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Die
Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor.
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Differenzdrucksensoren
dienen zur Erfassung einer Druckdifferenz zwischen zwei auf den
Differenzdrucksensor einwirkenden Drücken und werden beispielsweise
in Differenzdruckmessgeräten eingesetzt, die in der industriellen
Messtechnik verwendeten werden.
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In
der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren,
z. B. Siliziumsensoren eingesetzt. Es sind verschiedene Arten von
Halbleiter-Sensoren auf dem Markt, die in der Regel nach dem verwendeten
Messprinzip unterschieden werden. Die beiden gängigsten
Sensortypen sind kapazitive und piezoresistive Differenzdrucksensoren.
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Piezoresistive
Differenzdrucksensoren weisen piezoresistive Elemente auf, deren
Widerstand sich in Abhängigkeit von einem darauf einwirkenden
Druck bzw. einer mechanischen Spannung, der sie ausgesetzt sind,
verändert. Die piezoresisitiven Elemente werden üblicher
Weise zu einer Brückenschaltung, insb. einer Wheatstone-Brücke,
zusammengeschaltet und auf einer Messmembran angeordnet, die dem
zu messenden Differenzdruck ausgesetzt wird. Eine vom Differenzdruck
abhängige Auslenkung der Messmembran wird mittels der piezoresistiven
Elemente erfasst und in ein vom Differenzdruck abhängiges
elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.
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Kapazitive
Drucksensoren enthalten mindestens einen durch zwei einander gegenüberliegend
angeordnete Elektroden gebildeten Kondensator. Typischer Weise sind
die Elektroden auf den Innenseiten von zwei parallel zueinander
angeordneten Membranen angeordnet. Im Messbetrieb wirkt auf die
Außenseite der ersten Membran ein erster Druck und auf
die Außenseite der zweiten Membran ein zweiter Druck ein.
Die Drücke bewirken eine Auslenkung der Membranen und damit
eine vom Differenzdruck abhängige Veränderung des
Abstandes zwischen den beiden Elektroden. Diese Abstandsänderung
bewirkt eine vom Differenzdruck abhängige Änderung
der Kapazität des Kondensators. Die Kapazität
wird mittels einer Kapazitätsmessschaltung erfasst und
in ein vom Differenzdruck abhängiges elektrisches Ausgangssignal
umgewandelt.
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In
vielen Anwendungen werden sehr hohe Anforderungen an Differenzdrucksensoren
gestellt. Sie sollen insb. eine sehr hohe Messgenauigkeit und eine
geringe Fehleranfälligkeit aufweisen.
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Diesen
Anforderungen kann beispielsweise durch die Verwendung redundanter
Messeinrichtungen begegnet werden. Redundante Messeinrichtungen
bieten den Vorteil, dass zwei unabhängig voneinander gewonnene
Messsignale für die Ableitung der zu messenden Größe
zur Verfügung stehen. Hierdurch ist es zum einen möglich
durch äußere Einflüsse, wie z. B. Temperatur,
Feuchte oder statischen Druck, verursachte Messfehler besser zu
kompensieren, zum anderen besteht die Möglichkeit, dasjenige
Messsignal auszuwählen, das unter den gegebenen Einsatzbedingungen
besser geeignet ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der
Messbetrieb auch dann noch aufrecht erhalten werden kann, wenn eine
der beiden Messeinrichtungen ausfällt.
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Bei
konventionellen piezoresistiven Siliziumdifferenzdrucksensoren werden
heute bereits zwei Varianten mit redundanter Messtechnik verwendet.
Die eine Variante besteht darin, zwei oder mehr unabhängige
piezoresistive Messbrücken auf einer Messmembran anzuordnen.
Diese Variante weist jedoch den Nachteil auf, dass bei einem Bruch
der Messmembran beide Messbrücken ausfallen. Die zweite
Variante besteht darin, zwei unabhängige Messmembranen
mit darauf angeordneten piezoresistiven Messbrücken in
einem Messwerk anzuordnen. Diese Variante erfordert jedoch einen
in der Regel sehr komplizierten und damit kostenintensiven Aufbau
des Messwerks.
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Ein
Beispiel für einen mikromechanischen kapazitiven Silizium-Differenzdrucksensor
ist in der
EP 0 896
658 B1 beschrieben. Dieser Differenzdrucksensor umfasst
eine Grundplatte und zwei zu beiden Seiten der Grundplatte parallel
zur Grundplatte angeordnete von der Grundplatte beabstandete Membranplatten.
Die Membranplatten sind durch mindestens ein Koppelelement kraftmäßig
derart miteinander verbunden, dass eine Druckdifferenz zwischen
außenseitig an den Membranplatten anliegenden Drücken
zu einer Bewegung der Membranplatten führt, die eine Änderung
des Abstandes zwischen den Membranplatten und der zwischen den Membranplatten
angeordneten Grundplatte bewirkt. Diese Änderung wird mittels
kapazitiver Sensorelemente erfasst, und in ein vom Differenzdruck
abhängiges elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Die
kapazitiven Sensorelemente umfassen jeweils mindestens eine auf
der Grundplatte angeordnete Elektrode und eine zugehörige
auf der Innenseite der jeweiligen Membranplatte gegenüberliegend
angeordnete Gegenelektrode.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen Differenzdrucksensor anzugeben,
der ein hohes Maß an Messsicherheit bietet.
