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Die Erfindung betrifft einen kapazitiver Differenzdrucksensor.
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Die Entwicklung von Druckaufnehmern mit elektrischem Ausgangssignal (Drucksensoren) haben für die elektrische Messwerterfassung und Messwertverarbeitung eine sehr große Bedeutung, weil elektrische Messsignale direkt in nachgeschalteten Messwertverarbeitungseinheiten zur Messwerterfassung oder Steuerung bzw. Regelung von technischen und nichttechnischen Prozessen benutzt werden können.
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So sind insbesondere miniaturisierte Drucksensoren bekannt, bei denen die Dehnung einer druckbeaufschlagten einkristallinen Siliciummembran mittels integrierter Dehnungsmessstreifen gemessen wird, die in die Membran mittels dotierter Abschnitte eingebracht werden (z. B.
DE 25 41 944 C3 ). Derartige miniaturisierte Drucksensoren können als Differenzdrucksensoren ausgeführt sein (z. B.
DE 31 48 403 C2 ) und sollen eine hohe Belastbarkeit aufweisen sowie eine kleine Zeitkonstante für den Druckausgleich zwischen der Umgebung und der Druckkammer oder zwischen zwei Druckkammern. Drucksensoren, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften bestehen, besitzen oftmals ein zeitvariantes Verhalten. Ideale Messmittel zeigen zeitinvariantes Verhalten, woraus sich eine stabile Kennlinie ableitet. Doch die in die einkristalline Siliciummembran integrierten Dehnungsmessstreifen selbst verschlechtern die messtechnischen Eigenschaften der einkristallinen Struktur. Für die Erreichung einer hohen Messempfindlichkeit werden die integrierten Dehnungsmessstreifen als hoch dotierte Zonen ausgeführt, was nur mit Ionenimplantation ermöglicht werden kann. Durch dieses Verfahren sind Strahlenschäden unvermeidlich. In einem nachfolgenden Prozessschritt wird durch Tempern zwar eine Rekristallisation erzielt, die aber im Wesentlichen das Ziel beinhaltet, die Dotierstoffe auf elektrisch aktive Gitterplätze zu bringen. Störungen im Kristallgefüge, weil Dotierstoffe und Siliciumatome noch auf Zwischengitterplätzen verbleiben, können dadurch nicht vollständig verhindert werden. Unter der Einwirkung mechanischer Spannung kommt es dadurch zur Injektion von Versetzungen und zu der damit verbunden Konsequenz einer zeitvarianten Federkonstante. Ein erheblicher Nachteil derartiger Sensoren besteht auch darin, dass sie sich infolge des nichtlinearen thermischen Verhaltens nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich sinnvoll einsetzen lassen.
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Kapazitive Druckaufnehmer, auch in einer differentiellen Anordnung, sind aus der Literatur hinreichend bekannt. So ist z. B. in Profos/Pfeifer: Handbuch der industriellen Messtechnik, 5. Aufl. München ein Membrandruckgeber mit kapazitivem Abgriff (Baratron) beschrieben, der als prinzipieller Aufbau einer kapazitiven Messanordnung zu sehen ist. Anordnungen differentieller Drucksensoren werden auch in Prudenziati: Thick Film Sensors. Hrsg. Middelhoek, Simon: Handbook of Sensors and Actuators. Elsevier Science B. V., 1994 beschrieben, die in Dickschichttechnik realisiert wurden.
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In der
DE 103 24 960 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors beschrieben, das vornehmlich auf die Herstellung in einem halbleitertechnologischen Herstellungsprozess abzielt. Die Vorteile der Herstellung eines derartigen Drucksensors in der Umgebung in einer Halbleiterfertigung sind augenscheinlich. Hohe Stückzahlen in einem durchgängigen Fertigungsprozess, der nur noch durch das Packaging kostengünstig ergänzt werden muss, führen bei solchen Sensoren zu einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Nachteilig bei dieser kapazitiven Anordnung zur Druckmessung ist die im Substrat eingelassene (integrierte) elektronische Signalverarbeitung, auch wenn das explizit so direkt nicht benannt wird. Dennoch ist in irgendeiner Weise eine elektrische Schaltung vorgesehen, die die Kapazität erfasst oder auswertet, was wiederum eine Einschränkung im Einsatztemperaturbereich nach sich zieht. Über die Verwendung von Opferschichten wird die die Messgröße wandelnde Membran abgeschieden und als Kavität herausgelöst. Damit ist die Eigenschaft des als Membran abgeschiedenen Materials bestimmend für die messtechnischen Eigenschaften des Drucksensors. Eine einkristalline Struktur kann in dieser technologischen Abfolge nicht erwartet werden.
