DE102015122287A1 - Capacitive differential pressure sensor - Google Patents

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DE102015122287A1
DE102015122287A1 DE102015122287.6A DE102015122287A DE102015122287A1 DE 102015122287 A1 DE102015122287 A1 DE 102015122287A1 DE 102015122287 A DE102015122287 A DE 102015122287A DE 102015122287 A1 DE102015122287 A1 DE 102015122287A1
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Benjamin Lemke
Timo Kober
Nico Frommhold
Rene Ziermann
Rafael Teipen
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Abstract

Ein kapazitiver Differenzdrucksensor (1), umfasst: eine Messmembranschicht (10) zwischen zwei Gegenkörpern (20), wobei die Messmembranschicht mit den Gegenkörpern (20) über isolierende Schichten (26) jeweils unter Bildung einer Druckkammer (28) zwischen den Gegenkörpern (20) und der Messmembranschicht (10) druckdicht verbunden ist, wobei die Messmembranschicht (10) einen zentralen Membranbereich (12) aufweist, der die beiden Druckkammern (28) voneinander trennt, und der in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einer Druckdifferenz zwischen den Druckkammern (28) auslenkbar ist, wobei die Gegenkörper (20) jeweils eine dem Membranbereich (12) zugewandte zentrale Messelektrode (25a) aufweisen mit einer Messkapazität gegenüber der Messmembranschicht (10), deren Werte von einer Auslenkung des Membranbereichs (12) abhängen, wobei die Gegenkörper (20) jeweils eine der Messmembranschicht (10) zugewandte Referenzelektrode (25b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzelektrode (25b) außerhalb der ersten Druckkammer (28) angeordnet und von der ersten isolierenden Schicht (26) bedeckt ist.A capacitive differential pressure sensor (1), comprising: a measuring diaphragm layer (10) between two counter-bodies (20), wherein the measuring diaphragm layer with the counter-bodies (20) via insulating layers (26) in each case to form a pressure chamber (28) between the counter-bodies (20) and the measuring membrane layer (10) is pressure-tightly connected, wherein the measuring membrane layer (10) has a central membrane region (12) which separates the two pressure chambers (28), and in dependence on a difference between a pressure difference between the pressure chambers (28) The counter bodies (20) each have a central measuring electrode (25a) facing the membrane region (12) with a measuring capacity opposite the measuring membrane layer (10) whose values depend on a deflection of the membrane region (12), the counter bodies (20 ) each have a measuring diaphragm layer (10) facing the reference electrode (25b), characterized in that the first Refe Renzelektrode (25 b) outside the first pressure chamber (28) and is covered by the first insulating layer (26).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Differenzdrucksensor.The present invention relates to a capacitive differential pressure sensor.

Kapazitive Differenzdrucksensoren messen die Druckdifferenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck, mittels kapazitiver Wandler. Gattungsgemäße kapazitive Differenzdrucksensoren sind beispielsweise in DE 101 17 142 A1 und in US 6 295 875 B1 offenbart. DE 101 17 142 A1 beschreibt einen Differenzdrucksensor mit jeweils einer Messelektrode in den beiden Druckkammern des Differenzdrucksensors, mit deren jeweiligen Kapazitäten gegenüber der Messmembran die Druckdifferenz und der statische Druck bestimmt werden können. US 6 295 875 B1 mit jeweils einer Messelektrode und einer Referenzelektroden in den beiden Druckkammern des Differenzdrucksensors. Über die Kapazitäten der Referenzelektroden gegenüber der Messmembran sind zusätzliche Informationen zu gewinnen mit denen Störeinflüsse auf die Messung der Druckdifferenz und des statischen Drucks besser kompensierbar sind.Capacitive differential pressure sensors measure the pressure difference between a first media pressure and a second media pressure, by means of capacitive transducers. Generic capacitive differential pressure sensors are for example in DE 101 17 142 A1 and in US Pat. No. 6,295,875 B1 disclosed. DE 101 17 142 A1 describes a differential pressure sensor, each with a measuring electrode in the two pressure chambers of the differential pressure sensor, with their respective capacities relative to the measuring diaphragm, the pressure difference and the static pressure can be determined. US Pat. No. 6,295,875 B1 each with a measuring electrode and a reference electrode in the two pressure chambers of the differential pressure sensor. Additional information can be obtained about the capacities of the reference electrodes in relation to the measuring diaphragm with which disturbing influences on the measurement of the pressure difference and the static pressure can be better compensated.

Gewöhnlich ist der Bereich des zu messenden Differenzdrucks erheblich kleiner als der erste bzw. der zweite Mediendruck. Dies führt zu widerstreitenden Zielgrößen beim Entwurf des Differenzdrucksensors, denn einerseits soll er einen kleinen Differenzdruck messen und andererseits großen Mediendrücken standhalten, wobei insbesondere im Falle von Fehlbedienungen, der Differenzdruck durchaus die Größenordnung des Mediendrucks erreichen kann. Ohne Schutzmaßnahmen kann eine Messmembran eines Differenzdrucksensors durch einen derart hohen Differenzdruck zerstört werden. Es sind daher Bemühungen bekannt, einen Überlastschutz für die Messmembran durch Membranbetten zu realisieren. Hierbei soll sich die Messmembran bei Überschreiten eines Grenzwerts für den Überdruck zumindest in dem Maße an dem Membranbett abstützen. Differenzdrucksensoren mit solchen Membranbetten sind in US 4 458 537 , DE 10 2009 046 229 A1 , US 7 360 431 B2 , DE 10 2010 028 773 A1 , JP 10078366 A , US 5 381 299 und DE 10 2012 109 587 A1 offenbart.Usually, the range of the differential pressure to be measured is considerably smaller than the first or the second media pressure. This leads to conflicting objectives in the design of the differential pressure sensor, because on the one hand he should measure a small differential pressure and on the other hand withstand high media pressures, in particular in the case of incorrect operations, the differential pressure can quite well reach the magnitude of the media pressure. Without protective measures, a measuring diaphragm of a differential pressure sensor can be destroyed by such a high differential pressure. There are therefore known efforts to realize an overload protection for the measuring membrane by membrane beds. In this case, the measuring membrane should be supported on exceeding a limit value for the overpressure at least to the extent on the membrane bed. Differential pressure sensors with such membrane beds are in US 4,458,537 . DE 10 2009 046 229 A1 . US 7 360 431 B2 . DE 10 2010 028 773 A1 . JP 10078366 A . US 5,381,229 and DE 10 2012 109 587 A1 disclosed.

