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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor,
insbesondere einen mikromechanischen Differenzdrucksensor.
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Mikromechanische
Drucksensoren umfassen einen Grundkörper, eine Messmembran
und einen Wandler, wobei die Messmembran an dem Grundkörper
befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck
beaufschlagbar ist und eine druckabhängige elastische Verformung
aufweist, und wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran
abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der
Grundkörper ferner ein Membranbett aufweist, an welchem
die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die
Messmembran abzustützen.
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Wie
in der Offenlegungsschrift
US 2005/0072242A1 offenbart ist, wird Membranbett beispielsweise
mit großem Aufwand mit feinwerktechnischen bzw. mikromechanischen
Methoden gefertigt, um eine hinreichende Abstützung der
Messmembran im Überlastfall zu ermöglichen. Hierbei sind
eine möglichst genaue Fertigung und eine kostengünstige
Fertigung gegenläufige Zielgrößen, die zu
Kompromissen bei der Leistungsfähigkeit des Membranbetts
führen müssen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor
und ein Herstellungsverfahren für einen Drucksensor bereitzustellen,
der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor umfasst mindestens
eine Messmembran; und
mindestens einen Membranträgerkörper,
mit dem die Messmembran entlang ihres Randes druckdicht verbunden
ist, wobei der Membranträgerkörper ein Membranträgerkörper
einen Sockel und eine Membranbettplatte umfasst, an der sich die
Messmembran im Falle einer Überlast abstützt,
wobei die Membranbettplatte durch Druckbeaufschlagung elastisch
verformt ist, und die elastische Verformung durch durch direktes
oder indirektes Befestigen mindestens eines Abschnitts der Membranbettplatte
an dem Sockel fixiert ist.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ist die Membranbettplatte
zum Fixieren der elastischen Verformung zumindest abschnittsweise
oder vollflächig an dem Sockel im verformten Zustand fixiert.
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Die
verbleibende Verformung kann beispielsweise der Biegecharakteristik
der Membranbettplatte unter der Randbedingung der anschließenden
Fixierung folgen. Hierbei können, ggf. je nach Art und
Ort der Fixierung Rückstellkräfte wirksam werden,
so dass es zu geringfügigen Abweichungen von der Biegecharakteristik
der Membranbettplatte im freien Zustand kommen kann.
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Diese
Abweichungen sind so gering zu halten, dass die Stützfunktion
der Membranbettplatte für die Messmembran im Überlastfall
nicht beeinträchtigt wird. Geringe Abweichungen von der
Biegelinie der Messmembran können sogar den vorteilhaften
Nebeneffekt aufweisen, dass die Messmembran im Überlastfall
nicht vollflächig an der Membranbett anliegt und gegen
dieses gedrückt wird. Denn in einem solchen Fall können
ggf. Adhäsionskräfte nach Wegfall der Überlast
verhindert, dass sich die Messmembran von dem Membranbett löst.
Dieser Effekt kann aber auch dadurch vermieden werden, dass zumindest
eine der sich berührenden Oberflächen eine gewisse
Rauhigkeit aufweist, beispielsweise durch eine zusätzliche
Beschichtung.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist die Messmembran ein Halbleitermaterial
auf, beispielsweise Silizium.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weist die Membranbettplatte ein Halbleitermaterial auf,
vorzugsweise das gleiche Material wie die Messmembran, insbesondere
Silizium.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann der Sockel ebenfalls ein Halbleitermaterial
aufweisen, insbesondere Silizium. Die mechanische Verbindung zwischen
der Membranbettplatte aus einem Halbleitermaterial und dem Sockel
aus einem Halbleitermaterial kann beispielsweise mit einem Glaslot,
durch eutektisches Bonden oder Siliziumfusionbonden erfolgen.
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Die
Befestigung mit einem Glaslot kann insbesondere so erfolgen, dass
die Membranbettplatte vollflächig über das Glaslot
mit dem Sockel verbunden ist. Auf diese Weise ist gewährleistet,
dass einerseits Rückstellkräfte in der Membranbettplatte
nach Wegfall des während der Fertigung angelegten Drucks
keine Abweichung von der zu fixierenden Form bewirken können,
und dass andererseits die Membranbettplatte selbst vollflächig
abgestützt ist.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Sockel Glas oder Niedertemperatur-Einbrand-Keramik
(LTCC Low Temperature Cofired Ceramic) aufweisen. Die mechanische
Verbindung zwischen der Membranbettplatte aus einem Halbleitermaterial
und dem Sockel aus einem Halbleitermaterial kann beispielsweise
durch anodisches Bonden erfolgen.
