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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Derartige Drucksensoren, etwa auf der Basis piezoresistiver Sensorelemente, sind seit langem bekannt und werden für eine Vielzahl von Messanwendungen eingesetzt. Dabei erfolgt durch das zu messende Medium im Druckraum eine druckabhängige Verformung des Verformungselements, welche sich, etwa im Fall der Piezoanwendung, als Widerstandsänderung detektieren und weiteren nachgeschalteten Auswertungen zuführen lässt.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner Formgedächtnis-Materialien (auch bezeichnet als „Formgedächtnis-Legierungen” = MSM-Legierungen) bekannt, welche unter dem Einfluss eines Magnetfeldes eine (typischerweise im einstelligen Prozentbereich liegende) Expansionsbewegung durchführen. Entsprechend werden derartige Materialien auch schon vereinzelt zu Aktor- bzw. Stellzwecken benutzt.
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Eine generelle Herausforderung im Stand der Technik besteht darin, zum vorbeschriebenen piezoresistiven Prinzip alternative Lösungen zur Druckmessung zu schaffen. Auch wenn als bekannt vorauszusetzen ist, dass Formgedächtnis-Materialien (MSM-Materialien) als Reaktion auf eine Kraft- bzw. Druckkraftbeaufschlagung eine Reaktion zeigen können, fehlt es jedoch an einer Lehre, wie Formgedächtnis-Material zur Realisierung eines Drucksensors konkret eingesetzt werden kann.
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Dementsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor zu schaffen, welcher magnetisches Formgedächtnis-Material benutzt, um einen flächigen Krafteintrag in ein (elektrisch auswertbares) Drucksignal umzusetzen. Ferner sind geeignete mechanische und/oder konstruktive Lösungen zu schaffen, wie ein derartiger Drucksensor großtechnisch, reproduzierbar und mit begrenztem Herstellungsaufwand produziert werden kann und zudem an eine Vielzahl von verschiedenen Messanwendungen anpassbar ist.
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Die Aufgabe wird durch den Drucksensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird beansprucht für eine Verwendung eines solchen erfindungsgemäßen Drucksensors zur (selektiven) Erfassung von Gasen bzw. Konzentrationen derartiger Gase.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird das etwa im Zusammenhang mit Piezosensorik bekannte Prinzip eines (druckabhängig verformten) Verformungselements übertragen auf ein Formgedächtnis-Material, welches mit einem (etwa als Membran zur Druckaufnahme) vorhandenen Verformungselement zusammenwirkt oder alternativ unmittelbar eine solche Membran oder dergleichen Verformungselement ausbildet. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass sich als Reaktion auf eine derartige (druckbedingte) Verformung ein Streumagnetfeld des Formgedächtnis-Materials charakteristisch bildet bzw. ändert, wobei dieses Streumagnetfeld („Magnetfeldsignal” im Sinne der Erfindung) dann durch dem Formgedächtnis-(Legierungs-)Material zugeordnete Magnetfeld-Detektormittel erfasst und in ansonsten bekannter Weise dann in das elektrisch auswertbare Sensorsignal umgesetzt werden kann. Mit anderen Worten, die Wirkungsweise eines gattungsgemäß bekannten Piezokristalls wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung wahrgenommen durch eine Kombination aus geeignet druckabhängig verformtem Formgedächtnis-Material (unmittelbar oder mittelbar verformt), in Verbindung mit einem Magnetfeld-Detektor („Magnetfeld-Detektionsmittel” im Sinne der Erfindung), welcher so an bzw. benachbart dem Formgedächtnis-Material zugeordnet ist, dass der Detektor das druckbedingte Magnetfeld (bzw. eine entsprechende Magnetfeldänderung) detektieren und zur weiteren Signalverarbeitung bereitstellen kann.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird so ein Weg geschaffen, (ansonsten bekannte) Körper, Elemente oder Abschnitte aus magnetischem Formgedächtnis-Material vorteilhaft zur Drucksensorik bzw. Druckdetektion zu benutzen. So ermöglicht es damit die Erfindung, Druck berührungslos zu messen, indem die Messung auf ein entsprechend verändertes magnetisches Feld verlagert wird. Dies gestattet vorteilhaft, das Verformungs- bzw. MSM-Element räumlich zu trennen von der (Magnetfeld-)Sensorik bzw. einer zugehörigen Elektronik, mit den dadurch ermöglichten Vorteilen bei Anwendungen, die etwa aus Sicherheitsgründen eine Trennung erfordern (etwa ansonsten ein Dichtigkeitsproblem bringen würden), oder aber besondere Beständigkeit gegen Medieneinflüsse od. dgl. erfordern.
