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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement zur kapazitiven
Differenzdruckerfassung mit einer auslenkbaren Membranstruktur,
die mit mindestens einer auslenkbaren Elektrode versehen ist, und
mit einer feststehenden Trägerstruktur für mindestens
eine feststehende Gegenelektrode, die der auslenkbaren Elektrode
gegenüber
angeordnet ist.
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Drucksensoren
mit mikromechanischen Sensorelementen werden heute im Maschinenbau, der
Prozesstechnik, der Kfz-Technik und in der Medizintechnik für vielfältige Messaufgaben
verwendet. Differenzdrucksensoren dienen zum Vergleich von Drücken, die
in zwei voneinander getrennten Räumen
oder Medien herrschen. Bei den Messmedien kann es sich um Flüssigkeiten,
Gase oder auch Dämpfe
handeln.
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Eine
typische Anwendung von mikromechanischen Differenzdrucksensoren
in der Kfz-Technik besteht im Vergleich des Abgasdrucks vor und
hinter dem Partikelfilter. Da hierbei sehr hohe Absolutdrücke auftreten
und die Abgase eine aggressive partikelhaltige Messumgebung bilden,
bestehen erhöhte Anforderungen
an die Dynamik und Robustheit des Sensorelements, was seine mikromechanische Struktur
betrifft, aber auch was die Signalerfassung betrifft.
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Eine
Möglichkeit
der Differenzdruckbestimmung besteht darin, die beiden miteinander
zu vergleichenden Messdrücke
mit Hilfe von zwei unabhängigen
Absolutdrucksensoren zu erfassen und dann die Differenz zwischen
den so gewonnenen Messwerten zu bilden. in der Praxis liefert diese
Methode jedoch meist keine hinreichend genauen Ergebnisse. Der Grund
hierfür
liegt in der zu geringen Mess genauigkeit der allgemein zur Verfügung stehenden Absolutdruckmessvorrichtungen,
die insbesondere bei großen
Druckbereichen und/oder hohen Absolutdrücken aber kleinen Differenzdrücken nicht
ausreicht, um die Druckdifferenz hinreichend genau zu bestimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein Sensordesign bzw. eine mikromechanische
Sensorstruktur zur kapazitiven Relativdruckmessung vorgeschlagen,
womit sich auch in aggressiven partikelhaltigen Messumgebungen sehr
kleine Druckdifferenzen bei hohen Absolutdrücken zuverlässig erfassen lassen.
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Dazu
umfasst die Membranstruktur des erfindungsgemäßen Sensorelements zwei parallel
zueinander angeordnete und über
mindestens einen Verbindungssteg steif miteinander verbundene Membranen.
Diese Verbindung bewirkt, dass jede Krafteinwirkung auf eine der
beiden Membranen direkt auf die jeweils andere Membran übertragen
wird. Die erste Membran der Membranstruktur ist von der Vorderseite
des Sensorelements ausgehend mit einem ersten Messdruck beaufschlagbar,
während
die zweite Membran von der Rückseite
des Sensorelements ausgehend mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar
ist. Die feststehende Gegenelektrode des erfindungsgemäßen Sensorelements
ist in dem abgeschlossenen Volumen zwischen den beiden Membranen
der Membranstruktur angeordnet.
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Aufgrund
der zweiseitigen Druckbeaufschlagung der Doppelmembranstruktur des
erfindungsgemäßen Sensorelements
wird die Membranstruktur entsprechend dem zu bestimmenden Differenzdruck ausgelenkt.
Die Sensorstruktur muss hier also nicht für die zu erwartenden Absolutdrücke ausgelegt
werden sondern für
den Druckbereich, in dem sich die Differenz der zu vergleichenden
Messdrücke
bewegt. Deshalb kann die Membranstruktur des erfindungsgemäßen Sensorelements
für Anwendungen,
bei denen dieser Bereich deutlich kleiner ist als der Schwankungsbereich
der einzelnen Messdrücke, vergleichsweise
empfindlich ausgelegt werden. Dies trägt wesentlich zur Genauigkeit
der Messergebnisse bei.
