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Die vorliegende Erfindung betrifft einen druckwandlungsbasierten Sensor zur Bestimmung einer Messgröße in einem Medium, beispielsweise in Form eines Drucksensors zur Bestimmung von Gasdrücken.
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Die
DE 198 53 135 B4 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Druckmessung. Die Vorrichtung zur drahtlosen Druckmessung umfasst einen kapazitiven Drucksensor, welcher zusammen mit einer Spule einen Schwingkreis bildet. Mithilfe eines Senders und einer Auswerteelektronik kann zur Messung des herrschenden Druckes die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermittelt werden. Der Drucksensor weist einen Substratkörper auf, welcher mit einer Vertiefung versehen ist. Die Vertiefung ist mit einem als Membran dienenden Dielektrikum verschlossen. Ein Nachteil dieser Lösung besteht in der hohen Querempfindlichkeit des Drucksensors.
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Die
DE 27 09 945 A1 zeigt einen kapazitiven Druckwandler, bei welchem zwei Isolierplatten, von denen wenigstens eine als elastische Membran ausgebildet ist, unter Bildung eines Spaltes übereinander angeordnet sind. Auf den Innenseiten der beiden Isolierplatten befinden sich einander gegenüberliegende leitende Schichten. Der Spalt ändert sich entsprechend dem angelegten Druck, sodass sich die Kapazität zwischen den leitenden Schichten ändert. Im Bereich des Umfanges der beiden Isolierplatten befindet sich eine Dichtung, bevorzugt eine Glasdichtung, welche beispielsweise als Glasfritte zwischen die beiden Platten gebracht ist. Alternativ kann die Glasfritte auf den Umfangsrand der beiden Isolierplatten aufgebracht sein. Die Glasfritte erlaubt insbesondere auch eine abgedichtete Durchführung von elektrischen Leitern zu den leitenden Schichten.
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Aus der
DE 90 13 959 U1 ist ein Sensor für ein Kapazitätsmanometer bekannt, bei welchem auf einer Membran mindestens zwei separate metallische Schichtabschnitte vorgesehen sind. Die beiden separaten metallischen Schichtabschnitte sind elektrisch miteinander verbunden und liegen zwei weiteren separaten metallischen Schichtabschnitten gegenüber. Hierdurch sind zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren gebildet. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass kein Leiter zu der beweglichen Membran geführt werden muss.
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Aus der
DE 10 2008 033 592 A1 ist ein mikromechanischer Drucksensor aus einem Halbleitermaterial bekannt, bei dem sich die Membran im Fall einer Überlast an einer elastisch verformten Membranbettplatte abstützt. Die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte und der Membran kann durch anodisches Bonden erfolgen.
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In dem Artikel von Tan, C. S.: „Low temperature wafer-level bonding for hermetic packaging of 3D microsystems“ in Journal of Micromechanics and Microengineering, 21(2011), sind verschiedene Bonding-Verfahren zum Abdichten von Hohlräumen in mikroelektronischen Strukturen gezeigt. Es sind insbesondere Bonding-Verfahren auf der Basis von Kupfer-Kupfer-Verbindungen, Oxid-Oxid-Verbindungen und Silizium-Silizium-Verbindungen näher untersucht. Ein Nachteil dieser Verbindungen besteht darin, dass wegen der metallischen Bundverbindung keine leitende, isolierte Durchführung möglich ist.
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Die
DE 60 2004 006 094 T2 zeigt ein Verfahren zum Bereitstellen von leitenden Wegen in einem hermetisch abgedichteten Hohlraum. Es handelt sich hierbei um Hohlräume, welche unter Verwendung eines Silizium-Glas-MEMS-Prozesses ausgebildet wurden. Bei dem Verfahren werden zunächst Vertiefungen geschaffen, in denen elektrische Leitungen angeordnet werden. Über den Leitungen wird eine Glasschicht abgeschieden. Die Glasschicht wird planarisiert und mit einer abdichtenden Ober- fläche versehen. Schließlich wird eine Siliziumstruktur auf die abdichtende Oberfläche gebondet. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass beispielsweise die Einstellung des Elektrodenabstandes eines im Hohlraum ausgebildeten Kondensators wegen der Planarisierung aufwändig, teuer und ungenau ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen druckwandlungsbasierten kapazitiven Sensor bereitzustellen, bei welchem der Hohlraum zwischen den Elektroden aufwandsarm und dauerhaft sicher, insbesondere im Bereich der Durchführung der elektrischen Leiter zu den Elektroden, hermetisch abgedichtet ist.
