DE102010040373B4 - Mikromechanisches Drucksensorelement - Google Patents

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Abstract

Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 20, 30)- mit mindestens einer druckempfindlichen Sensormembran (11, 21, 31), die in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat (1) realisiert ist und eine Kaverne (12, 22, 32) überspannt, und- mit Piezowiderständen (14, 24, 34) im Bereich der Sensormembran (11, 21, 31) als Mittel zur Signalerfassung, wobei mindestens ein Dämpfungselement (15, 25, 35) federnd in den Schichtaufbau eingebunden ist, dass das Dämpfungselement (15, 25, 35) im Auslenkungsbereich der Sensormembran (11, 21, 31), in einem definierten Abstand über der Sensormembran (11, 21, 31) angeordnet ist, so dass sich bei Druckeinwirkung der Abstand zwischen Sensormembran (11, 21, 31) und Dämpfungselement (15, 25, 35) verändert, bis zum Erreichen eines Druckschwellwerts pS, ab dem sich Sensormembran (11, 21, 31) und Dämpfungselement (15, 25, 35) zumindest in einem Anlagebereich berühren und nur noch gemeinsam weiter auslenkbar sind, und wobei die Kaverne (12, 22, 32) eine Druckanschlussöffnung (13, 23, 33) aufweist, so dass die Sensormembran (11, 21, 31) rückseitig mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagbar ist, und wobei das Dämpfungselement (15, 25, 35) im Schichtaufbau über der Sensormembran (11, 21, 31) angeordnet ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Drucksensorelement mit mindestens einer druckempfindlichen Sensormembran, die in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert ist und eine Kaverne überspannt, und mit Piezowiderständen im Bereich der Sensormembran als Mittel zur Signalerfassung.
  • Mikromechanische Drucksensoren werden im Maschinenbau, der Prozessmesstechnik, der Kfz-Technik sowie in der Medizintechnik für vielfältige Messaufgaben verwendet. Piezoresistiv arbeitende Sensorelemente umfassen meist nur eine Sensormembran, die je nach Verwendung als Absolutdrucksensor oder als Relativdrucksensor einseitig oder zweiseitig mit einem Messdruck beaufschlagt wird. Die Widerstandselemente zur Signalerfassung sind in der Regel in den Bereichen maximaler Dehnung der Membranoberfläche, also im Randbereich, angeordnet.
  • Eine Anwendung für mikromechanische Differenzdrucksensoren in der Kfz-Technik besteht in der Überwachung des Zustands bzw. der Filterwirkung des Rußpartikelfilters im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Dazu wird die Rußpartikelmenge, die sich am Rußpartikelfilter abgesetzt hat, bestimmt. Bei hoher Rußmasse ist der Drucksensor Differenzdrücken im Bereich von 1,5 bar ausgesetzt. Ein intakter Rußpartikelfilter hält über 95% aller Rußpartikel zurück. Über seine Lebensdauer kann der Rußpartikelfilter jedoch leckschlagen. Dies lässt sich ebenfalls mit Hilfe von Differenzdruckmessungen erkennen. Allerdings liegt die hierfür notwendige Druckauflösung bei ca. 5mbar. Deshalb werden im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs meist zwei Differenzdrucksensoren für unterschiedliche Messbereiche und mit unterschiedlicher Druckauflösung eingesetzt.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 100 34 390 A1 ist ein Drucksensor mit einem Gehäuse offenbart, dessen Innenraum durch eine Membran verschlossen ist, und mit einem separat angeordneten, flexiblen Messelement. Der Drucksensor hat weiterhin ein Übertragungselement, das als Chip ausgestaltet ist und zur Kraftübertragung von der Membran auf das Messelement dient. Ein Anschlagelement gerät bei einer definierten Verformung des Messelements mit einem Bereich des Übertragungselements in Kontakt und wirkt der ausgeübten Kraft entgegen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird ein piezoresistiv arbeitendes Drucksensorelement mit einem einfachen Aufbau vorgeschlagen, dessen Messbereich sich aus mindestens zwei Teilbereichen unterschiedlicher Messempfindlichkeit zusammensetzt.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass mindestens ein Dämpfungselement federnd in den Schichtaufbau eingebunden ist und dass das Dämpfungselement im Auslenkungsbereich der Sensormembran, in einem definierten Abstand über und/oder unter der Sensormembran angeordnet ist. Auf diese Weise verändert sich bei Druckeinwirkung der Abstand zwischen Sensormembran und Dämpfungselement bis zum Erreichen eines Druckschwellwerts, ab dem sich Sensormembran und Dämpfungselement zumindest in einem Anlagebereich berühren und nur noch gemeinsam weiter auslenkbar sind.
  • Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor mit einer Sensormembran, deren Auslenkung als Maß für den verursachenden Druck erfasst wird. Der Messbereich und die Messempfindlichkeit eines derartigen Sensors werden durch strukturelle Parameter, wie Größe und Dicke der Membran sowie die Steifigkeit der Membranaufhängung, bestimmt. Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, die strukturellen Parameter der Sensormembran mit Hilfe eines Dämpfungselements für einen Teil des Messbereichs zu verändern, so dass zwei Teilbereiche mit unterschiedlicher Messempfindlichkeit entstehen. Diese beiden Teilbereiche des Messbereichs werden im Folgenden auch als Kennlinienbereiche bezeichnet.
  • Da die Sensormembran und das Dämpfungselement im Schichtaufbau übereinander angeordnet sind, kann das erfindungsgemäße Sensorelement auf einer vergleichsweise kleinen Chipfläche realisiert werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorkonzepts besteht darin, dass die beiden Kennlinienbereiche sowie der Druckschwellwert weitgehend unabhängig voneinander anwendungsspezifisch optimiert werden können, da die strukturellen Parameter der Sensormembran und die des Dämpfungselements weitgehend unabhängig voneinander gewählt werden können und der Druckschwellwert wesentlich durch den Abstand zwischen der Sensormembran und dem Dämpfungselement bestimmt wird.
  • Bei der Sensormembran des erfindungsgemäßen Sensorelements handelt es sich um eine geschlossene Druckmembran mit Piezoelementen zur Signalerfassung. Die Druckempfindlichkeit der Sensormembran wird im Wesentlichen durch die Membrandicke im Randbereich bestimmt. Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Sensormembran kann der Mittelbereich mit Korrugationen versehen werden.
  • In einer besonders einfachen und robusten Realisierungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Dämpfungselement ebenfalls um eine geschlossene Membran, die in einem definierten Abstand über oder unter der Sensormembran in den Schichtaufbau des Sensorelements eingebunden ist. Die Federsteifigkeit des Dämpfungselements wird hier durch seine Dicke vorgegeben. Da die Sensormembran in diesem Fall nur einseitig mit einem Messdruck beaufschlagt werden kann, eignet sich diese Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements ausschließlich zur Absolutdruckmessung.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Dämpfungselement einen Federbereich, in dem stegartige Federelemente und entsprechend auch Durchgangsöffnungen zwischen den Federelementen ausgebildet sind. Die Federsteifigkeit des Dämpfungselements hängt hier nicht nur von dessen Dicke sondern ganz wesentlich auch von der Anzahl, Form und Anordnung der Federelemente ab. Diese Variante bietet also eine große Designfreiheit bei der Auslegung der Sensorkennlinienbereiche. Da die Sensormembran hier auch über die Öffnungen zwischen den Federelementen des Dämpfungselements mit einem Messdruck beaufschlagt werden kann, lässt sich diese Variante des erfindungsgemäßen Sensorelements auch für Relativdruckmessungen konfigurieren.
  • Erfindungsgemäß wird die Sensormembran rückseitig mit einem ersten Messdruck beaufschlagt. Dazu weist die Kaverne unter der Sensormembran eine Druckanschlussöffnung auf. Bei dieser Variante ist ein Dämpfungselement im Schichtaufbau über der Sensormembran angeordnet. Bauelemente mit einer derartigen Sensorstruktur lassen sich vergleichsweise einfach mit Standardverfahren der Halbleitertechnik herstellen und verpacken.
