-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer Druckdifferenz, insbesondere einen kapazitiver Differenzdrucksensor zur Wandlung eines an zwei Druckanschlüssen des Sensors anstehenden Differenzdruckes in ein elektrisches Signal.
-
Für derartige Differenzdrucksensoren kommen verschiedene Messprinzipien in Betracht, die zum Großteil darauf beruhen, dass infolge der Druckdifferenz ein Verformungskörper, insbesondere eine Membran, ausgelenkt wird und die Auslenkung durch Messelemente in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Messelemente können dabei auf einem Messchip angeordnet sein, der in einer Ölvorlage gekapselt ist. Trennmembranen übertragen den Druck vom Messmedium zum Öl in der Ölvorlage und diese weiterhin zu dem Messchip bzw. den Messelementen. Durch die Ölvorlage ist ein Schutz des Messchips und insbesondere der Messelemente gegenüber aggressiven Messmedien gegeben.
-
Bei einigen Anwendungen, beispielsweise in der Hydraulik, ist es erforderlich, bei einem hohen Betriebsdruck oder statischen Druck von beispielsweise bis zu 250 bar relativ kleine Druckdifferenzen messen zu können. Derartige Druckverhältnisse treten beispielsweise bei der Überwachung von Filtern auf, da der Verschmutzungsgrad eines Filters zu einer Erhöhung des Druckabfalls über das Filterelement führt. Durch Messung des an dem Filter anstehenden Differenzdrucks im Bereich von weniger als 10 bar kann die Information für die Notwendigkeit eines Filterwechsel gewonnen werden. Dies reduziert im Vergleich zu fixen Wartungsintervallen im Sinne einer „preventive maintenance” sowohl Ausfallzeiten als auch Kosten. Eine weitere mögliche Anwendung derartiger Sensoren ist de lastabhängige Steuerung der Hydraulik etwa bei Baggerschaufeln, bei welcher der Differenzdruck als Steuergröße dient.
-
Eine Vorrichtung zum Messen der Differenz zwischen einem ersten Druck und einem zweiten Druck, insbesondere ein kapazitiver Differenzdrucksensor, ist aus der
US 6,431,003 B1 bekannt. Die bekannte Vorrichtung umfasst zwei, eine gemeinsame Elektrode aufweisende kapazitive Absolutdrucksensoren, wobei die Membranen der beiden kapazitiven Absolutdrucksensoren in ihrer Auslenkung miteinander gekoppelt sind.
-
Auch aus der
DE 10 2009 000 056 A1 und der
EP 0 896 658 B1 sind Vorrichtungen zur Differenzdruckmessung bekannt, bei denen zwei auslenkbare Membranen über mindestens einen Verbindungssteg miteinander verbunden sind und dadurch die Auslenkung einer Membran auf die andere Membran übertragen wird.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die bei hohen statischen Drücken eine hohe Auflösung für den zu messenden Differenzdruck aufweist. In einer Ausführungsart soll bei reduzierter Baugröße der Vorrichtung eine hohe Medienresistenz und eine hohe Berstdruckfestigkeit bei gleichzeitg hoher Messgenauigkeit und Langzeitstabilität erreicht werden.
-
Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
-
In einer Ausführungsart umfasst die Vorrichtung zwei, eine gemeinsame Elektrode aufweisende kapazitive Absolutdrucksensoren. Die beiden Absolutdrucksensoren können vorzugsweise den ersten Druck als auch den zweiten Druck unabhängig voneinander bestimmen. Eine erste Elektrode eines der beiden Absolutdrucksensoren ist infolge des ersten Drucks und unabhängig vom zweiten Druck gegenüber der gemeinsamen Elektrode auslenkbar. Ein zweite Elektrode des anderen der beiden Absolutdrucksensoren ist infolge des zweiten Drucks und unabhängig vom ersten Druck gegenüber der gemeinsamen Elektrode auslenkbar.
