DE102013209674A1

DE102013209674A1 - Druckmessvorrichtung mit stufenförmigem hohlraum zur minimierung thermischen rauschens

Info

Publication number: DE102013209674A1
Application number: DE201310209674
Authority: DE
Inventors: Jen-Huang Albert Chiou
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-01-02
Also published as: CN103512683A; CN103512683B; US20140000376A1; GB201218398D0; US8833172B2; GB2506919A

Abstract

Ein Druckmesselement kann eine Membran und einen stufenförmigen Hohlraum umfassen. Das Druckmesselement kann eine Mehrzahl an Piezowiderständen umfassen, welche betreibbar sind, um ein elektrisches Signal auf Basis eines Ausmaßes an Verbiegung der Membran in Antwort auf einen sensierten bzw. gemessenen Druck des Fluids zu erzeugen. Das Druckmesselement kann unter Verwendung eines Klebemittels auf einem Gehäusesubstrat befestigt sein, so dass ein Abschnitt des Klebemittels an Wänden eines ersten Hohlraumes und einer Stufenfläche des stufenförmigen Hohlraumes befestigt ist, um thermisch induzierte Spannungen auf das Druckmesselement abzuleiten. Der stufenförmige Hohlraum kann in einem MEMS-Druckmesselement enthalten sein, um thermisches Rauschen, wie z. B. einen Temperaturkoeffizienten einer Offset-Spannungsausgabe (TCO), zu reduzieren oder zu eliminieren.

Description

HINTERGRUND
Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein mikroelektromechanisches System (MEMS)-Druckmesselement mit einem stufenförmigen Hohlraum an der Rückseite zur Reduzierung bzw. Eliminierung von durch thermische Spannungen induziertem thermischem Rauschen, wie z. B. dem Temperaturkoeffizienten einer Offset-Spannungsausgabe (TCO = temperature Offset coefficient).
MEMS-Drucksensoren sind allgemein bekannt. Eine Art eines Drucksensors ist ein Druckunterschiedssensor, welcher ein Silizium-Druckmesselement enthält, welches anodisch mit einem Glassockel verbunden und unter Verwendung eines Klebemittels an einem Gehäusesubstrat befestigt ist. Viele Druckunterschiedssensoren werden in Anwendungen verwendet, in denen die Sensoren sich ändernden Temperaturen ausgesetzt sind. Dies lässt das Messelement, den Glassockel, das Klebemittel und das Gehäusesubstrat in Antwort auf die Temperaturänderungen expandieren und sich zusammenziehen.
Das Druckmesselement umfasst vier Piezowiderstände bzw. Widerstände, welche in einer als ”Wheatstone-Brücke”-Konfiguration angeordnet sind, um die auf die Widerstände ausgeübten Spannungen zu messen. Der Glassockel ist zwischen dem Druckmesselement und dem Klebemittel derart angeordnet, dass die von dem Unterschied hinsichtlich thermischer Ausdehnung vom Druckmesselement, dem Klebemittel und dem Gehäusesubstrat resultierenden Spannungen durch den Glassockel isoliert werden. Der Glassockel und das Druckmesselement weisen leicht unterschiedliche thermische Expansionskoeffizienten auf, und daher expandieren und kontrahieren sie bei sich ändernden Temperaturen bei einer geringeren unterschiedlichen Rate. Der Glassockel wirkt im Wesentlichen als ein Puffer, um die von den unterschiedlichen Expansions- und Kontraktionsraten des Druckmesselementes, des Klebemittels und des Gehäusesubstrats resultierenden Spannungen zu isolieren.
Ein Beispiel des oben beschriebenen Drucksensors ist in 1 allgemein mit Bezugszeichen 10 dargestellt. Der Sensor 10 umfasst ein Druckmesselement 12, einen Glassockel 14, ein Klebemittel 16 und ein Gehäusesubstrat 18. Das in 1 dargestellte Druckmesselement 12 ist aus Silizium hergestellt und anodisch mit dem Glassockel 14 verbunden. Das Klebemittel 16 wird verwendet, um den Glassockel 14 mit dem Gehäusesubstrat 18 zu verbinden.