  • An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Sensormembran auch zwischen zwei Dämpfungselementen im Schichtaufbau angeordnet sein kann, von denen mindestens eines mit Durchgangsöffnungen zur Druckbeaufschlagung der Sensormembran versehen sein muss. In diesem Fall umfasst der Messbereich des Sensorelements zwei Druckschwellwerte und dementsprechend drei Teilbereiche mit unterschiedlicher Messempfindlichkeit.
  • Soll das erfindungsgemäße Sensorelement zur Absolutdruckmessung genutzt werden und erfolgt die Druckbeaufschlagung der Sensormembran über einen rückseitigen Druckanschluss, so kann das Dämpfungselement einfach in Form einer zweiten geschlossenen Membran über der Sensormembran realisiert werden. In diesem Fall schützt das Dämpfungselement die Sensormembran mit den Piezowiderständen gegen mechanische Einflüsse und auch gegen aggressive Messmedien.
    Als zusätzliche Schutzmaßnahme kann über dem Dämpfungselement eine Kappe angeordnet werden und druckdicht mit der Sensorstruktur verbunden werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn im Federbereich des Dämpfungselements Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, über die andernfalls Schmutzpartikel in die Sensorstruktur eindringen könnten.
  • Das Kennlinienverhalten eines erfindungsgemäßen Drucksensorelements lässt sich dann besonders gut vorgeben und optimieren, wenn die Auslenkung der Sensormembran bis zum Druckschwellwert unabhängig von der Steifigkeit der Aufhängung des Dämpfungselements ist, wenn also die Sensormembran und das Dämpfungselement in einem ersten Auslenkungsbereich der Sensormembran mechanisch weitestgehend entkoppelt sind. In diesem Fall wird der erste Kennlinienbereich ausschließlich durch die Eigenschaften der Sensormembran bestimmt. Außerdem kann der Druckschwellwert einfach über den Abstand zwischen der Sensormembran und dem Dämpfungselement definiert werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Sensormembran und das Dämpfungselement mechanisch gekoppelt, und zwar je nach Kennlinienbereich mehr oder weniger. Dazu umfasst das Dämpfungselement einen Mittelbereich, der über Federelemente mit dem Randbereich des Dämpfungselements verbunden ist. Der Mittelbereich des Dämpfungselements ist starr mit der Sensormembran verbunden und wird zusammen mit der Sensormembran ausgelenkt, während sich der Abstand zwischen dem Randbereich des Dämpfungselements und der Sensormembran verändert. In diesem Fall ist der Druckschwellwert dann erreicht, wenn der Randbereich des Dämpfungselements die Sensormembran berührt. Die Sensormembran kann dann nur noch gegen die Federkraft der Federelemente des Dämpfungselements weiter ausgelenkt werden, wodurch sich die Messempfindlichkeit bei höheren Drücken deutlich verringert.
  • Wesentlich für die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Sensorelements ist der Abstand zwischen der Sensormembran und dem Dämpfungselement, der sich aufgrund von Druckeinwirkung so weit verringert, bis sich die Sensormembran und das Dämpfungselement in einem Anlagebereich berühren. Dabei kann es zu einem starken Anhaften zwischen Sensormembran und Dämpfungselement kommen, was die Funktionsfähigkeit des Sensorelements nachhaltig beeinträchtigt.
    Bei allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorelements erweist es sich deshalb als vorteilhaft, wenn zumindest auf einer der beiden einander zugewandten Oberflächen der Sensormembran und des Dämpfungselements Anschlagelemente ausgebildet sind, durch die ein flächiger Kontakt und damit auch ein starkes Anhaften zwischen der Sensormembran und dem Dämpfungselement vermieden werden. Alternativ oder ergänzend zu den Anschlagelementen kann auch zumindest eine der beiden einander zugewandten Oberflächen der Sensormembran und des Dämpfungselements mit einer Antihaftschicht versehen sein, um ein flächiges Anhaften zu verhindern.