-
Die erste und/oder zweite Elektrode können auf einen Verformungskörper, insbesondere eine Membran, aufgebracht sein, beispielsweise in Form einer lokalen oder ganzflächigen metallischen Beschichtung. In einer Ausführungsart ist die erste und/oder zweite Elektrode durch den Verformungskörper selbst gebildet; der Verformungskörper kann hierzu eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die ausreichend für die kapazitive Auswertung der durch den Druck verursachten Auslenkung des Verformungskörpers ist.
-
Die Auslenkung des ersten Verformungskörpers bzw. der ersten Elektrode aufgrund des ersten Drucks ist dabei unabhängig von der Auslenkung des zweiten Verformungskörpers bzw. der zweiten Elektrode aufgrund des zweiten Drucks. Die gemeinsame Elektrode kann zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unverformbar angeordnet sein. Aus der Ermittlung der ersten Kapazität der Anordnung bestehend aus erster Elektrode und gemeinsamer Elektrode einerseits und der Ermittlung der zweiten Kapazität der Anordnung bestehend aus zweiter Elektrode und gemeinsamer Elektrode andererseits können sowohl der Absolutwert des ersten und zweiten Drucks als auch der Wert der Druckdifferenz ermittelt werden. Hierzu kann das Summensignal und das Differenzsignal der beiden Absolutdruckwerte ausgewertet werden.
-
Nach Überschreiten des für die Messung des Differenzdruckes maximal zulässigen Absolutdruckes von beispielsweise 150, 200 oder 250 bar kommt es noch vor Erreichen des Berstdruckes zu einer Anlage der ersten und/oder zweiten Elektrode an die gemeinsame Elektrode, 50 dass auch bei weiter ansteigendem Absolutdruck keine eine Berstgefahr hervorrufend weitere Verformung der ersten oder zweiten Elektrode erfolgt. Dadurch ist ein Überlastschutz erreicht.
-
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Messung kleiner Differenzdrücke erfolgen, und die Vorrichtung weist dennoch eine hohe einseitige und auch zweiseitige Überlastfestigkeit auf. Dies ist insbesondere in hydraulischen Systemen vorteilhaft, da dort einerseits bei geschlossenen Ventilen der Druck bis auf den Nenndruck der angeschlossenen Pumpe ansteigen kann und andererseits im Falle von schlagartig öffnenden oder schließenden Ventile hohe Druckspitzen entstehen können. Erreicht wird dies, ohne dass es erforderlich ist, Trennmembranen oder eine Ölvorlage vorzusehen. Dadurch wird zum einen die mögliche Baugröße einer erfindungsgemäßen Vorrichtung reduziert und gleichzeitig werden die Nachteile, die bei der Verwendung einer Ölvorlage anfallen, beispielsweise der durch Temperaturänderungen hervorgerufene Einfluss der Ölvorlage auf das Messsignal, verhindert. Dadurch wird über einen großen Temperaturbereich eine hohe Auflösung des zu messenden Differenzdruckes erreicht. Gleichzeitig sind durch den Verzicht auf Trennmembranen und eine Ölvorlage die Kosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung reduziert und die Betriebssicherheit erhöht.
-
In einer Ausführungsart ist die erste Elektrode von der zweiten Elektrode mechanisch entkoppelt, insbesondere ist die Auslenkung der ersten Elektrode nur abhängig vom ersten Druck und nicht abhängig von der Auslenkung der zweiten Elektrode. Die zweite Elektrode kann ebenfalls mechanisch von der ersten Elektrode entkoppelt sein, insbesondere derart, dass die Auslenkung der zweiten Elektrode nur abhängig ist vom zweiten Druck und nicht abhängig von der Auslenkung der ersten Elektrode. Dadurch kann der Absolutwert des ersten bzw. zweiten Drucks ermittelt werden, ohne dass der zweite bzw. erste Druck einen Einfluss auf das Signal hat.
-
In einer Ausführungsart führt eine Erhöhung des ersten Drucks zu einer Herabsetzung des Abstandes zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode. Eine Erhöhung des zweiten Drucks kann ebenfalls zu einer Herabsetzung des Abstandes zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode führen. Durch die Reduktion des Abstandes ist die Empfindlichkeit gegenüber einer durch einen auftretenden Differenzdruck bedingten weiteren Auslenkung der ersten bzw. zweiten Elektrode erhöht, da der zu messende Kapazitätswert und/oder die durch eine Auslenkung der Elektrode verursachte Kapazitätsänderung mit abnehmendem Elektrodenabstand ansteigt.