Als ein Teil des Gehäusesubstrats 18 ist eine erste Öffnung 20 ausgebildet, und als ein Teil des Glassockels 14 ist eine zweite Öffnung 22 ausgebildet, welche hauptsächlich mit der ersten Öffnung 20 ausgerichtet ist. Die zweite Öffnung 22 befindet sich in fluider Verbindung mit einem, allgemein mit Bezugszeichen 24 dargestellten, Hohlraum, wo der Hohlraum 24 als Teil des Druckmesselementes 12 ausgebildet ist. Das Druckmesselement 12 umfasst vier mit einem Winkel versehene Innenflächen, wobei lediglich eine erste Winkelinnenfläche 26 und eine zweite Winkelinnenfläche 28 in der Querschnittsansicht in 1 dargestellt sind. Jede der vier Winkelinnenflächen endet in einer Bodenfläche 30, welche Teil einer Membran 32 ist. Das Druckmesselement 12 umfasst ebenso eine obere Fläche bzw. Oberfläche 34, wobei dort in rasterförmiger Weise ein Transducer bzw. eine Wheatstone-Brücke 36 auf die Oberfläche 34 des Druckmesselementes 12 dotiert ist. Wenigstens eine thermische Oxidschicht und Passivierungsschichten sind zum Schutz des Schaltkreises ausgebildet. Die rasterförmige Wheatstone-Brücke 36 wird, wie in 2B dargestellt ist, durch vier p^– Piezowiderstände 36A–36D gebildet. Die vier Piezowiderstände 36A–36D können zur Druckmessung ebenso, wie in 3 dargestellt ist, als eine dezentralisierte Wheatstone-Brücke 38A–38D ausgebildet sein.
Die Membran 32 ist, bezogen auf den Mikrometerbereich, relativ dünn, wobei die Dicke der Membran 32 vom Druckbereich abhängt. Die Membran 32 verbiegt sich in Antwort auf auf die Bodenfläche 30 und die Oberfläche 34 der Membran 32 ausgeübten Druck nach oben und nach unten. Der Druck im Hohlraum 24 ändert sich als ein Ergebnis einer Druckänderung des Fluids, welches in die Öffnungen 20 und 22 hineinströmt und wieder herausströmt.
Die Verbiegungen auf der Oberfläche 34 verformen ebenso die rasterförmige Wheatstone-Brücke 36, welche auf die Oberfläche 34 des Druckmesselementes 12 dotiert ist. Das Druckmesselement 12 ist aus einkristallinem Silizium (Si) hergestellt. Auf der Oberfläche des Druckmesselementes 12 sind vier p-Piezowiderstände 36A–36D ausgebildet und miteinander über p+-Verbinder 40 verbunden, um, wie in 2A–2B dargestellt, die rasterförmige Wheatstone-Brücke 36 zur Druckmessung zu bilden.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck Wheatstone-Brücke auf die in 2A–2B dargestellte Schaltkreistopologie, nämlich die Parallelverbindung zweier in Reihe verbundener Widerstände.
2A–2B zeigen eine Draufsicht auf das piezoresistive Druckmesselement 12 mit der rasterförmigen Wheatstone-Brücke 36, welche auf die Membran 32 dotiert ist. Die Membran 32 hat die Abmessungen 708 μm × 780 μm. Die Dicke der Membran 32 liegt allgemein im Bereich von etwa 5 μm bis 20 μm. Die rasterförmige Wheatstone-Brücke 36 ist unter Verwendung herkömmlicher Techniken hergestellt, um vier Widerstände 36A–36D auf der Oberfläche des Druckmesselementes 12 zu bilden. Die Widerstände 36A–36D sind als p^–-Widerstände ausgebildet, und zwar als Ausführungsformen, welche dem Fachmann wohlbekannt sind. Elektrische Verbinder 40 aus p+-Material, welche mit dem Boden von Verbindungsstellen 42A–42D verbunden sind, sind ebenso auf der Oberfläche 34 des Druckmesselementes 12 ausgebildet. Jeder Verbinder 40 stellt eine elektrische Verbindung zwischen zwei Widerständen her, um die Widerstände miteinander zu verbinden, um einen piezoresistiven Wheatstone-Brücken-Schaltkreis zu bilden.
Die vier Verbinder 40 sind als Teil des Druckmesselementes 12 dargestellt. Jeder Verbinder 40 erstreckt sich von einem Punkt oder Knoten 44 zwischen zwei benachbarten von den vier Widerständen 36 nach außen und stellt eine Verbindung zum Boden einer Metallverbindungsstelle 42 her. Jede Verbindungsstelle 42 ist nahe einer Seite 46 der Oberfläche des Druckmesselementes 12 angeordnet. Jeder Verbinder 40 endet somit an einer Verbindungsstelle 42 und stellt eine Verbindung damit her.
2A zeigt ebenso eine Ausrichtungs-Bezugsmarke 48 auf der Oberfläche 34. Die Bezugsmarke 48 ist ein visuell wahrnehmbares Symbol bzw. Bild, dessen Funktion lediglich ist, die Ausrichtung des Druckmesselementes 12 zu ermöglichen.
