DE10255543B4 - Drucksensor - Google Patents

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    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Abstract

Drucksensor zur Messung von Absolutdruck und/oder Differenzdruck, bei dem eine als erste Elektrode dienende Membranplatte aus Silizium mit einem druckempfindlich auslenkbaren Bereich zwischen zwei Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Membranplatte und jede Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membranplatte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Membranplatte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet,
– daß die Trägerplatten (3, 4) aus Silizium bestehen und stoffschlüssig unter Verzicht auf Zwischenschichten unmittelbar auf die Membranplatte (2) gefügt sind,
– dass die Membranplatte (2) für einen vorgegebenen Messbereich innerhalb derselben Messkammern (30, 40) eine Mehrzahl voneinander unabhängiger auslenkbarer Bereiche als Messmembranen (21 bis 26) für jeweils einen Teilsensor (11 bis 16) mit einem Teilmessbereich (101 bis 106) aufweist, wobei die Überlagerung aller Teilmessbereiche (101 bis...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drucksensor unter Verwendung von Silizium-Scheiben mit hoher Überlastfestigkeit für industrielle Anwendungen zur Messung von Absolutdruck und/oder Differenzdruck.
  • Zur Messung von Differenzdrücken werden üblicherweise piezoresistive oder kapazitive Drucksensoren eingesetzt. Gemeinsames Kennzeichen beider ist, dass druckabhängig eine Membran verformt wird. Das Maß der Verformung ist dabei ein Maß für den Druck.
  • Piezoresistive Drucksensoren zeichnen sich durch eine hohe Langzeitstabilität, einen weiten Einsatztemperaturbereich und eine großen Messbereich bei geringer Temperaturabhängigkeit und hoher Messdynamik aus. Jedoch weisen piezoresistive Drucksensoren insbesondere bei hohen Drücken beziehungsweise Differenzdrücken eine unzureichende Überlastfestigkeit auf.
  • Aus der DE 200 19 067 ist eine Druckmesseinrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor und hydraulischer Kraftübertragung bekannt, bei der der Prozessdruck des Messmediums unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf den Drucksensor übertragen wird, wobei die prozessdruckabhängige, druckmittlerverdrängende Auslenkung der Trennmembran auf einen den Messbereich vorgebbar übersteigenden Betrag mechanisch begrenzt ist und der Drucksensor in der Druckmesseinrichtung beweglich an einer mechanisch vorgespannten Überlastmembran angeordnet ist, die in Abhängigkeit von den Messbereich übersteigendem Prozessdruck einen volumenvariablen Ausgleichsraum zur Aufnahme überschüssigen Druckmittlers begrenzt.
  • Dieser Aufbau ist aufwändig und darüber hinaus durch eine Vielzahl von Fügeprozessen zwischen druckbeaufschlagten Bauteilen gekennzeichnet, die insbesondere bei hohen Grenzdrücken extreme Anforderungen an die Fügestelle stellen. Industrielle Anwendungen von Differenzdrucksensoren verlangen Überlastsicherheit bis 400 bar.
  • Aus der DE 42 07 949 ist ein kapazitiver Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik bekannt, bei dem eine als druckempfindliche Membran und als erste Elektrode dienende Platte aus Silizium zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Platte und die Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der als Membran dienenden Platte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Platte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, dass die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden.
  • Die differenzdruckabhängige Verformung der als Membran dienenden Platte bewirkt eine Kapazitätsänderung der Kondensatoranordnung, wobei die Kapazitätsänderung direkt ein Maß für den Differenzdruck ist. Die Kapazitätsänderung wird elektrisch gemessen. Um einen weiten Messbereich mit ausreichender Messgenauigkeit überstreichen zu können, ist für den auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte eine Hubhöhe erforderlich, die der überlastungsfesten Ausbildung des Differenzdrucksensor entgegensteht. Industrielle Anwendungen von Differenzdrucksensoren verlangen Überlastsicherheit bis 400 bar.
