DE102011077499A1

DE102011077499A1 - Interferometrische Druckmesszelle

Info

Publication number: DE102011077499A1
Application number: DE102011077499A
Authority: DE
Inventors: René Ziermann; Marc Schlachter; Alex Humpert; Geert Brokmann; Matthias Will; Ralf Röder
Original assignee: CIS FORSCHUNGSINSTITUT fur MIKROSENSORIK und PHOTOVOLTAIK GmbH; Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: CIS FORSCHUNGSINSTITUT FUER MIKROSENSORIK UND , DE; Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2012-12-20
Also published as: WO2012171747A1

Abstract

Eine Druckmesszelle 1 umfasst: einen Membrankörper 9 mit einer Messmembran, mit einen druckabhängig auslenkbaren Bereich; und einen zumindest teilweise transparenten Gegenkörper 2 die unter Bildung einer Messkammer 4 miteinander verbunden sind; sowie zwei im Wesentlichen parallele Reflexionsflächen 12, 14, wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran ein biegesteifes Zentrum 10 aufweist, dessen gegenkörperseitige Oberfläche die erste Reflexionsfläche 12 aufweist, wobei der auslenkbare Bereich von einem biegesteifen Randbereich 9 umgeben ist, wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran einen verformbaren, dünnen Bereich 8 aufweist, welcher das biegesteife Zentrum umgibt und mit dem Randbereich verbindet, wobei eine zweite, teilreflektierende Reflexionsfläche 14 durch eine der Messmembran zugewandte Oberfläche des Gegenkörpers 2 gebildet wird, wobei die erste Reflexionsfläche durch die zweite Reflexionsfläche hindurch beleuchtbar ist, und wobei der Abstand zwischen den Reflexionsflächen abhängig ist von einer Differenz zwischen einem ersten und einen zweiten Druck auf die Messmembran, die außerhalb bzw. innerhalb der Messkammer herrschen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine interferometrische Druckmesszelle. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise aus dem europäischen Patent Nr. EP 1 078 227 B1 bekannt, welches ein optisch adressierbares Messsystem offenbart, das insbesondere einen Drucksensor mit Weißlicht-interferometrischer Auswertung umfasst.
Die Veröffentlichung WO 2007/136779 A2 offenbart eine interferometrische Drucksensoren, die bestimmungsgemäß als Mikrophon bzw. Hydrophon eingesetzt werden. In diesen Anwendungen ist es erforderlich, Signaldynamik, also Amplituden und Frequenzen von Oszillationen zu erfassen. Auf absolute Druckmesswerte, die insbesondere eine genaue Kenntnis des Nullpunkts, also des Gleichgewichtsabstands zwischen den beiden Reflexionsflächen des Interferometers voraussetzt, kommt es im Hinblick auf die genannte Zweckbestimmung des Sensors nicht an.
Die genannte WO 2007/136779 A2 offenbart genauer einen interferometrischen Sensor mit einer sogenannten Bossmembran bzw. einer Membran mit biegesteifem Zentrum, wobei das biegesteife Zentrum eine Reflexionsfläche aufweist, deren Orientierung bezüglich des gewöhnlich senkrecht zur Reflexionsfläche eingestrahlten Lichts nicht durch eine druckabhängige Durchbiegung der Messmembran verändert wird. Auf diese Weise soll gewährleistet werden, dass das von der Messmembran reflektierte Licht bei senkrechter Einstrahlung unabhängig vom Druck wieder zurück in den einstrahlenden Lichtleiter gelangt. Bei einem durch Toleranzen bedingten, lateralen Versatz des Lichtleiters könne nämlich von einer ausgelenkten, herkömmlichen Messmembran ohne biegesteifes Zentrum reflektiertes Licht den Lichtleiter bis zum Totalverlust des Signals verfehlen.
Die Darstellung erscheint jedoch zumindest für gängige Drucksensoren mit einer Messmembran, die beispielsweise Si aufweist, abwegig, denn eine Durchbiegung einer Messmembran, die eine Ablenkung eines reflektierten Lichtstrahls um mehrere Grad bewirkt, damit er einen in der Ruhelage senkrecht einstrahlenden Lichtleiter verfehlt, erscheint bei den gängigen Dimensionierungen nicht plausibel.
Die internationale Veröffentlichung WO 2007/136779 A2 offenbart weiterhin, dass die Stirnfläche eines Lichtleiters über den die die Messmembran beleuchtet werden soll, als zweite Reflexionsfläche dient. Damit sind jedoch beachtliche Fehlerquellen hinsichtlich der Nullpunktstabilität und hinsichtlich des Auflösungsvermögens der Druckmesszelle gegeben, die im folgenden kurz diskutiert sind:
Erstens kann die axiale Position des Lichtleiters variieren, beispielsweise bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Material des Gegenkörpers und dem Material des Lichtleiters, damit ist der Nullpunkt instabil.
Zweitens kann eine Verkippung der Stirnfläche des Lichtleiters durch einen Längenunterschied von nur +/–1 μm bzw. +/–2 μm bezüglich der Achse des Lichtleiters an den gegenüberliegenden Rändern des Lichtleiters eine Variation des Abstands zwischen den beiden Reflexionsflächen um einige Wellenlängen bewirken, was zu einer Aufweitung des Nullpunktsignals führt, wie in 5a bis c anhand von Signaturen einer Reflexionsfläche mit Verkippungen von 0 μm +/– 1 μm und +/–2 μm dargestellt ist. Damit ist die Messgenauigkeit des Sensors beeinträchtigt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Druckmesszelle mit einer verbesserten Messgenauigkeit bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Druckmesszelle umfasst
einen Membrankörper mit einer Messmembran, die einen druckabhängig auslenkbaren Bereich aufweist; und
einen zumindest teilweise transparenten Gegenkörper, wobei der Membrankörper und der Gegenkörper unter Bildung einer Messkammer zwischen der Messmembran und dem Gegenkörper druckdicht miteinander verbunden sind;
wobei die Druckmesszelle mindestens zwei im Wesentlichen parallel zueinander und miteinander fluchtend angeordnete Reflexionsflächen aufweist,
wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran ein biegesteifes Zentrum aufweist, dessen gegenkörperseitige Oberfläche die erste Reflexionsfläche aufweist,
wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran von einem biegesteifen Randbereich umgeben ist,
wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran einen verformbaren, dünnen Bereich aufweist, welcher das biegesteife Zentrum umgibt und mit dem Randbereich verbindet,
wobei eine zweite, teilreflektierende Reflexionsfläche durch die der Messmembran zugewandte Oberfläche des Gegenkörpers gebildet wird,
wobei die erste Reflexionsfläche durch die zweite Reflexionsfläche hindurch beleuchtbar ist, und
wobei der Abstand zwischen ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche abhängig ist von der Differenz zwischen einem ersten Druck, der auf eine der Messkammer abgewandten Außenseite der Messmembran einwirkt und einem zweiten Druck, der in der Messkammer herrscht.
