dass zwischen dem Massenelement und dem Substrat ein Spalt besteht, dessen Breite durch Schwingungen des Massenelements variierbar ist. In der den Spalt begrenzenden Fläche des Substrats befindet sich mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens eine Durchführung, die zur Reduktion der Dämpfung der Schwingung des Massenelements durch das das Massenelement umgebende Gas oder Plasma dient. Das Sensorelement findet inbesondere Anwendung in Drucksensoren zur Messung von Drücken im Vakuumbereich. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorelements als Druckaufnehmer lassen sich maximale Drücke bis in den Bereich des atmosphärischen Luftdrucks erfassen. Die tiefsten zu bestimmenden Drücke liegen im Bereich von 10-6 mbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Messung von Vakuumdrücken spielt in der Technik eine wachsende Rolle. Besonders in den Hochtechnologien hat sich die Prozessführung unter Vakuum stark ausgebreitet, so zum Beispiel in der Materialbeschichtung und -vergütung, der Halbleitertechnologie, sowie in der Nahrungsmittelindustrie. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, mit dem sich insbesondere Drücke im Vakuumbereich messen lassen.
Stand der Technik
Zur Messung von tiefen Drücken, insbesondere im Vakuumbereich, werden unterschiedliche Messprinzipien und -strukturen eingesetzt. Eine Gruppe von Vakuumsensoren nutzt die Druckabhängigkeit der Dämpfungseigenschaften von Gasen zur Bestimmung des Drucks aus. Derartige Sensoren werden Reibungsvakuummeter genannt.
Typisch für alle Reibungsvakuummeter ist ein im zu messenden Vakuum befindlicher erster bewegter Körper. Zu diesem ist üblicherweise in unmittelbarer Nähe ein zweiter, bewegter oder feststehender Körper angebracht, so dass zwischen beiden ein enger Spalt entsteht. Aufgrund verschiedener Dämpfungseffekte wird die Bewegung des ersten Körpers gedämpft, wobei die Dämpfung druckabhängig ist. Die Detektion der Dämpfung kann dann auf verschiedene Arten erfolgen.
Kommerziell erhältlich ist beispielsweise der Spinning Rotor Gauge (SRG) von MKS Instruments. Bei diesem Reibungsvakuummeter wird die Zeit gemessen, in der eine magnetisch in einer horizontalen Ebene gehaltene, um eine senkrechte Achse rotierende Kugel durch die sie umgebenden und mit ihr zusammenstoßenden Gasmoleküle von einer Anfangsgeschwindigkeit auf eine festgelegte Endgeschwindigkeit abgebremst wird. Diese Zeit ist ein Maß für den zu messenden Druck. Nachteil dieses Reibungsvakuummeters sind eine komplexe und störanfällige Anordnung, verhältnismäßig große Abmessungen und maximal messbare Druckwerte von 1 mbar.
In der WO 02/04911 wird weiterhin ein Reibungsvakuummeter in Form einer Schwinggabel beschrieben. Im Vergleich zu anderen Ausführungsformen, wie z.B. einer schwingend aufgehängten seismischen Masse ( DE 4300893 ), ergibt sich durch die Anordnung des Schwingers ein geringerer Energieübertrag bzw. Energieaustrag an den Trägerkörper des Schwingers und damit ein zu tieferen Drücken erweiterter Druckbereich von 10³ bis 100 mbar. Trotz dieser Maßnahme ist der messbare Druckbereich nicht zufrieden stellend.
Eine Erweiterung des Messbereichs kann laut EP 0735354 durch Anordnung von zwei separaten Aufnehmern oder einem Aufnehmer, der zwei orthogonale Schwingungsmoden für jeweils einen tieferen (1,33 10^–6-0.0133 mbar) und einen höheren Druckbereich (0.00133-1330 mbar) ausnutzt, erreicht werden. Bei beiden Anordnungen müssen entweder die Signale von zwei Aufnehmern oder von zwei Moden ausgewertet werden, was eine aufwändige Auswerteelektronik erfordert.
Beschreibung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen Vakuumdruckaufnehmer zur Verfügung zu stellen, der einen möglichst großen Messbereich bei hoher Auflösung und Genauigkeit über den gesamten Messbereich gewährleisten soll.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 24 gibt ein Verfahren zur Messung des Drucks mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement an.
Die Unteransprüche lehren vorteilhafte Weiterbildungen; die Ansprüche 25 bis 27 geben vorteilhafte Verwendungen an.
Das erfindungsgemäße Sensorelement ist besonders zur Messung von Drücken im Vakuumbereich geeignet und weist ein Substrat und mindestens ein Massenelement auf, das beabstandet zum Substrat angeordnet und elastisch mit dem Substrat und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper verbunden ist. Der aus der Anordnung zwischen dem Massenelement und dem Substrat resultierende Spalt ist durch Schwingungen des Massenelements in seiner Breite variierbar. In der den Spalt begrenzenden Fläche des Substrats ist mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens eine Durchführung vorgesehen, die zur Reduktion der Dämpfung der Schwingung des Massenelements durch das das Massenelement umgebende Gas oder Plasma geeignet ist.
