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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor, welcher mit Mitteln zur Bestimmung des am Differenzdrucksensor herrschenden Absolutdrucks ausgerüstet ist. Dies gestattet neben der Ermittlung eines Differenzdrucks zwischen zwei Druckbereichen auch die Bestimmung des am Differenzdrucksensor absolut herrschenden Drucks. Dies gestattet u.a. die Kompensation des durch den Absolutdruck verursachten Fehlers des Differenzdrucksignals, was für viele Anwendungsfälle von Bedeutung ist. Ein gattungsgemäßer Differenzdrucksensor umfasst ein Substrat, in dem ein Hohlraum zur Einleitung eines Mediums ausgebildet ist. Eine dehnungselastische Differenzdruckmembran ist an einem Einspannrand des Substrats angebracht oder einstückig mit dem Substrat ausgebildet, um den Hohlraum zu verschließen, so dass diese Membran auf der einen Seite mit einem ersten Druck und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann und bei einer Druckdifferenz eine Auslenkung erfährt. An der Differenzdruckmembran ist mindestens ein dehnungsempfindliches Sensorelement angeordnet, welches die Auslenkung der Differenzdruckmembran erfasst. Darüber hinaus ist ein Absolutdrucksensor (d.h. ein absolutdrucksensitives Element) zur Bestimmung des auf den Differenzdrucksensor wirkenden Absolutdrucks vorgesehen.
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Ein derartiger Differenzdrucksensor ist in der
DE 41 08 989 C2 als Bestandteil eines integrierten Multisensors mit Signalverarbeitungseinrichtung zum Erfassen eines statischen Druckes und eines Differenzdruckes beschrieben. Bei diesem Multisensor wird ebenfalls eine Membran über einem Hohlraum befestigt, um den Druckunterschied zwischen zwei durch die Membran getrennten Medien mit Hilfe der Membranauslenkung zu bestimmen.
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Darüber hinaus ist ein Sensor zur Bestimmung des statischen Drucks (Absolutdruck) vorgesehen, der eine eigene Membran umfasst, die über einem weiteren Hohlraum angeordnet ist, getrennt von der Membran zur Bestimmung des Differenzdrucks. Diese bekannte Sensoranordnung erfordert einen hohen Herstellungsaufwand und vergrößert den Gesamtaufbau des Multisensors. Der weitere Hohlraum, der unterhalb der Membran des Absolutdrucksensors erforderlich ist, ist im selben Substrat, wie der Hohlraum für die Differenzdruckmembran ausgebildet, was neben der Vergrößerung des Sensors auch zu einer zusätzlichen Instabilität des gesamten Sensoraufbaus führt, worunter die Genauigkeit bei der Differenzdruckbestimmung leidet und was zu einer nicht erwünschten Abhängigkeit vom Absolutdruck führt. Darüber hinaus ist die ausgeformte Absolutdrucksensormembran auf einen bestimmten Absolutdruckbereich ausgelegt. Unterhalb dieses Bereichs ist die Empfindlichkeit gering, darüber sinkt die Genauigkeit. Bei deutlicher Überschreitung besteht die Gefahr der Zerstörung der Absolutdrucksensormembran.
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Aus der
DE 100 62 637 B4 ist ein mikromechanischer Differenzdrucksensor zur Messung einer Druckdifferenz in zwei voneinander getrennten Räumen oder Medien bekannt. Dieser Differenzdrucksensor umfasst ein Substrat mit zumindest einem durch oberflächenmikromechanische Verfahren an einer Hauptoberfläche des Substrats angeordneten Hohlraum, der auf einer Seite von einer beweglichen Membran begrenzt wird. Die bewegliche Membran kann ausgehend von der Hauptoberfläche des Substrats mit einem ersten Druck beaufschlagt werden. Weiterhin ist zumindest eine Öffnung in der Hauptoberfläche des Substrats vorgesehen, die mit einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. In dieser Druckschrift ist auch beschrieben, dass am Substrat eine Auswerteschaltung angeordnet sein kann. Die Druckschrift stellt prinzipiell verwendbare Gestaltungen von Differenzdrucksensoren sowie deren Herstellung durch mikromechanische Verfahren dar. Eine Absolutdruckmessung gestattet der beschriebene Differenzdrucksensor jedoch nicht. Nachteilig an solchen Bauformen ist u.a. die Beeinflussung des Differenzdrucksignals durch die Verformung des Materialverbundes, aus dem der Sensor besteht.