  • Aus der DE 101 30 372 ist ein Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik bekannt, bei dem die Membranplatte für einen vorgegebenen Messbereich innerhalb derselben Messkammern eine Mehrzahl voneinander unabhängiger auslenkbarer Bereiche als Messmembranen für jeweils einen Teilsensor mit einem Teilmessbereich aufweist, wobei die Überlagerung aller Teilmessbereiche der Teilsensoren gleich dem vorgegebenen Messbereich des Differenzdrucksensors ist, wobei die Hubhöhe der Messmembran jedes Teilsensors außerhalb seines Teilmessbereichs mechanisch begrenzt ist.
  • Dem allen gemeinsamen Aufbau des Sensors, bei dem die einzelnen Siliziumscheiben mit Fügehilfsschichten wie Gold oder Glas verbunden sind, oder aber die Scheiben selbst aus unterschiedlichen Materialien wie beispielsweise Glas und Silizum bestehen, haftet der Nachteil an, dass bei einer Änderung der Temperatur oder des Gleichdruckniveaus nicht verschwindende Differenzdrucksignale ermittelt werden, obwohl kein Differenzdruck anliegt.
  • Diese wird durch zwei Effekte verursacht. Aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der eingesetzten Materialien kommt es zu bei Temperaturänderungen zu Änderungen der geometrischen Abmessungen und mechanischem Stress in der Gesamtstruktur. Beides führt zu Messfehlern, zwar unabhängig davon, ob die Auslesung des Signals kapazitiv oder piezoresistiv erfolgt. Gleiches gilt sinngemäß für Materialien mit unterschiedliche Kompressibilität. Hier führt eine Änderung des Gleichdruckniveaus ebenfalls zu Änderungen der gemetrischen Abmessungen und mechnischen Stress in der Gesamtstruktur.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 196 17 696 ein mikromechanischer Druck- und Kraftsensor bekannt, der eine Mehrzahl von Membranen aufweist, wobei mindestens zwei Membranplatten durch jeweils mindestens ein Koppelelement kraftmäßig verbunden sind.
  • Schließlich ist in der DE 199 20 990 eine Druckerfassungs-Anordnung beschrieben, bei der eine vorgegebene elektrische Soll-Kennlinie durch eine Parallelschaltung mehrerer Drucksensoren unterschiedlicher Größe und verschiedenen Ansprechverhaltens eingestellt wird.
  • Ferner ist aus der DE 43 33 753 bekannt, Differenzdrucksensoren in Mikromechanik-Technik als Silizium-Silizium-Verbindung durch sogenanntes Fusion-Bonding herzustellen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zur Messung von Absolutdruck und/oder Differenzdruck anzugeben, dessen Meßsignal weitgehend unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und bei Differenzdruckmessung zusätzlich gegenüber Gleichdruckschwankungen ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung geht von einem bekannten kapazitiven Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik aus, bei dem eine als erste Elektrode dienende Membranplatte aus Silizium mit einem druckempfindlich auslenkbaren Bereich zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Membranplatte und jede Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membranplatte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Membranplatte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der Membranplatte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, dass die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden.
  • Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Membranplatte und die Trägerplatten aus Silizium bestehen und stoffschlüssig unter Verzicht auf Zwischenschichten unmittelbar aufeinander gefügt sind.
  • Dazu sind die Siliziumplatten nach einer Plasmavorbehandlung zur Aktivierung der Oberflächen und einer daraus resultierenden höheren Festigkeit der Bondverbindung bei Temperaturen von 300°C bis 500°C direkt miteinander gebondet.
  • Vorteilhafterweise haben alle Platten dasselbe thermische Ausdehnungsverhalten. Dadurch wird thermisch bedingter Stress in der Membranplatte infolge verschiedener Temperaturausdehnungskoeffizienten der einzelnen Platten vermieden. Im Erfolg ist das Messignal um thermisch bedingte parasitäre Anteile befreit.
  • Darüber hinaus weisen alle Platten dieselbe Kompressibiliät auf. Dadurch werden vorteilhafterweise das Messsignal überlagernde parasitäre Signale bei Änderung des Gleichdruckniveaus vermieden.
  • Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren in erster Ausführungsform
  • 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 0-0 in 1
  • 3 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren in zweiter Ausführungsform
  • 4 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren in dritter Ausführungsform
  • 5 eine Detaildarstellung einer Messmembran mit Versteifungsstrukturen
  • 6 eine grafische Darstellung des Messbereichs des Differenzdrucksensors und dessen Teilsensoren
  • In 1 ist der laterale Aufbau eines Differenzdrucksensors 1 mit sechs Teilsensoren 11 bis 16 in einer ersten Ausführungsform prinzipiell dargestellt. In 2 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 0-0 in 1 gezeigt. Im weiteren wird auf die 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen.
  • Der Differenzdrucksensor 1 besteht im wesentlichen aus einer Membranplatte 2 aus Silizium, die zwischen zwei ebenso aus Silizium bestehenden Trägerplatten 3 und 4 angeordnet ist, wobei die Membranplatte 2 und jede Trägerplatte 3 und 4 in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte 3 und 4 zusammen mit der Membranplatte 2 jeweils eine Messkammer 30 und 40 bildet.
  • Jede Trägerplatte 3, 4 weist einen senkrecht zur Ebene der Berührungsflächen der Membranplatte 2 und der Trägerplatten 3, 4 verlaufenden zentralen Druckzuleitungskanal 37, 47 auf, an den jeweils sechs radial ausgerichtete Kapillare 5 angeschlossen sind. Jede Kapillare 5 mündet in einen Sektor 31 bis 36 und 41 bis 46. Bezogen auf die Ebene der Membranplatte 2 sind jeweils ein an die Trägerplatte 3 angrenzender Sektor 31 bis 36 und ein an die Trägerplatte 4 angrenzender Sektor 41 bis 46 als zusammengehöriges Sektorpaar 31/41 bis 36/46 deckungsgleich angeordnet.
  • Dementsprechend ist die von der Trägerplatte 3 begrenzte Messkammer 30 in sechs Sektoren 31 bis 36 und sechs an den Druckzuleitungskanal 37 angeschlossene Kapillare 5 geliedert. Die von der Trägerplatte 4 begrenzte Messkammer 40 ist in sechs Sektoren 41 bis 46 und sechs an den Druckzuleitungskanal 47 angeschlossene Kapillare 5 geliedert.
  • Die Membranplatte 2 ist im Deckungsbereich jedes Sektorpaares 31/41 bis 36/46 als druckempfindlich auslenkbare Messmembran 21 bis 26 ausgestaltet. Jeweils ein Sektorpaar 31/41 bis 36/46 und die zugehörige Messmembran 21 bis 26 bilden einen der sechs Teilsensoren 11 bis 16.
  • Die Teilsensoren 11 bis 16 sind sternförmig im Differenzdrucksensor 1 verteilt. Jedem Teilsensor 11 bis 16 sind zur Erfassung der druckabhängigen Auslenkung seiner Messmembran 21 bis 26 insgesamt vier Elektroden zugeordnet. In der 2 sind für die Teilsensoren 12 und 14 die zugehörigen Elektroden 121 bis 124 und 141 bis 144 dargestellt, die als dünne Metallisierungsschichten ausgebildet sind. Für jeden Teilsensor 12 und 14 ist jeweils eine Elektroden 121 und 141 an der Trägerplatte 3 und eine Elektroden 124 und 144 an der Trägerplatte 4 angebracht. Die Elektroden 122 und 142 sind an der der Trägerplatte 3 zugewandten Seite der Messmembranen 22 und 24 und die Elektroden 123 und 143 an der der Trägerplatte 4 zugewandten Seite der der Messmembranen 22 und 24 angeordnet.
  • Die in demselben Sektor 32, 42, 34 und 44 angeordneten Elektrodenpaare 121/122, 123/124 und 141/142 und 143/144 bilden jeweils einen Kondensator, wobei das Kapazitätsverhältnis der Kondensatoren desselben Teilsensors 12 und 14 ein Maß für die Differenz zwischen den Drücken in den Messkammern 30 und 40 ist.
  • Die Kapazitätsverhältnisse werden für jeden Teilsensor 11 bis 16 separat auf elektronischem Wege ausgewertet. Die Messwerte der Teilsensoren 11 bis 16 werden auf Plausibilität geprüft und zu einem Messwert für den Differenzdrucksensor 1 zusammengeführt.