Die erste Reflexionsfläche ist erfindungsgemäß aufgrund des biegesteifen Zentrums unabhängig von einer druckabhängigen Auslenkung im wesentlichen planar. Dies kann insbesondere bedeuten, dass für jeden Druck p, der eine Auslenkung der ersten Reflexionsfläche um bis zu dem halben Gleichgewichtsabstand zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche bewirkt, der Abstand der Punkte der ersten Reflexionsfläche zu einer mittels der Methode der kleinsten Quadrate in die Reflexfläche gefittete Ebene weniger als 15 nm, insbesondere weniger 10 nm und bevorzugt weniger als 5 nm beträgt.
Die erste Reflexionsfläche ist insbesondere die Fläche, die mit der orthogonalen Projektion der wirksamen Fläche eines Kollimators bzw. einer Quelle kollimierten Lichts auf die gegenkörperseitige Fläche des biegesteifen Zentrums fluchtet. Mit anderen Worten ist dies jener Anteil der dem Gegenkörper zugewandten Fläche des biegesteifen Zentrums, der mit kollimierten Licht beleuchtet wird. Die erste Reflexionsfläche sollte nicht über die gegenkörperseitige ebene Oberfläche des biegesteifen Zentrums hinausgehen.
Es ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, dass das Zentrum der ersten Reflexionsfläche mit dem Zentrum der gegenkörperseitigen Fläche des biegesteifen Zentrums im wesentlichen fluchtet. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Abstand zwischen den beiden genannten Zentren weniger als A_L ^1/2/10, insbesondere weniger A_L ^1/2/20 bevorzugt weniger als A_L ^1/2/40 beträgt, wobei A_L die Fläche des eingestrahlten Lichts ist, welche nach der obigen Definition gleich der ersten Reflexionsfläche ist.
Im Hinblick auf die in 5 dargestellten Effekte der Signalverbreiterung aufgrund einer Reflexionsfläche mit uneinheitlichem Abstand zur Gegenfläche ist es vorteilhaft, wenn auch die Messmembran ein biegesteifes Zentrum aufweist, dessen gegenkörperseitige Oberfläche die erste Reflexionsfläche umfasst.
Der Einfluss des biegesteifen Zentrums, bzw. des Fehlens eines solchen biegesteifen Zentrums auf das Messsignal ist anhand der 6a bis c für eine Messmembran ohne biegesteifes Zentrum dargestellt. Die Kurven zeigen die Signaturen einer Messmembran für einem Gleichgewichtsabstand von 20 μm sowie für Auslenkungen der Messmembran von z₀ = 5 μm bzw. z₀ = 10 μm im Zentrum der Messmembran aus diesem Gleichgewichtsabstand. Hierbei sind eine Messmembran mit einem Radius von 1500 μm und eine erste Reflexionsfläche mit einem Radius von 400 μm angesetzt. Die Biegelinie z(r) für die Messmembran ist hierbei mit z = z₀·(1 – (r/R)²)² angesetzt, wobei z₀ die Auslenkung der Messmembran im Zentrum, und R der Radius der Messmembran ist.
Aus den Figuren für die ausgelenkte Messmembran ist klar erkennbar, wie die druckabhängige Krümmung der Messmembran eine Verbreiterung des Signals bewirkt und damit eine genaue Druckmessung beeinträchtigt. Ein biegesteifes Zentrum bewirkt dagegen, dass die Signaturen der ausgelenkten Messmembran im wesentlichen die gleiche Form wie die Signatur der Messmembran in der Ruhelage aufweisen. Damit verfügt die erfindungsgemäße Druckmesszelle im wesentlichen über den gesamten Messbereich über eine konstant gute Auflösung.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der dünne Bereich der Messmembran durch Vertiefungen auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Membrankörpers gebildet, wobei die Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen auf einer ersten Seite mehr als das 10-fache insbesondere mehr als das 20-fache der Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite beträgt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der verformbare, dünne Bereich mehrere Versteifungen auf, die symmetrisch angeordnet sind, und die sich jeweils von dem biegesteifen Zentrum bis zu dem Randbereich des Membrankörpers erstrecken.
Grundsätzlich sind Versteifungen bekannt aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 031 705 A1 , welche eine Druckmesszelle mit einem biegesteifen Zentrum und einem piezoresistiven Wandler betrifft, wobei die Widerstandselemente des piezoresistiven Wandlers in Brückenschaltung im Sinne einer erhöhten Empfindlichkeit jeweils im Bereich der Versteifungen präpariert sind. Durch die Versteifungen soll auch der Einfluss von Torsionskräften beschränkt werden, gegen welche die Brückenschaltung eine Querempfindlichkeit aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können die Versteifungen insbesondere dadurch gebildet sein, dass beim Präparieren der Vertiefungen von der zweiten Seite Bereiche, welche die Versteifungen bilden sollen, nicht oder weniger abgetragen werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können die Versteifungen, welche sich in ihrer Längsrichtung zwischen dem biegesteifen Zentrum und dem Randbereich erstrecken, beispielsweise eine Breite von etwa 50 μm bis 500 μm, insbesondere etwa 250 μm bis 350 μm aufweisen. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Breite der Versteifungen etwa 300 μm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das biegesteife Zentrum einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf, wobei sich von jeder Seite des Rechtecks bzw. Quadrats mindestens zwei Versteifungen zum Randbereich des Membrankörpers erstrecken, wobei insbesondere die Mittellinien in Längsrichtung der zwei Versteifungen bzw. der zwei äußeren Versteifungen an einer Seite des mehr als eine halbe Seitenlänge, vorzugsweise mehr als zwei drittel einer Seitenlänge des Querschnitts zueinander beabstandet sind.