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Die
DE 10 2004 013 305 A1 beschreibt eine inhomogene Sensorschicht, die sich beispielsweise zur Druckmessung eignet. Die Sensorschicht besteht aus eingebetteten elektrisch leitenden Atom- oder Molekülclustern oder Partikeln in Nanometergröße, die sich in statistischer Verteilung in einer chemisch inerten, elektrisch isolierenden Matrix, zum Beispiel aus Aluminiumoxid oder Siliziumoxid befinden. Durch den zwischen den Molekülclustern wirkenden Tunneleffekt ergibt sich ein stark dehnungsabhängiger Widerstand. Wenn auf eine derart aufgebaute Sensorschicht ein Druck einwirkt, ändert sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit vom Druck, so dass dies zur Bestimmung des Absolutdrucks herangezogen werden kann.
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Aus der
EP 1 783 782 A1 ist ein Drucksensor bekannt, der eine Zelle mit einer dehnbaren Fläche besitzt. Auf dieser Fläche sind in Form eines dünnen Films Widerstände aufgebracht, wobei dieser dünne Film aus elektrisch leitfähigen Partikeln innerhalb eines dielektrischen Mediums besteht und eine Dicke von etwa dem Drei- bis Zehnfachen der durchschnittlichen Größe der Partikel besitzt. Auch in diesem Fall resultiert eine Änderung des elektrischen Widerstands der dünnen Schicht, wenn ein Druck auf die dehnbare Fläche einwirkt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Differenzdrucksensor bereitzustellen, der neben einer genauen Differenzdruckbestimmung auch die Ermittlung des am Differenzdrucksensor anliegenden Absolutdrucks ermöglicht, ohne dass der konstruktive Aufbau des Sensors dadurch wesentlich aufwändiger wird oder die Baugröße des Sensors zunimmt.
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Diese Aufgabe wird durch den im beigefügten Anspruch 1 definierten Differenzdrucksensor gelöst. Für den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor ist wesentlich, dass der integrierte Absolutdrucksensor durch eine elektrisch kontaktierte druckempfindliche Schicht gebildet ist, die in Abhängigkeit von dem auf sie wirkenden Absolutdruck mindestens eine ihrer elektrischen Eigenschaften ändert und die in einem bei auftretender Druckdifferenz nicht verformten Bereich des Differenzdrucksensors (einschließlich bei auftretenden Druckdifferenzen nicht verformter Bereiche der Differenzdruckmembran) angebracht ist.
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Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die den Absolutdrucksensor bildende druckempfindliche Schicht unmittelbar am Differenzdrucksensor angeordnet werden kann, so dass deren Baugröße gegenüber der alleinigen Realisierung des Differenzdrucksensors nicht oder nur unwesentlich vergrößert werden muss. Um den Einfluss der Membranbewegung auf den Absolutdrucksensor zu minimieren, ist dieser in einem nicht verformten Bereich angebracht, vorzugsweise an einem Einspannrand des Substrats, möglichst weit entfernt von der eingespannten Membrankante, oder auch im Bereich einer Versteifung der Differenzdruckmembran (Center Boss), welcher bei Druckänderung selbst keine Verformung erfährt.