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Die genannte Aufgabe wird durch einen druckwandlungsbasierten Sensor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Sensor dient der Bestimmung einer Messgröße in einem Medium, beispielsweise eines Druckes oder einer Temperatur in einem Gas oder in einer Flüssigkeit. Der Sensor basiert auf einer Wandlung eines veränderlichen Plattenabstands (insbesondere aufgrund einer Druckänderung) in eine elektrische Größe, wofür der Sensor ein kapazitives Sensorelement aufweist. Hierdurch kann der Sensor zur unmittelbaren Bestimmung eines Druckes, aber beispielsweise auch zur mittelbaren Messung einer Temperatur verwendet werden. Grundsätzlich lassen sich auch weitere Messgrößen messen, welche einen Druck beeinflussen. Der erfindungsgemäße Sensor umfasst zunächst eine Grundplatte, auf welcher mindestens eine unbewegliche Elektrode angeordnet ist. Die unbewegliche Elektrode ist bevorzugt flächenhaft auf die Grundplatte aufgebracht. Die Elektrode besteht aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt aus einem elektrisch leitenden Metall. Der Sensor umfasst weiterhin einen auf der Grundplatte befestigten Membranrahmen. Der Membranrahmen kann ebenfalls plattenförmig ausgebildet sein und mit der Grundplatte einen Schichtaufbau bilden. Von dem Membranrahmen ist eine Membran aufgenommen, welche bestimmungsgemäß einem Druckunterschied bzw. im weiteren Sinne einer einwirkenden Druckkraft auszusetzen ist. Der Begriff „Membran“ ist hier synonym zu dem Begriff „Biegeplatte“. Die Membran ist gegenüber der Grundplatte beweglich, sodass sich ihr Abstand zur Grundplatte in Abhängigkeit vom einwirkenden Druck ändert. Die Beweglichkeit der Membran kann insbesondere durch eine Auslenkbarkeit und/oder eine Verformbarkeit der Membran gegeben sein. Die Membran besitzt mindestens eine mit ihr verbundene Elektrode, d. h. eine gemeinsam mit der Membran bewegliche Elektrode, welche der unbeweglichen Elektrode gegenübersteht. Die bewegliche Elektrode ist dabei bevorzugt auf derjenigen Seite der Membran angeordnet und befestigt, welche der unbeweglichen Elektrode gegenübersteht. Zwischen der Grundplatte und der Membran sowie ggf. dem Membranrahmen ist ein hermetisch abgedichteter Hohlraum ausgebildet, in welchem sich bevorzugt die bewegliche Elektrode und die unbewegliche Elektrode befinden. Die Membran ist bevorzugt parallel zur Grundplatte angeordnet, sodass auch die unbewegliche Elektrode und die bewegliche Elektrode parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Der erfindungsgemäße Sensor umfasst weiterhin mindestens einen elektrischen Leiter zum elektrischen Anschluss der unbeweglichen Elektrode. Der mindestens eine elektrische Leiter erstreckt sich ausgehend von der unbeweglichen Elektrode im Hohlraum bis nach außerhalb des Hohlraumes. Hierbei verläuft der mindestens eine elektrische Leiter auf der Grundplatte. Der mindestens eine nach außerhalb des Hohlraumes geführte elektrische Leiter ist durch einen Durchführungsabschnitt hindurch geführt, welcher sich vom Hohlraum bis nach außerhalb des Hohlraumes erstreckt und zwischen der Grundplatte und dem Membranrahmen angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß weist der Membranrahmen im Bereich des Durchführungsabschnittes des mindestens einen elektrischen Leiters eine Ausnehmung auf, welche einen Teil des Durchführungsabschnittes mit dem mindestens einen darin befindlichen elektrischen Leiter überdeckt. Die Ausnehmung ist bevorzugt auf einer der Grundplatte abgewandten Oberseite des Membranrahmens in den Membranrahmen eingelassen. In die Ausnehmung ist ein Abdichtmittel eingebracht, welches die Ausnehmung zumindest teilweise, jedoch bevorzugt vollständig füllt. Der mindestens eine elektrische Leiter und die Grundplatte werden jedenfalls im Bereich der Ausnehmung durch das Abdichtmittel bedeckt, wodurch der Durchführungsabschnitt gegenüber dem Hohlraum abgedichtet ist. Folglich stellt das Abdichtmittel einen Verschluss des Durchführungsabschnittes dar, welcher den Hohlraum im Bereich der Herausführung des mindestens einen elektrischen Leiters hermetisch abschließt. Hierdurch kann ein bestimmter Druck, beispielsweise der Druck eines technischen Vakuums, im Hohlraum gewährleistet werden.