Bei höheren Drücken bis hin zu atmosphärischem Luftdruck ist der Squeezeeffekt die eigentliche druckabhängige Größe. Der Squeezeeffekt entsteht durch Verdrängen und Zusammenpressen der Luft in engen Spalten zwischen sich aufeinander zu bewegenden Platten mit großen lateralen Ausdehnungen und setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, der Squeezesteifigkeit, einer durch den Squeezeeffekt bedingten zusätzlichen Federkonstante, und der Squeezedämpfung. Um eine Druckabhängigkeit dieses Effekts bis zum atmosphärischen Luftdruck zu erreichen, sind geringe Spaltbreiten, üblicherweise im μm-Bereich, erforderlich. Bei tiefen Drücken im Vakuumbereich ist die Molekulardämpfung (Stöße von Gasmolekülen mit dem bewegten bzw. schwingenden Massenelement) der dominierende druckabhängige Effekt. Dieser Dämpfungseffekt ist umso stärker ausgeprägt, je größer die Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des schwingenden Massenelements ist. Das führt zu der Problematik, dass die für die Messung bei tiefen Drücken erforderliche große Fläche des Massenelements in Verbindung mit der für höhere Drücke geforderten kleinen Spaltbreite die Dämpfung so stark erhöht, dass die Schwingungsgüte des schwingenden Massenelements insbesondere bei höheren Drücken so gering ist, dass eine Auswertung der freien Schwingung unmöglich ist. Die Schwingungsgüte (Gütefaktor) ist ein Maß für die Dämpfung und ergibt sich aus dem Quotienten von Anfangsenergie und Energieverlust pro Schwingungsperiode, wobei der Quotient mit 2π multipliziert wird.
Aus diesem Grund ist bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement in der den Spalt begrenzenden Substratfläche mindestens eine Vertiefung und/oder Durchführung vorgesehen, die die Dämpfung insbesondere bei hohen Drücken reduziert, so dass sich bis zu maximalen Drücken im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks Schwingungsgüten größer gleich eins, besonders bevorzugt größer gleich 10, erreichen lassen.
Insbesondere bei Bestimmung der Dämpfung bzw. des Drucks aus dem zeitlichen Verlauf eines freien gedämpft schwingenden Massenelements nach vorheriger Auslenkung, also der Bestimmung aus der Abklingfunktion einer freien gedämpften Schwingung, ist zur Gewährleistung einer zufrieden stellenden Genauigkeit eine Mindestanzahl an Schwingungsperioden bzw. auszuwertenden Amplitudenextrema und damit eine bestimmte Mindestschwingungsgüte erforderlich.
Bei Schwingungsgüten kleiner als eins ist diese Bedingung nicht mehr erfüllt. Dann muss die Bestimmung der Dämpfung und damit des Drucks über andere Detektionsverfahren realisiert werden. Zum Beispiel kann die druckabhängige Dämpfung dadurch detektiert werden, dass die Amplitude eines frequenzkonstanten Anregesignals gemessen und derart geregelt wird, dass die Auslenkungsamplitude des schwingenden Massenelements über den Druckbereich konstant bleibt. Die druckproportionale Amplitude des Anregesignals ist dann ein Maß für den Druck. Berücksichtigt man, dass sich bei dem hier beschriebenen Sensor das Anregesignal pro Dekade Druckänderung ebenfalls etwa um eine Dekade ändern kann, so eignet sich dieses Detektionsverfahren nur für einen stark eingeschränkten Druckbereich.
Mit zunehmender Schwingungsgüte stehen mehr auswertbare Messwerte zur Verfügung, wodurch sich der Einfluss stochastischer Signale auf die Genauigkeit der Druckmessung verringern lässt. Mit Schwingungsgüten größer gleich 10 lässt sich die maximal mögliche Genauigkeit praktisch annähernd erreichen. Wesentlich größere Schwingungsgüten ermöglichen nur noch eine geringfügig höhere Genauigkeit, weshalb die Messung bereits vor dem völligen Abklingen der Schwingung abgebrochen werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist mindestens ein Massenelement perforiert ausgeführt. Insbesondere in den Bereichen des Massenelements, die unmittelbar über den Rändern der Vertiefungen bzw. Durchführungen liegen, ist eine gezielte Perforation von Vorteil. Dadurch lässt sich der Einfluss fertigungsgedingter geometrischer Toleranzen der Vertiefungen bzw. Durchführungen auf die Dämpfung minimieren.
Die Breite des Spalts zwischen Substrat und Massenelement ist bevorzugt kleiner 20 μm, besonders bevorzugt kleiner 10 μm. Dadurch lässt sich der druckabhängige Squeezeeffekt auch bei höheren Drücken nutzen und der Messbereich bis zum atmosphärischen Luftdruck erweitern.
