DE102016120674A1

DE102016120674A1 - Druckmesszelle

Info

Publication number: DE102016120674A1
Application number: DE102016120674.1A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Duotec GmbH
Priority date: 2016-10-28
Filing date: 2016-10-28
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle mit einem Druckmesselement (2) aus Silizium, das mit einem glasartigen Verbindungsmittel (10) mit einer Breitseite (1') eines Trägers (1) aus Cordierit verbunden ist und dabei eine Mündung (11') einer Durchgangsöffnung (11) durch den Träger (1) verschließt, damit eine Druckänderung auf der anderen Seite des Trägers (1) ein Biegeelement (5) des Druckmesselementes (2) verformen kann. Das Druckmesselement als mikroelektromechanisches System (2) ausgebildet und das Verbindungsmittel (10) ist ein Glaslot. Der Querschnitt der außermittig des einen kreisförmigen Grundriss aufweisenden Trägers (1) angeordneten Durchgangsbohrung (11) soll sich ausgehend von der vom Druckmesselement (2) verschlossenen Mündung (11') in Richtung auf die gegenüberliegende freie Mündung (11") der Durchgangsbohrung (11) vergrößern.

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle mit einem Druckmesselement aus Silizium, das mit einem glasartigen Verbindungsmittel mit einer Breitseite eines Trägers aus Cordierit verbunden ist und dabei eine Mündung einer Durchgangsöffnung durch den Träger verschließt, damit eine Druckänderung auf der anderen Seite des Trägers ein Biegeelement des Druckmesselementes verformen kann.
Die Erfindung betrifft weiter eine Druckmesszelle mit einem Druckmesselement, das eine Mündung einer Durchgangsbohrung durch einen keramischen Träger verschließend mit einer Breitseite des Trägers verbunden ist.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Drucksensor mit einem Gehäuse, einem elektrischen Anschluss, einem Prozessanschluss und eine Druckmesszelle.
Stand der Technik
Ein Drucksensor mit einer Druckmesszelle der vorbezeichneten Art wird in der EP 0 676 628 B1 beschrieben. In einem Gehäuse mit einem Prozessanschluss in Form eines Zylinderstutzens befindet sich eine Höhlung. In der Höhlung erstreckt sich eine Spannungsisolierplatte aus Cordierit, welche eine Durchgangsöffnung aufweist und einen Träger ausbildet, auf dem eine Sensorplatte aus Silizium mit einem Blei-Boratglas-Kleber aufgeklebt ist. Bei einer Änderung des Umgebungsdrucks kann sich die Sensorplatte verbiegen. Die Sensorplatte besitzt ein piezzoelektrisches Netzwerk, das in der Lage ist, in der Art eines Dehnungsmessstreifens die Verformung der Sensorplatte in elektrische Signale umzuwandeln, die von einer Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignales ausgewertet werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Druckmesszelle bzw. einen gattungsgemäßen Drucksensor gebrauchsvorteilhaft und herstellungstechnisch zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der nebengeordneten Ansprüche, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe sind.
Die erfindungsgemäße Druckmesszelle besteht im Wesentlichen aus drei Elementen, nämlich einem keramischen, insbesondere aus einer Silikat-Keramik bestehenden Träger, der die Eigenschaft eines Grundkörpers aufweist, einem Druckmesselement, welches elektrisch auswertbare Signale liefert, wenn sich der Umgebungsdruck ändert oder wenn ein Differenzdruck entsteht und einem geeigneten Verbindungsmittel, mit dem das Druckmesselement mit dem Träger verbunden ist, wobei das Verbindungsmittel das Druckmesselement derart mit dem Träger verbindet, dass das Druckmesselement eine Mündung einer Durchgangsöffnung des Trägers druckdicht verschließt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden Maßnahmen vorgeschlagen, mit denen weitestgehend vermieden wird, dass Temperaturänderungen der Druckmesszelle die vom Druckmesselement gelieferten elektrischen Signale verfälschen. Hierzu wird vorgeschlagen, dass der Werkstoff des Druckmesselementes und der Werkstoff des Trägers einen ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, wobei sich die beiden Temperaturausdehnungskoeffizienten maximal um 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 %, 2 % oder 1 %, unterscheiden sollen. Dies hat zur Folge, dass sich bei einer Temperaturänderung in der Druckmesszelle keine mechanischen Spannungen aufbauen, die zu einer ungewollten Verbiegung eines Biegeelementes des Druckmesselementes führen. In einer bevorzugten Weiterbildung wird ein glasartiges Verbindungsmittel gewählt, welches ebenfalls einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, der zum Temperaturausdehnungskoeffizienten des Druckmesselements ähnlich ist, und sich maximal um 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 %, 2 % oder 1 %, von dessen Temperaturausdehnungskoeffizienten unterscheidet. Es wird vorgeschlagen, dass der Träger aus Cordierit besteht, insbesondere aus einem monolithischen Cordierit. Das Druckmesselement soll ausschließlich in Siliziumtechnik