-
In einer Ausführungsart ist ein von der ersten Elektrode bzw. dem zugehörigen Verformungskörper begrenzter erster Raum der Vorrichtung vollständig separiert von einem von der zweiten Elektrode bzw. dem zweiten Verformungskörper begrenzten zweiten Raum der Vorrichtung. Der erste und/oder zweite Raum kann grundsätzlich mit einem inerten Gas gefüllt sein, weist vorzugsweise aber ein Vakuum auf oder jedenfalls eine Dielektrizitätszahl von 1. Der erste und/oder zweite Raum zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode ist vorzugsweise frei von dem Medium, dessen Druck ermittelt werden soll.
-
In einer Ausführungsart ist mindestens eine der Elektroden, vorzugsweise die erste und/oder die zweite Elektrode und/oder die gemeinsame Elektrode, aus Silizium gebildet, insbesondere aus dotiertem und/oder einkristallinen Silizium. Auf diese Weise können erfindungsgemäße Vorrichtungen im Nutzen hergestellt werden, beispielsweise indem für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendete Siliziumwafer als Substrat für die erste und/oder die zweite und/oder die gemeinsame Elektrode verwendet werden. Die Siliziumwafer können im Nutzen mit den aus der Halbleitertechnologie bekannten Verfahren strukturiert und dotiert werden. Nach dem Herstellen einer Vielzahl erfindungsgemäßer Vorrichtungen durch das Verbinden entsprechend strukturierter Siliziumwafer können diese vereinzelt sowie montiert und elektrisch kontaktiert werden.
-
In einer Ausführungsart ist eine mechanisch feste und/oder fluiddichte Verbindung der ersten und/oder zweiten Elektrode mit der gemeinsamen Elektrode durch eine Glas-Silizium-Verbindung gebildet. Insbesondere kann hierfür ein Glaswerkstoff eingesetzt werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums angepasst ist, beispielweise ein Borosilikatglas. Die Verbindung zwischen Glas und Silizium kann beispielsweise durch anodisches Banden hergestellt sein. Dadurch sind hochfeste und fluiddichte Verbindungen herstellbar, die darüber hinaus auch über einen großen Temperaturbereich nur geringe thermisch induzierte Spannungen und damit nur einen geringen thermisch bedingten Offsetdrift aufweisen.
-
In einer Ausführungsart ist die Fläche der ersten und/oder zweiten Elektrode und/oder der gemeinsamen Elektrode lateral durch eine Dielektrikum begrenzt, vorzugsweise durch eine Dielektrikum, durch das die erste und/oder zweite Elektrode mit der gemeinsamen Elektrode mechanisch fest und/oder fluiddicht verbunden ist. Vorzugsweise wird als Dielektrikum ein Glaswerkstoff eingesetzt, der einen an das Silizium gut angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, beispielweise von weniger als 5 ppm/K und vorzugsweise von weniger als 4 ppm/K. Das Dielektrikum kann vorzugsweise mit Verfahren der Halbleitertechnologie aufgebracht und strukturiert werden.
-
In einer Ausführungsart ist die Dicke des Dielektrikums so groß gewählt, dass im drucklosen Ausgangszustand der Vorrichtung die durch das Dielektrikum gebildete Streukapazität kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 1% und vorzugsweise kleiner 0,1%, der durch die erste bzw. zweite Elektrode mit der gemeinsamen Elektrode gebildete Sensorkapazität ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Glasschicht aus Borosilikatglas eine Dicke von beispielsweise von mehr als 50 μm, insbesondere mehr als 100 μm und vorzugsweise mehr als 200 μm aufweist. Die zu messende Kapazität ist im Wesentlichen ausschließlich durch die Elektrodenanordnung und nicht durch die sie umgebende Bauform der Vorrichtung bestimmt. Bei Verwendung eines Dielektrikums mit einem an den Werkstoff der Elektroden angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist trotz der großen Dicke des Dielektrikums der Einfluss von thermisch induzierten Spannungen auf das Messsignal vernachlässigbar.