Hierbei sind gemäß einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung die Mittellinien der Versteifungen nicht weniger als 60%?, vorzugsweise nicht weniger als 70%? der Breite der Versteifungen von der nächsten Ecke des Querschnitts entfernt.
Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung sind die jeweils der nächsten Ecke des Querschnitts zugewandten Außenseiten der Versteifungen von den Ecken beabstandet, und zwar insbesondere mindestens um 50 μm?, und bevorzugt mindestens um 100 μm?. Aufgrund Abstands zwischen den Versteifungen und den Ecken des Querschnitts können diese Strukturen mit besserer Reproduzierbarkeit präpariert werden. Damit einhergehend wird die Symmetrie zwischen den Versteifungen mit größerer Genauigkeit eingehalten, was wiederum das Risiko des Verkippens des biegesteifen Zentrums reduziert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung verläuft jede der Versteifungen zu mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 90% und besonders bevorzugt vollständig in einem Bereich, der durch zwei zur Längsrichtung der jeweiligen Versteifung parallele Ebenen begrenzt ist, die senkrecht zur Ebene der zweiten Seite des biegesteifen Zentrums verlaufen, und in denen jeweils eine Seite des rechteckigen oder quadratischen Querschnitts an der ersten Seite des biegesteifen Zentrums verläuft.
In dem von den genannten Ebenen begrenzten Bereich sind die auf die Versteifungen Spannungen weitgehend konstant, so dass die Anordnung der Versteifungen in diesem Bereich ebenfalls dazu beiträgt, Verkippungen des biegesteifen Zentrums zu begrenzen bzw. zu vermeiden.
Die Versteifungen tragen insbesondere dazu bei, dass bei einer gegebenen, druckbedingten Auslenkung z₀ des Zentrums der Messmembran um bis zu 1% des Abstands zwischen dem biegesteifen Zentrums und dem Randbereich der Messmembran der Abstand von verschiedenen Punkten einer orthogonalen Projektion der ersten Reflexionsfläche auf eine mittels der Methode der kleinsten Quadrate in die erste Reflexionsfläche gefitteten ersten Ebene zu einer mittels der Methode der kleinsten Quadrate in die zweite Reflexionsfläche gefitteten zweiten Ebene um nicht mehr als 40 nm, insbesondere nicht mehr als 20 nm und bevorzugt nicht mehr als 10 nm variiert.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der auslenkbare Bereich der Messmembran eine Fläche A_M auf die von dem biegesteifen Randbereich umgeben ist, wobei der Abstand der ersten Reflexionsfläche von der zweiten Reflexionsfläche in der Gleichgewichtslage der Messmembran nicht mehr als (A_M ^1/2)·f^–1 beträgt, wobei gilt f > 10, insbesondere f > 30, vorzugsweise f > 60 und besonders bevorzugt f > 80.
Unter Gleichgewichtslage der Messmembran ist eine Lage zu verstehen, bei welcher der erste Druck gleich dem zweiten Druck ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist das kollimierte Licht in der Ebene der zweiten Reflexionsfläche einen Querschnittfläche A_L auf, für die gilt: A_L = A_M·g^–1, wobei g > 4, insbesondere g > 8, bevorzugt g > 16.
Der Effekt der Dimensionierung der Druckmesszelle wird nun anhand der folgenden Abschätzung erläutert: Geht man beispielsweise von einem Durchmesser des auslenkbaren Bereichs einer Messmembran von 3000 μm, einem Durchmesser des eingestrahlten Lichtbündels von 800 μm einem Gleichgewichtsabstand zwischen den Reflexionsflächen von 20 μm und einem Hub der Messmembran von 10 μm aus, so folgt unter Annahme einer Biegelinie z(r) = z₀·(1 – (r/r₀)²)² für eine kreisscheibenförmige Messmembran, dass der maximale radiale Versatz von reflektiertem Licht, der am äußersten Rand des Lichtbündels auftritt, weniger als 0,05% des Radius des Lichtbündels beträgt. Der Signalverlust durch reflektiertes Licht, welches den Kollimator verfehlt, ist also völlig vernachlässigbar. Heran ändert sich auch nichts wesentlich, wenn man einen radialen Versatz des Lichtbündels bzw. des Kollimators gegenüber dem Zentrum der Messmembran von bis zu einem Durchmesser des Lichtleiters zulässt. Selbst bei einer solchen – in der Praxis kaum zu erwartenden – ungenauen Montage, beträgt der über den Umfang des Lichtbündels gemittelte, radiale Versatz der reflektierten Randstrahlen des Lichtbündels weniger als 0,05% des Radius des Lichtbündels. Der laterale Versatz würde bei den beschriebenen Dimensionen also auch dann keine Rolle spielen, wenn kein biegesteifes Zentrum vorgesehen wäre.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Druckmesszelle einen Membrankörper, der Si aufweist. Der Gegenkörper kann beispielsweise ein Glas aufweisen, welches hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu Si kompatibel ist. Insbesondere Borosilikatgläser wie Borofloat^®33 oder Pyrex sind geeignet.
Der Gegenkörper kann beispielsweise mittels anodischen Bondens oder über ein Au-Si-Eutektikum oder Bonden mittels einer Glasfritte mit dem Membrankörper verbunden sein.
Die Präparation der Druckmesszellen erfolgt insbesondere im Wafer- bzw. Scheibenverband, wobei derzeit eine Si-Scheibe mit einer Stärke von 380 μm bevorzugt ist. Die Si-Scheibe kann insbesondere eine Si-Scheibe mit einer <100>-Orientierung sein.
Die Stärke der Glasscheibe beträgt einerseits beispielsweise nicht weniger als 1 mm, insbesondere nicht weniger als 1,5 mm und bevorzugt nicht weniger als etwa 1,8 mm. Die Stärke der Glasscheibe beträgt andererseits beispielsweise nicht mehr als 5 mm, insbesondere nicht mehr als 3 mm und bevorzugt nicht mehr als etwa 2,5 mm. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Stärke der Glasscheibe etwa 2,1 mm.
