DE102017109971A1 - Drucksensor - Google Patents

Abstract

Es ist ein Drucksensor 1 beschrieben, der eine zwischen einem ersten Grundkörper (1) und einem zweiten Grundkörper (3) angeordnete Messmembran (5) umfasst, dessen Grundkörper (1, 3) jeweils einen äußeren Grundkörperrand (7) umfassen, der eine in dem jeweiligen Grundkörper (1, 3) unter der Messmembran (5) eingeschlossene Druckkammer (9, 11) außenseitlich allseitig umgibt und mit einem äußeren Membranrand (13) der Messmembran (5) über eine Fügung (15) verbunden ist, der einen durch den ersten Grundkörper (1) hindurch führenden Druckkanal (17) umfasst, über den die im ersten Grundkörper (1) eingeschlossene Druckkammer (9) mit einem ersten Druck (p, p) beaufschlagbar ist, und dessen Membranrand (13) eine Schichtdicke aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Membranstärke eines von dem Membranrand (13) außenseitlich allseitig umgebenen, im Wesentlichen scheibenförmigen, durch einen darauf einwirkenden Druck durchbiegbaren inneren Membranbereichs (19) ist. Erfindungsgemäß wird die Einsatzdauer, über die hinweg der Drucksensor betrieben werden kann dadurch vergrößert, dass die Messmembran (5) auf deren dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite in einem an eine Innenkante (21) der den ersten Grundkörper (1) mit dem Membranrand (13) verbindenden Fügung (15) angrenzenden Membranbereich eine erste Einkerbung (23) aufweist, die außenseitlich allseitig von dem Membranrand (13) umgeben ist und den inneren Membranbereich (13) außenseitlich allseitig umgibt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor,
• - der eine zwischen einem ersten Grundkörper und einem zweiten Grundkörper angeordnete Messmembran umfasst,
• - dessen Grundkörper jeweils einen äußeren Grundkörperrand umfassen, der eine in dem jeweiligen Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossene Druckkammer außenseitlich allseitig umgibt und mit einem äußeren Membranrand der Messmembran über eine Fügung verbunden ist,
• - der einen durch den ersten Grundkörper hindurch führenden Druckkanal umfasst, über den die im ersten Grundkörper eingeschlossene Druckkammer mit einem Druck beaufschlagbar ist, und
• - dessen Membranrand eine Schichtdicke aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Membranstärke eines von dem Membranrand außenseitlich allseitig umgebenen, im Wesentlichen scheibenförmigen, durch einen darauf einwirkenden Druck durchbiegbaren inneren Membranbereichs ist.
• Drucksensoren dieser Art werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
• Sie umfassen unter anderem als Mikro-Elektromechanische Systeme ausgebildete Sensoren, die regelmäßig unter Verwendung von in der Halbleitertechnologie üblichen Verfahren, wie z.B. Ätzprozessen, Oxidationsverfahren, Implantationsverfahren, Bondverfahren und/oder Beschichtungsverfahren, unter Verwendung von ein oder mehrlagigen Wafern aus in der Halbleitertechnologie üblicher Weise verwendeten Werkstoffen, wie z.B. Silizium oder Werkstoffen auf Siliziumbasis, hergestellt werden. MEMS-Sensoren werden daher häufig auch als Sensor-Chips oder als Halbleiter-Sensoren bezeichnet.
• Ein die eingangs genannten Merkmale aufweisender, als Differenzdrucksensor ausgebildeter MEMS-Sensor ist beispielsweise in der DE 103 93 943 B3 beschrieben. Bei diesem Differenzdrucksensor ist die im zweiten Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossene Druckkammer über einen durch den zweiten Grundkörper hindurch führenden Druckkanal mit einem zweiten Druck beaufschlagbar. Entsprechend führt die Druckbeaufschlagung der Messmembran im Messbetrieb zu einer von dem der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck entsprechenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der hier insgesamt scheibenförmigen Messmembran.
• Aufgrund der Einspannung der Messmembran zwischen den äußeren Grundkörperrändern der beiden Grundkörper bilden sich bei jeder differenzdruck-abhängigen Durchbiegung der Messmembran in einem unmittelbar an die Innenkanten der Fügungen angrenzenden Bereich Spannungsmaxima aus. Dabei entstehen Kerbspannungen die eine Kerbwirkung im Bereich der Innenkannten der Fügungen verursachen. Außerdem führt die auch in dem an die Fügungen angrenzenden Bereich gegebene druckabhängige Verformbarkeit der scheibenförmigen Messmembran dazu, dass jede Auslenkung der Messmembran Zug- und Scherkräfte auf die Innenkanten jeweils einer der beiden Fügungen ausübt. Fügungen weisen gegenüber auf deren Innenkanten einwirkenden Zug- und Scherbelastungen eine deutlich geringere Beständigkeit auf als gegenüber senkrecht zur Fügefläche gerichteten Belastungen, die über die gesamte Fügefläche der Fügung verteilt wirken. Insofern stellen insbesondere, z.B. durch eine Fehlbedienung verursachte, einseitige Überlasten, bei denen eine Seite der Messmembran mit einem hohen Druck beaufschlagt wird, dem kein auf die gegenüberliegende Seite der Messmembran einwirkender Gegendruck entgegenwirkt, eine extreme Belastung der Innenkanten der Fügungen dar.
• Immer wieder kehrend auf die Fügungen ausgeübte Kerbwirkungen und/oder Zug- und Scherkräfte können auf Dauer zu einer fortschreitenden häufig auch als Delamination bezeichneten Ablösung der Grundkörperränder vom Membranrand führen. Darüber hinaus können sie dazu führen, dass sich in den Fügepartnern Risse bilden, die mit der Zeit anwachsen, oder dass in den Fügepartnern bereits bestehende Mikrorisse mit der Zeit vergrößert werden. Diese nachteiligen Auswirkungen führen zu einer mit der Zeit zu immer größer werdenden Veränderungen der Messeigenschaften und einer zunehmenden Reduktion der Berstfestigkeit und der Überlastfestigkeit des Drucksensors und begrenzen somit die maximale Einsatzdauer über die hinweg der Drucksensor eingesetzt werden kann.
• Den vorgenannten Problemen kann auf die in der am 19.11.2015 eingereichten Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102015120074.0 beschriebene Weise dadurch entgegengewirkt werden, dass der äußere zwischen den Grundkörperrändern der beiden Grundkörper eingespannte Membranrand der Messmembran als biegesteifer Rand ausgebildet wird. Über den starren Membranrand werden durch die Druckbeaufschlagung der Messmembran auf die Fügungen ausgeübte Zug- oder Scherbelastungen weitgehend vermieden.
• Nachteilig ist jedoch die zur Erzielung der Biegesteifigkeit erforderliche hohe Schichtdicke des Membranrands. Letztere führt zwangsläufig zu einer Vergrößerung der Bauhöhe des Differenzdrucksensors, die einer ggfs. gewünschten Miniaturisierung des Drucksensors entgegensteht.