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Dabei eignet sich dieses Prinzip für eine Vielzahl von mechanisch-konstruktiven Realisierungsformen, ebenso wie verschiedene Möglichkeiten bestehen, das Formgedächtnis-Material zur Druckaufnahme vorzusehen: Einerseits ist es im Rahmen der Erfindung als bevorzugt anzusehen, das Formgedächtnis-Material, typischerweise realisiert als stab-, streifen- oder quaderförmiger Körper, einem (zusätzlichen) Verformungselement, etwa einer ansonsten bekannten, eine Druckkammer z. B. endseitig begrenzenden und entsprechend der zu messenden druckverformbaren Membran mechanisch und unlösbar (z. B. durch Kleben oder Punktschweißen) zuzuordnen, so dass es sich die Membranverformung auf den Formgedächtnis-Material-Körper überträgt und dann dort das erfindungsgemäße detektierende Magnetfeld (bzw. die Magnetfeldänderung) hervorruft. Andererseits ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen und bevorzugt, das Formgedächtnis-Material als Beschichtung auf einem Verformungselement (etwa einer Membran) vorzusehen, z. B. durch typische Methoden der Abscheidung (ggf. mit nachfolgender Bemusterung, wie sie etwa aus der Mikrosystemtechnik seit langem bekannt ist). Wiederum alternativ kann das magnetische Formgedächtnis-Material selbst unmittelbar Teil des Druckraums werden (und insoweit dann unmittelbar von dem zu messenden Medium beaufschlagt werden), indem etwa das Material eine Wand oder einen Wandbereich des Druckraums (z. B. als Membran) druckwirksam ausgestaltet.
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Dabei eignet sich für das magnetische Formgedächtnis-Material (im Weiteren auch „Formgedächtnis-Legierungs-Material” bzw. MSM-Material bezeichnet) jede gängige Zusammensetzung, typischerweise eine NiMnGa-basierte Legierung, welche ggf. noch durch weitere Elemente ergänzt sein kann. Auch eignet sich zur Magnetfelddetektion (und damit zur Realisierung der erfindungsgemäßen Magnetfeld-Detektionsmittel) jegliche übliche Magnetfeld-Sensortechnologie, etwa ein Hall-, GMR- oder ein AMR-Sensor, welcher als Reaktion auf ein (bezogen auf den Sensor äußeres) Magnetfeld ein elektrisches Signal erzeugt. Dieser Sensor ist dann, wie nachfolgend noch anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele zu erörtern sein wird, so in der Nähe des Formgedächtnis-Materials vorzusehen, dass er das unter der Druckeinwirkung veränderte magnetische (Streu-)Feld bestmöglich detektiert, wobei dies typischerweise im Bereich des am stärksten durch den Druck deformierten Abschnitts des MSM-Materials erfolgen sollte.
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Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor, dem MSM-Material zugeordnet und mit diesem magnetisch zusammenwirkend, Magnetfeldmittel auf, welche etwa in der Art von Permanentmagneten, alternativ aber auch als separat zu bestromende Spulen vorliegen können und dem MSM-Material ein Magnetfeld auf- bzw. einprägen können. In der Art einer (magnetischen) Vorspannung wird auf diese Weise ein durch Druck erzeugtes Streufeld (bzw. dessen Änderung bei Deformation) potentiell verstärkt, insbesondere wenn das zusätzlich mittels der Magnetfelderzeugungsmittel anliegende Magnetfeld sich senkrecht zur Richtung der Druckeinwirkung erstreckt.
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Ein weiterer Vorteil eines solchen zusätzlich erzeugten Magnetfeldes liegt darin, dass dieses Magnetfeld (unter Ausnutzung des aktorischen MSM-Expansionseffektes) das Formgedächtnis-Legierungs-Material in seinen nicht-deformierten Ausgangszustand zurückversetzen kann; charakteristisch für eine Druckreaktion eines MSM-Materials durch Deformation ist nämlich, dass dieses üblicherweise nicht-elastisch und damit auch ohne entgegengesetzten Einfluss nicht reversibel ist. Insoweit bieten die weiterbildungsgemäß vorgesehenen Magnetfelderzeugungsmittel neben der vorteilhaften Möglichkeit einer Beeinflussung bzw. Modulation eines Sensorsignals den doppelten Vorteil der Nutzung als Rückstellmittel nach Deformation (und entsprechendem Abklingen der gemessenen Druckbeaufschlagung).
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Alternativ oder ergänzend kann das Formgedächtnis-Material mit Rückstellmitteln realisiert sein, welche eine vorbestimmte (Rückstell-)Kraft auf das Material entgegen der Richtung der Deformation ausüben. Neben geeignet vorsehbaren Federn oder dergleichen Kraftspeichern kommt hierfür insbesondere auch eine elastische Rückstellwirkung durch das (fest mit dem Formgedächtnis-Material verbundene) Verformungselement in Betracht, also z. B. eine elastische und damit einen MSM-Körper rückstellende Membran.
