DE102011083070A1

DE102011083070A1 - Micromechanical pressure sensor element for differential pressure measurement, has diaphragms that are coupled together so that pressure-induced deflection is occurred at coupling point of one diaphragm based on another diaphragm

Info

Publication number: DE102011083070A1
Application number: DE201110083070
Authority: DE
Inventors: Christian Doering; Remigius Has
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

The sensor element (10) has diaphragms (1,2) to which pressures (p1,p2) are applied. The diaphragm (1) is functioned as a carrier of deflectable electrode (31) of measuring capacitor. The diaphragm (2) is formed in annular shape, for surrounding a fixed base in device structure (21). The diaphragm (2) is functioned as a carrier of fixed counter-electrode (32) of capacitor. The diaphragm (1) is mechanically coupled to the diaphragm (2), so that a pressure-induced deflection is occurred at the coupling point of diaphragm (2) based on deflection of the diaphragm (1).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Drucksensorelement mit zwei Membranen, die jeweils mit einem Messdruck p1 bzw. p2 beaufschlagbar sind. Die eine Membran fungiert als Träger mindestens einer auslenkbaren Elektrode eines Messkondensators. Die andere Membran ist in Form einer Ringmembran realisiert.The invention relates to a micromechanical pressure sensor element with two membranes, each of which can be acted upon by a measuring pressure p1 or p2. The one membrane acts as a carrier of at least one deflectable electrode of a measuring capacitor. The other membrane is realized in the form of a ring membrane.

Derartige Drucksensorelemente werden in vielen Bereichen der Technik zur Differenzdruckmessung eingesetzt, wie z.B. im Maschinenbau, in der Prozessmesstechnik, der Kfz-Technik und der Medizintechnik. Dabei ist das Drucksensorelement häufig einer aggressiven Messumgebung ausgesetzt. Als Beispiel für eine Differenzdruckmessung in einer aggressiven Messumgebung sei hier das Erfassen des Abgasdrucks vor und hinter dem Partikelfilter eines Kraftfahrzeugs genannt. Das Drucksensorelement muss in diesem Fall besonders medienresistent realisiert werden. Dazu müssen insbesondere die Schaltungselemente zur Messsignalerfassung und die Drahtbonds zum Anschluss des Drucksensorelements besonders geschützt werden. Such pressure sensor elements are used in many areas of the art for differential pressure measurement, e.g. in mechanical engineering, in process measurement technology, automotive engineering and medical technology. The pressure sensor element is often exposed to an aggressive measurement environment. As an example of a differential pressure measurement in an aggressive measurement environment here is the detection of the exhaust pressure in front of and behind the particulate filter of a motor vehicle called. The pressure sensor element must be realized in this case, particularly media-resistant. For this purpose, in particular the circuit elements for measuring signal detection and the wire bonds for connecting the pressure sensor element must be particularly protected.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 000 071 A1 wird ein mikromechanisch hergestelltes Drucksensorelement beschrieben, bei dem die Messsignalerfassung kapazitiv erfolgt. Das bekannte Drucksensorelement umfasst zwei Membranen, die unabhängig voneinander jeweils mit einem Messdruck p1 bzw. p2 beaufschlagbar sind und auch unabhängig voneinander, entsprechend dem jeweiligen Messdruck p1 bzw. p2 ausgelenkt werden. Bei der einen Membran handelt es sich um eine Bossmembran mit einem versteiften Mittelbereich, wo eine erste Elektrode des Messkondensators angeordnet ist. Die andere Membran ist in Form einer Ringmembran realisiert. Diese ist konzentrisch zur Bossmembran und in derselben Schichtebene wie die Bossmembran ausgebildet. Die zweite Elektrode des Messkondensators befindet sich auf einem Gegenelement, das parallel zur Bossmembran angeordnet ist und diese überspannt. Das Gegenelement ist so an die Ringmembran angekoppelt, dass es zusammen mit der Ringmembran ausgelenkt wird. Dementsprechend sind hier die Positionen beider Elektroden des Messkondensators druckabhängig. In the German Offenlegungsschrift DE 10 2009 000 071 A1 a micromechanically manufactured pressure sensor element is described in which the measurement signal detection takes place capacitively. The known pressure sensor element comprises two membranes which can be acted upon independently of one another in each case with a measuring pressure p1 or p2 and are also deflected independently of one another in accordance with the respective measuring pressure p1 or p2. The one diaphragm is a boss diaphragm having a stiffened central region where a first electrode of the measuring capacitor is arranged. The other membrane is realized in the form of a ring membrane. This is concentric with the boss membrane and formed in the same layer plane as the boss membrane. The second electrode of the measuring capacitor is located on a counter element which is arranged parallel to the boss diaphragm and spans it. The counter element is coupled to the ring membrane so that it is deflected together with the ring membrane. Accordingly, here the positions of both electrodes of the measuring capacitor are pressure-dependent.