Um möglichst tiefe Drücke erfassen zu können, sollte die dämpfende Fläche des schwingenden Massenelements möglichst groß sein. Unter diesem Gesichtpunkt ist eine plattenartige Ausführung des Massenelements besonders zweckmäßig. "Plattenartig" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die lateralen Abmessungen des Massenelements beziehungsweise der für die Dämpfung hauptsächlich verantwortlichen Flächen des Massenelements, wesentlich größer dimensioniert sind, als die dazu orthogonalen Abmessungen. Um Masse und damit Material zu sparen, sind die orthogonalen Abmessungen in der Regel so minimiert, dass das plattenartige Massenelement ausreichend verbiegungssteif ist, damit die angeregte gewünschte Schwingungsmode (Betriebsmode) nicht durch Verbiegungsschwingungen des Massenelements beeinflusst wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung nutzt das erfindungsgemäße Sensorelement eine Rotationsmode um eine der Hauptträgheitsachsen des Massenelements als Betriebsmode.
Da Reibungsvakuummeter aufgrund ihres Wirkungsprinzip empfindlich gegenüber äußeren Störgrößen wie Erschütterungen und Vibrationen sind, die besonders bei tiefen Drücken und damit verbundener geringer Dämpfung durch die von außen eingebrachte Energie eine zusätzliche Schwingungsanregung bedingen, ist die Wahl einer Rotationsmode als Betriebsmode von Vorteil. Insbesondere durch eine Rotationsmode, deren Drehachse auf einer der Hauptträgheitsachsen liegt, lassen sich solche Störeinflüsse minimieren, da von außen eingeprägte Kräfte nur bedingt zu einer Momentenwirkung und damit zu einer Störung der angeregten Schwingung führen. Des Weiteren werden durch die Positionierung der Drehachse auf einer der Hauptträgheitsachsen Beeinflussungen durch Unwuchten vermieden.
Bei der Dimensionierung der Eigenfrequenz der Betriebsmode ist zu berücksichtigen, dass Störeinflüsse üblicherweise im niederfrequenten Bereich liegen. Um eine Einkopplung dieser Störeinflüsse zu erschweren, sollte die Eigenfrequenz der Betriebsmode möglichst hochfrequent angelegt sein. Bei der Bestimmung der Dämpfung bzw. des Drucks aus der Abklingfunktion des schwingenden Massenelements fallen durch eine höhere Eigenfrequenz der Betriebsmode zudem mehr auswertbare Schwingungsperioden in ein Zeitintervall. Eine wesentlich höhere Eigenfrequenz bedingt andererseits eine steifere Aufhängung und würde eine größere Kraft und damit üblicherweise eine höhere elektrische Spannung zur Auslenkung des Massenelements erfordern.
Als Kompromiss ergibt sich ein geeigneter Bereich für die Eigenfrequenz der Betriebsmode zwischen etwa 1 kHz und 10 kHz, bevorzugt zwischen 2kHz und 2,5 kHz.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Eigenfrequenz der Betriebsmode bei 2,2 kHz.
In der Regel ist die Betriebsmode die erste, d.h. die niederfrequenteste Schwingungsmode, um Störeinkopplungen über niederfrequentere Schwingungsmoden zu verhindern. Des Weiteren ist die Eigenfrequenz der der Betriebsmode folgenden höherfrequenten Schwingungsmode idealerweise mindestens das Zehnfache der Eigenfrequenz der Betriebsmode. Durch diese Frequenzdifferenz werden Störeinkopplungen auch über höherfrequente Schwingungsmoden reduziert.
Als Betriebsmode besonders geeignet sind insbesondere Rotationsmoden, bei denen die Aufhängungselemente nur durch Torsion belastet werden (Torsionsmoden). Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements enthält daher ein Massenelement, das an zwei auf einer gemeinsamen Längsachse liegenden elastischen Aufhängungselementen befestigt ist und eine Schwingung um die Längsachse der Aufhängungselemente vollführt. Eine reine Torsionsbeanspruchung der Aufhängungselemente bedingt einen möglichst geringen Energieaustrag und damit eine geringe Eigen- bzw. Restdämpfung des Systems. Je geringer die Restdämpfung und damit das Verhältnis zur druckabhängigen Dämpfungskomponente, umso tiefere Drücke können gemessen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Sensorelements sind zwei Massenelemente elastisch miteinander verbunden, wobei ein oder beide Massenelemente mit dem Substrat oder einem dazu relativ unbeweglichen Trägerkörper elastisch in Verbindung stehen. Zweckmäßigerweise wird das eine Massenelement zur Detektion der angeregten Schwingung verwendet. Das andere Massenelement hat die Funktion eines Koppelelements, durch das das zur Detektion bestimmte Massenelement vom Substrat und/oder dem Trägerkörper mechanisch entkoppelt und damit der Energieaustrag (innerer Energieverlust) an das Substrat und/oder den Trägerkörper über die Aufhängungen bzw. die Einspannstellen (Befestigungsstellen der Aufhängungselemente) verringert wird. Der Energieaustrag erfolgt durch spannungsinduzierte Platzwechselvorgänge von Atomen, durch Wandern von Versetzungen sowie Wechselwirkungen an Korngrenzen und durch Thermokompression (Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme durch mechanische Zug- und Druckbeanspruchung des Kristallgitters), die insbesondere bei einkristallinen Materialien (z.B. monokristallinem Silizium) den dominanten Einfluss darstellt. Diese Vorgänge stellen Dämpfungsmechanismen dar, die für die Eigen- bzw. Restdämpfung (Dämpfung ohne äußere Dämpfungseinflüsse) eines Systems verantwortlich sind. Die Größe des Energieaustrags wird vom Werkstoff, der Beanspruchung und der Form der Struktur bestimmt. Durch den Einsatz eines Koppelelements lässt sich der Energieaustrag und damit die Restdämpfung des Systems verringern und der Messbereich zu tieferen Drücken erweitern.
