DE102008003716A1

DE102008003716A1 - Mikromechanischer Drucksensor

Info

Publication number: DE102008003716A1
Application number: DE102008003716A
Authority: DE
Inventors: Geert Brokmann
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-30
Also published as: EP2235491A1; WO2009087055A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor mit einem Substrat und einer Membran, an der sich piezoelektrische Sensorelemente befinden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, der geringe Abmessungen aufweist und bei dem Torsionsbeanspruchungen der Membran weitgehend vermieden werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, bei der das Substrat einen Rahmen (1) aufweist, an dem die Membran (2) angeordnet ist, wobei sich an der Unterseite der Membran (2) ein zentral angeordnetes Masseelement (3) befindet und die Membran (2) an streifenförmigen Abschnitten, die sich zwischen Rahmen (1) und Masseelement (3) befinden, mit jeweils zwei partiellen Verstärkungen (2.1, 2.2) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor mit einem Substrat und einer Membran, an der sich piezoelektrische Sensorelemente befinden.
Die Erfindung ist vorzugsweise für Druckmessungen mit häufig wechselnden Belastungen einsetzbar.
Im Stand der Technik sind verschiedene mikromechanische Anordnungen zur Druckmessung bekannt.
In JP 61-82130 wird beispielsweise eine Drucksensorvorrichtung beschrieben, die Druckschwankungen eines Gases oder einer Flüssigkeit erkennt und in elektrische Signale umwandelt. Dabei wird eine Einrichtung verwendet, die Schwankungen des aufgebrachten Drucks als Änderungen der Oszillationsfrequenz eines Sensorteils erkennt.
Ferner ist in DE 11 2004 002 281 T5 eine Anordnung zur Druckmessung angegeben, bei der ein Sensorsubstrat auf seiner unteren Oberfläche ein oberflächenakustisches Wellenelement zur Druckerkennung enthält, welches auf einem Trägersubstrat befestigt ist. Das oberflächenakustische Wellenelement ist zur Druckerkennung hermetisch in dem abgedichteten Raum eingeschlossen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der geringe Abmessungen aufweist und bei dem Torsionsbeanspruchungen der Membran weitgehend vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung sind auch Merkmalskombinationen bei denen die in der Beschreibung und/oder in den Ansprüchen angegebenen Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.
Der Drucksensor weist ein Substrat mit einem Rahmen auf, an dem die Membran angeordnet ist. An der Unterseite der Membran befindet sich ein zentral angeordnetes Masseelement. Damit werden geringe Abmessungen der Anordnung ermöglicht. Die streifenförmigen Abschnitte der Membran, die sich zwischen Rahmen und Masseelement befinden, sind jeweils mit zwei partiellen Verstärkungen versehen. Damit werden sowohl eine hohe Sicherheit gegenüber Torsionsbeanspruchungen erreicht als auch Nichtlinearitäten der Druck-Auslenkungs-Abhängigkeit verringert. Zweckmäßigerweise befinden sich die piezoelektrischen Sensoren in den Verstärkungen.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Verstärkungen symmetrisch jeweils rechts und links der Mitte der streifenförmigen Abschnitte angebracht sind.
Ferner ist es möglich, dass die streifenförmigen Verstärkungen an den Ecken des Masseelementes angeordnet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung entsteht dadurch, dass die piezoelektrischen Zonen in der Membran zu einer Wheatstonschen Messbrücke geschaltet sind, mit der die druckabhängige Auslenkung der Membran erfasst wird.
Die zweifache Anordnung der Versteifungen ermöglicht es, dass die piezoelektrischen Zonen in der Membran zu zwei Wheatstonschen Messbrücken geschaltet sind. Damit können auch Temperaturunterschiede bei der Messung kompensiert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes auf eine Anordnung mit außermittiger Verstärkung der Membran,
2 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes auf eine Anordnung mit Verstärkung der Membran an den Ecken, und
3 eine schematische Darstellung einer Messbrückenschaltung.
Die in 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem Substrat, welches einen rechteckförmigen Rahmen 1 enthält, an dessen Oberseite eine Membran 2 angeordnet ist. An der Unterseite der Membran 2 befindet sich ein zentral angeordnetes Masseelement 3 mit rechteckigem Querschnitt. Die Membran 2 ist mit piezoelektrischen Sensorelementen versehen. Diese sind im Randbereich der Membran 2 in diese eindiffundiert. Die streifenförmigen Abschnitte der Membran 2, die sich zwischen Rahmen und Masseelement 3 befinden, sind mit jeweils zwei partiellen Verstärkungen 2.1 und 2.2 versehen. Diese Verstärkungen 2.1, 2.5 oder 2.2 und 2.6 oder 2.3 und 2.7 oder 2.4 und 2.8 sind symmetrisch rechts und links der Mitte der streifenförmigen Abschnitte angebracht.
Bei der in 2 gezeigten Ausführung befinden sich die Verstärkungen 2.1...2.8 der streifenförmigen Abschnitte an den Ecken des Massenelementes.
In 3 ist eine Messbrückenschaltung schematisch dargestellt. In jedem der acht Verstärkungen 2.1...2.8 befinden sich piezoelektrische Sensorelemente. Dabei bildet jeweils ein piezoelektrisches Sensorelement aus einer sich in einem Streifen befindenden Verstärkung 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 ein Widerstandselement einer Messbrücke. Eine zweite Messbrücke kann aus den piezoelektrischen Sensorelementen gebildet werden, die sich in den Verstärkungen 2.5, 2.6, 2.7 und 2.8 befinden. Beide Messbrücken enthalten je ein Widerstandselement, welches einem der vier streifenförmigen Membranabschnitten zugeordnet ist.

1: Rahmen
2: Membran
2.1...2.8: Verstärkung
3: Masseelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 61-82130 [0004]
- DE 112004002281 T5 [0005]

Claims

Mikromechanischer Drucksensor mit einem Substrat und einer Membran (2), an der sich piezoelektrische Sensorelemente befinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einen Rahmen (1) aufweist, an dem die Membran (2) angeordnet ist, wobei sich an der Unterseite der Membran (2) ein zentral angeordnetes Masseelement (3) befindet und die Membran (2) an streifenförmigen Abschnitten, die sich zwischen Rahmen 1 und Masseelement (3) befinden, mit jeweils zwei partiellen Verstärkungen (2.1, 2.2) versehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Sensoren sich in den Verstärkungen (2.1...2.8) befinden.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen (2.1...2.8) symmetrisch rechts und links der Mitte der streifenförmigen Abschnitte angebracht sind.
Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmigen Verstärkungen (2.1...2.8) an den Ecken des Masseelementes (3) angeordnet sind.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Zonen in der Membran (2) zu einer Wheatstonschen Messbrücke geschaltet sind, mit der die druckabhängige Auslenkung der Membran (2) erfasst wird.
Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrischen Zonen in der Membran (2) zu zwei Wheatstonschen Messbrücken geschaltet sind.