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Hierzu
besteht die Erfindung in einem Differenzdrucksensor mit
- – einer auf einem ersten Träger angeordneten
ersten Messmembran,
- – auf deren dem Träger zugewandten Außenseite
im Messbetrieb ein erster Druck einwirkt,
- – auf deren vom ersten Träger abgewandten
Innenseite mindestens eine erste Elektrode und mindestens ein piezoresistives
Sensorelement zur Erfassung einer vom Differenzdruck abhängigen
Auslenkung der ersten Messmembran angeordnet sind,
- – einer auf einem zweiten Träger angeordneten
zweiten Messmembran,
- – die parallel zur ersten Messmembran verläuft,
- – auf deren dem Träger zugewandten Außenseite
im Messbetrieb ein zweiter Druck einwirkt,
- – auf deren vom zweiten Träger abgewandten
Innenseite mindestens eine zweite Elektrode angeordnet ist, die
zusammen mit einer zugeordneten auf der ersten Messmembran angeordneten
ersten Elektrode ein kapazitives Sensorelement zur Erfassung eines
zwischen dem ersten und dem zweiten Druck bestehenden Differenzdrucks
bildet, bei dem
- – die erste und die zweite Messmembran über
eine einen äußeren Rand der Innenseite der ersten
Messmembran mit einem äußeren Rand der Innenseite
der zweiten Messmembran verbindende mechanische Verbindung und einen
mit den Membranmitten der beiden Messmembranen verbundenen Abstandshalter gleicher
Bauhöhe parallel zueinander angeordnet sind und miteinander
fest verbunden sind.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist auf der Innenseite der zweiten Messmembran mindestens
ein weiteres piezoresistives Sensorelement zur Erfassung einer vom
Differenzdruck abhängigen Auslenkung der zweiten Messmembran
angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung sind
- – auf
der ersten Messmembran zwei formgleiche erste Elektroden vorgesehen,
die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters
angeordnet sind,
- – auf der zweiten Messmembran zwei formgleiche zweite
Elektroden vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Abstandshalters angeordnet sind, und
- – jeder ersten Elektroden ist eine formgleiche zweite
Elektrode zugeordnet, die parallel zu der zugeordneten ersten Elektrode
dieser unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung besteht jedes piezoresistive Sensorelement
aus mehreren piezoresistiven Elementen, die zu einer Widerstandsbrücke
zusammengeschlossen sind.
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Gemäß einer
Weiterbildung dieser Ausgestaltung sind die piezoresistiven Elemente
eines Sensorelementes in einer Linie symmetrisch zu beiden Seiten
des Abstandshalters angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung besteht der Differenzdrucksensor aus zwei
identischen Teilstücken, die miteinander über
die mechanische Verbindung und den Abstandshalter verbunden sind,
wobei die mechanische Verbindung und der Abstandshalter jeweils
aus zwei formgleichen Elementen zusammengesetzt sind, von denen
eines Bestandteil des ersten Teilstücks und eines Bestandteil
des zweiten Teilstücks ist und die miteinander fest verbunden
sind.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung bestehen die Träger mit den darauf
angeordneten Messmembranen jeweils aus einem BESOI Wafer, der eine
erste Siliziumschicht, eine dünnere zweite Siliziumschicht
und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht aufweist, bei dem
- – in der ersten Siliziumschicht eine
Ausnehmung vorgesehen ist, die außenseitlich von einem
den jeweiligen Träger bildenden Teil der ersten Siliziumschicht
umgeben ist, und über die ein die jeweilige Messmembran
bildender Bereich des BESOI Wafers frei gelegt ist,
- – in der zweiten Siliziumschicht eine Ausnehmung vorgesehen
ist, durch die die Oxidschicht bis auf einen äußeren
Rand und einen Bereich in der Mitte der Oxidschicht freigelegt ist,
wobei zumindest Teilbereiche des verbleibenden äußeren
Randes der zweiten Siliziumschicht Bestandteil der mechanischen
Verbindung sind und der in der Mitte verbleibende Bereich der zweiten
Siliziumschicht einen Teil des Abstandshalters bildet,
- – mindestens eine Elektrode auf der freigelegten Oxidschicht
aufgebracht ist,
- – auf mindestens einem der beiden BESOI Wafer ein piezoresisitives
Sensorelement auf der freigelegten Oxidschicht angeordnet ist, und
- – die beiden BESOI Wafer miteinander über
ein Verbindungsmaterial fest verbunden sind, das auf als Verbindungsflächen
dienenden Teilbreichen der äußeren Ränder
der zweiten Siliziumschichten und auf den in der Mitte verbliebenen
Bereichen der zweiten Siliziumschichten flächig aufgebracht
ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung sind die Verbindungsflächen formgleich und
symmetrisch auf dem jeweiligen äußeren Rand der
jeweiligen zweiten Siliziumsicht angeordnet.
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Gemäß einer
Weiterbildung bestehen die ersten und die zweiten Elektroden aus
dem gleichen Werkstoff, insb. aus Gold, der auch als Verbindungsmaterial
verwendet wird.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung sind Anschlussleitungen für die
kapazitiven und die piezoresisitiven Sensorelemente auf die Innenseiten
der beiden Messmembranen aufgebracht, und zwischen den Verbindungsflächen
aus dem Differenzdrucksensor heraus geführt.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdrucksensor bietet den
Vorteil, dass er mindestens zwei voneinander unabhängige
Sensorelemente zur Erfassung des Differenzdrucks aufweist. Damit
ist auch bei einem Ausfall eines Sensorelements durch die verbleibenden
davon unabhängigen Sensorelemente eine zuverlässige
Messung gewährleistet, und damit ein hohes Maß an
Messsicherheit gewährleistet.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass mindestens zwei unabhängige
Messsignale zur Verfügung stehen, die eine optimale Kompensation
von äußeren Einflüssen, wie z. B. der
Temperatur, Feuchtigkeit oder einem statischen Druck, abhängige
Messfehlern erlauben. Entsprechend ist mit dem erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensor eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielbar.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße
Differenzdrucksensor mindestens ein kapazitives Sensorelement und mindestens
ein piezoresistives Sensorelement aufweist. Hierdurch können
die Vorzüge beider Messprinzipien ausgenutzt werden. Damit
erhöht sich die erzielbare Messgenauigkeit und der Anwendungsbereich,
in dem der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor,
einsetzbar ist, wird erweitert.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors
besteht darin, dass der Differenzdrucksensor ein mikroelektromechanisches
System auf Siliziumbasis ist, das mit heute in der Halbleitertechnologie üblichen
Standard-Verfahren herstellbar ist.
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Die
Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung,
in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher
erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den
gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor
entlang einer entlang einer eine erste Zentralachse A-A' des Differenzdrucksensors
enthaltenden Schnittebene;
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2 zeigt
einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor
entlang einer eine zweite Zentralachse B-B' enthaltenden Schnittebene
des Differenzdrucksensors, die senkrecht gegenüber der in 1 dargestellten
Schnittebene verläuft;
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3 zeigt
eine Ansicht der Innenseite der ersten Messmembran des Differenzdrucksensors
von 1 und 2;
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4 zeigt
eine Ansicht der Innenseite der zweiten Messmembran des Differenzdrucksensors
von 1 und 2;
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5 zeigt
einen BESOI Wafer eines Teilstücks des Differenzdrucksensors
mit einer dessen Messmembran freilegenden Ausnehmung in dessen ersten
Siliziumschicht;
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6 zeigt
den BESOI Wafer von 5 mit einer Ausnehmung in dessen
zweiten Siliziumschicht;
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7 zeigt
einen Schnitt durch ein Teilstück des Differenzdrucksensors
in der in 1 dargestellten Schnittebene;
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8 zeigt
einen Schnitt durch ein Teilstück des Differenzdrucksensors
in der in 2 dargestellten Schnittebene;
und
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9 zeigt
einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor,
bei dem der ersten und der zweiten Messmembran jeweils ein Druckmittler
vorgeschaltet ist.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor
entlang einer eine erste Zentralachse A-A' des Differenzdrucksensors
enthaltenden Schnittebene. 2 zeigt
einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor
entlang einer eine zweite Zentralachse B-B' des Differenzdrucksensors
enthaltenden Schnittebene, die senkrecht gegenüber der
in 1 dargestellten Schnittebene verläuft.
