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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement zur kapazitiven Differenzdruckerfassung, dessen Membranstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat realisiert ist. Die Sensorstruktur umfasst eine untere Membran und eine obere Membran, die über Verbindungsstützen steif miteinander verbunden sind, so dass jede Krafteinwirkung auf eine der beiden Membranen direkt auf die jeweils andere Membran übertragen wird. Die untere Membran ist über eine rückseitige Druckanschlussöffnung im Substrat mit einem ersten Messdruck beaufschlagbar, und die obere Membran ist von der Vorderseite des Sensorelements ausgehend mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar. Zumindest eine der beiden Membranen fungiert als Träger für mindestens eine auslenkbare Messelektrode. Des Weiteren umfasst die Sensorstruktur eine Mittelmembran als Träger für mindestens eine feststehende Gegenelektrode. Die Mittelmembran ist zwischen der unteren und der oberen Membran in den Schichtaufbau eingebunden. Zur mechanischen Entkopplung von der unteren und der oberen Membran weist sie Durchgangsöffnungen für die Verbindungsstützen auf.
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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. Eine typische Kfz-Anwendung von mikromechanischen Differenzdrucksensoren besteht im Vergleich des Abgasdrucks vor und hinter dem Partikelfilter. Da hierbei erhöhte 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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Diese Anforderungen werden durch ein Sensorelement der eingangs genannten Art erfüllt, wie es beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
10 2009 000 056 beschrieben ist. Die Differenzdruckerfassung erfolgt hier kapazitiv mit Hilfe von drei parallel übereinander angeordneten Membranen. Die obere und die untere Membran sind über Verbindungsstützen starr miteinander verbunden und bilden so eine auslenkbare Doppelmembran, die als Träger für die auslenkbaren Elektroden eines Messkondensators dient. Die feststehenden Gegenelektroden sind auf der mittleren Membran angeordnet, die von der auslenkbaren Doppelmembran weitestgehend mechanisch entkoppelt ist, da sie Durchgangsöffnungen für die Verbindungsstützen aufweist. Die untere und die obere Membran werden jeweils mit einem der beiden zu vergleichenden Messdrücke p1 bzw. p2 beaufschlagt. Die daraus resultierende Auslenkung der Doppelmembran wird durch die Differenz zwischen den beiden Messdrücken p1 – p2 verursacht und kann als Kapazitätsänderung des Messkondensators erfasst werden.
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Das Messsignal eines Differenzdrucksensors sollte möglichst unabhängig vom jeweils herrschenden Absolutdruck sein. Jedoch ist bei dem bekannten Sensorelement eine Absolutdruckabhängigkeit des Messsignals zu beobachten. Diese ist auf mehrere sich überlagernde Störeffekte zurückzuführen, die zumindest teilweise bedingt durch den asymmetrischen Aufbaus der Sensorstruktur auftreten.
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Derartige Asymmetrien können herstellungsbedingt entstehen. So ergeben sich Unterschiede in der Größe der Membranfläche, wenn die Ätzfronten der Opferschichten zwischen den einzelnen Membranen nicht exakt übereinander stehen. Da die Messdrücke p1 und p2 in diesem Fall auf unterschiedlich große Flächen A1 und A2 einwirken, wirkt bei gleichen Messdrücken p1 = p2 = p eine druckabhängige Kraft p(A1 – A2) auf die Doppelmembran, was zu einer entsprechenden Auslenkung der Doppelmembran führt.
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Problematisch ist außerdem die unterschiedliche Einbindung der unteren und der oberen Membran in den Schichtaufbau des Sensorelements. Während die untere Membran zwischen dem Substratmaterial und den Schichten des Schichtaufbaus eingebunden ist, ist die obere Membran lediglich einseitig mit dem Schichtaufbau verbunden. Diese Asymmetrie der Membraneinbindung wirkt sich auch auf den Einspannbereich der mittleren Membran aus, wo druckabhängige Verspannungen auftreten. Diese führen zu einer druckabhängigen Auslenkung der mittleren Membran aus der durch das Sensordesign vorgegebenen Lage und damit zu einer absolutdruckabhängigen Veränderung der Messkapazität.
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Da sich diese Störeffekte überlagern und absolutdruckabhängig sind, lassen sie sich nicht ohne Weiteres durch eine einfache Offset-Bestimmung kompensieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Sensordesign bzw. eine mikromechanische Sensorstruktur zur kapazitiven Differenzdruckmessung vorgeschlagen, womit sich Störeffekte, die durch eine Verspannung der Mittelmembran hervorgerufen werden, weitgehend kompensieren lassen.