-
In einer Ausführungsart weist die erste und/oder zweite Elektrode und/oder die gemeinsame Elektrode in einem lateral inneren Abschnitt, vorzugsweise in einem zentrischen Abschnitt, eine Versteifung auf, insbesondere können die Elektroden als Ringmembran ausgebildet sein. Dadurch ist die Linearität des Ausgangssignals der Vorrichtung verbessert, weil bei einer Auslenkung der Elektrode der die Kapazitätsänderung hervorrufende Abschnitt der Elektrode im Wesentlichen parallel verschoben wird.
-
In einer Ausführungsart ist die Versteifung durch anisotropes Ätzen eines die erste und/oder zweite Elektrode und/oder die Ringelektrode bildenden Substrats hergestellt. Beispielsweise kann eine anisotrope nasschemische Ätzung der die Elektroden bildenden Siliziumsubstrate mittels alkalischer Ätzmedien erfolgen. Hierzu können wiederum Strukturierungsverfahren der Halbleitertechnologie eingesetzt werden, wodurch eine hohe Präzision bei kleiner Baugröße erreichbar ist.
-
In einer Ausführungsart weist die erste und/oder zweite und/oder die gemeinsame Elektrode ein Anlagemittel auf, mittels dem die erste bzw. zweite Elektrode beim Auftreten eines vorgebbaren Druckes in Anlage an die gemeinsame Elektrode kommt. Bei dem vorgebbaren Druck kann es sich beispielsweise um den statischen Arbeitsdruck der Vorrichtung handeln, wobei dieser Wert zwischen 100 und 200 Bar oder sogar darüber betragen kann. Die Anlagemittel können punktförmig oder flächig ausgebildet sein oder auch linienförmig miteinander verbunden sein. in einer Ausführungsart wird die Anlage der ersten bzw. zweiten Elektrode an die gemeinsame Elektrode elektrisch detektiert, um das Erreichen des vorgebbaren Drucks signalisieren zu können.
-
Im drucklosen Ausgangszustand der Vorrichtung kann der Elektrodenabstand beispielsweise zwischen 1 und 10 μm betragen, insbesondere zwischen 1,5 und 6 μm und vorzugsweise zwischen 2 und 4 μm. Bei Erreichen des Nennwertes für den Absolutdruck kann der Elektrodenabstand beispielsweise zwischen 0,1 und 5 μm betragen, insbesondere zwischen 0,2 und 3 μm und vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 μm.
-
In einer Ausführungsart ist das Anlagemittel derart auf der ersten und/oder zweiten und/oder der gemeinsamen Elektrode angeordnet, dass bei Überschreiten des vorgebbaren Drucks eine weitere Auslenkung des an die Anlagemittel anschließenden Abschnitts der Elektrode messtechnisch als Kapazitätsänderung auswertbar ist. Die Anlagemittel verhindern damit nicht eine weitere Auslenkung der Elektroden im Falle eines weiter ansteigenden Drucks, es ändert sich vielmehr lediglich die Geometrie des Elektrodenabschnitts, der sich bei weiter ansteigendem Druck verformt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Erreichen der Anlage der Elektroden elektrisch detektierbar ist. Grundsätzlich erhöht sieh die Steifigkeit der Elektrode nach Erreichen der Anlage.