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Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es zudem, geeignete Flussleitelemente (z. B. in Form magnetfeldleitender Strukturen) so zwischen dem MSM-Material(-Körper) und den Magnetfeld-Detektionsmitteln vorzusehen, dass im Interesse bestmöglicher Signalqualität, -auflösung oder Signalverhaltens des zu detektierenden Magnetfeldsignals eine geeignete (Streufeld-)Bündelung erzeugt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich neben einer wie vorstehend primär mittels diskreter Einzelbaugruppen zu realisierender mechanischer Umsetzung insbesondere auch günstig für eine Integration, wobei in jedem Fall eine modulartige Ausbildung, welche sämtliche maßgeblichen Baugruppen in ein geeignetes modulartiges Gehäuse einschließt, eine bevorzugte Weiterbildungsart ist. Im Hinblick auf eine mikrosystemtechnische bzw. mikroelektronische Integration bietet es sich zusätzlich bevorzugt an, den Druckraum und/oder eine Trägereinheit für die Baugruppen aus einem (z. B. Halbleiter-)Kristallkörper durch ansonsten bekannte Herstellungsverfahren, etwa Schneiden und Ätzen aus einem Wafermaterial, zu realisieren, wobei auf einen derartig ausgebildeten Kristallkörper (bzw. an eine durch diesen realisierte Membran) dann typischerweise filmartig das Formgedächtnis-Material durch ansonsten bekannte Auftrags- und Bemusterungstechniken (z. B. Abscheiden, Sputtern, Photolithographie oder dergleichen zur Strukturierung) aufgebracht werden kann. Zusätzlich und weiterbildungsgemäß vorteilhaft kann dann ein derartiger Kristallkörper als Träger für einen Hall-Sensor oder dergleichen Magnetfelddetektor dienen, gleichermaßen oder alternativ zusätzlich die weiterbildungsgemäß vorteilhaften magnetischen Vorspannmittel (z. B. als Permanentmagneten, s. o.) tragen. Zusätzlich weiterbildungsgemäß kann dann das geeignet mittels mikrosystemtechnischer Bearbeitungsschritte herzustellende und zu bearbeitende Kristallmaterial eine typischerweise ohnehin notwendige Auswerte- und/oder Kompensationselektronik für ein Ausgangssignal der Magnetfeld-Detektormittel tragen, so dass im Ergebnis eine modulartig und (hoch-)integrierbare Baugruppe vorliegt, welche nicht nur großserientauglich und in hohen Stückzahlen günstig und reproduzierbar herstellbar ist, sondern zusätzlich die Möglichkeit bietet, unter Nutzung ansonsten bekannter elektronischer Fertigungstechnologien (etwa unter Nutzung von ASIC-Technologie) Spezifikationen für gewisse Anwendungszwecke vorzugeben.
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Eine weiterbildungsgemäß bevorzugte Verwendung der vorliegenden Erfindung liegt in der Detektion von Gasen bzw. Gaskonzentrationen. Hierfür wird vorteilhaft an dem Verformungselement (und in Kontakt mit dem MSM-Element bzw. unmittelbar an diesem) ein gassensitiver Bereich ausgestaltet, welcher als Reaktion auf ein detektiertes Gas bzw. eine detektierte Gaskonzentration eine die erfindungsgemäße Deformation auslösende Volumenänderung erfährt. Entsprechend lässt sich auf diese Weise günstig und wirksam die Drucksensortechnologie zur Detektion von Gaskonzentrationen benutzen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in
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1: einen Längsschnitt durch den Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2a, 2b: Ansichten des Verformungselements im Drucksensor gemäß 1;
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3a–3c: Ansichten des stabförmigen Formgedächtnis-Materials im Ausführungsbeispiel der 1;
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4a, 4b: eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der 1 durch zusätzlich vorgesehene Permanentmagnete;
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5: einen Längsschnitt durch den Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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6a, 6b: eine Detail- bzw. Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der 5;
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7: einen Längsschnitt eines Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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8: einen Längsschnitt durch den Drucksensor gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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9a–9d: Detail- bzw. Schnittansichten der MSM-Membran bzw. des Membransockels im Ausführungsbeispiel der 8;
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10a–10d: Detail- bzw. Schnittansichten einer alternativen Realisierungsform zu 9 im vierten Ausführungsbeispiel der 8;
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11a–11d: Detail- bzw. Schnittansichten einer weiteren alternativen Realisierung der vierten Ausführungsform gemäß 8;
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12a–12d: Detail- bzw. Schnittansichten einer mikrosystemtechnisch integrierten Variante der Erfindung als fünfte Ausführungsform;
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13a–13d: eine Variante der fünften Ausführungsform gemäß 12;
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14a–14d: eine weitere, alternative mikrosystemtechnische Realisierungsform des Drucksensors als sechste Ausführungsform;
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15a–15e: eine Variante der Realisierung der 14a bis 14d; und
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16: einen Längsschnitt durch einen Drucksensor mit schematisch dargestellter modularer MSM-Silizium-Membrantopf-Messzelle.