  • Der Abstand der jeweils einen Kondensator bildenden Elektrodenpaare 121/122, 123/124 und 141/142 und 143/144 begrenzt den differenzdruckabhängigen Hub der Messmembranen 21 bis 26. Dabei ist der Abstand so eng bemessen, dass bei Elektrodenflächen von weniger als 1/10 mm2 noch verwertbare Kapazitätswerte der Kondensatoren erreicht werden.
  • Sobald der Differenzdruck den Teilmessbereich 101 bis 106 eines Teilsensors 11 bis 16 nachhaltig übersteigt, führt die adäquate Auslenkung der zugehörigen Messmembran 21 bis 26 dazu, dass sich in der Messkammer 30 oder 40 niederen Drucks die Elektroden zunächst punktuell und mit steigendem Differenzdruck flächig berühren. Der geringe Abstand zwischen den jeweils einen Kondensator bildenden Elektrodenpaaren 121/122, 123/124 und 141/142 und 143/144 bewirkt einen beschädigungsfreien Überlastschutz jedes Teilsensors 11 bis 16.
  • Die Teilmessbereiche 101 bis 106 der Teilsensoren 11 bis 16 sind durch eine angepasste Steifigkeit der Messmembranen 21 bis 26 eingestellt.
  • In der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Membranstärke der Messmembranen 21 bis 26 für alle Teilsensoren 11 bis 16 gleich ist. Bei gleicher Membranstärke weisen Messmembranen 21, 22 und 23 mit kleinerer Membranfläche eine größere Steifigkeit als Messmembranen 24, 25 und 26 mit größerer Membranfläche auf. Die Messmembranen 21, 22 und 23 der Teilsensoren 11, 12 und 13, deren Teilmessbereiche 101, 102 und 103 für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, weisen eine größere Steifigkeit als die Messmembranen 24, 25 und 26 der Teilsensoren 14, 15 und 16 auf, deren Teilmessbereiche 104, 105 und 106 für geringe Differenzdrücke ausgelegt sind.
  • Vorteilhafterweise sind dabei alle Messmembranen 21 bis 26 bei Herstellung mit einem einzigen Tiefenstrukturierungsprozess formbar. Bei einer Membranplatte 2 aus Silizium ist es vorteilhaft, die Tiefenstrukturierung durch Ätzen zu bewirken. Dabei ist die Ätztiefe proportional zur Ätzdauer. Die Ätztiefe wird durch eine Stopschicht begrenzt. Zweckmäßigerweise besteht diese Stopschicht aus Siliziumoxid. Bei gleicher Membranstärke der Messmembranen 21 bis 26 für alle Teilsensoren 11 bis 16 werden alle Messmembranen 21 bis 26 in einem einzigen Ätzprozess mit gleicher Dauer für alle Messmembranen 21 bis 26 strukturiert.
  • Der Differenzdrucksensor 1 ist in einem druckfesten Mantel aus keramischem Spritzguß eingebettet. Der Mantel umschließt den Differenzdrucksensor 1 einstückig und umfasst Anschlussstutzen zur Verbindung des Messwerks mit Prozessdruckleitungen. Vorteilhafterweise werden dadurch druckbelastete Fügestellen im Messwerk vermieden.
  • Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Differenzdrucksensor 1 weist sechs Teilsensoren 11 bis 16, die kreisförmig im Differenzdrucksensor 1 verteilt sind, und für jede Messkammer einen Druckzuleitungskanal 37 und 47 auf. Jeder Teilsensor 11 bis 16 ist im Deckungsbereich eines Sektorpaares 31/41 bis 36/46 mit einer druckempfindlich auslenkbaren Messmembran 21 bis 26 ausgestaltet.
  • Die Druckzuleitungskanäle 37 und 47 sind exzentrisch angeordnet und über jeweils eine als Ringleitung ausgebildete Kapillare 5 mit den Sektorpaaren 31/41 bis 36/46 verbunden.
  • Dementsprechend ist die von der Trägerplatte 3 begrenzte Messkammer 30 in sechs Sektoren 31 bis 36 und eine an den Druckzuleitungskanal 37 angeschlossene ringförmige Kapillare 5 geliedert. Die von der Trägerplatte 4 begrenzte Messkammer 40 ist in sechs Sektoren 41 bis 46 und eine an den Druckzuleitungskanal 47 angeschlossene ringförmige Kapillare 5 geliedert.
