DE102009046692A1 - Pressure e.g. absolute pressure, measuring device for industrial measurement engineering, has disks covering recess, and semiconductor pressure sensor attached on disks and comprising membrane carrier and measuring membrane - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem Sockel in einem Gehäuse montierten Halbleiter-Drucksensor.The invention relates to a pressure-measuring device with a mounted on a base in a housing semiconductor pressure sensor.
Druck-Messeinrichtungen dienen zur Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik verwendet.Pressure measuring devices are used to detect pressures, in particular of absolute pressures, relative pressures and differential pressures, and are used in industrial measurement technology.
In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Drucksensoren eingesetzt. Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt. Sie werden als Drucksensor-Chip ausgebildet, der typischer Weise einen Träger und eine auf einem Träger angeordnete Messmembran aufweist. Im Messbetrieb wird ein erster Druck einer ersten Seite der Messmembran zugeführt.In pressure measurement, so-called semiconductor pressure sensors are often used. Semiconductor sensors are now regularly based on silicon, z. B. using silicon-on-insulator (SOI) technology. They are designed as a pressure sensor chip, which typically has a carrier and a measuring diaphragm arranged on a carrier. In measuring mode, a first pressure is supplied to a first side of the measuring diaphragm.
Zur Erfassung von Differenzdrücken wird einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Messmembran ein zweiter Druck zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For detecting differential pressures, a second pressure is supplied to a second side of the measuring diaphragm opposite the first side. The existing pressure difference between the first and the second pressure causes a dependent of the differential pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.
Zur Erfassung von Relativdrücken wird der zweiten Seite der Messmembran ein Referenzdruck, z. B. ein Umgebungsdruck, zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem Referenzdruck bewirkt eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For detecting relative pressures of the second side of the measuring membrane is a reference pressure, for. B. an ambient pressure fed. The existing pressure difference between the first pressure and the reference pressure causes a dependent of the relative pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.
Zur Erfassung von Absolutdrücken ist unter der Messmembran auf deren von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite regelmäßig eine abgeschlossene evakuierte Kammer vorgesehen. Damit bewirkt der auf die erste Seite der Messmembran einwirkende erste Druck eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For the detection of absolute pressures, a closed evacuated chamber is regularly provided under the measuring diaphragm on its second side remote from the first side. Thus, the first pressure acting on the first side of the measuring diaphragm causes a deflection of the measuring diaphragm which is dependent on the absolute pressure to be measured.
Die resultierende Auslenkung der Messmembran wird in allen drei Fällen über auf der Messmembran angeordnete Sensorelemente, z. B. piezoresistive Widerstände, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, dass dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.The resulting deflection of the measuring membrane is in all three cases arranged on the measuring membrane sensor elements, for. As piezoresistive resistors detected and converted into an electrical output signal that is then available for further processing and / or evaluation.
Halbleiter-Drucksensoren sind sehr empfindlich und werden deshalb in ein Gehäuse eingesetzt, über das die Zufuhr der jeweiligen Drücke, die Ausgabe des Messergebnisses und die Montage der Druck-Messeinrichtung am Messort erfolgt.Semiconductor pressure sensors are very sensitive and are therefore used in a housing, via which the supply of the respective pressures, the output of the measurement result and the installation of the pressure measuring device takes place at the measuring location.
Dabei wird der Halbleiter-Drucksensor beispielsweise auf einen im Gehäuse befindlichen Sockel derart montiert, dass eine vom Sockel abgewandte erste Seite der Messmembran in eine erste im Gehäuse befindliche Messkammer weist, der der erste Druck zugeführt ist. Bei Differenz- bzw. Relativdrucksensoren wird zusätzlich der zweite Druck bzw. der Referenzdruck der zweiten Seite der Messmembran über eine im inneren des Sockels verlaufende Bohrung zugeführt, die in einer unter der Messmembran von dem Messmembranträger eingeschlossenen zweiten Messkammer mündet. Bei Absolutdruck-Messeinrichtungen ist die unter der Messmembran befindliche Kammer abgeschlossen und evakuiert. Die Zufuhr des ersten und des zweiten Drucks erfolgt beispielsweise über in das Gehäuse integrierte oder diesem vorgeschaltete mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckmittler. Die Zufuhr des Referenzdrucks erfolgt beispielsweise über eine in das Gehäuse integrierte Referenzdruckzufuhr.In this case, the semiconductor pressure sensor is mounted, for example, on a socket located in the housing in such a way that a side facing away from the base first side of the measuring membrane has in a first housing located in the measuring chamber to which the first pressure is supplied. In differential or relative pressure sensors, the second pressure or the reference pressure of the second side of the measuring diaphragm is additionally supplied via a bore extending in the interior of the base, which opens into a second measuring chamber enclosed by the measuring diaphragm carrier under the measuring diaphragm. For absolute pressure measuring devices, the chamber located under the measuring diaphragm is closed and evacuated. The supply of the first and the second pressure takes place for example via integrated into the housing or upstream of this filled with a pressure-transmitting liquid diaphragm seal. The reference pressure is supplied, for example, via a reference pressure supply integrated in the housing.