Jede Verbindungsstelle 42 weist eine unterschiedliche Kennzeichnung bzw. Namen auf, um ihren Zweck bzw. ihre Funktion anzudeuten. Die erste Verbindungsstelle 42A und die zweite Verbindungsstelle 42B empfangen eine Eingangs- oder Versorgungsspannung für den Wheatstone-Brücken-Schaltkreis. Diese zwei Verbindungsstellen 42A, 42B sind jeweils als V_p und V_n benannt. Die anderen zwei Verbindungsstellen 42C, 42D sind Ausgabesignalknoten, welche jeweils mit S_p und S_n gekennzeichnet sind.
Es wurden viele Versuche unternommen, um die Konstruktion dieser Art von Drucksensor 10 durch Weglassen des Glassockels 14 zu vereinfachen und das Druckmesselement 12 direkt mit dem Klebemittel 16 an dem Gehäusesubstrat 18 zu befestigen. Jedoch führte der Unterschied in der thermischen Ausdehnung hinsichtlich des Gehäusesubstrats 18, des Klebemittels 16 und des Druckmesselementes 12 zu unerwünschten Spannungen, welche auf das Druckmesselement 12 ausgeübt wurden, welche infolgedessen jeden der Widerstände 36A–36D unterbrechen, was zu einer ungenauen Druckmessung durch das Druckmesselement 12 führt.
Insbesondere zeigen sowohl experimentelle Messungen als auch Computersimulationen der in 1 dargestellten Struktur, dass ein direktes Verbinden des Druckmesselementes 12 mit dem Gehäusesubstrat 18 eine Offset-Spannungsausgabe und Änderungen davon über einem Betriebstemperaturbereich erzeugt, und zwar aufgrund von asymmetrischen thermischen Spannungen auf den Widerständen 36A–36D. Ein Weglassen des Glassockels 14 lässt einen der Widerstände 36A bis 36D verformen und seinen Widerstandswert asymmetrisch in Bezug auf die anderen Widerstände ändern, was zu einer Offset-Spannungsausgabeänderung in einem Betriebstemperaturbereich in der Ausgabe des Druckmesselementes 12 führt.
Die Offset-Spannungsausgabeänderung über einem Betriebstemperaturbereich wird Temperaturkoeffizient der Offset-Spannungsausgabe (TCO) genannt und folgendermaßen definiert: TCO = (Vo bei 150°C – Vo bei –40°C)/190°C, wobei Vo bei 150°C bedeutet: Offset-Spannungsausgabe bei 150°C ohne ausgeübten Druck; und Vo bei –40°C: Offset-Spannungsausgabe bei –40°C ohne ausgeübten Druck.
Das Druckmesselement 12 wird in der Regel mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) verwendet. Der ASIC wird zum Verstärken und Kalibrieren des vom Druckmesselement 12 empfangenen Signales verwendet. Es ist wünschenswert, die TCO zwischen –50 μV/°C und 50 μV/°C zu halten, so dass der ASIC besser in der Lage ist, jegliches thermische Rauschen zu handhaben.
Für einen ASIC ist es schwierig, eine hohe TCO zu kompensieren, insbesondere, wenn das Klebemittel 16 nicht in symmetrischer bzw. gleichmäßiger Weise verteilt ist. Falls das Klebemittel nicht gleichmäßig verteilt ist, kann dies die Genauigkeit des Sensors weiter reduzieren, da der Spannungsunterschied in den X- und Y-Richtungen auf jedem der vier Widerstände verstärkt werden wird. Der Unterschied zwischen den Offset-Spannungsausgaben bei den niedrigen und hohen Temperaturen wird daher ansteigen, und somit die TCO. Dies ist der Grund, warum der in 1 gezeigte Glassockel 14 zum Isolieren der thermischen Spannungen verwendet wird. Um Kosten einzusparen und die Herstellung zu vereinfachen, wäre es wünschenswert, den Glassockel weglassen zu können. Ein Druckmesselement ohne Glassockel würde ebenso eine Drahtverbindungsstabilität und -Zuverlässigkeit verbessern. Daher wäre ein Drucksensor, welcher keinen Glassockel und ein geringes TCO-Rauschen aufweist, gegenüber dem Stand der Technik von Vorteil.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann ein Druckmesselement eine Membran und einen gestuften Hohlraum umfassen. Das Druckmesselement kann eine Mehrzahl an Piezowiderständen umfassen, welche betreibbar sind, um ein elektrisches Signal auf Basis eines Ausmaßes an Verbiegu ng der Membran in Antwort auf einen gemessenen Fluiddruck zu erzeugen. Das Druckmesselement kann unter Verwendung eines Klebemittels auf einem Gehäusesubstrat befestigt werden, so dass ein Abschnitt des Klebemittels an Wänden eines ersten Hohlraumes und einer Stufenfläche des gestuften Hohlraums angebracht ist, um thermisch induzierte Spannungen auf die Druckmessung zu verteilen. Der gestufte Hohlraum kann in einem MEMS-Druckmesselement untergebracht sein, um thermisches Rauschen zu reduzieren oder zu eliminieren, wie z. B. hinsichtlich eines Temperaturkoeffizienten einer Offset-Spannungsausgabe (TCO).