Gleichermaßen können hohe statische Druckwerte einen Differenzdrucksensor zum Bersten bringen, da insbesondere im Bereich von Fügestellen zwischen Messmembran und Gegenkörpern große Kerbspannungen auftreten. Es sind daher aus den Offenlegungsschriften DE 10 2014 104 831 A1 und DE 10 2012 113 033 A1 konstruktive Ansätze bekannt, die Gegenkörper möglichst steif zu gestalten oder rückseitig abzustützen, um die Kerbspannungen zu begrenzen. Andere Ansätze betreffen die isostatische Abstützung der Gegenkörper, wie beispielsweise in DE 101 01 108 A1 und der noch unveröffentlichten Anmeldung DE 2014 109 491 beschrieben ist. Die genannten Lösungen funktionieren, sind jedoch mit einem großen konstruktiven Aufwand verbunden.Likewise, high static pressure values can cause a differential pressure sensor to burst, since large notch stresses occur, in particular in the area of joints between the measuring diaphragm and counter-bodies. It is therefore from the disclosures DE 10 2014 104 831 A1 and DE 10 2012 113 033 A1 constructive approaches known to make the counter body as stiff as possible or support the back to limit the notch stresses. Other approaches involve isostatic support of the mating bodies, such as in DE 101 01 108 A1 and the still unpublished application DE 2014 109 491 is described. The solutions mentioned work, but are associated with a large design effort.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Differenzdrucksensor mit verbesserter Berstfestigkeit und einer einfachen Konstruktion bereitzustellen.It is therefore the object of the present invention to provide a capacitive differential pressure sensor with improved bursting strength and a simple construction.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch den kapazitiven Differenzdrucksensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.The object is achieved by the capacitive differential pressure sensor according to the independent claim. 1

Der erfindungsgemäße kapazitive Differenzdrucksensor umfasst: eine Messmembranschicht; einen ersten Gegenkörper; und einen zweiten Gegenkörper, wobei die Messmembranschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Gegenkörper angeordnet ist, wobei die Messmembranschicht mit dem ersten Gegenkörper über eine erste isolierende Schicht unter Bildung einer ersten Druckkammer zwischen dem ersten Gegenkörper und der Messmembranschicht druckdicht verbunden ist, wobei die Messmembranschicht mit dem zweiten Gegenkörper über eine zweite isolierende Schicht unter Bildung einer zweiten Druckkammer zwischen dem zweiten Gegenkörper und der Messmembranschicht druckdicht verbunden ist, wobei die Messmembranschicht einen zentralen Membranbereich aufweist, der die beiden Druckkammern voneinander trennt, und der in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem ersten Druck in der ersten Druckkammer und einem zweiten Druck in der zweiten Druckkammer auslenkbar ist, wobei der erste Gegenkörper eine erste, zentrale Messelektrode aufweist, die dem Membranbereich zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht elektrisch isoliert ist, und die eine erste Messkapazität gegenüber der Messmembranschicht aufweist, deren Wert von einer Auslenkung des Membranbereichs abhängt, wobei der zweite Gegenkörper eine zweite, zentrale Messelektrode aufweist, die dem Membranbereich zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht elektrisch isoliert ist, und die eine zweite Messkapazität gegenüber der Messmembranschicht aufweist, deren Wert von einer Auslenkung des Membranbereichs abhängt, wobei der erste Gegenkörper eine erste Referenzelektrode aufweist, die der Messmembranschicht zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht und der ersten Messelektrode elektrisch isoliert ist, wobei weiterhin die erste Referenzelektrode außerhalb der ersten Druckkammer angeordnet und von der ersten isolierenden Schicht bedeckt ist.The capacitive differential pressure sensor according to the invention comprises: a measuring membrane layer; a first counter body; and a second counter body, wherein the measuring membrane layer is arranged between the first and the second counter body, wherein the measuring membrane layer is pressure-tightly connected to the first counter body via a first insulating layer to form a first pressure chamber between the first counter body and the measuring membrane layer, wherein the measuring membrane layer the second counter-body via a second insulating layer is pressure-tightly connected to form a second pressure chamber between the second counter-body and the measuring diaphragm layer, wherein the measuring diaphragm layer has a central diaphragm region which separates the two pressure chambers, and in dependence on a difference between a first pressure in the first pressure chamber and a second pressure in the second pressure chamber is deflectable, wherein the first counter-body has a first, central measuring electrode which faces the membrane region and with respect to the measuring membrane layer ele is ktrisch isolated, and having a first measuring capacity relative to the measuring membrane layer, the value of which depends on a deflection of the membrane region, wherein the second counter-body has a second, central measuring electrode which faces the membrane region and is electrically insulated from the measuring membrane layer, and a second Measuring capacity relative to the measuring diaphragm layer, the value of which depends on a deflection of the membrane region, the first counter-body having a first reference electrode facing the Meßmembranschicht and electrically insulated from the Meßmembranschicht and the first measuring electrode, wherein further arranged the first reference electrode outside of the first pressure chamber and covered by the first insulating layer.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der zweite Gegenkörper eine zweite Referenzelektrode auf, die der Messmembranschicht zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht und der zweiten Messelektrode elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Referenzelektrode außerhalb der zweiten Druckkammer angeordnet und von der zweiten isolierenden Schicht bedeckt ist.In one development of the invention, the second counter-body has a second reference electrode, which faces the measuring diaphragm layer and is electrically insulated from the measuring diaphragm layer and the second measuring electrode, wherein the second reference electrode is outside the second Pressure chamber disposed and covered by the second insulating layer.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Fläche der Referenzelektroden, nicht mehr zur Druckkammerfläche beiträgt, und damit die Kräfte welche von den Fügestellen zwischen Membran und Gegenkörpern aufgenommen werden müssen, erheblich reduziert sind.The advantage of the invention is that the surface of the reference electrodes, no longer contributes to the pressure chamber surface, and thus the forces which must be absorbed by the joints between the membrane and counter-bodies, are significantly reduced.