Beide Druckanschlüsse des bekannten Drucksensorelements befinden sich auf der Unterseite des Bauelements und sind so durch die beiden Membranen räumlich von den Elektroden des Messkondensators und etwaigen weiteren Schaltungselementen und Anschlusspads auf der Oberseite des Drucksensorelements getrennt. Dadurch eignet sich das bekannte Drucksensorelement auch für den Einsatz in einer aggressiven Messumgebung.Both pressure ports of the known pressure sensor element are located on the underside of the device and are separated by the two membranes spatially from the electrodes of the measuring capacitor and any other circuit elements and connection pads on the top of the pressure sensor element. As a result, the known pressure sensor element is also suitable for use in an aggressive measuring environment.

Jedoch liefert das bekannte Drucksensorelement lediglich Informationen über die Größe der Druckdifferenz zwischen p1 und p2. Da die Position beider Elektroden des Messkondensators druckabhängig ist, lässt das Messsignal keine eindeutigen Rückschlüsse darüber zu, welcher der beiden Messdrücke der größere ist. Außerdem ist der „Footprint“ des bekannten Drucksensorelements aufgrund der Anordnung der beiden Membranen in einer Schichtebene, also nebeneinander, relativ groß. Dies wirkt sich unmittelbar auf die Größe eines entsprechenden Bauteils und damit auf dessen Einsatzmöglichkeiten aus. Zudem steigen mit der Größe des Bauteils auch die Herstellungskosten. However, the known pressure sensor element merely provides information about the magnitude of the pressure difference between p1 and p2. Since the position of both electrodes of the measuring condenser is pressure-dependent, the measuring signal does not allow unambiguous conclusions about which of the two measuring pressures is greater. In addition, the "footprint" of the known pressure sensor element due to the arrangement of the two membranes in a layer plane, so next to each other, relatively large. This has an immediate effect on the size of a corresponding component and thus on its application. In addition, with the size of the component and the production costs increase.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Drucksensorelement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das sich insbesondere für den Einsatz in einer aggressiven Messumgebung eignet, mit dem Größe und Richtung der Druckdifferenz zwischen p1 und p2 erfasst werden können, und das sich durch einen besonders kompakten Aufbau auszeichnet.With the present invention, a pressure sensor element of the type mentioned is proposed, which is particularly suitable for use in an aggressive environment, with the size and direction of the pressure difference between p1 and p2 can be detected, and which is characterized by a particularly compact design.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die beiden Membranen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, dass die Ringmembran einen fest in die Bauelementstruktur eingebundenen Sockel umgibt, der als Träger mindestens einer feststehenden Gegenelektrode des Messkondensators fungiert, und dass die erste Membran und die Ringmembran mechanisch gekoppelt sind, so dass eine druckbedingte Auslenkung der Koppelstelle der Ringmembran mit einer Auslenkung der ersten Membran verbunden ist.This is inventively achieved in that the two membranes are arranged substantially parallel to each other, that the annular membrane surrounds a firmly integrated into the component structure base, which acts as a carrier at least one fixed counter electrode of the measuring capacitor, and that the first membrane and the ring membrane mechanically coupled are, so that a pressure-induced deflection of the coupling point of the annular membrane is connected to a deflection of the first membrane.

