DE10392622T5 - Barometrischer Drucksensor - Google Patents

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DE10392622T5
DE10392622T5 DE10392622T DE10392622T DE10392622T5 DE 10392622 T5 DE10392622 T5 DE 10392622T5 DE 10392622 T DE10392622 T DE 10392622T DE 10392622 T DE10392622 T DE 10392622T DE 10392622 T5 DE10392622 T5 DE 10392622T5
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pressure
pressure sensor
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Withdrawn
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DE10392622T
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English (en)
Inventor
Daniel S. Chaska Nelson
David J. Prescott Hillman
John Chanhassen McIntire
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Rosemount Inc
Original Assignee
Rosemount Inc
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • GPHYSICS
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    • G01L9/125Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means

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Abstract

Drucksensor mit:
einer Basisschicht, die einen Durchgang zwischen einem Einlaß, der geeignet ist, einen Druck aufzunehmen, und einer Anordnungsfläche auf der Basisschicht umgibt;
einer Sensorschicht mit einer ersten Fläche, die durch eine Isolierverbindung mit der Anordnungsfläche verbunden ist, wobei die Sensorschicht eine leitende Membran aufweist, die zum Durchgang ausgerichtet ist; und
einer Referenzschicht, die auf der Sensorschicht angeordnet ist, um einen Referenzvakuumhohlraum zu bilden, der zur leitenden Membran ausgerichtet ist, wobei die Referenzschicht eine leitende Oberfläche aufweist, die zur leitenden Membran über den Referenzvakuumhohlraum weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft Luftdruckfühler bzw. barometrische Drucksensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung barometrische Drucksensoren, die in industriellen Meßdruckgebern verwendet werden können.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In industriellen Geberanwendungen bzw. Transmitteranwendugen kommen normalerweise Sensoren vom kapazitiven Typ zum Erfassen von Drücken zum Einsatz. Kapazitive Sensoren können sehr genau und wiederholbar hergestellt werden. Bei Meßgebern, die eine Druckdifferenz auf der Grundlage zweier Absolutdrucksensorausgaben elektronisch berechnen, sind Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Sensoren besonders wichtig, um zu vermeiden, daß Fehler in das Subtraktionsverfahren eingeführt werden. Der barometrische Druckbereich ist recht begrenzt, normalerweise 0,9 bis 1,1 Atmosphären, und man will einen relativ billigen Absolutsensor zur barometrischen Druckerfassung verwenden. Allerdings haben billige Absolutdrucksensoren oft nicht die Genauigkeit und Wiederholbarkeit, die man bei Prozeßfluidsensoren vorfindet. Diese billigen Sensoren können unerwünschte Fehler in das elektronische Subtraktionsverfahren einführen.
  • Benötigt wird ein barometrischer Drucksensor, der sich billig herstellen läßt und der hohe Wiederholbarkeit im begrenzten barometrischen Druckbereich hat.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Offenbart wird ein Drucksensor mit einer Basisschicht, einer Sensorschicht und einer Referenzschicht. Die Basisschicht umgibt einen Durchgang zwischen einem Einlaß, der geeignet ist, einen Druck aufzunehmen, und einer Anordnungsfläche auf der Basisschicht.
  • Die Sensorschicht hat eine erste Fläche, die durch eine Isolierverbindung mit der Anordnungsfläche verbunden ist. Die Sensorschicht weist eine leitende Membran auf, die zum Durchgang ausgerichtet ist.
  • Die Referenzschicht ist auf der Sensorschicht angeordnet, um einen Referenzvakuumhohlraum zu bilden, der zur leitenden Membran ausgerichtet ist. Die Referenzschicht weist eine leitende Oberfläche auf, die zur leitenden Membran über den Referenzvakuumhohlraum weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden.
  • Diese und verschiedene andere Merkmale sowie Vorteile, die die Erfindung kennzeichnen, gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnungen hervor.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform eines kapazitiven Absolutdrucksensors.
  • 2 zeigt eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines kapazitiven Absolutdrucksensors.
  • 3 zeigt eine nähere Querschnittansicht einer ersten Membran eines kapazitiven Absolutdrucksensors.
  • 4 zeigt eine nähere Querschnittansicht einer zweiten Membran eines kapazitiven Absolutdrucksensors.
  • 5 zeigt eine Querschnittansicht einer dritten Ausführungsform eines kapazitiven Absolutdrucksensors.
  • 6 zeigt eine Maske für eine Oberseite der Sensorschicht gemäß 5.
  • 7 zeigt eine Maske für eine Unterseite der Sensorschicht gemäß 5.
  • 8 zeigt eine Maske für eine Oberseite der Referenzschicht gemäß 5.
  • 9 zeigt eine Maske für eine Unterseite der Referenzschicht gemäß 5.
  • 10 zeigt eine teilweise weggebrochene Ansicht eines Meßdruckgebers.
  • 11 zeigt ein Blockschaltbild eines Meßdruckgebers.
  • NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Häufig kommen Meßdruckgeber zum Einsatz, um eine in einem Tank gespeicherte Flüssigkeitsmenge zu messen. Der Meßdruckgeber weist eine elektronische Schaltung auf, die eine Geberausgabe als Anzeige des Meßdrucks oder anders gesagt einer Differenz zwischen einem erfaßten Flüssigkeitsdruck und einem erfaßten barometrischen Druck bereitstellt. Der Meßdruckgeber hat einen Prozeßdruckeinlaß, der mit einer Öffnung nahe dem Boden des Tanks verbunden ist. Außerdem hat der Meßdruckgeber einen atmosphärischen Einlaß oder eine Belüftungsöffnung, die zur Atmosphäre offen ist. Der Flüssigkeitspegel im Tank läßt sich anhand der Meßdruckausgabe des Gebers mit bekannten Formeln berechnen.
  • Meßdruckgeber können unter Verwendung eines Differenzdrucksensors aufgebaut sein, der sowohl mit dem Prozeßdruck als auch mit dem atmosphärischen Druck gekoppelt ist. Alternativ können zwei Absolutdrucksensoren zum Einsatz kommen, wobei ein Absolutdrucksensor den Flüssigkeitsdruck erfaßt und der andere Absolutdrucksensor den atmosphärischen Druck erfaßt. Bei Gebrauch zweier Absolutdrucksensoren berechnet eine Schaltung im Geber elektronisch die Druckdifferenz (Meßdruck) auf der Grundlage der beiden Sensorausgaben.
  • In industriellen Geberanwendungen werden normalerweise Sensoren vom kapazitiven Typ zum Erfassen von Drücken verwendet. Kapazitive Sensoren können sehr genau und wiederholbar hergestellt werden. Bei Meßgebern, die eine Druckdifferenz auf der Grundlage zweier Absolutdrucksensorausgaben elektronisch berechnen, ist die Wiederholbarkeit der Sensoren besonders wichtig, um zu vermeiden, daß Fehler in das Subtraktionsverfahren eingeführt werden. Der barometrische Druckbereich ist recht begrenzt, normalerweise 0,9 bis 1,1 Atmosphären, und man will einen relativ billigen Absolutsensor zur barometrischen Druckerfassung verwenden. Allerdings haben billige Absolutdrucksensoren oft nicht die Wiederholbarkeit, die man bei Prozeßfluidsensoren vorfindet. Diese billigen Sensoren können unerwünschte Fehler in das elektronische Subtraktionsverfahren einführen.
  • Wie nachstehend in 1 bis 11 dargestellt ist, werden barometrische Drucksensoren bereitgestellt, die billig hergestellt werden können und die hohe Wiederholbarkeit im begrenzten barometrischen Druckbereich haben. Die barometrischen Drucksensoren lassen sich mit ausgewählten bekannten Verfahren der Mikrostrukturfertigung (auch Mikrosystemtechnologie (MST) genannt), z. B. Maskieren, Dotieren, Ätzen, Dünnfilmabscheidung u. ä., zweckmäßig in Serie fertigen. Zu diesen bekannten Verfahren gehören viele, die aus der Herstellung integrierter Schaltungen angepaßt sind.
  • 1 zeigt einen Drucksensor 100, der aus mehreren Schichten gebildet ist und der zweckmäßig in Serie gefertigt werden kann. Der Drucksensor 100 weist eine Basisschicht 102 auf, die einen Durchgang 104 zwischen einem Einlaß 106 und einer Anordnungsfläche 108 auf der Basisschicht umgibt. Der Einlaß 106 ist geeignet, mit einer Meßgebergehäuse-Innenfläche verbunden zu sein, die ein Loch (gemäß 10) umgibt, das einen atmosphärischen Druck P von außerhalb eines Meßgebergehäuses bereitstellt.
  • Zudem weist der Drucksensor 100 eine Sensorschicht 110 mit einer ersten Fläche 112 auf, die durch eine Isolierverbindung 114 mit der Anordnungsfläche 108 verbunden ist. Die Sensorschicht 110 weist eine leitende Membran 116 auf, die zum Durchgang 104 ausgerichtet ist, um Druck P aufzunehmen.
  • Der Drucksensor 100 weist eine Referenzschicht 120 auf, die auf der Sensorschicht 110 angeordnet ist, um einen Referenzvakuumhohlraum 122 zu bilden, der zur leitenden Membran 116 ausgerichtet ist. Die Referenzschicht 120 weist eine leitende Oberfläche 124 auf, die zur leitenden Membran 116 über den Referenzvakuumhohlraum 122 weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden. Die Referenzschicht 120 ist ausreichend dick, so daß sich die Referenzschicht 120 mit atmosphärischen Druckänderungen um den Sensor 100 nicht wesentlich biegt oder auslenkt. Vorzugsweise weist die Referenzschicht 120 eine Mesa 121 auf, die etwas vorsteht und die zur leitenden Membran 116 weist. Die Mesa 121 hat eine Höhe, die so ausgewählt ist, daß der gewünschte Abstand zwischen Kondensatorplatten im Vakuumhohlraum 122 vorgesehen ist. Die Höhe der Mesa 121 kann so ausgewählt sein, daß die Dicke von Verbindungsschichten 126, 130 korrigiert wird. Zusätzlich zur Mesa 121 oder als Alternative zur Mesa 121 kann eine zweite Mesa 123 auf der Sensorschicht 110 vorgesehen sein, um für Kondensatorabstandssteuerung zu sorgen.