  • Die Piezowiderstände zur Signalerfassung sind auf der Sensormembran angeordnet, und zwar möglichst in den Bereichen maximaler Dehnung. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Sensorkonzepts können zusätzlich auch auf dem Dämpfungselement Piezowiderstände angeordnet werden, nämlich in den Federbereichen des Dämpfungselements. Die so gewonnene Redundanz bei der Signalerfassung reduziert die Fehleranfälligkeit des Messsignals.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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 Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
    • 1a bis 1c zeigen schematische Schnittdarstellungen eines ersten erfindungsgemäßen Sensorelements 10 ohne Druckbeaufschlagung (a) und mit Druckbeaufschlagung unterhalb (b) und oberhalb (c) des Druckschwellwerts ps;
    • 2 zeigt die Kennlinie des Sensorelements 10;
    • 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Sensorelements 10 mit Kappe;
    • 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorelements 20 zur Absolutdruckmessung; und
    • 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Sensorelements 30 mit mechanischer Kopplung zwischen Sensormembran und Dämpfungselement.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die 1a bis 1c veranschaulichen das erfindungsgemäße Sensorkonzept am Beispiel des mikromechanischen Sensorelements 10. Es umfasst eine geschlossene Sensormembran 11, die in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert ist und eine Kaverne 12 überspannt. Ein Druckanschluss 13 erstreckt sich von der Bauelementrückseite durch die gesamte Dicke des Halbleitersubstrats 1 und mündet unterhalb des Mittelbereichs der Sensormembran 11 in die Kaverne 12. Im Randbereich der Sensormembran 11 sind Piezowiderstände 14 zur Signalerfassung angeordnet. In einem definierten Abstand über der Sensormembran 11 ist ein Dämpfungselement 15 federnd in den Schichtaufbau eingebunden, und zwar so, dass sich das Dämpfungselement 15 im Auslenkungsbereich der Sensormembran 11 befindet. Die federnde Aufhängung des Dämpfungselements 15 ist hier in Form von stegartigen Federelementen 16 im Randbereich des Dämpfungselements 15 realisiert. Auf der der Sensormembran 11 zugewandten Unterseite des Dämpfungselements 15 sind Anschlagelemente 18 ausgebildet.
  • Das hier beschriebene Sensorelement 10 ist für Relativdruckmessungen konfiguriert. Die Sensormembran 11 kann nämlich rückseitig über die Druckanschlussöffnung 13 in der Kaverne 12 mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagt werden, während ein zweiter Messdruck p2 vorderseitig auf die Sensormembran 11 einwirkt, und zwar über die Durchgangsöffnungen 17 zwischen den Federelementen 16 des Dämpfungselements 15. 1a zeigt das Sensorelement 10 ohne Druckbeaufschlagung bzw. für den Fall, dass p1 = p2.
  • In 1b ist der Fall dargestellt, dass p1 > p2 und dass der resultierende, auf die Sensormembran 11 wirkende Druck p = p1-p2 noch innerhalb des Druckbereichs liegt, in dem die Sensormembran 11 unabhängig vom Dämpfungselement 15 ausgelenkt wird. Ab einem bestimmten Druck p = ps, der als Druckschwellwert bezeichnet wird, wird die Sensormembran 11 so stark ausgelenkt, dass sie mit dem Dämpfungselement 15 bzw. mit den Anschlagelementen 18 auf der Unterseite des Dämpfungselements 15 in Berührungskontakt tritt.
  • Ist der auf die Sensormembran 11 wirkende Druck p größer als der Druckschwellwert ps, dann wird ein Teil der Drucklast auf das Dämpfungselement 15 übertragen und das Dämpfungselement 15 wird zusammen mit der Sensormembran 11 ausgelenkt. Dieser Fall ist in 1c dargestellt. Die Auslenkung der Sensormembran 11 hängt hier nicht nur von den Designparametern der Sensormembran 11 sondern zusätzlich auch von der Steifigkeit des Dämpfungselements 15 bzw. der Federelemente 16 ab. Diese verringert die Deformation der Sensormembran 11 und vermindert so die Empfindlichkeit des Sensorelements 10 für Drücke oberhalb des Druckschwellwerts ps. Das Dämpfungselement 15 erhöht außerdem den Berstdruck der Sensormembran 11.