  • Die Membranstärke der Messmembranen 21 bis 26 ist für alle Teilsensoren 11 bis 16 gleich. Bei gleicher Membranstärke weisen Messmembranen 21, 22 und 23 mit kleinerer Membranfläche eine größere Steifigkeit als Messmembranen 24, 25 und 26 mit größerer Membranfläche auf. Die Messmembranen 21, 22 und 23 der Teilsensoren 11, 12 und 13, deren Teilmessbereiche 101, 102 und 103 für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, weisen eine größere Steifigkeit als die Messmembranen 24, 25 und 26 der Teilsensoren 14, 15 und 16 auf, deren Teilmessbereiche 104, 105 und 106 für geringe Differenzdrücke ausgelegt sind.
  • Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Differenzdrucksensor 1 weist sechs Teilsensoren 11 bis 16, die kreisförmig im Differenzdrucksensor 1 verteilt sind, und für jede Messkammer einen zentral angeordneten Druckzuleitungskanal 37 und 47 auf, an den jeweils sechs radial ausgerichtete Kapillare 5 angeschlossen sind. Jede Kapillare 5 mündet in einen Sektor 31 bis 36 und 41 bis 46. Jeder Teilsensor 11 bis 16 ist im Deckungsbereich eines Sektorpaares 31/41 bis 36/46 mit einer druckempfindlich auslenkbaren Messmembran 21 bis 26 ausgestaltet.
  • Dabei ist die Membranstärke und die Fläche der Messmembran 21 bis 26 für alle Teilsensoren 11 bis 16 gleich und jede Messmembran 21 bis 26 weist in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich 101 bis 106 in 5 für die Messmembran 22 vergrößert dargestellte Versteifungsstrukturen 20 auf.
  • Ausgehend von einer vorgegebenen Materialstärke der Membranplatte 2 sind die Messmembranen 21 bis 26 durch Materialabtrag von geringerer Materialstärke als die Membranplatte 2. Die Versteifungsstrukturen 20 sind durch partiellen Materialabtrag über die Fläche der Messmembran 22 gebildet. Im einzelnen ist eine Versteifungsstruktur 20 durch einen mittig der Messmembran 22 angeordneten Zentralkörper größerer Materialstärke ausgebildet. Je mehr Flächenanteil der Messmembran 22 von dem Zentralkörper belegt ist, um so größer ist die Steifigkeit der Messmembran 22.
  • Darüber hinaus können Versteifungsstrukturen 20 in Form von radialen Stegen vorgesehen sein. Mit zunehmender Höhe und Breite der Stege wächst die Steifigkeit der Messmembran 22.
  • Für Messmembranen 21, 22 und 23 der Teilsensoren 11, 12 und 13, deren Teilmessbereiche 101, 102 und 103 für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, ist es vorteilhaft, die Versteifungsstrukturen 20 in Form einer Kombination aus einem Zentralkörper und radialen Stegen auszubilden.
  • Jeder Teilsensor 11 bis 16 ist zur Messung in einen Teilmessbereich 101 bis 106 ausgelegt. In 6 sind die Teilmessbereiche 101 bis 106 der Teilsensoren 11 bis 16 und der Messbereich 10 des Differenzdrucksensors 1 grafisch dargestellt. Die Überlagerung aller Teilmessbereiche 101 bis 106 ergibt den Messbereich 10 des Differenzdrucksensors 1. Dabei sind die Teilmessbereiche 101 bis 106 von im Messbereich aufeinanderfolgenden Teilsensoren 11 bis 16 an den Messbereichsgrenzen einander überlappend ausgeführt. In dem dadurch entstehenden Messbereichsgrenzband wird der Differenzdruck von zwei Teilsensoren 11/12 bis 15/16 benachbarter Teilmessbereiche 101/102 bis 105/106 gemessen. Dabei ist offensichtlich, dass die beiden Teilsensoren 11/12 bis 15/16 für Differenzdrücke im Messbereichsgrenzband aufeinanderfolgender Teilmessbereiche 101/102 bis 105/106 denselben Messwert liefern müssen.