Die Druckmesszelle weist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundform auf, wobei die Seitenlänge beispielsweise nicht mehr 10 mm insbesondere nicht mehr als 8 mm und bevorzugt nicht mehr als 6 mm beträgt. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Seitenlänge etwa 5,3 mm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der dünne, verformbare Bereich der Messmembran mittels eines Verfahrens präpariert, welches anisotropes Ätzen, insbesondere KOH-Ätzen umfasst. Je nach angestrebtem Messbereich und der Breite der dünnen, verformbaren Bereiche der Messmembran ist die Materialstärke der dünnen, verformbaren Bereiche gewählt. Die Materialstärke beträgt beispielsweise für einen Sensor mit einem Messbereich von beispielsweise einem 2 bar Absolutdruck nicht mehr als 80 μm, insbesondere nicht mehr als 60 μm und bevorzugt nicht mehr als 45 μm. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Materialstärke des verformbaren, dünnen Bereichs beispielsweise 30 bis 40 μm.
Der dünne verformbare Bereich weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine solche Materialstärke auf, dass bei einer druckbedingten Auslenkung z₀ des Zentrums der Messmembran um 1% des Abstands zwischen dem biegesteifen Zentrums und dem Randbereich der Messmembran nicht weniger als 95%, vorzugsweise nicht weniger als 97,5% der Auslenkung in z-Richtung in dem dünnen, verformbaren Bereich erfolgt.
Die durch das Ätzen gebildeten Gräben weisen also eine Tiefe von beispielsweise bis zu etwa 300 μm auf. Falls die Stärke des dünnen Bereichs auch durch Vertiefungen von der anderen Seite des Membrankörpers eingestellt wird, fällt die Tiefe der Gräben entsprechend geringer aus.
Das biegesteife Zentrum der Messmembran weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung an seiner Basis einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf, wobei die minimale Seitenlänge an der Basis des biegesteifen Zentrums nicht weniger als 600 μm, insbesondere nicht weniger als 1000 μm und bevorzugt nicht weniger als 1200 μm beträgt. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Seitenlänge an der Basis des biegesteifen Zentrums etwa 1300 μm.
Die Basis des biegesteifen Zentrums sei an jener Seite des Membrankörpers, von der aus der wesentliche Teil des Materialabtrags bei der Präparation des verformbaren, dünnen Bereichs mittels anisotropen Ätzens erfolgt ist. Dem entsprechend weist das biegesteife Zentrum an seiner Basis seine kleinsten lateralen Dimensionen auf.
Die Basis des biegesteifen Zentrums ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung gegenüber der Basis des den verformbaren, dünnen Bereich umgebenden Randbereichs des Membrankörpers zurückgesetzt, und zwar beispielsweise etwa um den Gleichgewichtsabstand zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche. Dies kann insbesondere durch anisotropes Ätzen erfolgen, wodurch die Kristallorientierung der Basis in der ersten Reflexionsfläche erhalten bleibt.
Ggf. kann ein Polierätzen erfolgen, wobei es hierbei darauf zu achten ist dass die parallele Ausrichtung der Reflexionsflächen nicht beeinträchtigt wird.
Das Rückätzen der Basis kann auch über ein BESOI-Verfahren erfolgen, wobei der Membrankörper in diesem Fall ein SOI-Schichtsystem aufweist, wobei im Bereich des biegesteifen Zentrums eine Rückätzung erfolgt.
Wie bereits zuvor erwähnt kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der verformbare, dünne Bereich der Messmembran durch Vertiefungen auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Membrankörpers gebildet sein, wobei die Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen auf einer ersten Seite mehr als das 10-fache insbesondere mehr als das 20-fache der Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite beträgt. Die Materialstärke der verformbaren, dünnen Bereiche kann demnach also auch in der Weise reduziert werden, dass von der der Basis des biegesteifen Zentrums abgewandten Oberfläche des Membrankörpers ergänzende Vertiefungen bzw. oder Vertiefung präpariert werden bzw. wird. Die Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen von der zweiten Seite beträgt jedoch deutlich weniger als die Tiefe des durch anisotropes Ätzen von ersten Seite präparierten Grabens, beispielsweise nicht mehr als 25 μm, insbesondere nicht mehr als 15 μm und bevorzugt nicht mehr als 10 μm. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Tiefe etwa 6 μm.
Der Randbereich des Membrankörpers weist eine ringförmig umlaufende Basisfläche auf, mit welcher der Membrankörper druckdicht und drucktragend mit dem Gegenkörper verbunden ist. Die Breite der Basisfläche vom äußeren Rand des Membrankörpers bis zu dem durch anisotropes Ätzen gebildeten Graben zwischen dem Randbereich und dem biegesteifen Zentrum beträgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nicht weniger als 300 μm, insbesondere nicht weniger als 400 μm und bevorzugt nicht weniger als 500 μm. Andererseits beträgt die Breite der Basisfläche nicht mehr als beispielsweise 1000 μm, insbesondere nicht mehr als 800 μm und bevorzugt nicht mehr als 750 μm.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Druckmesszelle weiterhin eine Aufnahme für einen Lichtleiter und ggf. einen Kollimator auf, um die erste Reflexionsfläche durch die zweite Reflexionsfläche hindurch mit kollimiertem Licht senkrecht zur zweiten Reflexionsfläche zu beleuchten.
Zum Betreiben der Druckmesszelle wird so genanntes Licht geringer Kohärenz bzw. Weißlicht eingesetzt. Licht geringer Kohärenz umfasst einem Spektralbereich mit einer Breite von beispielsweise mindestens 50 nm, insbesondere mindestens 100 nm, insbesondere aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts, so dass das eingesetzte Licht eine Kohärenzlänge von weniger als 1 μm bis zu einigen wenigen μm, insbesondere weniger als 5 μm aufweist.
Der Begriff des kollimierten Lichts ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beispielsweise so zu verstehen, das mindestens 70%, insbesondere mindestens 85%, und bevorzugt mindestens 95% der eingestrahlten Lichtintensität eine Abweichung von der optischen Achse von weniger als 4°, insbesondere weniger als 3° und bevorzugt weniger als 2,5° aufweisen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung betrifft die Divergenz des kollimierten Lichts nicht mehr als 160 mrad, vorzugsweise nicht mehr als 80 mrad, weiter bevorzugt nicht mehr als 40 mrad und besonders bevorzugt nicht mehr als 20 mrad. Bei einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Divergenz etwa 18 mrad.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Druckmesszelle einen Trägerkörper welcher den Gegenkörper trägt, wobei der Gegenkörper insbesondere mit einer der Messmembran abgewandten Oberfläche an dem Trägerkörper befestigt ist. Der Trägerkörper umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung einen metallischen Werkstoff, insbesondere Kovar^®, welches aufgrund seines Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Verbindung mit dem Material des Gegenkörpers geeignet ist.