Für eine möglichst kompakte Bauweise des Sensorelements bietet sich eine kaskadierte (verschachtelte) zentrierte Anordnung der Massenelemente an, wozu mindestens ein Massenelement rahmenförmig ausgeführt und ein weiteres Massenelement, das bevorzugt plattenförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist, im Inneren des Rahmens angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sind die ersten beiden Schwingungsmoden Rotationsmoden, die um eine gemeinsame Hauptträgheitsachse beider Massenelemente erfolgen. Bei einer der beiden Schwingungsmoden vollführen die beiden Massenelemente eine gegenphasige Schwingung, wodurch der Energieverlust an der Einspannstelle und somit im Trägerkörpermaterial minimiert werden kann und sich eine weitere Optimierung der Restdämpfung des Systems erreichen lässt.
Bei Nutzung einer Rotationsmode, insbesondere einer Torsionsmode, als Betriebsmode ist eine Anordnung, bei der die beiden Massenelemente über zwei erste elastische Aufhängungselemente, die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen, verbunden sind, und diese so verbundenen Massenelemente über zwei zweite Aufhängungselemente, die eine gemeinsame Längsachse mit den zwei ersten Aufhängungselementen haben, elastisch mit dem Substrat und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper verbunden sind, zur Minimierung des Energieaustrags durch die strukturbedingte Torsionsbeanspruchung aller Aufhängungselemente und den Einsatz eines Koppelements besonders von Vorteil.
Ein besonders geeignetes Material für das erfindungsgemäße Sensorelement ist aufgrund seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften und seiner guten technologischen Beherrschbarkeit Silizium.
Die für die Anregung einer mechanischen Schwingung erforderliche Kraft kann auf viele verschiedene Arten generiert werden. Magnetische, piezoelektrische oder elektrostatische Effekte können dabei Anwendung finden.
Beim erfindungsgemäßen Sensorelement kommt bevorzugt eine elektrostatische Schwingungsanregung zum Einsatz. Dafür wird mindestens ein Massenelement zumindest teilweise leitend ausgeführt, wodurch dieses Massenelement als Elektrode fungieren kann. Durch die Realisierung eines weiteren leitenden Bereichs im Substrat, der dem leitenden Bereich des Massenelements zumindest teilweise zugewandt ausgeführt ist, lässt sich eine Gegenelektrode bereitstellen. Vorteil der elektrostatischen Anregung ist neben der Einfachheit der Anordnung und dem damit verbundenen Kostenvorteil die Möglichkeit, ein Elektrodenpaar gleichzeitig für die Anregung als auch für die Detektion der angeregten Schwingung nutzen zu können. Dies kann beispielsweise durch Überlagerung der elektrischen Anregungsspannung mit einem höherfrequenten elektrischen Signal, das als Trägersignal fungiert und durch die schwingungsbedingte Variation der Kapazität zwischen den Elektroden moduliert wird, geschehen. Durch anschließende Demodulation des Trägersignals lässt sich die angeregte Schwingung rekonstruieren.
Ein weiterer Vorteil einer elektrostatischen Anregung besteht darin, dass die elektrische Energie auch kapazitiv an das erfindungsgemäße Sensorelement übertragen werden kann. Dadurch wird eine elektrische Durchkontaktierung ins Vakuum überflüssig.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Drucks unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorelements weist die folgenden Schritte auf:

– Auslenkung mindestens eines Massenelements und Erzeugung einer freien gedämpften Schwingung dieses Massenelements
– Messung des zeitlichen Verlaufs der Schwingung und Detektion der auftretenden Extrema der Schwingungsamplitude
– Bestimmung der Abklingkonstante aus dem durch Approximation der Schwingungsamplitudenwerte der Extrema bestimmten Zusammenhang zwischen Extrema der Schwingungsamplitude und Zeit
– Bestimmung des Drucks aus einer bekannten Abhängigkeit der Abklingkonstante vom Druck

Das beanspruchte Verfahren verwendet das erfindungsgemäße Sensorelement und eignet sich insbesondere zur Bestimmung von Drücken im Vakuumbereich. Der Druck wird dabei aus der Abklingfunktion bzw. der Abklingkonstante, die ein Maß für die Dämpfung ist, einer freien gedämpften Schwingung ermittelt.
Ein schwingfähiges Massenelement führt eine freie Schwingung aus, wenn es nach einer Auslenkung sich selbst überlassen, oszillierend (oder im Falle der kritischen bzw. überkritischen Dämpfung kriechend) in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Die Frequenz der freien Schwingung ist die gedämpfte Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Massenelements.
Durch Auswertung der Abklingfunktion kann die Dämpfung auch noch bei sehr tiefen Drücken und damit verbundenen hohen Schwingungsgüten des schwingenden Massenelements zuverlässig bestimmt werden, da eine gütebedingte Verzögerungszeit bei diesem Detektionsverfahren praktisch einen geringeren Einfluß hat.
