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Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Druckmesszelle gemäß Anspruch 9.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Formen von Druckmesszellen bekannt. Druckmesszellen werden in Druckmessgeräten eingesetzt und überführen einen Druck in ein elektrisches Signal, das dann weiterverarbeitet werden kann. Druckmesszellen werden nach dem zugrundeliegenden Messprinzip, den zum Prozess hin orientierten Materialien sowie danach unterschieden, ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können.
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Ein bekannter Typ einer Druckmesszelle umfasst dabei eine drucksensitive Membran, welche sich in Abhängigkeit des Druckes wölbt. Das Maß der Wölbung kann dann mittels geeigneter Sensorik in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Membran kann aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein, insbesondere aus Silizium. Diese Membran ist üblicherweise mit ihrem Randbereich umlaufend an einem Träger befestigt. Als Material für den Träger kommt insbesondere Glas in Frage, unter anderem Borosilikatglas.
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Zudem ist es bekannt, die Einheit aus Membran und Träger auf einem Substrat anzuordnen. Dieses Substrat bildet üblicherweise den Abschluss einer mit einem Gehäuse umgebenen und mit einem inkompressiblen Medium gefüllten Messkammer. Das Gehäuse weist eine äußere Membran auf, so dass ein auf das Gehäuse wirkender Druck über das Medium in der Messkammer auf die innere Membran übertragen wird. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Druckmesszellen wird für das Substrat in der Regel Keramik oder Metall als Werkstoff eingesetzt.
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Insgesamt werden für den Aufbau von aus dem Stand der Technik bekannten Druckmesszellen eine Vielzahl von Komponenten verwendet, welche jeweils in einem separaten Herstellungsschritt der Druckmesszelle hinzugefügt werden. Damit ist das Verfahren zur Herstellung von Druckmesszellen sehr aufwendig.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmesszelle zur Verfügung zu stellen, welche besonders einfach herzustellen ist. Ferner ist es die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ein besonders einfaches Verfahren zur Herstellung einer Druckmesszelle zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Vorteile und praktische Ausführungsformen sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Druckmesszelle weist einen Träger und eine darauf angeordnete drucksensitive Membran auf. Der Träger ist insbesondere aus Glas, vorzugsweise aus Borosilikatglas. Bei der drucksensitiven Membran handelt es sich insbesondere um eine Membran aus Silizium. Die Membran ist insbesondere mit ihrem Rand umlaufend an dem Träger fixiert, beispielsweise mittels anodischem Bonden.
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Der Träger ist wiederum mit seiner der Membran abgewandten Unterseite auf einem Glassubstrat angeordnet. Der Träger ist dabei entweder unmittelbar oder mittelbar auf dem Glassubstrat angeordnet. Wie nachfolgend noch erläutert, wird unter einer unmittelbaren Verbindung eine Verbindung verstanden, bei welcher der Träger direkt mit dem Glassubstrat in Kontakt steht. Bei einer mittelbaren Verbindung ist zwischen dem Glassubstrat und dem Träger ein weiteres Element angeordnet, mit welchem der Träger unmittelbaren Kontakt aufweist. Ferner ist es möglich, dass der Träger teilweise auf dem Glassubstrat und teilweise auf einem mit dem Glassubstrat verbundenen Rohr angeordnet ist.
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Zudem ist in das Glassubstrat mindestens eine der folgenden Komponenten eingeglast:
- - mindestens eine elektrische Durchführung und insbesondere mehrere elektrische Durchführungen,
- - ein Verdrängungskörper,
- - ein Befüllrohr,
- - ein Außenring,
- - ein Rohr zur Fixierung des Trägers.
