DE102018109091A1

DE102018109091A1 - Druckmesseinrichtung mit einem als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Drucksensor

Info

Publication number: DE102018109091A1
Application number: DE102018109091.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Lemke; Anh Tuan Tham; Daniel Sixtensson; Rene Ziermann; Thomas Uehlin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Es ist eine Druckmesseinrichtung mit einem als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor (1a, 1b), der eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran (3), zwei zu beiden Seiten der Messmembran (3) angeordnete, aus Titanwafern gefertigte, unter Einschluss einer Druckkammer (7) mit der Messmembran (3) verbundene Grundkörper (5) und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran (3) einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran (3) umfasst, und zwei jeweils an eine der beiden Druckkammern (7) des Sensors (1a, 1b) angeschlossenen Druckübertragungsleitungen (13a, 13b), über die die Druckkammern (7) jeweils mit einem der beiden Drücke (p, p), deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagbar sind, beschrieben, die kostengünstig herstellbar ist, die eine hohe Berst- und Überlastfestigkeit aufweist, und die eine möglichst hohe Messgenauigkeit aufweist, und die sich dadurch auszeichnet, dass die Druckübertragungsleitungen (13a, 13b) als den Sensor (1a, 1b) tragende Leitungen ausgebildet sind, die jeweils ein metallisches Röhrchen (15) umfassen, das endseitig mittels einer metallischen Fügung mit einem aus Metall bestehenden Kanalabschnitt (17a, 17b) eines durch einen der beiden Grundkörper (5) hindurch zu der in dem jeweiligen Grundkörper (5) eingeschlossenen Druckkammer (7) verlaufenden Druckkanals (19) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Druckmesseinrichtung, mit
einem als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor, der eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran, zwei zu beiden Seiten der Messmembran angeordnete, aus Titanwafern gefertigte, unter Einschluss einer Druckkammer mit der Messmembran verbundene Grundkörper und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran umfasst, und
zwei jeweils an eine der beiden Druckkammern des Sensors angeschlossenen Druckübertragungsleitungen, über die die Druckkammern jeweils mit einem der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagbar sind.
Mit einem Differenzdrucksensor ausgestattete Druckmesseinrichtungen werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Differenzdrücken eingesetzt. Dabei werden in diesen Druckmesseinrichtungen eingesetzte Differenzdrucksensoren entsprechend der zu deren Herstellung verwendeten Verfahren in so-genannte klassische Sensoren und MEMS-Sensoren unterschieden.
MEMS-Sensoren umfassen 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 Silizium oder Werkstoffen auf Siliziumbasis hergestellt werden.
Klassische Sensoren weisen üblicher Weise deutlich größere Abmessungen auf als MEMS-Sensoren und sind in der Regel Einzelanfertigungen, die unter Verwendung von aus dem Maschinenbau, sowie der Metallverarbeitung üblichen Verfahren, wie Drehen, Fräsen, Schleifen und Schweißen hergestellt werden.
Mit Differenzdrucksensoren werden regelmäßig vergleichsweise geringe Druckdifferenzen zwischen zwei im Vergleich zur Druckdifferenz sehr hohen zu beiden Seiten der Messmembran auf die Messmembran einwirkenden statischen Drücken gemessen.
Insoweit bieten klassische Differenzdrucksensoren, insb. metallische bzw. metallisch gekapselte Sensoren, den Vorteil, dass sie mechanisch deutlich stabiler sind als auf Siliziumbasis hergestellte MEMS-Sensoren. Sie weisen daher regelmäßig eine größere Überlastfestigkeit und eine größere Berstfestigkeit auf als MEMS-Differenzdrucksensoren. Im Unterschied zu MEMS-Differenzdrucksensoren, die kostengünstig in größeren Stückzahlen im Waferverbund herstellt werden können, sind klassische Differenzdrucksensoren jedoch in der Regel vergleichsweise teure Einzelanfertigungen mit deren Herstellung ein deutlich höherer Material- und Fertigungsaufwand verbunden ist.
Anstelle von auf Siliziumbasis hergestellten MEMS-Sensoren können in Druckmesseinrichtungen alternativ auch aus Titanwafern hergestellte MEMS-Sensoren eingesetzt werden. So ist in der DE 10 2016 111 303 A1 eine Druckmesseinrichtung beschrieben, mit
einem als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor, der eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran, zwei zu beiden Seiten der Messmembran angeordnete, aus Titanwafern gefertigte, unter Einschluss einer Druckkammer mit der Messmembran verbundene Grundkörper und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran umfasst, und
zwei jeweils an eine der beiden Druckkammern des Sensors angeschlossenen Druckübertragungsleitungen, über die die Druckkammern jeweils mit einem der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagbar sind.
Auch die in diesen Druckmesseinrichtungen eingesetzten MEMS-Differenzdrucksensoren können kostengünstig im Waferverbund hergestellt werden. Zusätzlich weisen sie aufgrund deren aus Titanwafern gefertigten Messmembranen und deren aus Titanwafern gefertigten Grundkörpern eine höhere Berstfestigkeit und eine höhere Überlastfestigkeit auf, als auf Siliziumbasis hergestellte MEMS-D ifferenzdrucksensoren.
MEMS-Differenzdrucksensoren müssen am Einsatzort montiert und deren Druckkammern jeweils an eine Druckübertragungsleitung angeschlossen werden. Hierzu werden MEMS-Differenzdrucksensoren zwischen zwei Stützkörpern angeordnet bzw. eingespannt. Diese Stützkörper umfassen jeweils einen durch den jeweiligen Stützkörper hindurch verlaufenden Druckübertragungskanal, der über einen daran anschließenden, durch den mit dem jeweiligen Stützkörper verbundenen Grundkörper hindurch verlaufenden Druckkanal mit der in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer verbunden ist. Die Druckbeaufschlagung erfolgt hier dementsprechend über an die Druckübertragungskanäle der Stützkörper angeschlossene Druckübertragungsleitungen.
Die Montage von MEMS-Differenzdrucksensoren zwischen zwei Stützkörpern ist in Verbindung mit auf Siliziumbasis hergestellten MEMS-Differenzdrucksensoren in der DE 10 2016 107 238 A1 und in Verbindung mit aus Titanwafern hergestellten MEMS-Differenzdrucksensoren in der DE 10 2016 111 303 A1 beschrieben.
In der DE 10 2016 107 238 A1 ist hierzu angeführt, dass es zur Abstützung von MEMS-Differenzdrucksensoren besonders vorteilhaft ist, starre Stützkörper zu verwenden und diese jeweils mittels einer sich im Wesentlichen über die gesamte Grundfläche des Sensors erstreckenden, möglichst steifen Fügung, wie z.B. einer Glaslötung, vollflächig mit einem der beiden Grundkörper des Sensors zu verbinden.
In der DE 10 2016 111 303 A1 ist ein Beispiel eines kapazitiven MEMS-Differenzdrucksensors beschrieben, der einteilige, als Elektrode dienende Grundkörper aus Titan umfasst, die jeweils unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht mit der Messmembran verbunden sind und mit der als Gegenelektrode dienenden Messmembran einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran abhängigen Kapazität bilden. Diese Grundkörper sind jeweils über eine sich vollflächig über die gesamte Grundfläche des jeweiligen Grundkörpers erstreckende metallische Fügung mit einem der beiden Stützkörper aus Titan verbunden. Diese metallischen Fügungen bieten den Vorteil, dass sie mechanisch extrem stabil und in hohem Maße druckfest sind. Darüber hinaus bietet die Materialgleichheit der Fügepartner den Vorteil, dass im Bereich der Fügungen keine durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingten, über die Grundkörper auf die Messmembran übertragbaren Spannungen entstehen können, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken könnten.
Nachteilig ist jedoch, dass die vergleichsweise starren und spröden Isolationsschichten zwischen Messmembran und Grundkörper die Druckfestigkeit des Drucksensors reduzieren. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich aufgrund der Größe der Elektroden und der elektrisch leitfähig damit verbundenen metallischen Stützkörper vergleichsweise große parasitäre Kapazitäten ausbilden können, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken. Parasitäre Kapazitäten entstehen unter anderem durch kapazitive Kopplungen zwischen der jeweiligen Elektrode und deren Umfeld, die dazu führen, dass eine zwischen der Messmembran und der jeweiligen Elektrode gemessene Kapazität neben der druckabhängig veränderlichen Kapazität zusätzlich auch durch die kapazitiven Kopplungen bedingte parasitäre Kapazitäten umfasst.