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Wie
bereits erwähnt,
sieht das erfindungsgemäße Sensorkonzept
eine kapazitive Signalerfassung vor. Dabei dient die Doppelmembranstruktur nicht
nur als Träger
für mindestens
eine bewegliche Elektrode. Die Doppelmembranstruktur bildet außerdem einen
mechanischen Schutz für
den Messkondensator, da die mindestens eine feststehende Gegenelektrode
in dem abgeschlossenen Volumen zwischen den beiden Membranen der
Doppelmembranstruktur angeordnet ist. Die im Inneren des abgeschlossenen
Volumens angeordneten Elektroden können insbesondere durch die
Messmedien weder angegriffen noch verschmutzt werden. Deshalb eignet
sich das erfindungsgemäße Sensorelement
besonders gut für
den Einsatz in sogenannten „harsh environment”-Anwendungen.
Aber auch in unaggressiven Messumgebungen trägt die Anordnung der Messelektroden
im Inneren des Hohlraums der Doppelmembranstruktur wesentlich zur
Zuverlässigkeit der
Messergebnisse und zur Lebensdauer des Sensorelements bei.
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Grundsätzlich gibt
es sowohl für
die Realisierung der feststehenden Trägerstruktur mit der mindestens
einen feststehenden Elektrode als auch für die Realisierung der erfindungsgemäßen Doppelmembranstruktur
und die Anordnung der mindestens einen beweglichen Elektrode auf
dieser Membranstruktur verschiedene Möglichkeiten.
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Im
Hinblick auf möglichst
geringe laterale Abmessungen der Sensorstruktur insgesamt erweist
es sich als vorteilhaft, wenn die feststehende Trägerstruktur
zwischen den beiden Membranen der Membranstruktur angeordnet ist.
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Die
mindestens eine auslenkbare Elektrode kann dann in einer ersten
Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements
im Mittelbereich einer Membran der Doppelmembranstruktur ausgebildet
sein. Vorteilhafterweise ist dieser Mittelbereich der Membran versteift,
so dass Membrandeformationen bevorzugt im biegeweichen Randbereich
der Membran auftreten und die Elektrode selbst nicht verformt wird, wenn
die Membranstruktur ausgelenkt wird. Diese Maßnahme trägt zur Minimierung von Offsetfehlern und
zur Vereinfachung der Signalauswertung bei.
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Im
Unterschied dazu umfasst die Doppelmembranstruktur in einer zweiten
Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements
eine Trägerplatte eigens
für die
mindestens eine auslenkbare Elektrode. Diese Trägerplatte ist zwischen den beiden
Membranen angeordnet und über
den mindestens einen Verbindungssteg zwischen den beiden Membranen starr
mit diesen verbunden. Dadurch wird die Trägerplatte zusammen mit der
Membranstruktur relativ zu der feststehenden Trägerstruktur für die mindestens eine
feststehende Elektrode ausgelenkt. Bei dieser Variante können die
beiden Membranen der Membranstruktur ganzflächig dünn und biegeweich ausgelegt
werden, was zur Erhöhung
der Messempfindlichkeit beiträgt,
ohne die Signalauswertung zu erschweren. Membrandeformationen resultieren
hier nämlich ausschließlich in
einer Auslenkung der Trägerplatte mit
der auslenkbare Elektrode nicht aber in einer Deformation dieser
Elektrode.
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Bei
dieser zweiten Variante der erfindungsgemäßen Doppelmembranstruktur kann
die feststehende Trägerstruktur
mit mindestens einer Gegenelektrode, wie voranstehend beschrieben,
zwischen den beiden Membranen der Doppelmembranstruktur angeordnet
sein. Die feststehende Trägerstruktur
mit Gegenelektrode kann sich aber auch seitlich an eine Membran
der Membranstruktur anschließen.