• Darüber hinaus ist es bekannt, die druckabhängige Durchbiegung einer zwischen zwei Grundkörpern eingespannten Messmembran und damit auch die dadurch auf die Fügungen ausgeübten Kräfte zu begrenzen, in dem die Grundkörper mit Membranbetten ausgestattet werden, auf denen die Messmembran im Falle einer einseitigen Überlast zur Auflage kommt.
• Ein solcher mit Membranbetten ausgestatteter Differenzdrucksensor ist z.B. in der WO 2016/005120 A1 beschrieben. Bei diesem Differenzdrucksensor ist in den Membranbetten jeweils eine innenseitlich an die jeweilige Fügung angrenzende Membranbett-Nut vorgesehen. Grundkörper müssen jedoch mechanisch stabil sein und sind dementsprechend regelmäßig als vergleichsweise starre Körper ausgebildet. Dementsprechend ist die durch die Membranbett-Nuten erzielbare Entlastung der Fügungen vergleichsweise gering.
• Des Weiteren ist aus der WO 95/26495 A1 ein Drucksensor bekannt, der zwei durch eine Bondverbindung miteinander verbundene Komponenten umfasst, die einen im Messbetrieb mit einer unter Druck stehenden Flüssigkeit befüllten Innenraum umgeben. Die beiden Komponenten umfassen jeweils einen äußeren Rand, der über eine Fügung mit dem äußeren Rand der jeweils anderen Komponente verbunden ist. Bei diesem Sensor führt die Druckbelastung des Innenraums zu einer dementsprechenden Belastung der Fügung. Insoweit besteht auch hier die Gefahr, dass in den Komponenten enthaltene Mikrorisse, sich unter Druckbelastung vergrößern und somit zu einer Schädigung des Sensors führen können.
• Diesem Problem wird gemäß der WO 95/26495 A1 dadurch begegnet, dass zumindest einer der beiden Fügepartner eine Formgebung aufweist, durch die auf die dem Innenraum zugewandte Innenkante der Fügung einwirkende Spannungen reduziert werden. Das kann gemäß der WO 95/26495 A1 dadurch erzielt werden, dass die Breite des Randes zumindest einer der beiden Komponenten in Richtung der Fügung ansteigt. Diese Formgebung bewirkt eine gleichmäßigere Spannungsverteilung, so dass die Innenkante der Fügung geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist.
• Diese Lösung ist jedoch nicht ohne Weiteres auf die Fügungen zwischen Messmembran und Grundkörper übertragbar und scheidet darüber hinaus immer dann aus, wenn die Fügepartner aus Platzgründen und/oder aus funktionstechnischen Gründen senkrecht zur Fügefläche verlaufende Innenwände aufweisen sollten.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Drucksensor der eingangs genannten Art anzugeben, der über eine möglichst lange Einsatzdauer hinweg zu betrieben werden kann.
• Hierzu umfasst die Erfindung einen Drucksensor,
• - der eine zwischen einem ersten Grundkörper und einem zweiten Grundkörper angeordnete Messmembran umfasst,
• - dessen Grundkörper jeweils einen äußeren Grundkörperrand umfassen, der eine in dem jeweiligen Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossene Druckkammer außenseitlich allseitig umgibt und mit einem äußeren Membranrand der Messmembran über eine Fügung verbunden ist,
• - der einen durch den ersten Grundkörper hindurch führenden Druckkanal umfasst, über den die im ersten Grundkörper eingeschlossene Druckkammer mit einem ersten Druck beaufschlagbar ist, und
• - dessen Membranrand eine Schichtdicke aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Membranstärke eines von dem Membranrand außenseitlich allseitig umgebenen, im Wesentlichen scheibenförmigen, durch einen darauf einwirkenden Druck durchbiegbaren inneren Membranbereichs ist, der sich dadurch auszeichnet, dass
• - die Messmembran auf deren dem ersten Grundkörper zugewandten Seite in einem an eine Innenkante der den ersten Grundkörper mit dem Membranrand verbindenden Fügung angrenzenden Membranbereich eine erste Einkerbung aufweist, die außenseitlich allseitig von dem Membranrand umgeben ist und den inneren Membranbereich außenseitlich allseitig umgibt.
• Durch die erste Einkerbung wird erreicht, dass bei einer durch einen auf die Messmembran einwirkenden Druck verursachten Durchbiegung der Messmembran in Richtung des zweiten Grundkörpers insgesamt deutlich weniger Kräfte deutlich geringerer Größe auf die Innenkannte der die Messmembran mit dem ersten Grundkörper verbindenden Fügung ausgeübt werden. Über die erste Einkerbung wird ganz gezielt die im Hinblick auf die Gefahr einer Delamination, einer Rissbildung in einem der Fügepartner und/oder einer Vergrößerung von bereits in einem der Fügepartner bestehenden Mikrorissen schwächste Stelle, nämlich der die Innenkante der Fügung umfassende Bereich des Drucksensors entlastet. Dementsprechend können erfindungsgemäße Drucksensoren über einen deutlich längere Einsatzdauer betrieben werden, als vergleichbare Drucksensoren ohne Einkerbung.
• Eine erste Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmembran auf deren dem zweiten Grundkörper zugewandten Seite in einem an eine Innenkante der den zweiten Grundkörper mit dem Membranrand verbindenden Fügung angrenzenden Bereich der Messmembran eine zweite Einkerbung aufweist, die außenseitlich allseitig von dem Membranrand umgeben ist und den inneren Membranbereich außenseitlich allseitig umgibt.
• Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - eine Breite der dem ersten Grundkörper zugewandten Seite des Membranrands und eine Breite der dem ersten Grundkörper zugewandten Seite der ersten Einkerbung derart bemessen sind, dass deren Summe echt größer als eine Breite der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands des ersten Grundkörpers ist, und/oder
• - eine Breite der dem zweiten Grundkörper zugewandten Seite des Membranrands und eine Breite der dem zweiten Grundkörper zugewandten Seite der zweiten Einkerbung derart bemessen sind, dass deren Summe echt größer als eine Breite der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands des zweiten Grundkörpers ist.
• Eine dritte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - der Membranrand auf dessen dem Grundkörperrand des ersten Grundkörpers zugewandten Seite und/oder auf dessen dem Grundkörperrand des zweiten Grundkörper zugewandten Seite eine Breite aufweist, die kleiner gleich einer in Abhängigkeit von der Breite des jeweiligen Grundkörperrands für die jeweilige Seite des Membranrands vorgegebenen Maximalbreite ist,
• - wobei die jeweilige Maximalbreite im Wesentlichen gleich der Breite der Stirnseite des jeweiligen Grundkörperrands ist oder diese um weniger als eine für die jeweilige Seite des Membranrands vorgegebene Zusatzbreite übersteigt.
• Eine vierte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - eine Außenkante der dem ersten Grundkörper zugewandten Stirnseite des die erste Einkerbung umfassenden Membranbereichs im Wesentlichen bündig mit der Innenkannte der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes des ersten Grundkörpers abschließt, und/oder