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Die druckempfindliche Schicht des Absolutdrucksensors ist bevorzugt eine Schicht aus Kohlenstoff, nämlich eine so genannte DLC-Schicht (diamond like carbon = diamantähnlicher Kohlenstoff), in welche nanostrukturierte Metallcluster eingebettet sind. Die Verwendung derartiger DLC-Sensorschichten kann der
DE 10 2004 013 305 A1 ,
DE 199 54 164 A1 und
DE 10 2007 029 683 A1 entnommen werden. Wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist, ändert sich der elektrische Widerstand einer solchen Schicht in Abhängigkeit von dem auf die DLC-Schicht wirkenden Absolutdruck (Tunneleffekt). Diese Widerstandsänderung wird von dem erfindungsgemäßen Sensor zur Bestimmung des herrschenden Absolutdrucks verwendet. Der Absolutdruck kann beispielsweise zur Korrektur des gemessenen Differenzdrucks verwendet werden, da insbesondere bei größeren Drücken eine Verformung des gesamten Sensors auftritt und dadurch von der Differenzdruckmembran und den daran angeordneten Sensoren ein verfälschter Wert für den Differenzdruck zwischen den zu untersuchenden Räumen/Medien bestimmt wird.
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Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die druckempfindliche Schicht des Absolutdrucksensors aus Kohlenstoff mit eingebetteten Nickel-Clustern oder einem anderen Clustermaterial wie z.B. Titan, Wolfram bestehen. Anstelle von Kohlenstoff können andere Matrixmaterialien wie z.B. SiO2, Si3N4 zur Anwendung kommen. Darüber hinaus eignet sich auch Poly-Silizium, das bei geeigneter Dotierung ebenfalls über eine hohe Piezoresistivität verfügt. Die Clusterung entsteht hierbei durch die Korngrenzen zwischen den einzelnen Kristalliten, wodurch ein zu einer Ni-DLC-Schicht vergleichbarer Leitungsmechanismus entsteht (siehe D. Schubert, W. Jentschke, T. Uhlig, F.M. Schmidt: “Piezoresistive properties of polycrystalline and crystalline silicon films”, Sensors & Actuators, Volume 11, S. 145ff., 1987).
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Vorzugsweise besteht die Differenzdruckmembran aus einem Material, in dem sich piezoresistive Widerstände erzeugen lassen, sodass auf dieser Weise das dehnungsempfindliche Sensorelement integraler Bestandteil der Differenzdruckmembran ist. Derartige Membranen besitzen vor allem in höheren Druckbereichen eine nicht vernachlässigbare Empfindlichkeit zum hydrostatischen Umgebungsdruck (Absolutdruck), die für genaue Messwerte kompensiert werden muss. Zu diesem Zweck liefert der in den Sensor integrierte Absolutdrucksensor ein vom hydrostatischen Umgebungsdruck abhängiges Signal.
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Das Substrat des Sensors ist vorzugsweise ein monokristallines Silizium, welches sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften für Sensoranwendungen besonders eignet. Dieses Material zeigt rein elastische Verformungen bei einwirkenden Drücken, so dass Hystereseeffekte weitgehend entfallen. Die mikrosystemtechnischen Herstellungsverfahren für Silizium sind weit ausgereift, so dass die Sensorstrukturen einfach und preiswert herstellbar sind. Außerdem können piezoresistive Widerstände erzeugt werden, so dass die Differenzdruckmembran und die darin integrierten dehnungsempfindlichen Sensoren aus demselben Material wie das Substrat herstellbar sind.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor besteht im einfachsten Fall aus einem Differenzdrucksensorchip mit einer Membran, deren Verformung elektrisch z.B. über piezoresistive Widerstände RΔP+ und RΔP- detektiert wird, und auf welcher sich zusätzlich ein einzelner Widerstand RP aus einer absolutdrucksensitiven Schicht befindet. Der elektrische Widerstand ist dann ein Maß für den an der absolutdrucksensitiven Schicht anliegenden Absolutdruck. Für diese Konfiguration ist gegenüber einem herkömmlichen Differenzdrucksensorchip mit Wheatstonescher Messbrücke nur ein zusätzlicher elektrischer Anschluss zur Auswertung eines absolutdrucksensitiven Widerstands nötig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bilden zwei auf den Absolutdruck empfindliche Widerstände RP1 und RP2 zusammen mit zwei auf den Absolutdruck unempfindlichen Widerständen R1 und R2 eine Wheatstonesche Messbrücke. Dies bietet den Vorteil einer weiter reduzierten Abhängigkeit des Absolutdrucksensors von der Temperatur. Diese Messbrücke kann durch externe Widerstände realisiert werden, oder direkt auf dem Chip integriert sein. In beiden Fällen sind für die Absolutdruck-Messbrücke drei zusätzliche Kontakte notwendig.