  • Zur Validierung von Messwerten kann es zweckmäßig sein, den Teilmessbereich 106 des Teilsensors 16 für geringste Differenzdrücke durch den nächsthöheren Teilmessbereich 105 des Teilsensors 15 vollständig zu überdecken. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, den Teilsensor 11 mit dem Teilmessbereich 101 für höchste Differenzdrücke doppelt auszuführen.
  • 1
    Differenzdrucksensor
    10
    Messbereich
    101 bis 106
    Teilmessbereich
    11 bis 16
    Teilsensor
    121 bis 124, 141 bis 144
    Elektrode
    2
    Membranplatte
    20
    Versteifungsstruktur
    21 bis 26
    Messmembran
    3, 4
    Trägerplatte
    30, 40
    Messkammer
    31 bis 36, 41 bis 46
    Sektor
    37, 47
    Druckzuleitungskanal
    5
    Kapillare

Claims (10)

  1. Drucksensor zur Messung von Absolutdruck und/oder Differenzdruck, bei dem eine als erste Elektrode dienende Membranplatte aus Silizium mit einem druckempfindlich auslenkbaren Bereich zwischen zwei Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Membranplatte und jede Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membranplatte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Membranplatte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, – daß die Trägerplatten (3, 4) aus Silizium bestehen und stoffschlüssig unter Verzicht auf Zwischenschichten unmittelbar auf die Membranplatte (2) gefügt sind, – dass die Membranplatte (2) für einen vorgegebenen Messbereich innerhalb derselben Messkammern (30, 40) eine Mehrzahl voneinander unabhängiger auslenkbarer Bereiche als Messmembranen (21 bis 26) für jeweils einen Teilsensor (11 bis 16) mit einem Teilmessbereich (101 bis 106) aufweist, wobei die Überlagerung aller Teilmessbereiche (101 bis 106) der Teilsensoren (11 bis 16) gleich dem vorgegebenen Messbereich (10) des Differenzdrucksensors (1) ist, und – dass die Hubhöhe der Messmembranen (21 bis 26) jedes Teilsensors (11 bis 16) außerhalb seines Teilmessbereichs (101 bis 106) mechanisch begrenzt ist.
  2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmessbereiche (101 bis 106) von im Messbereich (10) aufeinanderfolgenden Teilsensoren (11 bis 16) an den Messbereichsgrenzen einander überlappend ausgeführt sind.
  3. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Teilmessbereiche (101 bis 106) der Teilsensoren (11 bis 16) durch den jeweiligen Teilmessbereich (101 bis 106) angepasste Steifigkeit der Messmembran (21 bis 26) eingestellt sind.
  4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstärke der Messmembran (21 bis 26) für alle Teilsensoren (11 bis 16) gleich ist und die Fläche jeder Messmembran (21 bis 26) in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich (101 bis 106) eingestellt ist.
  5. Differenzdrucksensor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstärke und die Fläche der Messmembran (21 bis 26) für alle Teilsensoren (11 bis 16) gleich ist und jede Messmembran (21 bis 26) in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich (101 bis 106) Versteifungsstrukturen (20) aufweist.
  6. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Teilsensor (11) mit dem höchsten Teilmessbereich (101) doppelt ausgeführt ist.
  7. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammern (30, 40) in hydropneumatisch miteinander verbundene Sektoren (31 bis 36 und 41 bis 46) eingeteilt sind, wobei in jedem Sektorpaar (31/41 bis 36/46) ein Teilsensor (11 bis 16) angeordnet ist.
  8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (31/41 bis 36/46) einer Messkammer (30, 40) ausgehend von dem Druckzuleitungskanal (37, 47) sternförmig miteinander hydropneumatisch verbunden sind.
  9. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (31/41 bis 36/46) einer Messkammer (30, 40) unter Einbeziehung des Druckzuleitungskanals (37, 47) ringförmig miteinander hydropneumatisch verbunden sind.
  10. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdrucksensor (1) in einem druckfesten Mantel aus keramischem Spritzguß eingebettet ist.
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