  • Die leitende Membran 116 dient als erste Kondensatorelektrode oder -platte. Die leitende Oberfläche 124 dient als zweite Kondensatorelektrode oder -platte. Der Vakuumhohlraum 122 sorgt für einen Abstand zwischen den allgemein parallelen Kondensatorplatten. Der Abstand zwischen den Kondensatorplatten variiert, wenn die Membran 116 durch Druck P ausgelenkt wird. Die Isolierverbindung 114 sorgt für elektrische Isolierung von der Basisschicht 102 und weist vorzugsweise eine Glasurschicht oder Glasfrittenschicht auf.
  • Ferner weist die Sensorschicht 110 eine erste Isolierschicht 126 auf, die die leitende Membran 116 auf einer zweiten Fläche 128 umgibt. Die Referenzschicht 120 weist eine zweite Isolierschicht 130 auf, die mit der ersten Isolierschicht 126 verbunden ist. In einer bevorzugten Anordnung weisen die Referenzschicht 120 und die Sensorschicht 110 Silicium auf, und die erste und zweite Isolierschicht 126, 130 weisen aufgewachsenes Siliciumdioxid auf und sind durch Verschmelzen miteinander verbunden. Das Silicium in den Schichten 110, 120 ist dotiert und elektrisch leitend. Die Isolierschichten 126, 130 isolieren die leitenden Abschnitte der Sensorschicht 110 von der Referenzschicht 120, so daß der Druckerfassungskondensator nicht kurzgeschlossen wird.
  • Eine erste elektrische Bondinsel 132 ist auf der Sensorschicht 110 angeordnet. Die Bondinsel 132 steht in elektrischem Kontakt mit der Sensorschicht 110 und ist mit dieser verbunden und sorgt dadurch für eine Verbindung mit einer Platte oder Elektrode des Druckerfassungskondensator. Eine zweite elektrische Bondinsel 134 steht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche 124 auf der Referenzschicht 120 und ist mit dieser verbunden und sorgt dadurch für eine Verbindung mit der anderen Platte oder Elektrode des Druckerfassungskondensators.
  • In einer bevorzugten Anordnung weist die Sensorschicht 110 einen Sockelabschnitt 111 auf einer Seite auf, der sich über die Referenzschicht 120 hinaus erstreckt, und mindestens eine elektrische Bondinsel 132 ist auf dem Sockelabschnitt angeordnet. Die Anordnung dieses Sockelabschnitts 111 sorgt für leichten Zugang zum Verbinden eines Bonddrahts 133 und ermöglicht der Bondinsel 132, von der leitenden Membran 116 beabstandet zu sein, so daß Spannungsübertragung vom Bonddraht 133 zur leitenden Membran 116 reduziert ist.
  • In einer bevorzugten Anordnung weist die Sensorschicht 110 ferner einen zweiten Durchgang 136 auf, der sich vom Referenzvakuumhohlraum 122 zur Isolierverbindung 114 erstreckt. Nachdem die Referenzschicht 120 und Sensorschicht 110 miteinander verbunden sind, wird anschließend die Basisschicht 102 mit der Sensorschicht 110 in einem Vakuum verbunden. Die Isolierverbindung oder -fritte 114 dichtet den zweiten Durchgang 136 ab, um ein permanentes Vakuum im Referenzvakuumhohlraum 122 vorzusehen. Vorzugsweise ist der zweite Durchgang 136 ein Laserbohrloch.
  • Der Drucksensor 100 kann zur Verwendung als barometrischer Drucksensor mit einem Betriebsbereich von etwa 0,9 bis 1,1 Normalatmosphären wirtschaftlich hergestellt werden.
  • 2 zeigt einen Drucksensor 150, der dem Drucksensor 100 gemäß 1 ähnelt, wobei aber der Drucksensor 150 eine Referenzschicht 170 aufweist, die ein Isolierglas ist, das mit einer Sensorschicht 160 über eine anodische Verbindung 180 anodisch verbunden ist.
  • In 2 umgibt eine Basisschicht 152 einen Durchgang 154 zwischen einem Einlaß 156, der einen Druck P aufnimmt, und einer Anordnungsfläche 158 auf der Basisschicht 152.
  • Die Sensorschicht 160 hat eine erste Fläche 162, die durch eine Isolierverbindung 164 mit der Anordnungsfläche 158 verbunden ist. Die Sensorschicht 160 weist eine leitende Membran 166 auf, die zum Durchgang 154 ausgerichtet ist. Vorzugsweise weist die Isolierverbindung 164 eine Glasfrittenschicht auf.