Die Zentralachsen A-A' und B-B' verlaufen senkrecht zueinander und
kreuzen sich in der Mitte des Differenzdrucksensors.
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Der
Differenzdrucksensor besteht aus zwei vorzugsweise identischen miteinander
verbunden Teilstücken 1a, 1b. Das erste
Teilstück 1a umfasst eine auf einem ersten Träger 3a angeordnete
erste Messmembran 5a und das zweite Teilstück 1b eine
auf einem zweiten Träger 3b angeordnete zweite
Messmembran 5b. Die Teilstücke 1a, 1b sind
miteinander derart verbunden, dass die beiden Messmembranen 5a, 5b parallel
zueinander voneinander beabstandet angeordnet sind. Im Messbetrieb
wirkt auf eine dem ersten Träger 3a zugewandte
Außenseite der ersten Messmembran 5a ein erster
Druck p1 und auf eine dem zweiten Träger 3b zugewandte
Außenseite der zweiten Messmembran 3b ein zweiter
Druck p2 ein.
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Auf
einer vom ersten Träger 3a abgewandten Innenseite
der ersten Messmembran 5a ist mindestens eine erste Elektrode
E1 und mindestens ein piezoresistives Sensorelement R angeordnet. 3 zeigt
eine Ansicht der Innenseite der ersten Messmembran 5a.
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In
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei formgleiche
rechteckige Elektroden E1 und E1' vorgesehen, die symmetrisch zu
beiden Seiten der durch die Messmembranmitte führenden
Zentralachse A-A' angeordnet sind. Die Zentralachse A-A' liegt mittig
in der Schnittebene des in 1 dargestellten
Schnitts.
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Das
piezoresistive Sensorelement R umfasst mindestens ein auf der ersten
Messmembran 5a aufgebrachtes piezoresistives Element R11,
R12, R13, R14 und dient dazu, eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung
der ersten Messmembran 5a zu erfassen. Vorzugsweise besteht
das piezoresistive Sensorelement R aus mehreren piezoresistiven
Elementen R11, R12, R13, R14, die zu einer Widerstandsbrücke
zusammengeschlossen sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind vier zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossene
piezoresistive Elemente R11, R12, R13, R14 vorgesehen. Der Zusammenschluss
erfolgt über auf die Innenseite der ersten Messmembran 5a aufgebrachte
Leiterbahnen L. Das piezoresisitive Sensorelement R ist über
auf die erste Messmembran 5a aufgebrachte außenseitlich
aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte Anschlussleitungen
KR1, KR2 und KR3, KR4 an eine in den 1 bis 4 nicht
dargestellte Messschaltung angeschlossen, die ein dem Differenzdruck
entsprechendes Messsignal ΔPR liefert.
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Auf
der vom zweiten Träger 3b abgewandten Innenseite
der zweiten Messmembran 5b ist mindestens eine zweite Elektrode
E2 angeordnet. 4 zeigt eine Ansicht der Innenseite
der zweiten Messmembran 5b. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
sind zwei formgleiche rechteckige Elektroden E2 und E2' vorgesehen,
die symmetrisch zu beiden Seiten einer durch die Differenzdrucksensormitte
geführten Zentralachse B-B' angeordnet sind. Die Zentralachse
B-B' liegt mittig in der Schnittebene des in 2 dargestellten
Schnitts und verläuft senkrecht zur Zentralachse A-A'.
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Die
zweite Elektrode E2 bildet zusammen mit der ihr gegenüberliegenden
formgleichen auf der ersten Messmembran 5a angeordneten
ersten Elektrode E1 ein kapazitives Sensorelement E zur Erfassung
eines zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 bestehenden
Differenzdrucks.
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Analog
bildet die zweite Elektrode E2' zusammen mit der ihr gegenüberliegenden
formgleichen auf der ersten Messmembran 5a angeordneten
ersten Elektrode E1' ein weiteres kapazitives Sensorelement E' zur Erfassung
eines zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 bestehenden
Differenzdrucks.
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Alternativ
zu den hier beschriebenen Elektroden E1, E1' und E2, E2' können
natürlich auch andere Elektrodenpaare eingesetzt werden,
die sich von den hier beschriebenen durch deren Anzahl, deren Anordnung
und deren Geometrie unterscheiden.
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Vorzugsweise
ist auf der Innenseite der zweiten Messmembran 5b mindestens
ein weiteres piezoresistives Sensorelement R' zur Erfassung einer
differenzdruck-abhängigen Auslenkung der zweiten Messmembran 5b angeordnet.
Dieses weitere piezoresisitve Sensorelement R' ist vorzugsweise
identisch zu dem auf der ersten Messmembran 5a angeordneten
piezoresisitiven Sensorelement R aufgebaut. Hierzu umfasst es mindestens
ein auf der zweiten Messmembran 5b aufgebrachtes piezoresistives
Element R21, R22, R23, R24. Vorzugsweise besteht es aus mehreren
piezoresistiven Elementen R21, R22, R23, R24, die über
auf der zweiten Messmembran 5b aufgebrachte Leiterbahnen
L zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossen sind. In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier piezoresistive
Elemente R21, R22, R23, R24 vorgesehen, die zu einer Widerstandsbrücke
zusammengeschlossen sind. Das piezoresisitive Sensorelement R' ist über auf
die zweite Messmembran 5b aufgebrachte außenseitlich
aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte Anschlussleitungen
KR1', KR2', KR3', KR4' an eine in den 1 bis 4 nicht
dargestellte Messschaltung angeschlossen, die ein dem Differenzdruck
entsprechendes Messsignal ΔPR' liefert.