hergestellt werden und ist gemäß einem Aspekt der Erfindung als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet. Ein erfindungsgemäßes Druckmesselement umfasst eine Sensorkomponente, bei der es sich um ein sich mechanisch verformbares Biegeelement handeln kann. Das Druckmesselement besitzt darüber hinaus Verformungsdetektionselemente, deren elektrische Eigenschaften sich bei der mechanischen Verformung des Biegeelementes ändern. Darüber hinaus kann das Druckmesselement eine elektronische Schaltung für eine Signalverarbeitung und eine Signalübertragung aufweisen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass sämtliche elektrische oder mechanische Komponenten des Druckmesselementes monolithisch auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht sind. So können aktive und/oder passive Bauelemente in der herkömmlichen Siliziumtechnologie hergestellt werden, bspw. durch laterale Maskierung des Substrates und Eindiffusion von Dotierstoffen in das Siliziummaterial. Ferner ist vorgesehen, dass Bestandteile des Druckmesselementes im Wege des Waferbondings miteinander verbunden sind. Es ist aber auch vorgesehen, dass epitaktisch ein Schichtsystem auf dem Substrat abgeschieden wird, wobei einzelne Schichten verschiedene elektrische und/oder mechanische Funktionen ausüben, insbesondere die Funktion eines Biegeelementes oder die Funktion eines Verformungsdetektionselementes. Bei den Verformungsdetektionselementen kann es sich um dehnungsmessstreifenartige Strukturen, bspw. Widerstandsstrukturen, handeln. Es kann sich dabei aber auch um metallisierte Flächen handeln, wenn der Drucksensor bspw. nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet. Das Biegeelement bildet bevorzugt eine Membran aus, die sich bei einer Druckdifferenz verbiegt. Das Verformungsdetektionselement kann aber auch ein p-n-Übergang sein. Das Druckmesselement kann Abschnitte aus Polysilizium oder einkristallinem Silizium aufweisen. Es ist ferner vorgesehen, dass das Druckmesselement Abschnitte aus isolierendem Siliziumoxid aufweist, Widerstandsstrukturen, die aufgrund eines piezzoelektrischen Effektes ihren Widerstand ändern, Feldeffekt-Transistorstrukturen, Bipolar-Transistorstrukturen und/oder integrierte elektrische Schaltungselemente miteinander verbindende leitende Strukturen aufweist. Das Druckmesselement kann eine Höhlung aufweisen. Die Höhlung erstreckt sich bevorzugt innerhalb eines Siliziumsubstrates. Die Höhlung besitzt einen Boden, der von dem Biegeelement ausgebildet ist. Die Höhlung des Druckmesselementes kann einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist, als der Mündungsdurchmesser der Durchgangsbohrung des Trägers. Einen weiteren Aspekt der Erfindung betrifft das Verbindungsmittel, mit dem das Druckmesselement mit dem Träger verbunden ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbindungsmittel um ein glasartiges Verbindungsmittel, das ausschließlich anorganische Bestandteile aufweist. Es handelt sich um eine Paste, die im Siebdruckverfahren auf eine ebene Breitseite des Trägers aufgebracht werden kann. Die Paste wird bspw. mit den bekannten Verfahren der Dickschicht-Technologie aufgebracht. Bei der Fertigung wird das Druckmesselement auf eine dünne, ringförmig die Mündung der Durchgangsöffnung umgebende Schicht aufgesetzt. Daran anschließend wird das so gefertigte Ensemble bei einer Temperatur zwischen 250 und 500°C oder bevorzugt zwischen 290 und 360°C bzw. 280 und 300°C gebrannt. Beim Brennen versintern die mineralischen Bestandteile und insbesondere Silikate miteinander. Es entsteht eine gebrannte Verbindungsschicht, die den monolithischen Keramikträger mit dem Druckmesselement, welches insbesondere aus Silizium bestehen kann, verbindet. Die Verbindung zwischen Druckmesselement und Träger ist insbesondere ein Glaslot-Bond-Verfahren, das einen hermetischen Verschluss der Trennfuge zwischen Messelement und Träger verwirklicht. Der Temperaturausdehnungskoeffizient des Glaslotes ist dem Temperaturausdehnungskoeffizient des Siliziums ähnlich. Das Glaslot kann elektrisch leitend oder elektrisch nicht leitend sein. Die Schichtdicke beträgt etwa 50 µm. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den Träger, der die Funktion eines Grundkörpers aufweist, und der eine Durchgangsbohrung aufweist, die auf einer Seite eine freie Mündung besitzt und die auf ihrer gegenüberliegenden Seite eine vom Druckmesselement verschlossene Mündung besitzt. Die Durchgangsbohrung soll außermittig des bevorzugt einen kreisrunden Grundriss aufweisenden Trägers angeordnet sein.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass sich die Durchgangsbohrung am Rande des Trägers befindet und besonders bevorzugt, dass der Abstand einer Achse der Durchgangsbohrung geringer vom Rand beabstandet ist, als vom Zentrum des Trägers, wobei die Achse bevorzugt parallel zur Achse des Trägers verläuft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Form der Durchgangsbohrung.