Ein weiteres in der DE 10 2016 111 303 A1 beschriebenes Beispiel umfasst einen kapazitiven MEMS-Differenzdrucksensor mit einteiligen Grundkörpern aus Titan, auf deren die darin eingeschlossene Druckkammer begrenzenden, der Messmembran zugewandten Mantelfläche jeweils eine auf einer Isolationsschicht angeordnete Elektrode angeordnet ist, die zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden Messmembran einen Kondensator mit einer von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran abhängigen Kapazität bildet. Diese Ausführungsform bietet gegenüber der zuvor genannten den Vorteil, dass sich hier aufgrund der Isolation der Elektroden gegenüber dem jeweiligen Grundkörper weniger parasitäre Kapazitäten ausbilden können, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken. Außerdem kann bei dieser Ausführungsform auf die zwischen der Messmembran und den Grundkörpern angeordneten Isolationsschichten verzichtet werden.
Nachteilig ist jedoch, dass hier zwischen den Grundkörpern und den Stützkörpern angeordnete Isolationsschichten erforderlich sind, damit an die im Sensor eingeschlossenen Elektroden angeschlossene Anschlussleitungen zwischen den Grundkörpern und den damit verbundenen Stützkörpern elektrisch isoliert gegenüber dem Stützkörper und dem Grundkörper nach außen geführt werden können. Das hat zur Folge, dass die über die Isolationsschichten erfolgenden Verbindungen zwischen den Grundkörpern und den Stützkörpern eine geringere mechanische Stabilität und Druckfestigkeit aufweisen als metallische Fügungen. Darüber hinaus können sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundkörper, Stützkörper und der jeweils dazwischen angeordneten Isolationsschicht thermomechanische Spannungen ausbilden, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit auswirken.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druckmesseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist, die eine hohe Berst- und Überlastfestigkeit aufweist, und die eine möglichst hohe Messgenauigkeit aufweist.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit
einem als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor, der eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran, zwei zu beiden Seiten der Messmembran angeordnete, aus Titanwafern gefertigte, unter Einschluss einer Druckkammer mit der Messmembran verbundene Grundkörper und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran umfasst, und
zwei jeweils an eine der beiden Druckkammern des Sensors angeschlossenen Druckübertragungsleitungen, über die die Druckkammern jeweils mit einem der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagbar sind,
die sich dadurch auszeichnet, dass die Druckübertragungsleitungen als den Sensor tragende Leitungen ausgebildet sind, die jeweils ein metallisches Röhrchen umfassen, das endseitig mittels einer metallischen Fügung mit einem aus Metall bestehenden Kanalabschnitt eines durch einen der beiden Grundkörper hindurch zu der in dem jeweiligen Grundkörper eingeschlossenen Druckkammer verlaufenden Druckkanals verbunden ist.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen bietet den Vorteil, dass über die metallischen Fügungen zwischen den Röhrchen und den metallischen Kanalabschnitten der durch die Grundkörper hindurch verlaufenden Druckkanäle jeweils eine mechanisch hochfeste, in hohem Maße druckbeständige, rein metallische Verbindung besteht. Dabei ist über die den Sensor tragenden Röhrchen und die metallischen Fügungen eine sehr rückwirkungsarme Halterung des Sensors gegeben. Darüber hinaus bieten erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen den Vorteil, dass abgesehen von dem für die Röhrchen und die damit verbundenen Kanalabschnitte benötigten Platz, praktisch die gesamten membran-abgewandten Stirnseiten der Grundkörper zur Verfügung stehen, um an im Sensor angeordnete Komponenten des Wandlers angeschlossene Anschlussleitungen nach außen zu führen.
Eine erste Variante dieser Druckmesseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass
die Kanalabschnitte jeweils durch einen membran-abgewandten, eine größere Querschnittsfläche aufweisenden, außenseitlich von einem aus Titan bestehenden Bereich des jeweiligen Grundkörpers umgebenen Abschnitt des durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufenden Druckkanals gebildet sind, und
die Röhrchen jeweils einen in den damit verbundenen Kanalabschnitt eingesetzten Endbereich aufweisen.
Eine Weiterbildung der erste Variante zeichnet sich dadurch aus, dass
die in die Kanalabschnitte eingesetzten Endbereiche der Röhrchen eine Länge von 0,1 mm bis 5 mm aufweisen,
die Röhrchen eine Wandstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm und/oder einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm aufweisen, und/oder
die Grundkörper jeweils eine Dicke von größer gleich 500 µm, größer gleich 1000 µm oder größer gleich 5000 µm aufweisen, und/oder
die Grundkörper jeweils eine Dicke aufweisen, die größer gleich dem 0,5-fachen, dem 1-fachen, oder sogar größer gleich dem 5-fachen eines Durchmessers einer durch den darauf einwirkenden Differenzdruck auslenkbaren Membranfläche der Messmembran ist.
Eine zweite Variante der Druckmesseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass
die Kanalabschnitte jeweils durch ein rohrförmiges, metallisches aus dem jeweiligen Grundkörper herausragendes Leitungssegment des durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufenden Druckkanals gebildet sind, und
die Röhrchen jeweils einen Endbereich aufweisen, der den damit verbundenen Kanalabschnitt außenseitlich, allseitig umgibt.
Eine Weiterbildung der zweiten Variante zeichnet sich dadurch aus, dass
die die Kanalabschnitte bildenden aus dem jeweiligen Grundkörper herausragenden Leitungssegmente der Druckkanäle eine Wandstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm und/oder einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm aufweisen, und/oder
die die Leitungssegmente außenseitlich umgebenden Endbereiche der Röhrchen eine Länge von 5 mm bis 50 mm und/oder eine Wandstärke von 0,2 mm bis 3 mm aufweisen.
Erste Weiterbildungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass
die Grundkörper jeweils als einlagige, aus einem einzigen Titanwafer gefertigte Grundkörper ausgebildet sind,
die Grundkörper jeweils unmittelbar, ohne Zwischenfügung einer Isolationsschicht, mittels einer metallischen Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran verbunden sind,
die Messmembran eine Membranstärke von 10 µm bis 1000 µm aufweist,
die Messmembran eine durch den darauf einwirkenden Differenzdruck auslenkbare Membranfläche mit einem Außendurchmesser von 1 mm bis 2 mm aufweist,
die Grundkörper jeweils eine Dicke aufweisen, die größer gleich einer in Abhängigkeit von einer für die beiden Drücke vorgegebenen Obergrenze vorgegebenen Mindestdicke ist, die derart bemessen ist, dass die Grundkörper auch dann noch im Wesentlichen formstabil bleiben, wenn die darin eingeschlossenen Druckkammer mit einem der Obergrenze entsprechenden Druck beaufschlagt wird,
die Röhrchen und die damit verbundenen Kanalabschnitte aus dem gleichen metallischen Werkstoff oder aus Titan bestehen, und/oder
die die Röhrchen mit den Kanalabschnitten verbindenden metallischen Fügungen Lötungen, Schweißungen oder durch ein unter Zwischenfügung eines reaktiven Mehrschichtsystems von aufeinander angeordneten Nano-Layern aus miteinander exotherm reagierenden Reaktionspartnern ausgeführtes Bondverfahren, bei dem das Mehrschichtsystem durch eine Aktivierungsenergie zur Reaktion gebracht wurde, hergestellte metallische Fügungen sind.
Eine zweite Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
der Wandler mindestens einen jeweils durch eine in einem der beiden Grundkörper auf einem Isolator angeordnete, durch den Isolator gegenüber dem jeweiligen Grundkörper elektrisch isolierte Elektrode und die als Gegenelektrode dienende Messmembran gebildeten Kondensator umfasst, der eine von der vom auf die Messmembran einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran abhängige Kapazität aufweist, und
die an die Elektroden angeschlossenen Anschlussleitungen jeweils von dem Druckkanal und dem Kanalabschnitt beabstandet und elektrisch isoliert gegenüber dem Grundkörper durch den denjenigen Grundkörper hindurch verlaufen, in dem die jeweilige Elektrode angeordnet ist.