Der Trägerkörper umfasst gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine erste Montagefläche, an welcher der Gegenkörper druckdicht und drucktragend befestigt ist. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung umfasst der Trägerkörper weiterhin eine zweite Montagefläche, mit welcher der Trägerkörper insbesondere druckdicht und/oder drucktragend an einem dritten Körper, insbesondere einem metallischen Gehäusekörper zu befestigen ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist der Trägerkörper eine Öffnung auf, welche von der ersten Montagefläche ringförmig umgeben ist. Durch die Öffnung verläuft ein Lichtpfad zum Einstrahlen von Lichts in den Gegenkörper und zum Rückführen von reflektiertem Licht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Trägerkörper die Aufnahme für einen Lichtleiter und/oder für einen Kollimator. Der Lichtleiter und/oder der Kollimator können direkt oder mittels einer Ferrule in die Aufnahme eingebracht sein. Die Aufnahme dien insbesondere dazu, den Lichtleiter und oder den Kollimator bezüglich des Gegenkörpers auszurichten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Kollimator eine Gradient-Index-Linse (GRIN-Linse) und oder mindestens eine Sammellinse mit mindestens einer konvexen Oberfläche aufweisen. Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
1: einen schematischen Längsschnitt durch eine Messmembran und einen Gegenkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2: einen schematischen Längsschnitt durch eine Messmembran und einen Gegenkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3: eine Detailansicht der Druckmesszelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4: einen Längsschnitt durch eine Druckmesszelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a–c: Signaturen zu einer zweiten Reflexionsfläche nach dem Stand der Technik für verschiedene Kippwinkel; und
6a–c: Signaturen zu einer ersten Reflexionsfläche an einer Messmembran ohne biegesteifes Zentrum nach dem Stand der Technik für verschiedene Druckbeaufschlagungen.
Unter Bezugnahme auf 1 und 3 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel einer Druckmesszelle 1 erläutert, wobei 1 einen Längsschnitt und 3 eine perspektivische Ansicht eines Quadranten der Druckmesszelle darstellen. Die Druckmesszelle 1 umfasst einen Gegenkörper 2 aus einem Borosilikatglas, beispielsweise Borofloat^®33, und einen Membrankörper 3, welcher kristallines Silizium in <100>-Orientierung aufweist. Der Membrankörper 3 und der Gegenkörper 2 sind druckdicht miteinander verbunden mittels einer durch anodisches Bonden präparierten umlaufenden Fügestelle 5. Zwischen dem Membrankörper 3 und dem Gegenkörper 2 ist durch die Verbindung eine druckdicht verschlossene Messkammer 4 gebildet. Die Fügestelle weist insbesondere eine Breite von etwa 0,5 bis 0,75 mm auf. Der Gegenkörper 2 weist eine Stärke von etwa 2,1 mm und einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von etwa 5 bis 6 mm auf. Der Membrankörper weist vorzugsweise eine der gängigen Materialstärken auf, in welcher Si-Scheiben erhältlich sind; im vorliegenden Fall sind dies 380 μm. Der Membrankörper 3 weist eine grabenartige, umlaufende erste Vertiefung 6 auf, die mittels anisotropen Ätzens präpariert ist, und die eine Tiefe von etwa 340 μm gegenüber einer ursprünglichen ersten Oberfläche aufweist, von der aus die Vertiefung präpariert ist. Von einer der ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche sind fluchtend mit der ersten Vertiefung zweite Vertiefungen 7 präpariert, welche allerdings eine erheblich geringere Tiefe von beispielsweise etwa 6 μm aufweisen. Über diese zweiten Vertiefungen wird die Stärke eines elastisch verformbaren, dünnen Bereichs 8 auf etwa 34 μm eingestellt. Der dünne Bereich 8 ist von einem Randbereich 9 umgeben der insbesondere, noch die volle Materialstärke von 380 μm aufweist und entsprechend steif ist. Der dünne Bereich 8 umgibt und trägt ein biegesteifes Zentrum 10, welches aufgrund der Flexibilität des dünnen Bereichs einen druckabhängigen Abstand zum Gegenkörper 2 aufweist. Der dünne Bereich 8 weist allerdings nicht durchgehend die Materialstärke von 34 μm auf. Er umfasst weiterhin Versteifungen 11, die sich vom biegesteifen Zentrum 10 zum Randbereich erstrecken, und die dadurch gebildet sind, dass beim Präparieren der zweiten Vertiefungen 7 von der zweiten Oberfläche des Membrankörpers 2 her im Bereich der Versteifungen kein Materialabtrag erfolgt. Die Länge I_v der Versteifungen entspricht naturgemäß dem Abstand zwischen dem biegesteifen Zentrum 10 und dem Randbereich 9; sie beträgt beispielsweise etwa 750 μm bis 1000 μm. In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich – wie in 3 dargestellt – von jeder Seite des biegesteifen Zentrums zwei Versteifungen Die Versteifungen 11 tragen insbesondere dazu bei, ein Verkippen des biegesteifen Zentrums 10 bezüglich des Randbereichs 9 – und damit bezüglich des Gegenkörpers 2 zu vermeiden. Dieser Zweck wird um so effektiver erreicht, je weiter die Versteifungen von den Mittelebenen des biegesteifen Zentrums 10 beabstandet sind, die in der Darstellung von 3 mit den Schnittflächen zusammenfallen. Die Mittellinien der beiden Versteifungen 11 an einer Seite des biegesteifen Zentrums 10 sind jeweils mehr als die halbe Breite b_z des biegesteifen Zentrums 10 in der Ebene der Oberfläche der Versteifungen voneinander beabstandet. Im Hinblick auf eine optimale Wirkung gegen Verkippungen erscheint es zunächst wünschenswert, die Versteifungen so wert nach außen zu verlegen, dass die jeweiligen Außenseiten der Versteifungen 11 auf die Ecken des biegesteifen Zentrums treffen. Es hat sich jedoch überraschender Weise als vorteilhaft erwiesen, von dieser extremen Position abzuweichen so dass die Mittellinien der Versteifungen 11 um mehr als 60% der Breite b_v der Versteifungen 11 von den Ecken des biegesteifen Zentrums beabstandet sind. Wenn die Versteifungen mit ihren Außenseiten nicht unmittelbar in den Ecken des biegesteifen Zentrums aneinander stoßen, lassen sie sich jeweils mit größerer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit präparieren, was im Ergebnis zu einer verbesserten Einhaltung der Symmetrieerfordernisse führt, welche die Voraussetzung dafür sind, dass es nicht zu einer Verkippung des biegesteifen Zentrums kommt.