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Für die Mikrostrukturierung der auf den Absolutdruck empfindlichen Materialien ist beispielsweise das physikalische Ätzen mit Ionenstrahlen prinzipiell geeignet, welches jedoch aufgrund der hohen Anlagenkosten sehr teuer ist. In Frage kommt ebenso eine strukturierte Abscheidung, bei welcher über dem zu beschichtenden Substrat (z.B. ein Wafer) während der Schichtbildung eine Schattenmaske angeordnet wird. Dieses Verfahren ist sehr einfach durchzuführen, jedoch bestehen Beschränkungen aufgrund der vergleichsweise ungenauen Justierung der Schattenmaske zum Substrat sowie der eingeschränkten Reproduzierbarkeit.
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Schließlich sei als mögliches Strukturierungsverfahren das sogenannte Lift-off-Verfahren erwähnt. Dabei erfolgt die Strukturierung eines Materials auf einer bereits auf dem Substrat befindlichen strukturierten Lift-Schicht, die sich leicht wieder entfernen lässt. Dort wo sich Öffnungen in der Lift-Schicht befinden, lagert sich das Sensormaterial auf dem Substrat ab, ansonsten auf der Lift-Schicht. Nach der Entfernung der Lift-Schicht bleiben nur die Strukturen aus Sensorschichtmaterial auf dem Substrat übrig. Dieses Verfahren ist in die üblichen Halbleiterprozesse vollständig integriert. Die Lift-Schicht kann grundsätzlich entweder aus einem einfach zu lösendem Polymer (z.B. Photolack) oder aus einem leicht zu ätzendem anorganischem Material (z.B. SiO2) bestehen. Photolack ist für die hier bevorzugte Metall-DLC-Schicht jedoch ungeeignet, da er dem Herstellungsprozess der Sensorschicht nicht gewachsen ist.
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Als weitere Möglichkeit zur Herstellung der drucksensitiven Schicht aus leitfähigen Clustern in einer isolierenden Matrix wird auf sogenannte EBID-Schichten (EBID = Electron Beam Induced Deposition) hingewiesen. Diese entstehen, wenn ein energiereicher Strahl (z.B. ein Elektronenstrahl) auf eine Oberfläche trifft und sich in der Gasatmosphäre ein geeignetes Precursor-Gas befindet. Die energiereiche Strahlung verursacht eine chemische Reaktion des Precursor-Gases, die zur Bildung einer Feststoff-Schicht auf der Oberfläche führt (chemical vapour deposition). Mit diesem Verfahren sind gezielt Materialien mit bestimmter Morphologie herstellbar. Metallische Cluster, eingebettet in isolierende Matrix-Materialien sind damit ebenfalls möglich. Abweichend von der oben beschriebenen Technologie werden diese Materialien nicht als vollflächige Schicht, sondern ausschließlich dort abgeschieden, wo der energiereiche Strahl auf die Oberfläche trifft. Eine nachträgliche Strukturierung ist also nicht nötig. Damit ist die Mikrostrukturierbarkeit per se gegeben. Anstelle des Elektronenstrahls können auch Ionenstrahlen verwendet werden (IBID). Es ist auch ein Laser-Strahl analog zum Laser-CVD-Verfahren verwendbar (http://www.uni-ulm.de/ilm/AdvancedMaterials/Presentation/MahananLaserassistedfilmdeposition.pdf).
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor in einer geschnittenen Seitenansicht;
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2 den Differenzdrucksensor in einer Draufsicht;
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3 einen Differenzdrucksensorchip in einer perspektivischen Darstellung.