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Neben
den oder anstelle der hier beschriebenen piezoresistiven Sensorelemente
R, R' können natürlich auch zusätzliche
oder anders dimensionierte piezoresistive Sensorelemente eingesetzt
werden. Dabei ist es z. B. möglich einzelne piezoresistive
Sensorelemente durch die Positionierung und die Dimensionierung von
deren piezoresistiven Elementen für unterschiedliche Differenzdruckmessbereiche
auszulegen.
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Die
Messbereiche der kapazitiven und der piezoresistiven Sensorelemente
R, R', E, E' können zusätzlich durch eine entsprechende
Dimensionierung der Dicke der einzelnen Messmembranen 5a, 5b eingestellt werden.
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Die
erste und die zweite Messmembran 5a, 5b sind über
eine einen äußeren Rand der Innenseite der ersten
Messmembran 5a mit einem äußeren Rand
der Innenseite der zweiten Messmembran 5b verbindende mechanische
Verbindung P und einen mit den Membranmitten der beiden Messmembranen 5a, 5b verbundenen
Abstandshalter 7 gleicher Bauhöhe parallel zueinander
voneinander beabstandet und miteinander fest verbunden.
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Vorzugsweise
ist der Abstandshalter 7 jeweils aus zwei formgleichen
Elementen 7a und 7b zusammengesetzt, von denen
eines Bestandteil des ersten Teilstücks 1a und
eines Bestandteil des zweiten Teilstücks 1b ist
und die miteinander fest verbunden sind. Das gleiche gilt analog
für die nachfolgend ausführlicher beschriebene
mechanische Verbindung P.
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Die
beiden auf diese Weise mechanisch gekoppelten Messmembranen 5a, 5b bilden
einen Membranverbund. Diese symmetrische Doppelmembrankonstruktion
erhöht entscheidend die Berstfestigkeit des Differenzdrucksensors,
so dass dieser auch für die Messung sehr hoher Differenzdrücke
geeignet ist. Die hierdurch gegebene hohe mechanische Stabilität
bietet ein hohes Maß an Messsicherheit.
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Ein
auf diesen Membranverbund einwirkender Differenzdruck führt
zu einer im Wesentlichen synchronen formgleichen Auslenkung der
beiden Messmembranen 5a, 5b. Jede der beiden Messmembranen 5a, 5b erfährt
also eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung. Dementsprechend
erfasst sowohl das auf der ersten Messmembran 5a angeordnete
piezoresisitive Sensorelement R als auch das auf der zweiten Messmembran 5b angeordnete
weitere piezoresisitive Sensorelement R' den auf den Differenzdrucksensor
einwirkenden Differenzdruck. Die piezoresistiven Sensorelemente
R und R' sind über auf die erste bzw. die zweite Messmembran 5a, 5b aufgebrachte
außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte
Anschlussleitungen KR1, KR2, KR3, KR4 bzw. KR1', KR2', KR3', KR4'
an eine in den 1 bis 4 nicht
dargestellte Messschaltung angeschlossen, die jeweils ein dem Differenzdruck
entsprechendes Messsignal liefert. Vorzugsweise wird für
jedes Sensorelement R, R' eine eigene Messschaltung vorgesehen.
Damit stehen zwei von zwei völlig unabhängigen
Sensorelementen R, R' generierte unabhängig voneinander
aufbereitete Differenzdruckmesssignale ΔPR und ΔPR'
zur Verfügung.
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Eine
differenzdruck-bedingte Auslenkung der beiden Messmembranen 5a, 5b führt
zu einer Parallelverschiebung der jeweiligen ersten Elektroden E1,
E1' der kapazitiven Sensorelemente E, E' gegenüber den jeweiligen
zugeordneten zweiten Elektroden E2, E2' des jeweiligen kapazitiven
Sensorelements E bzw. E', die eine im Wesentlichen lineare vom Differenzdruck
abhängig Änderung der Kapazität des jeweiligen
Sensorelements E2, E2' zur Folge hat.
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Die
kapazitiven Sensorelemente E und E' sind über auf die erste
bzw. die zweite Messmembran 5a, 5b aufgebrachte
außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte
Anschlussleitungen KE1, KE2 und KE1', KE2' an eine in den 1 bis 4 nicht
dargestellte Messschaltung angeschlossen, die ein dem Differenzdruck
entsprechendes Messsignal liefert. Vorzugsweise wird auch hier für
jedes kapazitive Sensorelement E, E' eine eigene Messschaltung vorgesehen.
Damit stehen zwei weitere von zwei völlig unabhängigen Sensorelementen
E, E' generierte unabhängig voneinander aufbereitete Differenzdruckmesssignale ΔPE
und ΔPE' zur Verfügung.
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Insgesamt
liefert der hier dargestellte erfindungsgemäße
Differenzdrucksensor also vier völlig unabhängige
Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE
und ΔPE'. Hierdurch besteht ein hohes Maß an Redundanz,
die die Messsicherheit deutlich erhöht. Sollte eines der
Sensorelemente R, R', E, E' ausfallen, so ist durch die verbleibenden
intakten Sensorelemente immer noch eine zuverlässige Differenzdruckmessung
gewährleistet.
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Des
Weiteren besteht ein hohes Maß an Flexibilität
im Hinblick auf die Aufbereitung und/oder Auswertung der zur Verfügung
stehenden Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE
und ΔPE'. Die vier zur Verfügung stehenden Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE
und ΔPE' können völlig unabhängig
voneinander aufbereitet und/oder verarbeitet werden und sowohl als
Einzelsignale als auch in Kombination miteinander unterschiedlichsten
Kompensations- und/oder Aufbereitungsverfahren unterzogen werden.
So kann der zu messende Differenzdruck zum Beispiel anhand eines
Mittelwerts der vier über die vier Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE
und ΔPE' zur Verfügung stehenden gemessenen Differenzdrücke
abgeleitet werden. Alternativ können die Kennlinien der
vier Sensorelemente R, R', E', E im Rahmen einer Kalibration ausgemessen
werden und nachfolgend einzelne Differenzdruckmesssignale für
die Ableitung des zu messenden Differenzdrucks ausgewählt
werden, die beispielsweise besonders zuverlässig erscheinen
oder deren Kennlinie den linearsten Verlauf aufweist. Damit lässt
sich eine nachfolgende Kompensation von Messfehlern deutlich vereinfachen
und eine höhere Messgenauigkeit erzielen.