  • Das Kennlinienverhalten des Sensorelements 10 für p1 > p2, d.h. für p > 0, wird durch das Diagramm der 2 veranschaulicht, dass das Messsignal Vout in Abhängigkeit vom Messdruck p wiedergibt. Das Messsignal Vout wird beispielsweise durch Verschalten der Piezowiderstände 14 in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gewonnen. Der Messbereich umfasst zwei Teilbereiche mit jeweils linearem Kennlinienverhalten aber unterschiedlicher Steigung, d.h. unterschiedlicher Messempfindlichkeit. Bei dem ersten Teilbereich p < pS handelt es sich um den Druckbereich, in dem die Sensormembran 11 unabhängig vom Dämpfungselement 15 ausgelenkt wird. Im zweiten Teilbereich pS < p ist die Messempfindlichkeit deutlich reduziert, da die Auslenkung der Sensormembran 11 in diesem Druckbereich wesentlich von der Steifigkeit der Federaufhängung des Dämpfungselements 15 abhängt. Deshalb knickt die Kennlinie am Druckschwellwert pS ab und zeigt bei höheren Drücken einen flacheren Verlauf. Da das Sensorelement 10 nur ein Dämpfungselement 15 umfasst, das im Schichtaufbau über der Sensormembran 11 angeordnet ist, wird die Kennlinie für den Fall p < 0, d.h. wenn p1 < p2, ausschließlich durch die Designparameter der Sensormembran 11 bestimmt und ist dementsprechend einfach linear. Darauf muss beim Einbau des Sensorelements 10 geachtet werden.
  • Das in den 1a bis 1c dargestellte Sensorelement 10 lässt sich auch für Absolutdruckmessungen konfigurieren. Eine besonders medienresistente Variante ist in 3 dargestellt. Dazu wurde das Sensorelement 10 mit einer Kappe 2 versehen, die druckdicht über dem Dämpfungselement 15 montiert wurde. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Kappe 2 um einen Chip, der mit Hilfe von Sealglas 3 so mit dem Rahmen 19 des Dämpfungselements 15 verbunden wurde, dass eine druckbedingte Auslenkung des Dämpfungselements 15 nicht behindert wird. Das Dämpfungselement 15 befindet sich hier also in einem abgeschlossenen Referenzvolumen 4 zwischen der Sensormembran 11 und der Kappe 3. Die Druckbeaufschlagung erfolgt ausschließlich über die Druckanschlussöffnung 13 in der Kaverne 12.
    Die Kappe 2 ist in 3 nur schematisch dargestellt. Je nach Ausführungsform kann sie mit Öffnungen für Bondpads versehen sein. Zur Vergrößerung des Referenzvolumens kann die Unterseite der Kappe auch strukturiert sein und eine Ausnehmung im Bereich der Sensormembran 11 bzw. des Dämpfungselements 15 aufweisen. Die Verbindung zum Schichtaufbau des Sensorelements10 kann je nach Kappenmaterial auch durch eutektisches oder anodisches Bonden hergestellt sein.
  • In 4 ist ein Sensorelement 20 dargestellt, das ausschließlich für Absolutdruckmessungen vorgesehen ist. Wie das Sensorelement 10 umfasst es eine Sensormembran 21 mit integrierten Piezowiderständen 24 zur Signalerfassung. Die Sensormembran 21 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert und überspannt eine Kaverne 22 mit einer rückseitigen Druckanschlussöffnung 23. Auch das Dämpfungselement 25 des Sensorelements 20 ist in einem definierten Abstand über der Sensormembran 21 federnd in den Schichtaufbau eingebunden, und zwar so, dass sich das Dämpfungselement 25 im Auslenkungsbereich der Sensormembran 21 befindet. Auf der der Sensormembran 21 zugewandten Unterseite des Dämpfungselements 25 sind Anschlagelemente 28 ausgebildet, die ein Anhaften der Sensormembran 21 am Dämpfungselement 25 verhindern sollen. Im Unterschied zum Sensorelement 10 ist das Dämpfungselement 25 allerdings geschlossen, so dass sich zwischen dem Dämpfungselement 25 und der Sensormembran 21 ein abgeschlossenes Volumen 4 befindet, in dem ein Referenzdruck herrscht. Die Druckbeaufschlagung erfolgt ausschließlich über die rückseitige Druckanschlussöffnung 23. Bei Erreichen des Schwellwertdrucks pS wird das Dämpfungselement 25 entsprechend seiner Dicke nur wenig ausgelenkt, jedoch schmiegt sich die Sensormembran 21 S-schlagförmig an das Dämpfungselement 25 an. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Sensorelements 20 im Druckbereich oberhalb des Schwellwertdrucks pS deutlich herabgesetzt. Die Steifigkeit des Dämpfungselements hängt von dessen Dicke und Größe ab. Das Dämpfungselement entspricht hier also einer weiteren Membran analog den stegartigen Federelementen in 1a-c. Diese Membran kann auch als Ring- bzw. Bossmembran ausgestaltet werden. Die Größe der zentralen Versteifung stellt damit einen weiteren Dimensionierungsparameter dar.