Eine Weiterbildung der zweiten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
die Grundkörper als einlagige, aus einem einzigen Titanwafer gefertigte, jeweils unmittelbar über die metallische Fügung mit der Messmembran verbundene Grundkörpern ausgebildet sind, und
Grundkörper und Messmembran entweder geerdet sind oder über einen elektrisch leitend mit der Messmembran verbundenen Membrananschluss oder einen auf einer Außenseite der Messmembran oder auf einer Außenseite eines der beiden Grundkörper angeordneten, elektrisch leitend mit der Messmembran verbundenen Membrananschluss an ein Bezugspotential oder an eine Messschaltung angeschlossen sind, wobei die Messschaltung dazu ausgebildet ist im Messbetrieb ein von der Messschaltung bereitgestelltes Referenzpotential an den Membrananschluss und damit an die Messmembran und die beiden Grundkörper anzulegen.
Eine Weiterbildung der zweiten Weiterbildung oder deren Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
die Isolatoren jeweils als eine als Beschichtung aufgebrachte Isolationsschicht ausgebildet sind und/oder jeweils als Isolationsschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) ausgebildet sind, oder
die Isolatoren jeweils als in einer Ausnehmung in dem jeweiligen Grundkörper angeordnete Körper ausgebildet sind, wobei die Körper jeweils:
aus Glas, aus einem keramischen Werkstoff, aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), aus einer Niedertemperatur-Einbrandkeramik oder aus einem anderen elektrisch isolierenden Material gefertigte Körper sind, und
entweder als in die jeweilige Ausnehmung eingesetzte Formteile ausgebildet sind oder als aus aufeinander aufgebrachten, jeweils durch Lasersintern verfestigten, miteinander und mit dem Grundkörper verbundenen Schichten aufgebaute Körper ausgebildet sind.
Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass in den durch den als Körper ausgebildeten Isolator hindurch verlaufenden Abschnitt des Druckkanals jedes der beiden Grundkörper jeweils eine metallische Leitung derart eingesetzt, eingeglast, eingesintert oder durch eine Fügung mit dem Körper verbunden ist, dass deren aus dem jeweiligen Grundkörper (5) herausragendes Leitungssegment den Kanalabschnitt (17b) bildet und/oder die Leitung (29) durch den Körper elektrisch gegenüber jeweiligen Grundkörper (5) isoliert ist.
Eine Weiterbildung der beiden letztgenannten Weiterbildungen zeichnet sich dadurch aus, dass
die als Körper ausgebildeten Isolatoren aus Keramik oder aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen,
die Leitungen aus Titan bestehen, als metallische Kapillarleitung ausgebildet sind und/oder durch eine Aktivhartlötung mit dem jeweiligen Körper verbunden sind,
die in die Körper eingesetzten Endbereiche der Leitungen eine Länge im Bereich von 5 mm bis 20 mm aufweisen, und
die Grundkörper eine Dicke aufweisen, die echt größer als die Länge der in die Körper eingesetzten Endbereiche der Leitungen ist und/oder diese Länge um mehr als einen Millimeter übersteigt.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass in einem oder beiden Grundkörpern jeweils eine Durchkontaktierung vorgesehen ist, die einen durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufenden, innenseitig mit einem elektrisch isolierenden Material oder mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) ausgekleideten Kanal umfasst, durch den die an eine in dem jeweiligen Grundkörper angeordnete Komponente des Wandlers oder die Elektrode angeschlossene Anschlussleitung hindurch verläuft.
Eine vierte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Druckübertragungsleitungen jeweils ein in das Röhrchen und/oder ein in ein an das Röhrchen angeschlossenes Leitungssegment eingesetztes Isolationsstück umfassen, das derart ausgebildet ist, dass es die beiden über das Isolationsstück miteinander verbundenen Leitungssegmente der jeweiligen Druckübertragungsleitung elektrisch gegeneinander isoliert.
Eine fünfte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass
die Druckmesseinrichtung einen Träger umfasst, auf dem die beiden den Sensor tragenden, jeweils durch das Röhrchen gebildeten oder das Röhrchen umfassenden, insgesamt als starre Leitungen ausgebildeten Druckübertragungsleitungen montiert sind, oder
die Druckmesseinrichtung zwei zu beiden Seiten der Messmembran vom Sensor beabstandet angeordnete Träger umfasst, auf denen jeweils eine der beiden den Sensor tragenden, jeweils durch das Röhrchen gebildeten oder das Röhrchen umfassenden, insgesamt als starre Leitung ausgebildeten Druckübertragungsleitungen montiert ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass
jede Druckübertragungsleitung jeweils an einen in dem die jeweilige Druckübertragungsleitung tragenden Träger integrierten Druckmittler angeschlossen ist oder über eine durch den die jeweilige Druckübertragungsleitung tragenden Träger hindurch verlaufende Kapillarleitung an einen Druckmittler anschließbar oder angeschlossen ist,
der Träger oder mindestens einer der Träger jeweils einen Prozessanschluss umfasst, über den die Druckmesseinrichtung am Einsatzort auf einem hierzu komplementären Prozessanschluss montierbar und/oder an mindestens eine Wirkdruckleitung anschließbar ist, und/oder
der Sensor in einem den Sensor umgebenden, vom Sensor beabstandten Gehäuse angeordnet ist.
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 Komponenten mit sehr unterschiedlichen Abmessungen darstellen zu können, wurde eine nicht maßstabsgetreue Darstellung gewählt.

1 zeigt: ein Beispiel einer Druckmesseinrichtung;
2 zeigt: den Sensor der Druckmesseinrichtung von 1;
3 zeigt: ein Beispiel einer Druckmesseinrichtung; und
4 zeigt: den Sensor der Druckmesseinrichtung von 3.

1 und 3 zeigen jeweils ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung zur Messung eines Differenzdrucks, die jeweils einen als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor 1a, 1b umfassen. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Sensors 1a der in 1 dargestellten Druckmesseinrichtung und 4 eine vergrößerte Darstellung des Sensors 1b der in 3 dargestellten Druckmesseinrichtung.
Die Sensoren 1a, 1b umfassen jeweils eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran 3 und zwei zu beiden Seiten der Messmembran 3 angeordnete, aus Titanwafern gefertigte, jeweils unter Einschluss einer Druckkammer 7 mit der Messmembran 3 verbundene Grundkörper 5.
Zusätzlich umfassen die Sensoren 1a, 1b jeweils einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran 3 einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran 3. Über den Wandler steht somit mindestens eine von der Durchbiegung abhängige elektrische Größe zur Verfügung, die mittels einer an den Wandler angeschlossenen oder anschließbaren Messschaltung 9 messtechnisch erfasst und in ein den zu messenden Differenzdruck wiedergebendes elektrisches Signal umgewandelt werden kann, das dann zur Ausgabe, zur Anzeige und/oder zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung steht.
Als kapazitive Wandler ausgebildete Wandler umfassen hierzu mindestens einen Kondensator mit einer von der vom auf die Messmembran 3 einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran 3 abhängigen Kapazität. Hierzu eigenen sich insb. Kondensatoren, die jeweils eine starre, der Messmembran 3 gegenüberliegend angeordnete, gegenüber der Messmembran 3 elektrisch isolierte Elektrode 11 umfassen, die zusammen mit der als Gegenelektrode dienenden Messmembran 3 den jeweiligen Kondensator bildet. Grundsätzlich genügt ein einziger Kondensator, um den Differenzdruck zu messen. Die hier als Beispiel dargestellten Sensoren 1a, 1b umfassen jeweils zwei Kondensatoren, deren Elektroden 11 zu beiden Seiten der Messmembran 3 jeweils der Messmembran 3 gegenüberliegend angeordnet sind.