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1 zeigt in einer geschnittenen Seitendarstellung eine einfache Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Der Sensor ist in einem Sensorgehäuse 1 angeordnet, beispielsweise mit einem TO-Sockel. Die den Sensor abschließende Kappe ist in der 1 nicht dargestellt. Innerhalb des Sensorgehäuses befindet sich der eigentliche Differenzdrucksensor mit einem Träger aus einem Substrat 2 und einer daran befestigten dehnungselastischen Differenzdruckmembran 3. Zwischen dem Substrat 2 und der Differenzdruckmembran 3 ist ein Hohlraum 5 ausgebildet, dem über einen ersten Medienkanal 6 ein erstes Medium, welches unter einem ersten Druck steht, zugeführt werden kann. Der Sensorträger 2 und die Differenzdruckmembran 3 sind vorzugsweise aus einem monokristallinen Siliziumsubstrat hergestellt, beispielsweise unter Anwendung bekannter Mikrostrukturierungsverfahren.
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Der Differenzdrucksensor umfasst weiterhin mehrere Kontaktelemente 7, die über Bonddrähte 8 mit den Elektroden des Sensors verbunden sind. Schließlich ist ein zweiter Medienkanal 9 vorgesehen, über welchen ein zweites Medium unter zweitem Druck in das Sensorgehäuse eingespeist wird (soweit der Sockel mit einer hermetisch dichten Kappe verschlossen ist) und die Differenzdruckmembran 3 auf der dem Hohlraum 5 abgewandten Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagt. Erstes und zweites Medium können identisch sein, jedoch von ggf. unterschiedlichem Druck, beispielsweise bei einer Differenzdruckmessung an unterschiedlichen Positionen in einem strömenden Medium.
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In abgewandelten Ausführungsformen befindet sich der Sensor in einem Gehäuse, das den zweiten Druck von außen auf die Differenzdruckmembran vermittelt. Dazu ist das gesamte Gehäuse beispielsweise mit einem inerten Silikonöl gefüllt. Der zweite Medienkanal 9 dient in diesem Fall nur zur Befüllung des Gehäuses oberhalb der Membran mit dem Öl und wird danach verschlossen.
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Die Differenzdruckmembran 3 ist mit einem umlaufenden Einspannbereich 11 am Träger 2 befestigt, nämlich an einem Einspannrand 12, welcher den Hohlraum 5 in der Befestigungsebene umschließt. Die Verbindung zwischen dem Einspannbereich 11 der Differenzdruckmembran und dem Einspannrand 12 des Trägers 2 kann mit herkömmlichen Techniken erfolgen. Ebenso können die Differenzdruckmembran 3 und der Träger 2 einstückig ausgebildet sein, wobei jeweils der Hohlraum 5 druckdicht gegenüber der Umgebung abgegrenzt ist, so dass Druckunterschiede zwischen den beiden Seiten der Differenzdruckmembran 3 aufgebaut werden können. Tritt ein solcher Druckunterschied auf, kommt es zur Auslenkung der Differenzdruckmembran 3, so dass diese verformt wird.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Drucksensor in einer Ansicht von oben, wiederum mit nicht dargestellter Gehäusekappe, so dass ein Differenzdrucksensorchip mit der Differenzdruckmembran 3 ersichtlich ist. Eine perspektivische Detaildarstellung des Differenzdrucksensorchip ist in 3 gezeigt. Zur Ausbildung eines dehnungsempfindlichen Sensorelements sind auf der Differenzdruckmembran 3 mehrere piezoresistive Widerstände 13 ausgebildet, die in das Material der Differenzdruckmembran integriert sind. Bei einer durch eine Differenzdruckänderung hervorgerufenen Verformung der Membran kommt es aufgrund der Dehnung/Stauchung im Bereich der piezoresistiven Widerstände zu einer Änderung der Widerstände. Dies führt bei entsprechender Verschaltung der Widerstände zu einer Verstimmung einer Wheatstoneschen Messbrücke, die ein für den Differenzdruck repräsentatives Sensorsignal erzeugt, das über Bondpads 14 und die Bonddrähte 8 an die Kontaktelemente 7 geleitet wird. Die piezoresistiven Widerstände 13 liegen innerhalb eines Membranbereichs 16 an den Stellen, an denen die Verformung am größten ist, um eine größtmögliche Empfindlichkeit zu erhalten. Im äußeren Bereich verbleibt der erwähnte Einspannrand 12, auf welchem nicht nur die Bondpads 14, sondern darüber hinaus ein Absolutdrucksensor 17 Platz findet. Die auf den Absolutdruck sensitive Widerstandsschicht ist grundsätzlich an den Stellen des Sensors zu platzieren, die die kleinste Verformung aufweisen um die Querempfindlichkeit gering zu halten.