Der Sockel ist beispielsweise ein zylindrisches Ansatzstück oder ein Podest, das als integraler Bestandteil des Gehäuses oder als ein separates im Gehäuse befestigtes Bauteil ausgebildet ist.The base is for example a cylindrical extension piece or a pedestal, which is formed as an integral part of the housing or as a separate housing-mounted component.
Um eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten bestehen Gehäuse und Sockel aus einem mechanisch stabilen Werkstoff, insb. aus Metall.In order to ensure sufficiently high mechanical stability, the housing and socket are made of a mechanically stable material, in particular of metal.
Sockel und Halbleiter-Drucksensor bestehen damit zwangsläufig aus verschiedenen Materialien, die sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften, insb. unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor können daher mechanische Spannungen auftreten, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken, und damit die erzielbare Messgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für temperatur-abhängige Spannungen. Werden für die mechanischen Verbindungen Klebungen eingesetzt, so können zusätzlich auch von der Feuchtigkeit im Bereich der Klebung abhängige Veränderungen der Eigenschaften der Klebung zu Spannungen führen.Socket and semiconductor pressure sensor inevitably consist of different materials that have very different physical properties, esp. Different thermal expansion coefficients. Due to the mechanical connection between the base and the semiconductor pressure sensor, therefore, mechanical stresses can occur which have an effect on the transmission behavior of the measuring diaphragm and thus impair the achievable measuring accuracy and its reproducibility. This applies esp. For temperature-dependent voltages. If adhesions are used for the mechanical connections, then changes in the properties of the bond dependent on the moisture in the area of the bond can also lead to tensions.
Zur Reduzierung der auftretenden Spannungen ist üblicher Weise zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor ein Zwischenstück eingefügt, das aus dem gleichen Material besteht, wie der Halbleiter-Drucksensor. Auch dann treten jedoch noch durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sockel und Zwischenstück verursachte, insb. temperatur-abhängige, mechanische Verspannungen auf, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken.In order to reduce the occurring voltages, an intermediate piece, which consists of the same material as the semiconductor pressure sensor, is usually inserted between the base and the semiconductor pressure sensor. However, even then occur due to the different thermal expansion coefficients of base and adapter caused, esp. Temperature-dependent, mechanical stresses that affect the transmission behavior of the measuring diaphragm.
In der
Diese Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass der Halbleiter-Drucksensor gegenüber dem Sockel nicht vollständig elektrisch isoliert ist, da der Träger aus einem Halbleiter besteht und unmittelbar zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor eingesetzt ist. Dies birgt die Gefahr, dass elektrische Störeinflüsse aus der Umgebung über das Gehäuse, den Sockel und den Träger auf den Halbleiter-Drucksensor übertragen werden können und zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Halbleiter-Drucksensors führen können. Um dies zu vermeiden, ist in der
In der
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem Sockel montierten Halbleiter-Drucksensor anzugeben, bei dem der Halbleiter-Drucksensor elektrisch gegenüber dem Sockel isoliert und vor mechanischen Verspannungen geschützt ist.It is an object of the invention to provide a pressure measuring device with a mounted on a base semiconductor pressure sensor in which the semiconductor pressure sensor is electrically isolated from the base and protected from mechanical stresses.
Hierzu besteht die Erfindung in einer Druck-Messeinrichtung, mit
- – einem Gehäuse
- – einem auf einem Boden des Gehäuses montiertem Sockel,
- – einem auf dem Sockel montierten außenseitlich über den Sockel hinausragenden Träger aus einem Halbleiter,
- – der auf dessen vom Sockel abgewandten ersten Stirnseite eine topfförmige Ausnehmung aufweist,
- – einer auf der ersten Stirnseite des Trägers aufgebrachten die Ausnehmung überdeckenden Scheibe aus einem elektrischen Isolator, und
- – einem auf der Scheibe aufgebrachten Halbleiter-Drucksensor mit
- – einem Membranträger und einer Messmembran.