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Bei
der Fertigung kann die Membranbettplatte mit ihrem Randbereich an
dem Randbereich eines Sockels befestigt werden, wobei der Randbereich eine
Vertiefung in dem Sockel umgibt. Die Membranbettplatte kann in dem
Maße mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druck belastet
werden, dass die Membranbettplatte eine gewünschte Durchbiegung aufweist.
In diesem Zustand wird die Membranbettplatte fixiert, wobei vorzugsweise
zumindest ein Abschnitt des verformten Bereichs an dem Sockel befestigt
wird.
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor
sein, welcher einen zu messenden Mediendruck gegen Vakuum misst,
ein Relativdrucksensor, welcher einen zu messenden Mediendruck gegen
den umgebenden Atmosphären misst, oder ein Differenzdrucksensor,
welcher die Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem
zweiten Mediendruck misst.
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Der
erfindungsgemäße Differenzdrucksensor mindestens
einen Membranträgerkörper, mit dem die Messmembran
entlang ihres Randes druckdicht verbunden ist, wobei der Membranträgerkörper
ein Membranträgerkörper einen Sockel und eine
Membranbettplatte umfasst, an der sich die Messmembran im Falle
einer Überlast abstützt, wobei die Membranbettplatte
elastisch verformt ist, und die elastische Verformung durch Befestigen
mindestens eines Abschnitts der Membranbettplatte fixiert ist.
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Ein
erfindungsgemäßer Differenzdrucksensor kann auch
zwei Membranbetten aufweisen die jeweils durch Fixieren der Verformung
einer Membranbettplatte gebildet sind, wobei ein erstes Membranbett
zur Abstützung einer Messmembran um die Messmembran bzw.
die Messmembranen im Falle von einseitigen Überlasten des
Differenzdrucksensors gegen Die Erfindung wird nun anhand eines
in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Absolutdrucksensors;
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2:
eine Schnittansicht eines ersten Beispiels eines erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors; und
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3:
eine Schnittansicht eines zweiten Beispiels eines erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors.
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Der
in 1 dargestellte Absolutdrucksensor 1 umfasst
eine Messmembran die in ihrer Ruhelage mit dem Bezugszeichen 2 und
unterbrochenen Linien und bei maximaler Auslenkung mit dem Bezugszeichen
(2) und durchgezogenen Linien dargestellt ist. Weiterhin
umfasst der Absolutdrucksensor 1 einen Membranträgerkörper
der eine Membranbettplatte 3 und einen Sockel 5 aufweist.
Die Messmembran ist entlang einer Randfläche mittels einer
ersten umlaufenden, in sich geschlossenen Fügestelle 4 druckdicht
mit einer ersten Oberfläche der Membranbettplatte 3 verbunden.
Die Membranbettplatte ist ihrerseits mit einer zweiten Oberfäche,
welche der ersten Oberfläche abgewandt ist, entlang ihres
Randes mittels einer zweiten umlaufenden Fügestelle 6 druckdicht
mit einem Randbereich des Sockels 5 verbunden, wobei der
Randbereich des Sockels gegenüber dessen Zentralbereich
hervorsteht. Bei der Fertigung des Absolutdrucksensors wird die
Membranbettplatte 3 vor der Befestigung der Messmembran 2 mit
einem Druck beaufschlagt, wodurch sie in dem Maß verformt
wird, dass sie als Membranbett für die Messmembran im Falle
einer Überlast dienen kann. Diese Verformung der Membranbettplatte
wird fixiert, indem die Membranbettplatte 3 beispielsweise
in ihrem Zentrum 7 mittels einer dritten Fügestelle
an dem Sockel fixiert wird. Vorzugsweise ist aber eine vollflächige
Verbindung zwischen der Membranbettplatte 3 und dem Sockel 5 realisiert,
beispielsweise durch ein Glaslot 8, mit dem der Raum zwischen
der Membranbettplatte und dem Zentralbereich des Sockels befüllt ist.
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Die
Messmembran 2, die Membranbettplatte 3 und der
Sockel 5 des Ausführungsbeispiels weisen Silizium
auf. Die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte 3 und
dem Sockel 5 erfolgt wie die vollflächige Unterfüllung
des Zwischenraums mit einem Glaslot. Die Befestigung der Messmembran 2 an
der Membranbettplatte 3 erfolgt durch eutektisches Bonden.