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Zusätzlich
können die mittels der einzelnen Sensorelemente R, R',
E, E' abgeleiteten Messergebnisse miteinander und gegebenenfalls
mit deren Mittelwert verglichen werden. Sollte ein einzelnes Messergebnis eine
deutliche Abweichung von den anderen Messergebnissen oder vom Mittelwert
aufweisen, so kann dieses Messergebnis als Ausreißer aussortiert
und von der Ableitung des zu messenden Differenzdrucks ausgeschlossen
werden. Auf diese Weise können Beschädigungen
eines einzelnen Sensorelements frühzeitig erkannt und deren
Einfluss auf die Messgenauigkeit ausgeschlossen werden.
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Vorzugsweise
weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor
einen hochsymmetrischen Aufbau auf. Hierzu besteht er vorzugsweise
aus zwei völlig identischen Teilstücken 1a/1b und
ist möglichst symmetrisch im Hinblick auf die Anordnung
der Komponenten der Sensorelemente R, R' und E, E' aufgebaut. Dies führt
zu einer deutlichen Reduzierung der durch die Geometrie des Aufbaus
des Differenzdrucksensors und der durch die physikalischen Eigenschaften
der Sensorelemente R, R', E, E' bedingten Nichtlinearität
der Messergebnisse und damit zu einer Erhöhung der erzielbaren
Messgenauigkeit.
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Ein
weiterer Vorteil des hochsymmetrischen Aufbaus besteht darin, dass
sich hierdurch der Einfluss des statischen Drucks reduziert. Der
statische Druck bezeichnet hierbei einen auf beide Messmembranen 5a/5b gleichermaßen
einwirkenden Bezugs- bzw. Ausgangsdruck, dem die zu messende Druckdifferenz überlagert
ist. Der statische Druck entspricht damit dem niedrigeren der beiden
Drücke p1, p2, deren Differenz gemessen werden soll.
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Aufgrund
des hochsymmetrischen Aufbaus werden durch den statischen Druck
bedingte mechanische Verspannungen weitgehend vermieden.
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Zur
Erzielung des hochsymmetrischen Aufbaus sind die auf der ersten
Messmembran 5a angeordneten ersten Elektroden E1 und E1'
formgleich und symmetrisch zur Zentralachse A-A' auf einander gegenüberliegenden
Seiten des Abstandshalters 7 angeordnet. Entsprechend sind
die auf der zweiten Messmembran 5b angeordneten zweiten
Elektroden E2 und E2' formgleich und symmetrisch zur Zentralachse
A-A' auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 7 angeordnet.
Außerdem sind die ersten und die zweiten Elektroden E1,
E1' und E2, E2' formgleich und jeder ersten Elektrode E1, E1' ist
eine formgleiche zweite Elektrode E2, E2' zugeordnet, die parallel
zu der zugeordneten ersten Elektrode E1, E1' dieser unmittelbar
gegenüberliegend angeordnet ist.
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Dieses
hohe Maß an Symmetrie wird vorzugsweise auch im Bezug auf
die Anordnung der piezoresisitiven Elemente R11, R12, R13, R14 und
R21, R22, R23, R24 der piezoresistiven Sensorelemente R, R' eingehalten.
Hierzu sind die piezoresisitiven Elemente R11, R12, R13, R14 bzw.
R21, R22, R23, R24 jedes piezoresistiven Sensorelements R bzw. R'
vorzugsweise in einer Linie symmetrisch zur Zentralachse B-B' zu
beiden Seiten des Abstandshalters 7 angeordnet.
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Dieses
hohe Maß an Symmetrie bewirkt, dass alle Sensorelemente
R, R', E, E' einen sehr geringen Linearitätsfehler aufweisen.
Der Linearitätsfehler bezeichnet dabei ein Maß für
die Abweichung der mit den einzelnen Sensorelementen R, R', E, E'
gemessenen Differenzdrücke von deren idealer Weise linearen
Abhängigkeit vom Differenzdruck.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die piezoresisitiven Elemente
R11, R12, R13 und R14 des piezoresitiven Sensors R gegenüber
den jeweils in gleicher Position gegenüberliegend angeordneten
piezoresisitiven Elemente R21, R22, R23 und R24 des piezoresitiven
Sensors R' jeweils mit umgekehrtem Vorzeichen verhalten. Ein auf
den Differenzdrucksensor einwirkender Differenzdruck, der eine Dehnung
der piezoresisitiven Elemente R11, R12, R13 und R14 des piezoresitiven
Sensors R bewirkt, bewirkt eine Stauchung der gegenüberliegend
angeordneten piezoresisitiven Elemente R21, R22, R23 und R24 des
piezoresistiven Sensors R', und umgekehrt. Dieses gegenläufige
Verhalten kann beispielsweise bei der Kompensation von vom statischen
Druck und/oder der Temperatur abhängigen Messfehlern ausgenutzt
werden. Ebenso lassen sich hierdurch Messfehler kompensieren, die
durch Fertigungstoleranzen verursachte Asymmetrien entstehen. Das gleiche
gilt für den Linearitätsfehler der einzelnen piezoresisitiven
Sensorelemente R, R'.
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Des
Weiteren bewirkt der symmetrische Aufbau bei einem einwirkenden
Differenzdruck eine gegenläufige Bewegung der Elektroden
E1, E2 und E1', E2'. Ein Differenzdruck bewirkt entweder eine Parallelverschiebung
der Elektrodenpaare, bei der ersten Elektroden E1, E1' gegenüber
den gegenüberliegenden zweiten Elektroden E2, E2' nach
außen verschoben werden, oder eine Parallelverschiebung,
bei der die zweiten Elektroden E2, E2' gegenüber den gegenüberliegenden
ersten Elektroden E1, E1' nach außen verschoben werden.
Dieses gegenläufige Verhalten kann beispielsweise bei der
Kompensation von vom statischen Druck und/oder der Temperatur abhängigen
Messfehlern ausgenutzt werden. Ebenso lassen sich hierdurch Messfehler
kompensieren, die durch Fertigungstoleranzen verursachte Asymmetrien
entstehen. Das gleiche gilt für den Linearitätsfehler
der einzelnen kapazitiven Sensorelemente E, E'.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors
besteht darin, dass er als mikroelektromechanisches System (MEMS)
auf Siliziumbasis ausgebildet werden kann, das mit aus der Halbleitertechnik
bekannten Standardverfahren herstellbar ist. Hierdurch ist eine
kostengünstige Produktion des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensor möglich.