Zusätzlich ist an jede der beiden Druckkammern 7 jeweils eine Druckübertragungsleitung 13a, 13b angeschlossen, über die die jeweilige Druckkammer 7 mit einem der beiden Drücke p₁ , p₂ , deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagbar ist. Diese Druckbeaufschlagung bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck, also der Differenz der beiden Drücke p1, p2, abhängige Durchbiegung der Messmembran 7.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass deren Druckübertragungsleitungen 13a, 13b als den Sensor 1a, 1b tragende Leitungen ausgebildet sind, die jeweils ein metallisches Röhrchen 15 umfassen. Jedes dieser Röhrchen 15 ist endseitig mittels einer in den Figuren nicht mit einem eigenen Bezugszeichen versehenen metallischen Fügung mit einem aus Metall bestehenden Kanalabschnitt 17a, 17b eines durch einen der beiden Grundkörper 5 hindurch zu der in dem jeweiligen Grundkörper 5 eingeschlossenen Druckkammer 7 verlaufenden Druckkanals 19 verbunden.
1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem die Kanalabschnitte 17a jeweils durch einen membran-abgewandten, eine größere Querschnittsfläche aufweisenden, außenseitlich von einem aus Titan bestehenden Bereich des jeweiligen Grundkörpers 5 umgebenen Abschnitt des durch den jeweiligen Grundkörper 5 hindurch verlaufenden Druckkanals 19 gebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Röhrchen 15 jeweils einen in den damit verbundenen Kanalabschnitt 17a eingesetzten Endbereich auf.
3 zeigt ein Beispiel, bei dem die Kanalabschnitte 17b jeweils durch ein rohrförmiges, metallisches aus dem jeweiligen Grundkörper 5 herausragendes Leitungssegment des durch den jeweiligen Grundkörper 5 hindurch verlaufenden Druckkanals 19 gebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Röhrchen 15 jeweils einen Endbereich auf, der den damit verbundenen Kanalabschnitt 17b außenseitlich, allseitig umgibt.
Zur Vermeidung thermomechanischer Spannungen bestehen die Röhrchen 15 vorzugsweise aus dem gleichen metallischen Werkstoff wie die damit verbundenen Kanalabschnitte 17a, 17b, z.B. aus Titan. Als metallische Fügungen zwischen den Röhrchen 15 und den damit verbundenen Kanalabschnitten 17a, 17b eignen sich insb. mittels eines Lötverfahrens hergestellte Lötungen oder mittels eines Schweißverfahren hergestellte Schweißungen. Zur Herstellung der Lötungen eignet sich z.B. ein Hartlötverfahren, insb. ein bei einer vergleichsweise hohen Temperatur von bis zu 500°C durchgeführtes Hartlötverfahren. Zur Herstellung der Schweißungen eignet sich z.B. ein Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren (WIG) oder ein Laserschweißverfahren, wie z.B. ein mit einem gepulsten Neodym-dotierten Yttrium Aluminium Granat Laser (Nd:YAG-Laser) ausgeführtes Schweißverfahren. Alternativ kann zur Herstellung der metallischen Fügungen aber auch ein unter Zwischenfügung eines reaktiven Mehrschichtsystems ausgeführtes Bondverfahren eingesetzt werden, bei dem auf einem oder beiden Fügepartnern ein Mehrschichtsystem aus aufeinander angeordneten Nano-Layern aus miteinander stark exotherm reagierenden Reaktionspartnern, wie z.B. Titan und Aluminium oder Titan und Silizium aufgebracht wird, das dann mittels einer Aktivierungsenergie zur Reaktion gebracht wird.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen weisen die zuvor genannten Vorteile auf. Darüber hinaus bieten sowohl die metallischen Fügungen als auch die hierzu vorzugsweise als Kapillarleitungen ausgebildeten Röhrchen 15 den Vorteil, dass sie zugleich auch eine Flammendurchschlagsperre bilden, die verhindert, dass ein im Inneren des Sensors 1a, 1b durch eine Fehlfunktion, wie z.B. einen Kurzschluss, entstehender Funke nach außen tritt. Letzteres ist insb. dann von Vorteil, wenn die Druckmesseinrichtung in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt wird.
Im Rahmen der Erfindung können einzelne Bestandteile der Druckmesseinrichtung unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen. Hierzu sind nachfolgend einige Beispiele einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbarer optionaler Ausgestaltungen beschrieben.
Grundsätzlich können in erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen Sensoren eingesetzt werden, deren Grundkörper eine oder mehrere jeweils unter Zwischenfügung einer Isolationsschicht miteinander verbundene, jeweils aus einem Titanwafer gefertigte Lagen umfassen. Zur Erzielung einer möglichst hohen Berstfestigkeit und einer möglichst hohen Überlastfestigkeit werden jedoch vorzugsweise Sensoren 1a, 1b eingesetzt, deren Grundkörper 5 als einlagige, d.h. aus einem einzigen Titanwafer gefertigte, Grundkörper 5 ausgebildet sind. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Grundkörper 5 keine die Berstfestigkeit und/oder die Überlastfestigkeit des Sensors 1a, 1b reduzierenden, im Messbetrieb Druck- und/oder Zugbelastungen ausgesetzten, jeweils zwei aus Titantwafern gefertigte Lagen miteinander verbindende Isolationsschichten enthalten.
Alternativ oder zusätzlich hierzu sind die Grundkörper 5 vorzugsweise jeweils unmittelbar, d.h. ohne Zwischenfügung einer Isolationsschicht, mittels einer in den Figuren nicht mit einem separaten Bezugszeichen versehenden metallischen Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran 3 verbunden. Zur Fügung von unmittelbar miteinander zu verbindenden Titanwafern eignen sich z.B. Lötverfahren und Schweißverfahren, z.B. Wolfram-Inertgas-Schweißverfahren (WIG) oder Laserschweißverfahren, wie z.B. mit einem gepulsten Neodym-dotierten Yttrium Aluminium Granat Laser (Nd:YAG-Laser) ausgeführte Schweißverfahren. Alternativ können Bondverfahren, insb. unter Zwischenfügung einer Hilfsschicht, insb. einer Goldschicht, ausgeführte Thermokompressionsbondverfahren, sowie reaktive Bondverfahren eingesetzt werden. Beim reaktiven Bonden können unter anderem auch unter Zwischenfügung von reaktiven Mehrschichtsystemen ausgeführte Bondverfahren eingesetzt werden, bei denen auf einem oder beiden Fügepartnern ein Mehrschichtsystem aus aufeinander angeordneten Nano-Layern aus miteinander stark exotherm reagierenden Reaktionspartnern, wie z.B. Titan und Aluminium oder Titan und Silizium aufgebracht wird, das dann mittels einer Aktivierungsenergie zur Reaktion gebracht wird. Die metallischen Fügungen zwischen der Messmembran 3 und jedem der beiden Grundkörper 5 bieten den Vorteil, dass sie deutlich höheren Druck- und/oder Zugbelastungen standhalten, als unter Zwischenfügung von Isolationsschichten ausgeführte Verbindungen zwischen Messmembran und Grundkörper.
Alternativ oder zusätzlich hierzu sind die Elektroden 11 vorzugsweise jeweils als in einem der beiden Grundkörper 5 auf einem Isolator 23, 25 angeordnete, durch den Isolator 23, 25 gegenüber dem jeweiligen Grundkörper 5 elektrisch isolierte Elektroden 11 ausgebildet. Dabei verlaufen die an die Elektroden 11 angeschlossenen Anschlussleitungen 21 jeweils von dem Druckkanal 19 und dem Kanalabschnitt 17a, 17b beabstandet und elektrisch isoliert gegenüber dem Grundkörper 5 durch denjenigen Grundkörper 5 hindurch, in dem die Elektrode 11 angeordnet ist.