Die Durchgangsbohrung besitzt einen ersten Abschnitt, der sich unmittelbar an die Mündung anschließt, auf der das Druckmesselement sitzt, einen zweiten Abschnitt, der sich an den ersten Abschnitt in Richtung der Achse der Durchgangsbohrung anschließt, und einen dritten Abschnitt, der zwischen dem zweiten Abschnitt und der freien Mündung sich erstreckt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Durchmesser des ersten Abschnittes kleiner ist, als der Durchmesser des dritten Abschnittes und dass der zweite Abschnitt einem sich stetig vergrößernden Durchmesser aufweist. Es handelt sich bevorzugt um eine rotationssymmetrische Durchgangsbohrung, die in einem rotationssymmetrischen Träger exzentrisch angeordnet ist. Der erste Abschnitt der Durchgangsbohrung kann zylindrisch sein. Auch der dritte Abschnitt der Durchgangsbohrung kann zylindrisch sein. Der dazwischenliegende zweite Abschnitt kann die Form eines Hohlkegelstumpfes aufweisen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Durchmesser des Trägers im Bereich zwischen 7 und 40 mm liegt. Bevorzugt liegt der Durchmesser des Trägers im Bereich zwischen 7 und 12 mm. Die Dicke des Trägers kann im Bereich zwischen 1 und 5 mm liegen. Bevorzugt beträgt die Dicke 3 bis 5 mm. Der erste Abschnitt der Durchgangsbohrung kann eine axiale Länge zwischen 0,5 und 1 mm besitzen. Der Durchmesser des ersten Abschnitts beträgt bevorzugt 0,2 bis 0,4 mm und besonders bevorzugt 0,3 mm und ist geringfügig größer, als der Durchmesser der Höhlung des Druckmesselementes. Der Durchmesser des zweiten Abschnittes variiert mit seiner Erstreckungslänge. Der Durchmesser des dritten Abschnitts liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 2 mm und besonders bevorzugt bei etwa 1,5 mm und ist größer als der Durchmesser des ersten Abschnitts. Die axiale Länge des dritten Abschnittes beträgt bevorzugt 0,5 bis 1,5 mm. Die axiale Länge des zweiten Abschnittes ergibt sich aus der Materialstärke des Trägers abzüglich der axialen Länge des ersten und des dritten Abschnittes. Der Werkstoff, aus dem der Träger gefertigt ist, besteht bevorzugt aus einer Silikatkeramik und enthält insbesondere Al₂O₃, MgO und/oder SiO₂. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Werkstoff des Trägers um Cordierit und insbesondere um Cordierit C410 gemäß DIN-EN 60672. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Gestaltung der Breitseite des Trägers, auf welcher das Druckmesselement angeordnet ist. Dieses ist im Dickschicht-Verfahren ergänzend strukturiert und besitzt eine Auswerteschaltung, die wohl passive Bauteile als auch aktive Bauteile aufweist, die bevorzugt mittels eines Glaslotes mit dem Träger verbunden sind. Die Auswerteschaltung ist in der Lage, ein Standard-Ausgangssignal der Prozessmesstechnik zu liefern, bspw. einen analogen Strom von 4 bis 20 mA und/oder eine analoge Spannung im Bereich zwischen 0,5 und 10 V. Es ist aber auch vorgesehen, dass die Auswerteschaltung ein digitales Ausgangssignal liefert. Die auf der Breitseite des Trägers aufgebrachte Auswerteschaltung kann mit einer Kunststoffumspritzung gekapselt sein. Die Kunststoffumspritzung kapselt auch das Druckmesselement, welches bevorzugt von einem MEMS gebildet ist. Auf der Breitseite kann hierzu ein integrierter Schaltkreis angeordnet sein, der über Drahtbonden mit den ansonsten im Dickschichtverfahren aufgebrachten Leiterbahnen verbunden ist. Das Druckmesselement kann ebenfalls metallische Bond-Flächen aufweisen, die über Drahtbonden mit den Leiterbahnen verbunden sind. Das verwendete Glaslot kann bleifrei sein. Gold