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen druckwandlungsbasierten Sensors besteht darin, dass eine sichere hermetische Abdichtung des Hohlraumes nach Erzeugung eines vorgegebenen Druckes im Hohlraum ermöglicht ist. Beispielsweise können die Grundplatte, der Membranrahmen und die Membran als Wafer-Verbund hergestellt sein, bei welchem nach Erzeugung eines vorgegebenen Druckes im Hohlraum ein hermetisches Abdichten des Hohlraumes durch Füllen der Ausnehmung mit dem Abdichtmittel erfolgt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen druckwandlungsbasierten Sensors besteht darin, dass eine hohe Genauigkeit des Abstandes der Elektroden gewährleistet werden kann, da die Membranplatte unmittelbar auf die Grundplatte aufgebracht werden kann, beispielsweise durch direktes Bonden, insbesondere durch anodisches Bonden der aus Silizium bestehenden Platten. Es sind keine Hilfsstoffe, wie Kleber oder Lot erforderlich, welche den Abstand der Elektroden beeinflussen und nur verringerte Genauigkeiten erlauben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors umfasst dieser weiterhin eine Halteplatte, mit welcher der Sensor an einem das Medium beinhaltenden Gefäß befestigbar ist. Die Halteplatte ist zum Verschließen einer Sensoröffnung des Gefäßes ausgebildet. Daher weist die Halteplatte eine dem Inneren des Gefäßes zuzuwendende Innenseite und eine außerhalb des Gefäßes anzuordnende Außenseite auf. Die Grundplatte ist an der Halteplatte befestigt und durch diese hindurchragend angeordnet. Dabei befinden sich der Membranrahmen und die Membran, welche von der Grundplatte gehalten sind, auf einem Teil der Grundplatte, welcher der Innenseite der Halteplatte zugeordnet ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die Grundplatte möglichst geringen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist, insbesondere nicht den mechanischen Spannungen zum Befestigen des Sensors am Gefäß. Insbesondere kann sich die Membran auf einem frei herausragenden Teil der Grundplatte befinden, wo sie weitgehend ausschließlich dem zu messenden Druck ausgesetzt ist.
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Bevorzugt weist die Halteplatte gegenüber der Grundplatte einen Winkel von mindestens 45° auf. Besonders bevorzugt ist die Halteplatte senkrecht zur Grundplatte angeordnet.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Sensor zur Bestimmung einer Messgröße in einem Medium, welcher ebenso wie die oben beschriebene Ausführungsform eine Grundplatte und eine Halteplatte umfasst. Die Grundplatte umfasst ein der Messgröße auszusetzendes Sensorelement, welches mit seiner Längserstreckung auf der Grundplatte angeordnet ist. Bevorzugt sind die Grundplatte und das Sensorelement in Dünnschichttechnik ausgebildet. Der Sensor ist mittels der Halteplatte an einem das Medium beinhaltenden Gefäß befestigbar. Die Halteplatte ist zum Verschließen einer Sensoröffnung des Gefäßes ausgebildet und weist daher eine dem Inneren des Gefäßes zuzuwendende Innenseite und eine außerhalb des Gefäßes anzuordnende Außenseite auf. Die Grundplatte ist an der Halteplatte befestigt und durch diese hindurchragend angeordnet. Erfindungsgemäß weist die Halteplatte gegenüber der Grundplatte einen Winkel von mindestens 45° auf. Besonders bevorzugt ist die Halteplatte senkrecht zur Grundplatte angeordnet.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen betrifft grundsätzlich beide der oben beschriebenen Erfindungsgegenstände.
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Der Membranrahmen mit der darin aufgenommenen Membran ist bevorzugt auf einem im Inneren des Gefäßes anzuordnenden Bereich der Grundplatte angeordnet. Auf einem außerhalb des Gefäßes anzuordnenden Bereich können beispielsweise Anschlüsse und/oder elektronische Bauelemente zum Betrieb des Sensors angeordnet werden.