-
In einer Ausführungsart weist die Vorrichtung an mindestens einer Seitenfläche elektrische Kontaktstellen zum elektrischen Kontaktieren der ersten und/oder zweiten und/oder der gemeinsamen Elektrode auf. Dadurch ist eine platzsparende sowie technologisch und für die Montage verhältnismäßig einfach zu realisierende elektrische Kontaktierung möglich, insbesondere auch weil die Kontaktstellen auf der beispielsweise durch Trennschleifen hergestellten Seitenfläche nebeneinander auf übereinstimmender Höhe angeordnet sein können. Das Herstellen der elektrischen Kontaktstellen kann durch lokale Metallisierung erfolgen, beispielsweise durch Laser-unterstütztes Abscheiden von Metallen auf der Seitenfläche.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
-
1 bis 3 zeigen Schnitte verschiedener Stadien der Herstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
4 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
5 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,
-
6 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel,
-
7 zeigt einen Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel, und
-
8 zeigt einen Schnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Die 1 bis 3 zeigen Schnitte verschiedener Stadien der Herstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, Die 4 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Messen der Differenz zwischen einem ersten Druck 2 und einem zweiten Druck 4, wobei es sich im Ausführungsbeispiel um einen kapazitiven Differenzdrucksensor handelt.
-
Die Vorrichtung 1 umfasst zwei, eine gemeinsame Elektrode 10 aufweisende kapazitive Absolutdrucksensoren 20, 30. Eine erste Elektrode 12 des ersten Absolutdrucksensors 20 ist infolge des ersten Drucks 2 und unabhängig vom zweiten Druck 4 gegenüber der gemeinsamen Elektrode 10 auslenkbar. Eine zweite Elektrode 14 des zweiten Absolutdrucksensors 30 ist infolge des zweiten Drucks 4 und unabhängig vom ersten Druck 2 gegenüber der gemeinsamen Elektrode 10 auslenkbar. Vorzugsweise sind erfindungsgemäße Vorrichtungen 1 im Nutzen herstellbar, insbesondere im Scheibenverbund, beispielsweise unter Verwendung von Siliziumscheiben oder Siliziumwafern unter Anwendung von Verfahrenstechnologien der Halbleitertechnologie. Nach dem Vereinzeln der im Verbund hergestellten Vorrichtungen 1, beispielsweise durch Trennschleifen, sind an mindestens einer Seitenfläche 16 der Vorrichtung 1 elektrische Kontaktstellen 18, 22, 24 zum elektrischen Kontaktieren der gemeinsamen Elektrode 10 bzw. der ersten und zweiten Elektrode 12, 14 aufgebracht. Das kann beispielsweise durch lokale, beispielsweise durch maskiertes oder durch laserstrahlangeregtes Abscheiden eines Metalles erfolgen.
-
In dem von der ersten Elektrode 12 und der gemeinsamen Elektrode 10 eingeschlossenen ersten Hohlraum 26 herrscht Vakuum, ebenso wie in dem von der zweiten Elektrode 14 und der gemeinsamen Elektrode 10 eingeschlossenen zweiten Hohlraum 28. Im Falle einer Erhöhung des ersten Drucks 2 ist die erste Elektrode 12 in den ersten Hohlraum 26 hinein auslenkbar. Im Falle einer Erhöhung des zweiten Drucks 4 ist die zweite Elektrode 14 in den zweiten Hohlraum 28 hinein auslenkbar. Die gemeinsame Elektrode 10 wird dabei weder durch den ersten Druck 2 noch durch den zweiten Druck 4 ausgelenkt.
-
Die mechanisch feste und/oder fluiddichte Verbindung zwischen der ersten Elektrode 12 und der gemeinsamen Elektrode 10 wird durch eine erste dielektrische Verbindungsschicht 32 hergestellt. Die mechanisch feste und/oder fluiddichte Verbindung zwischen der zweiten Elektrode 14 und der gemeinsamen Elektrode 10 wird durch eine zweite dielektrische Verbindungsschicht 34 hergestellt.
-
Die in den Figuren dargestellten Schichtdicken sind nicht maßstäblich, insbesondere sind die Schichtdicken aus Gründen der Darstellbarkeit teilweise überhöht dargestellt. Die Schichtdicke der ersten und zweiten dielektrischen Verbindungsschichten 32, 34 beträgt im Ausführungsbeispiel mehr als 150 μm, insbesondere zwischen 180 und 300 μm. Die Dicke der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 14 wird entsprechend den auftretenden Betriebsdrücken gewählt und kann beispielsweise zwischen 50 und 500 μm betragen, insbesondere zwischen 80 und 300 μm und vorzugsweise jedenfalls mehr als 100 μm.