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Eine unterschiedliche Materialwahl ist auch für den kapazitiven Differenzdrucksensor gemäß
DE 42 07 950 C1 charakteristisch, bei dem eine aus einkristallinem Silicium bestehende Membran zwischen zwei Trägerplatten aus Borsilikatglas eingespannt ist. Dieser Nachteil trifft auch auf die kapazitiven Differenzdrucksensoren gemäß
DE 101 30 372 B4 und
DE 42 07 952 C1 zu, die eine druckbeaufschlagte Siliciummembran aufweisen, die zwischen zwei Glas-Trägerplatten so eingespannt ist, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membran eine Druckmesskammer bildet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen mechanisch und thermisch hoch belastbaren kapazitiven Differenzdrucksensor zu schaffen, der in einem halbleitertechnologischen Fertigungsprozess herstellbar ist und sowohl eine große Messempfindlichkeit als auch eine hohe Messdynamik und ein weitgehend zeitinvariantes Verhalten bei der Messgrößenwandlung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen kapazitiven Differenzdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die geforderte hohe Messdynamik bei der Messgrößenwandlung (Druckänderung in eine Kapazitätsänderung) und eine große Messempfindlichkeit werden bei der erfindungsgemäßen Lösung mittels der radialen Anordnung mehrerer Druckeinlassöffnungen im Bereich der geringsten Deformation der Membran infolge des Messdrucks erzielt, was äquivalent mit der Druckeinleitung im Bereich der geringsten Änderung des elektrischen Feldes der Kondensatoranordnung ist. Dieser Bereich ist insbesondere der Einspannbereich der Siliciummembran.
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Im Vergleich zur Erfindung sind gängige Druckeinleitungen als eine einzelne zentrische Bohrung ausgeführt, wodurch die Messempfindlichkeit derartiger Differenzdrucksensoren merklich verringert, weil die zentrische Bohrung die Fläche der miniaturisierten Elektroden merklich in dem Bereich verringert, in dem die Änderung der im Kondensator erfassten Deformation am größten ist. Dies verringert die Messempfindlichkeit deutlich. Eine kleinere Bohrung könnte hier zwar zu einer Verbesserung der Messempfindlichkeit führen, aber dadurch würde sich das dynamische Verhalten des Drucksensors nachhaltig verschlechtern.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung resultiert daraus, dass die Membran und die Elektrodenträger aus einkristallinem, hochreinem und versetzungsfreiem Silicium bestehen und monolithisch gefügt sind. Diese Maßnahme gewährleistet einen großen Einsatztemperaturbereich und eine hohe zeitliche Konstanz der mechanischen Eigenschaften des kapazitiven Differenzdrucksensors.
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Die Erfindung soll einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, ohne jedoch die Vielzahl möglicher Ausführungsformen auch nur näherungsweise vollständig darzustellen. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
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1: schematische Schnittdarstellung des kapazitiven Differenzdrucksensors
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2: Details der radialen Anordnung der Druckeinlässe und Funktionsweise des Druckeinlasses mit Druckabdichtung
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3: Anwendung des kapazitiven Differenzdrucksensors für die Messung eines Differenzdrucks zweier Druckkammern
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4: schematische Schnittdarstellung des kapazitiven Differenzdrucksensors mit zurückgesetzten Metallelektroden und nicht strukturierter Siliciummembran
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5: kapazitiver Differenzdrucksensor nach 4 mit kapazitiver Signalauskopplung
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6: schematisierte Auswerteschaltung mit komplexer Messbrückenschaltung
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Die 1 zeigt den kapazitiven Differenzdrucksensor zur Messung von Drücken bzw. Differenzdrücken. Der Sensor enthält eine Membran aus einkristallinem, hochreinem und praktisch versetzungsfreiem Silicium, das keine sogenannten elastischen Nachwirkungen besitzt, die zu einem zeitvarianten Verhalten eines Drucksensors führen würde.
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Die Siliciummembran ist so dimensioniert, dass sie bei einer Druckeinwirkung durchgebogen wird. Entsprechende der anliegenden Druckdifferenz wird sie in Richtung einer der fest stehenden Metallelektroden verformt, wodurch sich die Kapazität des einen Kondensators erhöht, während sich im gleichen Maße die Kapazität des anderen erniedrigt.
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In der in 1 dargestellten Art der Druckänderung bewirkt +p eine Verringerung der Kapazität während auf der anderen Seite ein geringerer Druck –p eine Erhöhung der Kapazität bewirkt. Im Einzelnen besteht der Differenzdrucksensor aus einem oberen Elektrodenträger 1, auf dem sich eine leitfähige und gegen den Elektrodenträger 1 isolierte Metallelektrode befindet und einer Siliciummembran, die ebenfalls leitfähig ausgeführt ist. Der untere Elektrodenträger 2 besitzt in gleicher Weise eine isoliert ausgeführte leitfähige Metallelektrode. Der Elektrodenträger 1 als auch der Elektrodenträger 2 werden in einem Prozessschritt auf den Verbindungsflächen monolithisch mit der Siliciummembran verbunden. Die Kontaktierung der Metallelektroden wird isoliert durch die Elektrodenträger 1 bzw. 2 geführt.
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Es sind neben der kreisförmigen Siliciummembran auch andere Geometrien von möglich, wie z. B. rechteckige, quadratische oder dreieckige Ausführungen. Dann sind die Durchbrüche für den Druckeinlass über dem Bereich der Siliciummembran zu positionieren, in dem ihre geringste Verformung bzw. die geringste Feldverschiebung entsteht.