  • Die Referenzschicht 170 ist auf der Sensorschicht 160 angeordnet, um einen Referenzvakuumhohlraum 172 zu bilden, der zur leitenden Membran 166 ausgerichtet ist. Die Referenzschicht 170 weist eine leitende Oberfläche 174 auf, die zur leitenden Membran 166 über den Referenzhohlraum 172 weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden. Das Grundmaterial der Referenzschicht 170 weist vorzugsweise Pyrex-Glas auf, und die leitende Oberfläche 174 weist vorzugsweise eine Nik kelchromabscheidung auf. Die Referenzschicht 170 ist mit bekannten anodischen Verbindungstechniken zum Verbinden von Pyrex mit Silicium mit der Sensorschicht 160 anodisch verbunden. Nachdem die anodische Verbindung 180 abgeschlossen ist, wird anschließend der Sensor in einem Vakuum erwärmt, um den Referenzvakuumhohlraum 172 mit einer kleinen Menge Glasfritte 183 abzudichten. Die Glasfritte 183 füllt einen kleinen Kanal, der durch die Referenzschicht geschnitten ist, um eine elektrische Durchführung zu einer ersten elektrischen Bondinsel 184 von der leitenden Oberfläche 174 zu ermöglichen.
  • Die erste elektrische Bondinsel 184 ist auf einer elektrischen Leiterschicht 189 abgeschieden, die mit der leitenden Oberfläche 174 verbunden ist, die eine zweite Platte oder Elektrode des Druckerfassungskondensators bildet. Die erste elektrische Bondinsel 184 und elektrische Leiterschicht 189 sind auf einem Isolierkanal 185 auf der Sensorschicht 160 angeordnet. Die elektrische Leiterschicht 189 steht in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche 174 über eine Metallbrücke 187.
  • Eine zweite elektrische Bondinsel 182 ist auf der Sensorschicht 160 angeordnet und dadurch mit der leitenden Membran 166 verbunden, die eine Platte oder Elektrode des Drukkerfassungskondensators bildet. Die zweite elektrische Bondinsel 182 steht in elektrischem Kontakt mit der Sensorschicht 160.
  • Vorzugsweise sind die Bondinseln 182, 184 aus Aluminium gebildet. Der Isolierkanal 185 ist vorzugsweise aus pyrolytischem Oxid gebildet. Die Metallbrücke 187, die elektrische Leiterschicht 189 und die leitende Oberfläche 174 sind alle vorzugsweise aus Nickelchrom gebildet. Die Sensorschicht 160 weist einen Sockelabschnitt 161 auf, der sich über die Referenzschicht 170 hinaus erstreckt, und die elektrischen Bondinseln 182, 184 sind auf dem Sockelabschnitt angeordnet.
  • Vorzugsweise ist der Drucksensor 150 ein barometrischer Drucksensor mit einem Betriebsbereich von etwa 0,9 bis 1,1 Atmosphären.
  • 3 und 4 zeigen nähere Querschnittansichten zweier unterschiedlicher Ausführungsformen leitender Membranen 116 eines kapazitiven Absolutdrucksensors, z. B. des Drucksensors 100 gemäß 1. 3 und 4 sind nicht maßstäblich, sondern haben einen gedehnten senkrechten Maßstab, um bestimmte Merkmale besser zu veranschaulichen. Außerdem sind 3 und 4 Darstellungen der leitenden Membranen 116 im Verlauf von Überdruckzuständen. Ein Überdruckzustand ist ein Zustand, in dem der Druck P den Nennmeßbereich des Drucksensors übersteigt. Unter Überdruckbedingungen wird die leitende Membran 116 weg von ihrer nominalen Form (mit Strichlinien 194, 196 gezeigt) ausgelenkt und ruht an der leitenden Oberfläche 124 der Referenzschicht 120 und wird durch diese gestützt. In 3 und 4 ist eine Oxidschicht 190 auf der Membranoberfläche gebildet. Außerdem ist in 4 eine zusätzliche Oxidschicht 192 auf der leitenden Oberfläche 124 gebildet. Die Oxidschichten 190, 192 verhindern Kurzschließen der leitenden Oberfläche 124 mit der leitenden Membran 116 im Verlauf von Überdruckzuständen. Die leitende Membran 116 wird im Verlauf von Überdruckzuständen so abgestützt, daß sie nicht bricht, und die Oxidschichten 190, 192 verhindern einen Kurzschluß während des Überdruckzustands.
  • 5 bis 9 zeigen einen Drucksensor 200, der dem Drucksensor 100 gemäß 1 ähnelt, wobei aber der Drucksensor 200 einige zusätzliche Merkmale aufweist. Insbesondere gehören Nuten 201 dazu, die zur Verringerung der Restkapazität verwendet werden können. Eine zusätzliche maskierte Isolierschicht 203 kann vorgesehen sein, um für verbesserte Leistung über Temperaturextrema zu sorgen. Ein sackgassenförmiger Durchgang (6) kann in der Referenzschicht 120 zwischen dem Referenzvakuumhohlraum 122 und dem zweiten Durchgang 136 zugefügt sein, um Bewegung von Abfall vom Laserbohren zu reduzieren.