• - eine Außenkante der dem zweiten Grundkörper zugewandten Stirnseite des die zweite Einkerbung umfassenden Membranbereichs im Wesentlichen bündig mit der Innenkannte der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes des zweiten Grundkörpers abschließt.
• Eine Weiterbildung der vierten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - die Breite des Membranrands auf dessen dem Grundkörperrand des ersten Grundkörper zugewandten Seite derart bemessen ist, dass eine Außenkante der ersten Einkerbung von der Innenkante der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes des ersten Grundkörpers in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung um weniger als eine vorgegebene Toleranz beabstandet ist, und/oder
• - die Breite des Membranrands auf dessen dem Grundkörperrand des zweiten Grundkörper zugewandten Seite derart bemessen ist, dass eine Außenkante der zweiten Einkerbung von der Innenkante der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes des zweiten Grundkörpers in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung um weniger als eine vorgegebene Toleranz beabstandet ist.
• Eine fünfte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - ein Teilbereich der ersten Einkerbung unter einem inneren Rand der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands des ersten Grundkörpers eingeschlossen ist, und/oder
• - ein Teilbereich der zweiten Einkerbung unter einem inneren Rand der der Messmembran zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands des zweiten Grundkörpers eingeschlossen ist.
• Eine Weiterbildung der fünften Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - der durch die erste Einkerbung frei gelegte innere Rand der Stirnseite des Grundkörperrands des ersten Grundkörpers eine Breite von größer gleich einem oder wenigen Mikrometern aufweist, und/oder
• - der durch die zweite Einkerbung frei gelegte innere Rand der Stirnseite des Grundkörperrands des zweiten Grundkörpers eine Breite von größer gleich einem oder wenigen Mikrometern aufweist.
• Eine Weiterbildung der fünften Weiterbildung oder deren Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - die erste Einkerbung derart mittig unter der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrands des ersten Grundkörpers angeordnet ist, dass sie zwei Teilbereiche von im Wesentlichen gleicher Größe aufweist, von denen einer unter dem durch die erste Einkerbung frei gelegten inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands des ersten Grundkörpers eingeschlossen ist, und/oder
• - die zweite Einkerbung derart mittig unter der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrands des zweiten Grundkörpers angeordnet ist, dass sie zwei Teilbereiche von im Wesentlichen gleicher Größe aufweist, von denen einer unter dem durch die zweite Einkerbung frei gelegten inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands des zweiten Grundkörpers eingeschlossen ist.
• Eine sechste Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - die erste und/oder die zweite Einkerbung in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung an deren tiefsten Stelle eine Tiefe von kleiner gleich einem Zehntel der Membranstärke aufweist, und/oder
• - die erste Einkerbung auf deren dem ersten Grundkörper zugewandten Seite und/oder die zweite Einkerbung auf deren dem zweiten Grundkörper zugewandten Seite in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung eine Breite aufweist, die größer als deren Tiefe ist, und/oder
• - die erste Einkerbung auf deren dem ersten Grundkörper zugewandten Seite und/oder die zweite Einkerbung auf deren dem zweiten Grundkörper zugewandten Seite in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung eine Breite aufweist, die im Bereich des 2 bis 5 fachen von deren Tiefe liegt.
• Eine siebte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - die Breite der ersten Einkerbung in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran dem ersten Grundkörper zugewandter Richtung kontinuierlich ansteigt, und/oder
• - die Breite der zweiten Einkerbung in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran dem zweiten Grundkörper zugewandter Richtung kontinuierlich ansteigt.
• Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - der Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, dessen im zweiten Grundkörper unter der Messmembran eingeschlossene Druckkammer evakuiert ist, oder
• - der Drucksensor als Relativ- oder Differenzdrucksensor ausgebildet ist, in dessen zweiten Grundkörper ein durch den zweiten Grundkörper hindurch führender Druckkanal vorgesehen ist, über den die im zweiten Grundkörper eingeschlossene Druckkammer mit einem Referenzdruck oder einem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
• - der Drucksensor als MEMS-Sensor ausgebildet ist,
• - der Drucksensor einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran einwirkenden Druck abhängigen Durchbiegung der Messmembran umfasst,
• - die Fügungen durch Bondverfahren erzeugte Fügungen sind,
• - der Grundkörperrand des ersten Grundkörpers und/oder der Grundkörperrand des zweiten Grundkörpers auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite eine durch die jeweilige Fügung mit dem Membranrand verbundene Isolationsschicht, insb. eine Isolationsschicht mit einer Schichtdicke von 2 µm bis 5 µm, aufweist, und/oder
• - der Grundkörperrand des ersten Grundkörpers und/oder der Grundkörperrand des zweiten Grundkörpers eine innere, an die in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossene Druckkammer angrenzende, im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormale auf die Messmembran verlaufende Mantelfläche umfasst.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messmembran eine Membranstärke von 10 µm bis 100 µm, insb. von 10 µm bis 30 µm, aufweist.
• Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Elemente mit zum Teil sehr unterschiedlicher Größe oder Schichtdicke darstellen zu können, wurde in den Figuren eine nicht-maßstabsgetreue Darstellung gewählt.
• 1 zeigt: einen erfindungsgemäßen Absolutdrucksensor;
• 2 zeigt: einen erfindungsgemäßen Relativ- oder Differenzdrucksensor;
• 3 zeigt: eine vergrößerte Ansicht des in 1 eingekreisten Bereichs; und
• 4 zeigt: eine vergrößerte Ansicht des in 2 eingekreisten Bereichs.
