DE102008043271A1 - Sensor arrangement for differential pressure measurement - Google Patents
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Abstract
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung vorgeschlagen, die einfach im Aufbau, robust in der Applikation und zuverlässig in der Messwerterfassung ist. Dazu umfasst die erfindungsgemäße Sensoranordnung (10) ein erstes und ein zweites mikromechanisches Sensorelement (1, 2), in deren Vorderseite jeweils eine druckempfindliche Membran (11, 12) ausgebildet ist. Die beiden Sensorelemente (1, 2) sind über ihre rückseiten miteinander verbunden. Dieser Verbund ist so in ein Moldgehäuse (4) eingebettet, dass die Membran (11) des ersten Sensorelements (1) mit einem ersten Messdruck und die Membran (12) des zweiten Sensorelements (2) mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist. Außerdem sind schaltungstechnische Mittel (3) zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck vorgesehen.With the present invention, a sensor arrangement for differential pressure measurement is proposed, which is simple in construction, robust in the application and reliable in the measured value acquisition. For this purpose, the sensor arrangement (10) according to the invention comprises a first and a second micromechanical sensor element (1, 2), in the front side of each of which a pressure-sensitive membrane (11, 12) is formed. The two sensor elements (1, 2) are connected to each other via their backs. This composite is embedded in a mold housing (4) such that the membrane (11) of the first sensor element (1) can be acted upon by a first measuring pressure and the membrane (12) of the second sensor element (2) by a second measuring pressure. In addition, circuit-technical means (3) for determining the difference between the first and second measuring pressures are provided.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung mit mindestens einem ersten mikromechanischen Sensorelement, in dessen Vorderseite eine erste druckempfindliche Membran ausgebildet ist, und mit einem Moldgehäuse für das Sensorelement, wobei in dem Moldgehäuse mindestens eine Öffnung zur Druckbeaufschlagung ausgebildet ist.The The invention relates to a sensor arrangement for differential pressure measurement with at least one first micromechanical sensor element, in the front side of which forms a first pressure-sensitive membrane is, and with a mold housing for the sensor element, wherein in the mold housing at least one opening is designed for pressurization.
In
der deutschen Offenlegungsschrift
Zudem ist es bekannt, zur Differenzdruckerfassung Sensorelemente mit einer druckempfindlichen Membran einzusetzen, die beidseitig mit Druck beaufschlagt werden kann. Auch bei diesen Sensorelementen ist die Membran in der Regel in der Vorderseite ausgebildet. Die rückseitige Druckbeaufschlagung erfolgt meist über einen engen Kanal, der mit bekannten Verfahren, wie z. B. durch KOH-Ätzen oder Trenchen, in der Rückseite des Sensorelements erzeugt worden ist. Je nach den Umgebungsbedingungen, denen das Sensorelement in der Applikation ausgesetzt ist, können sich Partikel in diesem engen Kanal absetzen oder es kann eine Vereisung des Kanals auftreten, was letztlich zu einem Bruch der Membran führen kann. Um dies zu verhindern, werden derartige Sensorelemente in der Praxis mit einer aufwendigen Rückseitenvergelung versehen.moreover It is known for differential pressure sensing sensor elements with a use pressure-sensitive membrane, which acts on both sides with pressure can be. Also in these sensor elements, the membrane is in usually formed in the front. The back Pressurization is usually via a narrow channel, with known methods, such as. B. by KOH etching or Trenchen, generated in the back of the sensor element is. Depending on the environmental conditions to which the sensor element in is exposed to the application, particles in settle this narrow channel or there may be icing of the channel occur, which ultimately lead to a rupture of the membrane can. To prevent this, such sensor elements are in the practice provided with a complex Rückseitenvergelung.