Als Verzögerungszeit wird die Zeitspanne zwischen Änderung am Systemeingang und Antwort am Systemausgang bezeichnet. Dabei geht es um die Zeitspanne zwischen Änderung am Systemeingang und abgeschlossener Antwort am Systemausgang. Ändert sich etwa die Größe am Systemeingang durch eine Sprungfunktion, wodurch am Systemausgang ein Wert langsam ansteigt, ist die Verzögerungszeit die Zeitspanne zwischen der sprunghaften Änderung der Eingangsgröße und dem Abschluss des Anstiegs der Ausgangsgröße. Bei Detektion der Dämpfung bzw. des Drucks durch Regelung der Frequenz des Anregesignals, so dass der Körper immer auf seiner druckabhängigen Resonanzfrequenz angeregt wird, hat die Verzögerungszeit insbesondere bei tiefen Drücken einen nicht unerheblichen Einfluss. Bei diesem Detektionsverfahren ist die Anregefrequenz das Maß für den zu messenden Druck. Bei tiefen Drücken und damit verbundenen hohen Schwingungsgüten reagiert das System äußerst träge bzw. mit einer starken Verzögerung auf Änderungen des Anregesignals, woraus Regelzeiten von mehreren Sekunden resultieren können oder eine Regelung praktisch unmöglich wird. Zudem ist der Zusammenhang nichtlinear, da die Resonanzfrequenz zum einen durch die Dämpfung, zum anderen aber auch durch die druckabhängige Squeezesteifigkeit beeinflußt wird.
Ein daraus resultierender weiterer Vorteil der Dämpfungsdetektion durch Auswertung der Abklingfunktion besteht darin, dass dieses Verfahren unabhängig von Änderungen der Eigen- bzw. Resonanzfrequenz des schwingenden Massenelements, die z.B. auch durch Temperaturschwankungen verursacht werden können, ist.
In einem ersten Schritt des beanspruchten Verfahrens wird das schwingungsfähig aufgehängte Massenelement des Sensorelements beispielsweise durch das Anlegen einer elektrischen Spannung (Anregesignal) elektrostatisch ausgelenkt. Dabei ist das Anregesignal dahingehend optimiert, dass das Massenelement nach möglichst kurzer Zeit eine stabile Ruheposition (Anfangsauslenkung) erreicht, ohne das eine Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Massenelements angeregt wird. Die ansteigende Flanke des Anregesignal kann beispielsweise dem Verlauf einer sin²-Funktion folgen und erstreckt sich über ein Zeitintervall, das im Bereich des 20- bis 30-fachen der Schwingungsperiode der ersten Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Massenelements liegt. Dadurch lässt sich ein Überschwingen bei der Annäherung an die Ruheposition minimieren bzw. verhindern.
Die Anfangsauslenkung sollte möglichst groß sein, um ein möglichst großes Messsignal zu gewährleisten. Allerdings sollte ein Anschlagen des Massenelements am Substrat und eine damit verbundene mögliche Zerstörung des Sensorelements, z.B. durch hohe Kurzschlussströme, vermieden werden. Demzufolge sollte das Anregesignal bzw. die elektrische Spannung unter dem Wert der Pull-in-Spannung liegen. Mit Pull-in-Spannung ist der elektrische Spannungswert gemeint, bei dem sich zwischen elektrischer Kraft und mechanischer Gegenkraft der Federn über den möglichen Auslenkungsbereich kein Gleichgewichtszustand einstellen kann, so dass das Massenelement maximal, d.h. bis zum Anschlag an einer Begrenzung, ausgelenkt wird.
Ausgehend von der Ruheposition wird durch eine sprunghafte Spannungsänderung auf z.B. 0 V Potenzialdifferenz zwischen Elektrode und Gegenelektrode eine freie gedämpfte Schwingung des Massenelements erzeugt, die abhängig von dem das Massenelement umgebenden Druck verschieden stark abklingt.
In einem zweiten Schritt wird der zeitliche Verlauf der Schwingung gemessen bzw. abgetastet. Diese Detektion kann beispielsweise kapazitiv oder optisch erfolgen. Um eine hohe Auflösung und damit Genauigkeit erzielen zu können, erfolgt die Abtastung mit einem Signal, dessen Frequenz mindestens das 20-fache der Frequenz der angeregten Betriebsmode ist. Die durch die Abtastung ermittelten Amplitudenwerte der Schwingung durchlaufen einen Algorithmus, der zur Detektion der auftretenden Extrema der Schwingungsamplitude dient.
Nach diesem Algorithmus wird der aktuelle Messwert mit dem vorherigen Messwert verglichen. Zusätzlich gibt es noch eine Variable, die beschreibt, ob das Messsignal fällt oder steigt. Unter der Annahme, dass das Messsignal steigt und der aktuelle Messwert größer als der vorherige ist, resultiert, dass das Messsignal weiter steigt. Ist der aktuelle Messwert kleiner als der vorige, dann beschreibt der vorherige Messwert ein Maximum. In diesem Fall wird der vorherige Messwert mit der zugehörigen Zeit gespeichert.