• 1 und 2 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Diese Drucksensoren umfassen jeweils eine zwischen einem ersten Grundkörper 1 und einem zweiten Grundkörper 3 angeordnete Messmembran 5. Jeder der beiden Grundkörper 1, 3 umfasst jeweils einen äußeren Grundkörperrand 7, der eine in dem jeweiligen Grundkörper 1, 3 unter der Messmembran 5 eingeschlossene Druckkammer 9, 11 außenseitlich allseitig umgibt und mit einem äußeren Membranrand 13 der Messmembran 5 über eine Fügung 15 verbunden ist. Zusätzlich ist in dem ersten Grundkörper 1 ein durch den ersten Grundkörper 1 hindurch führender Druckkanal 17 vorgesehen, über den die im ersten Grundkörper 1 eingeschlossene Druckkammer 9 mit einem ersten Druck p, p₁ beaufschlagbar ist.
• Der in 1 dargestellte Drucksensor ist als Absolutdrucksensor ausgebildet. Hierzu ist die im zweiten Grundkörper 3 unter der Messmembran 5 eingeschlossene Druckkammer 11 evakuiert. Entsprechend bewirkt der im Messbetrieb auf die dem ersten Grundkörper 1 zugewandte Seite der Messmembran 5 einwirkende erste Druck p eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Durchbiegung der Messmembran 5.
• Der in 2 dargestellte Drucksensor ist als Relativ- oder Differenzdrucksensor ausgebildet. Hierzu ist auch im zweiten Grundkörper 3 ein durch den zweiten Grundkörper 3 hindurch führender Druckkanal 17 vorgesehen, über den die im zweiten Grundkörper 3 eingeschlossene Druckkammer 11 bei einer Ausbildung als Relativdrucksensors mit einem Referenzdruck p_ref , wie z.B. einen Atmosphärendruck, bzw. bei einer Ausbildung als Differenzdrucksensor mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagbar ist. Entsprechend bewirkt die im Messbetrieb auf die Messmembran 5 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck p und dem Referenzdruck p_ref eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Durchbiegung der Messmembran 5 bzw. die im Messbetrieb auf die Messmembran 5 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p₁ , p₂ eine vom zu messenden Differenzdruck abhängige Durchbiegung der Messmembran 5.
• Die Messmembranen 5 der Drucksensoren umfassen jeweils einen in den dargestellten Ausführungsbeispielen im Wesentlichen scheibenförmigen, inneren Membranbereich 19, der außenseitlich allseitig von dem mit den Grundkörperrändern 7 verbundenen Membranrand 13 umgeben ist. Dabei weisen die inneren Membranbereiche 19 der Drucksensoren jeweils eine Membranstärke auf, die derart bemessen ist, dass innerhalb eines für den jeweiligen Sensor vorgegebenen Druckmessbereichs liegende, auf die Messmembran 5 einwirkende Drücke eine druckabhängige Durchbiegung des inneren Membranbereichs 19 bewirken. Zugleich weist auch der äußere Membranrand 13 der Messmembranen 5 der Drucksensoren jeweils eine Schichtdicke auf, die im Wesentlichen gleich der Membranstärke des inneren Membranbereichs 19 ist.
• Damit unterscheiden sich diese Drucksensoren von den in der eingangs genannten am 19.11.2015 eingereichten Deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 102015120074.0 beschriebenen Drucksensoren insb. dadurch, dass deren Membranrand 13 nicht als biegesteifer Membranrand ausgebildet ist. Die im Vergleich zu einem biegesteifen Membranrand deutlich geringere Schichtdicke des Membranrands 13 erfindungsgemäßer Drucksensoren bietet den Vorteil, dass diese Drucksensoren insgesamt eine geringere Bauhöhe aufweisen.
• Erfindungsgemäß weisen die Messmembranen 5 erfindungsgemäßer Drucksensoren auf deren dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite in einem an eine Innenkante 21 der den ersten Grundkörper 1 mit dem Membranrand 13 verbindenden Fügung 15 angrenzenden Membranbereich eine erste Einkerbung 23 auf. Diese erste Einkerbung 21 ist außenseitlich allseitig von dem Membranrand 13 umgeben und umgibt den inneren Membranbereich 13 außenseitlich allseitig. 3 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung des in 1 eingekreisten Ausschnitts von 1. 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in 2 eingekreisten Ausschnitts von 2.
• Die erste Einkerbung 23 bietet den Vorteil, dass auf eine in Richtung des zweiten Grundkörpers 3 gerichtete druckabhängige Durchbiegung der Messmembran 5 zurück zu führende Spannungsmaxima, insb. Kerbspannungsmaxima, nicht mehr unmittelbar an der Innenkante 21 der den ersten Grundkörper 1 mit der Messmembran 5 verbindenden Fügung 15 auftreten, sondern aufgrund der Einkerbung 23 in axialer, d.h. parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 5 verlaufender Richtung von der Innenkante 21 weg ins Innere der Messmembran 5 hinein und in radialer, d.h. senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran 5 verlaufender Richtung von der Innenkante 21 weg nach außen verlagert werden.
• Darüber hinaus bietet die Einkerbung 23 den Vorteil, dass Spannungen in dem die Einkerbung 23 umfassenden Membranbereich aufgrund der im Bereich der Einkerbung 23 geringeren Schichtdicke der Messmembran 5 besser abgebaut werden können, als das bei einer insgesamt scheibenförmigen Membran ohne Einkerbung der Fall wäre.
• Erfindungsgemäße Drucksensoren können z.B. als MEMS-Sensoren ausgebildet sein. In dem Fall können die dem Membranrand 13 zugewandten Stirnseiten der Grundköperränder 7 der beiden Grundkörper 1, 3 z.B. aus einer Lage aus einem in der Halbleitertechnologie verwendeten Material, wie z.B. Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, gefertigt und durch die jeweilige, z.B. durch ein Bondverfahren, wie z.B. das Silizium-Direktbonden, erzeugte Fügung 15 unmittelbar mit der z.B. aus einer Lage aus einem in der Halbleitertechnologie verwendeten Material, wie z.B. Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, gefertigten Messmembran 5 verbunden sein. Diese Ausführungsform ist in 1 dargestellt und kann analog auch bei dem in 2 dargestellten Drucksensor vorgesehen werden.
• Alternativ können die Grundkörperränder 7 auf deren dem Membranrand 13 zugewandten Stirnseite jeweils eine Isolationsschicht 25, z.B. eine Siliziumdioxidschicht, umfassen, die durch die jeweilige, z.B. durch ein Bondverfahren erzeugte Fügung 15 mit Membranrand 13 verbunden ist. Diese Ausführungsform ist in 2 dargestellt und kann analog auch bei dem in 1 dargestellten Drucksensor vorgesehen werden.
• Dabei können die Lagen der Grundkörper 1, 3 z.B. eine Schichtdicke in der Größenordnung von einem oder mehreren 100 µm aufweisen, wohingegen die Isolationsschichten 25 vorzugsweise eine deutlich geringere Schichtdicke, z.B. eine Schichtdicke in Größenordnung von 2 µm - 5 µm aufweisen.
• Die Messmembranen 5 von als MEMS-Sensor ausgebildeten Drucksensoren können je nach Druckmessbereich z.B. eine Membranstärke von 10 µm bis 30 µm aufweisen. Zur Messung sehr hoher Drücke können aber auch Membranstärken von bis zu 100 µm oder sogar darüber vorgesehen werden.