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Halbleiter-Sensoren
werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z.
B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt.
Dabei werden bevorzugt BESOI-Wafer (Bonded and etchback silicon
on insulator) als Ausgangsmaterial verwendet. BESOI-Wafer werden
mittels Siliziumdirektbonden hergestellt. Hierzu werden zwei oxidierte
Silizium-Wafer gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur
gebonded. Hierdurch entsteht ein dreischichtiger Wafer, bei dem
sich zwischen zwei Siliziumschichten eine Oxidschicht befindet.
Die unter der Bezeichnung BOX (buried oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht
hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm. Dieser
Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die
abgedünnte polierte Seite bildet im weiteren Verlauf die
Aktivschicht. Die Aktivschicht kann wenige μm dick sein
und wird in der englischsprachigen Fachwelt z. B. als device Wafer
oder als silicon overlayer (SOL) bezeichnet. Die Dicke der Aktivschicht
kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig
und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Verwendung von BESOI-Wafern für
die Herstellung von Drucksensoren besteht darin, dass die vergrabene
Oxidschicht (BOX) einen zuverlässigen Ätzstopp
bildet. Dies wird vor allem für die Herstellung beweglicher
Elektroden von kapazitiven Drucksensoren ausgenutzt. Es sind aber
auch Verfahren bekannt, bei denen BESOI-Wafer für die Herstellung
von piezoresistiven Drucksensoren eingesetzt werden. Ein solches
Verfahren ist beispielsweise in dem im Jahr 2000 im Journal
of Micromechanical Engineering, Band 10, Seite 204 bis 208,
erschienenen Artikel: 'Optimized technology for the fabrication
of piezoresistive pressure sensors', von A. Merlos, J. Santander,
M. D. Alvares und F. Campabadal beschrieben.
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Die
beiden Teilstücke 1a und 1b des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors werden vorzugsweise ebenfalls jeweils aus
einem BESOI Wafer hergestellt, der eine erste Siliziumschicht 9,
eine dünnere zweite Siliziumschicht 11 und eine
zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht 9, 11 angeordnete
Oxidschicht 13 aufweist. Die Oxidschicht 13 weist
vorzugsweise eine Dicke von mindestens 1 μm auf. Die Träger 3a bzw. 3b mit
den darauf angeordneten Messmembranen 5a bzw. 5b werden
jeweils aus einem BESOI Wafer gefertigt. Das Teilstück 1a/1b weist
in der ersten Siliziumschicht 9 eine Ausnehmung 15 auf,
die außenseitlich von einem den jeweiligen Träger 3a/3b bildenden
Teil der ersten Siliziumschicht 9 umgeben ist, und über
die ein die jeweilige Messmembran 5a/5b bildender
Bereich des BESOI Wafers frei gelegt ist. Vorzugsweise weist die Ausnehmung 15 eine
in Richtung der Oxidschicht 13 sich konisch verjüngende
innere Mantelfläche 17 auf. Diese Formgebung bietet
den Vorteil, einer erhöhten mechanischen Stabilität
des Differenzdrucksensors. 5 zeigt
den BESOI Wafer mit der Ausnehmung 15. Die Ausnehmung 15 wird
beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens hergestellt.
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In
der zweiten Siliziumschicht 11 ist eine in 6 dargestellte
Ausnehmung 19 vorgesehen, durch die die Oxidschicht 13 bis
auf einen äußeren Rand 21 und einen Bereich 23 in
der Mitte der Oxidschicht 13 freigelegt ist. Die Ausnehmung 19 wird
beispielsweise durch ein Ätzverfahren erzeugt, mit dem
das im Bereich der Ausnehmung 19 vorhandene Silizium entfernt
wird. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht 13 als Ätzstopp.
Vorzugsweise wird dabei eine KOH-Ätzlösung verwendet,
da diese eine stark unterschiedliche Selektivität zwischen
Silizium und Siliziumdioxid aufweist.
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Zumindest
Teilbereiche des verbleibenden äußeren Randes 21 der
zweiten Siliziumschicht 11 bilden einen Bestandteil der
mechanischen Verbindung P. Der in der Mitte verbleibende Bereich 23 der
zweiten Siliziumschicht 11 bildet einen Teil des Abstandshalters 7.
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Anschließend
wird auf mindestens einem der beiden BESOI Wafer ein piezoresisitives
Sensorelement, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die beiden piezoresisitiven Sensorelemente R und R', auf der jeweiligen freigelegten
Oxidschicht 13, wie in 7 dargestellt,
angeordnet. Hierzu werden die piezoresisitiven Elemente R11, R12,
R13, R14 bzw. R21, R22, R23, R24 des jeweiligen Sensorelements R,
R' beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf die
Oxidschicht 13 aufgebracht. Die piezoresisitiven Elemente R11,
R12, R13, R14 bzw. R21, R22, R23, R24 bestehen beispielsweise aus
Poly-Silizium, Siliziumcarbid (SiC) oder diamantähnlichem
Kohlenstoff (DLC). Die Oxidschicht 13 bildet eine Isolationsschicht
zwischen den piezoresisitiven Elementen und der darunter befindlichen
ersten Siliziumschicht 9. Diese Isolationsschicht bewirkt,
das der Differenzdrucksensor auch bei verhältnismäßig
hohen Temperaturen von bis zu 350°C einsetzbar ist, da
auch bei diesen hohen Temperaturen durch Isolationsschicht eine
ausreichende Isolierung der piezoresisitiven Elemente R11, R12,
R13, R14 bzw. R21, R22, R23, R24 gewährleistet ist. Ohne
die als Isolationsschicht dienende Oxidschicht 13 würde
im Bereich der piezoresistiven Elemente R11, R12, R13, R14 bzw. R21,
R22, R23, R24 ein pn-Übergang bestehen, der nur bei deutlich
niedrigeren Temperaturen eine ausreichende Isolation bewirken würde.
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Die
piezoresistiven Elemente R11, R12, R13, R14 bzw. R21, R22, R23,
R24 können selbstverständlich auch auf andere
aus der Halbleitertechnik bekannte Weise hergestellt werden. So
ist es beispielsweise durch Verwendung entsprechender Masken möglich,
die zweite Siliziumschicht 11 in den Bereichen der piezoresistiven
Elemente R11, R12, R13, R14 und R21, R22, R23, R24 zu erhalten und
diese Bereiche nachfolgend mit einer entsprechenden Dotierung, beispielsweise
mit Bor, zu versehen.