kann als Hilfsschicht für die Bildung eines Eutektikums verwendet werden. Die Bauelemente, die im Dickschicht-Verfahren oder anderweitig auf der Breitseite des Trägers aufgebracht sind, können Bauteile mit oder ohne einen p-n-Übergang sein. Die Glaslotpaste zur Ausbildung der Verbindung des Druckmesselementes mit dem Träger, zur Verbindung der Bauteile mit dem Träger und/oder für die elektrischen Leiterbahnen auf dem Träger können im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Die konische Durchgangsöffnung und insbesondere der Konusabschnitt, der bevorzugt einen Öffnungswinkel von 28 Grad aufweist, kann von einem Formkörper bei der Fertigung des keramischen Trägers gebildet werden. Es handelt sich dabei um einen entsprechend geformten Stift, um den der Grünling geformt wird. Das elektrische Signal, welches das Druckmesselement abgibt, wird bevorzugt durch den piezzoelektrischen Effekt erzeugt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Drucksensor, der ein Gehäuse aufweist. Das Gehäuse besitzt einen Prozessanschluss, der insbesondere ein Gewinde aufweist, an das ein Rohr oder ein anderweitiger Hohlkörper angeschlossen werden kann, dessen Innendruck gemessen werden soll. Das Gehäuse besitzt einen elektrischen Anschluss, bspw. in Form eines Steckverbindungselementes, in den ein Stecker eingesteckt werden kann. Hierzu ist ein Kontaktstift vorgesehen, der insbesondere aus einer Kunststoffumspritzung des Trägers und insbesondere der auf dem Träger angeordneten Auswerteschaltung nebst Druckmesselement herausragt. Über den elektrischen Anschluss kann eine Betriebsspannung an eine Druckmesszelle eingespeist werden, die sich innerhalb des Gehäuses befindet.
Ein Ausgangssignal der Druckmesszelle wird über den elektrischen Anschluss nach außen übertragen. Die Druckmesszelle besitzt eine O-Ring-Abdichtung gegenüber dem Gehäuse und insbesondere dem Prozessanschluss.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 in der Art eines Querschnitts eine Druckmesszelle, die im Bereich einer Öffnung eines angedeuteten Gehäuses 19 angeordnet ist,
2 vergrößert den Ausschnitt II in 1,
3 eine Draufsicht auf die Breitseite des Trägers, auf der ein mikroelektromechanisches System 2 angeordnet ist, mit symbolischen Schaltungsbestandteilen und
4 schematisch einen Drucksensor mit einer Druckmesszelle.

Beschreibung der Ausführungsformen
Die Druckmesszelle besitzt einen Träger 1. Der Träger 1 hat die Form einer flachen Kreisscheibe mit einem umfangsprofilierten Rand. Die Materialstärke e des Trägers 1 beträgt etwa 4 mm. Der Durchmesser des Trägers beträgt etwa 12 mm. Der Träger 1 besteht aus einem monolithischen Cordierit C410 und besitzt eine sich über den gesamten Umfang erstreckende Hinterschneidung 21 und im Bereich der Breitseite 1" eine Ringkehle 21 zur Aufnahme eines Dichtringes 20. Der Dichtring 20 kann sich auf einem Abschnitt eines Gehäuses 19 abstützen.
Der Buchstabe M bezeichnet eine Mittelachse des Trägers 1. Eine Durchgangsbohrung 11, die auf der Breitseite 1' eine Mündung 11' und auf der Breitseite 1" eine weitere Mündung 11" aufweist, ist außermittig der Mittelachse M angeordnet. Der Abstand der Achse der Durchgangsbohrung 11 von der Mittelachse M ist größer als der Abstand der Achse der Durchgangsbohrung 11 zum Rand des Trägers 1. Die Achse der Durchgangsbohrung 11 verläuft parallel zur Mittelachse M.
Im Bereich der ersten Mündung 11' in der Breitseite 1' bildet die Durchgangsbohrung 11 einen ersten Abschnitt 12, der zylinderartig verläuft und eine Länge von 0,8 mm und einen Durchmesser d2 von 0,3 mm aufweist.