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Das Einglasen mindestens einer der Komponenten mit der Herstellung des Glassubstrates reduziert dabei bereits den Aufwand für die Herstellung der Druckmesszelle. Die jeweilige direkt bei der Herstellung eingeglaste Komponente muss nicht in einem späteren Herstellungsschritt separat mit dem Glassubstrat verbunden werden. Dabei ist es von Vorteil, dass die jeweiligen Komponenten aufgrund der Verwendung eines Glaswerkstoffes für das Substrat direkt mit der Herstellung des Substrates mit diesem verbunden werden können.
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Vorzugsweise werden die Komponenten unmittelbar in das Substrat eingeglast, d.h. dass die Komponenten direkt in das Material des Substrats eingebettet werden (große Einglasung für alle Komponenten). Alternativ können Bohrungen in dem Substrat vorgesehen sein, in die die Komponenten zusätzlich mit einer Mittlersubstanz, bspw. einem Glaslot, eingebracht.
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Die Verbindung zwischen dem Substrat und den Komponenten erfolgt entweder über einen Lotprozess mit Schmelzpunktüberschreitung oder über einen Einpressprozess ohne Schmelzpunktüberschreitung.
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Vorzugsweise werden gleichzeitig mindestens zwei der vorstehend genannten Komponenten in das Glassubstrat eingeglast, um ein noch effizienteres Herstellungsverfahren zu ermöglichen.
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Durch die unmittelbare Einglasung und damit einhergehender Reduzierung der Anzahl an beteiligten Bauteilen und auch Materialien, werden auch die mechanischen Eigenschaften der Druckmesszelle verbessert. Es kommt zu weniger mechanischen Spannungen, beispielsweise durch nachträglich eingebrachte Bohrungen oder aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten.
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So stellt die Einglasung einer elektrischen Durchführung - im Gegensatz zu einer vergleichsweise komplizierten Fixierung einzelner elektrischer Kontakte bei Keramiksubstraten - einen einfachen Prozessschritt dar. Vorzugsweise werden gleichzeitig mehrere elektrische Durchführungen in das Glassubstrat eingeglast. Die elektrischen Durchführungen dienen zur elektrischen Kontaktierung der Membran, bzw. auf der Membran angeordneter Sensorelemente.
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Üblicherweise bildet das Glassubstrat den Abschluss einer mit einem Gehäuse umgebenen und mit einem inkompressiblen Medium gefüllten Messkammer, in welcher die Einheit aus Membran und Träger angeordnet ist. Das Gehäuse weist insbesondere eine äußere Membran auf und ein auf das Gehäuse wirkender Druck wird über das Medium in der Messkammer auf die innere Membran übertragen.
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Der Verdrängungskörper ist insbesondere auf der Oberseite des Glassubstrates angeordnet und dient dazu das Volumen in der vom Substrat und dem Gehäuse umschlossenen Messkammer zu reduzieren. Der Verdrängungskörper ist hier insbesondere aus einem Keramikwerkstoff und kann ebenfalls als eine der genannten Komponenten in das Glassubstrat eingeglast werden bzw. in den dessen Oberseite eingeglast werden.
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Es kann auch ein Befüllrohr in das Glassubstrat eingeglast sein. Das Befüllrohr ist insbesondere aus Metall. Das Befüllrohr ist derart in dem Glassubstrat angeordnet, dass es einen durchgehenden Kanal bildet und dient als Kanal dazu die oberhalb des Substrates ausgebildete Messkammer mit Flüssigkeit zu befüllen.
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Zudem kann auch ein Außenring, insbesondere ein Außenring mit umlaufendem Kragen bzw. einem umlaufenen Steg zur Befestigung des Gehäuses, in das Glassubstrat eingeglast sein. Entsprechend wird direkt mit der Herstellung des Glassubstrates die Möglichkeit geschaffen in einem späteren Herstellungsschritt das Gehäuse an das Glassubstrat anzubinden.
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In einer praktischen Ausführungsform handelt es sich bei der Druckmesszelle um eine Messzelle zur Messung eines absoluten Druckes. Das heißt, die Druckmessung erfolgt gegenüber dem Vakuumniveau als Referenzniveau. In diesem Fall ist der Träger insbesondere unmittelbar mit dem Glassubstrat verbunden. Insbesondere ist der Träger auf das Glassubstrat geklebt.