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Ebenso
wird auf der freigelegten Oxidschicht 13 jedes Teilsstücks 1a, 1b mindestens
eine Elektrode aufgebracht. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
werden auf der freigelegten Oxidschicht 13 auf der ersten
Messmembran 5a die beiden ersten Elektroden E1 und E1'
und auf der freigelegten Oxidschicht 13 der zweiten Messmembran 5b die
beiden zweiten Elektroden E2 und E2' aufgebracht. Dies ist in 8 dargestellt. Die
Elektroden E1, E1', E2, E2' bestehen vorzugsweise aus einer Goldschicht
mit einer Dicke von mindestens 500 nm, die auf die jeweilige Oxidschicht 13 aufgesputtert
oder aufgedampft wird.
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Die
Oxidschicht 13 dient auch hier wieder als Isolationsschicht,
die eine elektrische Isolierung der Elektroden E1, E1', E2, E2'
gegenüber der jeweiligen Messmembran 5a, 5b bewirkt.
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Abschließend
werden die beiden Teilstücke 1a und 1a fest
miteinander verbunden, indem die beiden BESOI Wafer miteinander über
ein Verbindungsmaterial fest verbunden werden, das auf als Verbindungsflächen
P1, P2, P3, P4 dienenden Teilbreichen der äußeren
Ränder 21 der zweiten Siliziumschichten 11 und
auf den in der Mitte verbliebenen Bereichen 23 der zweiten
Siliziumschichten 11 flächig aufgebracht ist.
Vorzugsweise bestehen die ersten und die zweiten Elektroden E1,
E1'; E2, E2' aus dem gleichen Werkstoff, der auch als Verbindungsmaterial
verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich das Verbindungsmaterial
für die Verbindung der beiden Teilstücke 1a, 1b zusammen
mit den Elektroden E1, E1', E2, E2' in einem Arbeitsgang aufzubringen.
Vorzugsweise ist das Verbindungsmaterial ebenfalls Gold, dass mit
einer Schichtdicke von mindestens 500 nm aufgebracht ist.
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Vorzugsweise
bestehen auch die für den Zusammenschluss der piezoresisitiven
Elemente R11, R12, R13, R14 bzw. R21, R22, R23, R24 der piezoresisitiven
Sensorelemente R und R' vorgesehenen Leiterbahnen L und die Anschlussleitungen
KE1, KE2 und KE1', KE2' für die kapazitiven Sensorelemente
E, E und die Anschlussleitungen KR1, KR2, KR3, KR4, KR1', KR2',
KR3', KR4' für die piezoresisitiven Sensorelemente R, R' aus
dem gleichen Werststoff, der vorzugsweise auch für die
Elektroden E, E' und die mechanische Verbindung P verwendet wird.
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Zusätzlich
wird ein Verbindungsmaterial G auf den in der Mitte verbliebene
Bereich 23 der zweiten Siliziumschicht 11 jeder
Messmembran 5a, 5b aufgebracht. Auch hier wird
vorzugsweise das gleiche Material, hier eine Goldschicht mit einer
Dicke von 500 nm, verwendet, dass auch für die mechanische
Verbindung P eingesetzt wird. Das Verbindungsmaterial G bildet zusammen
mit dem Bereich 23 der jeweiligen Messmembran 5a, 5b jeweils
ein Element 7a bzw. 7b des Abstandshalters 7.
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Die
Geometrie der Verbindungsflächen P1, P2, P3, P4 auf den äußeren
Rändern 21 ist wählbar. Vorzugsweise
sind die Verbindungsflächen P1, P2, P3, P4 formgleich und
symmetrisch auf dem jeweiligen äußeren Rand 21 der
jeweiligen zweiten Siliziumsicht 11 angeordnet. Dies wirkt
sich vorteilhaft auf die Linearität der erzielbaren Messergebnisse
aus. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die
vier Verbindungsflächen P1, P2, P3, P4 vorgesehen, die,
wie aus den in den 3 und 4 dargestellten
Ansichten der Innenseiten der ersten und der zweiten Messmembran 5a, 5b ersichtlich,
in den vier Ecken der jeweiligen Teilstücke 1a, 1b auf
dem äußeren Rand 23 aufgebracht sind.
Dabei befindet sich die Verbindungsfläche P1 in der Darstellung
von 3 links oben auf der ersten Messmembran 5a,
die Verbindungsfläche P2 rechts oben, die Verbindungsfläche
P3 links unten und die Verbindungsfläche P4 rechts unten.
Die jeweiligen Gegenflächen sind, wie in 4 dargestellt,
auf der zweiten Messmembran 5b entsprechend spiegelsymmetrisch
angeordnet, so dass sich die Verbindungsfläche P1 rechts
oben, die Verbindungsfläche P2 links oben, die Verbindungsfläche P3
rechts unten und die Verbindungsfläche P4 links unten auf
der zweiten Messmembran 5b befindet.
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Anschließend
werden die beiden Teilstücke 1a und 1b derart
aufeinander gebracht, dass die auf der ersten Messmembran 5a aufgebrachten
Verbindungsflächen P1, P2, P3 und P4 auf den namensgleichen
auf der zweiten Messmembran 5b aufgebrachten Verbindungsflächen
P1, P2, P3 flächig aufliegen und die Verbindungsflächen
G der Elemente 7a und 7b des Abstandshalters 7 aufeinander
liegen. Die mechanische Verbindung P der beiden Teilstücke 1a, 1b erfolgt
dann vorzugsweise durch Bonden. Dabei werden die Teilstücke 1a, 1b unter
Krafteinwirkung aufeinander gepresst und einer Temperatur von ca.
400°C bis 420°C ausgesetzt. Hierdurch bildet sich
eine leitende eutektische Phase aus, und es entsteht eine mechanisch
stabile Verbindung der jeweils gegenüberliegenden Verbindungsflächen
P1, P2, P3, P4 und G. Vorzugsweise wird der auf diese Weise gebildete
Differenzdrucksensor für mehrere Stunden bei dieser hohen
Temperatur ausgelagert. Dies führt zu einer zusätzlichen
Diffusion von Gold ins Silizium, so dass eine sehr feste mechanische
Verbindung entsteht.
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Aufgrund
der symmetrischen Anordnung der Verbindungsflächen P1,
P2, P3, P4 und G wird der Einfluss der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von Gold und Silizium komplett kompensiert.