- - a housing
- A pedestal mounted on a bottom of the housing,
- A support of a semiconductor mounted on the base and projecting beyond the socket on the outside,
- - Which has a cup-shaped recess on its first end face facing away from the base,
- - An applied on the first end side of the carrier, the recess overlapping disc of an electrical insulator, and
- - A mounted on the disc semiconductor pressure sensor with
- - A membrane carrier and a measuring membrane.
Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist in einem äußeren Rand des Bodens der topfförmigen Ausnehmung des Trägers eine außenseitlich umlaufende Nut vorgesehen.According to a first embodiment of the invention, an outer circumferential groove is provided in an outer edge of the bottom of the cup-shaped recess of the carrier.
Gemäß einer zweiten Weiterbildung ist auf einem äußeren über den Sockel hinaus ragenden frei liegenden Rand einer dem Sockel zugewandten der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Trägers eine außenseitlich umlaufende Nut vorgesehen.According to a second development, an outer circumferential groove is provided on an outer edge projecting beyond the base of a second end face of the carrier facing the base of the first end face facing the base.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen der Träger und der Halbleiter-Drucksensor die gleiche Dicke auf, und der Träger und der Halbleiter-Drucksensor bestehen aus dem gleichen Halbleiter, insb. aus Silizium.According to a preferred embodiment, the carrier and the semiconductor pressure sensor have the same thickness, and the carrier and the semiconductor pressure sensor consist of the same semiconductor, esp. Of silicon.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht zwischen dem Sockel und dem Träger eine mechanisch feste Verbindung, insb. eine Klebung oder eine Lötverbindung.According to a further embodiment, there is a mechanically fixed connection between the base and the carrier, in particular an adhesive bond or a solder connection.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht der Sockel aus Metall oder aus Keramik.According to a further embodiment, the base made of metal or ceramic.
Gemäß einer Weiterbildung besteht die Scheibe aus Glas und ist mit dem Träger und dem Halbleiter-Drucksensor jeweils über eine anodische Bondung verbunden.According to a development, the disk consists of glass and is connected to the carrier and the semiconductor pressure sensor in each case via an anodic bonding.
Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Differenzdrücken oder Relativdrücken, bei der
- – in der Scheibe, im Träger, und im Sockel jeweils eine mittig angeordnete parallel zu deren Längsachse verlaufende durchgängige Bohrung vorgesehen ist, und
- – die Bohrungen zusammen eine Druckzufuhrleitung bilden, die in einer unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer mündet.
- - In the disc, in the carrier, and in the base in each case a centrally disposed parallel to the longitudinal axis extending through bore is provided, and
- - The holes together form a pressure supply line, which opens into a trapped under the measuring diaphragm pressure measuring chamber.
Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken, bei der eine unter der Messmembran eingeschlossene Druckmesskammer nach außen durch die Scheibe vollständig abgeschlossen und evakuiert ist.Furthermore, the invention comprises a pressure measuring device according to the invention for detecting absolute pressures, in which a pressure measuring chamber enclosed under the measuring diaphragm is completely closed and evacuated outwards through the disk.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung besteht darin, dass der Halbleiter-Drucksensor durch den Träger und dessen Ausnehmung vor mechanischen Belastungen geschützt ist. Mechanische Verspannungen, die durch die Verbindung zwischen dem Sockel und dem Träger verursacht werden, haben damit praktisch keine Auswirkungen mehr auf das Übertragungsverhalten und die Messeigenschaften der Messmembran. Dies gilt sowohl für Spannungen, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sockel und Träger entstehen, als auch für Verspannungen, die durch Veränderungen der Verbindung zwischen Sockel und Träger entstehen, wie z. B. durch Feuchtigkeit veränderte Eigenschaften einer Klebung. Dementsprechend ist die erzielbare Messgenauigkeit mit einer hohen Langzeitstabilität und großer Reproduzierbarkeit gewährleistet.A significant advantage of the pressure-measuring device according to the invention is that the semiconductor pressure sensor is protected by the carrier and the recess from mechanical stresses. Mechanical stresses caused by the connection between the base and the carrier have virtually no effect on the transmission behavior and the measuring properties of the measuring diaphragm. This applies both to stresses that arise due to the different thermal expansion coefficients of base and carrier, as well as for stresses that arise through changes in the connection between base and carrier, such. B. moisture-modified properties of a bond. Accordingly, the achievable measurement accuracy is ensured with a high long-term stability and high reproducibility.