Die Druckmesszelle wird erfindungsgemäß interferometrisch mit Weißlicht bzw. mit Licht geringer Kohärenz betrieben. Hierzu sind zwei parallele Reflexionsflächen vorgesehen deren veränderlicher Abstand zueinander von der Differenz zwischen dem Druck in der Messkammer und dem Druck auf der der Messkammer abgewandten Seite der Messmembran abhängt. Eine erste Reflexionsfläche 12 ist an der dem Gegenkörper 2 zugewandten Unterseite des biegesteifen Zentrums 10 ausgebildet. Eine zweite Reflexionsfläche wird durch einen mit der Unterseite des biegesteifen Zentrums 10 fluchtenden und diesem zugewandten Oberflächenabschnitt 14 des Gegenkörpers 10 gebildet.
Die Unterseite des biegsteifen Zentrums ist gegenüber der Unterseite des Randbereichs 9 um einige 10 μm, beispielsweise 30 μm durch anisotropes Ätzen zurückgesetzt. Dies bewirkt dass der Abstand zwischen der ersten Reflexionsfläche 12 und der zweiten Reflexionsfläche 14 über den gesamten Messbereich größer als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts ist. Beispielsweise kann eine Absolutdruckmesszelle mit einem Messbereich von 0 bis 2 bar somit bei einem Druck von 0 bar einen Abstand von 30 μm zwischen den beiden Reflexionsflächen aufweisen, während der Abstand bei dem gewöhnlichen Atmosphärendruck etwa 20 μm und bei der Messbereichsgrenze von 2 bar noch 10 μm beträgt.
Die Breite des biegesteifen Zentrums 10 in der Ebene der ersten Reflexionsfläche 12 beträgt etwa 1000 μm bis 1500 μm, wobei die erste Reflexionsfläche 10 nicht die ganze Unterseite des biegesteifen Zentrums einnimmt, sondern beispielsweise nur eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 0,8 mm.
Eine dem Membrankörper 3 abgewandte Unterseite des Gegenkörpers 2 dient als Montagefläche 16 und als Einkopplungsfläche, durch welche die erste und zweite Reflexionsfläche beleuchtet werden.
2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Druckmesszelle 21 mit einem Gegenkörper 22 aus Borosilikatglas und einem Membrankörper 23 aus Si, der im wesentlichen vergleichbarer Strukturen zu dem Membrankörper aus 1 aufweist; jedoch ist der Membrankörper 23 in diesem Ausführungsbeispiel gewissermaßen in umgekehrter Orientierung bezüglich des Gegenkörpers 22 montiert. Hinsichtlich der Materialstärken gelten die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel sinngemäß, wenn im Zusammenhang mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht ausdrücklich andere Angaben gemacht werden.
Der Membrankörper 23 ist mit dem Gegenkörper 22 unter Bildung einer Messkammer 24 entlang einer umlaufenden Fügestelle 25, die durch anodisches Bonden präpariert ist, druckdicht verbunden. Von einer dem Gegenkörper abgewandten ersten Oberfläche ist eine ringförmig umlaufende, erste Vertiefung 26 mittels anisotropen Ätzens präpariert, deren Tiefe bei einer Stärke der Si-Scheibe von 380 μm beispielsweise etwa bis 310 μm betragen kann. Von einer dem Gegenkörper 22 zugewandten zweiten Oberfläche ist zunächst fluchtend mit dem von dem äußeren Rand der ersten Vertiefung 26 umschlossenen Bereich eine Schicht von etwa 30 μm mittels anisotropen Ätzens abgetragen. Von dem so präparierten Ausgangsniveau werden zweite Vertiefungen 27 mit einer Tiefe von etwa 6 μm präpariert, um die endgültige Stärke eines elastisch verformbaren, dünnen Bereichs 28 auf beispielsweise etwa 34 μm einzustellen. Die zweiten Vertiefungen 27 sind ggf. wieder durch (hier nicht dargestellte) Versteifungen unterbrochen, deren Gestaltung entsprechend gemäß den entsprechenden Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel erfolgt. Im Ergebnis weist der Membrankörper 23 einen elastisch verformbaren, dünnen Bereich 28 auf, der von einem steifen Randbereich 29 umgeben ist, wobei der dünne Bereich ein biegesteifes Zentrum 30 umgibt und trägt. An einer dem Gegenkörper zugewandten Unterseite des biegesteifen Zentrums 30 weist die Druckmesszelle 21 eine erste Reflexionsfläche 32 auf, die parallel und fluchtend zu einer zweiten Reflexionsfläche 34 verläuft, welche durch einen dem biegesteifen Zentrum 30 zugewandten Oberflächenabschnitt des Gegenkörpers 22 gebildet wird.
Eine dem Membrankörper 23 abgewandte Unterseite des Gegenkörpers 22 dient als Montagefläche 36 und als Einkopplungsfläche, durch welche die erste Reflexionsfläche 32 und zweite Reflexionsfläche 34 beleuchtet werden.
4 zeigt die Druckmesszelle 1 gemäß 1, die nun durch einen Trägerkörper 40, komplettiert ist, wobei die Montagefläche 16 des Gegenkörpers 2 auf einer ersten Montagefläche 41 druckdicht und drucktragend, beispielsweise durch eine Klebung befestigt ist. Der Trägerkörper 40 weist einen metallischen Werkstoff auf, der hinsichtlich seines thermomechanischen Verhaltens mit dem Material des Gegenkörpers kompatibel ist. Hierzu ist insbesondere KOVAR^® geeignet. Der Trägerkörper weist weiterhin eine zweite Montagefläche 50 auf, welche die erste Montagefläche ringförmig umgibt, und mit welcher die Druckmesszelle beispielsweise in ein hydraulisches Messwerk integriert oder an eine sonstige Druckquelle angeschlossen werden kann.