Dabei kann der elektrische Anschluss der auf den Isolatoren 23, 25 angeordneten Elektroden 11 z.B. jeweils über eine Durchkontaktierung 27 erfolgen, die einen durch den jeweiligen Grundkörper 5 hindurch verlaufenden, innenseitig mit einem elektrisch isolierenden Material ausgekleideten Kanal umfasst, durch den die an die jeweilige Elektrode 11 angeschlossene Anschlussleitung 21 hindurch verläuft. Diese Durchkontaktierungen 27 können z.B. hergestellt werden, indem die Kanäle durch ein Ätzverfahren erzeugt oder mittels eines Lasers gebohrt werden, die Kanäle z.B. durch Abscheidung aus der Gasphase mit dem isolierenden Material beschichtet werden und anschließend mit einer den durch die Durchkontaktierung 27 hindurch verlaufenden Abschnitt der Anschlussleitung 21 bildenden metallischen Befüllung befüllt werden. Als Ätzverfahren eignen sich z.B. anisotrope Ätzverfahren, wie z.B. das unter der Abkürzung MARIO (Metal Anisotropic Reaktive Ion Echting with Oxidation) bekannte Verfahren, sowie der im Journal of the Electrochemical Societey, 152 (52) C675-C685, im Jahr 2005 unter dem Titel ‚Inductively Coupled Plasma Echting of Bulk Titanium for MEMS Applications‘, erschienenen Veröffentlichung von E.R. Parker, B.J. Thibeault, M:F. Aimi, M.P. Rao und N.C. MacDonald beschriebene TIDE-Prozess, mit denen in Titanwafern Ausnehmungen mit vergleichsweise hohem Aspektverhältnis erzeugt werden können. Als isolierendes Material eignet sich in Verbindung mit auf Titanbasis hergestellten Sensoren 1a, 1b insb. Aluminiumoxid (Al₂O₃). Aluminiumoxid (Al₂O₃) bietet den Vorteil, dass es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem von Titan sehr ähnlich ist. Aus dem gleichen Grund eignet sich als metallische Befüllung insb. eine Befüllung aus Titan oder einem anderen Metall, das einen an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Titan und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des isolierenden Materials angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
Die auf den Isolatoren 23, 25 angeordneten Elektroden 11 bietet den Vorteil, dass die Isolatoren 23, 25 zugleich auch eine Isolation der darauf angeordneten Elektroden 11 gegenüber der Messmembran 3 bewirken, so dass hierzu keine zwischen der Messmembran 3 und dem jeweiligen Grundkörper 5 angeordnete Isolationsschicht erforderlich ist.
Je größer die vom Differenzdruck abhängigen Kapazitätsänderungen der jeweils durch eine der Elektroden 11 und die Messmembran 7 gebildeten Kondensatoren im Vergleich zur Gesamtkapazität des jeweiligen Kondensators sind, umso größer ist dem entsprechend auch die mit dem Sensor 1a, 1b erzielbare Messauflösung und damit auch die Messgenauigkeit. Insoweit bieten im Sensor 1a, 1b eingeschlossene Elektroden 11 gegenüber einlagigen insgesamt als Elektrode dienenden Grundkörpern den Vorteil einer höheren Messempfindlichkeit. Ursache hierfür ist, dass durch die Messmembran und einen insgesamt als Elektrode dienenden Grundkörper gebildete Kondensatoren zwangsläufig einen äußeren zur Gesamtkapazität beitragenden Teilkondensator mit konstanter Kapazität umfassen, dessen Kondensatorfläche gleich der Fläche des mit den Grundkörpern verbundenen starren äußeren Randes der Messmembran ist. Dieser Teilkondensator entfällt bei Sensoren 1a, 1b mit in den Grundkörpern 5 eingeschlossenen Elektroden 11, so dass die vom Differenzdruck abhängigen Kapazitätsänderungen dieser Kondensatoren im Vergleich zu deren Gesamtkapazität größer sind, als bei Sensoren mit durch die Messmembran und insgesamt als Elektrode dienenden Grundkörpern gebildete Kondensatoren.
Zugleich bieten die Isolatoren 23, 25 aufgrund deren isolierenden Wirkung einen gewissen Schutz vor parasitären Kapazitäten.
Die Isolatoren 23 können z.B. jeweils als auf eine membran-zugewandte innere Mantelfläche des jeweiligen Grundkörpers 5 aufgebrachte Isolationsschicht ausgebildet sein. Bei dieser in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform können die Isolationsschichten z.B. aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen und/oder als Beschichtung, z.B. durch Abscheidung aus der Gasphase, im Waferverbund auf die mit der Isolationsschicht zu versehenden Oberflächenbereiche des Titanwafers, aus dem die Grundkörper 5 gefertigt werden, aufgebracht werden. Die Schichtdicke in der diese Isolationsschichten aufgebracht werden können ist jedoch regelmäßig auf wenige Mikrometer begrenzt.
Eine den Einfluss parasitärer Kapazitäten noch weiter reduzierende Erhöhung der durch die Isolatoren 25 bewirkten Isolation zwischen Grundkörper 5 und Elektrode 11 kann optional dadurch erzielt werden, dass die Isolatoren 25 jeweils als in einer Ausnehmung in dem jeweiligen Grundkörper 5 angeordnete, aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigte Körper ausgebildet sind. Diese Körper können ohne Weiteres eine deutlich größere Dicke aufweisen als als Beschichtung aufgebrachte Isolationsschichten.
Zur Herstellung der Ausnehmungen eignen sich z.B. die zuvor in Verbindung mit den Durchkontaktierungen 27 genannten Ätzverfahren. Zur Herstellung der Körper eignen sich z.B. Materialien, wie z.B. Glas oder keramische Werkstoffe, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder unter der englischen Bezeichnung Low Temperatur Cofired Ceramics (LTCC) bekannte Niedertemperatur-Einbrandkeramiken. Aus diesen Materialien hergestellte Körper können z.B. als Formteil vorgefertigt und anschließend in die jeweilige Ausnehmung eingesetzt und dort je nach Material des Körpers z.B. durch Einlöten, Anschmelzen oder durch anodisches Bonden fixiert werden. Alternativ können die Körper jeweils als aus aufeinander aufgebrachten, jeweils durch Lasersintern verfestigten, miteinander und mit dem Grundkörper 5 verbundene Schichten direkt im Grundkörper 5 aufgebaute Körper ausgebildet sein. Auch zur Herstellung dieser Körper eignen sich z.B. keramische Materialien, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), die beispielsweise in Form eines Pulvers oder einer Paste schichtweise aufgetragen und verfestigt werden. Auf diese Weise hergestellte Körper bieten den Vorteil, dass sie automatisch eine optimal an die Formgebung der Ausnehmung angepasste Formgebung erhalten, so dass Fertigungstoleranzen hier praktisch keine Rolle mehr spielen. Mit den Grundkörpern 5 verbundene Körper bieten den Vorteil, dass sie aufgrund deren Verbindung zu den Grundkörpern 5 zur Erhöhung der Formstabilität der Grundkörper 5 beitragen. Dabei bieten ohne Zwischenfügung einer aus einem Fügematerial bestehenden Fügeschicht zwischen Grundkörper 5 und Körper ausgeführte Verbindungen den Vorteil einer höheren Langzeitstabilität, da hier keine auf Veränderungen, wie z.B. Alterungseffekte, des Fügematerials zurückzuführenden, die Messeigenschaften mit der Zeit verändernden Langzeiteffekte auftreten können.
Bei Sensoren mit als Körper ausgebildeten Isolatoren können die Körper z.B. jeweils einen durch den jeweiligen Körper hindurch verlaufenden Abschnitt des durch den jeweiligen Grundkörper hindurch verlaufenden Druckkanals umgeben, der entweder unmittelbar oder über einen weiteren durch die metallische Lage des jeweiligen Grundkörpers hindurch verlaufenden Abschnitt des Druckkanals mit einem analog zu dem in 1 und 2 dargestellten Kanalabschnitt 17a ausgebildeten Kanalabschnitt verbunden ist.
Alternativ kann in den durch den Körper hindurch verlaufenden Abschnitt des Druckkanals 19 jedes der beiden Grundkörper 5 jeweils eine metallische Leitung 29 derart eingesetzt sein, dass deren aus dem jeweiligen Grundkörper 5 herausragendes Leitungssegment den Kanalabschnitt 17b bildet. Diese Ausführungsform ist in den 3 und 4 dargestellt. Diese Leitungen 29 können je nach Material der Körper und des zu deren Herstellung verwendeten Verfahrens z.B. bei der Herstellung der Körper in den jeweiligen Körper eingeglast oder eingesintert werden. Alternativ können sie nachträglich in eine in dem jeweiligen Körper erzeugte Ausnehmung eingesetzt und dort mittels eines Fügeverfahrens mit dem Körper verbunden werden. Im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst hohen Überlastfestigkeit der Druckmesseinrichtung bestehen die Isolatoren 25 vorzugsweise aus Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), und sind mit der darin eingesetzten metallischen Leitung 29 vorzugsweise jeweils mittels einer Aktivhartlötung verbunden. Aktivhartlötungen bieten den Vorteil, dass sie eine Druckfestigkeit aufweisen, die der metallischer Fügungen vergleichbar ist. Im Hinblick auf deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besonders gut geeignet sind insoweit z.B. als aus Titan bestehende Kapillarleitungen ausgebildete Leitungen 29.