• In Messmembranen 5 aus einem in der Halbleitertechnologie verwendeten Material, wie z.B. Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, können die Einkerbungen 23 z.B. mittels eines Ätzverfahrens, wie z.B. einem isotropen nass- oder trockenchemischen Ätzverfahren, erzeugt werden.
• Die Erfindung ist jedoch nicht auf MEMS-Sensoren beschränkt, sondern kann analog auch in Verbindung mit aus anderen Werkstoffen gefertigten Drucksensoren eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür sind analog aufgebaute Drucksensoren, deren Messmembran und/oder deren Grundkörper aus keramischen Werkstoffen gefertigt werden.
• Zur messtechnischen Erfassung der vom zu messenden Druck abhängigen Durchbiegung der Messmembran 5 können aus dem Stand der Technik bekannt elektromechanische Wandler, wie z.B. kapazitive oder piezoresistive Wandler, eingesetzt werden, über die die vom auf die Messmembran 5 einwirkenden Druck abhängige Durchbiegung der Messmembran 5 messtechnisch erfassbar und mittels einer hier nicht dargestellten an den Wandler anzuschließenden Messschaltung in ein vom zu messenden Druck abhängiges elektrisches Signal umwandelbar ist, das dann zur Anzeige und/oder zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung steht.
• 1 und 2 zeigen als ein Ausführungsbeispiel hierzu jeweils einen kapazitiven Wandler, der mindestens einen Kondensator mit einer vom auf die Messmembran 5 einwirkenden Druck abhängigen Kapazität C1, C2 umfasst. Halbleitersensoren weisen hierzu z.B. eine durch die in dem Fall leitfähige Messmembran 5 gebildete Gegenelektrode auf, die zusammen mit einer im ersten Grundkörper 1 integrierten Elektrode 27 und/oder zusammen mit einer im zweiten Grundkörper 3 integrierten Elektrode 27 jeweils einen solchen Kondensator bildet. In den dargestellten Ausführungsbeispielen umfassen die Grundkörper 1, 3 jeweils eine membran-zugewandte elektrisch leitfähige Lage 29, eine membran-abgewandte elektrisch leifähige Lage 31, sowie eine zwischen diesen beiden Lagen 29, 31 angeordnete, die beiden Lagen 29, 31 gegeneinander isolierende Isolationsschicht 33. Die membran-zugewandte Lage 29 der Grundkörper 1, 3 umfasst jeweils eine der von der Messmembran 5 beabstandeten Elektroden 27. Die Elektroden 27 sind hier durch einen inneren Bereich der jeweiligen membran-zugewandten Lage 29 gebildet, der durch einen bis zur Isolationsschicht 33 führenden Isolationsgraben 35 gegenüber einem äußeren Randbereich der jeweiligen membran-zugewandten Lage 29 elektrisch isoliert ist. Dabei bildet der äußere Randbereich entweder unmittelbar oder aber zusammen mit der auf dessen der Messmembran 5 zugewandten Stirnseite aufgebrachten Isolationsschicht 25 den Grundkörperrand 7 des jeweiligen Grundkörpers 1, 3. Der elektrische Anschluss der Elektroden 27 kann z.B. jeweils über eine leitfähige Verbindung 37 erfolgen, die auf einer Isolationsschicht 39 entlang einer Mantelfläche einer die membran-abgewandte Rückseite der jeweiligen Elektrode 27 freilegenden Ausnehmung bis zur jeweiligen Elektrode 27 verläuft.
• Alternativ können erfindungsgemäße Drucksensoren aber auch einen anderen Lagenaufbau, insb. eine andere Lagenabfolge und/oder eine andere Anzahl an Lagen aufweisen und/oder einen auf einem anderen Wandler-Prinzip basierenden elektromechanischen Wandler, wie z.B. einen resistiven Wandler, umfassen.
• Bei erfindungsgemäßen Drucksensoren ist die Formgebung der ersten Einkerbung 23, sowie deren radiale Position in Relation zu einer Innenkante der der Messmembran 5 zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1 innerhalb gewisser Grenzen frei wählbar.
• Dabei werden die Abmessungen der ersten Einkerbung 23 vorzugsweise dahingehend optimiert, dass einerseits die über die erste Einkerbung 23 bewirkte Verlagerung von Spannungsverläufen und Spannungskonzentrationen weg von der Innenkante 21 der Fügung 15 in axialer und radialer Richtung möglichst groß sind und andererseits die durch die Einkerbung 23 bewirkte Reduktion der mechanischen Stabilität der Messmembran 5 möglichst gering ist.
• Hierzu weisen die ersten Einkerbungen 23 in axialer, also parallel zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung, an deren tiefsten Stelle vorzugweise jeweils eine Tiefe T von kleiner gleich einem Zehntel der Membranstärke auf. Alternativ oder zusätzlich weisen die ersten Einkerbungen 23 auf deren dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite vorzugsweise jeweils eine Breite B_E auf, die größer als deren Tiefe T ist. Besonders bevorzugt ist es insoweit, wenn diese Breite B_E im Bereich des 2 bis 5 fachen der Tiefe T liegt.
• Alternativ oder zusätzlich hierzu sind die ersten Einkerbungen 23 vorzugsweise derart ausgebildet, dass deren Breite parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 5 in Richtung des ersten Grundkörpers 1 kontinuierlich ansteigt. Dabei können die Einkerbungen 23 z.B. -wie hier dargestellt - ein im Schnitt gesehen abgerundetes Profil aufweisen. Alternativ können sie aber auch eine andere Formgebung aufweisen. Ein Beispiel hierfür sind Einkerbungen, die ein im Schnitt gesehen konisches Profil aufweisen.
• Im Hinblick auf die radiale Position der ersten Einkerbungen 23 ist zu berücksichtigen, dass der die Einkerbung 23 umfassende Membranbereich an die Innenkante 21 der den Grundkörperrand 7 des ersten Grundkörpers 1 mit dem Membranrand 13 verbindenden Fügung 15 angrenzen muss. Dabei ist zu beachten, dass die Position der Innenkante 21 der Fügung 15 von der Breite B_MR der dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite des Membranrands 13 in Relation zur Breite B_GK der Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1 abhängig ist. Ragt der Membranrand 13 weiter ins Innere des Drucksensors hinein, als der Grundkörperrand 7 des damit verbundenen ersten Grundkörpers 1, so entspricht die Position der Innenkante 21 der Fügung 15 im Wesentlichen der Position der Innenkante der membran-zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands 7. Ragt der Grundkörperrand 7 weiter ins Innere des Drucksensors hinein, als der damit verbundene Membranrand 13, so entspricht die Position der Innenkante 21 der Fügung 15 im Wesentlichen der Position der dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Außenkante der Einkerbung 23.
• Entsprechend sind die Breiten B_MR , B_E von Membranrand 13 und Einkerbung 23 auf der dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite der Messmembran 5 vorzugsweise derart bemessen, dass deren Summe echt größer als die Breite B_GK der Stirnseite des Grundkörperrands 7 ist. D.h.: $${\text{B}}_{\text{MR}}+{\text{B}}_{\text{E}}>{\text{B}}_{\text{GK}}$$