Die erste Montagefläche umgibt eine Öffnung 42 zu einer im wesentlichen zylindrischen Kammer 43, die im Inneren des Trägerkörpers ausgebildet ist. Die Kammer 43 weist in ihrer Mantelfläche ein Innengewinde auf, in welches eine Ferrule 44 eingeschraubt ist, die auf einer rückseitige Stirnfläche des Trägerkörpers 40 mit einer Kontermutter gesichert ist, um die axiale Position der Ferrule zu fixieren. Die Ferrule 44 trägt in ihrem in die Kammer eingebrachten Endabschnitt einen Kollimator 46, der hier eine GRIN-Linse umfasst. In eine rückseitige axiale Öffnung der Ferrule 44 ist eine Anschlusskupplung 47 eines Lichtleiters eingesetzt und mit einer Überwurfmutter 48 fixiert. Der Lichtleiter umfasst eine Glasfaser 49, die axial in der Anschlusskupplung geführt ist. Die Abstände zwischen der Endfläche des Lichtleiters und einer dem Lichtleiter zugewandten Stirnfläche des Kollimators 46 einerseits sowie zwischen einer dem Gegenkörper 2 zugewandten Stirnfläche des Kollimators 46 und der Unterseite des Gegenkörpers andererseits sind so gewählt, dass sie nicht mit den im Messbereich der Druckmesszelle auftretenden Abständen zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche überlappen sondern vielmehr davon beabstandet sind.
Im Messbetrieb wird über durch die Glasfaser 49, den Kollimator 46, die Öffnung 42 und den Gegenkörper 2 die erste Reflexionsfläche 12 an der Unterseite des biegesteifen Zentrums 10 mit kollimiertem Licht im senkrechten Einfall bestrahlt. Das von der ersten Reflexionsfläche 12 reflektierte licht interferiert mit dem von der zweiten Reflexionsfläche 14 reflektierten Licht, so dass anhand des resultierenden Interferogramms mittels eines Auswerteinterferometers der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Reflexionsfläche bestimmt und anhand dessen der zu messende Druck ermittelt werden kann.
Abschließend sollen anhand der 5a–c und 6a–c die Effekte der erfindungsgemäßen Druckmesszelle erläutert werden.
In den Kurven ist jeweils eine Funktion
betrachtet für verschiedene Flächen z(x, y) und Referenzabstände d_z, wobei über jeweils über die betrachteten Flächen A gemittelt wird. Der Spektralbereich erstreckte sich jeweils von 0,5 μm bis 0,6 μm.
5a–c beschreibt F(d_z) für eine Kreisfläche mit ihrem Zentrum bei x = y = z = 0 und einem Radius r, die einen Durchmesser bei x = 0, y = – r...r und z = 0 aufweist und um diesen Durchmesser in der Weise verkippt werden kann, dass die maximale Abweichung am Umfang der Kreisfläche bei y = 0 gegenüber Ebene z = 0 in 5b 1 μm und in 5c 2 μm beträgt. In 5a ist die Kreisfläche nicht geneigt, also z(x, y) = 0. Die Kurve in 5a entspricht also einer Signatur einer perfekt orientierten, ebenen Fläche, wie beispielsweise der zweiten Reflexionsfläche, oder einer gegen Verkippen geschützten ersten Reflexionsfläche auf einem biegesteifen Zentrum. Ein Verkippen um +/–1 μm bzw +/–2 μm führt dazu, dass das Maximum der Signatur in zwei getrennte Maxima aufgespalten wird, die mit zunehmender Verkippung Auseinanderlaufen. Damit ist eine Positionsbestimmung des Nullpunkts erheblich erschwert. Weiterhin ist zu beachten dass aufgrund destruktiver Interferenzen die verbleibenden Amplituden erheblich geringer sind als die Ursprungsamplitude bei einer optimal ausgerichteten Fläche. Derartig störende Verkippungen können einerseits auftreten, wenn ein Faserende direkt als Reflexionsfläche verwendet wird und andererseits, wenn beispielsweise ein biegesteifes Zentrum nicht ausreichend gegen Verkippen gesichert ist. Um einen Eindruck von der Größenordnung der Verkippung zu geben: Bei einem Lichtleiter mit einem Durchmesser von 800 μm treten die Effekt aus 5b und c bei einem Verkippungswinkeln von 0,14° bzw. 0,28° auf.
6a bis c beschreibt F(d_z) für eine kreisförmige Messmembran ohne biegesteifes Zentrum und einem auslenkbaren Bereich mit einem Radius r₀ = 1,5 mm, wobei eine Reflexionsfläche mit einem Radius r₀ = 400 μm betrachtet wird. Die Funktion z(r) ist in diesem Fall gegeben als z(r) = d₀ – z₀·(1 – (r/r₀)²)², wobei der Gleichgewichtsabstand d₀ = 20 μm, und die Amplitude im Zentrum der Messmembran z₀ = 0 μm, 5 μm und 10 μm in den Teilfiguren 6a, b und c ist. Es zeigt sich, dass die Durchbiegung der Messmembran zunächst zu einer Aufweitung des Maximums und bei weiterer Auslenkung zu getrennten Maxima führt. Dies erschwert eine genaue Positionsbestimmung der Membranfläche und damit eine genaue Druckmessung. Ebenso wie in 5a bis c sind auch in den 6a bis c die Amplituden nicht im gleichen Maßstab dargestellt, denn es geht hier vordringlich darum, die Verbreiterung des Maximums aufgrund der Abweichungen von der orthogonalen Ausrichtung bzw. Planarität darzustellen. Selbstverständlich führen destruktive Interferenzen von der durchgebogenen Messmembran auch zu einer Abnahme der Amplitude. Die beschriebenen Fehlerquellen sind aber in jedem Fall durch die erfindungsgemäße Druckmesszelle eliminiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1078227 B1 [0001]
WO 2007/136779 A2 [0002, 0003, 0005]
DE 102009031705 A1 [0017]

Claims

Druckmesszelle (1; 21), umfassend: einen Membrankörper (9; 29) mit einer Messmembran, die einen druckabhängig auslenkbaren Bereich aufweist; und einen zumindest teilweise transparenten Gegenkörper (2; 22), wobei der Membrankörper und der Gegenkörper unter Bildung einer Messkammer (4; 24) zwischen der Messmembran und dem Gegenkörper druckdicht miteinander verbunden sind; wobei die Druckmesszelle mindestens zwei im Wesentlichen parallel zueinander und miteinander fluchtend angeordnete Reflexionsflächen (12, 14; 32, 34) aufweist, wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran ein biegesteifes Zentrum (10; 30) aufweist, dessen gegenkörperseitige Oberfläche die erste Reflexionsfläche (12; 32) aufweist, wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran von einem biegesteifen Randbereich (9; 29) umgeben ist, wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran einen verformbaren, dünnen Bereich (8; 28) aufweist, welcher das biegesteife Zentrum umgibt und mit dem Randbereich verbindet, wobei eine zweite, teilreflektierende Reflexionsfläche (14; 34) durch eine der Messmembran zugewandte Oberfläche des Gegenkörpers (2; 22) gebildet wird, wobei die erste Reflexionsfläche durch die zweite Reflexionsfläche hindurch beleuchtbar ist, und wobei der Abstand zwischen ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche abhängig ist von der Differenz zwischen einem ersten Druck, der auf eine der Messkammer abgewandten Außenseite der Messmembran einwirkt, und einem zweiten Druck, der in der Messkammer herrscht.