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Die Membran, der Membranrahmen und die Grundplatte sind bevorzugt als Dünnschichtverbund ausgebildet. Dabei ist die Grundplatte bevorzugt durch ein Substrat gebildet. Besonders bevorzugt stellen die Membran, der Membranrahmen und die Grundplatte einen Wafer-Verbund dar.
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Die Membran und der Membranrahmen sind bevorzugt einstückig ausgebildet, besonders bevorzugt als eine einzige Dünnschicht. Die die Membran und den Membranrahmen bildende Schicht ist bevorzugt am Übergang von der Membran zum Membranrahmen geschwächt ausgebildet, sodass eine leichte Auslenkung der Membran möglich ist.
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Der Membranrahmen und die Grundplatte sind bevorzugt auf der Innenseite der Halteplatte gegenüber der Halteplatte mit einem weiteren Abdichtmittel abgedichtet. Bei dem weiteren Abdichtmittel handelt es sich bevorzugt um ein Abdichtmittel desselben Materials wie das Abdichtmittel in der Ausnehmung in dem Membranrahmen.
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Der eine oder die mehreren elektrischen Leiter auf der Grundplatte ragen bevorzugt gemeinsam mit der Grundplatte durch die Halteplatte hindurch, sodass sie zum elektrischen Anschluss der Kapazität bzw. des Sensorelementes außerhalb des Gefäßes benutzt werden können. Auf dem außen anzuordnenden Bereich der Grundplatte oder auch auf der Außenseite der Halteplatte können sich elektronische Bauelemente zum Betrieb des Sensors befinden.
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Bevorzugt umfasst der Sensor zwei der unbeweglichen Elektroden, die nebeneinander auf der Grundplatte angeordnet sind und gemeinsam der beweglichen Elektrode gegenüberstehen. Hierdurch sind zwei in Reihe geschaltete Einzelkondensatoren gebildet, welche gemeinsam einen Kondensator mit veränderlicher Kapazität bilden. Beide der unbeweglichen Elektroden sind jeweils durch einen der elektrischen Leiter elektrisch anschließbar. Bei dieser Ausführungsform bedarf es keiner elektrischen Leiter, welche zu der beweglichen Elektrode geführt sind. Es sind zwei der elektrischen Leiter auf der Grundplatte geführt, welche zum elektrischen Anschluss des Kondensators und damit zur Erfassung des Sensorsignals genügen. Bei abgewandelten Ausführungen können auch mehr als zwei Platten die unbewegliche Elektrode bilden und insbesondere eine Interdigitalstruktur realisieren.
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Auf der Außenseite der Halteplatte ist bevorzugt eine Spule angeordnet, welche mit dem Kondensator bzw. mit dem Sensorelement durch eine elektrische Verbindung verbunden ist. Hierdurch bilden die Spule und der Kondensator einen LC-Kreis bzw. es erfolgt eine induktive Kopplung des Sensorelementes. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist die Messinformation drahtlos übertragbar, sodass es keiner elektrischen Leitungen zum Anschluss des Sensors bedarf. Dies ist beispielsweise bei der Messung von sehr hohen Temperaturen von Vorteil.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem Kondensator bzw. dem Sensorelement und der Spule umfasst bevorzugt mindestens einen auf der Halteplatte angeordneten elektrischen Leiter. Folglich kann die elektrische Verbindung zwischen dem Kondensator bzw. dem Sensorelement und der Spule ausschließlich durch auf der Halteplatte und auf der Grundplatte angeordnete Leiter, insbesondere Leiterschichten, realisiert sein. Die auf der Halteplatte angeordneten Leiter und die auf der Grundplatte angeordneten Leiter sind bevorzugt durch ein leitfähiges Lot oder durch einen Leitkleber elektrisch miteinander verbunden. Bei dem leitfähigen Lot handelt es sich bevorzugt um Silberglaslot.
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Die Spule ist bevorzugt als Luftspule ausgeführt. Die Halteplatte weist bevorzugt eine Kreisform auf, auf deren umfänglichen Bereich die kreisförmig gewickelte Spule angeordnet ist.
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Dabei überragt die Halteplatte bevorzugt die Spule geringfügig, um einen Übergang zu einem zylindermantelförmigen Gehäuseabschnitt zu bilden. Durch den zylindermantelförmigen Gehäuseabschnitt ist die Spule vor äußeren Einflüssen geschützt. Die Spule ist bevorzugt konzentrisch zu der kreisförmigen Halteplatte angeordnet. Eine Achse der Spule ist bevorzugt senkrecht zur Halteplatte angeordnet.