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Alternativ kann es sich um eine Druckmesszelle handeln, welche zur Messung eines Relativdruckes ausgelegt ist. In diesem Fall kann auch die Unterseite der Membran mit Druck beaufschlagt werden. Beispielsweise kann die Unterseite der Membran dem Umgebungsdruck ausgesetzt werden. In diesem Fall weist der Träger eine Durchgangsöffnung auf, so dass die Rückseite der Membran mit Druck beaufschlagt werden kann.
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Die korrespondierende Durchgangsöffnung im Glassubstrat kann dabei direkt in dem Glassubstrat ausgebildet sein und der Träger kann unmittelbar auf dem Glassubstrat angeordnet sein bzw. direkt auf das Glassubstrat geklebt sein.
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Alternativ ist unterhalb des Trägers das Rohr zur Fixierung des Trägers in das Glassubstrat eingeglast und der Träger ist auf der Stirnseite des Rohres angeordnet. Insbesondere wird der Träger auf dem Rohr mittels Kleben fixiert.
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Durch das Rohr kann dann ein Fluid in Richtung des Trägers strömen. Die Durchgangsöffnung in dem Träger ist dann fluchtend zu der Durchgangsöffnung in dem Rohr angeordnet. Entsprechend kann ein Fluid durch das Rohr und den Träger bis unterhalb der Membran strömen.
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In einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmesszelle ragt das zum Träger weisende Ende des Rohres gegenüber der Oberseite des Glassubstrates hervor. Der Träger mit der Membran ist dann gegenüber der Oberseite des Glassubstrates erhöht angeordnet. Dadurch wird vor allem die Positionierung des Trägers auf dem Glassubstrat erleichtert. Der Träger steht dann nur mit dem Rohr in Kontakt und ist über das Rohr mittelbar mit dem Glassubstrat verbunden. Insbesondere wenn die Druckmesszelle gegenüber dem Rohr seitlich hervorragt, kann die Klebefläche zur Fixierung der Druckmesszelle verringert werden. Dadurch können thermisch induzierte Spannungen weiter vermieden werden.
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Alternativ kann das zum Träger weisende Ende des Rohres bündig mit der Oberseite des Glassubstrates abschließen. In diesem Fall liegt die Unterseite des Trägers auf einer Ebene mit der Oberseite des Glassubstrates. Es kann vorgesehen sein, dass der Träger mit seiner Unterseite seitlich über das Rohr hinausragt und teilweise auf dem Rohr und teilweise auf dem Glassubstrat fixiert ist.
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Insbesondere ist auch das Rohr zur Fixierung des Trägers aus Metall, ggf. kann das Rohr auch aus Glas sein. Das Rohr weist möglichst einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, wie das Glassubstrat und der auf dem Rohr fixierte Träger. Temperaturinduzierte thermische Spannungen in der Druckmesszelle werden damit möglichst vermieden.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors ist auf dem Verdrängungskörper eine Auswerteelektronik angeordnet. Die Auswerteelektronik kann dabei als hybrider ASIC (application-specific integrated circuit bzw. anwendungsspezifische integrierte Schaltung) auf dem Verdrängungskörper angeordnet sein. Alternativ kann die Auswerteelektronik in Form von Leiterbahnen direkt auf dem Verdrängungskörper angeordnet sein. Eine Druckmesszelle mit einem derartig funktionalisierten Verdrängungskörper beansprucht besonders wenig Bauraum.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Druckmesszelle, wobei in ein Glassubstrat mindestens eine der folgenden Komponenten eingeglast werden:
- - mindestens eine elektrische Durchführung,
- - ein Verdrängungskörper,
- - ein Außenring,
- - ein Befüllrohr,
- - ein Rohr zur Anbindung des Trägers.