Die jeweils aus einem Titanwafer mit entsprechender Waferdicke hergestellten Messmembranen 3 erfindungsgemäßer Druckmesseinrichtungen können je nach Druckmessbereich z.B. eine Membranstärke von 10 µm bis 1000 µm aufweisen. Dabei können die Messmembranen 3 z.B. eine durch den darauf einwirkenden Differenzdruck auslenkbare Membranfläche mit einem Durchmesser von 1 mm bis 2 mm aufweisen. Die Größe der auslenkbaren Membranfläche wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom Druckmessbereich des Sensors 1a, 1b und einer vorgegebenen Obergrenze für die beiden Drücke p₁ , p₂ , deren Differenz gemessen werden soll, vorgegeben. Dabei ist es zur Erzielung einer hohen Überlastfestigkeit vorteilhaft, wenn die Membranfläche möglichst gering ist. Andererseits steigt der durch den Differenzdruck bewirkte Membranhub und damit auch die Messgenauigkeit mit zunehmender Größe der auslenkbaren Membranfläche an.
Die Grundkörper 5 weisen jeweils eine Dicke auf, die deutlich größer als die Membranstärke ist. Dabei weisen einlagige, aus einem einzigen Titanwafer entsprechender Waferdicke hergestellte Grundkörper 5 jeweils eine Dicke auf, die größer gleich einer in Abhängigkeit von der für die beiden Drücke p₁ , p₂ , vorgegebenen Obergrenze vorgegebenen Mindestdicke ist, die derart bemessen ist, dass die Grundkörper 5 auch dann noch im Wesentlichen formstabil bleiben, wenn die darin eingeschlossenen Druckkammer 7 mit einem der Obergrenze entsprechenden Druck p₁ , p₂ beaufschlagt wird.
Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die in die Kanalabschnitte 17a eingesetzten Endbereiche der Röhrchen 15 je nach Wahl des Fügeverfahrens vorzugsweise eine Länge von 0,1 mm bis 5 mm auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu weisen die Röhrchen 15 vorzugsweise eine Wandstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm und/oder einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die einlagigen Grundkörper 5 vorzugsweise ein Dicke auf, die größer gleich einer Mindestdicke von 500 µm bis 1000 µm ist. Im Hinblick auf eine möglichst hohe Berst- und Überlastfestigkeit weisen die Grundkörper 5 vorzugsweise sogar eine Dicke von größer gleich 5000 µm auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Dicke der Grundkörper 5 hier derart bemessen sein, dass sie größer gleich dem 0,5-fachen, dem 1-fachen, oder sogar größer gleich dem 5-fachen des Durchmessers der auslenkbaren Membranfläche ist.
Bei dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die die Kanalabschnitte 17b bildenden aus dem jeweiligen Grundkörper 5 herausragenden Leitungssegmente der Druckkanäle 19 vorzugsweise eine Wandstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm und/oder einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu weisen die diese Leitungssegmente außenseitlich umgebenden Endbereiche der Röhrchen 15 vorzugsweise eine Länge von 5 mm bis 50 mm auf und/oder eine Wandstärke von 0,2 mm bis 3 mm auf. Darüber hinaus weisen die in die als Körper ausgebildeten Isolatoren 25 eingesetzten Endbereiche der Leitungen 29 vorzugweise eine Länge von 5 mm bis 20 mm auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die einlagigen Grundkörper 5 ein Dicke auf, die echt größer als die Länge der in die Körper eingesetzten Endbereiche der Leitungen 29 ist und/oder diese Länge um mehr als einen Millimeter übersteigt.
Die Röhrchen 15 können z.B. als Bestandteil der jeweiligen Druckübertragungsleitung 13a ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist in 1 dargestellt. Dort ist an jedes der beiden Röhrchen 15 jeweils ein weiteres Leitungssegment 23 der Druckübertragungsleitung 13a angeschlossen. Die weiteren Leitungssegmente 23 können z.B. als metallische Leitungssegmente 23 ausgebildet sein, die über eine metallische Fügung, wie z.B. eine Schweißung mit dem jeweiligen Röhrchen 15 verbunden sind. Alternativ können die Röhrchen 15 als die Druckübertragungsleitungen 13b bildende Röhrchen 15 ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ist in 3 dargestellt.
In erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen kann der von den Röhrchen 15 getragene Sensor 1a, 1b auf unterschiedliche Weise montiert sein. So kann der Sensor 1a z.B. mittels der insgesamt als starre Leitungen ausgebildeten Druckübertragungsleitungen 13a auf einem beide Druckübertragungsleitungen 13a und damit auch den Sensor 1a tragenden Träger 31 montiert sein. 1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem die beiden jeweils eines der beiden Röhrchen 15 umfassenden, starren Druckübertragungsleitungen 13a auf dem Träger 31 montiert sind.
Alternativ kann die Druckmesseinrichtung zwei zu beiden Seiten der Messmembran 3 angeordnete, vom Sensor 1b beabstandete Träger 33 umfassen, auf denen jeweils eine der beiden als starre Leitungen ausgebildeten Druckübertragungsleitungen 13b montiert ist. 3 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem die beiden jeweils eine der beiden Druckübertragungsleitungen 13b bildenden Röhrchen 15 jeweils auf einem der beiden einander gegenüberliegend angeordneten Träger 33 montiert sind.
Die Druckbeaufschlagung der Druckkammern 7 des Sensors 1a, 1b kann z.B. über dem Sensor 1a, 1b vorschaltbare oder vorgeschaltete Druckmittler 35 erfolgen. Diese Druckmittler 35 können z.B. in dem die jeweilige Druckübertragungsleitung 13a, 13b tragenden Träger 31, 33 integriert sein. Alternativ können sie über eine durch den die jeweilige Druckübertragungsleitung 13a, 13b tragenden Träger 31, 33 hindurch verlaufende Kapillarleitung an die jeweilige Druckübertragungsleitung angeschlossen sein oder werden.
1 und 3 zeigen hierzu zwei Beispiele, bei denen die Druckübertragungsleitungen 13a, 13b jeweils an einen in dem die jeweilige Druckübertragungsleitung 13a, 13b tragenden Träger 31, 33 integrierten Druckmittler 35 angeschlossen sind. Diese Druckmittler 35 umfassen jeweils eine nach außen durch eine mit dem vom jeweiligen Druckmittler 35 zu übertragenden Druck p₁ , p₂ beaufschlagbare Trennmembran 37 abgeschlossene Druckempfangskammer 39, die über eine Kapillarleitung 41 an die auf dem Träger 31, 33 montierte Druckübertragungsleitung 13a, 13b angeschlossen ist. Dabei sind die Druckempfangskammern 39, die Kapillarleitungen 41, die Druckübertragungsleitungen 13a, 13b und die Druckkammern 7 mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt, über die ein von außen auf die jeweilige Trennmembran 37 einwirkender Druck p₁ , p₂ auf die mit der darunter eingeschlossenen Druckempfangskammer 39 verbundene Druckkammer 7 übertragbar ist.
Alternativ oder zusätzlich hierzu können der oder die Träger 31, 33 einen Prozessanschluss 43 umfassen, über den die Druckmesseinrichtung am Einsatzort auf einem hierzu komplementären Prozessanschluss montierbar und/oder an Wirkdruckleitungen anschließbar ist. 1 und 3 zeigen als Beispiel hierzu an die dort dargestellten Träger 31, 33 angeformte, jeweils als Flansch ausgebildete Prozessanschlüsse 43.
Darüber hinaus können erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen ein in den 1 und 3 nur schematisch dargestelltes, den Sensor 1a, 1b umgebendes Gehäuse 45 umfassen. In diesem Gehäuse 45 kann beispielsweise die an den Sensor 1a, 1b angeschlossene Messschaltung 9 angeordnet sein.