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Die Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen verwendet nicht stets einheitliche Bezugszeichen; vielmehr werden die jeweiligen Bezugszeichen für jedes Ausführungsbeispiel bzw. für eine jeweilige Figur des Ausführungsbeispiels geeignet neu gewählt.
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So zeigt die Längsschnitt-Ansicht der 1 einen Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Gehäuseabschnitt samt unten liegendem Druckanschluss, auf dem ein Membrantopf 2 vorgesehen ist; am oberen, mittels einer Membran 3 geschlossenen Ende des etwa aus Metall oder Keramik gebildeten Membrantopfes ist ein MSM-Element 4 durch Kleben, Punktschweißen oder ein anderes geeignetes Befestigungsverfahren befestigt. Damit bewirkt eine (druckbedingte) Deformation der Membran eine Verformung des damit fest verbundenen SMS-Elements 4.
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Die Deformation bzw. Bewegungsänderung des MSM-Elements 4 erzeugt eine Veränderung des Streumagnetfeldes des MSM-Materials, welche Veränderung von einem Hall-Sensor 6 als Magnetfeld-Detektionsmittel aufgenommen wird, durch eine symbolisch auf einer Platine 7 gezeigte Elektronik ausgewertet bzw. aufbereitet wird und dann über extern kontaktierbare Kontakte eines Steckers 8 zur weiteren Verarbeitung bereitsteht. Eine Permanentmagneteinheit 5 sorgt für eine magnetische Vorspannung der beteiligten Einheiten.
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Auf diese Weise wird in der erfindungsgemäß vorteilhaften, entkoppelten Weise ein über den Druckanschluss 1 angekoppelter Druck als verändertes magnetisches Streufeldsignal detektiert und für den jeweils vorgesehenen Zweck benutzbar.
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Dabei ist die in 1 lediglich exemplarisch gezeigte Vorrichtung nicht auf die gezeigten geometrischen Verhältnisse beschränkt; vielmehr kann etwa die Membran 3 durch Wahl einer nicht über die gesamte Fläche konstanten Stärke vorbestimmte oder vorgegebene (bevorzugte) Verformungsbereiche aufweisen, an denen die Membran und damit das MSM-Element 4 eine verstärkte Durchbiegung erfahren.
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So zeigt etwa die Realisierung der 2 als Draufsicht auf die Ringmembrane (2a) bzw. als Längsschnitt durch den Membrantopf 2 eine derartige profilierte Form der Membran 3, wobei wiederum exemplarisch am Bezugszeichen 1 die Druckzuleitung erfolgt.
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Bei dieser Realisierungsform weist die Membran einen verstärkten Mittelteil auf. Generell ist es im Rahmen bevorzugter Realisierungsformen der Erfindung nützlich, für das MSM-Element eine geringere Steifigkeit im Verhältnis zur Steifigkeit der Membran vorzusehen, so dass bei Druckbeaufschlagung eine Verformungsfähigkeit der Membran durch das MSM-Element nicht signifikant eingeschränkt wird (mit entsprechend nachteiligen Konsequenzen für die Sensorempfindlichkeit). So ist es beispielsweise bevorzugt, wie in 3 beschrieben, das MSM-Element 3 als schmalen Stab bzw. Streifen vorzusehen, welcher der Membran 2 des Topfes 1 zugeordnet ist.
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Alternativ ist es im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung auch möglich, das MSM-Element als Dünnfilm zu realisieren, welcher durch ein Beschichtungsverfahren, z. B. Sputtern, auf die Membran aufgebracht wurde und dann durch eine Bemusterung bzw. Maskentechnik und/oder ein lithographisches Verfahren zu einem Streifen strukturiert ist. Auch ist es sinnvoll und geeignet, einen solchen Dünnfilm auf der Membran nicht zu strukturieren, vielmehr die gesamte Fläche des Membrantopfes abzudecken.
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Zur Messung der Magnetfeldänderung in der Umgebung des MSM-Elements ist es vorteilhaft, den Magnetfeldsensor möglichst dicht an den Verformungsbereichen des MSM-Elements anzuordnen. So ist es beispielsweise, wie in 1 gezeigt, vorteilhaft, den Hall-Sensor 6 als Magnetfeld-Detektionsmittel auf einer Unterseite einer Leiterplatte vorzusehen, welche in einem definierten Abstand über dem SMS-Element im Sensorgehäuse vorgesehen ist. Auch ist es vorteilhaft, wie in 1 gezeigt, das Streufeld durch geeignete magnetische Flussleitelemente, Permanentmagnete oder dergleichen zu beeinflussen, etwa zum Magnetfeldsensor zu führen bzw. am Ort des Sensors zu konzentrieren.