  • Sowohl im Fall des Sensorelements 10 als auch im Fall des Sensorelements 20 sind die Sensormembran 11 bzw. 21 und das Dämpfungselement 15 bzw. 25 zumindest im Druckbereich unterhalb des Schwellwertdrucks pS mechanisch entkoppelt. Das Dämpfungselement 15 bzw. 25 ist hier jeweils in Druckrichtung hinter der Sensormembran 11 bzw. 21, also in der Auslenkungsrichtung der Sensormembran 11 bzw. 21 angeordnet. Im Unterschied dazu zeigt 5 eine Variante, bei der das Dämpfungselement 35 in Druckrichtung vor der Sensormembran 31 angeordnet ist.
  • Auch das in 5 dargestellte Sensorelement 30 umfasst eine geschlossene Sensormembran 31 mit im Randbereich integrierten Piezowiderständen 34 zur Signalerfassung. Die Sensormembran 31 ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat 1 realisiert und überspannt eine Kaverne 32 mit einem rückseitigen Druckanschluss 33. In einem definierten Abstand über der Sensormembran 31 ist ein Dämpfungselement 35 federnd in den Schichtaufbau eingebunden. Das Dämpfungselement 35 unterscheidet sich allerdings von den Dämpfungselementen 15 und 25 der Sensorelemente 10 und 20 insofern, als es sich allseitig über die Sensormembran 31 hinaus erstreckt und einen Mittelbereich 351 und einen Randbereich 352 umfasst, die über stegartige Federelemente 36 miteinander verbunden sind. Der Mittelbereich 351 des Dämpfungselements 35 ist starr mit der Sensormembran 31 verbunden, während auf der der Sensormembran 31 zugewandten Unterseite des Randbereichs 352 des Dämpfungselements 35 Anschlagelemente 38 ausgebildet sind.
  • Wie das Sensorelement 10 ist auch das Sensorelement 30 für Relativdruckmessungen konfiguriert. Die Sensormembran 31 kann nämlich rückseitig über die Druckanschlussöffnung 33 mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagt werden, während ein zweiter Messdruck p2 vorderseitig über die Durchgangsöffnungen 37 zwischen den Federelementen 36 des Dämpfungselements 35 auf die Sensormembran 31 einwirkt. Allerdings ist das Sensorelement 30 für den Fall p1 < p2 konzipiert, in welchem die Sensormembran 31 nach unten ausgelenkt wird. Da der Mittelbereich 351 starr mit der Sensormembran 31 verbunden ist, wird das Dämpfungselement 35 zusammen mit der Sensormembran 31 ausgelenkt. Dabei verringert sich der Abstand zwischen dem Randbereich 352 des Dämpfungselements 35 und dem Rahmen der Sensormembran 31 bzw. der Sensormembran 31 bis zum Druckschwellwert ps, bei dem der Randbereich 352 bzw. die Anschlagelemente 38 den Rahmen der Sensormembran 31 berühren. Die Situation p = pS ist in 5 dargestellt.
    Wird der auf die Sensormembran 31 wirkende Druck p höher als der Druckschwellwert ps, dann wird die Sensormembran 31 zwar immer noch weiter ausgelenkt, aber zusätzlich gegen die Federkraft der Federelemente 36. Deshalb weist auch die Kennlinie des Sensorelements 30 einen abgeknickten Verlauf auf, wie er in 2 dargestellt ist.