Anhand der jeweiligen Kapazität zwischen den Referenzelektroden und der Messmembran mit der zwischenliegenden Schicht als Dielektrikum können beispielsweise die folgenden Einflussgrößen überwacht werden:

  • – Temperatur der Druckmesszelle;
  • – Verformungen der Gegenkörper;
  • – Änderungen der Materialeigenschaften des Dielektrikums; und des Materials der Elektrodenschicht, insbesondere SiO2 und Si;
  • – eine Delamination zwischen der Membranschicht und der Elektrodenschicht;
  • – Änderungen in den elektrischen Eigenschaften von Leitern zur Kontaktierung der Elektroden und damit verbundene Änderungen der Differenzdruckmessung; und
  • – elektro-magnetische Störeinflüsse.
On the basis of the respective capacitance between the reference electrodes and the measuring membrane with the intermediate layer as a dielectric, the following influencing variables can be monitored, for example:
  • - temperature of the pressure measuring cell;
  • - deformations of the opposing body;
  • - changes in the material properties of the dielectric; and the material of the electrode layer, in particular SiO 2 and Si;
  • A delamination between the membrane layer and the electrode layer;
  • - Changes in the electrical properties of conductors for contacting the electrodes and related changes in the differential pressure measurement; and
  • - electro-magnetic interference.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die die erste und die zweite isolierende Schicht Siliziumoxyd auf.In a development of the invention, the first and the second insulating layers comprise silicon oxide.

In einer Weiterbildung der Erfindung umgeben die Referenzelektroden jeweils eine der Messelektroden ringförmig.In one development of the invention, the reference electrodes each surround one of the measuring electrodes in an annular manner.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Messmembranschicht und die Gegenkörper ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium auf.In a development of the invention, the measuring membrane layer and the counter-bodies comprise a semiconductor material, in particular silicon.

In einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Stärke der ersten isolierenden Schicht nicht mehr als 10 μm, insbesondere nicht mehr als 5 μm und bevorzugt nicht mehr als 3 μm.In one development of the invention, the thickness of the first insulating layer is not more than 10 .mu.m, in particular not more than 5 .mu.m and preferably not more than 3 .mu.m.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei gleicher Druckbeaufschlagung der beiden Druckkammern mit einem Druck von etwa 1 bar bei Raumtemperatur der Wert der ersten Messkapazität im Wesentlichen gleich dem Wert der zweiten Messkapazität, wobei die erste Referenzelektrode gegenüber der Messmembranschicht eine erste Referenzkapazität aufweist, wobei die zweite Referenzelektrode gegenüber der Messmembranschicht eine zweite Referenzkapazität aufweist, wobei bei isostatischer Druckbeaufschlagung der beiden Druckkammern mit einem Druck von etwa 1 bar bei Raumtemperatur der Betrag einer Differenz zwischen dem Wert der ersten Messkapazität und dem Wert der ersten Referenzkapazität nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 5% und bevorzugt nicht mehr als 2%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 1% des Werts der größeren der beiden Kapazitäten beträgt, und/oder der Betrag einer Differenz zwischen dem Wert der zweiten Messkapazität und dem Wert der zweiten Referenzkapazität nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 5% und bevorzugt nicht mehr als 2%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 1% des Werts der größeren der beiden Kapazitäten beträgt.In a further development of the invention, with the same pressurization of the two pressure chambers at a pressure of about 1 bar at room temperature, the value of the first measurement capacitance is substantially equal to the value of the second measurement capacitance, the first reference electrode having a first reference capacitance relative to the measurement membrane layer, the second one Reference electrode relative to the measuring membrane layer has a second reference capacity, wherein in isostatic pressurization of the two pressure chambers at a pressure of about 1 bar at room temperature, the amount of a difference between the value of the first measuring capacity and the value of the first reference capacity not more than 10%, especially not more than 5% and preferably not more than 2%, and more preferably not more than 1% of the value of the larger of the two capacitances, and / or the amount of a difference between the value of the second measuring capacitance and the value of the second reference capacitance t is not more than 10%, particularly not more than 5% and preferably not more than 2%, and more preferably not more than 1% of the value of the larger of the two capacitances.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen der erste Gegenkörper und/oder der zweite Gegenkörper Stützstellen auf, an welchen der Membranbereich im Falle einer einseitigen Überlast zumindest teilweise anliegt, wobei die Stützstellen positionsabhängige Höhen h gegenüber einer Referenzebene aufweisen; an der das Zentrum des Membranbereichs im Falle einer einseitigen Überlast anliegt, und die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die Messmembranschicht aufgespannt ist.In one development of the invention, the first mating body and / or the second mating body have support points on which the membrane region at least partially rests in the case of a one-sided overload, wherein the support points have position-dependent heights h with respect to a reference plane; at which the center of the membrane area abuts in the case of a one-sided overload, and which runs parallel to a plane which is spanned by the measuring membrane layer.