  
• Darüber hinaus ist die Breite B_MR , die der Membranrands 13 auf dessen dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite aufweist, vorzugsweise kleiner gleich einer in Abhängigkeit von der Breite B_GK der Stirnseite des Grundkörperrands 7 vorgegebenen Maximalbreite B_max , die im Wesentlichen gleich der Breite B_GK des Grundkörperrands 7 ist oder diese um weniger als eine für die dem ersten Grundkörper 1 zugewandte Seite des Membranrands 13 vorgegebene Zusatzbreite ΔB übersteigt. D.h.: $${\text{B}}_{\text{MR}}<{\text{B}}_{\text{max}}\le {\text{B}}_{\text{GK}}+\mathrm{\Delta }\text{B}$$

  
• Die Zusatzbreite ΔB wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Membranstärke und den Abmessungen der ersten Einkerbung 23, derart bemessen, dass durch die erste Einkerbung 23 auch bei einer Ausschöpfung der Zusatzbreite ΔB noch eine die maximale Einsatzdauer des Drucksensors verlängernde mechanische Entlastung der Innenkante 21 der Fügung 15 sichergestellt ist.
• Eine erste besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass eine Außenkante der dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Stirnseite des die Einkerbung 23 umfassenden Membranbereichs im Wesentlichen bündig mit der Innenkannte des Grundkörperrandes 7 des ersten Grundkörpers 1 abschließt. Diese Ausführungsform ist in 1 und 3 dargestellt und ist natürlich analog auch in Verbindung mit dem in 2 dargestellten Drucksensor einsetzbar.
• Bei dieser Ausführungsform ist die Breite B_MR des Membranrands 13 auf dessen dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite vorzugsweise derart bemessen, dass die Außenkante der ersten Einkerbung 23 von der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrandes 7 in radialer Richtung um weniger als eine vorgegebene Toleranz ΔD beabstandet ist. D.h. $${\text{B}}_{\text{MR}}={\text{B}}_{\text{GK}}\text{+/-}\mathrm{\Delta }\text{D}$$