  • 5 zeigt einen Drucksensor 200, der aus mehreren Schichten gebildet ist und der mit bekannten Verfahren der Mikrostrukturfertigung (auch Mikrosystemtechnologie (MST) genannt), z. B. Maskieren, Dotieren, Ätzen, Dünnfilmabscheidung u. ä., zweckmäßig in Serie gefertigt werden kann. Der Drucksensor 200 gemäß 5 ähnelt dem Drucksensor 100 gemäß 1. Die in 5 verwendeten Bezugszahlen, die mit den in
  • 1 verwendeten Bezugszahlen identisch sind, bezeichnen die gleichen oder ähnliche Merkmale.
  • In 5 weist der Drucksensor 200 mehrere Nuten 201 auf (auch in 9 bei 372, 374, 376, 378 gezeigt).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Isolierschicht 130 maskiert, um eine maskierte Form zu bilden, und die Referenzschicht 120 weist auch eine dritte Isolierschicht 203 entgegengesetzt zur zweiten Isolierschicht 130 auf. Die dritte Isolierschicht 203 ist im wesentlichen in der gleichen maskierten Form wie die zweite Isolierschicht 130 maskiert. Die dritte Isolierschicht 203 ist zur zweiten Isolierschicht 130 ausgerichtet. Ändert sich die Temperatur, dehnen sich die erste und zweite Isolierschicht 203, 130 mit einer anderen Geschwindigkeit als die Dehnung des Grundmaterials der Referenzschicht 120. Die Differenz der Ausdehnungsgeschwindigkeiten erzeugt Spannung in der Referenzschicht 120, allerdings tendieren die Spannungen von den beiden im wesentlichen identischen Schichten 203, 130 dazu, sich aufzuheben. Dieses Maskierungsmerkmal mit im wesentlichen der gleichen maskierten Form ist später im Zusammenhang mit 8 und 9 näher beschrieben.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine dünne Oxidschicht 217 auf der Sensorschicht 110 vorgesehen. Die Oxidschicht 217 ähnelt der Oxidschicht 190 gemäß 3 und 4 und verhindert Kurzschließen im Verlauf von Überdruckzuständen.
  • 6 bis 9 zeigen verschiedene Masken, die bei Herstellung des Sensors 200 gemäß 5 zum Einsatz kommen. In 5 dienen Bezugszeichen L (links) und R (rechts) zur Bezeichnung einer linken und einer rechten Seite des Sensors 200. In 6 bis 9 dienen entsprechende Bezugszeichen L und R zur Bezeichnung der Orientierung der verschiedenen Masken relativ zum Sensor 200 in 5. Die Masken gemäß 6 bis 9 sehen zusätzliche Details an den Formen verschiedener Merkmale gemäß 5 vor. Die Masken in 6 bis 9 veranschaulichen die Herstellung eines Sensors. Dem Fachmann wird klar sein, daß ein Sensor mit vielen anderen Sensoren auf Wafern in Serie gefertigt und dann vereinzelt werden kann. Bei Seri enfertigung werden die einzelnen Masken gemäß 6 bis 9 normalerweise in regelmäßigen Anordnungen auf Masken wiederholt, die groß genug sind, gesamte Wafer zu komplettieren.
  • 6 zeigt eine Maske 300 für eine zweite Fläche 128 (Oberseite) der Sensorschicht 110 gemäß 5. Die Maske 300 weist einen allgemein rechtwinkligen Bereich 302 auf, der eine entsprechend geformte Oberfläche von nacktem (nicht oxidierten) Silicium vorsieht. Die erste elektrische Bondinsel 132 wird später auf diesem nackten Siliciumbereich 302 abgeschieden. Außerdem weist die Maske 300 einen Bereich 304 auf, der über der leitenden Membran 116 liegt und auch einen Sackgassenbereich 306 bildet, der mit dem Bereich 304 zusammenhängt. Der Sackgassenbereich 306 stellt einen offenen Weg zwischen dem zweiten Durchgang 136 und dem Referenzvakuumhohlraum 122 bereit. Die Maske 300 weist einen unregelmäßig geformten Bereich 308 auf, der die erste Isolierschicht 126 bildet, die den leitenden Membranbereich 304 und den Sackgassenbereich 306 umgibt.
  • 7 zeigt eine Maske 320 für eine Unterseite der Sensorschicht 110 gemäß 5. Die Maske 320 weist einen Bereich 322 auf, der einen Bereich festlegt, der auf einer Siliciumkristallfläche mit Orientierung (100) anisotropisch zu ätzen ist, um die Membran 116 zu bilden. Ferner verfügt die Maske 320 über einen Bereich 324, der oxidiert bleibt, und einen Bereich 326, der eine Stelle für den zweiten Durchgang 136 festlegt, normalerweise ein Laserbohrloch.
  • 8 veranschaulicht eine Maske 340 für eine Oberseite der Referenzschicht 120 gemäß 5. Die Maske 340 weist einen Bereich 342 auf, der eine maskierte Isolierschicht 203 bildet. Außerdem weist die Maske 340 einen Bereich 344 auf, der einen Bereich 346 umschreibt, der die zweite elektrische Bondinsel 134 bildet.