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Dazu ist die Membranstruktur des erfindungsgemäßen Sensorelements so ausgelegt, dass sich die obere Membran allseitig bis über die untere Membran hinaus erstreckt, die durch die Druckanschlussöffnung definiert ist. Außerdem ist die obere Membran durch äußere Verbindungsstützen umlaufend mit einem Rahmenbereich der unteren Membran starr verbunden. Die Mittelmembran erstreckt sich bis über diesen Rahmenbereich hinaus und ist erst außerhalb dieses Rahmenbereichs in den Schichtaufbau über dem Substrat eingebunden.
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Mit der erfindungsgemäßen Membranstruktur wird eine mechanische Entkopplung der Einspannbereiche der oberen und der unteren Membran vom Einspannbereich der Mittelmembran erzielt. Dazu wurde der Einspannbereich der Mittelmembran gegenüber den Einspannbereichen der anderen beiden Membranen nach außen verlegt. Der Rand der oberen Membran ist mit Hilfe von äußeren Verbindungsstützen fest mit dem Rahmenbereich der unteren Membran verbunden. Diese äußeren Verbindungsstützen sind durch entsprechende äußere Durchgangsöffnungen in der Mittelmembran geführt, so dass auch hier die mechanische Entkopplung gewährleistet ist. Durch diese strukturellen Maßnahmen lässt sich die Absolutdruckabhängigkeit des Messsignals deutlich verringern.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die obere Membran des erfindungsgemäßen Sensorelements einen inneren Membranbereich umfasst, der über innere Verbindungsstützen starr mit der unteren Membran verbunden ist, und einen äußeren Membranbereich, der sich zwischen den äußeren Verbindungsstützen und der seitlichen Einbindung der oberen Membran befindet. Während der innere Membranbereich zusammen mit der unteren Membran der Messsignalerfassung dient, werden mit Hilfe des umlaufenden äußeren Membranbereichs absolutdruckbedingte Querkräfte kompensiert, die auf die äußeren Verbindungsstützen wirken. Der äußere Membranbereich bildet praktisch eine zweite, umlaufende Membran, die durch die äußeren Verbindungsstützen von der inneren Messmembran und der unteren Membran abgekoppelt ist. Da diese umlaufende Membran die gleiche Verformbarkeit aufweist wie die innere Messmembran und auch mit dem gleichen Messdruck p2 beaufschlagt wird, werden beide Membranen gleichermaßen ausgelenkt. Die dadurch hervorgerufenen Querkräfte wirken entgegengesetzt auf die äußeren Verbindungsstützen und heben sich deshalb zumindest weitgehend auf. Deshalb können mit diesem Sensordesign absolutdruckbedingte Membranauslenkungen einfach und nachhaltig verhindert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Mittelmembran des erfindungsgemäßen Sensorelements mit der feststehenden Gegenelektrode in einem abgeschlossenen Hohlraum zwischen der unteren und der oberen Membran. In diesem Fall dient die Doppelmembranstruktur nicht nur als Träger für mindestens eine bewegliche Messelektrode sondern 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 Robustheit des Sensorelements und zur Zuverlässigkeit der Messergebnisse bei.
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In der Regel werden die Messelektroden jeweils im Mittelbereich der oberen und/oder unteren Membran angeordnet. Dieser Mittelbereich ist vorteilhafter Weise versteift, so dass Membrandeformationen bevorzugt im biegeweichen Randbereich der jeweiligen Membran auftreten und die Messelektrode 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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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 eines ersten erfindungsgemäßen Sensorelements 10,
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2a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Sensorelements 20 mit einer zweigeteilten oberen Membran und
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2b zeigt eine schematische Draufsicht auf das Sensorelement 20.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Sensorstruktur des in 1 dargestellten mikromechanischen Sensorelements 10 zur kapazitiven Differenzdruckerfassung umfasst drei Membranen 1, 2 und 3, die in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 11 realisiert sind. Die Membranen 1, 2 und 3 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Die untere Membran 1 und die obere Membran 3 sind über Verbindungsstützen 4 starr miteinander verbunden, so dass sie eine Doppelmembran 13 bilden. Jede Krafteinwirkung auf eine der beiden Membranen 1 oder 3 wird aufgrund der Verbindungsstützen 4 direkt auf die jeweils andere übertragen. In der Rückseite des Substrats 11 befindet sich eine Druckanschlussöffnung 12 für einen ersten Messdruck p1, der so auf die untere Membran 1 geführt wird. Der zweite Messdruck p2 wirkt auf die gesamte Vorderseite des Sensorelements 10 und dementsprechend auch auf die obere Membran 3, die in der Vorderseite des Sensorelements 10 ausgebildet ist.