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Weiter vorteilhaft im Rahmen der bevorzugten Realisierungsformen, etwa gemäß 1, ist es möglich, den Magnetfeldsensor als Bardie oder als SMD-Bauteil auf der Platine (Bezugszeichen 7) zu befestigen und durch Drahtbonden, Löten oder leitendes Verkleben mit einer Sensorelektronik, welche sich ebenfalls auf der Leiterplatte 7 befindet, zu verbinden. Eine solche Sensorelektronik kann dann vorteilhaft Schaltungskomponenten für einen Verpolungsschutz, Überspannungsschutz oder dergleichen aufweisen, ferner zu einer Linearisierung einer Drucksensor-Kennlinie und/oder einer Temperaturkompensation ausgebildet sein und insbesondere etwa mittels eines ASIC realisiert sein. Auch ist es weiterbildungsgemäß möglich, den Magnetfeldsensor zusammen mit weiteren Sensorelektronik-Komponenten in einem einzigen integrierten Schaltkreis zu integrieren.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 zeigt, wie Permanentmagnete, dem MSM-Element geeignet zugeordnet, an der Platine 7 vorgesehen sind. Dabei sind hier beliebige Konfigurationen möglich; entweder endseitig eines langgestreckten MSM-Elements, auf der Kreisfläche eines Membrantopfes oberhalb der Wände des Topfes (damit außerhalb der Membran) oder an anderen Positionen, an welchen derartige Permanentmagnete (ähnlich wie auch Flussleitelemente) Einfluss auf den durch das MSM-Element fließenden magnetischen Fluss haben, aufgrund der Permanentmagnetwirkung hier jedoch eine zusätzliche aktive Magnetisierung durchführen können.
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Diesbezüglich zeigt etwa die Variante der 4, wie beidends eines langgestreckten, streifenförmigen MSM-Elements 3 auf der Membran 2 eines Membrantopfes 1 ein Paar von Permanentmagneten 4 vorgesehen ist. Wiederum wird der Magnettopf 1 mit dem MSM-Element 3 an einem Druckanschluss befestigt (z. B. durch Widerstands-Impulsschweißen oder Laserschweißen). Damit ist die in der Figur nach unten offene Bohrung des Membrantopfes mit dem Druckraum und einem etwaigen darin enthaltenen Medium verbunden, wobei, in der vorbeschriebenen Weise, die Druckmessung berührungslos durch Umwandlung des mechanischen Drucksignals in eine magnetische Streufeldänderung des MSM-Elements und ein darauffolgendes, durch den Hall-Sensor erzeugtes elektrisches Signal erfolgt.
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Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung samt Varianten der 5, 6 zeigt, wie ein (langgestrecktes, stabförmiges) MSM-Element nicht waagerecht auf der Membran des Membrantopfes angebracht ist, sondern senkrecht zwischen der Membran und einer bügelartigen Konstruktion vorgesehen ist. So zeigt die 5, wie das langgestreckte und sich in der 5 vertikal erstreckende MSM-Element 4 von einem Haltebügel 5 gehalten ist, welcher auf dem Membrantopf 2 bzw. dessen Membran 3 gehalten ist. Konkret kann das MSM-Element mit der Membran sowie dem Bügel-Querbalken durch Kleben, Punktschweißen oder Löten verbunden sein oder auf andere Weise formschlüssig zwischen den Bügel und die Membran gespannt werden. Der Hall-Sensor 6 als Magnetfeld-Detektor sitzt wiederum dem MSM-Element benachbart und erfasst Änderungen dessen Streufeldes, wobei wiederum das Bezugszeichen 7 schematisch eine den Sensor 6 haltende Platine samt (nicht gezeigter) Auswerteelektronik bezeichnet und ein Sensorsignal über einen Steckerabschnitt 8 extern kontaktier- und verarbeitbar ist.
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Die 6 zeigt gegenüber der Anordnung der 5 eine Variante, dergestalt, dass die Leiterplatte (Bezugszeichen 6 in 6) senkrecht so angeordnet ist, dass diese, zusammen mit dem darauf gebildeten Magnetfeldsensor 5, benachbart der Bügeleinheit 4 steht, welche wiederum, mittig, das streifenförmige MSM-Element 3 trägt. Entsprechend der Anordnung der 5 stützt sich wiederum der Haltebügel 4 auf dem Membrantopf 1 bzw. der Membran 2 ab, wobei Bewegungen der Membran 2 unmittelbar auf das MSM-Element 3 wirken.