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Anschließend wird eine Einheit aus einem Träger aus Glas und einer drucksensitiven Membran auf dem Glassubstrat angeordnet. Dabei kann der Träger vollständig (d.h. mit der vollständigen Unterseite) oder teilweise in unmittelbarem Kontakt zu dem Glassubstrat angeordnet werden oder alternativ steht der Träger nur mittelbar mit Glassubstrat in Kontakt.
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Wie vorstehend bereits geschildert, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits bei Herstellung des Glassubstrates mindestens eine und vorzugsweise mehrere, zum Teil verschiedene Komponenten mit integriert werden. Damit kann eine nachträgliche Bearbeitung des Glassubstrates mit zum Teil aufwendigen zusätzlichen Verfahrensschritten vermieden werden. Darüber hinaus weist das Glassubstrat einen identischen oder zumindest ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Träger auf.
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Wenn es sich bei der Druckmesszelle um eine Druckmesszelle zur Messung eines Relativdruckes handelt, wird insbesondere ein Rohr zur Anbindung des Trägers in das Glassubstrat eingeglast und der Träger wird auf der Stirnseite des Rohres fixiert und insbesondere geklebt. Dabei wird das Rohr insbesondere so angeordnet, dass die Stirnseite des Rohres gegenüber der Oberseite des Glassubstrates hervorragt. Alternativ wird das Rohr so angeordnet, dass die Stirnseite des Rohres bündig mit der Oberseite des Glassubstrates abschließt.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind im Folgenden in Zusammenhang mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer schematischen Ansicht im Querschnitt,
- 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer schematischen Ansicht im Querschnitt,
- 3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer schematischen Ansicht im Querschnitt, und
- 4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer schematischen Ansicht im Querschnitt.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Druckmesszelle 10 dargestellt. Bei der gezeigten Druckmesszelle 10 gemäß der ersten Ausführungsform handelt es sich um eine Druckmesszelle 10 zur Messung eines Absolutdruckes.
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Die Druckmesszelle 10 umfasst ein Glassubstrat 12. Auf der Oberseite des Glassubstrates 12 ist ein Träger 14 aus Glas mit einer darauf angeordneten drucksensitiven Membran 16 angeordnet. Bei der Membran 16 handelt es sich um eine Membran 16 aus Silizium, welche in ihrem Randbereich umlaufend an dem Träger 14 mittels anodischem Bonden fixiert ist. Der Träger 14 ist mit seiner Unterseite vollständig mittels einer Klebeschicht 18 mit dem Glassubstrat 12 verbunden.
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Ferner sind mehrere Komponenten in das Glassubstrat 12 eingeglast.
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Zum einen sind mehrere, hier fünf, elektrische Durchführungen 20 direkt in das Glassubstrat 12 eingeglast. Die elektrischen Durchführungen 20 dienen unter anderem zur Kontaktierung von Sensoren (nicht dargestellt) auf der Membran 14.
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Die Verbindung zwischen der Membran 14 und den elektrischen Durchführungen 20 erfolgt über Bonddrähte 22.
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Ferner ist ein Außenring 24 an die Außenseite des Glassubstrates 12 eingeglast. Der Außenring 24 weist einen umlaufenden Kragen 26 mit einem Schweißbuckel 28 auf und dient zur Anbindung eines Gehäuses (nicht dargestellt), welches das Glassubstrat 12 mit der Einheit aus Membran 16 und Träger 14 von oben umschließt. Zwischen dem Gehäuse und dem Glassubstrat 12 ist dann eine Messkammer ausgebildet.
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Die von dem Gehäuse und dem Glassubstrat 12 gebildete Messkammer kann über ein Befüllrohr 30 mit Flüssigkeit befüllt werden. Das Befüllrohr 30 ist ebenfalls in das Glassubstrat 12 eingeglast.