In diesem Fall erstreckt sich der Hohlraum zwischen den beiden Membranen
der Membranstruktur bis unter die feststehende Trägerstruktur
erstreckt. Die Trägerplatte
mit der auslenkbaren Elektrode erstreckt sich dann innerhalb dieses
Hohlraums parallel zur feststehenden Trägerstruktur. Diese Variante
zeichnet sich durch einen besonders einfachen vertikalen Strukturaufbau
aus.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist beiden Membranen
der auslenkbaren Doppelmembranstruktur jeweils mindestens eine auslenkbare
Elektrode zugeordnet, und jeder dieser auslenkbaren Elektroden ist
eine feststehende Gegenelektrode zugeordnet, so dass zur Signalerfassung Differenzkapazitäten gebildet
werden können.
Dadurch lässt
sich sowohl die Empfindlichkeit als auch die Zuverlässigkeit
der Messwerterfassung steigern. In diesem Zusammenhang erweist sich
ein symmetrischer Aufbau der auslenkbaren Membranstruktur mit den
auslenkbaren Elektroden relativ zu der feststehenden Trägerstruktur
mit den feststehenden Elektroden als besonders vorteilhaft bzw.
eine symmetrische Realisierung der auslenkbare Membranstruktur und
der sich anschließenden
feststehenden Trägerstruktur
relativ zur Trägerplatte
für die
auslenkbaren Elektroden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 mehrerer
Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Figuren.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Variante eines
erfindungsgemäßen Sensorelements
mit einem Elektrodenpaar,
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines solchen Sensorelements
mit zwei Elektrodenpaaren,
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Variante eines
erfindungsgemäßen Sensorelements
mit einem Elektrodenpaar,
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines solchen Sensorelements
mit zwei Elektrodenpaaren, und
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5 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Variante eines
erfindungsgemäßen Sensorelements
mit einem Elektrodenpaar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Das
in 1 dargestellte mikromechanische Sensorelement 10 zur
kapazitiven Differenzdruckerfassung umfasst eine Membranstruktur 11,
die erfindungsgemäß in Form
einer Doppelmembran mit zwei parallel zueinander angeordneten Membranen 111 und 112 realisiert
ist. Diese beiden Membranen 111 und 112 sind im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel über drei
Verbindungsstege 113 steif miteinander verbunden, so dass
jede Krafteinwirkung auf eine der beiden Membranen 111 oder 112 direkt
auf die jeweils andere Membran 112 bzw. 111 übertra gen
wird. Die eine Membran 111 der Membranstruktur 11 wird von
der Vorderseite des Sensorelements 10 ausgehend mit einem
ersten Messmedium, d. h. mit einem ersten Messdruck p1, beaufschlagt,
während
die andere Membran 112 von der Rückseite des Sensorelements 10 ausgehend
mit einem zweiten Messmedium, d. h. mit einem zweiten Messdruck
p2, beaufschlagt wird. Auf die Membranstruktur 11 wirkt
also insgesamt die Druckdifferenz Δp = p1 – p2. Die dementsprechend ausgelenkte
Membranstruktur 11 ist hier gestrichelt dargestellt.
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Beim
Sensorelement 10 sind die Mittelbereiche der beiden Membranen 111 und 112 im
Vergleich zum Randbereich verstärkt
und dadurch versteift. Membrandeformationen treten hier bevorzugt
im biegeweichen Randbereich auf. Auf der dem Messmedium abgewandten
Oberfläche
der einen Membran 111 ist eine Elektrode 12 ausgebildet,
die zusammen mit der Membran 111 bzw. der Membranstruktur 11 ausgelenkt
wird. Da diese Elektrode 12 im versteiften Mittelbereich
der Membran 111 angeordnet ist, wird sie dabei nicht deformiert.