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Der Durchführungsabschnitt ist bevorzugt als Kanal für den einen oder für die mehreren elektrischen Leiter ausgebildet. Dieser Kanal ist in dem Bereich der Ausnehmung im Membranrahmen durch das Abdichtmittel gefüllt, sodass an dieser Stelle kein Medium durch den Kanal hindurchtreten kann.
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Der Kanal ist bevorzugt durch eine Nut in der Grundplatte und/oder durch eine Nut im Membranrahmen gebildet. Dabei trifft die Ausnehmung im Membranrahmen bevorzugt quer auf den Kanal. Der Kanal ragt bevorzugt gemeinsam mit der Grundplatte durch die Halteplatte hindurch.
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Die Ausnehmung weist bevorzugt in der Ebene des Membranrahmens eine Längserstreckung auf, welche quer zu dem einen oder den mehreren elektrischen Leitern und ggf. zu dem Kanal angeordnet ist. Die Ausnehmung ist bevorzugt keilförmig ausgebildet, wobei die Verjüngung der Keilform zu dem einen oder den mehreren Leitern ausgerichtet ist.
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Die mehreren Leiter, bevorzugt die beiden Leiter, welche zum Kondensator geführt sind, sind bevorzugt parallel auf der Grundplatte angeordnet.
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Der eine oder die mehreren Leiter sind bevorzugt als Schicht auf die Grundplatte aufgebracht.
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Bei dem Abdichtmittel in der Ausnehmung im Membranrahmen und bei dem ggf. vorhandenen weiteren Abdichtmittel zwischen der Grundplatte und der Halteplatte handelt es sich bevorzugt um Isolatoren. Das Abdichtmittel in der Ausnehmung im Membranrahmen und ggf. auch das weitere Abdichtmittel zwischen der Grundplatte und der Halteplatte sind bevorzugt durch Glaslot, insbesondere durch Silberglaslot gebildet. Alternativ ist das Abdichtmittel bevorzugt durch ein Keramikmaterial gebildet, welches mithilfe der Low-Temperature-Cofired-Ceramic(LTCC-)-Technologie aufgebracht ist. Das Abdichtmittel ist bei bevorzugten Ausführungsformen der aus einem Substrat bestehenden Grundplatte und den aus Metall bestehenden Leitern thermisch angepasst, sodass eine dauerhaft dichte Verbindung zwischen den verschiedenen Stoffen gewährleistet ist. Die Grundplatte, der Membranrahmen und die Membran sowie ggf. die Halteplatte bestehen bevorzugt aus Silizium, Glas und/oder Keramik, sodass alle unmittelbar dem Medium auszusetzenden Bestandteile des erfindungsgemäßen Sensors aus einem dieser drei Stoffe bestehen. Der Sensor kann somit einer Vielzahl an Medien ausgesetzt werden, insbesondere auch bei hohen Temperaturen von mehr als 200°C und hohen Drücken von 100 bar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist dieser zur Bestimmung eines Druckes als zu bestimmende Messgröße des Mediums ausgebildet. Folglich bildet der Sensor einen Drucksensor, insbesondere zur Bestimmung von Drücken in Gasen und Flüssigkeiten. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist die Außenseite der Membran gegenüber dem Medium freigelegt, sodass sie dem im Medium herrschenden Druck ausgesetzt werden kann.
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Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors als Drucksensor ist der Hohlraum bevorzugt mit einem Gas gefüllt, welches einen Druck aufweist, der einem Mittelwert des zu messenden Druckes gleicht. Alternativ ist der Hohlraum bevorzugt mit einem technischen Vakuum, insbesondere mit einem Feinvakuum gefüllt.
