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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor unter Verwendung von Silizium-Scheiben
mit hoher Überlastfestigkeit
für industrielle
Anwendungen zur Messung von Absolutdruck und/oder Differenzdruck.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner
ist aus der
DE 43 33 753 bekannt,
Differenzdrucksensoren in Mikromechanik-Technik als Silizium-Silizium-Verbindung
durch sogenanntes Fusion-Bonding herzustellen.
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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.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber hinaus
weisen alle Platten dieselbe Kompressibiliät auf. Dadurch werden vorteilhafterweise
das Messsignal überlagernde
parasitäre
Signale bei Änderung
des Gleichdruckniveaus vermieden.
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Weitere
Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen werden
nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Die dazu
erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren
in erster Ausführungsform
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2 eine
Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 0-0 in 1
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3 eine
Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren
in zweiter Ausführungsform
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4 eine
Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren
in dritter Ausführungsform
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5 eine
Detaildarstellung einer Messmembran mit Versteifungsstrukturen
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6 eine
grafische Darstellung des Messbereichs des Differenzdrucksensors
und dessen Teilsensoren
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Teilmessbereiche 101 bis 106 der Teilsensoren 11 bis 16 sind
durch eine angepasste Steifigkeit der Messmembranen 21 bis 26 eingestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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