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Auf die Doppelmembran 13 wirkt also lediglich die Druckdifferenz Δp = p1 – p2. Die daraus resultierende Auslenkung der Doppelmembran 13 wird kapazitiv erfasst. Dabei dient zumindest eine Membran 1, 3 der Doppelmembran 13 als Träger für eine auslenkbare Elektrode eines Messkondensators, der hier allerdings nicht dargestellt ist. Die feststehende Gegenelektrode des Messkondensators ist auf der mittleren Membran 2 der Sensorstruktur angeordnet, die zwischen der unteren Membran 1 und der oberen Membran 3 in den Schichtaufbau eingebunden ist. In der Mittelmembran 2 sind Durchgangsöffnungen 5 für die Verbindungsstützen 4 ausgebildet, um die Mittelmembran 2 von der Doppelmembran 13 mechanisch zu entkoppeln.
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Das erfindungsgemäße Sensordesign zielt darauf ab, die Mittelmembran 2 auch im Einspannbereich von der Doppelmembran 13 mechanisch zu entkoppeln. Dazu erstreckt sich die obere Membran 3 allseitig bis über die untere Membran 1, deren Membranfläche durch die Größe der Druckanschlussöffnung 12 im Substrat 11 definiert ist. Zur Angleichung der beiden für die Messsignalerfassung wirksamen Membranflächen der Doppelmembran 13 ist der äußere Bereich 33 der oberen Membran 3, der sich über die Membranfläche der unteren Membran 1 hinaus erstreckt, über äußere Verbindungsstützen 6 starr mit dem Rahmenbereich 14 der unteren Membran 1 verbunden. Dazu sind die äußeren Verbindungsstützen 6 durch entsprechende Durchgangsöffnungen 7 in der Mittelmembran 2 geführt. Die äußeren Verbindungsstützen 6 befinden sich also nicht im eigentlichen Sensorbereich des Sensorelements 10 sondern über dem starren Rahmenbereich 14 der unteren Membran 1 auf dem Substrat 1. Die Einspannung der Mittelmembran 2 ist demgegenüber noch weiter nach außen verlegt, indem sich die Mittelmembran 2 bis über diesen Rahmenbereich 14 hinaus erstreckt und erst außerhalb dieses Rahmenbereichs 14 in den Schichtaufbau über dem Substrat 11 eingebunden ist.
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Designbedingt werden im Falle einer Krafteinwirkung am Rande des Sensorbereichs lediglich die äußeren Verbindungsstützen 6 belastet, wodurch der nicht durch Verbindungsstützen 6 stabilisierte Deformationsbereich 32 der oberen Membran 3 leicht eingedrückt wird. Dies ist in 1 durch die gestrichelten Linien zwischen den äußeren Verbindungsstützen 6 und den Verbindungsstützen 4 im Mittelbereich 31 der oberen Membran 3 angedeutet. Da die äußeren Verbindungsstützen 6 in der Lage sind, Querkräfte aufzunehmen, kommt es zu einer leichten Verkippung der Verbindungsstützen 6 in Richtung des Deformationsbereichs 32, also nach innen, wodurch die Doppelmembran 13 insgesamt leicht ausgelenkt wird. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn die obere Membran 3 eine deutlich geringere Steifigkeit aufweist als die untere Membran 1. Die Lage der Mittelmembran 2 wird dadurch jedoch nicht beeinflusst, da die äußeren Verbindungsstützen 6 aufgrund der entsprechenden Durchgangsöffnungen 7 in der Mittelmembran 2 von dieser mechanisch entkoppelt sind. Da der durch eine Verkippung der äußeren Verbindungsstützen 6 hervorgerufene Effekt deutlich geringer ist als die Verspannungseffekte bei mechanisch gekoppelten Membraneinspannungen, kann die Absolutdruckabhängigkeit der Messergebnisse mit dem erfindungsgemäßen Sensordesign demgegenüber deutlich reduziert werden.
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An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die untere Membran 1 und die obere Membran 3 eine Raum 15 begrenzen, der gegen die Messmedien abgeschlossen ist. Dadurch wird eine Verschmutzung der Sensorstruktur verhindert. Da die Elektroden des Messkondensators innerhalb dieses abgeschlossenen Volumens 15 angeordnet sind, sind auch sie gegen einen Angriff der Messmedien geschützt.
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Bei dem Sensorelement 10 ist der Mittelbereich 18 der unteren Membranen 1 im Vergleich zum Randbereich 19 verstärkt und dadurch versteift. Da die Membrandeformationen hier bevorzugt im biegeweichen Randbereich 19 auftreten, während der Mittelbereich 18 nicht deformiert wird, empfiehlt es sich, im versteiften Mittelbereich 18 eine Elektrode des Messkondensators anzuordnen. Die Versteifung des Mittelbereichs 18 der Membran 1 dient der Minimierung des Offsetfehlers, der durch eine gegenläufige Verformung der Membran 1 – und damit der Messelektrode – hervorgerufen wird, wenn sich das Absolutdruckniveau ändert, die Druckdifferenz Δp aber konstant bleibt.