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Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist dieser zur Bestimmung einer Temperatur als zu bestimmende Messgröße des Mediums ausgebildet. Folglich bildet der erfindungsgemäße Sensor einen Temperatursensor, welcher auf einer Druckwandlung basiert. Bei dieser Ausführungsform ist die Membran nicht unmittelbar dem Medium auszusetzen, wofür die Membran auf ihrer der Grundplatte abgewandten Seite einen Teil einer Wandung einer abgedichteten Hohlkammer bildet. Die abgedichtete Hohlkammer ist bevorzugt dadurch gebildet, dass auf dem Membranrahmen eine die Membran überdeckende Kappe sitzt, welche mit dem Membranrahmen dicht und fest verbunden ist. Die Kappe ist bevorzugt drucksteif ausgebildet, sodass sich der Druck in der Hohlkammer nicht infolge einer äußeren Druckrichtung ändert. Die Kappe ist bevorzugt als weitere Schicht ausgebildet, welche auf die den Membranrahmen und die Membran bildende Schicht aufgebracht ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des als Temperatursensor ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensors ist genau eines der beiden durch die Hohlkammer und den Hohlraum gebildeten Elemente mit einer Flüssigkeit gefüllt, während das andere der beiden Elemente mit einem Gas oder mit einem technischen Vakuum, insbesondere mit einem Feinvakuum gefüllt ist. Die Flüssigkeit dehnt sich entsprechend der Temperaturänderung aus, sodass die Membran der Volumenänderung der Flüssigkeit folgen muss, während das korrespondierende Gas bzw. technische Vakuum durch die sich verformende Membran ausgedehnt oder komprimiert wird. Die Flüssigkeit befindet sich bevorzugt im Hohlraum, während in der Hohlkammer bevorzugt das technische Vakuum vorhanden ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des als Temperatursensor ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensors ist der Hohlraum mit einem technischen Vakuum gefüllt, während die Hohlkammer mit einem Gas gefüllt ist.
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Mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen weisen im Hohlraum ein technisches Vakuum auf. Die erfindungsgemäße Abdichtung des Durchführungsabschnittes durch ein Füllen der Ausnehmung mit einem Abdichtmittel ermöglicht eine sichere und dauerhafte Bereitstellung des technischen Vakuums im Hohlraum. Durch die hermetische Abdichtung des Hohlraumes mithilfe des Abdichtmittels im Durchführungsabschnitt können hohe Unterdrücke, aber auch hohe Überdrücke im Hohlraum aufgebaut werden.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1: einen als Drucksensor ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensor in einer perspektivischen Schnittansicht;
- 2: den in 1 gezeigten Drucksensor in einer vollständigen perspektivischen Ansicht;
- 3: den in 1 gezeigten Drucksensor in einer weiteren perspektivischen Ansicht; und
- 4: einen als Temperatursensor ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensor in einer Schnittansicht.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines als Drucksensor ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensors. Der Drucksensor umfasst zunächst eine Grundplatte 01 und eine darüber angeordnete Membranplatte 02, welche als Wafer-Verbund hergestellt sind. Die Grundplatte 01 ragt durch eine kreisförmige Halteplatte 03 hindurch, an welcher die Grundplatte 01 befestigt ist. Die Grundplatte 01 ist senkrecht zur Halteplatte 03 angeordnet. Eine Symmetrieachse der Grundplatte 01 liegt im Mittelpunkt der kreisförmigen Halteplatte 03. Die Grundplatte 01 und die Membranplatte 02 sind jeweils rechteckförmig und weisen die gleiche Breite auf. Die Grundplatte 01 ist geringfügig länger als die Membranplatte 02, um durch die Halteplatte 03 hindurchzuragen. Die Membranplatte 02 stößt an die Halteplatte 03 an.
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Innerhalb der Membranplatte 02 sind ein Membranrahmen 04 und eine Membran 06 ausgebildet. Hierfür weist die Membranplatte 02 zwischen dem Membranrahmen 04 und der Membran 06 eine Materialschwächung 07 auf, welche elastisch verformbar ist. Hierdurch kann die Membran 06 gegenüber dem Membranrahmen 04 ausgelenkt werden. Der Membranrahmen 04 ist dicht und fest mit der Grundplatte 01 verbunden, während die Membran 06 lediglich an der elastisch verformbaren Materialschwächung 07 aufgehängt ist. Zwischen der Grundplatte 01 und der Membranplatte 02 ist im Bereich der Membran 06 und der Materialschwächung 07 ein abgeschlossener Hohlraum 08 ausgebildet.