  • 9 zeigt eine Maske 360 für eine Unterseite der Referenzschicht 120 gemäß 5. Die Maske 360 weist Bereiche 362, 364, 366 auf, die anisotropisch geätzte Nuten bilden. Diese anisotropisch geätzten Nuten bilden eine Linie 368 zur Spannungskonzentration, so daß ein in Serie fabrizierter Sensor 200 aus einem Wafer mit mehreren Sensoren zweckmäßig ver einzelt werden kann. In 5 sind die weggebrochenen Abschnitte der Referenzschicht 120 mit Strichlinien dargestellt.
  • Außerdem weist die Maske 360 Bereiche 372, 374, 376, 378, 380, 382 auf, die anisotropisch geätzte Nuten wie die Nuten 201 gemäß 5 bilden. Diese Nuten sorgen für erhöhte Trennung zwischen Oberflächen der Sensorschicht 110 und der Referenzschicht 120. Die Referenzschicht 120 weist diese Nuten auf, die zur Sensorschicht 110 weisen. Die erhöhte Trennung reduziert "Restkapazität" des kapazitiven Drucksensors. Die Restkapazität eines kapazitiven Drucksensors ist der Wert der Sensorkapazität, wenn sich der Sensor in Ruhe befindet oder anders gesagt nicht ausgelenkt ist. Die Restkapazität reagiert nicht auf Druckänderungen und tendiert als solche unerwünscht dazu, den Prozentsatz zu reduzieren, um den sich die Kapazität über den Nennmeßbereich ändert. Die Restkapazität mit Nuten zu reduzieren vereinfacht die Gestaltung eines elektronischen Schaltungsaufbaus, der mit dem Drucksensor 200 verwendet wird.
  • Ferner weist die Maske 360 einen Bereich 384 auf, der eine Ätzstoppschicht festlegt, die die Mesa 121 bildet. Weiterhin weist die Maske 360 einen Bereich 386 auf, der die zweite Isolierschicht 130 bildet. Ersichtlich ist, daß der Bereich 342 in 8 die maskierte Isolierschicht 203 festlegt und daß der Bereich 386 in 9 die zweite Isolierschicht 130 so festlegt, daß sie im wesentlichen die gleichen Formen haben, die zueinander ausgerichtet sind, um für mechanische Spannungsisolierung im Verlauf von Temperaturschwankungen zu sorgen.
  • Die Maske 360 weist außerdem einen Sackgassenbereich 387 auf, der zum Sackgassenbereich 306 in 6 ausgerichtet ist. Dadurch ist der Referenzvakuumhohlraum 122 so geformt, daß er eine Sackgasse aufweist, die zum zweiten Durchgang 136 führt, der normalerweise ein Laserbohrloch ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Sackgassenbereich 388 darstellungsgemäß eine Biegung 388 von mindestens 90 Grad auf.
  • 10 zeigt eine teilweise weggebrochene Ansicht eines Meßdruckgebers 400, der einen barometrischen Sensor 402 aufweist. Der barometrische Sensor 402 kann allgemein gemäß der vorstehenden Beschreibung anhand von 1 bis 9 aufgebaut sein. Der Meßdruckgeber 400 weist ein Gehäuse 404 auf, das den barometrischen Sensor 402 umschließt, der durch Zuleitungen 406 mit einer Leiterplatte 408 verbunden ist, die eine Wandlerschaltung aufweist. Die Wandlerschaltung auf der Leiterplatte 408 wird später anhand von 11 näher erläutert.
  • Außerdem weist der Meßdruckgeber 400 einen Prozeßdrucksensor 410 auf, der durch Zuleitungen 412 mit der Wandlerschaltung auf der Leiterplatte 408 verbunden ist. Der Prozeßdrucksensor 410 ist ein Absolutdrucksensor, der Prozeßdruck an einem Prozeßdruckeinlaß 434 erfaßt.
  • Die Wandlerschaltung auf der Leiterplatte 408 erzeugt eine elektrische Ausgabe, die Meßdruck auf Zuleitungen 414 darstellt. Die Zuleitungen 414 sind mit einem Klemmenblock 415 verbunden, der auch als abgedichtete Durchführung dient. Das Gehäuse 404 ist ein Zweikammergehäuse mit einer Sperrwand 416, die eine Elektronikkammer 418 von einer Feldverdrahtungskammer 420 trennt. Jede der Kammern 418, 420 ist durch einen entsprechenden Schraubdeckel 430, 432 abgedichtet. Ein Kabel 422 verbindet den Klemmenblock 415 mit einem Prozeßleitsystem (nicht gezeigt) an einem entfernten Standort. Die elektrische Ausgabe ist zur Langstreckenübertragung, auch Telemetrie genannt, konfiguriert, und normalerweise hat die Ausgabe am Klemmenblock 415 ein Standardformat, z. B. eine industrielle 4–20-mA Prozeßsteuerschleife, die für die gesamte Speisung für den Meßgeber 400 sorgt. Die industrielle 4–20-mA Prozeßsteuerschleife kann überlagerte Signale in einem industriellen Standardformat aufweisen, z. B. im Hart-Protokoll. Alternativ kann die Ausgabe am Klemmenblock 415 ein industrielles Standard-Feldbusformat haben, z. B. Foundation Fieldbus, Profibus u. ä.