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Vorteilhafterweise sind die Elektrodenoberflächen mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen. Dadurch kann vermieden werden, dass es in Überlastsituationen zu einem Kurzschluss des Messkondensators und/oder zu einem Aneinanderhaften der Elektroden kommt, wenn sich die auslenkbare Messelektrode und die feststehende Gegenelektrode des Messkondensators zu nahe kommen.
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Die 2a und 2b zeigen eine vorteilhafte Weiterbildung des in 1 dargestellten Sensordesigns. Deshalb werden gleiche Strukturelemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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2a verdeutlicht, dass auch das Sensorelement 20 drei Membranen 21, 2 und 23 umfasst, die in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 11 realisiert sind und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die untere Membran 21 überspannt eine Druckanschlussöffnung 12 in der Rückseite des Substrats 11. Die obere Membran 23 ist in der Vorderseite des Sensorelements 20 ausgebildet. Die untere Membran 21 und die obere Membran 23 sind über Verbindungsstützen 4 starr miteinander verbunden, so dass sie eine Doppelmembran 13 bilden, die als Träger für die auslenkbare Elektrode eines Messkondensators dient. Die feststehende Gegenelektrode des Messkondensators befindet sich auf der dritten Membran 2 der Sensorstruktur, die zwischen der unteren Membran 21 und der oberen Membran 23 in den Schichtaufbau eingebunden ist. Auch hier sind in der Mittelmembran 2 Durchgangsöffnungen 5 für die Verbindungsstützen 4 ausgebildet, so dass sich die Doppelmembran 213 unabhängig von der Mittelmembran 2 bewegen kann.
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Wie im Falle des Sensorelements 10 ist die Membranfläche der oberen Membran 23 größer als die der unteren Membran 21. Der äußere Bereich 233 der oberen Membran 23, der sich über die Membranfläche der unteren Membran 21 hinaus erstreckt, ist über äußere Verbindungsstützen 6 starr mit dem Rahmenbereich 14 der unteren Membran 21 verbunden, wobei diese äußeren Verbindungsstützen 6 durch entsprechende Durchgangsöffnungen 7 der Mittelmembran 2 geführt sind. Auch hier befinden sich die äußeren Verbindungsstützen 6 also über dem starren Rahmenbereich 14 der unteren Membran 21 auf dem Substrat 11. Die Einspannung der Mittelmembran 2 ist demgegenüber noch weiter nach außen verlegt. Im Unterschied zum Sensorelement 10 ist der äußere Bereich 233 der oberen Membran 23 so ausgedehnt, dass er eine eigenständige drucksensible Membranfläche 233 bildet, die umlaufend zum eigentlichen Sensorbereich angeordnet ist.
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Im Falle einer Krafteinwirkung am Rande des Sensorbereichs werden die äußeren Verbindungsstützen 6 und die sich beiderseits anschließenden Membranbereiche 232 und 233 belastet. Die gestrichelten Linien in 2a verdeutlichen, dass nicht nur der Deformationsbereich 232 der oberen Membran 23 deformiert wird, sondern auch die äußere Membranfläche 233. Die Deformation der äußeren Membranfläche 233 wirkt einer Verkippung der äußeren Verbindungsstützen 6 in Richtung des Sensorbereichs entgegen. Da die äußere Membran 233 die gleiche Verformbarkeit aufweist wie der Deformationsbereich 232, kann ein druckbedingtes Verkippen der äußeren Verbindungsstützen 6 weitgehend kompensiert werden. Durch eine geeignete Membranauslegung können auch die auf unterschiedlichen Ätzfronten beruhenden Effekte ausgeglichen werden.
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Die Ausdehnung der einzelnen Membranbereiche 231, 232 und 233 der oberen Membran 23 sowie die Anordnung der inneren und äußeren Verbindungsstützen 4 und 6 wird insbesondere durch 2b veranschaulicht. Der innere Bereich 231 der oberen Membran 23 ist über die inneren Verbindungsstützen 4 starr mit der unteren Membran verbunden. Zwischen den inneren Verbindungsstützen 4 und den äußeren Verbindungsstützen 6, die auf dem Rahmen 14 der unteren Membran aufsitzen, befindet sich der Verformungsbereich 232 der oberen Membran 23. Der äußere Membranbereich 233 der oberen Membran 23 bildet eine umlaufende Membranfläche zwischen den äußeren Verbindungsstützen 6 und dem Einspannbereich 234 der oberen Membran 23.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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