-
Die Dicke der gemeinsamen Elektrode 10 ist in dem Abschnitt, in welchem der erste und zweite Hohlraum 26, 28 angeordnet ist, gegenüber den angrenzenden Abschnitten reduziert, beispielsweise um 0,5 bis 10 μm, insbesondere um 1 bis 5 μm. Dadurch ergibt sich eine Spaltbreite zwischen der gemeinsamen Elektrode 10 und der ersten und zweiten Elektrode 12, 14 von 0,25 bis 5 μm, insbesondere von 0,5 bis 3 μm. Dies hat zur Folge, dass nach einer entsprechenden Auslenkung die erste und zweite Elektrode 12, 14 in Anlage an die gemeinsame Elektrode 10 kommt, bevor die Auslenkung unzulässig hohe mechanische Spannungen verursacht, wodurch ein zuverlässiger Berstschutz gewährleistet ist. Im einseitigen oder beidseitigem Überlastfall legt sich die erste bzw. zweite Elektrode 12, 14 an die gemeinsame Elektrode 10 an und wird so vor einem Bruch geschützt.
-
Damit in diesem Fall kein elektrischer Kurzschluss zwischen den Elektroden 10, 12, 14 entsteht, kann die erste und/oder zweite Elektroden 12, 14 und/oder die gemeinsame Elektrode 10 mit einer in den Figuren nicht dargestellten elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt sein, beispielsweise bestehend aus Siliziumoxid.
-
Der Fluidanschluss der Vorrichtung 1, beispielsweise an ein hydraulisches System, kann beispielsweise unter Einsatz von ringförmig an den Außenseiten der ersten und zweiten Elektrode 12, 14 angebrachten Dichtmittel 36 erfolgen, wobei als Werkstoff für die Dichtmittel 36 auch ein sich duktil verformendes Metall eingesetzt werden kann, beispielsweise Gold.
-
Im Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 1 symmetrisch zu einer in der Mitte der gemeinsamen Elektrode 10 verlaufenden Symmetrieebene 6 ausgebildet, insbesondere ist die erste Elektrode 12 identisch zur zweiten Elektrode 14, wodurch die Herstellkosten bei erhöhter Präzision reduziert sind.
-
Die 1 und 2 zeigen zwei Stadien bei der Herstellung der ersten bzw. zweiten Elektrode 12, 14. Zunächst wird auf einer Oberfläche eines planparallelen Ausgangssubstrats 38 eine vorzugsweise ringförmige Vertiefung eingebracht, wobei unter Ausbildung einer sogenannte Mesastruktur der elektrisch sensorisch wirksame Bereich der späteren Elektrode 12 bestimmt wird. Die Vertiefung kann beispielsweise durch anisotropes Ätzen hergestellt werden, wodurch das beispielsweise ursprünglich zwischen 200 und 500 μm dicke Ausgangssubstrat 38 in den äußeren Bereichen bis auf eine Restdicke von 100 bis 300 μm rückgeätzt wird.
-
Anschließend wird in die vertieften Bereiche die erste dielektrische Verbindungsschicht 32 eingebracht, bei der es sich vorzugsweise um ein Borosilikatglas mit einem Ausdehnungseffizienten zwischen 3 und 3,5 ppm/K handelt. Das Einbringen der ersten dielektrischen Verbindungsschicht 32 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass auf das strukturierte Ausgangssubstrat mittels anodischem Bonden ein plattenförmiges Glassubstrat aufgebracht wird oder auch nur aufgelegt wird, und diese durch eine Temperaturbehandlung aufgeschmolzen wird und dadurch in die strukturierten Abschnitte des Ausgangssubstrats 38 hineinfließt Dabei kommt das Glas vorzugsweise in vollflächige, mechanisch feste und/oder fluiddichte Anlage an das Ausgangssubstrat 38. Anschließend wird dieser Verbund von der Glasseite her zurückgeschliffen, bis die in der 1 dargestellte Struktur erreicht ist. Dadurch ist eine plane Oberfläche 40 mit einem bündigen Übergang zwischen der ersten dielektrischen Verbindungsschicht 32 und der ersten Elektrode 12 hergestellt, die für die Verbindung mit der gemeinsamen Elektrode 10 besonders vorteilhaft ist, weil dadurch ein definierter Abstand zwischen der ersten Elektrode 12 und der gemeinsamen Elektrode 10 gewährleistet ist.