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Gemäß dritter Ausführungsform der Erfindung (7, 8) ist es vorteilhaft, den gesamten Membrantopf (Bezugszeichen 2 in 7) aus einem MSM-Material zu fertigen (das Bezugszeichen 1 zeigt wiederum den Druckanschluss, Bezugszeichen 3 die Membran des Membrantopfes). Der Hall-Sensor 4 steht damit unmittelbar der Membran gegenüber und ist auf einer Elektronik-Platine 6 gehalten, welche wiederum über einen Steckerabschnitt 7 extern kontaktierbar ist. Gezeigt ist zudem ein Paar von Permanentmagneten 5, randseitig und abwärts gerichtet (d. h. auf derselben Seite wie der Hall-Sensor) an der Elektronik-Platine 6 befestigt.
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Wiederum in Weiterentwicklung dieses Gedankens zeigt die 8, wie ein Membranelement 3 als MSM-Membran einen Rahmen oder Sockel als Membrantopf 2 bedeckt und so einen Druckraum begrenzt, welcher über den Druckanschluss 1 mit Fluid beaufschlagt wird. Die weiteren Komponenten entsprechen denen der 7.
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Insbesondere bei diesen Varianten, d. h. der unmittelbaren Nutzung des MSM-Materials zur Ausgestaltung eines Membrantopfes bzw. der Membran ist zu berücksichtigen, dass gerade bei bestimmten einkristallinen MSM-Werkstoffen die kristalline Struktur so beschaffen ist, dass sich eine erste Kristallachse unter Feld- und/oder Krafteinfluss in ihrer Länge nicht verändert, sich die zweite Achse etwa verkürzt, während sich die dritte Achse bei ungefährer Volumenerhaltung verlängert (bzw. umgekehrt). Dagegen existieren bei anderen Kristallstrukturen derartige unbewegliche Achsen nicht, so dass sich dort bei Verformung stets alle drei Achsen verändern, typischerweise zwei Achsen verlängern und eine verkürzt (bzw. umgekehrt).
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Wird also ein MSM-Material verwendet, dessen Kristallstruktur eine derartige unveränderliche („tote”) Achse aufweist, muss die Befestigung einer aus diesem Material realisierten Membran so beschaffen sein, dass sich unter Druck die tote Achse in ihrer Länge nicht oder kaum verändern muss und trotzdem eine Deformation erlaubt wird. Anderenfalls würde der hier zur Auswertung benutzte MSM-Effekt reduziert oder vollständig unterdrückt, da das Element nicht die erforderlichen Bewegungsfreiheitsgrade besitzt. Eine detektierbare magnetische Feldänderung würde dann unter Umständen nicht mehr messbar sein.
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Unter Bezug auf die Variante der 9 wird zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, zwei verschiedene Kleber zur Befestigung der MSM-Membran 4 zu verwenden. Ein erster Kleber (Bezugszeichen 2) besteht aus einem harten, festen Werkstoff und fixiert die MSM-Membran 4 an zwei Seiten entsprechend einer festen Einspannung. Ein zweiter Kleber (Bezugszeichen 3) ist ein elastischer Klebstoff und erlaubt eine geringfügige Bewegung der MSM-Membran 4 bei Druckbeaufschlagung dieser Membran aus der (hier quadratischen) Bohrung des Membransockels 1 heraus. Die elastische Nachgiebigkeit des zweiten Klebers 3 kann durch Herstellen einer dickeren Klebstoffschicht erhöht werden, wobei zu diesem Zweck etwa Aussparungen in die Oberfläche des Membransockels gefräst werden können, so dass tieferliegende Zonen für den elastischen Kleber entstehen.
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Auch wenn die Bohrung des Membransockels 1 in 9 querschnittlich quadratisch dargestellt ist, kann diese geeignet kreis- oder rechteckförmig ausgestaltet sein.
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Weist die Kristallstruktur des MSM-Werkstoffs keine tote Achse im oben diskutierten Sinne auf, so führt der MSM-Effekt bei Anliegen von Druck (bei entsprechender Wahl der Kristallachsen im Bezug zur Membranebene) zu einer Dehnung entlang beider Achsen in der x-y-Ebene (9a, 9c). Die MSM-Membran 4 kann in diesem Fall an allen Seiten mit möglichst hoher (gleicher) Zugfestigkeit befestigt werden, wozu ein harter Kleber oder evtl. weitere Verfahren wie Löten, Widerstandsschweißen, Laserschweißen oder Andrücken auf den Membransockel mithilfe eines Einspannelements in Frage kommen.
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So zeigt etwa die Variante der 10 einen MSM-Membran-Deckel 2, welcher von einer auf den Sockel 1 geschraubten Kappe 4 auf einen O-Ring 3 als Dichtung im Membransockel gedrückt wird.