In der erfindungsgemäßen Bauelementstruktur werden Aspekte des Sensorkonzepts mit zwei voneinander unabhängigen druckempfindlichen Membranen, das aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 000 071 A1 bekannt ist, mit einem Sensorkonzept kombiniert, bei dem die Messsignalerfassung in der Regel piezoresistiv erfolgt. Dieses piezoresistive Sensorkonzept sieht nur eine druckempfindliche Membran vor, deren beide Seiten mit jeweils einem der zu vergleichenden Messdrücke beaufschlagt werden. Damit lassen sich sowohl die Größe als auch die Richtung der Druckdifferenz unmittelbar über den Grad und die Richtung der Membranauslenkung erfassen. Bei der erfindungsgemäßen Kombination dieser beiden Sensorkonzepte werden die Nachteile des jeweiligen Sensorkonzepts durch die Vorteile des jeweils anderen Sensorkonzepts behoben:
Obwohl sich die beiden Druckanschlüsse des erfindungsgemäßen Drucksensorelements auf der Bauelementunterseite und auf der Bauelementoberseite befinden, eignet sich das erfindungsgemäße Drucksensorelement auch für den Einsatz in einer aggressiven Messumgebung. Die Elektroden des Messkondensators treten nämlich nicht in Kontakt mit den Messmedien, da sie auf der dem Druckanschluss abgewandten Seite der jeweiligen Membran angeordnet sind. Auf diese Weise wird auch verhindert, dass das Messsignal durch Partikel oder Feuchtigkeit im Bereich des Messkondensators verfälscht wird. Außerdem kann die Signalübertragung zwischen dem Messkondensator und einer Auswerteschaltung drahtlos erfolgen, wenn die Elektroden des Messkondensators mit einer Spule zu einem elektrischen Schwingkreis verschaltet werden. Die druckbedingten Kapazitätsschwankungen des Messkondensators bewirken dann eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, die mit Hilfe einer Spule der Auswerteschaltung induktiv erfasst werden kann. Auf diese Weise kann auf eine medienempfindliche Verdrahtung zwischen Messkondensator und Auswerteschaltung verzichtet werden.In the device structure according to the invention Aspects of the sensor concept with two independent pressure-sensitive membranes, the German Offenlegungsschrift DE 10 2009 000 071 A1 is known, combined with a sensor concept in which the measurement signal detection is usually piezoresistive. This piezoresistive sensor concept provides only a pressure-sensitive membrane whose two sides are each subjected to one of the measured pressures to be compared. Thus, both the size and the direction of the pressure difference can be detected directly over the degree and the direction of the diaphragm deflection. In the combination according to the invention of these two sensor concepts, the disadvantages of the respective sensor concept are overcome by the advantages of the respective other sensor concept:
Although the two pressure ports of the pressure sensor element according to the invention are located on the underside of the device and on the top of the component, the pressure sensor element according to the invention is also suitable for use in an aggressive measuring environment. The electrodes of the measuring capacitor do not come into contact with the measuring media, since they are arranged on the side of the respective membrane facing away from the pressure connection. In this way it is also prevented that the measuring signal is falsified by particles or moisture in the region of the measuring capacitor. In addition, the signal transmission between the measuring capacitor and an evaluation circuit can be done wirelessly when the electrodes of the measuring capacitor are connected with a coil to an electrical resonant circuit. The pressure-induced capacitance fluctuations of the measuring capacitor then cause a change in the resonant frequency of the resonant circuit, which can be detected inductively by means of a coil of the evaluation circuit. In this way, media-sensitive wiring between the measuring capacitor and the evaluation circuit can be dispensed with.

Trotz kapazitiver Messsignalerfassung liefert das Messsignal des erfindungsgemäßen Drucksensorelements sowohl Informationen über die Größe der Druckdifferenz als auch über deren Richtung, d. h. Informationen darüber, welcher der beiden Messdrücke größer ist. Dazu ist nur die Elektrode des Messkondensators auslenkbar, die auf der ersten Membran angeordnet ist. Die Position der anderen Elektrode des Messkondensators ist druckunabhängig. Erfindungsgemäß wird die eine Seite der ersten Membran direkt mit dem einen Messdruck beaufschlagt, während die andere Seite dieser Membran indirekt, nämlich über eine mechanische Ankopplung an die Ringmembran, mit dem anderen Messdruck beaufschlagt wird. Deshalb liefert die Auslenkung der ersten Membran sowohl Informationen über die Größe als auch über die Richtung der Druckdifferenz. Das Differenzdrucksignal wird hier direkt mit Hilfe des Sensordesigns erzeugt. Deshalb ist hier auch bei kleinen Differenzdrücken und hohen Absolutdrücken eine sehr genaue Detektion der Druckverhältnisse möglich. Despite capacitive measurement signal detection, the measurement signal of the pressure sensor element according to the invention supplies both information about the magnitude of the pressure difference and about its direction, d. H. Information about which of the two measuring pressures is greater. For this purpose, only the electrode of the measuring capacitor is deflected, which is arranged on the first membrane. The position of the other electrode of the measuring capacitor is pressure independent. According to the invention, one side of the first membrane is acted upon directly by one measuring pressure, while the other side of this membrane is acted upon indirectly, namely via a mechanical coupling to the annular membrane, with the other measuring pressure. Therefore, the displacement of the first diaphragm provides both information about the magnitude and direction of the pressure difference. The differential pressure signal is generated here directly with the aid of the sensor design. Therefore, a very accurate detection of the pressure conditions is possible here even with small differential pressures and high absolute pressures.

Schließlich sei noch erwähnt, dass das erfindungsgemäße Drucksensorelement aufgrund der parallelen Anordnung der beiden Membranen übereinander auf einer vergleichsweise kleinen Chipfläche realisiert werden kann.Finally, it should be mentioned that the pressure sensor element according to the invention can be realized one above the other on a comparatively small chip area due to the parallel arrangement of the two membranes.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines erfindungsgemäßen Drucksensorelements, sowohl was Form und Größe der einzelnen Membranen und Elektroden betrifft, als auch was die Realisierung der mechanischen Kopplung zwischen den beiden Membranen betrifft. So kann die erste Membran beispielsweise ebenso kreisrund wie eckig sein und die Ringmembran entsprechend kreisringförmig oder in Form eines eckigen Rahmens ausgebildet sein. Basically, there are various possibilities for the realization of a pressure sensor element according to the invention, both in terms of shape and size of the individual membranes and electrodes, as well as regarding the realization of the mechanical coupling between the two membranes. For example, the first membrane can be as circular as it is angular, and the annular membrane can be designed in a circular ring or in the form of an angular frame.