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Als weitere Komponente ist zudem ein Verdrängungskörper 32 in das Glassubstrat 12 eingeglast. Der Verdrängungskörper 32 ist hier aus einem Keramikwerkstoff. Der Verdrängungskörper 32 dient dazu das Volumen in der Messkammer zu reduzieren.
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Die Herstellung des Glassubstrates 12 mit den vorgenannten Komponenten erfolgt dabei in einem Verfahrensschritt, wobei bei der Herstellung des Glassubstrates 12 der Außenring 24, der Verdrängungskörper 32, das Befüllrohr 30 und die elektrischen Durchführungen 20 eingeglast werden. Anschließend wird der Träger 14 mit der Membran 16 auf das Glassubstrat 12 geklebt.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Druckmesszelle 10 dargestellt. Im Folgenden werden zur Beschreibung der zweiten und weiterer Ausführungsformen für identische oder zumindest funktionsgleiche Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet wie zur Beschreibung der ersten Ausführungsform.
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Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Druckmesszelle ist 10 dazu ausgelegt einen Relativdruck zwischen der Oberseite der Membran 16 und der Unterseite der Membran 16 zu messen. Dazu weist der Träger 14 eine Durchgangsöffnung 34 auf.
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Neben den weiteren Komponenten (elektrische Durchführungen 20, Befüllrohr 30, Außenring 24 und Verdrängungskörper 32) ist unterhalb des Trägers 14 zur Fixierung des Trägers 14 ein Rohr 36 in das Glassubstrat 12 eingeglast. Der Träger 14 ist auf der Stirnseite des Rohres 36 mittels einer Klebeschicht 18 fixiert.. Die Durchgangsöffnung 38 in dem Rohr 36 und die Durchgangsöffnung in dem Träger 14 sind fluchtend zueinander ausgerichtet und bilden eine Druckausgleichsleitung zur Beaufschlagung der Unterseite der drucksensitiven Membran 16 mit einem Referenzdruck.
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Wie in 2 gut erkennbar ist, ragt das zum Träger 14 weisende Ende des Rohres 36 gegenüber der Oberseite des Glassubstrates 12 hervor. Der Träger 14 ist nur mit dem Rohr 36 verbunden und weist keinen direkten Kontakt zum Glassubstrat 12 auf. Der Träger 14 ist mittelbar mit dem Glassubstrat 12 verbunden. Ferner ragt der Träger 14 seitlich gegenüber dem Rohr 36 hervor.
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Die in 3 gezeigte dritte Ausführungsform der Druckmesszelle 10 unterscheidet sich von der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform dadurch, dass auf dem Verdrängungskörper 32 eine Auswerteelektronik 40 in Form eines hybriden ASIC angeordnet ist. Die Auswerteelektronik 40 und die Membran 16 sind über einen Bonddraht 42 miteinander verbunden.
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In 4 ist eine vierte Ausführungsform einer Druckmesszelle 10 dargestellt. Im Folgenden wird der Unterschied zur dritten Ausführungsform erläutert. Die Einheit aus Träger 14 und Membran 16 ist hier ebenfalls auf der Stirnseite eines Rohres 36 fixiert. Jedoch schließt hier das zum Träger 14 weisende Ende des Rohres 36 bündig mit der Oberseite des Glassubstrates 12 ab. Der Träger 14 ist dann mit seiner Unterseite sowohl teilweise mit dem Rohr 36 als auch teilweise mit dem Glassubstrat 12 verklebt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckmesszelle
- 12
- Substrat
- 14
- Träger
- 16
- Membran
- 18
- Klebeschicht
- 20
- elektrische Durchführung
- 22
- Bonddraht
- 24
- Außenring
- 26
- Kragen
- 28
- Schweißbuckel
- 30
- Befüllrohr
- 32
- Verdrängungskörper
- 34
- Durchgangsöffnung
- 36
- Rohr
- 38
- Durchgangsöffnung
- 40
- Auswerteelektronik
- 42
- Bonddraht