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Dagegen zeigt die Variante der 11, dass ein MSM-Membran-Deckel 4 durch Laserschweißen oder Laser-Punktschweißen am Rand des Sockels 1 befestigt ist; das Bezugszeichen 3 bezeichnet insoweit die jeweiligen Schweißstellen, wobei hier die fakultativ gezeigte Dichtung (O-Ring) 3 entfallen kann, falls die Laserschweißung druckdicht realisiert werden kann.
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Bei all diesen Varianten ist es wichtig, die Membran im richtigen Kompressionszustand zu befestigen, da ansonsten der MSM-Effekt nicht auftreten kann und das Material dann höchstens plastisch deformiert wird, wie es grundsätzlich mit jedem Werkstoff bei ausreichender Kraft möglich wäre.
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Anhand der 12 bis 15 wird nachfolgend ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei wird, in Fortführung der ersten bis vierten Ausführungsbeispiele, von den makroskopischen Dimensionen eines Membrantopfes (welcher etwa aus Metall oder Keramik realisiert ist) zu mikrosystemtechnischen Dimensionen auf Wafer-Ebene übergegangen wird. Derartige Membrantöpfe können dann aus einem Wafer, z. B. aus Silizium, MgO oder dergleichen etwa durch Ätzverfahren hergestellt werden. MSM-Filme werden auf eine Membran derartiger Membrantöpfe mittels üblicher Techniken zur Filmherstellung (Sputtern, Laserablation oder dergleichen) abgeschieden oder durch Filmübertragungstechniken hergestellt; eine Mikrostrukturierung des Films in die gewünschte Kontur ist dann mit gängigen Verfahren möglich.
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Entsprechend zeigt etwa das Ausführungsbeispiel der 12 einen Membrantopf 2 aus Silizium, welcher auf einem Unterkörper 1 (etwa aus Pyrex realisiert) befestigt ist. Der Membrantopf 2 bildet zunächst aus dem Substrat-Werkstoff (hier: Silizium) eine Membran 3 aus, auf welcher ein MSM-Dünnfilm 4 gebildet ist. Im Hinblick auf die 12 zeigt die 12b einen Längsschnitt durch die Gesamtanordnung, die 12c einen Längsschnitt durch den Membrantopf 2.
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Die Variante der 13, bei ansonsten gleichbleibenden Bezugszeichen gemäß 12, zeigt; wie eine freitragende MSM-Membran auf einem Membransockel eines Substrats durch geeignete Verfahren der Mikrostrukturierung (z. B. Membranübertragungsverfahren oder Freiätzen eines zuvor aufgedampften MSM-Films von der Substratrückseite aus) hergestellt werden. Entsprechend ist wiederum Bezugszeichen 1 ein Unterkörper aus Pyrex, Bezugszeichen 2 ein Membrantopf, Bezugszeichen 3 verdeutlicht die Membran aus dem Substrat-Werkstoff, Bezugszeichen 4 den MSM-Dünnfilm.
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Der in den 12 und 13 gezeigte Unterkörper 1 dient, falls erforderlich und i. ü. bei piezoresistiven Druckmessern üblich, der Entkopplung der empfindlichen Membran von Spannungen, wie sie etwa von der Befestigung der Messzelle auf deren Unterseite ausgehen können, z. B. aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe der Messzelle und des Platinenwerkstoffs, auf welchem die Messzelle befestigt ist. Auch kann die Öffnung im Membrantopf bzw. Membransockel auf Wafer-Ebene geeignet konturiert sein, quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder auf andere Weise rund. Auch ist die Anordnung des Magnetfeldsensors, der Sensorelektronik bzw. etwaiger Permanentmagnete entsprechend geeignet möglich, wie etwa bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der 14 und 15 zeigt eine mikrosystemtechnische Umsetzung der MSM-Messzelle, welche den Magnetfeldsensor, etwaige Permanentmagnete und/oder die Sensorelektronik integriert.
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So zeigt die Darstellung gemäß 14 eine MSM-Messzelle bestehend aus einem Siliziumsockel 2 (einem Unterkörper 1), wobei dem Si-Sockel eine MSM-Membran in Form eines Films 4 zugeordnet ist. Mindestens ein Magneffeldsensor (Hall-Sensor) 5 befindet sich im Si-Sockel 2 neben der rechteckigen Mittenbohrung im Sockel. Vorteilhaft bei dieser Messzelle ist insbesondere auch die rechteckige Formgebung der Bohrung im Si-Sockel 2; eine darauf befindliche, freitragende MSM-Membran 2 wird fast ausschließlich Dehnungen in y-Richtung erfahren, dagegen nur geringe Dehnung in x-Richtung. Aus diesem Grund kann die tote Achse des MSM-Werkstoffs, die möglichst nicht gedehnt werden soll, vorteilhaft in x-Richtung angeordnet sein. Die MSM-Schicht 2 erstreckt sich über den Magnetfeldsensor 5, wobei alternativ auch der Magnetfeldsensor freigelegt sein kann. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet bei allen Varianten elektrische Anschlusskontakte.