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittansicht eines herkömmlichen Drucksensors.
2A ist eine Draufsicht auf ein piezoresistives Druckmesselement, welches mit einem herkömmlichen Drucksensor verwendet wird.
2B ist eine vergrößerte Ansicht des in 2A gezeigten Druckmesselementes, wobei eine rasterförmige Wheatstone-Brücke gezeigt ist.
3 ist eine Draufsicht auf eine herkömmliche dezentrale Wheatstone-Brücke auf dem Druckmesselement.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Druckmesseinrichtung, und zwar gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
5 ist eine perspektivische Bodenansicht eines Druckmesselementes, welches als ein Teil einer Druckmesseinrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Viertels eines Druckmesselementes, welches als Teil einer Druckmesseinrichtung verwendet wird, und zwar gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
7 zeigt jeweils Kurven, welche den Vergleich und die Verbesserung hinsichtlich der Reduzierung des Unterschiedes der thermischen Spannung in den X- und Y-Richtungen auf jedem Widerstand zwischen der herkömmlichen Druckmesseinrichtung und einer Druckmesseinrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Druckmesseinrichtung für eine Rückseitenmessung eines Absolutdruckes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform bzw. Ausführungsformen hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen in keiner Weise beschränken.
Ein Druckmesselement gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird in 4–6 gezeigt. Das Druckmesselement kann weiterhin eine wie in 8 üblicherweise mit Bezugszeichen 1100 gezeigte Abdeckung umfassen. Der Sensor 100 umfasst ein Druckmesselement 112, ein Klebemittel 114 und ein Gehäusesubstrat 116. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Viertels des Druckmesselementes mit einer Mitte 160 der Membran 126.
Das in 4-6 und 8 gezeigte Druckmesselement 112 besteht aus Silizium, wobei es unter Verwendung des Klebemittels 114 an dem Gehäusesubstrat 116 befestigt ist.
Eine Öffnung 118 ist als ein Teil des Gehäusesubstrats 116 ausgebildet. Die Öffnung 118 steht in Fluidverbindung mit einem gestuften Hohlraum 120, welcher als Teil des Druckmesselementes 112 ausgebildet ist. In einer Ausführungsform ist der gestufte Hohlraum 120 unter Verwendung von Trockenätzen, reaktivem Ionentiefätzen (DRIE), gebildet, wobei es jedoch innerhalb des Umfanges der Erfindung liegt, dass andere Verfahren verwendet werden können. Der wie in 5, 6 und 8 gezeigte gestufte Hohlraum 120 ist in der Grundfläche 146 ausgebildet, und zwar durch die Wände 121 des ersten Hohlraums 621, die Stufenfläche 144, die Wände 122 des zweiten Hohlraumes 622 und die Bodenfläche 124 der Membran 126. Auf diese Weise kann die Stufenfläche sowohl als eine Oberfläche des ersten Hohlraumes als auch als eine Grundfläche betrachtet werden, in welche der zweite Hohlraum ausgebildet ist. Der gestufte Hohlraum 120 ist etwa an der Mitte der Grundfläche des Druckmesselementes 112 angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsformen ist jede der Wandflächen 121A–121D und 122A–122D im Wesentlichen senkrecht zur Membran 126, wobei die Stufenfläche 144 im Wesentlichen parallel zur Membran ist. In anderen Ausführungsformen müssen die Wandflächen nicht im Wesentlichen senkrecht zur Membran sein bzw. die Stufenfläche muss nicht im Wesentlichen parallel zur Membran sein. Das Druckmesselement 112 umfasst ebenso eine obere Fläche bzw. Oberfläche 128, wobei eine rasterförmige Wheatstone-Brücke, welche im Allgemeinen mit Bezugszeichen 36 dargestellt ist, auf die Oberfläche 128 des Druckmesselements 112 dotiert ist, welche von der gleichen Art rasterförmiger Wheatstone-Brücke 36 ist, wie die in 2A–2B gezeigte.