Die auslenkbare Elektrode 12 bildet zusammen mit einer
feststehenden Gegenelektrode 13 einen Messkondensator zur
Signalerfassung.
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Die
Gegenelektrode 13 ist auf einer feststehenden Trägerstruktur 14 angeordnet,
die fest mit dem Substrat 1 des Sensorelements 10 verbunden ist
und sich durch das abgeschlossene Volumen 15 zwischen den
beiden Membranen 111 und 112 der Membranstruktur 11 erstreckt.
In der Trägerstruktur 14 sind
Durchgangsöffnungen 141 für die Verbindungsstege 113 ausgebildet,
die eine Auslenkung der Membranstruktur 11 ermöglichen.
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Bei
Auslenkungen der Membranstruktur 11 ändert sich der Abstand zwischen
der Elektrode 12 und der feststehenden Gegenelektrode 13 und
damit die Kapazität
des Messkondensators. Diese Kapazitätsänderung wird als differenzdruckabhängiges Sensorsignal
ausgewertet. Sind die beiden zu vergleichenden Drücke p1 und
p2 gleich Null oder identisch, so ist auch die auf die Membranstruktur 11 wirkende
resultierende Kraft gleich Null. In diesem Fall bleibt der Abstand
zwischen den Elektroden 12 und 13 unverändert. Die
Versteifung des Mittelbereichs der Membran 111 dient der
Minimierung des Offsetfehlers, der durch eine gegenläufige Verformung
der Membran 111 – und
damit der Elektrode 12 – hervorgerufen wird, wenn
sich das Absolutdruckniveau ändert
aber Δp
konstant bleibt.
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2 zeigt
eine symmetrische Variante der in 1 dargestellten
Sensorstruktur, bei der zur Signalerfassung Differenzkapazitäten gebildet
werden. Bei der Membranstruktur 21 des hier dargestellten mikromechanischen
Sensorelements 20 handelt es sich ebenfalls um eine Doppelmembran
mit zwei parallel zueinander angeordneten Membranen 211 und 212,
die über
drei Verbindungsstege 213 steif miteinander verbunden sind.
Auch die Mittelbereiche der beiden Membranen 211 und 212 sind
im Vergleich zu den biegeweichen Randbereichen verstärkt. Die
feststehende Trägerstruktur 24 ist
hier allerdings mittig zwischen den beiden Membranen 211 und 212 im Hohlraum 25 angeordnet
und mit dem Substrat 1 des Sensorelements 20 verbunden.
Wie im Fall des Sensorelements 10 sind in der Trägerstruktur 24 Durchgangsöffnungen 241 für die Verbindungsstege 213 ausgebildet,
um eine Auslenkung der Membranstruktur 21 zu ermöglichen.
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Beim
Sensorelement 20 sind beide Membranen 211 und 212 mit
einer Elektrode 221 bzw. 222 versehen. Diese Elektroden 221 und 222 sind
jeweils im versteiften Mittelbereich in der den Hohlraum 25 begrenzenden
Oberfläche
ausgebildet, so dass sie zusammen mit der Membranstruktur 21 ausgelenkt, aber
nicht deformiert werden. Jeder der beiden Elektroden 221 und 222 ist
eine feststehende Gegenelektrode 231 bzw. 232 auf
der jeweils gegenüberliegenden
Oberfläche
der Trägerstruktur 24 zugeordnet. Um
einen Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden eines Messkondensators,
beispielsweise im Falle einer Überlastsituation,
zu vermeiden, kann die Oberfläche
einer oder auch beider Elektroden mit einer elektrischen Isolationsschicht
versehen sein.
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Wie
im Fall des Sensorelements 10 wird die eine Membran 211 der
Membranstruktur 21 von der Vorderseite des Sensorelements 20 ausgehend
mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagt, während die andere Membran 212 von
der Rückseite
des Sensorelements 20 ausgehend mit einem zweiten Messdruck
p2, beaufschlagt wird, so dass auf die Membranstruktur 21 insgesamt
die Druckdifferenz Δp
= p1 – p2
wirkt.