Optional können die Druckübertragungsleitungen 13a jeweils ein in die jeweilige Leitung eingesetztes, als Leitungssegment ausgebildetes Isolationsstück 47 umfassen, das derart ausgebildet ist, dass es die beiden über das Isolationsstück 47 miteinander verbundenen Leitungssegmente der jeweiligen Druckübertragungsleitung 13a elektrisch gegeneinander isoliert. Als Beispiele hierzu zeigt 1 ein in das Röhrchen 15 der linken Druckübertragungsleitung 13a eingesetztes Isolationsstück 47 und ein in das an das Röhrchen 15 angeschlossene Leitungssegment 23 der rechten Drückübertragungsleitung 13a eingesetztes Isolationsstück 47. Als Isolationsstücke 47 eignen sich insb. ring oder rohrförmiger Körper, die z.B. aus einer Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃) gefertigt und/oder jeweils durch Fügungen, wie z.B. Aktivhartlötungen, mit den beiden über das Isolationsstück 47 miteinander zu verbindenden Leitungssegmenten verbunden sind. Aktivhartlötungen bieten auch hier den Vorteil, dass deren Druckfestigkeit der von metallischen Fügungen vergleichbar ist.
Die Isolationsstücke 47 bewirken eine elektrische Isolation des von den Druckübertragungsleitungen 13a getragenen Sensors 1a gegenüber dem die Druckübertragungsleitungen 13a tragenden Träger 31. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine solche Isolation bei dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt werden, dass die metallischen Leitungen 29 elektrisch isoliert gegenüber den metallischen Grundkörpern 5 aus den Grundkörpern 5 heraus geführt sind. Dabei können die Leitungen 29 z.B. durch die als Körper ausgebildeten Isolatoren 25 gegenüber dem jeweiligen Grundkörper 5 elektrisch isoliert sein.
Optional können die an die Elektroden 11 angeschlossenen Anschlussleitungen 21 jeweils ein auf einer Isolationsschicht 49 entlang einer äußeren Mantelfläche des jeweiligen Grundkörpers 5 verlaufendes Anschlussleitungssegment umfassen, an dessen Ende ein Elektrodenanschluss 51 vorgesehen ist, über den die jeweilige Elektrode 11 kontaktiert und/oder an die Messschaltung 9 angeschlossen sein oder werden kann. Optional kann zusätzlich auch die Messmembran 3 über einen elektrisch leitend mit der Messmembran 3 verbundenen Membrananschluss 53 kontaktiert werden und/oder an die Messschaltung 9 angeschlossen sein oder werden. Der Membrananschluss 53 kann z.B. auf einer Außenseite der Messmembran 3 oder auf einer Außenseite eines der beiden jeweils über die metallische Fügung leitend mit der Messmembran 3 verbundenen Grundkörper 5 angeordnet sein.
Optional kann die Druckmesseinrichtung dazu ausgestaltet sein, an den Membrananschluss 53 ein Bezugspotential, wie z.B. ein von der an den Membrananschluss 53 angeschlossenen Messschaltung 9 bereitgestelltes Referenzpotential anzulegen. Alternativ kann die Messmembran 3 über den Membrananschluss 53 geerdet sein. Bei Sensoren 1a, 1b mit einlagigen, jeweils unmittelbar über die metallische Fügung mit der Messmembran 3 verbundenen Grundkörpern 5 liegen die Grundkörper 5 auf dem gleichen Potential, wie die Messmembran 3. Bei diesen Sensoren 1a, 1b wird durch das Anlegen des Referenzpotential oder alternativ durch die Erdung der Messmembran 3 erreicht, dass Messmembran 3 und Grundkörper 5 ähnlich wie bei einem Faraday Käfig eine Abschirmung der Elektroden 11 gegenüber der Umgebung bewirken und die Potentialverhältnisse in der unmittelbaren Umgebung der Elektroden 11 stabil gehalten werden. Beides wirkt sich vorteilhaft auf die Messgenauigkeit aus und reduziert den negativen Einfluss parasitärer Kapazitäten.
Bezugszeichenliste

1a: Sensor
1b: Sensor
3: Messmembran
5: Grundkörper
7: Druckkammer
9: Messelektronik
11: Elektrode
13a: Druckübertragungsleitung
13b: Druckübertragungsleitung
15: Röhrchen
17a: Kanalabschnitt
17b: Kanalabschnitt
19: Druckkanal
21: Anschlussleitung
23: Isolator
25: Isolator
27: Durchkontaktierung
29: metallische Leitung
31: Träger
33: Träger
35: Druckmittler
37: Trennmembran
39: Druckempfangskammer
41: Kapillarleitung
43: Prozessanschluss
45: Gehäuse
47: Isolationsstück
49: Isolationsschicht
51: Elektrodenanschluss
53: Membrananschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016111303 A1 [0007, 0010, 0012, 0014]
DE 102016107238 A1 [0010, 0011]

Claims

Druckmesseinrichtung mit einem als MEMS-Differenzdrucksensor ausgebildeten Sensor (1a, 1b), der eine aus einem Titanwafer gefertigte Messmembran (3), zwei zu beiden Seiten der Messmembran (3) angeordnete, aus Titanwafern gefertigte, unter Einschluss einer Druckkammer (7) mit der Messmembran (3) verbundene Grundkörper (5) und einen kapazitiven, elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer vom auf die Messmembran (3) einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran (3) umfasst, und zwei jeweils an eine der beiden Druckkammern (7) des Sensors (1a, 1b) angeschlossenen Druckübertragungsleitungen (13a, 13b), über die die Druckkammern (7) jeweils mit einem der beiden Drücke (p₁, p₂), deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübertragungsleitungen (13a, 13b) als den Sensor (1a, 1b) tragende Leitungen ausgebildet sind, die jeweils ein metallisches Röhrchen (15) umfassen, das endseitig mittels einer metallischen Fügung mit einem aus Metall bestehenden Kanalabschnitt (17a, 17b) eines durch einen der beiden Grundkörper (5) hindurch zu der in dem jeweiligen Grundkörper (5) eingeschlossenen Druckkammer (7) verlaufenden Druckkanals (19) verbunden ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (17a) jeweils durch einen membran-abgewandten, eine größere Querschnittsfläche aufweisenden, außenseitlich von einem aus Titan bestehenden Bereich des jeweiligen Grundkörpers (5) umgebenen Abschnitt des durch den jeweiligen Grundkörper (5) hindurch verlaufenden Druckkanals (19) gebildet sind, und die Röhrchen (15) jeweils einen in den damit verbundenen Kanalabschnitt (17a) eingesetzten Endbereich aufweisen.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Kanalabschnitte (17a) eingesetzten Endbereiche der Röhrchen (15) eine Länge von 0,1 mm bis 5 mm aufweisen, die Röhrchen (15) eine Wandstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm und/oder einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm aufweisen, und/oder die Grundkörper (5) jeweils eine Dicke von größer gleich 500 µm, größer gleich 1000 µm oder größer gleich 5000 µm aufweisen, und/oder die Grundkörper (5) jeweils eine Dicke aufweisen, die größer gleich dem 0,5-fachen, dem 1-fachen, oder sogar größer gleich dem 5-fachen eines Durchmessers einer durch den darauf einwirkenden Differenzdruck auslenkbaren Membranfläche der Messmembran (3) ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalabschnitte (17b) jeweils durch ein rohrförmiges, metallisches aus dem jeweiligen Grundkörper (5) herausragendes Leitungssegment des durch den jeweiligen Grundkörper (5) hindurch verlaufenden Druckkanals (19) gebildet sind, und die Röhrchen (15) jeweils einen Endbereich aufweisen, der den damit verbundenen Kanalabschnitt (17b) außenseitlich, allseitig umgibt.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kanalabschnitte (17b) bildenden aus dem jeweiligen Grundkörper (5) herausragenden Leitungssegmente der Druckkanäle (19) eine Wandstärke von 0,1 mm bis 0,5 mm und/oder einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 3 mm aufweisen, und/oder die die Leitungssegmente außenseitlich umgebenden Endbereiche der Röhrchen (15) eine Länge von 5 mm bis 50 mm und/oder eine Wandstärke von 0,2 mm bis 3 mm aufweisen.