Die Membran 126 ist relativ dünn, wobei die Dicke der Membran 126 vom Druckbereich abhängt. Die Membran 126 verbiegt sich in Antwort auf den auf die Bodenfläche 124 und die Oberfläche 128 der Membran 126 ausgeübten Druck nach oben und nach unten, wie in 4 gezeigt ist. Der Druck in dem gestuften Hohlraum 120 ändert sich als Ergebnis einer Druckänderung eines Fluids in der Öffnung 118.
Die Verbiegungen auf der Oberfläche 128 der Membran 126 verformen die auf die Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 dotierte rasterförmige Wheatstone-Brücke 36. Auf der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 sind vier Piezowiderstände ausgebildet und miteinander bzw. untereinander verbunden, um, wie in 2A und 2B gezeigt, für eine Druckmessung eine Wheatstone-Brücke zu bilden. In dieser Ausführungsform ist die Wheatstone-Brücke eine rasterförmige Wheatstone-Brücke 36, wobei sie wie in 2A–2B gezeigt ausgebildet ist, und wobei die vier Widerstände 36A–36D nahe einer Seite der Membran 126 angeordnet sind. Jedoch liegt es im Umfang der Erfindung, dass die Wheatstone-Brücke als ein in 3 dargestellter dezentraler Wheatstone-Brücken-Schaltkreis ausgebildet sein kann, wobei jeder Widerstand 38A–38D nahe einer entsprechenden Seite der Membran 126 angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform umfasst die Wheatstone-Brücke die Mehrzahl an Widerständen 36A–36D, die Mehrzahl an elektrischen Verbindern 40, die Mehrzahl an Verbindungsstellen 42 und die Knoten 44. In dieser Ausführungsform sind die Verbindungsstellen 42 nahe einer Seite 46 der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 angeordnet. Das Druckmesselement in dieser Ausführungsform umfasst ebenso eine Bezugsmarke 48, welche zur Ausrichtung des Druckmesselementes während des Zusammenbaus verwendet wird.
Ein Wheatstone-Brücken-Schaltkreis weist zwei Eingabeknoten und zwei Ausgabeknoten auf. Die Transferfunktion, welche das Verhältnis der Ausgabespannung zur Eingabespannung ist, kann folgendermaßen ausgedrückt werden, wie unten in Gleichung 1 dargestellt ist:
Umformen der Transferfunktion-Bestandteile ergibt eine Gleichung für die Ausgabespannung V_out als eine Funktion der Eingabespannung V_in und Werte der Widerstände in der Wheatstone-Brücke. Gleichung 2 unten drückt daher die Ausgabespannung als eine Funktion der Eingabespannung und der Werte der Widerstände aus, welche den Wheatstone-Brücken-Schaltkreis beschreiben:
Aus Gleichung 2 geht hervor, dass sich die Ausgabespannung mit Änderung der Widerstandswerte ändert, wobei die Änderung durch Druck, Temperaturänderung, thermisches Ungleichgewicht usw. induziert wird. En thermisches Ungleichgewicht besteht zwischen dem Druckmesselement 112, dem Klebemittel und dem Gehäusesubstrat 116, welches die Ausgabespannung beeinflusst.