An dem ersten Abschnitt 12 schließt sich ein zweiter Abschnitt 13 an, in dem sich der freie Durchmesser der Durchgangsöffnung 11 mit zunehmendem Abstand von der ersten Breitseite 1' stetig vergrößert. Es handelt sich um eine kegelförmige Höhlung mit einem Öffnungswinkel der Kegelfläche von 28°. An den zweiten Abschnitt 12 schließt sich ein dritter Abschnitt 14 an, der wiederum zylindrisch ist und einen Durchmesser d3 von 1,5 mm aufweist. Die axiale Länge des dritten Abschnitts 14 beträgt etwa 1 mm.
Der dritte Abschnitt 14 ist zur freien zweiten Breitseite 1" hin offen. Der erste Abschnitt 12 wird von einem Druckmesselement 2 verschlossen.
Das Druckmesselement 2 wird von einem mikroelektromechanischen System MEMS ausgebildet, welches ein Siliziumsubstrat 3, eine auf das Siliziumsubstrat 3 abgeschiedene Schicht 4 und ein oberhalb der Schicht 4 angeordnetes Biegeelement 5 aus Silizium aufweisen kann. Mit der Bezugsziffer 6 ist ein elektronisches Element angedeutet, welches sich bei einer Verbiegung des Biegeelementes 5 aufgrund der Änderung eines Drucks hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften (Leitwert, Spannung eines pn-Übergangs o. dgl.) verändert. Es kann sich um ein piezzoelektrisches Element handeln. Mehrere Elemente, insbesondere piezzoelektrische Elemente können von einer integrierten Brückenschaltung gebildet werden.
Das mikroelektromechanische System 2 ist mittels eines Glaslotes 10 mit der Breitseite 1' des Trägers 1 verbunden, wobei sich eine kreisrunde, die Mündung 11' umgebende Verbindungsfläche ausbildet. Der Durchmesser d1 einer Höhlung 7 im Siliziumsubstrat 3 beträgt etwa 0,24 mm. Über die Höhlung 7, an die sich die Durchgangsöffnung 11 anschließt, ist das Biegeelement 5 mit der Außenumgebung druckverbunden. Bei dem Glaslot 10 handelt es sich um ein anorganisches Verbindungsmittel, das bei Betrieb der Druckmesszelle keine flüchtigen Bestandteile abgibt oder vom Medium organische Bestandteile aufnimmt.
Auf der Breitseite 1' befindet sich eine in der 3 angedeutete Struktur, die im Dickschichtverfahren aufgebracht ist. Es handelt sich insbesondere um Leiterbahnen 15 und mit den Leiterbahnen 15 verbundene elektronische Bauelemente 9. Die Bezugsziffer 8 zeigt Kontaktflächen, an denen Kontaktstifte 25 angelötet sein können. Mit der Bezugsziffer 17 ist ein integrierter Schaltkreis dargestellt, der mit der Drahtbondtechnik mit den Leiterbahnen 15 verbunden ist.
Kontaktflächen 8 des Druckmesselementes 2 sind ebenfalls mittels Drahtbonden mit den Leiterbahnen 15 aus einem Glaslot verbunden.
Der integrierte Schaltkreis 17 beinhaltet eine Auswerteschaltung, die die vom Druckmesselement 2 gelieferten elektrischen Signale in Standardausgangswerte umwandelt.
Die auf der Breitseite 1' aufgebrachte elektrische Schaltung inklusive des mikroelektromechanischen Systems 2 ist von einer Kunststoffmasse 16 umgeben. Es kann sich dabei um eine Vergussmasse oder um eine Umspritzung handeln. Eine formschlüssige Verbindung der Kunststoffmasse mit dem Träger 1 wird durch die Hinterschneidung 21 erreicht, in die die Kunststoffmasse eingreift.
Die 4 zeigt, dass aus der Kunststoffmasse 16 Anschlusskontaktstifte 25 herausragen. Die Anschlusskontaktstifte 25 ragen in einen elektrischen Anschluss 23, auf den ein elektrischer Stecker mit einem Verbindungskabel aufgeschraubt werden kann.
Auf der dem elektrischen Anschluss 23 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 19 befindet sich ein Prozessanschluss 24, der an einen Behälter angeschraubt werden kann, dessen Druck gemessen werden soll. Die Durchgangsöffnung 11 öffnet sich zum Prozessanschluss 24. Der elektrische Anschluss 23 kann aber auch an einer anderen Stelle, bspw. an einer Seite des Gehäuses 19, angeordnet sein. Der Prozessanschluss 24 kann auch andere, insbesondere Standardformen besitzen.