Im Hinblick auf die kapazitive Messsignalerfassung und eine einfache Auswertung des Messsignals erweist es sich als vorteilhaft, wenn die erste Membran in Form einer Bossmembran realisiert ist, d. h. wenn der Mittelbereich der ersten Membran versteift ist, so dass dieser Mittelbereich bei Druckeinwirkung im Wesentlichen planparallel ausgelenkt wird. In diesem Fall ist die auslenkbare Elektrode des Messkondensators im versteiften Mittelbereich der ersten Membran angeordnet, so dass die beiden Elektroden des Messkondensators immer möglichst ganzflächig parallel zueinander orientiert sind (Plattenkondensator).With regard to the capacitive measurement signal detection and a simple evaluation of the measurement signal, it proves to be advantageous if the first membrane is realized in the form of a boss membrane, d. H. when the central region of the first membrane is stiffened, so that this central region is deflected substantially plane-parallel when pressure is applied. In this case, the deflectable electrode of the measuring capacitor is arranged in the stiffened central region of the first membrane, so that the two electrodes of the measuring capacitor are always oriented as far as possible over the entire surface parallel to each other (plate capacitor).

Wie bereits erwähnt, ist die andere Elektrode des Messkondensators auf einem Sockel angeordnet, der sich im Zentrum der Ringmembran befindet und fest in die Bauelementstruktur eingebunden ist, so dass die Position dieser Gegenelektrode druckunabhängig ist. Insbesondere bei sehr dünnen Drucksensorelementen kann der Sockel durch eine Anbindung an das Substratmaterial des Bauelements nicht immer hinreichend fixiert werden. In diesen Fällen wird der Sockel vorteilhafterweise noch zusätzlich über eine beliebig ausgeformte, vorzugsweise kreuzförmige Versteifungsstruktur im Bereich der Ringmembran in die Bauelementstruktur eingebunden, die sich vom Sockel im Zentrum der Ringmembran bis zum äußeren Membranrand erstreckt. Als Substratmaterial, das zur Anbindung des Sockels an die Bauelementstruktur dient, eignet sich vorzugsweise gebondetes Pyrex oder Silizium, die Verbindung kann aber auch mittels Klebung an eine Kunststoffkomponente erfolgen.As already mentioned, the other electrode of the measuring capacitor is arranged on a base, which is located in the center of the annular membrane and is firmly integrated in the component structure, so that the position of this counterelectrode is pressure-independent. In particular with very thin pressure sensor elements, the base can not always be adequately fixed by a connection to the substrate material of the component. In these cases, the base is advantageously additionally additionally integrated into the component structure via an arbitrarily shaped, preferably cross-shaped stiffening structure in the region of the annular membrane, which extends from the base in the center of the annular membrane to the outer edge of the membrane. As a substrate material, which serves to connect the socket to the component structure, is preferably bonded Pyrex or silicon, but the connection can also be made by gluing to a plastic component.

Grundsätzlich kann die Ringmembran einfach mit Hilfe von einem oder auch mehreren säulenartigen Verbindungsstegen an die erste Membran angekoppelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die mechanische Kopplung zwischen den beiden Membranen über einen umlaufenden Kopplungssteg, der eine gute, gleichmäßige Kraftübertragung zwischen den beiden Membranen gewährleistet. In diesem Fall begrenzen die beiden Membranen zusammen mit diesem Kopplungssteg und dem Sockel einen abgeschlossenen Hohlraum, in dem die Elektroden des Messkondensators angeordnet sind. In principle, the ring membrane can be easily coupled to the first membrane with the aid of one or more column-like connecting webs. In a preferred embodiment of the invention, the mechanical coupling between the two membranes via a circumferential coupling web, which ensures a good, uniform force transmission between the two membranes. In this case, the two membranes together with this coupling web and the base define a closed cavity in which the electrodes of the measuring capacitor are arranged.