  
• Dabei ist eine Untergrenze für die Toleranz ΔD im Wesentlichen durch die fertigungstechnisch erreichbare Präzision der radialen Positionierung der Messmembran 5 und der ersten Einkerbung 23 relativ zu der Innenkannte der Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1 gegeben. Im Hinblick auf eine Obergrenze für die Toleranz ΔD besteht ein vergleichsweise großer Spielraum. Dabei ist eine absolute Obergrenze für die Toleranz ΔD durch die in Gleichung (1) und (2) angegebenen Randbedingungen gegeben, wonach die erste Einkerbung 23 in radialer Richtung maximal soweit außen verlaufen darf, dass deren Innenkante noch innerhalb der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1 verläuft, und in radialer Richtung maximal soweit innen verlaufen darf, dass deren Außenkante von der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1 um weniger als die zuvor genannte Zusatzbreite ΔB beabstandet ist.
• Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sie in fertigungstechnischer Hinsicht vergleichsweise geringe Anforderungen an die Präzision der Positionierung der ersten Einkerbung 23 und der vor der Erzeugung der Fügungen 15 vorzunehmenden radialen Ausrichtung der aufeinander anzuordnenden, die Messmembran 5 und die beiden Grundkörper 1,3 umfassenden Sensorkomponenten stellt.
• Eine zweite besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die erste Einkerbung 23 derart anzuordnen, dass ein Teilbereich der Einkerbung 23 unter einem inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1 eingeschlossen ist. Diese Ausführungsform ist in 2 und 4 dargestellt und analog auch in dem in 1 dargestellten Drucksensor einsetzbar. Bei dieser Ausführungsform ist die Breite B_MR des Membranrands 13 auf dessen dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite echt kleiner als die Breite B_GK der Stirnseite des Grundkörperrands 7 des ersten Grundkörpers 1. Damit grenzt die Einkerbung 23 außenseitlich unmittelbar an die Innenkante 21 der Fügung 15 an und legt den inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands 7 frei. Entsprechend befindet sich die Innenkante 21 der Fügung 15 hier in einem durch die Breite b des durch die Einkerbung 21 frei gelegten inneren Rands der Stirnseite des Grundkörperrands 7 entsprechenden Abstand von der Innenkante des Grundkörperrands 7.
• Diese Ausführungsform ist insb. dann von besonderem Vorteil, wenn der Grundkörperrand 7 in dem durch die Einkerbung 23 frei gelegten Bereich von dessen Stirnseite eine geringere Oberflächenqualität aufweist als weiter außen und/oder in diesem Bereich möglicher Weise herstellungsbedingte Fehlstellen, Unterätzungen und/oder Hinterschneidungen vorhanden sein können. Insoweit ist diese Ausführungsform insb. dann von besonderem Vorteil, wenn der Grundkörperrand 7 auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite die in 2 gezeigte Isolationsschicht 25 aufweist und/oder der Grundkörperrand 7 eine an die im Grundkörper 1 eingeschlossene Druckkammer 9 angrenzende innere Mantelfläche umfasst, die im Wesentlichen parallel zur Flächennormale auf die Messmembran 5 verläuft. Letzteres ist hier am Beispiel der die als Teilbereich der Druckkammern 9, 11 ausgebildeten Isolationsgräben 35 außenseitlich begrenzenden inneren Mantelflächen der Grundkörperränder 7 gezeigt.
• In diesen Fällen werden zur Strukturierung der Isolationsschicht 25 regelmäßig Ätzverfahren, wie z.B. das reaktive lonenätzen (RIE), sowie zur Erzeugung der Druckkammern 9, 11, insb. der Isolationsgräben 35, regelmäßig Ätzverfahren, wie z.B. das reaktive lonentiefenätzen (DRIE), eingesetzt, bei deren Einsatz die Gefahr besteht, dass die Oberfläche der Stirnseite des Grundkörperrands 7 in einem an deren Innenkante angrenzenden Bereich eine geringere Oberflächenqualität aufweist als weiter außen und/oder in diesem Bereich möglicher Weise herstellungsbedingte Fehlstellen, Unterätzungen und/oder Hinterschneidungen entstehen. Dieser Bereich weist je nach Wahl der verwendeten Verfahren in der Regel eine Breite b in der Größenordnung von einem oder wenigen Mikrometern auf. Entsprechend weist auch der unter dem inneren Rand des Stirnseite des Grundkörperrands 7 eingeschlossene Teilbereich der Einkerbung 23 vorzugsweise eine Breite auf, die größer gleich der Breite b dieses Bereichs des Grundkörperrands 7 ist.
• Durch diese Positionierung der ersten Einkerbung 23 wird die als Fügefläche genutzte Oberfläche der Stirnseite des Grundkörperrands 7 auf einen Bereich hoher Oberflächengüte begrenzt. Letzteres führt zu einer deutlichen Verbesserung der erzielbaren Qualität des an die Innenkante 21 angrenzenden Fügungsbereichs, so dass hierüber trotz der ggfs. damit einhergehenden Verkleinerung der Fügefläche insgesamt eine Verbesserung der Überlastfestigkeit, der Berstfestigkeit und der Langzeitstabilität des Drucksensors erzielt wird. Dieser Vorteil tritt bereits dann ein, wenn die Einkerbung 23 eine extrem geringe Tiefe T aufweist, die gerade noch ausreicht, um die Fügefläche entsprechend zu begrenzen.
• Diese durch die Positionierung bewirkte Verbesserung wird zusätzlich durch die durch die Einkerbung 23 bewirkte Verlagerung der Spannungsverläufe und der Spannungskonzentrationen weg von der Innenkante 21 der Fügung 15 verstärkt. Insoweit wird die Einkerbung 23 vorzugsweise, wie hier dargestellt, derart mittig unter der Innenkante des Grundkörperrands 7 positioniert, dass sie zwei Teilbereiche von im Wesentlichen gleicher Größe aufweist, von denen der eine unter dem inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands 7 eingeschlossen ist.
• Erfindungsgemäße Drucksensoren können optional zusätzlich zu der auf der dem ersten Grundkörper 1 zugewandten Seite der Messmembran 5 vorgesehenen Einkerbung 23 auch auf der dem zweiten Grundkörper 3 zugewandten Seite der Messmembran 5 eine zweite Einkerbung 41 aufweisen. Eine solche zweite Einkerbung 41 ist bei dem in 2 dargestellten Drucksensor vorgesehen und kann analog auch bei dem in 1 dargestellten Drucksensor vorgesehen werden.
• Die zweite Einkerbung 41 ist insb. immer dann von besonderen Vorteil, wenn die im zweiten Grundkörper 3 eingeschlossene Druckkammer 11 mit einem Druck p₂ , pref beaufschlagbar ist, der im normalen Messbetrieb und/oder im Falle einer Fehlbedienung den in der im ersten Grundkörper 1 eingeschlossenen Druckkammer 9 herrschenden Druck p, p₁ übersteigen kann. Diese Fälle können z.B. bei erfindungsgemäßen Relativ- oder Differenzdrucksensoren auftreten, und führen zu einer Durchbiegung der Messmembran 5 in Richtung des ersten Grundkörpers 1. Dabei werden nachteilige Auswirkungen dieser Durchbiegungen auf die Berstfestigkeit, die Überlastfestigkeit und/oder die maximale Einsatzdauer des Drucksensors mittels der zweiten Einkerbung 41 auf die zuvor bereits anhand der ersten Einkerbung 21 beschriebene Weise reduziert werden. Insoweit gelten die obigen Ausführungen zur ersten Einkerbung 24, insb. bzgl. deren Ausgestaltung, Formgebung und Positionierung, für die zweite Einkerbung 41 entsprechend, so dass insoweit auf die obige Beschreibung verwiesen wird.
• Die zweite Einkerbung 41 ist im Regelfall vorzugsweise identisch zur ersten Einkerbung 23 ausgebildet, wobei die beiden Einkerbungen 23, 41 vorzugsweise einander zu beiden Seiten der Messmembran 5 gegenüberliegend angeordnet werden. Eine unterschiedliche Formgebung und/oder Positionierung der beiden Einkerbungen 23, 41 kann jedoch z.B. dann sinnvoll sein, wenn die beiden Grundkörper 1,3 voneinander verschieden sind.
• Darüber hinaus kann die zweite Einkerbung 41 unter Umständen aber auch in Verbindung mit Absolutdrucksensoren sinnvoll sein. Dort kann sie z.B. genau wie die erste Einkerbung 23 auch dazu verwendet werden, die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran 5 zu erhöhen, so dass bei gleicher Membranstärke eine höhere Messempfindlichkeit erzielbar ist. Alternativ kann sie dazu genutzt werden, bei gleicher Messempfindlichkeit eine größere Membranstärke einsetzen zu können. Diese beiden durch jede der beiden Einkerbungen 23, 41 gegebenen Gestaltungspielräume können natürlich analog auch bei als Relativ- oder Differenzdrucksensoren eingesetzten erfindungsgemäßen Drucksensoren genutzt werden.
• Bezugszeichenliste