Gleichzeitig bewirkt die Scheibe eine elektrische Isolation des Halbleiter-Drucksensors gegenüber dem Sockel. Da die Scheibe erfindungsgemäß sandwichartig zwischen dem Halbleiter-Drucksensor und dem vorzugsweise aus dem gleichen Halbleiter bestehenden Träger gelagert ist, werden nachteilige Auswirkungen der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Isolators, aus dem die Scheibe besteht, und des Halbleiters des Halbleiter-Drucksensors weitgehend vermieden. Dabei wird durch die hohe Symmetrie dieses Aufbaus eine weitgehende Spannungsfreiheit des Systems erzielt, die zusätzlich durch die durch die Ausnehmung im Träger bewirkte Entkopplung dieses Systems gegenüber dem Sockel unterstützt wird. Wird beispielsweise Glas als Isolator verwendet, so bietet dieser Aufbau den weiteren Vorteil, dass Halbleiter-Drucksensor, Glassscheibe und Träger nun ohne Rücksicht auf das Material des Sockels durch anodisches Bonden miteinander Verbunden werden können.At the same time, the disk effects an electrical insulation of the semiconductor pressure sensor relative to the base. Since the disc according to the invention is sandwiched between the semiconductor pressure sensor and the preferably made of the same semiconductor carrier, adverse effects of the different physical properties of the insulator, which consists of the disc, and the semiconductor of the semiconductor pressure sensor are largely avoided. The high symmetry of this construction, a substantial absence of voltage of the system is achieved, which is additionally supported by the effected by the recess in the carrier decoupling of this system relative to the base. If, for example, glass is used as the insulator, this design offers the further advantage that the semiconductor pressure sensor, glass pane and carrier can now be connected to one another without regard to the material of the base by anodic bonding.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.
Beide Varianten umfassen ein hier nur Ausschnittweise dargestelltes Gehäuse
Zur Erfassung von Absolutdrücken eignet sich als Sockel
Auf dem Sockel
Der Träger
Er ist im wesentlichen scheibenförmig und weist auf dessen vom Sockel
Das zentrale Element der Druck-Messeinrichtung bildet ein Halbleiter-Drucksensor
Vorzugsweise bestehen der Träger
Träger
Die Scheibe
Über die Scheibe
Glas bietet den Vorteil, dass es insb. durch anodisches Bonden, einfach und kostengünstig mit Halbleitern verbindbar ist. Träger
Der Träger
Die Qualität dieser Entkopplung kann noch weiter verbessert werden, indem in einem äußeren Rand des Bodens der topfförmigen Ausnehmung
Die Grundgeometrie der Anordnung folgt vorzugsweise der durch die Grundfläche des Membranträgers
Um eine möglichst symmetrische Anordnung zu erzielen, weisen der Träger
Bei der in
Im Unterschied hierzu ist der Druckmesskammer
Die Zufuhr dieses zweiten Drucks pR erfolgt vorzugsweise über in der Scheibe
Entsprechend bewirkt hier die zwischen dem Druck p und dem zweiten Druck pR bestehende Druckdifferenz eine vom zu messenden Differenzdruck bzw. vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Gehäusecasing
- 3, 3'3, 3 '
- Sockelbase
- 55
- Trägercarrier
- 77
- Verbindungconnection
- 99
- Ausnehmungrecess
- 11, 11'11, 11 '
- Scheibedisc
- 1313
- Halbleiter-DrucksensorSemiconductor pressure sensor
- 1515
- Membranträgermembrane support
- 1717
- Messmembranmeasuring membrane
- 1919
- Nutgroove
- 2121
- Nutgroove
- 2323
- DruckmesskammerPressure measuring chamber
- 2525
- Sensorelementsensor element
- 2727
- Anschlussleitungconnecting cable
- 2929
- Bohrungdrilling
- 3131
- Bohrungdrilling
- 3333
- Bohrungdrilling
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 3047619 A1 [0016] DE 3047619 A1 [0016]
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