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Innerhalb des Hohlraumes 08 befinden sich auf der Grundplatte 01 gegenüber der Membran 06 eine erste unbewegliche Elektrode 09 und eine zweite unbewegliche Elektrode 11 (gezeigt in 4). Auf der Unterseite der Membran 06 ist eine bewegliche Elektrode 12 (gezeigt in 4) befestigt, welche sich ebenso im Hohlraum 08 befindet und der ersten unbeweglichen Elektrode 09 und der zweiten unbeweglichen Elektrode 11 gegenübersteht. Eine Auslenkung der Membran 06 führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den unbeweglichen Elektroden 09, 11 und der beweglichen Elektrode 12 ändert, sodass sich gleichzeitig die Kapazität des durch die unbeweglichen Elektroden 09, 11 und die bewegliche Elektrode 12 gebildeten Kondensators ändert. Die bewegliche Elektrode 12 ist nicht durch einen elektrischen Leiter angeschlossen. Hingegen ist die erste unbewegliche Elektrode 09 durch einen ersten Leiter 13 elektrisch angeschlossen. In gleicher Weise ist die zweite unbewegliche Elektrode 11 durch einen zweiten elektrischen Leiter 14 (gezeigt in 2) elektrisch angeschlossen. Der erste elektrische Leiter 13 und der zweiter elektrische Leiter 14 sind als Schicht auf die Grundplatte 01 aufgebracht und befinden sich zwischen der Grundplatte 01 und der Membranplatte 02. Der erste elektrische Leiter 13 und der zweite elektrische Leiter 14 sind gemeinsam mit der Grundplatte 01 durch die Halteplatte 03 hindurchgeführt, wofür sie einen Kanal 16 in der Grundplatte 01 zwischen der Grundplatte 01 und der Membranplatte 02 im Bereich des Membranrahmens 04 durchlaufen.
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Der Membranrahmen 04 weist eine quer zum Kanal 16 verlaufende keilförmige Ausnehmung 17 auf, welche mit einem Glaslot 18 gefüllt ist. Das in die Ausnehmung 17 gefüllte Glaslot 18 reicht bis in den Kanal 16, sodass der Kanal 16 im Bereich der Ausnehmung 17 vollständig ausgefüllt und dadurch abgedichtet ist. Folglich kann durch den Kanal 16 kein Medium in den Hohlraum 08 hineinströmen oder aus dem Hohlraum 08 herausströmen. Somit stellt das Glaslot 18 eine hermetische Abdichtung des Hohlraumes 08 im Bereich der Durchführung der elektrischen Leiter dar. Diese hermetische Abdichtung wird auch aufrecht erhalten, wenn es aufgrund hoher Temperaturschwankungen zu einer Ausdehnung der elektrischen Leiter kommt. Im Übrigen ist der Hohlraum 08 vollständig durch die feste und dichte Verbindung zwischen dem Membranrahmen 04 und der Grundplatte 01 hermetisch abgedichtet, die mit herkömmlichen Techniken leichter als im Bereich der Leiterdurchführung zu erzielen ist.
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Der erste elektrische Leiter 13 und der zweite elektrische Leiter 14 sind mit weiteren elektrischen Leitern 19, welche auf der der Membranplatte 02 abgewandten Seite der Halteplatte 03 angeordnet sind, elektrisch verbunden. Die weiteren elektrischen Leiter 19 führen beispielsweise zu einer Spule 21 (gezeigt in 4), sodass der durch die Elektroden 09, 11, 12 gebildete Kondensator elektrisch mit der Spule 21 verbunden ist, wodurch diese einen LC-Kreis ausbilden. Auf der der Membranplatte 02 abgewandten Seite der Halteplatte 03 können sich weitere elektronische Bauelemente befinden, welche zum Betrieb des Sensors erforderlich sind. Die Spule 21 ist durch einen zylindermantelförmigen Gehäuseabschnitt 22 eingerahmt, welcher sich an den äußeren Umfang der Halteplatte 03 anschließt. Neben der Grundplatte 01 und den elektrischen Leitern 13, 14 ragen weiterhin Laschen 23 der Membranplatte 02 durch die Halteplatte 03 hindurch, um die Befestigung der Grundplatte 01 und der Membranplatte 02 an der Halteplatte 03 zu stützen.
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Die Grundplatte 01 und die Membranplatte 02 sind am Übergang zur Halteplatte 03 umfänglich durch ein weiteres Glaslot 24 umschlossen, wodurch die Grundplatte 01 und die Membranplatte 02 gegenüber der Halteplatte 03 abgedichtet sind.
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2 zeigt den in 1 gezeigten Drucksensor in einer vollständigen perspektivischen Ansicht. In dieser Ansicht ist auch der zweite elektrische Leiter 14 teilweise dargestellt.