Die erfindungsgemäße Druckmesszelle ist insbesondere für Drucke im Bereich zwischen 40 und 60 bar geeignet. Es ist von Vorteil, wenn die Durchgangsöffnung 11 eine geradlinige Verlängerung der Höhlung 7 ist und sich der Durchmesser des so gebildeten Doppelhohlkörpers stetig vergrößert. Die Durchgangsöffnung 11 ist somit direkt auf das Biegeelement 5 gerichtet, welches als Siliziummembran eines mikroelektromechanischen Systems ausgebildet ist. Die Höhlung 7 kann einen kreisrunden Querschnitt aufweisen und koaxial zur Durchgangsöffnung 11 angeordnet sein.
Es wird ferner als vorteilhaft angesehen, dass das zu messende Medium ausschließlich Kontakt zu dem Träger 1 und dem aus Silizium bestehenden Druckmesselement 2 sowie dem Glaslot 10 besitzt. Der Träger 1 ist bevorzugt im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und ist somit in einfacher Weise einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Prozessanschluss 24 zuordbar.
Es wird ferner als vorteilhaft angesehen, wenn die elektronischen Elemente, mit denen die Verformung des Biegeelementes 5 bestimmt werden können, als verschaltete Messbrücken ausgebildet sind oder als Piezzoelemente.
Die auf der Breitseite 1'angeordnete, insbesondere in der Dickschichttechnik, insbesondere im Siebdruckverfahren aufgebrachte elektrische Schaltung kann mit mindestens einem passiven Bauelement und/oder mindestens einem elektronischen Bauelement, d.h. einem Bauelement mit mindestens einem pn-Übergang bestückt werden. Bei dem integrierten Schaltkreis kann es sich um einen Schaltkreis handeln, der ein Sensordifferenzsignal von einer Brückenmessschaltung des Druckmesselementes 2 auswertet. Es kann als Standardausgangssignal einen Strom oder eine Spannung liefern. Neben einem analogen Signal kann auch ein digitales Ausgangssignal ausgegeben werden. Es kann sich um einen Nacktchip handeln, der mit der Nacktchip-Bond-Technik mit den Leiterbahnen verbunden ist. Es kann sich dabei um eine Dünndraht-Verbindung handeln. Die Verbindung des mikroelektromechanischen Systems 2 bzw. des integrierten Schaltkreises 17 mit der Breitseite 1' kann durch eutektisches Bonden als bleifreie Alternative zur Dickschicht-Glaslot-Verbindung hergestellt werden. Gold kann als Hilfsschicht für die Bildung der Eutektika verwendet werden. Die in der Dickschichttechnik aufgebrachten Strukturen können Blei enthalten. Es können aber auch bleifreie Glaslote verwendet werden.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, nämlich:
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckmesselement als mikroelektromechanisches System 2 ausgebildet ist und das Verbindungsmittel 10 ein Glaslot ist.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das mikroelektromechanische System 2 auf einem Siliziumsubstrat 3 monolithisch aufgebrachte elektrische und mechanische Komponenten aufweist, beinhaltend ein bei Änderung des Umgebungsdrucks sich mechanisch verformendes Biegeelement 5, ein oder mehrere Verformungsdetektionselemente 6, deren elektrische Eigenschaften sich bei der mechanischen Verformung des Biegeelementes 5 ändern.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers 1, des Druckmesselementes 2 und der glasartigen Verbindung 10 einander ähnlich sind und insbesondere sich um maximal 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 oder 2 Prozent voneinander unterscheiden.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Durchgangsbohrung 11 außermittig des einen kreisförmigen Grundriss aufweisenden Trägers 1 angeordnet ist.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sich der Querschnitt der Durchgangsbohrung 11 ausgehend von der vom Druckmesselement 2 verschlossenen Mündung 11' in Richtung auf die gegenüberliegende freie Mündung 11" der Durchgangsbohrung 11 vergrößert.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Durchgangsbohrung 11 einen ersten, sich an die vom Druckmesselement 2 verschlossene Mündung 11' anschließenden Abschnitt 12 aufweist, der im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist und insbesondere einen Durchmesser von 0,2 bis 0,4 mm aufweist und insbesondere eine Länge von 0,5 bis 1 mm besitzt.