Wie bereits erläutert, entspricht das Messsignal des erfindungsgemäßen Drucksensorelements der Druckdifferenz zwischen zwei Messdrücken p1 und p2. Deshalb bezieht sich der Messbereich des erfindungsgemäßen Drucksensorelements auch ausschließlich auf die Größe der Druckdifferenz (p1–p2) und ist unabhängig vom Absolutwert der einzelnen Messdrücke p1 bzw. p2. Die Auswertung des Messsignals des erfindungsgemäßen Drucksensorelements gestaltet sich besonders einfach, wenn die Kapazität des Messkondensators in den Fällen p1 = p2 und p1 = p2 = 0 einen definierten Wert C₀ hat, also druckunabhängig ist. Dies kann durch ein geeignetes Sensordesign erreicht werden. Als einfach zu variierende Designparameter bieten sich die Größe der Membranflächen und die mechanische Kopplung zwischen den beiden Membranen an.
Die Bedingung C₀ = const. für p1 = p2 und p1 = p2 = 0 kann beispielsweise mit einem symmetrischen Aufbau der Bauelementstruktur erfüllt werden, bei dem die Flächen der beiden Membranen im Wesentlichen gleich groß sind und der umlaufende Kopplungssteg im Wesentlichen radial mittig zur Ringfläche der Ringmembran angeordnet ist. As already explained, the measurement signal of the pressure sensor element according to the invention corresponds to the pressure difference between two measurement pressures p1 and p2. Therefore, the measuring range of the pressure sensor element according to the invention also relates exclusively to the size of the pressure difference (p1-p2) and is independent of the absolute value of the individual measuring pressures p1 or p2. The evaluation of the measurement signal of the pressure sensor element according to the invention is particularly simple if the capacitance of the measuring capacitor in the cases p1 = p2 and p1 = p2 = 0 has a defined value C ₀ , that is pressure-independent. This can be achieved by a suitable sensor design. As easily varying design parameters, the size of the membrane surfaces and the mechanical coupling between the two membranes are suitable.
The condition C ₀ = const. For example, p1 = p2 and p1 = p2 = 0 can be met with a symmetrical design of the component structure in which the surfaces of the two membranes are substantially the same size and the circumferential coupling web is arranged substantially radially in the middle of the annular surface of the annular membrane.

Im Hinblick auf eine möglichst große Membranauslenkung bei einer gegebenen Druckdifferenz sollte sich die erste Membran des erfindungsgemäßen Drucksensorelements möglichst über die gesamte zur Verfügung stehende Chipfläche erstrecken. Sinnvollerweise sind die beiden Elektroden des Messkondensators im Wesentlichen gleich groß. Je größer die Fläche der Elektroden ist, umso größer ist auch das Messsignal bei einer gegebenen Kapazitätsänderung. Um diesen Aspekten Rechnung zu tragen und das Messsignal zu verbessern, kann das erfindungsgemäße Drucksensorelement auch mit einem asymmetrischen Aufbau realisiert werden. In diesem Fall ist die Membranfläche der ersten Membran größer als die der Ringmembran. Dafür ist der zentrisch angeordnete Sockel mit der Gegenelektrode vergrößert. Eine entsprechende Vergrößerung der auslenkbaren Elektrode hat keine nennenswerten Auswirkungen auf den Aufbau des Drucksensorelements, da der versteifte Mittelbereich der ersten Membran in der Regel hinreichend ausgedehnt ist. Durch Variation der Position der mechanischen Kopplung zwischen den beiden Membranen kann auch bei diesem asymmetrischen Aufbau erreicht werden, dass die Kapazität des Messkondensators konstant bleibt, wenn die beiden Messdrücke p1 und p2 gleich groß sind und wenn beide Messdrücke p1 und p2 Null sind. With regard to the greatest possible membrane deflection at a given pressure difference, the first membrane of the pressure sensor element according to the invention should extend as far as possible over the entire available chip area. It makes sense that the two electrodes of the measuring capacitor are essentially the same size. The larger the area of the electrodes, the greater the measurement signal for a given capacitance change. In order to take these aspects into account and to improve the measurement signal, the pressure sensor element according to the invention can also be realized with an asymmetrical design. In this case, the membrane area of the first membrane is larger than that of the ring membrane. For this, the centrally arranged base with the counter electrode is enlarged. A corresponding enlargement of the deflectable electrode has no significant effect on the structure of the pressure sensor element, since the stiffened central region of the first membrane is usually sufficiently extended. By varying the position of the mechanical coupling between the two diaphragms, it is also possible with this asymmetric structure to ensure that the capacitance of the measuring capacitor remains constant when the two measuring pressures p1 and p2 are equal and when both measuring pressures p1 and p2 are zero.

Durch Weglassen der Rückseitenstruktur bzw. durch Deaktivierung des Druckanschlusses p2 lässt sich der Differenzdrucksensor ohne weitere Änderung in einen Absolutdrucksensor mit nur einem Druckanschluss p1 überführen.By omitting the rear side structure or by deactivating the pressure port p2, the differential pressure sensor can be converted without further change into an absolute pressure sensor with only one pressure port p1.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren. As already discussed above, there are various possibilities for embodying and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, reference is made on the one hand to the claims subordinate to claim 1 and on the other hand to the following description of several embodiments of the invention with reference to FIGS.