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Zum Betrieb des Sensors ist die Halteplatte 03 auf eine Sensoröffnung eines Gefäßes (nicht gezeigt) aufzusetzen, in welchem sich das Medium befindet, dessen Druck zu bestimmen ist. Durch das Einführen des Sensors in die Sensoröffnung befinden sich die Grundplatte 01 und die Membranplatte 02, insbesondere die Membran 06 mit dem von dieser abgedeckten Hohlraum 08 innerhalb des Mediums. Die Halteplatte 03 ist fest und dicht mit dem Gefäß zu verbinden. Die Spule 21 und ggf. weitere elektronische Bauelemente sowie der zylindermantelförmige Gehäuseabschnitt 22 befinden sich außerhalb des Gefäßes.
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3 zeigt den in 1 gezeigten Drucksensor in einer weiteren perspektivischen Ansicht, in welcher die Halteplatte 03 mit ihrer der Membranplatte 02 zugewandten Seite erkennbar ist. In dieser Darstellung ist insbesondere das Glaslot 24, welches die Membranplatte 02 und die Grundplatte 01 gegenüber der Halteplatte 03 abdichtet, gezeigt.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines als Temperatursensors ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensors. Der Temperatursensor gleicht zunächst dem in 1 gezeigten Drucksensor. In dieser Darstellung sind auch die Spule 21, die zweite unbewegliche Elektrode 11 und die bewegliche Elektrode 12 gezeigt.
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Der Temperatursensor weist im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Drucksensor weiterhin eine schichtartige Kappe 26 auf, welche über der Membranplatte 02 sitzt. Die schichtartige Kappe 26 ist fest und dicht mit der Membranplatte 02, insbesondere mit dem Membranrahmen 04 verbunden. Die schichtartige Kappe 26 bildet eine Hohlkammer 27 aus, welche sich über der Membran 06 befindet. Die Hohlkammer 27 ist durch die schichtartige Kappe 26 und durch die Membran 06 einschließlich der Materialschwächung 07 umschlossen. Die schichtartige Kappe 26 ist drucksteif ausgebildet, sodass sich Druckänderungen außerhalb der Hohlkammer 27 nicht auf die Hohlkammer 27 auswirken. Gleichzeitig führen Druckänderungen innerhalb der Hohlkammer 27 nicht zu einer Verformung der schichtartigen Kappe 26, sondern zu einer Auslenkung der Membran 06.
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Bei der gezeigten Ausführungsform befindet sich in der Hohlkammer 27 ein technisches Vakuum, während der Hohlraum 08 mit einem Gas gefüllt ist. Kommt es zu Temperaturänderungen des Mediums, so dehnt sich das Gas im Hohlraum 08 aus, sodass sich der Druck im Hohlraum 08 erhöht. Hingegen ändert sich der Druck in der Hohlkammer 27 nicht, wodurch die Membran 06 den veränderten Druckverhältnissen folgt, d. h. durch die veränderten Druckverhältnisse ausgelenkt wird. Der Hohlraum 08 und die Hohlkammer 27 können auch auf andere Weise gefüllt sein, solang dies zu unterschiedlichen Ausdehnungen bei Temperaturänderungen führt. Beispielsweise kann auch die Hohlkammer 27 mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, während sich im Hohlraum 08 ein Gas oder ein technisches Vakuum befindet. Umgekehrt kann auch der Hohlraum 08 mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, während die Hohlkammer 27 mit einem Gas oder mit einem technischen Vakuum gefüllt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01 -
- Grundplatte
- 02 -
- Membranplatte
- 03 -
- Halteplatte
- 04 -
- Membranrahmen
- 05 -
- -
- 06 -
- Membran
- 07 -
- Materialschwächung
- 08 -
- Hohlraum
- 09 -
- erste unbewegliche Elektrode
- 10 -
- -
- 11 -
- zweite unbewegliche Elektrode
- 12 -
- bewegliche Elektrode
- 13 -
- erster Leiter
- 14 -
- zweiter Leiter
- 15 -
- -
- 16 -
- Kanal
- 17 -
- keilförmige Ausnehmung
- 18 -
- Glaslot
- 19 -
- weitere elektrische Leiter
- 20 -
- -
- 21 -
- Spule
- 22 -
- zylindermantelförmiger Gehäuseabschnitt
- 23 -
- Laschen
- 24 -
- Glaslot
- 25 -
- -
- 26 -
- schichtartige Kappe
- 27 -
- Hohlkammer