  • Das Gebergehäuse 404 weist einen barometrischen Druckanschluß 424 auf, der zur Atmosphäre offen ist, die das Gehäuse 404 umgibt. Ein Einlaß des barometrischen Drucksensors 402 ist mit dem Inneren des Gebers über den barometrischen Druck anschluß verbunden. Vorzugsweise weist der barometrische Druckanschluß 424 einen porösen Teflon-Stopfen 426 auf, der im barometrischen Druckanschluß 424 angeordnet ist. Der poröse Teflon-Stopfen 426 hilft, das Eindringen von Wasser in den barometrischen Druckanschluß 424 zu verhindern. Vorzugsweise ist der barometrische Drucksensor 402 mit dem Gehäuse 404 mit Hilfe einer Dreimetallverbindung 428 verbunden, z. B. Titan-Nickel-Gold oder Chrom-Nickel-Gold. Dreimetallverbindungen sind z. B. aus der US-5695590 (Willcox et al.) bekannt.
  • 11 veranschaulicht ein exemplarisches Blockschaltbild des Meßdruckgebers 400 in 10. Der Prozeßdrucksensor 410 ist über Zuleitungen 412 mit einer Sigma-Delta-Schaltung 450 in einer Wandlerschaltung 452 gekoppelt. Der barometrische Drucksensor 402 ist über Zuleitungen 406 mit der Sigma-Delta-Schaltung 450 in der Wandlerschaltung 452 gekoppelt.
  • Die Sigma-Delta-Schaltung 450 führt ein digitales Signal als Darstellung des nicht kompensierten Prozeßdrucks über eine Leitung 454 zu einer Prozeßdruck-Kompensationsschaltung 456. Die Sigma-Delta-Schaltung 450 führt ein digitales Signal als Darstellung des nicht kompensierten barometrischen Drucks über eine Leitung 458 zu einer barometrischen Druck-Kompensationsschaltung 460. Die Prozeßdruck-Kompensationsschaltung 456 führt eine Ausgabe als Darstellung des kompensierten Prozeßdrucks auf einer Leitung 466 zu einer Differenzberechnungsschaltung 468. Die barometrische Druck-Kompensationsschaltung 460 führt eine Ausgabe als Darstellung des kompensierten barometrischen Drucks auf einer Leitung 470 zur Differenzberechnungsschaltung 468. Die Differenzberechnungsschaltung 468 berechnet eine Differenz zwischen dem kompensierten Prozeßdruck und dem kompensierten barometrischen Druck, die eine genaue Angabe für den Meßdruck 414 darstellt. Zur Kompensation, die durch die Schaltungen 456, 460 durchgeführt wird, gehören Verstärkungs- und Linearitätskorrekturen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wandlerschaltung auch einen Temperatursensor 475 auf, der mit der Sigma-Delta-Schaltung 450 gekoppelt ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform führt die Sigma-Delta-Schaltung 450 eine Ausgabe als Darstellung der Temperatur zu beiden Kompensati onsschaltungen 456, 460. Danach kompensieren die Kompensationsschaltungen 456, 460 zusätzlich Temperaturänderungen.
  • In einer bevorzugten Anordnung sind die Kompensationsschaltungen 456, 460 und die Differenzberechnungsschaltung 468 als Teil eines eingebetteten Mikroprozessorsystems im Meßdruckgeber 400 realisiert.
  • Die Sigma-Delta-Schaltung 450 ist vorzugsweise eine Analog-Digital-Wandlerschaltung vom Sigma-Delta-Typ. Die Wandlerschaltung 452 kompensiert einen Wert vom Prozeßdrucksensor und kompensiert einen Wert vom barometrischen Drucksensor und berechnet die Differenz durch Subtrahieren des kompensierten barometrischen Druckwerts vom Prozeßdruckwert.
  • Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
  • Zusammenfassung
  • Bereitgestellt wird ein barometrischer Drucksensor (100) mit einer Basisschicht (102), einer Sensorschicht (110) und einer Referenzschicht (120). Die Basisschicht hat einen Durchgang (104) zwischen einem Druckeinlaß (106) und einer Anordnungsfläche (108). Die Sensorschicht ist durch eine Isolierverbindung (114) mit der Anordnungsfläche verbunden und weist eine leitende Membran (116) auf. Die Referenzschicht ist auf der Sensorschicht angeordnet, um einen Referenzvakuumhohlraum (122) zu bilden. Die Referenzschicht weist eine leitende Oberfläche (124) auf, die zur leitenden Membran über den Referenzvakuumhohlraum weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden.
    (1)

Claims (25)

  1. Drucksensor mit: einer Basisschicht, die einen Durchgang zwischen einem Einlaß, der geeignet ist, einen Druck aufzunehmen, und einer Anordnungsfläche auf der Basisschicht umgibt; einer Sensorschicht mit einer ersten Fläche, die durch eine Isolierverbindung mit der Anordnungsfläche verbunden ist, wobei die Sensorschicht eine leitende Membran aufweist, die zum Durchgang ausgerichtet ist; und einer Referenzschicht, die auf der Sensorschicht angeordnet ist, um einen Referenzvakuumhohlraum zu bilden, der zur leitenden Membran ausgerichtet ist, wobei die Referenzschicht eine leitende Oberfläche aufweist, die zur leitenden Membran über den Referenzvakuumhohlraum weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden.