Gleichung 3 unten drückt die Ausgabespannung als eine Funktion der Fluktuationen in den Widerstandswerten aus:
Einsetzen von Gleichung 3 in Gleichung 4 unten zeigt, dass V_out bei Änderungen in jedem der Widerstände R1 bis R4 variieren wird:
Für eine piezoresistive Einrichtung kann das Verhältnis der Widerstandsänderung gegenüber dem Widerstandswert für jeden Widerstand folgendermaßen ausgedrückt werden:

σ L / i:: Längsspannung auf dem Widerstand i
σ T / i:: Querspannung auf dem Widerstand i

₄₄

³

Gleichung 4 zeigt, dass der Wert für das Verhältnis der Widerstandsänderung gegenüber dem Widerstandswert für jeden Widerstand von den Längs- und Querspannungen auf jeden Widerstand abhängt. Falls die Längsspannungen auf Widerstand 1 und 3 senkrecht zum Rand der Membran ausgerichtet sind, dann sind die Querspannungen auf Widerstand 2 und 4 ebenso senkrecht zum Rand der Membran. Mit Bezug auf das in 2a gezeigte Koordinatensystem wird die Spannung senkrecht zum Rand der Membran mit Sxx bezeichnet. In diesem Zustand werden die Querspannungen auf Widerstand 1 und 3 und die Längsspannungen auf Widerstand 2 und 4 parallel zum Rand der Membran sein. Die Spannung parallel zum Rand der Membran wird mit Syy bezeichnet. Daher kann Gleichung 4 umgeschrieben werden zu Gleichung 5 unten:
V_out ist daher eine Funktion der Summe der differentiellen Spannungen (Sxx – Syy) auf alle vier Widerstände. Gemäß Gleichung 5 ist bei Druckausübung auf die Drucksensoreinrichtung die Spannung senkrecht zur Membran auf jeden Widerstand Sxx größer als die Spannung parallel zur Membran auf jeden Widerstand Syy. Daher besitzt die Drucksensoreinrichtung eine hohe Empfindlichkeit. Um jedoch thermisches Rauschen zu minimieren, ist es wünschenswert, die Spannungsausgabe oder die Offset-Spannungsausgabe in diesem Zustand so gering wie möglich zu halten, und vorzugsweise null für das durch die thermische Spannung induzierte Rauschen. Basierend auf Gleichung 5 ist es offensichtlich, dass, falls thermisch-induzierte Spannungen Sxx und Syy ausgeglichen werden können oder die Summe von (Sxx – Syy) zu null reduziert werden kann, die Offset-Spannungsausgabe aufgrund der Auslöschung der Spannungen zu null wird. Sobald die Offset-Spannungsausgaben bei unterschiedlichen Temperaturniveaus in etwa auf null reduziert sind, ist die TCO im Wesentlichen null.
Der Betriebstemperaturbereich des Sensors 100 liegt etwa zwischen –40°C und etwa +150°C. Der Unterschied in den thermischen Expansionskoeffizienten zwischen dem Druckmesselement 112, dem Klebemittel 114 und dem Gehäusesubstrat 116 erzeugt ein Ungleichgewicht zwischen den auf die verschiedenen Widerstände 36 ausgeübten Spannungen. Dieses Ungleichgewicht wird durch den stufenförmigen Hohlraum korrigiert, wie er allgemein mit Bezugszeichen 120 dargestellt ist. Auf diese Weise eliminiert der stufenförmige Hohlraum 120 das Erfordernis für den Glassockel 14, wodurch in vorteilhafter Weise die Kosten für den Drucksensor 100 reduziert werden.
Die Tiefe 148 des stufenförmigen Hohlraumes 120 liegt allgemein etwa im Bereich von einem Viertel bis zwei Drittel der Dicke 150 des Druckmesselementes 112, und beträgt vorzugsweise etwa ein Drittel bis ein Halb der Dicke 150 des Druckmesselementes 112. Die Dicke 150 des Druckmesselementes 112 beträgt etwa 0,525 mm, und der erste Hohlraum des stufenförmigen Hohlraumes 120 liegt allgemein im Bereich von 1,4 bis 1,6 mm, und beträgt vorzugsweise etwa 1,58 mm. Bezugszeichen 158 zeigt eine halbe Breite des ersten Hohlraumes in 4. Das Druckmesselement 112 ist im Wesentlichen quadratisch, wobei die Breite 154 jeder Seite des Druckmesselementes 112 etwa 2,06 mm und die Breite 156 jeder Seite der Membran 126 etwa 0,78 mm beträgt.
Die Wände des ersten Hohlraumes 121A–121D und die Wände des zweiten Hohlraumes 122A–122D, welche im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind, machen, im Vergleich, das Druckmesselement 112 kleiner als das Druckmesselement 12, welches in 1 gezeigt ist, was eine Verbesserung gegenüber dem Design ist, welches die in 1 gezeigten gewinkelten Oberflächen 26, 28 umfasst. Die reduzierte Größe des Druckmesselementes 112 lässt eine Installation und Verwendung in einer vielfältigeren Anordnung an Orten zu, wie z. B. einem Ort, wo Raum oder Gewicht begrenzt sind. Die Eingliederung des gestuften Hohlraumes 120 erzeugt eine nach unten gerichtete Kraft auf die Stufenfläche 144, und zwar durch den inneren Randbereich 172 des Klebemittels, und drückt den die Membran 126 umgebenden Bereich über der Stufenfläche 144 in gleichmäßigerer Weise nach unten, leitet die durch das Klebemittel 114 und das Gehäusesubstrat 116 induzierten thermischen Spannungen ab und komprimiert in bedeutender Weise die Widerstände 36A–36D in der Richtung senkrecht zur Membran 126 (Sxx), während die Widerstände 36A–36D in der Richtung parallel zur Membran 126 (Syy) nur leicht komprimiert werden. Die Membran 126, insbesondere in dem Bereich der rasterförmigen Wheatstone-Brücke 36, ”erfährt” gleichmäßigere Spannungen in beiden Richtung X und Y.