Die Stützstellen sind beispielsweise durch Ätzen, insbesondere isotropes Ätzen in der ersten bzw. zweiten isolierenden Schicht präpariert. D. h. die Stützstellen verbleiben nach Ätzen des sie umgebenden Materials der ersten bzw. zweiten isolierenden Schicht stehen.The support points are prepared for example by etching, in particular isotropic etching in the first and second insulating layer. Ie. the supporting points remain after etching the surrounding material of the first and second insulating layer.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Gegenkörper jeweils eine Schichtstruktur mit einer ersten leitfähigen Schicht und einer zweiten leitfähigen Schicht auf, die durch eine isolierende Trennschicht voneinander getrennt sind, wobei die erste leitfähige Schicht der Messmembranschicht zugewandt ist und die Messelektrode und Referenzelektrode aufweist, wobei die erste leitfähige Schicht insbesondere polykristallines Silizium aufweist.In one development of the invention, the counter-bodies each have a layer structure with a first conductive layer and a second conductive layer, which are separated by an insulating separation layer, the first conductive layer facing the measuring membrane layer and having the measuring electrode and reference electrode, wherein the first conductive layer, in particular polycrystalline silicon.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Messelektroden jeweils von einer Referenzelektrode durch einen ersten Graben getrennt, der sich durch die erste leitfähige Schicht bis zur isolierenden Trennschicht erstreckt. wobei der erste Graben insbesondere eine Breite aufweist, die mindestens das 10-fache vorzugsweise mindestens das 40-fache und besonders mindestens das 80-fache des Abstands zwischen der Messelektrode und der Messmembranschicht in der Ruhelage der Membranbereichs beträgt.In one development of the invention, the measuring electrodes are each separated from a reference electrode by a first trench, which extends through the first conductive layer to the insulating separating layer. wherein the first trench in particular has a width which is at least 10 times, preferably at least 40 times and especially at least 80 times, the distance between the measuring electrode and the measuring membrane layer in the rest position of the membrane region.

In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Referenzelektroden jeweils durch einen zweiten Graben von einem Randbereich der ersten leitfähigen Schicht getrennt.In one development of the invention, the reference electrodes are each separated by a second trench from an edge region of the first conductive layer.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der auslenkbare Messmembranbereich einen Durchmesser auf, der mindestens das 200-fache, insbesondere mindestens das 800-fache und bevorzugt mindestens das 1500-fache des Abstands zwischen der Messmembranschicht in der Ruhelage des Membranbereichs und der Messelektrode beträgt.In a further development of the invention, the deflectable measuring membrane region has a diameter which is at least 200 times, in particular at least 800 times, and preferably at least 1500 times, the distance between the measuring membrane layer is in the rest position of the membrane region and the measuring electrode.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die isolierenden Trennschichten jeweils eine Stärke auf, die nicht weniger als die Stärke der ersten bzw. zweiten isolierenden Schicht beträgt, wobei die Stärke der isolierenden Trennschichten insbesondere nicht weniger als das Doppelte, vorzugsweise nicht weniger als das Dreifache der ersten bzw. zweiten isolierenden Schicht beträgt.In one development of the invention, the insulating separating layers each have a thickness which is not less than the thickness of the first or second insulating layer, the thickness of the insulating separating layers being in particular not less than twice, preferably not less than three times, the first or second insulating layer.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Messelektroden und die Referenzelektroden jeweils mindestens eine der Messmembranschicht abgewandte Kontaktierungsfläche auf, die durch eine Öffnung in der zweiten leitfähigen Schicht und der isolierenden Trennschicht zugänglich ist. Vorzugsweise weist auch die Messmembranschicht beidseitig eine solche Kontaktierungsfläche auf.In one development of the invention, the measuring electrodes and the reference electrodes each have at least one contacting surface facing away from the measuring membrane layer, which is accessible through an opening in the second conductive layer and the insulating separating layer. The measuring membrane layer preferably also has such a contacting surface on both sides.

Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The invention will now be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings. It shows:

1: einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors; 1 a schematic longitudinal section through an embodiment of a differential pressure sensor according to the invention;

Der in 1 dargestellte Differenzdrucksensor 1 umfasst eine Messmembranschicht 10 aus Silizium, die zwischen zwei Gegenkörpern 20 angeordnet und entlang eines ringflächenförmigen Randbereiches 11, der einen kreisscheibenförmigen, auslenkbaren, zentralen Membranbereich 12 umgibt, mit beiden Gegenkörpern 20 druckdicht gefügt ist. Die Messmembranschicht 10 weist eine Stärke von einigen 10 μm auf, beispielsweise etwa 40 μm, wobei die Stärke der Messmembranschicht 10 im Verhältnis zum Radius des auslenkbaren Membranbereichs 12 in Abhängigkeit des angestrebten Messbereichs zu wählen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Radius des Membranbereichs 12 etwa 1100 μm.The in 1 illustrated differential pressure sensor 1 comprises a measuring membrane layer 10 made of silicon between two counterparts 20 arranged and along an annular surface edge region 11 , the circular disc-shaped, deflectable, central membrane area 12 surrounds, with both counterparts 20 pressure-tight joined. The measuring membrane layer 10 has a thickness of a few 10 microns, for example, about 40 microns, wherein the thickness of the measuring membrane layer 10 in relation to the radius of the deflectable membrane area 12 is to be selected depending on the desired measuring range. In the present exemplary embodiment, the radius of the membrane region is 12 about 1100 μm.