1a zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensorelements 10 mit symmetrischem Aufbau, 1a shows a perspective sectional view of a pressure sensor element according to the invention 10 with symmetrical construction,

1b, 1c zeigen die Aufsicht auf die Oberseite und die Rückseite des Drucksensorelements 10 und 1b . 1c show the top view on the top and the back of the pressure sensor element 10 and

1d zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Drucksensorelements 10. 1d shows a schematic sectional view of the pressure sensor element 10 ,

2a zeigt eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensorelements 20 mit asymmetrischem Aufbau und 2a shows a perspective sectional view of a pressure sensor element according to the invention 20 with asymmetric construction and

2b zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Drucksensorelements 20. 2 B shows a schematic sectional view of the pressure sensor element 20 ,

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Das in den 1a bis 1d dargestellte mikromechanische Drucksensorelement 10 dient zum Erfassen der Druckdifferenz zwischen zwei voneinander unabhängigen Messdrücken p1 und p2. Dazu umfasst das Drucksensorelement 10 zwei Membranen 1 und 2, die im Schichtaufbau des Drucksensorelements 10 übereinander und damit im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die erste, obere Membran 1 wird über einen Druckanschluss in der Bauelementoberseite mit einem ersten Messdruck p1 beaufschlagt, während die zweite, untere Membran 2 über einen Druckanschluss in der Bauelementrückseite mit einem zweiten Messdruck p2 beaufschlagt wird. That in the 1a to 1d shown micromechanical pressure sensor element 10 serves to detect the pressure difference between two independent measuring pressures p1 and p2. This includes the pressure sensor element 10 two membranes 1 and 2 in the layer structure of the pressure sensor element 10 one above the other and thus arranged substantially parallel to each other. The first, upper membrane 1 is applied via a pressure port in the top of the component with a first measuring pressure p1, while the second, lower membrane 2 is applied via a pressure port in the back of the component with a second measuring pressure p2.

Die erste, obere Membran 1 ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer kreisrunden Bossmembran realisiert. Dementsprechend ist der Mittelbereich 11 der Membran 1 so weit versteift, dass sich bei Druckeinwirkung lediglich der Randbereich 12 der Membran 1 deformiert und der Mittelbereich 11 im Wesentlichen planparallel ausgelenkt wird. Im Mittelbereich 11 der Membran 1 ist eine Elektrode 31 eines Messkondensators angeordnet, so dass die Position dieser Elektrode 31 also druckabhängig ist.The first, upper membrane 1 is realized in the embodiment shown here in the form of a circular Bossmembran. Accordingly, the middle range 11 the membrane 1 stiffened so far that when pressure is applied only the edge area 12 the membrane 1 deformed and the middle area 11 is deflected essentially plane-parallel. In the middle area 11 the membrane 1 is an electrode 31 a measuring capacitor arranged so that the position of this electrode 31 So it is pressure dependent.

Die zweite, untere Membran 2 ist in Form einer kreisringförmigen Ringmembran realisiert, deren innerer Rand sich an einen Sockel 21 anschließt. Dieser Sockel 21 ist fest in die Bauelementstruktur eingebunden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurde das sehr dünne Drucksensorelement 10 dazu zum einen mit seiner Rückseite – und damit auch mit dem Sockel 21 – auf einen Glasträger 4 montiert. Zum anderen ist im Bereich der Ringmembran 2 eine kreuzförmige Versteifungsstruktur 22 ausgebildet, die sich vom Sockel 21 am inneren Rand bis zum äußeren Rand der Ringmembran 2 erstreckt. Diese Versteifungsstruktur 22 dient ebenfalls zur Fixierung des Sockels 21 in der Bauelementstruktur. Die Druckbeaufschlagung der Ringmembran 2 erfolgt über eine Druckanschlussöffnung 41 im Glasträger 4.The second, lower membrane 2 is realized in the form of an annular ring membrane whose inner edge is attached to a pedestal 21 followed. This pedestal 21 is firmly integrated into the component structure. In the embodiment shown here was the very thin pressure sensor element 10 on the one hand with its back - and thus also with the base 21 - on a glass slide 4 assembled. On the other hand, in the area of the ring membrane 2 a cross-shaped stiffening structure 22 formed, extending from the pedestal 21 at the inner edge to the outer edge of the ring membrane 2 extends. This stiffening structure 22 also serves to fix the base 21 in the component structure. The pressurization of the ring membrane 2 via a pressure port opening 41 in the glass carrier 4 ,

Der Sockel 21 fungiert als Träger für die feststehende Gegenelektrode 32 des Messkondensators. Die beiden Elektroden 31 und 32 des Messkondensators sind im Wesentlichen kongruent und einander gegenüber auf der ersten Membran 1 und dem Sockel 21 angeordnet. Die Elektrodenfläche wird hier durch die laterale Ausdehnung des Sockels 21 limitiert. Realisiert werden können die Elektroden 31 und 32 beispielsweise in Form einer lokalen Dotierung im Mittelbereich 11 der ersten Membran 1 und in der Oberfläche des Sockels 21. The base 21 acts as a support for the fixed counter electrode 32 of the measuring capacitor. The two electrodes 31 and 32 of the measuring capacitor are substantially congruent and opposite each other on the first diaphragm 1 and the pedestal 21 arranged. The electrode surface is here by the lateral extent of the base 21 limited. The electrodes can be realized 31 and 32 for example in the form of a local doping in the middle region 11 the first membrane 1 and in the surface of the pedestal 21 ,