Allerdings muss noch das Rauschen des Messsignals berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass nur wenn sich die beiden Messwerte um einen Mindestbetrag oberhalb einer Rauschgrenze unterscheiden, ein Maximum angenommen wird. Ansonsten wird der aktuelle Messwert verworfen und der nächste Messwert mit dem vorletzten Messwert verglichen. Die Ermittlung eines Minimums erfolgt in äquivalenter Weise. Der Vergleich der Messwerte erfolgt in Echtzeit.
Die Messung wird abgebrochen, wenn die Beträge der Extrema einen bestimmten Schwellwert unterschreiten oder eine festgelegte Zeitdauer überschritten ist. Durch Berücksichtigung aller während der Messung auftretenden Schwingungsextrema lässt sich über den gesamten Messbereich eine hohe Messgenauigkeit erreichen.
Aus den ermittelten Extrema der Schwingungsamplitude wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Abklingkonstante bestimmt. Typischerweise wird dabei der natürliche Logarithmus vom Betrag der Extrema gebildet. Diese logarithmierten Werte liegen bei der Darstellung über der Zeit im Idealfall auf einer Geraden, weshalb für eine analytische Beschreibung dieses Zusammenhangs die allgemeine Geradengleichung als Ansatz dient. Um die Näherungsgerade möglichst gut an die Messwerte anzupassen, wird die "Methode der kleinsten Fehlerquadratsumme" verwendet. Nach dieser Methode werden die Abweichungen der Messwerte von der Näherungsgerade unterschiedlich stark gewichtet, so dass größere Abweichungen mehr Einfluss auf die Näherung (Approximation) haben als geringe Abweichungen. Aus diesem Approximationsverfahren resultieren zwei Gleichungen. Eine dieser Gleichungen ermöglicht die Berechnung des Geradenanstiegs, der der gesuchten Dämpfung bzw. Abklingkonstante entspricht. Zur Bestimmung des Geradenanstiegs bzw. der Abklingkonstante werden in der entsprechenden Gleichung 5 Summenterme miteinander verrechnet. Diese Summenterme berechnen sich aus den logarithmierten Werten und den zugehörigen Zeitwerten. Jedes weitere ermittelte Extremum erhöht den Laufindex der Summenterme um eins. Für die Berechnung der Abklingkonstante müssen entsprechend nur die Werte der 5 Summenterme und nicht sämtliche erfassten Extrema mit den zugehörigen Zeitwerten gespeichert werden, was den benötigten Speicherplatz reduziert und somit Kosten spart.
In einem abschließenden Verfahrensschritt wird aus der ermittelten Abklingkonstante und einer bekannten Abhängigkeit vom Druck, z.B. einer vorher ermittelten Kalibrierkurve, der zu messende Druckwert bestimmt.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Sensorelement als Druckaufnehmer für Drücke von 10^–6 mbar bis 1000 mbar verwendet. Mit einem darauf basierenden Drucksensor lassen sich Messabweichungen weniger als 5% des angezeigten Werts erreichen, wogegen entsprechend dem Stand der Technik 15% üblich sind.
Durch Verwendung eines Glassubstrats und von Silizium für die Massen- und Aufhängungselemente sowie für den Trägerkörper und Aluminium oder Gold für die Substratelektroden und Zuleitungen lässt sich das Sensorelement bei Einsatztemperaturen bis 350°C betreiben. Die notwendige Auswerte- und Regelungselektronik ist dabei komplett ausgelagert und kann so gestaltet werden, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Sensorelement und Elektronik von bis zu einem Meter Länge keine Verfälschung des Messsignals verursacht.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem an zwei Aufhängungselementen 2 befestigten Massenelement 1.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit Perforation 7 des Massenelements 1.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement, bestehend aus zwei miteinander gekoppelten Massenelementen 1, 8.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Sensorelement besteht aus einem plattenförmigen Massenelement 1, das über zwei sich gegenüberliegende Aufhängungselemente 2 mit einem Trägerkörper 6, der starr mit einem Substrat 5 verbunden ist, in Verbindung steht. Zur Reduktion der Dämpfung bei höheren Drücken insbesondere im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks ist im Substrat 5 unterhalb des Massenelements 1 eine Durchführung 4 vorgesehen. Um den Einfluss fertigungsgedingter geometrischer Toleranzen der Vertiefungen bzw. Durchführungen 4 auf die Dämpfung zu minimieren, kann das Massenelement 1 perforiert 7 ausgeführt werden, wie in 2 gezeigt wird.