Es ist ferner bekannt, zwei Messdrücke unabhängig voneinander mit Hilfe zweier Absolutdrucksensoren zu erfassen, um den Differenzdruck anschließend durch entsprechende Verschaltung der Messsignale elektrisch zu ermitteln. Die Messgenauigkeit dieser Zweichip-Differenzdrucksensoren hängt wesentlich von der thermischen Kopplung der beiden Sensorelemente ab, da die Messsignale der einzelnen Absolutdrucksensoren stark temperaturabhängig sind.It is also known, two measuring pressures independently from each other using two absolute pressure sensors to capture the differential pressure then by appropriate interconnection to determine the measurement signals electrically. The measuring accuracy of this Two-chip differential pressure sensors depend significantly on the thermal coupling of the two sensor elements, since the measurement signals the individual absolute pressure sensors strongly dependent on temperature are.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung vorgeschlagen, die einfach im Aufbau, robust in der Applikation und zuverlässig in der Messwerterfassung ist.With The present invention is a sensor arrangement for differential pressure measurement proposed, simple in construction, robust in the application and reliable in the measured value acquisition.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung umfasst dazu ein erstes und ein zweites mikromechanisches Sensorelement, in deren Vorderseite jeweils eine druckempfindliche Membran ausgebildet ist. Die beiden Sensorelemente sind über ihre Rückseiten miteinander verbunden. Dieser Verbund ist so in ein Moldgehäuse eingebettet, dass die Membran des ersten Sensorelements mit einem ersten Messdruck und die Membran des zweiten Sensorelements mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist. Außerdem sind schaltungstechnische Mittel zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck vorgesehen.The Inventive sensor arrangement for differential pressure measurement includes for this purpose a first and a second micromechanical sensor element, in whose front each formed a pressure-sensitive membrane is. The two sensor elements are over their backsides connected with each other. This composite is in a mold housing embedded in that the membrane of the first sensor element with a first measuring pressure and the membrane of the second sensor element with a second measuring pressure can be acted upon. Besides, they are Circuitry means for determining the difference from the first one and second measuring pressure provided.
Erfindungsgemäß wird durch den rückseitigen Verbund eine sehr gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen hergestellt. Dadurch werden thermisch bedingte Hystereseeffekte bei der Messwerterfassung mit den beiden Sensorelementen minimiert, was wesentlich zur Zuverlässigkeit der Messergebnisse beiträgt. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung treten jeweils nur die Vorderseiten der Sensorelemente mit den Messmedien in Kontakt. Diese Oberflächen sind im Vergleich zu rückseitigen Druckzuführungskanälen unanfällig gegen Verschmutzung oder Vereisung. Erfindungsgemäß ist schließlich noch erkannt worden, dass sich der Verbund der beiden Sensorelemente sehr gut in ein Moldgehäuse mit Druckanschlüssen einbetten lässt. Da Moldgehäuse mit unterschiedlichsten Geometrien herstellungstechnisch einfach realisiert werden können und zudem einen guten Schutz gegen mechanische Einflüsse und eine chemisch aggressive Messumgebung bieten, kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung durch entsprechende Auslegung des Moldgehäuses sehr gut für den Einsatz im Rahmen spezieller Applikationen konfigurieren werden.According to the invention a very good thermal due to the backside bond Coupling made between the two sensor elements. Thereby become thermally induced hysteresis effects in the measured value acquisition minimized with the two sensor elements, which is essential for reliability contributes to the measurement results. In the inventive Sensor arrangement occur only the front sides of the sensor elements in contact with the measuring media. These surfaces are in Compared to rear pressure feed channels not susceptible to contamination or icing. According to the invention Finally, it has been recognized that the composite the two sensor elements very well in a mold housing with Embed pressure ports. Because mold housing realized with different geometries manufacturing technology simple and also good protection against mechanical damage Provide influences and a chemically aggressive measurement environment, can the sensor arrangement according to the invention appropriate design of the housing housing very good for the Be configured in the context of special applications.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit unterschiedlichen Sensorelementen realisiert werden, solange sich ein rückseitiger Verbund zwischen den beiden Sensorelementen herstellen lässt und eine unabhängige Messdruckerfassung gewährleistet ist.in principle can the sensor arrangement according to the invention different sensor elements are realized, as long as create a backside bond between the two sensor elements lets and an independent measuring pressure acquisition is guaranteed.