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper (5) jeweils als einlagige, aus einem einzigen Titanwafer gefertigte Grundkörper (5) ausgebildet sind, die Grundkörper (5) jeweils unmittelbar, ohne Zwischenfügung einer Isolationsschicht, mittels einer metallischen Fügung mit einem äußeren Rand der Messmembran (3) verbunden sind, die Messmembran (3) eine Membranstärke von 10 µm bis 1000 µm aufweist, die Messmembran (3) eine durch den darauf einwirkenden Differenzdruck auslenkbare Membranfläche mit einem Durchmesser von 1 mm bis 2 mm aufweist, die Grundkörper (5) jeweils eine Dicke aufweisen, die größer gleich einer in Abhängigkeit von einer für die beiden Drücke (p₁, p₂) vorgegebenen Obergrenze vorgegebenen Mindestdicke ist, die derart bemessen ist, dass die Grundkörper (5) auch dann noch im Wesentlichen formstabil bleiben, wenn die darin eingeschlossenen Druckkammer (7) mit einem der Obergrenze entsprechenden Druck (p₁, p₂) beaufschlagt wird, die Röhrchen (15) und die damit verbundenen Kanalabschnitte (17a, 17b) aus dem gleichen metallischen Werkstoff oder aus Titan bestehen, und/oder die die Röhrchen (15) mit den Kanalabschnitten (17a, 17b) verbindenden metallischen Fügungen Lötungen, Schweißungen oder durch ein unter Zwischenfügung eines reaktiven Mehrschichtsystems von aufeinander angeordneten Nano-Layern aus miteinander exotherm reagierenden Reaktionspartnern ausgeführtes Bondverfahren, bei dem das Mehrschichtsystem durch eine Aktivierungsenergie zur Reaktion gebracht wurde, hergestellte metallische Fügungen sind.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler mindestens einen jeweils durch eine in einem der beiden Grundkörper (5) auf einem Isolator (23, 25) angeordnete, durch den Isolator (23, 25) gegenüber dem jeweiligen Grundkörper (5) elektrisch isolierte Elektrode (11) und die als Gegenelektrode dienende Messmembran (3) gebildeten Kondensator umfasst, der eine von der vom auf die Messmembran (3) einwirkenden Differenzdruck abhängigen Durchbiegung der Messmembran (3) abhängige Kapazität aufweist, und die an die Elektroden (11) angeschlossenen Anschlussleitungen (21) jeweils von dem Druckkanal (19) und dem Kanalabschnitt (17a, 17b) beabstandet und elektrisch isoliert gegenüber dem Grundkörper (5) durch den denjenigen Grundkörper (5) hindurch verlaufen, in dem die jeweilige Elektrode (11) angeordnet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundkörper (5) als einlagige, aus einem einzigen Titanwafer gefertigte, jeweils unmittelbar über die metallische Fügung mit der Messmembran (3) verbundene Grundkörpern (5) ausgebildet sind, und Grundkörper (5) und Messmembran (3) entweder geerdet sind oder über einen elektrisch leitend mit der Messmembran (3) verbundenen Membrananschluss (53) oder einen auf einer Außenseite der Messmembran (3) oder auf einer Außenseite eines der beiden Grundkörper (5) angeordneten, elektrisch leitend mit der Messmembran (3) verbundenen Membrananschluss (53) an ein Bezugspotential oder an eine Messschaltung (9) angeschlossen sind, wobei Messschaltung (9) dazu ausgebildet ist im Messbetrieb ein von der Messschaltung (9) bereitgestelltes Referenzpotential an den Membrananschluss (53) und damit an die Messmembran (3) und die beiden Grundkörper (5) anzulegen.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatoren (23) jeweils als eine als Beschichtung aufgebrachte Isolationsschicht ausgebildet sind und/oder jeweils als Isolationsschicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) ausgebildet sind, oder die Isolatoren (25) jeweils als in einer Ausnehmung in dem jeweiligen Grundkörper (5) angeordnete Körper ausgebildet sind, wobei die Körper jeweils: aus Glas, aus einem keramischen Werkstoff, aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), aus einer Niedertemperatur-Einbrandkeramik oder aus einem anderen elektrisch isolierenden Material gefertigte Körper sind, und entweder als in die jeweilige Ausnehmung eingesetzte Formteile ausgebildet sind oder als aus aufeinander aufgebrachten, jeweils durch Lasersintern verfestigten, miteinander und mit dem Grundkörper (5) verbundenen Schichten aufgebaute Körper ausgebildet sind.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den durch den als Körper ausgebildeten Isolator (25) hindurch verlaufenden Abschnitt des Druckkanals (19) jedes der beiden Grundkörper (5) jeweils eine metallische Leitung (29) derart eingesetzt, eingeglast, eingesintert oder durch eine Fügung mit dem Körper verbunden ist, dass deren aus dem jeweiligen Grundkörper (5) herausragendes Leitungssegment den Kanalabschnitt (17b) bildet und/oder die Leitung (29) durch den Körper elektrisch gegenüber jeweiligen Grundkörper (5) isoliert ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Körper ausgebildeten Isolatoren (25) aus Keramik oder aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) bestehen, die Leitungen (29) aus Titan bestehen, als metallische Kapillarleitung ausgebildet sind und/oder durch eine Aktivhartlötung mit dem jeweiligen Körper verbunden sind, die in die Körper eingesetzten Endbereiche der Leitungen (29) eine Länge im Bereich von 5 mm bis 20 mm aufweisen, und die Grundkörper (5) eine Dicke aufweisen, die echt größer als die Länge der in die Körper eingesetzten Endbereiche der Leitungen (29) ist und/oder diese Länge um mehr als einen Millimeter übersteigt.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oder beiden Grundkörpern (5) jeweils eine Durchkontaktierung (27) vorgesehen ist, die einen durch den jeweiligen Grundkörper (5) hindurch verlaufenden, innenseitig mit einem elektrisch isolierenden Material oder mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) ausgekleideten Kanal umfasst, durch den die an eine in dem jeweiligen Grundkörper (5) angeordnete Komponente des Wandlers oder die Elektrode (11) angeschlossene Anschlussleitung (21) hindurch verläuft.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckübertragungsleitungen (13a) jeweils ein in das Röhrchen (15) und/oder ein in ein an das Röhrchen (15) angeschlossenes Leitungssegment (23) eingesetztes Isolationsstück (47) umfassen, das derart ausgebildet ist, dass es die beiden über das Isolationsstück (47) miteinander verbundenen Leitungssegmente der jeweiligen Druckübertragungsleitung (13a) elektrisch gegeneinander isoliert.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung einen Träger (31) umfasst, auf dem die beiden den Sensor (1a) tragenden, jeweils durch das Röhrchen (15) gebildeten oder das Röhrchen (15) umfassenden, insgesamt als starre Leitungen ausgebildeten Druckübertragungsleitungen (13a) montiert sind, oder die Druckmesseinrichtung zwei zu beiden Seiten der Messmembran (3) vom Sensor (1b) beabstandet angeordnete Träger (33) umfasst, auf denen jeweils eine der beiden den Sensor (1b) tragenden, jeweils durch das Röhrchen (15) gebildeten oder das Röhrchen (15) umfassenden, insgesamt als starre Leitung ausgebildeten Druckübertragungsleitungen (13b) montiert ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede Druckübertragungsleitung (13a, 13b) jeweils an einen in dem die jeweilige Druckübertragungsleitung (13a, 13b) tragenden Träger (31, 33) integrierten Druckmittler (35) angeschlossen ist oder über eine durch den die jeweilige Druckübertragungsleitung tragenden Träger hindurch verlaufende Kapillarleitung an einen Druckmittler anschließbar oder angeschlossen ist, der Träger (31) oder mindestens einer der Träger (33) jeweils einen Prozessanschluss (43) umfasst, über den die Druckmesseinrichtung am Einsatzort auf einem hierzu komplementären Prozessanschluss montierbar und/oder an mindestens eine Wirkdruckleitung anschließbar ist, und/oder der Sensor (1a, 1b) in einem den Sensor (1a, 1b) umgebenden, vom Sensor (1a, 1b) beabstandten Gehäuse (45) angeordnet ist.