Die beiden Gegenkörper 20 weisen, bezogen auf eine Mittenebene der Messmembranschicht 10, einen mikromechanisch im Wesentlichen symmetrischen Aufbau auf, so dass die folgende Beschreibung der Struktur eines Gegenkörpers 20 auch für den anderen gilt. Der Gegenkörper 20 weist eine Schichtstruktur auf, deren Schichtfolgen nun von außen nach innen beschrieben wird.The two opposing bodies 20 show, based on a center plane of the measuring membrane layer 10 , a micromechanically substantially symmetrical structure, so that the following description of the structure of a counter body 20 also applies to the other. The counterbody 20 has a layer structure whose layer sequences are now described from outside to inside.

Der Gegenkörper 20 weist an seiner äußeren Oberfläche eine äußere elektrisch isolierende Schutzschicht 22 auf, die eine Stärke von einigen wenigen μm, insbesondere weniger als 5 μm, vorzugsweise 2 μm aufweist. Sie besteht bevorzugt aus SiO2. Die Schutzschicht 22 bedeckt eine Trägerschicht 23, welche eine Stärke von einigen hundert Mikrometern, insbesondere etwa 300 μm aufweist, wobei die Trägerschicht 23 insbesondere Silizium aufweist. Der Trägerschicht 23 folgt eine elektrisch isolierende Trennschicht 24 in einer Stärke von beispielsweise 4 μm, die SiO2 aufweist. Die Trennschicht 24 isoliert die Trägerschicht 23 von einer Elektrodenschicht 25, welche beispielsweise eine Stärke von 50 μm aufweist und insbesondere aus polykristallinem Si präpariert ist.The counterbody 20 has on its outer surface an outer electrically insulating protective layer 22 which has a thickness of a few μm, in particular less than 5 μm, preferably 2 μm. It preferably consists of SiO 2 . The protective layer 22 covers a carrier layer 23 , which has a thickness of a few hundred micrometers, in particular about 300 microns, wherein the carrier layer 23 in particular silicon. The carrier layer 23 follows an electrically insulating separation layer 24 in a thickness of, for example, 4 μm, which has SiO 2 . The separation layer 24 isolates the carrier layer 23 from an electrode layer 25 which, for example, has a thickness of 50 microns and is in particular made of polycrystalline Si prepared.

Die Elektrodenschicht 25 weist eine zentrale Messelektrode 25a mit einem Radius von etwa 1000 μm und eine die Messelektrode umgebende Referenzelektrode 25b auf, wobei die Gegenkörperelektrode 25a und die Referenzelektrode 25b durch einen ringförmigen inneren Graben 25c voneinander und elektrisch isoliert sind. Der innere Graben 25c weist beispielsweise eine Breite von 50 μm auf und ist bis zur Trennschicht 24 geätzt. Die Elektrodenschicht 25 weist weiterhin eine Randzone 25d auf, welche die Referenzelektrode 25b ringförmig umgibt und von dieser durch äußeren Graben 25e getrennt ist, wobei der äußere Graben 25d die gleiche Breite und Ätztiefe wie der inneren Graben 25c aufweist.The electrode layer 25 has a central measuring electrode 25a with a radius of about 1000 microns and a reference electrode surrounding the measuring electrode 25b on, wherein the counter body electrode 25a and the reference electrode 25b through an annular inner trench 25c from each other and are electrically isolated. The inner ditch 25c For example, has a width of 50 microns and is up to the separation layer 24 etched. The electrode layer 25 also has a border zone 25d on which the reference electrode 25b surrounds it annularly and from this by outer trench 25e is separated, the outer trench 25d the same width and etch depth as the inner trench 25c having.

Auf die Elektrodenschicht 25 folgt eine Isolationsschicht 26, deren zentraler Bereich 26a, welcher dem Membranbereich 12 der Messmembranschicht 10 gegenüberliegt, bis auf Stützstellen 27 weggeätzt ist. Sinn und Zweck der Stützstellen 27 ist es, die den Membranbereich 12 im Fall einer einseitigen Überlast abzustützen, also zu gewährleisten, dass der Membranbereich 12 ab einem bestimmten Überlastdruck an den Stützstellen anliegt, und damit eine weitere Auslenkung vermieden wird, um die Zugspannungen in der Messmembranschicht 10 unter der Berstspannung des Werkstoffs, hier Si, zu halten. Die Stützstellen 27 können beispielsweise in radialer Richtung verlaufen und eine mit dem Radius monoton steigende Höhe aufweisen. Gleichermaßen können die Stützstellen konzentrische Kreisbögen umfassen, deren jeweilige Höhe eine Funktion der Radialen Position der Kreisbögen ist. Einzelheiten zur Präparation der Stützstellen sind in der Veröffentlichung DE 10 2012 109 587 A1 offenbart.On the electrode layer 25 follows an insulation layer 26 whose central area 26a which is the membrane area 12 the measuring membrane layer 10 opposite, except at interpolation points 27 is etched away. Sense and purpose of the support points 27 is it the membrane area 12 in the case of a one-sided overload, so to ensure that the membrane area 12 is applied to the support points from a certain overload pressure, and thus a further deflection is avoided to the tensile stresses in the diaphragm layer 10 under the bursting stress of the material, here Si. The support points 27 For example, they may be in the radial direction and have a height monotonically increasing with the radius. Likewise, the support points may include concentric circular arcs, the respective height of which is a function of the radial position of the circular arcs. Details of the preparation of the support points are in the publication DE 10 2012 109 587 A1 disclosed.