Während des Zusammenbaus ist das Druckmesselement 112 unter Verwendung des Klebemittels 114 an dem Gehäusesubstrat 116 befestigt. Eine Situation, welche einen Fall extremer TCO darstellt, besteht dann, wenn bei Positionierung des Druckmesselementes 112 auf das Klebemittel 114 das Klebemittel 114 teilweise den ersten Hohlraum 621 füllt und wenigstens teilweise zwei der im Wesentlichen vertikalen Außenflächen 174 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Druckmesselementes 112 umgibt. Das Klebemittel 114 sorgt für eine sichere Verbindung zwischen dem Gehäusesubstrat 116 und dem Druckmesselement 112. Während des Zusammenbaus ist das Klebemittel 114 deformierbar, und nach dem Zusammenbau weist das Klebemittel 114 einen Außenrandabschnitt 168, einen Grundabschnitt 170 und einen Innenrandabschnitt 172 auf. Der Abschnitt des Klebemittels 114, welcher zwei der Außenflächen 174 umgibt, ist der Außenrandabschnitt 168, was am besten in 4 gezeigt ist.
Wenn der Sensor 100 im Betrieb verwendet wird, und verschiedenen Temperaturen ausgesetzt ist, weisen das Druckmesselement 112, das Klebemittel 114 und das Gehäusesubstrat 116 unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei sie deshalb in unterschiedlichem Maße expandieren und kontrahieren. Der stufenförmige Hohlraum 120 wird verwendet, um die verschiedenen Spannungen zu verlagern, welche von dem Unterschied in den Raten der thermischen Ausdehnung des Druckmesselementes 112, des Klebemittels 114 und des Gehäusesubstrats 116 resultieren.
Da die Aushärtetemperatur bei 150°C liegt, sind die thermischen Spannungskomponenten Sxx und Syy trivial, da nur ein sehr geringes thermisches Ungleichgewicht vorliegt. Jedoch sind die thermischen Spannungskomponenten Sxx und Syy bei –40°C von Bedeutung, da das thermische Ungleichgewicht bedeutsam ist. 7 zeigt bei –40°C einen Vergleich der Spannungskomponenten Sxx und Syy zwischen einem Drucksensor mit dem stufenförmigen Hohlraum 120 und einem Drucksensor, welcher den stufenförmigen Hohlraum 120 nicht aufweist. In 7 zeigt Bezugszeichen 176 die Spannungskomponenten Sxx und Syy auf jedem der vier Widerstände 36 ohne einen zu dem Druckmesselement 112 hinzugefügten stufenförmigen Hohlraum. Aus Gründen der Einfachheit sind die Widerstände 26A–36D jeweils als R1, R2, R3 und R4 bezeichnet. Die Spannungsunterschiede (Sxx – Syy) auf den vier Widerständen sind alle positiv. Daher ist die Summe aller (Sxx – Syy) auf allen vier Widerständen weitgehend positiv und resultiert in einer positiven Spannung von 14,03 0 mV. Bei 150°C sind die thermischen Spannungskomponenten Sxx und Syy auf jedem Widerstand trivial, wobei der Spannungsunterschied (Sxx – Syy) auf jedem Widerstand nahe null ist. Das Gleiche gilt für die Summe der Spannungsunterschiede auf allen vier Widerständen. Daher ist die Offset-Spannungsausgabe bei 150°C in etwa null. Auf Basis der Definition der TCO wird der Wert der TCO zu –73,83 μV/°C berechnet.