1

erster Grundkörper

3

zweiter Grundkörper

5

Messmembran

7

Grundkörperrand

9

Druckkammer

11

Druckkammer

13

Membranrand

15

Fügung

17

Druckkanal

19

innerer Membranbereich

21

Innenkante der Fügung

23

Einkerbung

25

Isolationsschicht

27

Elektrode

29

membran-zugwandte Lage

31

membran-abgewandte Lage

33

Isolationsschicht

35

Isolationsgraben

37

leitfähige Verbindung

39

Isolationsschicht

41

zweite Einkerbung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 10393943 B3 [0004]
• DE 102015120074 [0007, 0035]
• WO 2016/005120 A1 [0010]
• WO 9526495 A1 [0011, 0012]

Claims (14)

1. Drucksensor, - der eine zwischen einem ersten Grundkörper (1) und einem zweiten Grundkörper (3) angeordnete Messmembran (5) umfasst, - dessen Grundkörper (1, 3) jeweils einen äußeren Grundkörperrand (7) umfassen, der eine in dem jeweiligen Grundkörper (1, 3) unter der Messmembran (5) eingeschlossene Druckkammer (9, 11) außenseitlich allseitig umgibt und mit einem äußeren Membranrand (13) der Messmembran (5) über eine Fügung (15) verbunden ist, - der einen durch den ersten Grundkörper (1) hindurch führenden Druckkanal (17) umfasst, über den die im ersten Grundkörper (1) eingeschlossene Druckkammer (9) mit einem ersten Druck (p, p₁) beaufschlagbar ist, und - dessen Membranrand (13) eine Schichtdicke aufweist, die im Wesentlichen gleich einer Membranstärke eines von dem Membranrand (13) außenseitlich allseitig umgebenen, im Wesentlichen scheibenförmigen, durch einen darauf einwirkenden Druck durchbiegbaren inneren Membranbereichs (19) ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Messmembran (5) auf deren dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite in einem an eine Innenkante (21) der den ersten Grundkörper (1) mit dem Membranrand (13) verbindenden Fügung (15) angrenzenden Membranbereich eine erste Einkerbung (23) aufweist, die außenseitlich allseitig von dem Membranrand (13) umgeben ist und den inneren Membranbereich (13) außenseitlich allseitig umgibt.
2. Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (5) auf deren dem zweiten Grundkörper (1) zugewandten Seite in einem an eine Innenkante (21) der den zweiten Grundkörper (3) mit dem Membranrand (13) verbindenden Fügung (15) angrenzenden Bereich der Messmembran (5) eine zweite Einkerbung (41) aufweist, die außenseitlich allseitig von dem Membranrand (13) umgeben ist und den inneren Membranbereich (19) außenseitlich allseitig umgibt.
3. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Breite (B_MR) der dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite des Membranrands (13) und eine Breite (B_E) der dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite der ersten Einkerbung (23) derart bemessen sind, dass deren Summe echt größer als eine Breite (B_GK) der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands (7) des ersten Grundkörpers (1) ist, und/oder - eine Breite (B_MR) der dem zweiten Grundkörper (3) zugewandten Seite des Membranrands (13) und eine Breite (B_E) der dem zweiten Grundkörper (3) zugewandten Seite der zweiten Einkerbung (41) derart bemessen sind, dass deren Summe echt größer als eine Breite (B_GK) der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands (7) des zweiten Grundkörpers (3) ist.
4. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass - der Membranrand (13) auf dessen dem Grundkörperrand (7) des ersten Grundkörpers (1) zugewandten Seite und/oder auf dessen dem Grundkörperrand (7) des zweiten Grundkörper (3) zugewandten Seite eine Breite (B_MR) aufweist, die kleiner gleich einer in Abhängigkeit von der Breite (B_GK) des jeweiligen Grundkörperrands (7) für die jeweilige Seite des Membranrands (13) vorgegebenen Maximalbreite (B_max) ist, - wobei die jeweilige Maximalbreite (B_max) im Wesentlichen gleich der Breite (B_GK) der Stirnseite des jeweiligen Grundkörperrands (7) ist oder diese um weniger als eine für die jeweilige Seite des Membranrands (13) vorgegebene Zusatzbreite (ΔB) übersteigt.
5. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Außenkante der dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Stirnseite des die erste Einkerbung (23) umfassenden Membranbereichs im Wesentlichen bündig mit der Innenkannte der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes (7) des ersten Grundkörpers (1) abschließt, und/oder - eine Außenkante der dem zweiten Grundkörper (3) zugewandten Stirnseite des die zweite Einkerbung (41) umfassenden Membranbereichs im Wesentlichen bündig mit der Innenkannte der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes (7) des zweiten Grundkörpers (3) abschließt.
6. Drucksensor gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die Breite (B_MR) des Membranrands (13) auf dessen dem Grundkörperrand (7) des ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite derart bemessen ist, dass eine Außenkante der ersten Einkerbung (23) von der Innenkante der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes (7) des ersten Grundkörpers (1) in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (5) verlaufender Richtung um weniger als eine vorgegebene Toleranz (ΔD) beabstandet ist, und/oder - die Breite (B_MR) des Membranrand (13) auf dessen dem Grundkörperrand (7) des zweiten Grundkörper (3) zugewandten Seite derart bemessen ist, dass eine Außenkante der zweiten Einkerbung (41) von der Innenkante der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrandes (7) des zweiten Grundkörpers (3) in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (5) verlaufender Richtung um weniger als eine vorgegebene Toleranz (ΔD) beabstandet ist.
7. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Teilbereich der ersten Einkerbung (23) unter einem inneren Rand der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands (7) des ersten Grundkörpers (1) eingeschlossen ist, und/oder - ein Teilbereich der zweiten Einkerbung (41) unter einem inneren Rand der der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite des Grundkörperrands (7) des zweiten Grundkörpers (3) eingeschlossen ist.
8. Drucksensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - der durch die erste Einkerbung (23) frei gelegte innere Rand der Stirnseite des Grundkörperrands (7) des ersten Grundkörpers (1) eine Breite (b) von größer gleich einem oder wenigen Mikrometern aufweist, und/oder - der durch die zweite Einkerbung (41) frei gelegte innere Rand der Stirnseite des Grundkörperrands (7) des zweiten Grundkörpers (3) eine Breite (b) von größer gleich einem oder wenigen Mikrometern aufweist.
9. Drucksensor gemäß Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Einkerbung (23) derart mittig unter der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrands (7) des ersten Grundkörpers (1) angeordnet ist, dass sie zwei Teilbereiche von im Wesentlichen gleicher Größe aufweist, von denen einer unter dem durch die erste Einkerbung (23) frei gelegten inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands (7) des ersten Grundkörpers (1) eingeschlossen ist, und/oder - die zweite Einkerbung (41) derart mittig unter der Innenkante der Stirnseite des Grundkörperrands (7) des zweiten Grundkörpers (1) angeordnet ist, dass sie zwei Teilbereiche von im Wesentlichen gleicher Größe aufweist, von denen einer unter dem durch die zweite Einkerbung (41) frei gelegten inneren Rand der Stirnseite des Grundkörperrands (7) des zweiten Grundkörpers (3) eingeschlossen ist.
10. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste und/oder die zweite Einkerbung (23, 41) in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (5) verlaufender Richtung an deren tiefsten Stelle eine Tiefe (T) von kleiner gleich einem Zehntel der Membranstärke aufweist, und/oder - die erste Einkerbung (23) auf deren dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite und/oder die zweite Einkerbung (41) auf deren dem zweiten Grundkörper (3) zugewandten Seite in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (5) verlaufender Richtung eine Breite (B_E) aufweist, die größer als deren Tiefe (T) ist, und/oder - die erste Einkerbung (23) auf deren dem ersten Grundkörper (1) zugewandten Seite und/oder die zweite Einkerbung (41) auf deren dem zweiten Grundkörper (3) zugewandten Seite in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran (5) verlaufender Richtung eine Breite (B_E) aufweist, die im Bereich des 2 bis 5 fachen von deren Tiefe (T) liegt.
11. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Breite der ersten Einkerbung (23) in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (5) dem ersten Grundkörper (1) zugewandter Richtung kontinuierlich ansteigt, und/oder - die Breite der zweiten Einkerbung (41) in parallel zur Flächennormale auf die Messmembran (5) dem zweiten Grundkörper (3) zugewandter Richtung kontinuierlich ansteigt.
12. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, dessen im zweiten Grundkörper (3) unter der Messmembran (5) eingeschlossene Druckkammer (11) evakuiert ist, oder - der Drucksensor als Relativ- oder Differenzdrucksensor ausgebildet ist, in dessen zweiten Grundkörper (3) ein durch den zweiten Grundkörper (3) hindurch führender Druckkanal (17) vorgesehen ist, über den die im zweiten Grundkörper (3) eingeschlossene Druckkammer (11) mit einem Referenzdruck (p_ref) oder einem zweiten Druck (p₂) beaufschlagbar ist.
13. Drucksensor gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass - der Drucksensor als MEMS-Sensor ausgebildet ist, - der Drucksensor einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran (5) einwirkenden Druck abhängigen Durchbiegung der Messmembran (5) umfasst, - die Fügungen (15) durch Bondverfahren erzeugte Fügungen (15) sind, - der Grundkörperrand (7) des ersten Grundkörpers (1) und/oder der Grundkörperrand (7) des zweiten Grundkörpers (3) auf dessen der Messmembran (5) zugewandten Stirnseite eine durch die jeweilige Fügung (15) mit dem Membranrand (13) verbundene Isolationsschicht (25), insb. eine Isolationsschicht (25) mit einer Schichtdicke von 2 µm bis 5 µm, aufweist, und/oder - der Grundkörperrand (7) des ersten Grundkörpers (1) und/oder der Grundkörperrand (7) des zweiten Grundkörpers (3) eine innere, an die in dem jeweiligen Grundkörper (1, 3) eingeschlossene Druckkammer (9, 11) angrenzende, im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormale auf die Messmembran (7) verlaufende Mantelfläche umfasst.
14. Drucksensor gemäß Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (5) eine Membranstärke von 10 µm bis 100 µm, insb. von 10 µm bis 30 µm, aufweist.

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