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Der
Absolutdrucksensor umfasst weiterhin einen Wandler zum Bereitstellen
eines von der Verformung der Messmembran abhängigen Signals. Dies
kann beispielsweise ein (piezo-)resistiver Wandler sein, wozu Widerstandselemente
in der Messmembran vorzusehen sind. Gleichermaßen ist ein
kapazitiver Wandler geeignet. In diesem Fall weist die Messmembran
mindestens eine erste Elektrode auf, wobei dann an der Membranbettplatte
eine Gegenelektrode vorzusehen ist.
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Der
in 2 dargestellte Differenzdrucksensor 11 umfasst
eine erste Messmembran 12 und eine zweite Messmembran 13 die
in ihrer Ruhelage jeweils mit unterbrochenen Linien und bei maximaler Auslenkung
im Falle einer einseitigen Überlast (hier p1 >> p2) mit durchgezogenen Linien dargestellt sind.
Weiterhin umfasst der Differenzdrucksensor 11 einen Membranträgerkörper 16 der
eine Membranbettplatte 14 und eine zweite Membranbettplatte 15 sowie
einen Sockel 16 aufweist. Die Messmembranen 12, 13 sind
jeweils entlang einer Randfläche mittels einer umlaufenden,
in sich geschlossenen Fügestelle druckdicht mit einer Oberfläche
einer der Membranbettplatten 14, 15 verbunden.
Die Membranbettplatten 14, 15 sind ihrerseits
entlang ihres Randes druckdicht mit einem Randbereich jeweils einer
Stirnfläche des Sockels 16 verbunden, wobei die
Randbereiche der Stirnflächen des Sockels gegenüber
jeweils gegenüber dem Zentralbereich der Stirnfläche hervorstehen.
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Bei
der Fertigung des Differenzdrucksensors 11 werden die beiden
Membranbettplatten 14, 15 vor der Befestigung
der Messmembranen 2 mit einem Druck beaufschlagt, wodurch
sie in dem Maß verformt wird, dass sie als Membranbett
für die Messmembranen 12 13 im Falle
von einseitigen Überlasten dienen können. Diese
Verformung der Membranbettplatten wird fixiert, indem die Membranbettplatten 14, 15 jeweils
vollflächig durch ein Glaslot 17, 18 mit dem
der Raum zwischen der Membranbettplatte und dem Zentralbereich der
jeweiligen Stirnfläche des Sockels befüllt ist,
mit der jeweiligen Stirnfläche des Sockels verbunden sind.
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Die
Messmembranen 12, 13, die Membranbettplatten 14, 15 und
der Sockel 16 des Ausführungsbeispiels weisen
Silizium auf. Die mechanische Verbindung zwischen den Membranbettplatten 14, 15 und
dem Sockel 16 erfolgt wie die vollflächige Unterfüllung
der Zwischenräume mit einem Glaslot. Die Befestigung der
Messmembranen 1 an der Membranbettplatte 3 erfolgt
durch eutektisches Bonden.
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Zur
Kopplung der beiden Messmembranen erstreckt sich durch den Membranträgerkörper
ein Kanal 20 der die beiden zwischen den Messmembranen
und dem jeweiligen Membranbett eingeschlossenen Volumen miteinander
verbindet. Diese Volumen und der Kanal sind durch einen hier nicht
gezeigten Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit
befüllt.
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Der
Differenzdrucksensor umfasst weiterhin einen Wandler zum Bereitstellen
eines von den Verformungen der Messmembranen abhängigen
Signals. Dies kann beispielsweise ein (piezo-)resistiver Wandler
sein, wozu Widerstandselemente in den Messmembranen vorzusehen sind.
Gleichermaßen ist ein kapazitiver Wandler geeignet. In
diesem Fall weisen die Messmembranen jeweils mindestens eine erste
Elektrode auf, wobei dann an den beiden Membranbettplatten jeweils
mindestens eine Gegenelektrode vorzusehen ist.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 21 umfasst,
unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel aus 2 dadurch,
dass er nur eine Messmembran 26 aufweist, und dem entsprechend beidseitig
von der Messmembran 26 Membranbetten vorgesehen sind, die
wie zuvor dadurch hergestellt sind, dass eine erste Membranbettplatte 24 und
eine zweite Membranbettplatte 25 unter Druckbeaufschlagung
an ihrem jeweiligen Sockel 22 bzw. 23 fixiert sind.
Der Raum zwischen den Sockeln und den Membranbettplatten ist wie
zuvor mit Glaslot 27, 28 gefüllt. Die
Druckbeaufschlagung der Messmembran erfolgt durch einen ersten Kanal 31 und
einen zweiten Kanal 33. Hinsichtlich des Wandlerprinzips,
der Materialien und der Ausführung der Fügestellen
gelten die Angaben zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
sinngemäß.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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