Die Isolationsschicht 26 weist eine Stärke von beispielsweise 2 μm auf. Ein Randbereich 26b der Isolationsschicht 26, welcher den zentralen Bereich 26a mit den Stützstellen 27 ringförmig umgibt, dient zum druckdichten Fügen der Messmembranschicht 10 mit der Elektrodenschicht in den Bereichen der Referenzelektrode 25b und der Randzone 25d, wodurch die Druckkammer 28 bis auf eine zentrale Druckzuleitungsöffnung 29 im Zentrum der Druckkammer 28 druckdicht verschlossen ist. Die Referenzelektrode 25b liegt damit außerhalb der Druckkammer. Ihre membranseitige Oberfläche ist damit nicht mehr einem in die Druckkammer 28 eingeleiteten statischen Druck ausgesetzt, wodurch die Zugspannungen in der Verbindung zwischen der Elektrodenschicht 25 und der Messmembranschicht 10 erheblich reduziert sind. Die Verbindung zwischen der Elektrodenschicht 25 und der Messmembranschicht 10 mittels der Isolationsschicht 26 wird beispielsweise durch Fusion-Bond, insbesondere Hochtemperatur-Fusion-Bond präpariert.The insulation layer 26 has a thickness of for example 2 microns. A border area 26b the insulation layer 26 which is the central area 26a with the support points 27 surrounds annular, serves for pressure-tight joining of the measuring membrane layer 10 with the electrode layer in the regions of the reference electrode 25b and the edge zone 25d , causing the pressure chamber 28 except for a central pressure feed opening 29 in the center of the pressure chamber 28 pressure sealed. The reference electrode 25b is thus outside the pressure chamber. Their membrane-side surface is thus no longer one in the pressure chamber 28 exposed static pressure, whereby the tensile stresses in the connection between the electrode layer 25 and the measuring membrane layer 10 are significantly reduced. The connection between the electrode layer 25 and the measuring membrane layer 10 by means of the insulation layer 26 is prepared for example by fusion bond, in particular high-temperature fusion bond.

Zur Kontaktierung der Messelektrode 25a und der Referenzelektrode 25b ist jeweils eine Öffnung 30, 32 von der äußeren Oberfläche des Gegenkörpers 20 her bis zu einer der Messmembranschicht 10 abgewandten Rückseite der beiden Elektroden präpariert, insbesondere durch Ätzen. Zur Kontaktierung des Randbereichs 11 der Messmembranschicht 10 ist eine entsprechende Öffnung 34 präpariert.For contacting the measuring electrode 25a and the reference electrode 25b is each an opening 30 . 32 from the outer surface of the counter body 20 up to one of the measuring membrane layer 10 prepared on the opposite rear side of the two electrodes, in particular by etching. For contacting the edge area 11 the measuring membrane layer 10 is a corresponding opening 34 prepared.

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Claims (15)