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Im dargestellten Beispiel ist der Absolutdrucksensor 17 aus zwei Mäanderabschnitten zusammengesetzt, die senkrecht zueinander auf dem Einspannrand 12 verlaufen. Es können auch mehrere als Absolutdrucksensoren wirkende Widerstände auf dem Einspannrand angebracht werden. Im Bereich des Absolutdrucksensors 17 findet bei auftretender Differenzdruckänderung keine nennenswerte Verformung statt. Der Absolutdrucksensor 17 besteht aus einem Schichtmaterial, welches eine elektrische Eigenschaft, vorzugsweise seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von dem einwirkenden Absolutdruck ändert. Die Druckeinwirkung erfolgt über das Medium, welches z.B. über den zweiten Medienkanal 9 in das Sensorgehäuse eingespeist wird. Der Absolutdrucksensor besteht aus einem heterogenen Material aus nanostrukturierten elektrisch leitfähigen Clustern, z.B. aus Metall, die in eine Matrix aus elektrisch isolierendem Material, z.B. Diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC) eingebettet sind. Die nanostrukturierten Metallcluster bestehen vorzugsweise aus Nickel. Bei Änderung des auf diese Materialschicht wirkenden Druckes ändert sich der Abstand der elektrisch leitfähigen Cluster, wodurch sich der elektrische Widerstand ebenfalls ändert.
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Für den Fachmann ist ersichtlich, dass konstruktiver Aufbau des beschriebenen Differenzdrucksensors an die jeweiligen Anwendungsfälle angepasst werden kann. Ein solcher Differenzdrucksensor eignet sich beispielsweise für die Bestimmung eines Massendurchflusses durch Ermittlung des Differenzdrucks an einer Blende, die in den Massenfluss eingebracht ist. Der vor und hinter dieser Blende jeweils herrschende Druck wird als Differenzdruck mit der Differenzdruckmembran präzise bestimmt. Die im strömenden Medium vorherrschenden Absolutdrücke lassen sich durch den beschriebenen Absolutdrucksensor gleichzeitig zumindest mit einer ausreichenden Genauigkeit ermitteln, um den Einfluss des Absolutdrucks auf die Differenzdruckmessung zu bestimmen und bei Bedarf kompensieren zu können.
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Eine weitere beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren ist die Füllstandsüberwachung von unter hydrostatischem Druck stehenden Behältern. Der an beiden Seiten des Differenzdrucksensors anliegende hydrostatische Druck verfälscht das Differenzdrucksignal, was zu einer falschen Information über den Füllstand führt. Die Integration des sensitiven Materials direkt auf den Differenzdrucksensorchip bietet die größtmögliche Vereinfachung, da nahezu keine mechanischen Änderungen der Druckmesszelle mehr nötig sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorgehäuse
- 2
- Träger / Substrat
- 3
- Differenzdruckmembran
- 5
- Hohlraum
- 6
- Erster Medienkanal
- 7
- Kontaktelement
- 8
- Bonddrähte
- 9
- Zweiter Medienkanal
- 11
- Einspannbereich
- 12
- Einspannrand
- 13
- Piezoresistiver Widerstand
- 14
- Bondpad
- 16
- Membranbereich
- 17
- Absolutdrucksensor / DLC-Schichtwiderstand