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Bei
Auslenkungen der Membranstruktur 21 ändern sich die Abstände und
damit auch die Kapazitäten
zwischen den Elektroden 221 und 231 und zwischen
den Elektroden 222 und 232 gegenläufig. Als
differenzdruckabhängiges
Sensorsignal wird hier die Differenz zwischen den beiden Kapazitäten ausgewertet.
Die Rich tung der Druckdifferenz wird anhand des Vorzeichens der
Differenzkapazität
bestimmt.
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Im
Unterschied zu den voranstehend beschriebenen Varianten eines erfindungsgemäßen Sensorelements
zur kapazitiven Differenzdruckerfassung ist die bewegliche Elektrode 32 bei
dem in 3 dargestellten Sensorelements 30 nicht
auf einer der beiden Membranen 311 oder 312 der
Doppelmembranstruktur 31 angeordnet sondern auf einer starren
Trägerplatte 314,
die als Teil der Membranstruktur 31 zusammen mit dieser
ausgelenkt wird. Die beiden Membranen 311 und 312 der
Membranstruktur 31 sind hier ganzflächig dünn und deformierbar ausgebildet
und über
lediglich einen mittig angeordneten Verbindungssteg 313 starr
miteinander verbunden. Die Trägerplatte 314 ist
an diesem Verbindungssteg 313 ausgebildet und erstreckt
sich parallel zu den beiden Membranen 311 und 312 und
parallel zu einer feststehenden Trägerstruktur 34, die
fest mit dem Substrat 1 des Sensorelements 30 verbunden ist
und eine Durchgangsöffnungen 341 für den Verbindungssteg 313 aufweist.
Sowohl die Trägerplatte 314 als
auch die feststehende Trägerstruktur 34 befinden
sich innerhalb des abgeschlossenen Volumen 35 zwischen
den beiden Membranen 311 und 312 der Membranstruktur 31.
Die bewegliche Elektrode 32 ist auf der der Trägerstruktur 34 zugewandten Oberfläche der
Trägerplatte 314 angeordnet
und bildet mit einer Gegenelektrode 33, die sich auf der
gegenüberliegenden
Oberfläche
der feststehenden Trägerstruktur 34 befindet,
einen Messkondensator.
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Wie
bei den voranstehend beschriebenen Sensorelementen 10 und 20 wird
auch im Fall des Sensorelements 30 die eine Membran 311 der
Membranstruktur 31 von der Vorderseite des Sensorelements 30 ausgehend
mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagt, während die andere Membran 312 von der
Rückseite
des Sensorelements 30 ausgehend mit einem zweiten Messdruck
p2 beaufschlagt wird. Die entsprechend der Druckdifferenz Δp = p1 – p2 ausgelenkte
Membranstruktur 31 ist hier gestrichelt dargestellt. Aufgrund
der Auslenkungen der Membranstruktur 31 ändert sich
der Abstand zwischen der Trägerplatte 314 und
der feststehenden Trägerstruktur 34 bzw.
der Abstand zwischen der Elektrode 32 und der feststehenden
Gegenelektrode 33 und damit die Kapazität des Messkondensators. Diese
Kapazitätsänderung
wird als differenzdruckabhängiges Sensorsignal
ausgewertet.
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4 zeigt
eine symmetrische Variante der in 3 dargestellten
Sensorstruktur, d. h. ein Sensorelement 40 mit einer symmetrisch
zur feststehenden Trägerstruktur 44 aufgebauten
Doppelmembranstruktur 41. Die beiden Membranen 411 und 412 der Membranstruktur 41 sind,
wie im Fall des Sensorelements 30 ganzflächig dünn und deformierbar
ausgebildet und über
lediglich einen mittig angeordneten Verbindungssteg 413 starr
miteinander verbunden. Jedoch umfasst die Membranstruktur 41 des
Sensorelements 40 zwei starre Trägerplatten 4141 und 4142,
die zwischen den beiden Membranen 411 und 412 an
dem einen Verbindungssteg 413 ausgebildet sind. Dementsprechend
werden beide Trägerplatten 4141 und 4142 als
Teil der Membranstruktur 41 zusammen mit dieser ausgelenkt.