Erfindungsgemäß sind die erste Membran 1 und die Ringmembran 2 mechanisch gekoppelt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Kopplung durch einen ringförmigen Kopplungssteg 23 hergestellt, über den die beiden Membranen 1 und 2 mechanisch verbunden sind. Der umlaufende Kopplungssteg 23 bildet den seitlichen Abschluss eines Hohlraums 3 zwischen der ersten Membran 1 und einem inneren Bereich der Ringmembran 2 mit dem Sockel 21. Da sich die Elektroden 31 und 32 des Messkondensators im Bereich dieses Hohlraums 3 befinden, treten sie mit keinem der Messmedien in Kontakt, so dass die Messsignalerfassung auch unter widrigen Umwelteinflüssen gewährleistet ist.According to the invention, the first membrane 1 and the ring membrane 2 mechanically coupled. In the embodiment shown here, this coupling is made by an annular coupling web 23 made over which the two membranes 1 and 2 mechanically connected. The circumferential coupling web 23 forms the lateral closure of a cavity 3 between the first membrane 1 and an inner region of the ring membrane 2 with the pedestal 21 , Because the electrodes 31 and 32 of the measuring capacitor in the region of this cavity 3 they do not come into contact with any of the measuring media, so that the measuring signal detection is ensured even under adverse environmental conditions.

Aufgrund der mechanischen Kopplung der beiden Membranen 1 und 2 wirkt auf die beiden Membranen 1 und 2 nicht nur der jeweilige Messdruck p1 bzw. p2 sondern die Summe beider Messdrücke p1 + p2. Folglich führt eine druckbedingte Auslenkung der Koppelstelle der Ringmembran 2 auch zu einer Auslenkung der ersten Membran 1 mit der Elektrode 31 des Messkondensators. Da die Position der Gegenelektrode 32 des Messkondensators druckunabhängig ist, lässt sich sowohl die Größe als auch die Richtung der Druckdifferenz zwischen den beiden Messdrücken p1 und p2 anhand der Kapazitätsänderung des Messkondensators bestimmen. Due to the mechanical coupling of the two membranes 1 and 2 acts on the two membranes 1 and 2 not only the respective measuring pressure p1 or p2 but the sum of both measuring pressures p1 + p2. Consequently, a pressure-induced deflection of the coupling point of the ring membrane 2 also to a deflection of the first membrane 1 with the electrode 31 of the measuring capacitor. Because the position of the counter electrode 32 of the measuring condenser is pressure independent, both the size and the direction of the pressure difference between the two measuring pressures p1 and p2 can be determined on the basis of the capacitance change of the measuring capacitor.

Im Fall des in den 1a bis 1d dargestellten Ausführungsbeispiels sind die Membranflächen der ersten Membran 1 und der Ringmembran 2 im Wesentlichen gleich groß. Außerdem ist der ringförmige Kopplungssteg 23 im Wesentlichen radial mittig zur Ringfläche der Ringmembran 2 angeordnet. Aufgrund dieses symmetrischen Aufbaus ist die Grundkapazität C₀ des Messkondensators druckunabhängig. D. h. die Kapazität des Messkondensators bleibt konstant in den Fällen, dass p1 = p2 = 0 und p1 = p2. In the case of in the 1a to 1d illustrated embodiment, the membrane surfaces of the first membrane 1 and the ring membrane 2 essentially the same size. In addition, the annular coupling web 23 substantially radially centered to the annular surface of the annular membrane 2 arranged. Because of this symmetrical structure, the basic capacitance C _{0 of} the measuring capacitor is pressure-independent. Ie. the capacitance of the measuring capacitor remains constant in cases where p1 = p2 = 0 and p1 = p2.

Die in den 2a und 2b dargestellte Variante 20 eines erfindungsgemäßen Drucksensorelements unterscheidet sich von der voranstehend ausführlich beschriebenen symmetrischen Variante lediglich durch die radiale Ausdehnung der Ringmembran 202 und des Sockels 221 zu Gunsten einer größeren Elektrodenfläche der beiden Elektroden 231 und 232 des Messkondensators. Da der Aufbau des Drucksensorelements 20 ansonsten identisch ist mit dem des Drucksensorelements 10, wird diesbezüglich auf die Beschreibung der 1a bis 1d verwiesen.The in the 2a and 2 B illustrated variant 20 A pressure sensor element according to the invention differs from the symmetrical variant described in detail above only by the radial extent of the annular diaphragm 202 and the pedestal 221 in favor of a larger electrode area of the two electrodes 231 and 232 of the measuring capacitor. As the structure of the pressure sensor element 20 otherwise identical to that of the pressure sensor element 10 , is in this regard to the description of 1a to 1d directed.