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Dadurch, dass die Elektrodenträger ebenfalls leitfähig ausgeführt werden, wird auf die Kondensatoranordnung –C(+p) und +C(–p) eine abschirmende Wirkung vor elektrischen Feldern erreicht.
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Wie 1 zeigt, erfolgt als wesentliche erfindungsgemäße Maßnahme die Druckeinleitung in die zwei Messkammern des Differenzdrucksensors in dem Bereich der Siliciummembran, der die geringste Verformung infolge der Druckeinwirkung erfährt.
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In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das der Randbereich der Siliciummembran.
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Gemäß 2 erfolgt die Druckeinleitung über einen randgedichteten Druckeinlass. Die der Druckeinleitung auf die Siliciummembran dienenden Bohrungen sind radial im Randbereich der Siliciummembran angeordnet. Gegenüber einer einzelnen zentrischen Druckeinleitung kann durch die radiale Anordnung mehrerer Druckeinleitungskanäle, z. B. 16 Druckeinleitungskanäle, ein deutlich größerer Volumendurchfluss realisiert werden, wodurch das dynamische Verhalten des Drucksensors wesentlich verbessert wird. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass nach dem monolithischen Fügen der Elektrodenträger 1 und 2 mit der Siliciummembran die Herstellung des Differenzdrucksensors mit der Kontaktierung abgeschlossen ist. Der Differenzdrucksensor kann direkt in eine Einrichtung zu Druckmessung eingebaut werden, wie sie exemplarisch die 3 zeigt. Hier ist der Differenzdruck zwischen den beiden Druckkammern 1 und 2 zu messen. Der Differenzdrucksensor wird über Dichtungsringe (O-Ring) druckdicht zwischen den beiden Druckkammern bzw. Zuleitungen angeordnet.
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Die Ausführung des Differenzdrucksensors kann sehr günstig den technologischen Fertigungsbedingungen angepasst werden. So zeigt 4, dass die durch den einwirkenden Druck veränderliche Kapazität auch durch eine zurückgesetzte Metallelektrode erreicht werden kann. Dadurch entfällt die beidseitige Strukturierung der Siliciummembran (1), womit sich ein wesentlicher technologischer Vorteil in der Herstellung des Differenzdrucksensors ergibt. Indem gemäß 1 die durch die Druckeinwirkung verformbare Siliciummembran nun durchgängig mit konstanter Dicke ausgeführt ist, kann sie bei Bedarf in wenigen technologischen Schritten mit einer Isolationsschicht überzogen werden. Dies verhindert bei Überlastdruck einen Kurzschluss in den Messkondensatoren. Die Kontaktierung erfolgt auch hier durch eine isolierte Durchkontaktierung.
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5 zeigt eine weitere Möglichkeit, um die den Differenzdruck messenden Kondensatoren anzuschließen. Dabei wird die Verbindung kapazitiv ausgeführt, wodurch sich ein weiterer technologischer Vorteil ergibt. Die technisch aufwendige Durchkontaktierung der Elektrodenträger 1 und 2 kann entfallen. Das ist besonders bei mechanisch hochwertigen Materialien, wie z. B. bei Silicium der Fall.
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6 zeigt die zugehörige Auswerteschaltung, um das Differenzdrucksignal in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln. Grundlage dafür ist eine komplexe Messbrückenschaltung (komplexe Wheatstonesche Brücke). Maßgeblich in der Verschaltung des Differenzdrucksensors ist, dass der auf der Siliciummembran angeordnete Masseanschluss in der weiteren Verdrahtung als Sternpunkt geführt wird. Ein Anschluss des Ausgangssignals UD ist mit der Siliciummembran verbunden, sodass der elektrische Signalabgriff sich auf das Bezugspotenzial (Masseanschluss) bezieht. Weil die Elektrodenträger auch leitfähig ausgeführt sind, wird der Differenzdrucksensor gegen äußere elektrische Felder abgeschirmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Masseanschluss
- 2
- Siliciummembran (leitfähig)
- 3
- Elektrodenträger 1
- 4
- Elektrodenträger 2
- 5
- Metallelektrode
- 6
- Verbindungsflächen
- 7
- Isolationsschicht
- 8
- Druckeinlass
- 9
- Druckabdichtung
- 10
- Differenzdrucksensor
- 11
- Druckkammer 1
- 12
- Druckkammer 2
- 13
- Anschlussleitung
- R0
- ohmscher Widerstand
- U
- Wechselspannungsquelle
- UD
- Signalwechselspannung
- +p
- positive Druckänderung
- –p
- negative Druckänderung
- +C(+p)
- Kapazität infolge positiver Druckänderung
- -C(–p)
- Kapazität infolge negativer Druckänderung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2541944 C3 [0003]
- DE 3148403 C2 [0003]
- DE 10324960 A1 [0005]
- DE 4207950 C1 [0006]
- DE 10130372 B4 [0006]
- DE 4207952 C1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Thick Film Sensors. Hrsg. Middelhoek, Simon: Handbook of Sensors and Actuators. Elsevier Science B. V., 1994 [0004]