Experimentelle Messungen und Computersimulationen zeigen, dass die TCO in etwa proportional zu der Offset-Spannungsausgabe bei –40°C ist. Um die TCO zu reduzieren bzw. zu minimieren, ist es wichtig, die Offset-Spannungsausgabe bei –40°C zu reduzieren bzw. zu minimieren. Bezugszeichen 178 in 7 zeigt, dass (Sxx – Syy)₁, (Sxx – Syy)₂ und (sxx – Syy)₃ alle leicht positiv sind, mit Ausnahme der leicht negativen Differenz (Sxx – Syy)₄. Somit ist die Summe aller dieser kleineren (Sxx – Syy) auf allen vier Widerständen leicht positiv und resultiert in einer positiven Spannung von 0,89 mV. Die Summe aller (Sxx – Syy) ist in bedeutsamer Weise reduziert, wobei auf diese Weise die Offset-Spannungsausgabe bei –40°C auf einen kleinen positiven Wert minimiert ist. Somit ist die TCO bei –4,69 μV/°C auf einen kleinen negativen Wert reduziert.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 8 mit Bezugszeichen 1100 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleichen Elementen entsprechen. In dieser Ausführungsform ist eine Abdeckung 180 an der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 befestigt. In einigen Ausführungsformen kann die Abdeckung 180 aus Silizium oder Glas hergestellt sein, wie z. B. Borsilicatglas. In dieser Ausführungsform ist die Abdeckung 180 aus Silizium hergestellt und mit der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 schmelzverbunden. Falls die Abdeckung 180 jedoch aus Glas hergestellt ist, könnte die Abdeckung 180 anodisch mit der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 verbunden sein.
Die Abdeckung 180 umfasst eine Kammer, allgemein mit Bezugszeichen 182 dargestellt, welche zwischen Seitenwänden 184 angeordnet ist. Die Abdeckung 180 ist mit der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 verbunden, so dass die Kammer 182 eine Vakuumkammer ist, welche mit einem Druck gleich null als Bezug dient, wenn die Membran 126 äußeren Einflüssen ausgesetzt ist. Somit kann der in 8 gezeigte Drucksensor 1100 einen Rückseiten-Absolutdruck messen, wohingegen der in den vorigen Ausführungsformen gezeigte Drucksensor 100 Druckunterschiede misst. Die Länge und Breite der Kammer 182 entspricht wenigstens der Länge und Breite der Membran 126. Die Abdeckung 180 isoliert die Membran 126 von den Medien von der Oberseite und schützt die Membran 126 vor widrigen Umgebungseinflüssen, was die Wahrscheinlichkeit einer an dem Schaltkreis auf der Oberfläche 128 des Druckmesselementes 112 auftretenden Beschädigung reduziert.
Die vorangegangene Beschreibung dient lediglich Zwecken der Darstellung. Der wahre Umfang der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein Druckmesselement, umfassend: einen stufenförmigen Hohlraum, welcher in einer Grundfläche des Druckmesselementes ausgebildet ist, und zwar durch eine Mehrzahl von Wänden eines ersten Hohlraumes, einer Stufenfläche, einer Mehrzahl von Wänden eines zweiten Hohlraumes und einer Bodenfläche einer Membran; und eine Mehrzahl von Piezowiderständen auf einer Oberfläche der Membran.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: wenigstens ein Substrat; und ein Klebemittel, welches das Substrat mit der Grundfläche verbindet, so dass die Wände des ersten Hohlraumes und die Stufenfläche des gestuften Hohlraumes an wenigstens einem Abschnitt des Klebemittels befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Klebemittel weiterhin umfasst: einen Grundabschnitt; einen Außenrandabschnitt, welcher integral mit dem Grundabschnitt ausgebildet ist, wobei der Außenrandabschnitt an die wenigstens eine Außenfläche angrenzt, wenn das Druckmesselement mit dem wenigstens einen Substrat verbunden ist; und einen integral mit dem Grundabschnitt ausgebildeten Innenrandabschnitt, wobei der Innenrandabschnitt im Wesentlichen im ersten Hohlraum angeordnet ist, wenn das Druckmesselement mit dem wenigstens einen Substrat verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Abschnitt des Klebemittels, welcher an den Wänden des ersten Hohlraums und an der Stufenfläche befestigt ist, die auf das Druckmesselement ausgeübten thermisch induzierten Spannungen ableitet, um durch thermisch induzierte Spannungen auf das Druckmesselement verursachte Druckmessungenauigkeiten zu minimieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Tiefe des ersten Hohlraumes etwa ein Viertel bis zwei Drittel der Dicke des Druckmesselements beträgt, insbesondere etwa ein Drittel bis ein halb der Dicke des Druckmesselemente.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend: eine Abdeckung, welche mit der Oberfläche des Druckmesselementes verbunden ist; und eine Kammer, welche integral zwischen der Abdeckung und der Oberfläche des Druckmesselementes ausgebildet ist, so dass die Kammer wenigstens teilweise evakuiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Abdeckung aus Borsilicatglas und/oder aus Silizium hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Piezowiderständen ausgebildet ist, um eine rasterförmige Wheatstone-Brücke und/oder eine dezentralisierte Wheatstone-Brücke zu bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl an Wänden der ersten und zweiten Hohlräume im Wesentlichen senkrecht zur Membran ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stufenfläche im Wesentlichen parallel zur Membran ist.