Die Trägerplatten 4141 und 4142 befinden
sich innerhalb des Volumens 45 zwischen den beiden Membranen 411 und 412 und
erstrecken sich parallel zu diesen. Mittig zwischen den beiden Trägerplatten 4141 und 4142 und parallel
zu diesen ist die feststehende Trägerstruktur 44 angeordnet,
die fest mit dem Substrat 1 des Sensorelements 40 verbunden
ist und eine Durchgangsöffnungen 441 für den Verbindungssteg 413 aufweist. Das
Sensorelement 40 umfasst zwei bewegliche Elektroden 421 und 422,
die jeweils auf der der Trägerstruktur 44 zugewandten
Oberfläche
der Trägerplatte 4141 bzw. 4142 ausgebildet
ist. Den beiden beweglichen Elektroden 421 und 422 ist
jeweils eine Gegenelektrode 431 bzw. 432 auf der
gegenüberliegenden
Oberfläche
der Trägerstruktur 44 zugeordnet.
Die Signalerfassung erfolgt hier, wie im Fall des Sensorelements 20,
durch Bildung von Differenzkapazitäten.
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Wie
im Fall des Sensorelements 30 ist die bewegliche Elektrode 52 des
in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Sensorelements 50 auf
einer starren Trägerplatte 514 zwischen
den beiden Membranen 511 und 512 der Doppelmembranstruktur 51 angeordnet.
Diese Trägerplatte 514 ist über den
mittig angeordneten starren Verbindungssteg 513 fest mit
den beiden Membranen 511 und 512 verbunden, so
dass sie als Teil der Membranstruktur 51 zusammen mit dieser
ausgelenkt wird.
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Im
Unterschied zu den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
erstreckt sich der Hohlraum 55 des Sensorelements 50 seitlich über den
Membranbereich hinaus, bis unter eine feststehende Trägerstruktur 54 für eine feststehende
Gegenelektrode 53. Die feststehende Trägerstruktur 54 schließt sich
hier also seitlich an die Membran 511 an, so dass die Membran 511 von
der Trägerstruktur 54 umgeben
ist. Zur Versteifung der Trägerstruktur 54 ist
diese über Stützsäulen 542 mit
dem Substrat 1 des Bauelements 50 verbunden. Die
Gegenelektrode 53 ist in der dem Hohlraum 55 zugewandten
Oberfläche
der Trägerstruktur 54 ausgebildet
und ist so gegen Umwelteinflüsse
geschützt.
In der Trägerplatte 514 für die auslenkbare
Elektrode 52 sind Durchgangsöffnungen 515 für die Stützsäulen 542 ausgebildet.
Sie erstreckt sich parallel zu den Membranen 511 und 512 und
zur feststehenden Trägerstruktur 54 durch
den Hohlraum 55, so dass die auslenkbare Elektrode 52 und
die feststehende Gegenelektrode 53 einander gegenüber angeordnet
sind und einen Messkondensator bilden. Die Druckbeaufschlagung und
Signalerfassung erfolgt wie bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass sich auch die in 5 dargestellte
Variante eines erfindungsgemäßen Sensorelements
mit einem symmetrischen Aufbau und zwei Elektrodenpaaren realisieren
lässt.
In diesem Fall wären
die auslenkbare Membranstruktur, die feststehende Trägerstruktur
und die Anordnung der auslenkbaren und feststehenden Elektroden
symmetrisch zur Trägerplatte
für die
auslenkbaren Elektroden.