  • Obwohl die voranstehend beispielhaft beschriebenen Sensorelemente jeweils immer nur ein Dämpfungselement umfassen, sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung auch auf Sensorvarianten erstreckt, bei denen (i) die Sensormembran zwischen zwei Dämpfungselementen angeordnet ist, so dass der Messbereich eines derartigen Sensorelements drei Teilbereiche unterschiedlicher Messempfindlichkeit umfasst und solche Sensorvarianten, bei denen (ii) statt eines einzelnen zusammenhängenden Dämpfungselementes mehrere nebeneinander auf wenigstens einer Seite der Sensormembran vorgesehen sind, wobei einzelne dieser Dämpfungselemente verschiedene Abstände zur Sensormembran haben.

Claims (10)

  1. Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 20, 30) - mit mindestens einer druckempfindlichen Sensormembran (11, 21, 31), die in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat (1) realisiert ist und eine Kaverne (12, 22, 32) überspannt, und - mit Piezowiderständen (14, 24, 34) im Bereich der Sensormembran (11, 21, 31) als Mittel zur Signalerfassung, wobei mindestens ein Dämpfungselement (15, 25, 35) federnd in den Schichtaufbau eingebunden ist, dass das Dämpfungselement (15, 25, 35) im Auslenkungsbereich der Sensormembran (11, 21, 31), in einem definierten Abstand über der Sensormembran (11, 21, 31) angeordnet ist, so dass sich bei Druckeinwirkung der Abstand zwischen Sensormembran (11, 21, 31) und Dämpfungselement (15, 25, 35) verändert, bis zum Erreichen eines Druckschwellwerts pS, ab dem sich Sensormembran (11, 21, 31) und Dämpfungselement (15, 25, 35) zumindest in einem Anlagebereich berühren und nur noch gemeinsam weiter auslenkbar sind, und wobei die Kaverne (12, 22, 32) eine Druckanschlussöffnung (13, 23, 33) aufweist, so dass die Sensormembran (11, 21, 31) rückseitig mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagbar ist, und wobei das Dämpfungselement (15, 25, 35) im Schichtaufbau über der Sensormembran (11, 21, 31) angeordnet ist.
  2. Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federbereich des Dämpfungselements (15, 35) stegartige Federelemente (16, 36) und Öffnungen (17, 37) zwischen den Federelementen (16, 36) umfasst.
  3. Mikromechanisches Drucksensorelement (10) zur Absolutdruckmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über dem Dämpfungselement (15) eine Kappe (2) angeordnet ist und dass die Kappe (2) druckdicht mit der Sensorstruktur verbunden ist.
  4. Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormembran (11, 21) und das Dämpfungselement (15, 25) mechanisch nicht gekoppelt sind, so dass die Auslenkung der Sensormembran (11, 21) bis zum Druckschwellwert pS unabhängig von der Steifigkeit der Aufhängung des Dämpfungselements (15, 25) ist.
  5. Mikromechanisches Drucksensorelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (35) einen Mittelbereich (351) umfasst, der über Federelemente (36) mit dem Randbereich (352) des Dämpfungselements (35) verbunden ist, dass der Mittelbereich (351) des Dämpfungselements (35) starr mit der Sensormembran (31) verbunden ist und zusammen mit der Sensormembran (31) ausgelenkt wird, während sich der Abstand zwischen dem Randbereich (352) des Dämpfungselements (35) und der Schichtebene der Sensormembran (31) verändert.
  6. Mikromechanisches Drucksensorelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (35) aus mehreren Teilen besteht, die verschiedene Abstände von der Schichtebene der Sensormembran (31) haben.
  7. Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf einer der beiden einander zugewandten Oberflächen der Sensormembran (11, 21) und des Dämpfungselements (15, 25) Anschlagelemente (18, 28) ausgebildet sind.
  8. Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden einander zugewandten Oberflächen der Sensormembran (11, 21, 31) und des Dämpfungselements (15, 25, 35) mit einer Antihaftschicht versehen sind.
  9. Mikromechanisches Drucksensorelement (10, 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Piezowiderstände (14, 24, 34) zur Signalerfassung im Federbereich des Dämpfungselements (15, 25, 35) angeordnet sind.
  10. Verwendung eines mikromechanischen Drucksensorelements (10, 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bestimmung der Leckrate und der Rußmenge eines Rußpartikelfilters im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs.
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