Eine Druckmesszelle, die gekennzeichnet ist durch einen zweiten, sich an den ersten Abschnitt 12 anschließenden Abschnitt 13, der einen sich in Erstreckungsrichtung stetig vergrößerten Querschnitt aufweist und insbesondere die Form eines Hohlkegelstumpfes aufweist.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Durchgangsbohrung 11 einen dritten Abschnitt 14 aufweist, der sich an die freie Mündung 11" anschließt und einen zylinderförmigen Querschnitt aufweist, wobei der dritte Abschnitt insbesondere einen Durchmesser von 1 bis 2 mm aufweist, der größer ist, als der Durchmesser des ersten Abschnitts und eine Länge von 0,5 bis 1,5 mm besitzt.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Dicke des Trägers 1 im Bereich zwischen 1 bis 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 5 mm liegt.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Durchmesser des Trägers 1 in einem Bereich von 7 bis 40 mm, bevorzugt in einem Bereich von 7 bis 15 mm, liegt.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Träger 1 Bestandteile aus zumindest Al₂O₃, MgO und/oder SiO₂ besitzt.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der das Druckmesselement 2 tragenden Breitseite 1' eine Auswerteschaltung angeordnet ist, wobei zumindest einige der Bauelemente 9 der Auswerteschaltung mit einem Glaslot auf der Breitseite 1' befestigt sind und die Auswerteschaltung von einem Glaslot ausgebildete Leiterbahnen 5 aufweist.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Glaslot bei 200 bis 500°C, bevorzugt bei 290 bis 360°C oder bei 280° bis 300°C gebrannt ist und eine eutektische Verbindung mit dem Träger 1 bzw. mit dem Druckmesselement 2 eingeht und insbesondere nicht elastisch und rein anorganisch ist.
Eine Druckmesszelle, die gekennzeichnet ist durch mit der Auswerteschaltung verbundene Anschlusskontakte 25, die insbesondere eine Kunststoffumspritzung 16 der Breitseite 1' durchragen.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckmesselement 2 eine Höhlung 7 aufweist, welche sich insbesondere in einem Siliziumsubstrat 3 erstreckt und von einer Schicht 4 und/oder des Biegeelementes 5 verschlossen ist.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine von Druckmesselement 2 ausgebildete Höhlung 7 einen Durchmesser d1 besitzt, der kleiner ist, als der kleinste Durchmesser d2 der Durchgangsöffnung 11.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das glasartige Verbindungsmittel 10 die Mündung 11' ununterbrochen umgibt.
Eine Druckmesszelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckmesselement 2 eine integrierte Dehnungsmessbrücke aufweist.
Eine Drucksensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Druckmesszelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Eine Drucksensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die vom Druckmesselement 2 wegweisende freie Mündung 11" der Durchgangsöffnung 11 sich in einer Breitseite 1" erstreckt, deren Rand sich unter Zwischenlage eines O-Rings 20 am Gehäuse 19 abstützt.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Träger
1': Breitseite
1": Breitseite
2: mikroelektromechanisches System/Druckmesselement
3: Siliziumsubstrat
4: Schicht
5: Biegeelement
6: elektronisches Element, Verformungsdetektionselement
7: Höhlung
8: Kontaktfläche
9: elektrisches Bauelement
10: Glaslot/Verbindungsmittel
11: Durchgangsöffnung
11': verschlossene Mündung
11": freie Mündung
12: erster Abschnitt
13: zweiter Abschnitt
14: dritter Abschnitt
15: Glaslot/Leiterbahn
16: Umspritzung, Kunststoffmasse
17: IC, Schaltkreis
18: Anschlusskontakt
19: Gehäuse
20: Dichtring/O-Ring
21: Hinterschneidung, Ringkehle
22: Kehle
23: elektrischer Anschluss
24: Prozessanschluss
25: Kontaktstift/Anschlusskontakt
d1: Durchmesser
d2: Durchmesser
d3: Durchmesser
e: Materialstärke
M: Mittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0676628 B1 [0004]

Claims

Druckmesszelle mit einem Druckmesselement (2) aus Silizium, das mit einem glasartigen Verbindungsmittel (10) mit einer Breitseite (1') eines Trägers (1) aus Cordierit verbunden ist und dabei eine Mündung (11') einer Durchgangsöffnung (11) durch den Träger (1) verschließt, damit eine Druckänderung auf der anderen Seite des Trägers (1) ein Biegeelement (5) des Druckmesselementes (2) verformen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement als mikroelektromechanisches System (2) ausgebildet ist und das Verbindungsmittel (10) ein Glaslot ist.
Druckmesszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroelektromechanische System (2) auf einem Siliziumsubstrat (3) monolithisch aufgebrachte elektrische und mechanische Komponenten aufweist, beinhaltend ein bei Änderung des Umgebungsdrucks sich mechanisch verformendes Biegeelement (5), ein oder mehrere Verformungsdetektionselemente (6), deren elektrische Eigenschaften sich bei der mechanischen Verformung des Biegeelementes (5) ändern.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers (1), des Druckmesselementes (2) und der glasartigen Verbindung (10) einander ähnlich sind und insbesondere sich um maximal 10 Prozent, bevorzugt maximal 5 oder 2 Prozent voneinander unterscheiden.
Druckmesszelle mit einem Druckmesselement (2), das eine Mündung (11') einer Durchgangsbohrung (11) durch einen keramischen Träger (1) verschließend mit einer Breitseite (1') des Trägers (1) verbunden ist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (11) außermittig des einen kreisförmigen Grundriss aufweisenden Trägers (1) angeordnet ist.
Druckmesszelle mit einem Druckmesselement (2), das eine Mündung (11') einer Durchgangsbohrung (11) durch einen keramischen Träger (1) verschließend mit einer Breitseite (1') des Trägers (1) verbunden ist, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Durchgangsbohrung (11) ausgehend von der vom Druckmesselement (2) verschlossenen Mündung (11') in Richtung auf die gegenüberliegende freie Mündung (11") der Durchgangsbohrung (11) vergrößert.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (11) einen ersten, sich an die vom Druckmesselement (2) verschlossene Mündung (11') anschließenden Abschnitt (12) aufweist, der im Wesentlichen zylindrisch gestaltet ist und insbesondere einen Durchmesser von 0,2 bis 0,4 mm aufweist und insbesondere eine Länge von 0,5 bis 1 mm besitzt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiten, sich an den ersten Abschnitt (12) anschließenden Abschnitt (13), der einen sich in Erstreckungsrichtung stetig vergrößerten Querschnitt aufweist und insbesondere die Form eines Hohlkegelstumpfes aufweist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (11) einen dritten Abschnitt (14) aufweist, der sich an die freie Mündung (11") anschließt und einen zylinderförmigen Querschnitt aufweist, wobei der dritte Abschnitt insbesondere einen Durchmesser von 1 bis 2 mm aufweist, der größer ist, als der Durchmesser des ersten Abschnitts und eine Länge von 0,5 bis 1,5 mm besitzt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Trägers (1) im Bereich zwischen 1 bis 5 mm, bevorzugt im Bereich zwischen 3 und 5 mm liegt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Trägers (1) in einem Bereich von 7 bis 40 mm, bevorzugt in einem Bereich von 7 bis 15 mm, liegt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (1) Bestandteile aus zumindest Al₂O₃, MgO und/oder SiO₂ besitzt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der das Druckmesselement (2) tragenden Breitseite (1') eine Auswerteschaltung angeordnet ist, wobei zumindest einige der Bauelemente (9) der Auswerteschaltung mit einem Glaslot auf der Breitseite (1') befestigt sind und die Auswerteschaltung von einem Glaslot ausgebildete Leiterbahnen (15) aufweist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaslot bei 200 bis 500°C, bevorzugt bei 290 bis 360°C oder bei 280° bis 300°C gebrannt ist und eine eutektische Verbindung mit dem Träger (1) bzw. mit dem Druckmesselement (2) eingeht und insbesondere nicht elastisch und rein anorganisch ist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mit der Auswerteschaltung verbundene Anschlusskontakte (25), die insbesondere eine Kunststoffumspritzung (16) der Breitseite (1') durchragen.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement (2) eine Höhlung (7) aufweist, welche sich insbesondere in einem Siliziumsubstrat (3) erstreckt und von einer Schicht (4) und/oder des Biegeelementes (5) verschlossen ist.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von Druckmesselement (2) ausgebildete Höhlung (7) einen Durchmesser (d1) besitzt, der kleiner ist, als der kleinste Durchmesser (d2) der Durchgangsöffnung (11).
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das glasartige Verbindungsmittel (10) die Mündung (11') ununterbrochen umgibt.
Druckmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmesselement (2) eine integrierte Dehnungsmessbrücke aufweist.
Drucksensor mit einem Gehäuse (19), einem elektrischen Anschluss (23), einem Prozessanschluss (24) und eine Druckmesszelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Drucksensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Druckmesselement (2) wegweisende freie Mündung (11") der Durchgangsöffnung (11) sich in einer Breitseite (1") erstreckt, deren Rand sich unter Zwischenlage eines O-Rings (20) am Gehäuse (19) abstützt.
Druckmesszelle oder Drucksensor, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.