Kapazitiver Differenzdrucksensor (1), umfassend: eine Messmembranschicht (10); einen ersten Gegenkörper (20); und einen zweiten Gegenkörper (20), wobei die Messmembranschicht (10) zwischen dem ersten und dem zweiten Gegenkörper (20) angeordnet ist wobei die Messmembranschicht mit dem ersten Gegenkörper (20) über eine erste isolierende Schicht (26) unter Bildung einer ersten Druckkammer (28) zwischen dem ersten Gegenkörper (20) und der Messmembranschicht (10) druckdicht verbunden ist, wobei die Messmembranschicht (10) mit dem zweiten Gegenkörper (20) über eine zweite isolierende Schicht (26) unter Bildung einer zweiten Druckkammer zwischen dem zweiten Gegenkörper und der Messmembranschicht (10) druckdicht verbunden ist, wobei die Messmembranschicht (10) einen zentralen Membranbereich (12) aufweist, der die beiden Druckkammern (28) voneinander trennt, und der in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen einem ersten Druck in der ersten Druckkammer und einem zweiten Druck in der zweiten Druckkammer auslenkbar ist, wobei der erste Gegenkörper (20) eine erste, zentrale Messelektrode (25a) aufweist, die dem Membranbereich (12) zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht (10) elektrisch isoliert ist, und die eine erste Messkapazität gegenüber der Messmembranschicht (10) aufweist, deren Wert von einer Auslenkung des Membranbereichs (12) abhängt, wobei der zweite Gegenkörper (20) eine zweite, zentrale Messelektrode aufweist, die dem Membranbereich (12) zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht (10) elektrisch isoliert ist, und die eine zweite Messkapazität gegenüber der Messmembranschicht (10) aufweist, deren Wert von einer Auslenkung des Membranbereichs (12) abhängt, wobei der erste Gegenkörper (20) eine erste Referenzelektrode (25b) aufweist, die der Messmembranschicht (10) zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht (10) und der ersten Messelektrode elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Referenzelektrode (25b) außerhalb der ersten Druckkammer (28) angeordnet und von der ersten isolierenden Schicht (26) bedeckt ist.Capacitive differential pressure sensor ( 1 ), comprising: a measuring membrane layer ( 10 ); a first counter-body ( 20 ); and a second counter body ( 20 ), wherein the measuring membrane layer ( 10 ) between the first and the second counter body ( 20 ) is arranged, wherein the measuring membrane layer with the first counter body ( 20 ) via a first insulating layer ( 26 ) to form a first pressure chamber ( 28 ) between the first counterbody ( 20 ) and the measuring membrane layer ( 10 ) is connected pressure-tight, wherein the measuring membrane layer ( 10 ) with the second counter body ( 20 ) via a second insulating layer ( 26 ) to form a second pressure chamber between the second mating body and the measuring membrane layer ( 10 ) is connected pressure-tight, wherein the measuring membrane layer ( 10 ) a central membrane area ( 12 ), the two pressure chambers ( 28 ), and which is deflectable in response to a difference between a first pressure in the first pressure chamber and a second pressure in the second pressure chamber, wherein the first counter body ( 20 ) a first, central measuring electrode ( 25a ), which the membrane area ( 12 ) and opposite the measuring membrane layer ( 10 ) is electrically isolated, and which has a first measuring capacity in relation to the measuring membrane layer ( 10 ) whose value depends on a deflection of the membrane region ( 12 ), wherein the second counter body ( 20 ) has a second, central measuring electrode which corresponds to the membrane region ( 12 ) and opposite the measuring membrane layer ( 10 ) is electrically isolated, and the second measuring capacity relative to the measuring membrane layer ( 10 ) whose value depends on a deflection of the membrane region ( 12 ), the first counterbody ( 20 ) a first reference electrode ( 25b ), the measuring membrane layer ( 10 ) and opposite the measuring membrane layer ( 10 ) and the first measuring electrode is electrically isolated, characterized in that the first reference electrode ( 25b ) outside the first pressure chamber ( 28 ) and from the first insulating layer ( 26 ) is covered. Kapazitiver Differenzdrucksensor (1), nach Anspruch 1, wobei der zweite Gegenkörper eine zweite Referenzelektrode aufweist, die der Messmembranschicht (10) zugewandt und gegenüber der Messmembranschicht und der zweiten Messelektrode elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Referenzelektrode außerhalb der zweiten Druckkammer angeordnet und von der zweiten isolierenden Schicht bedeckt ist.Capacitive differential pressure sensor ( 1 ), according to claim 1, wherein the second counter-body has a second reference electrode, the measuring membrane layer ( 10 ) and is electrically insulated from the measuring diaphragm layer and the second measuring electrode, wherein the second reference electrode is arranged outside the second pressure chamber and covered by the second insulating layer. Kapazitiver Differenzdrucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite isolierende Schicht Siliziumoxyd aufweisen.Capacitive differential pressure sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first and the second insulating layer comprise silicon oxide. Kapazitiver Differenzdrucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Referenzelektrode (25b) die erste bzw. zweite Messelektrode (25a) ringförmig umgeben.Capacitive differential pressure sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first and second reference electrodes ( 25b ) the first and second measuring electrodes ( 25a ) surrounded annularly. Kapazitiver Differenzdrucksensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messmembranschicht (10) und die Gegenkörper (20) ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium aufweisen.Capacitive differential pressure sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the measuring membrane layer ( 10 ) and the counter-bodies ( 20 ) comprise a semiconductor material, in particular silicon. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stärke der ersten isolierenden Schicht (26) nicht mehr als 10 μm, insbesondere nicht mehr als 5 μm und bevorzugt nicht mehr als 3 μm beträgt.Differential pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the thickness of the first insulating layer ( 26 ) is not more than 10 μm, in particular not more than 5 μm and preferably not more than 3 μm. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei gleicher Druckbeaufschlagung der beiden Druckkammern (28) mit einem Druck von etwa 1 bar bei Raumtemperatur der Wert der ersten Messkapazität im Wesentlichen gleich dem Wert der zweiten Messkapazität ist, wobei die erste Referenzelektrode (25b) gegenüber der Messmembranschicht (10) eine erste Referenzkapazität aufweist, wobei die zweite Referenzelektrode gegenüber der Messmembranschicht (10) eine zweite Referenzkapazität aufweist, wobei bei isostatischer Druckbeaufschlagung der beiden Druckkammern (28) mit einem Druck von etwa 1 bar bei Raumtemperatur der Betrag einer Differenz zwischen dem Wert der ersten Messkapazität und dem Wert der ersten Referenzkapazität nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 5% und bevorzugt nicht mehr als 2%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 1% des Werts der größeren der beiden Kapazitäten beträgt, und/oder der Betrag einer Differenz zwischen dem Wert der zweiten Messkapazität und dem Wert der zweiten Referenzkapazität nicht mehr als 10%, insbesondere nicht mehr als 5% und bevorzugt nicht mehr als 2%, und besonders bevorzugt nicht mehr als 1% des Werts der größeren der beiden Kapazitäten beträgt.Differential pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein at the same pressurization of the two pressure chambers ( 28 ) is at a pressure of about 1 bar at room temperature, the value of the first measuring capacitance is substantially equal to the value of the second measuring capacitance, wherein the first reference electrode ( 25b ) opposite the measuring membrane layer ( 10 ) has a first reference capacitance, the second reference electrode being opposite the measuring membrane layer ( 10 ) has a second reference capacity, wherein upon isostatic pressurization of the two pressure chambers ( 28 ) at a pressure of about 1 bar at room temperature, the amount of a difference between the value of the first measuring capacity and the value of the first reference capacity not more than 10%, in particular not more than 5% and preferably not more than 2%, and most preferably not is more than 1% of the value of the larger of the two capacitances, and / or the amount of a difference between the value of the second measuring capacitance and the value of the second reference capacitance is not more than 10%, in particular not more than 5% and preferably not more than 2 %, and more preferably not more than 1% of the value of the larger of the two capacities. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Gegenkörper (20) und/oder der zweite Gegenkörper (20) Stützstellen (27) aufweisen, an welchem der Membranbereich (12) im Falle einer einseitigen Überlast zumindest teilweise anliegt, wobei die Stützstellen (10) positionsabhängige Höhen h gegenüber einer Referenzebene aufweisen an der das Zentrum des Messmembranbereichs (12) im Falle einer einseitigen Überlast anliegt, und die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die Messmembranschicht aufgespannt ist.Differential pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the first counter-body ( 20 ) and / or the second counter body ( 20 ) Support points ( 27 ), on which the membrane region ( 12 ) is at least partially applied in the case of a one-sided overload, the interpolation points ( 10 ) have position-dependent heights h with respect to a reference plane at which the center of the measuring membrane region ( 12 ) in the case of a one-sided overload, and which is parallel to a plane defined by the measuring membrane layer. Differenzdrucksensor nach Anspruch 8, wobei die Stützstellen (27) durch Ätzen, insbesondere isotropes Ätzen in der ersten isolierenden Schicht (26) präpariert sind.Differential pressure sensor according to claim 8, wherein the interpolation points ( 27 ) by etching, in particular isotropic etching in the first insulating layer ( 26 ) are prepared. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gegenkörper jeweils eine Schichtstruktur mit einer ersten leitfähigen Schicht (25) und einer zweiten leitfähigen Schicht (23) aufweisen, die durch eine isolierende Trennschicht (24) voneinander getrennt sind, wobei die erste leitfähige Schicht (25) der Messmembranschicht (10) zugewandt ist und die Messelektrode (25a) und Referenzelektrode (25b) aufweist, wobei die erste leitfähige Schicht (25) insbesondere polykristallines Silizium aufweist.Differential pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the counter-bodies each have a layer structure with a first conductive layer ( 25 ) and a second conductive layer ( 23 ), which by an insulating separation layer ( 24 ), wherein the first conductive layer ( 25 ) of the measuring membrane layer ( 10 ) and the measuring electrode ( 25a ) and reference electrode ( 25b ), wherein the first conductive layer ( 25 ) in particular polycrystalline silicon. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messelektroden (25a) jeweils von einer Referenzelektrode (25b) durch einen ersten Graben getrennt sind, der sich durch die erste leitfähige Schicht (25) bis zur isolierenden Trennschicht (24) erstreckt. wobei der erste Graben insbesondere eine Breite aufweist, die mindestens das 20-fache vorzugsweise mindestens das 40-fache und besonders mindestens das 80-fache des Abstands zwischen der Messelektrode (25a) und der Messmembranschicht (10) in der Ruhelage des Membranbereichs (12) beträgt.Differential pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the measuring electrodes ( 25a ) each of a reference electrode ( 25b ) are separated by a first trench which extends through the first conductive layer ( 25 ) to the insulating release layer ( 24 ). wherein the first trench has in particular a width which is at least 20 times, preferably at least 40 times and especially at least 80 times, the distance between the measuring electrode ( 25a ) and the measuring membrane layer ( 10 ) in the rest position of the membrane area ( 12 ) is. Differenzdrucksensor nach Anspruch 11, wobei die Referenzelektroden (25b) jeweils durch einen zweiten Graben von einem Randbereich (25c) der ersten leitfähigen Schicht getrennt sind.Differential pressure sensor according to claim 11, wherein the reference electrodes ( 25b ) each by a second trench from an edge region ( 25c ) of the first conductive layer are separated. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der auslenkbare Membranbereich (12) einen Durchmesser aufweist, der mindestens das 200-fache, insbesondere mindestens das 800-fache und bevorzugt mindestens das 1500-fache des Abstands zwischen der Messmembranschicht (10) in der Ruhelage des Membranbereichs (12) und der Messelektrode (25a) beträgt.Differential pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the deflectable membrane region ( 12 ) has a diameter which is at least 200 times, in particular at least 800 times, and preferably at least 1500 times, the distance between the measuring membrane layer ( 10 ) in the rest position of the membrane area ( 12 ) and the measuring electrode ( 25a ) is. Differenzdrucksensor nach Anspruch 11, wobei die isolierenden Trennschichten jeweils eine Stärke aufweisen, die nicht weniger als die Stärke der ersten bzw. zweiten isolierenden Schicht beträgt, wobei die Stärke der isolierenden Trennschichten insbesondere nicht weniger als das Doppelte, vorzugsweise nicht weniger als das Dreifache der ersten bzw. zweiten isolierenden Schicht beträgt.The differential pressure sensor according to claim 11, wherein the insulating separation layers each have a thickness not less than the thickness of the first and second insulating layers, respectively, the thickness of the insulating separation layers being not less than twice, preferably not less than three times that of the first or second insulating layer. Differenzdrucksensor nach Anspruch 10, oder einem von Anspruch 10 abhängigen Anspruch, wobei die Messelektroden und die Referenzelektroden jeweils mindestens eine der Messmembranschicht abgewandte Kontaktierungsfläche aufweisen, die durch eine Öffnung (30, 32) in der zweiten leitfähigen Schicht und der isolierenden Trennschicht zugänglich ist.Differential pressure sensor according to claim 10, or claim dependent on claim 10, wherein the measuring electrodes and the reference electrodes each have at least one of the measuring membrane layer facing away from the contacting surface through an opening ( 30 . 32 ) is accessible in the second conductive layer and the insulating release layer.
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