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Die
Anschlussleitungen KE1, KE2, KE1' und KE2' für die kapazitiven
Sensorelemente E, E' und KR1, KR2, KR3, KR4, KR1', KR2', KR3' und
KR4' für die piezoresisitiven Sensorelemente R, R', die
auf die Innenseiten der jeweiligen Messmembranen 5a, 5b aufgebracht
sind, sind mittig zwischen jeweils zwei der Verbindungsflächen
P1, P2, P3 und P4 außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor
heraus geführt, und weisen endseitig jeweils einen auf
dem jeweiligen äußeren Rand 21 der zweiten
Siliziumschicht 11 angeordneten verbreiterten Abschnitt
auf, der als Kontaktfläche dient. Jeder einzelnen Kontaktfläche
ist auf der jeweils gegenüberliegenden Messmembran 5a, 5b eine
identische formgleiche aus dem gleichen Werkstoff bestehende Gegenfläche
GR1, GR2, GR3, GR4, GR1', GR2', GR3', GR4', GE1, GE2, GE1', GE2'
zugeordnet, die jeweils ausschließlich mit der jeweils
zugehörigen Kontaktfläche der Anschlussleitungen
KE1, KE2, KE1' KE2' KR1, KR2, KR3, KR4, KR1', KR2', KR3' KR4', nicht
aber mit den Sensorelementen R, R', E, E' verbunden ist. Diese Verbindung
erfolgt zeitgleich und auf die gleiche Weise, wie die Verbindung
der Verbindungsflächen P1, P2, P3, P4 und G. Die auf diese
Weise gebildeten Kontakte sind elektrisch, thermisch und mechanisch
stabil, da hier nur fest definierte Anteile von Gold und Silizium
in die eutektische Verbindung eingehen.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdrucksensor ist aufgrund
der hochsymmetrischen Doppelmembran äußerst stabil
und damit auch für die Messung sehr hoher Differenzdrücke
geeignet.
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Des
Weiteren bietet die erfindungsgemäße Doppelmembrankonstruktion
den Vorteil, dass die empfindlichen kapazitiven und piezoresistiven
Sensorelemente R, R', E, E' vor äußeren Einflüssen
geschützt im Inneren des Differenzdrucksensors angeordnet
sind. Hierdurch ist es möglich, den Differenzdrucksensor
unmittelbar einzusetzen, ohne dass Druckmittler vorgeschaltet werden
müssen. Die Messmembranen 5a, 5b können
unmittelbar den Medien ausgesetzt werden, deren Druckdifferenz gemessen
werden soll. Hierdurch werden die mit dem Einsatz von in der Regel
mit Öl als Druckübertragungsmedium gefüllten
vorgeschalteten Druckmittlern verbundenen Nachteile, wie z. B. die
Temperaturabhängigkeit der Druckübertragung, vermieden.
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Alternativ
kann der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor
natürlich auch in Verbindung mit vorgeschalteten Druckmittlern
eingesetzt werden. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel
hierzu. Dort ist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor
in ein Messwerk 25 eingesetzt. Das Messwerk 25 umfasst
einen ersten, der ersten Messmembran 5a vorgeschalteten
Druckmittler 27a und einen identischen der zweiten Messmembran 5b vorgeschalteten
zweiten Druckmittler 27b. Die Druckmittler 27a und 27b umfassen
jeweils eine nach außen von einer Trennmembran 29a, 29b abgeschlossene
Druckempfangskammer 31a, 31b, die jeweils über eine
Druckübertragungsleitung 33a, 33b mit
einer an die jeweilige Messmembran 5a, 5b angrenzenden
Druckmesskammer 35a, 35b verbunden sind, die durch
die von dem jeweiligen Träger 3a, 3b begrenzte
Ausnehmung 15 gebildet ist. Die Druckempfangskammern 31a, 31b die
Druckübertragungsleitungen 33a, 33b und
die Druckmesskammern 35a, 35b sind mit einer Druck übertragenden
Flüssigkeit gefüllt, die vorzugsweise einen geringen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und möglichst
inkompressibel ist. Hierzu eignet sich z. B. ein Silikonöl.
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Das
Messwerk 25 umfasst weiter ein Messwerkgehäuse 37 in
das der Differenzdrucksensor und die Druckmittler 27a, 27b unter
Freilassung der Trennmembranen 29a, 29b eingesetzt
sind. Vorzugsweise ist im Messwerkgehäuse 37 eine
Bohrung 39 vorgesehen, über die eine gasdurchlässige
Verbindung zwischen dem Innenraum des Messwerkgehäuses 37 und
der Umgebung besteht. Der Innenraum ist vorzugsweise durch einen
die Bohrung 39 nach außen abdeckenden Spritzwasserschutz 41 und/oder
einen in die Bohrung 39 eingesetzten Filter 43 vor
eindringender Feuchtigkeit und vor eindringenden Partikeln geschützt.
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Im
Messbetrieb wird der ersten Trennmembran
29a der erste
Druck p1 und der zweiten Trennmembran
29b der zweite Druck
p2 zugeführt. Die Drücke p1 und p2 werden durch
die Druckmittler
27a und
27b auf die Messmembranen
5a,
5b übertragen,
die dadurch eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung
erfahren, die mittels des Differenzdrucksensors erfasst wird.
| 1a/1b | Teilstücke |
| 3a/3b | Träger |
| 5a/5b | erste/zweite
Messmembran |
| 7 | Abstandshalter |
| 7a/7b | Elemente
des Abstandshalters |
| 9 | erste
Siliziumschicht |
| 11 | zweite
Siliziumschicht |
| 13 | Oxidschicht |
| 15 | Ausnehmung |
| 17 | innere
Mantelfläche |
| 19 | Ausnehmung |
| 21 | äußerer
Rand der ersten Siliziumschicht |
| 23 | Bereich
in der Mitte der ersten Siliziumschicht |
| 25 | Messwerk |
| 27a/27b | Druckmittler |
| 29a/29b | Trennmembran |
| 31a/31b | Druckempfangskammer |
| 33a/33b | Druckübertragungsleitung |
| 35a/35b | Druckmesskammer |
| 37 | Messwerkgehäuse |
| 39 | Bohrung |
| 41 | Spritzwasserschutz |
| 43 | Filter |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Journal of
Micromechanical Engineering, Band 10, Seite 204 bis 208 [0066]
- - 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive
pressure sensors', von A. Merlos, J. Santander, M. D. Alvares und
F. Campabadal [0066]