3 zeigt ein weiterentwickeltes erfindungsgemäßes Sensorelement, das aus einem ersten rahmenförmigen Massenelement 8 (Koppelelement-Innenabmaße: Länge 3,76 mm, Breite 3,2 mm, Tiefe 25 μm, -Außenabmaße: Länge 5,8 mm, Breite 5,7 mm, Tiefe 25 μm) und einem zweiten, zentrisch innerhalb des Rahmens angeordnetes, plattenförmigen Massenelement 1 (Detektionsmasse: Länge 2,6 mm, Breite 2,5 mm, Tiefe 25 μm) besteht. Die beiden Massenelemente 1, 8 sind über zwei erste sich gegenüberliegende Aufhängungselemente 2 (Abmaße eines ersten Aufhängungselements: Länge 500 μm, Breite 30 μm, Tiefe 25 μm), die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen, elastisch miteinander verbunden. Die Längsachse der Aufhängungselemente 2 ist gleichzeitig eine gemeinsame Hauptträgheitsachse beider Massenelemente 1, 8. Diese Anordnung ist über zwei weitere Aufhängungselemente 9 (Abmaße eines zweiten Aufhängungselements: Länge 250 μm, Breite 50 μm, Tiefe 25 μm), die eine gemeinsame Längsachse mit den zwei ersten Aufhängungselementen 2 haben, mit einem Trägerkörper 6 elastisch verbunden. Der Trägerkörper 6, der wie die Aufhängungs- 2, 9 und Massenelemente 1, 8 aus Silizium besteht, ist wiederum starr mit einem Glassubstrat 5 verbunden.
Die Aufhängungselemente 2, 9 sind durch balkenförmige Federn realisiert. Die zur Messung angeregte Schwingung (Betriebsmode) ist eine Torsionsschwingung um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9.
Das rahmenförmige Massenelement 8 fungiert als Koppelelement und dient der Verringerung des durch die Aufhängung der Detektionsmasse 1 bedingten Energieaustrags.
In der beispielhaften Ausgestaltung ist die erste Schwingungsmode eine Torsionsmode um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9, bei der sich beide Massenelemente 1, 8 gleichphasig zueinander bewegen. Die Eigenfrequenz dieser Mode liegt bei etwa 1100 Hz. Die zweite (nächst höherfrequente) Schwingungsmode ist ebenfalls eine Kippmode um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9. Im Gegensatz zur ersten Schwingungsmode bewegen sich hierbei die beiden Massenelemente 1, 8 bei etwa 2200 Hz zueinander gegenphasig. Durch diese Dimensionierung wird eine besonders effektive Kopplung zum Trägerkörper 6 erreicht.
Unterhalb der Detektionsmasse 1 befindet sich zentrisch dazu eine Durchführung 4 (Abmaße: Länge 3,8 mm, Breite 1,9 mm) durch das Substrat 5, welche der Reduktion der Dämpfung bei höheren Drücken insbesondere im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks dient. Diese Durchführung 4 ist so gestaltet, dass sie nur einen Teil der Detektionsmasse 1 überdeckt. Die nicht überdeckten Bereiche der Detektionsmasse 1 haben im unausgelenkten Zustand einen Abstand von 5 μm vom Substrat 5.
Das Silizium der Massen- 1, 8 und Aufhängungselemente 2, 9 sowie des Trägerkörpers 6 ist dotiert und damit elektrisch leitend ausgeführt. Auf der den Spalt begrenzenden Substratfläche sind elektrisch leitfähige Bereiche aus Aluminium oder Gold in Form von Substratelektroden 3, 10 den beiden Massenelementen 1, 8 zugewandt angeordnet. Die beschriebene Ausführung sieht jeweils zwei Substratelektroden 3, 10 unterhalb der Detektionsmasse 1 und unterhalb des rahmenförmigen Massenelements 8 vor. Dabei sind die Substratelektroden 3, 10 so angeordnet, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Substratelektroden 3, 10 und Massenelementen 1, 8, die als Gegenelektroden fungieren, eine Kraftwirkung beziehungsweise ein Drehmoment um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9 erzeugt werden kann.
Die Substratelektroden 3 unterhalb der Detektionsmasse 1 dienen sowohl der Anregung als auch der Detektion der angeregten Schwingung. Die Detektion erfolgt dabei durch Überlagerung des elektrischen Anregesignals mit einem höherfrequenten elektrischen Signal, das als Trägersignal fungiert und durch die schwingungsbedingte Variation der Kapazität zwischen Substratlektroden 3 und Detektionsmasse 1 (Gegenelektrode) moduliert wird. Durch Demodulation des Trägersignals lässt sich der zeitliche Schwingungsverlauf der Detektionsmasse 1 ermitteln.
Die Substratelektroden 10 unter dem rahmenförmigen Massenelement 8 verhindern insbesondere einen bleibenden Kontakt, für den Fall, dass das rahmenförmige Massenelement 8 das Substrat 5 berühren sollte. Des Weiteren können diese Substratelektroden 10 zur Feineinstellung bzw. Korrektur der Eigenfrequenzen eingesetzt werden.

1: erstes Massenelement z.B. Detektionsmasse
2: erste Aufhängungselemente
3: Substratelektroden zur Anregung und/oder Detektion
4: Durchführung bzw. Vertiefung
5: Substrat
6: Trägerkörper
7: Perforation
8: zweites Massenelement z.B. Koppelelement
9: zweite Aufhängungselemente
10: Substratelektroden zur Steuerung
11: Deckelung

Claims

Sensorelement zur Druckmessung, aufweisend ein Substrat (5) und mindestens ein Massenelement (1), das beabstandet zum Substrat (5) angeordnet und schwingungsfähig mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat (5) unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden ist, so dass zwischen dem Massenelement (1) und dem Substrat (5) ein Spalt besteht, dessen Breite durch Schwingungen des Massenelements (1) variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Spalt begrenzenden Fläche des Substrats (5) mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens eine Durchführung (4) vorgesehen ist, die zur Reduktion der Dämpfung der Schwingung des Massenelements (1) durch das das Massenelement (1) umgebende Gas oder Plasma geeignet ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung und/oder Durchführung (4) derart gestaltet ist, dass bis zu maximalen Drücken im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks eine Schwingungsgüte größer gleich eins gewährleistet wird.
Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung und/oder Durchführung (4) derart gestaltet ist, dass bis zu maximalen Drücken im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks eine Schwingungsgüte größer gleich zehn gewährleistet wird.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Massenelement (1) perforiert (7) ausgeführt ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spalts bei nicht ausgelenktem Massenelement (1) kleiner 20 μm ist.
Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spalts bei nicht ausgelenktem Massenelement (1) kleiner 10 μm ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Massenelement (1) plattenartig ausgeführt ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmode eine Rotationsmode ist, die um eine der Hauptträgheitsachsen des Massenelements (1) erfolgt.
Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Betriebsmode zwischen 1000 Hz und 10000 Hz liegt.
Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Betriebsmode zwischen 2000 Hz und 2500 Hz liegt.
Sensorelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Betriebsmode bei etwa 2200 Hz liegt.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der der Betriebsmode folgenden höherfrequenten Schwingungsmode mindestens das Zehnfache der Eigenfrequenz der Betriebsmode beträgt.
Sensorelement nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmode eine Torsionsmode ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Massenelement (1) an zwei auf einer gemeinsamen Längsachse liegenden elastischen Aufhängungselementen (2) befestigt ist.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenelement (1) mit mindestens einem weiteren Massenelement (8) elastisch verbunden ist, wobei das Massenelement (1) und/oder das weitere Massenelement (8) elastisch mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden ist.
Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Massenelemente (1) zur Detektion der angeregten Schwingung und das jeweils andere Massenelement (8) der mechanischen Entkopplung des zur Detektion bestimmten Massenelements (1) vom Substrat (5) beziehungsweise vom Trägerkörper (6) dient.
Sensorelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Massenelemente (8) rahmenförmig ausgeführt ist und innerhalb dieses Massenelements das andere Massenelement (1) angeordnet ist, welches plattenförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist.
Sensorelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten zwei Schwingungsmoden Rotationsmoden um eine gemeinsame Hauptträgheitsachse beider Massenelemente (1, 8) sind, wobei mindestens eine der zwei Schwingungsmoden eine gegenphasige Bewegung beider Massenelemente (1, 8) beschreibt und als Betriebsmode geeignet ist.
Sensorelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmode eine Torsionsmode ist.
Sensorelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Massenelemente (1, 8) über zwei erste elastische Aufhängungselemente (2), die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen, verbunden sind, und diese so verbundenen Massenelemente (1, 8) über zwei zweite Aufhängungselemente (9), die eine gemeinsame Längsachse mit den zwei ersten Aufhängungselementen (2) haben, elastisch mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden sind.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement Silizium enthält oder daraus besteht.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Massenelemente (1, 8) elektrisch leitfähiges Material enthält oder daraus besteht und auf der den Spalt begrenzenden Substratfläche mindestens eine Substratelektrode (3, 10) dem Massenelement (1, 8) zumindest teilweise zugewandt angeordnet ist, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Massenelement (1, 8) und Substratelektrode (3, 10) das Massenelement (1, 8) elektrostatisch auslenken und/oder die durch die Auslenkung hervorgerufene mechanische Schwingung messen zu können.
Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement oder der Trägerkörper (6) mit der Wandung eines Behälters derart verbunden ist, dass die Energie zur Schwingungsanregung mindestens eines Massenelements (1, 8) kapazitiv über die Wandung des Behälters an das Sensorelement oder den Trägerkörper (6) übertragen werden kann.
Verfahren zur Bestimmung des Drucks unter Verwendung des Sensorelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: – Auslenkung mindestens eines Massenelements (1, 8) und Erzeugung einer freien gedämpften Schwingung dieses Massenelements (1, 8) – Messung des zeitlichen Verlaufs der Schwingung und Detektion der auftretenden Extrema der Schwingungsamplitude – Bestimmung der Abklingkonstante aus dem durch Approximation der Schwingungsamplitudenwerte der Extrema bestimmten Zusammenhang zwischen Extrema der Schwingungsamplitude und Zeit – Bestimmung des Drucks aus einer bekannten Abhängigkeit der Abklingkonstante vom Druck
Verwendung des Sensorelements nach den Ansprüchen 1 bis 23 als Druckaufnehmer für Drücke von 10^–6 mbar bis 1000mbar.
Verwendung des Sensorelements nach Anspruch 25 in einem Drucksensor, wobei die Messabweichung weniger als 5% des tatsächlichen Werts beträgt.
Verwendung des Sensorelements nach den Ansprüchen 1 bis 23 als Druckaufnehmer bei Einsatztemperaturen bis etwa 350°C.