Als vorteilhaft im Hinblick auf eine zuverlässige Messdruckerfassung erweist sich eine Kombination von zwei in Oberflächenmikromechanik (OMM) gefertigten Absolutdruck-Sensorelementen, bei denen die Membran jeweils einen abgeschlossenen Hohlraum im Schichtaufbau des Sensorelements überspannt. In diesem Falle kann der Verbund zwischen den beiden Sensorelementen einfach in Klebetechnik realisiert werden. Dazu sollte ein thermisch gut leitender Klebstoff verwendet werden, um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen zu erzielen.As advantageous with regard to a reliable measuring pressure detection proves a Kombinati on of two surface micromechanics (OMM) manufactured absolute pressure sensor elements, in which the membrane spans in each case a closed cavity in the layer structure of the sensor element. In this case, the bond between the two sensor elements can be easily realized in bonding technology. For this purpose, a thermally good conductive adhesive should be used to achieve the best possible thermal coupling between the two sensor elements.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das erste und das zweite Sensorelement zudem eine im wesentlichen identische Dimensionierung und Sensorstruktur aufweisen und aus denselben Halbleitermaterialien aufgebaut sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich thermische Einflüsse auf die Sensoranordnung auch in gleicher Weise auf die beiden Sensorelemente auswirken.From It is particularly advantageous if the first and the second sensor element In addition, a substantially identical dimensioning and sensor structure and constructed of the same semiconductor materials. This can ensure that there are thermal influences on the sensor assembly in the same way to the two sensor elements impact.
An dieser Stelle sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung auch andere Kombinationen von Sensorele menten umfassen kann. Möglich wäre beispielsweise auch die Kombination eines in OMM realisierten ersten Sensorelements, dessen Membran einen abgeschlossenen Hohlraum im Schichtaufbau überspannt, mit einem in Bulk-Mikromechanik realisierten zweiten Sensorelement, dessen Membran eine Kaverne in der Rückseite überspannt. in diesem Fall muss der Verbund zwischen den beiden Sensorelementen allerdings durch Bonden hergestellt werden, um die Kaverne des zweiten Sensorelements druckdicht abzuschließen und so eine unabhängige Messdruckerfassung zu gewährleisten.At However, this point should be explicitly pointed out that the sensor arrangement according to the invention also may include other combinations of Sensorele instruments. Possible For example, it would be the combination of one realized in OMM first sensor element whose diaphragm has a closed cavity spanned in layer construction, with one in bulk micromechanics realized second sensor element, whose membrane is a cavern spanned in the back. in this case must however, the bond between the two sensor elements through Bonding are made to the cavern of the second sensor element complete pressure-tight and so an independent To ensure measuring pressure detection.
Aus aufbautechnischen Gründen erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Verbund aus erstem und zweitem Sensorelement auf einem Träger über einer Druckanschlussöffnung in diesem Träger montiert ist. Dazu kann die aus der Halbleitertechnik bekannte Flip-Chip-Montagetechnik verwendet werden. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall auch zumindest ein Abschnitt des Trägers in das Moldgehäuse integriert.Out For technical reasons, it proves to be advantageous if the composite of first and second sensor element on a Carrier over a pressure port opening is mounted in this carrier. This can be from the semiconductor technology known flip-chip mounting technology can be used. advantageously, in this case also at least a portion of the carrier integrated into the mold housing.
Ein komplettes Sensormodul zum Ermitteln des Differenzdrucks kann einfach dadurch geschaffen werden, dass neben dem Verbund der Sensorelemente auch die schaltungstechnischen Mittel zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck auf dem Träger angeordnet werden und mit dem entsprechenden Trägerabschnitt in das Moldgehäuse integriert werden.One complete sensor module to determine the differential pressure can be simple be created by the fact that in addition to the composite of the sensor elements also the circuit-technical means for determining the difference arranged from the first and second measuring pressure on the support be and with the corresponding support portion in the mold housing to get integrated.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur.As already discussed above, there are various ways to design the teaching of the present invention in an advantageous manner and further education. This is on the one hand to the independent Referred to claim 1 subordinate claims and on the other hand to the following description of an embodiment the invention with reference to the single figure.
Die
einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine
erfindungsgemäße Sensoranordnung
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of invention
Die
in der einzigen Figur dargestellte Sensoranordnung
Die
Sensorstruktur beider Sensorelemente
Die
beiden Sensorelemente
Der
Verbund der beiden Sensorelementen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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