-
Im Ausführungsbeispiel der 2 wird auf einer der ersten dielektrischen Verbindungsschicht 32 gegenüberliegenden Seite im Bereich der ersten Elektrode 12 eine Vertiefung 42 eingebracht, insbesondere um die Biegesteifigkeit des von der ersten Elektrode 12 gebildeten Verformungskörpers an den Druckmessbereich anzupassen. Auch diese Vertiefung 42 kann beispielsweise durch nasschemisches Ätzen hergestellt werden, insbesondere durch anisotropes nasschemisches Ätzen. Alternativ hierzu kann auch durch lokale Oxidation und anschließendes Ätzen des Oxids, beispielsweise in Flusssäure (HF), die Vertiefung 42 hergestellt werden.
-
In der 3 ist der Zustand unmittelbar vor dem Verbinden der ersten und zweiten Elektrode 12, 14 mit der gemeinsamen Elektrode 10 dargestellt. Zum Verbinden können die erste und zweite dielektrische Verbindungsschicht 32, 34 beispielsweise mittels anodischem Bonden mit dem Siliziumsubstrat der gemeinsamen Elektrode 10 mechanisch fest und fluiddicht verbunden werden. Vorzugsweise anschließend an das Zusammenfügen werden auf der Seitenfläche 16 die Kontaktstellen 18, 22, 24 angebracht.
-
Die 5 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 101. Soweit der Aufbau mit dem in der 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, wird auf die dortige Beschreibung verwiesen. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel entspricht die Dicke der ersten und zweiten Elektrode 112, 114 im Abschnitt der Verbindung mit der gemeinsamen Elektrode 110 der Dicke des Ausgangssubstrates. Auf der Oberfläche, an welche der erste bzw. zweite Druck 102, 104 angreift, ist keine Vertiefung 42 (2) angeordnet.
-
Die gemeinsame Elektrode 110 weist in einem lateral inneren Abschnitt 144, insbesondere in einem zentrischen Abschnitt, lokal eine Verdickung auf und bildet eine Art doppelseitige Mesastruktur, wodurch die Linearität des Ausgangssignals der Vorrichtung 101 verbessert ist. Die Dicke des lateral inneren Abschnitts 144 ist dabei geringer als die Dicke des Substrats der gemeinsamen Elektrode 110, so dass ein Spalt zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode 102, 104 und der gemeinsamen Elektrode 110 zum Zwecke der Kapazitäts- bzw. Druckmessung besteht. Der Durchmesser des verdickten Abschnitts der gemeinsamen Elektrode 110 ist dabei kleiner als der elektrisch wirksame Durchmesser der ersten bzw. zweiten Elektrode 112, 114. Dagegen ist der Durchmesser des Abschnitts der gemeinsamen Elektrode 110, welcher den lateral inneren Abschnitt 144 umgibt und dessen Dicke gegenüber dem lateral inneren Abschnitt 144 reduziert ist, größer als der elektrisch wirksame Durchmesser der ersten und zweiten Elektrode 112, 114. Dadurch ist die zu messende Kapazität zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode 112, 114 und der gemeinsamen Elektrode 110 im Wesentlichen durch die zentrischen Bereiche bestimmt, und insbesondere der Einfluss der randseitigen Streukapazitäten auf das Messsignal ist vernachlässigbar.
-
Die 6 zeigt einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 201. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist die den Spalt zwischen der ersten und zweiten Elektrode 212, 214 und der gemeinsamen Elektrode 210 bestimmende Aussparung nun in einer der gemeinsamen Elektrode 210 zugewandten Oberfläche der ersten und zweiten Elektrode 212, 214 eingebracht. Dieser 5palt kann im drucklosen Ausgangszustand wiederum zwischen 0,5 und 10 μm betragen.