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Die Variante in 15 zeigt eine Messzelle, wiederum bestehend aus einem Si-Membrantopf 2 und einer darauf gebildeten MSM-Schicht (Film) 5. Unmittelbar in der Zone einer größten Verformung der Siliziummembran befindet sich mindestens ein Magnetfeldsensor (Hall-Sensor) 3 in der Siliziummembran. Dieser Magnetfeldsensor kann aber auch außerhalb der Siliziummembran neben der Verformungsstelle, etwa im Siliziumsockel, angeordnet sein (wie in der Variante der 14). Der Magnetfeldsensor kann entweder die Änderung der Feldkomponente in der x-y-Ebene oder senkrecht zu dieser, also in z-Richtung, messen.
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Im Ausführungsbeispiel der 15 zeigt entsprechend das Bezugszeichen 1 den Unterkörper, 2 den darauf gebildeten Silizium-Membrantopf, 3 den Magnetfeldsensor, 4 den mindestens einen Permanentmagneten, 5 den MSM-Film, 6 die Anschlussflächen (Anschluss-Pads) sowie 7 die Siliziummembran.
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Die 16 zeigt die Integration der gezeigten Ausführungsform in ein Sensor-Bauelement. Die MSM-Messzelle wird, wie in der schematischen Darstellung der 16 herausgehoben gezeigt, über das Druckloch in einer Platine 3 geklebt (diese enthält entsprechend die weitere Elektronik). Die Platine wiederum wird in das Sensorgehäuse 2 geklebt, so dass das Druckloch der Platine sich über dem Druckkanal (gezeigt ist der Druckanschluss 1) des Gehäuses befindet. Die MSM-Messzelle wird etwa durch Drahtbonden mit der Platine kontaktiert, wobei sich auf der Platine zur Kennlinien- und Temperaturkompensation ein ASIC 5 befindet. Eine Integration von (nicht näher gezeigten) Permanentmagneten kann weiterbildungsgemäß hier sowohl durch eine geeignete Anordnung von makroskopischen Permanentmagneten, etwa an der Platine, erfolgen, alternativ durch eine mikrosystemtechnische Integration in das Silizium.
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In einer noch höheren Integrationsstufe kann aus der MSM-Messzelle ein MSM-ASIC werden, d. h. das Messsignal des Hall-Sensors wird verstärkt, linearisiert und temperaturkompensiert in einer einzigen integrierten Schaltung. Ein Membrantopf/-sockel, das MSM-Element, der Hall-Sensor und die Elektronik werden damit auf einem gemeinsamen Träger, z. B. Si-Wafer, angeordnet bzw. aus einem solchen Wafer in einer entsprechenden Prozesskette herausgearbeitet.
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In sämtlichen vorgenannten Ausführungsbeispielen können in geeigneter Weise zusätzliche magnetisch leitende Elemente in Form von Flussleitelementen vorgesehen sein (ergänzend oder alternativ zu Permanentmagneten), welche das Streufeld des MSM-Elements am Ort des Magnetfeldsensors konzentrieren und damit eine Sensitivität erhöhen bzw. eine Flexibilität bei der Anordnung des Magnetfeldsensors verbessern. Weiterhin ermöglichen Flussleitteile etwa eine Ankopplung des (permanentmagnetischen) Feldes an das MSM-Element.
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Während zudem bislang lediglich Permanentmagnetmittel als zusätzliche feldbeeinflussende Elemente zur Magnetisierung beschrieben wurden, ist es insbesondere auch möglich, derartige zusätzliche Magnetfeldmittel in Form von Spulen oder Mikrospulen zu realisieren. Hiermit werden zwei zusätzliche Varianten des Sensors im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen ermöglicht. Einerseits kann durch gesteuerte Veränderung eines so durch eine Spule oder dergleichen erzeugten Bias-Feldes eine zur Membran-Deformation nötige Krafteinwirkung verändert werden, so dass im Ergebnis eine Veränderung des Messbereichs im Betrieb gestattet ist (was wiederum eine optimierte Sensitivität für verschiedene Druckbereiche ermöglicht). Zum anderen kann diese Realisierungsform mit entsprechender Ansteuerung der Spulen auch dazu genutzt werden, bei einer drohenden Überlastsituation (d. h. sobald etwa der Druck eine definierte Grenze übersteigt) die Membran durch Bestromung der Spulen zu versteifen, damit etwa eine ansonsten irreversible Schädigung bei einem Überdruck zu vermeiden. Hier liegt ein deutlicher Vorteil gegenüber etwa piezoresistiven Sensoren, bei welchen größere Überlastsicherheit lediglich durch eine dickere Membran realisierbar ist, was wiederum die Sensitivität innerhalb des eigentlichen Messbereichs herabsetzt.