Zur Verbesserung des Messsignals sind die Elektroden 231 und 232 des Messkondensators des Drucksensorelements 20 großflächiger realisiert als die des Drucksensorelements 10. Dazu musste die laterale Ausdehnung des Sockels 221 vergrößert werden, und zwar zu Lasten der Membranfläche der Ringmembran 202, da das Drucksensorelement 20 dieselbe Chipfläche einnimmt wie das Drucksensorelement 10. Dies resultiert in einem asymmetrischen Aufbau des Drucksensorelements 20, bei dem die Membranfläche der ersten Membran 1 größer ist als die Membranfläche der Ringmembran 202, da die erste Membran 1 in beiden Fällen im Interesse der Messempfindlichkeit möglichst großflächig ausgelegt ist. To improve the measurement signal are the electrodes 231 and 232 the measuring capacitor of the pressure sensor element 20 realized over a larger area than that of the pressure sensor element 10 , This required the lateral extent of the base 221 be increased, at the expense of the membrane surface of the annular membrane 202 because the pressure sensor element 20 occupies the same chip area as the pressure sensor element 10 , This results in an asymmetric structure of the pressure sensor element 20 in which the membrane surface of the first membrane 1 greater than the membrane area of the ring membrane 202 because the first membrane 1 is designed as large as possible in both cases in the interest of measurement sensitivity.

Auch bei dem hier in Rede stehenden asymmetrischen Fall kann die Grundkapazität C₀ des Messkondensators so eingestellt werden, dass sie druckunabhängig ist, nämlich durch Variation der mechanischen Kopplung zwischen den beiden Membranen 1 und 202. Dazu kann beispielsweise, wie dargestellt, die radiale Position des umlaufenden Kopplungsstegs 23 zur Ausnutzung einer Hebelwirkung mehr nach innen verlagert werden.Also in the case of asymmetric case in question, the basic capacitance C _{0 of} the measuring capacitor can be adjusted so that it is pressure-independent, namely by varying the mechanical coupling between the two membranes 1 and 202 , For example, as shown, the radial position of the circumferential coupling web 23 to leverage more inward.

Eine einfache Möglichkeit zur Verstärkung des Messsignals bei kapazitiven Messverfahren ist die Minimierung des Abstandes der beiden Elektroden im Ausgangszustand. Diese Maßnahme kann bei beiden beschriebenen Varianten zur Anwendung kommen.A simple possibility for amplifying the measurement signal in capacitive measurement methods is the minimization of the distance of the two electrodes in the initial state. This measure can be used in both variants described.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009000071 A1 [0003, 0008]

Claims

Micromechanical pressure sensor element ( 10 ) with two membranes ( 1 . 2 ), which in each case can be acted upon by a measuring pressure p1 or p2, respectively, wherein the one, first membrane ( 1 ) as a carrier of at least one deflectable electrode ( 31 ) of a measuring capacitor and • wherein the other membrane ( 2 ) is realized in the form of a ring membrane, characterized in that • the two membranes ( 1 . 2 ) are arranged substantially parallel to each other, • that the ring membrane ( 2 ) a firmly integrated into the component structure socket ( 21 ), which serves as a carrier of at least one fixed counterelectrode ( 32 ) of the measurement capacitor, and • that the first membrane ( 1 ) and the ring membrane ( 2 ) are mechanically coupled, so that a pressure-induced deflection of the coupling point of the annular membrane ( 2 ) with a deflection of the first membrane ( 1 ) connected is.

Pressure sensor element ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the middle region ( 11 ) of the first membrane ( 1 ), so that this mid-range ( 11 ) is deflected substantially plane-parallel under pressure, and that the deflectable electrode ( 31 ) of the measuring capacitor in the stiffened central region ( 11 ) of the first membrane ( 1 ) is arranged.

Pressure sensor element ( 10 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that in the region of the annular membrane ( 2 ) a stiffening structure ( 22 ) formed by the base ( 21 ) extends inside to the outer edge of the membrane, and that the base ( 21 ) via the stiffening structure ( 22 ) is integrated in the component structure.

Pressure sensor element ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the two membranes ( 1 . 2 ) via a preferably circumferential coupling web ( 23 ) are interconnected and together with this coupling web ( 23 ) a closed cavity ( 3 ) and that the electrodes ( 31 . 32 ) of the measuring capacitor in the region of this cavity ( 3 ) are arranged.

Pressure sensor element ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the surfaces of the two membranes ( 1 . 2 ) and the position of the mechanical coupling between the two membranes ( 1 . 2 ) are chosen so that the capacitance of the measuring capacitor has a constant value C ₀ , if the two measuring pressures p1 and p2 are equal and if both measuring pressures p1 and p2 are zero.

Pressure sensor element ( 10 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the surfaces of the two membranes ( 1 . 2 ) are substantially the same size and the circumferential coupling web ( 23 ) substantially radially in the middle of the annular surface of the annular membrane ( 2 ) is arranged.

Pressure sensor element ( 20 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the surface of the annular membrane ( 202 ) is smaller than the area of the first membrane in favor of an enlarged electrode area ( 1 ).

Pressure sensor element ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the two electrodes ( 31 . 32 ) of the measuring capacitor are substantially equal.

Pressure sensor element according to one of claims 1 to 8, wherein the electrodes of the measuring capacitor are connected with a coil to form an electrical resonant circuit.