-
Die erste und zweite dielektrische Verbindungsschicht 232, 234 ist nun in randseitigen Aussparungen der gemeinsamen Elektrode 210 angeordnet, so dass eine dahingehende Bearbeitung der ersten und zweiten Elektrode 212, 214 entfallen kann und diese insofern weniger Bearbeitungsschritte erfahren müssen. Die gemeinsame Elektrode 210 kann beidseitig in den randäußeren Bereichen ausgedünnt werden, beispielsweise durch nasschemische Ätzung. Anschließend kann ein Borosilikatglas in die Aussparungen eingebracht werden und weiter anschließend die gemeinsame Elektrode 210 beidseitig zurückgeschliffen werden, bis die in der 6 dargestellte Form sich einstellt, in welche die erste und zweite dielektrische Verbindungsschicht 32, 34 bündig mit der elektrisch wirksamen Oberfläche der gemeinsamen Elektrode 210 abschließt.
-
Die 7 zeigt einen Schnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 301. Die gemeinsame Elektrode 310 ist im Wesentlichen identisch zu der des dritten Ausführungsbeispiels der 6. Dagegen weisen die erste und zweite Elektrode 312, 314 in einem lateral inneren Abschnitt, insbesondere in einem zentrischen Abschnitt, eine Versteifung auf und bilden insgesamt jeweils eine Ringmembran. Dadurch ist die Linearität des Ausgangssignals der Vorrichtung 301 verbessert. Bei einer Auslenkung der ersten bzw. zweiten Elektrode 312, 314 kommt es zu einer im Wesentlichen planparallelen Verschiebung der Elektroden 312, 314, insbesondere erfolgt im Wesentlichen keine Verformung der ersten und zweiten Elektrode 312, 314 in dem elektrisch wirksamen Bereich. Das Herstellen dieser Ringmembranen kann beispielsweise durch nasschemisches Ätzen erfolgen, insbesondere durch anisotropes nasschemisches Ätzen.
-
Die 8 zeigt einen Schnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 401, das weitgehende Ähnlichkeit zu dem ersten Ausführungsbeispiel der 4 aufweist. Im Unterschied hierzu weisen die erste und zweite Elektrode 412, 414 auf ihrer der gemeinsamen Elektrode 410 zugewandten Oberfläche vorzugsweise einstückig ausgebildete oder durch Beschichtung hergestellte Anlagemittel 446 auf, deren Höhe in Abstimmung auf den Spalt zwischen der ersten und zweiten Elektrode 412, 414 und der gemeinsamen Elektrode 410 beispielsweise so bemessen ist, dass bei Erreichen des statischen Betriebsdrucks die erste und zweite Elektrode 412, 414 gerade so weit ausgelenkt ist, dass die Anlagemittel 446 in Anlage an der gemeinsamen Elektrode 410 sind. Dadurch kann in diesem Arbeitspunkt ein vordefinierter Abstand zwischen der ersten bzw. zweiten Elektrode 412, 414 und der gemeinsamen Elektrode 410 gewährleistet werden. Bei einer weiteren Erhöhung des Drucks kann sich die erste bzw. zweite Elektrode 412, 414 insbesondere in dem Abschnitt, der radial innerhalb und/oder außerhalb der Anlagemittel 446 liegt, weiter verformen.
-
Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können nach geeigneter Auslegung Differenzdrücke auch vor dem Hintergrund hoher und sehr hoher statischer Drücke durch Messung der Summen- und Differenzkapazitäten ermittelt werden. Zusätzlich können auch die Absolutwerte des ersten und zweiten Drucks 2, 4 erfasst werden. Die Vorrichtungen weisen bei geeigneter Auslegung die erforderliche ein- und beidseitige Überlastfestigkeit auf und können beispielsweise über die Dichtmittel 36 auf einfache Weise und in kleiner Bauform in ein hydraulisches System integriert werden.