Druckmesszelle nach Anspruch 1, wobei der verformbare, dünne Bereich der Messmembran durch Vertiefungen auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Membrankörpers gebildet ist, wobei die Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen auf einer ersten Seite mehr als das 10-fache insbesondere mehr als das 20-fache der Tiefe der Vertiefung bzw. Vertiefungen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite beträgt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der verformbare, dünne Bereich mehrere Versteifungen aufweist, die symmetrisch angeordnet sind, und die sich jeweils von dem biegesteifen Zentrum bis zu dem Randbereich des Membrankörpers erstrecken.
Druckmesszelle nach Anspruch 3, wobei das biegesteife Zentrum einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweist, und wobei sich von jeder Seite des biegesteifen Zentrums mindestens zwei Versteifungen zum Randbereich des Membrankörpers erstrecken.
Druckmesszelle nach Anspruch 4, wobei die Versteifungen Mittellinien in Längsrichtung der Versteifungen aufweisen, die nicht weniger als 60%?, vorzugsweise nicht weniger als 70%? der Breite der jeweiligen Versteifung von der ihnen nächsten Ecke des Querschnitts entfernt sind.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer gegebenen, druckbedingten Auslenkung z₀ des Zentrums der Messmembran um bis zu 1% des Abstands zwischen dem biegesteifen Zentrum und dem Randbereich der Messmembran der Abstand von verschiedenen Punkten einer orthogonalen Projektion der ersten Reflexionsfläche auf eine mittels der Methode der kleinsten Quadrate in die erste Reflexionsfläche gefitteten ersten Ebene zu einer mittels der Methode der kleinsten Quadrate in die zweite Reflexionsfläche gefitteten zweiten Ebene um nicht mehr als 40 nm, insbesondere nicht mehr als 20 nm und bevorzugt nicht mehr als 10 nm variiert.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Reflexionsfläche unabhängig von einer druckabhängigen Auslenkung im wesentlichen planar ist, wobei insbesondere für jeden Druck p, der eine Auslenkung der ersten Reflexionsfläche um bis zu dem halben Gleichgewichtsabstand zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche bewirkt, der Abstand der Punkte der ersten Reflexionsfläche zu einer mittels der Methode der kleinsten Quadrate in die erste Reflexionsfläche gefittete Ebene weniger als 15 nm, insbesondere weniger 10 nm und bevorzugt weniger als 5 nm beträgt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Reflexionsfläche jener Anteil der dem Gegenkörper zugewandten Fläche des biegesteifen Zentrums ist, der mit dem kollimierten Licht beleuchtet wird, und der die Größe A_L aufweist, wobei ein Abstand zwischen dem Mittepunkt der gegenkörperseitigen, Fläche des biegesteifen Zentrums und dem Mittelpunkt der ersten Reflexionsfläche weniger als A_L ^1/2/10, insbesondere weniger A_L ^1/2/20 und bevorzugt weniger als A_L ^1/2/40 beträgt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der auslenkbare Bereich der Messmembran eine Fläche A_M aufweist, die von dem biegesteifen Randbereich umgeben ist, wobei der Abstand der ersten Reflexionsfläche von der zweiten Reflexionsfläche in der Gleichgewichtslage der Messmembran nicht mehr als (A_M ^1/2)·f^–1 beträgt, wobei gilt f > 10, insbesondere f > 30, vorzugsweise f > 60 und besonders bevorzugt f > 80.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das eingestrahlte kollimierte Licht in der Ebene der zweiten Reflexionsfläche eine Querschnittfläche A_L aufweist, für die gilt: A_L = A_M·g^–1, wobei g > 4, insbesondere g > 8, bevorzugt g > 16.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Membrankörper Si aufweist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der verformbare, dünne Bereich der Messmembran mittels eines Verfahrens präpariert ist, welches anisotropes Ätzen umfasst.
Druckmesszelle einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Basis des biegesteifen Zentrums gegenüber der Basis des Randbereichs des Membrankörpers insbesondere etwa um den Gleichgewichtsabstand zwischen der ersten Reflexionsfläche und der zweiten Reflexionsfläche zurückgesetzt ist, wobei die Basis des biegesteifen Zentrums und die Basis des Randbereichs Flächen an der Seite des Membrankörpers sind, von der aus der größte Teil eines Materialabtrags bei einer Präparation des verformbaren, dünnen Bereichs erfolgt ist.
Druckmesszelle nach Anspruch 13, wobei die Basis des biegesteifen Zentrums gegenüber der Basis des Randbereichs des Membrankörpers insbesondere mittels anisotropen Ätzens zurückgesetzt ist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Aufnahme für einen Lichtleiter und/oder einen Kollimator.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckmesszelle weiterhin einen insbesondere metallischen Trägerkörper aufweist, welcher den Gegenkörper trägt, wobei der Gegenkörper mit einer der Messmembran abgewandten Oberfläche an einer Montagefläche des Trägerkörpers druckdicht und drucktragend befestigt ist, wobei der Trägerkörper eine Öffnung aufweist, welche von der ersten Montagefläche ringförmig umgeben ist, wobei durch die Öffnung ein Lichtpfad zum Einstrahlen von Licht in den Gegenkörper und zum Rückführen von reflektiertem Licht verläuft.
Druckmesszelle nach Anspruch 14, wobei der Trägerkörper die Aufnahme für den Lichtleiter und/oder für den Kollimator aufweist.