  2. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Isolierverbindung eine Glasfrittenschicht aufweist.
  3. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die leitende Membran eine Oxidschicht aufweist.
  4. Drucksensor nach Anspruch 3, wobei die leitende Oberfläche die Oxidschicht unter einer Überdruckbedingung abstützt.
  5. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorschicht ferner eine erste Isolierschicht auf einer zweiten Fläche aufweist, die die leitende Membran umgibt, und die Referenzschicht ferner eine zweite Isolierschicht aufweist, die mit der ersten Isolierschicht verbunden ist.
  6. Drucksensor nach Anspruch 5, wobei die zweite Isolierschicht maskiert ist, um eine maskierte Form zu bilden, und die Referenzschicht auch eine dritte Isolierschicht entgegengesetzt zur zweiten Isolierschicht aufweist, wobei die dritte Isolierschicht im wesentlichen in der gleichen maskierten Form wie die zweite Isolierschicht maskiert ist.
  7. Drucksensor nach Anspruch 5, wobei die Referenzschicht und die Sensorschicht Silicium aufweisen und die erste und zweite Isolierschicht Siliciumdioxid aufweisen und durch Verschmelzen miteinander verbunden sind.
  8. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Referenzschicht Pyrex-Glas aufweist und mit der Sensorschicht anodisch verbunden ist.
  9. Drucksensor nach Anspruch 1, ferner mit einer ersten elektrischen Bondinsel, die auf der Sensorschicht angeordnet und mit dem Druckerfassungskondensator verbunden ist.
  10. Drucksensor nach Anspruch 9, ferner mit einer zweiten elektrischen Bondinsel, die mit dem Druckerfassungskondensator verbunden ist,
  11. Drucksensor nach Anspruch 10, wobei die erste elektrische Bondinsel in elektrischem Kontakt mit der Sensorschicht steht und die zweite elektrische Bondinsel auf einem pyrolytischen Oxidisolierkanal auf der Sensorschicht angeordnet ist und in elektrischem Kontakt mit der leitenden Oberfläche steht.
  12. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorschicht ferner einen zweiten Durchgang aufweist, der sich vom Referenzvakuumhohlraum zur Isolierverbindung erstreckt.
  13. Drucksensor nach Anspruch 12, wobei der zweite Durchgang ein Laserbohrloch ist.
  14. Drucksensor nach Anspruch 13, wobei der Referenzvakuumhohlraum so geformt ist, daß er eine Sackgasse aufweist, die zum Laserbohrloch führt.
  15. Drucksensor nach Anspruch 14, wobei die Sackgasse eine Biegung von mindestens 90 Grad aufweist.
  16. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Referenzschicht mindestens eine Nut aufweist, die zur Sensorschicht weist.
  17. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Referenzschicht eine Mesa aufweist, die zur leitenden Membran weist.
  18. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Sensorschicht einen Sockelabschnitt aufweist, der sich über die Referenzschicht hinaus erstreckt, und mindestens eine elektrische Bondinsel auf dem Sockelabschnitt angeordnet ist.
  19. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor ein barometrischer Drucksensor mit einem Betriebsbereich von mindestens 0,9 bis 1,1 Atmosphären ist.
  20. Meßdruckgeber, der einen barometrischen Drucksensor aufweist, wobei der barometrische Drucksensor aufweist: eine Basisschicht, die einen Durchgang zwischen einem Einlaß, der geeignet ist, einen Druck aufzunehmen, und einer Anordnungsfläche auf der Basisschicht umgibt; eine Sensorschicht mit einer ersten Fläche, die durch eine Isolierverbindung mit der Anordnungsfläche verbunden ist, wobei die Sensorschicht eine leitende Membran aufweist, die zum Durchgang ausgerichtet ist; und eine Referenzschicht, die auf der Sensorschicht angeordnet ist, um einen Referenzvakuumhohlraum zu bilden, der zur leitenden Membran ausgerichtet ist, wobei die Referenzschicht eine leitende Oberfläche aufweist, die zur leitenden Membran über den Referenzvakuumhohlraum weist, um einen Druckerfassungskondensator zu bilden.
  21. Meßdruckgeber nach Anspruch 20, ferner mit: einem Gebergehäuse, wobei das Gebergehäuse einen barometrischen Druckanschluß hat, der mit dem Einlaß verbunden ist.
  22. Meßdruckgeber nach Anspruch 21, ferner mit einem porösen Teflon-Stopfen, der im barometrischen Druckanschluß angeordnet ist.
  23. Meßdruckgeber nach Anspruch 20, ferner mit: einem Prozeßdrucksensor; und einer Wandlerschaltung, die mit dem Prozeßdrucksensor und dem barometrischen Drucksensor gekoppelt ist, wobei die Wandlerschaltung eine Differenz zwischen Prozeßdruck und barometrischem Druck berechnet.
  24. Meßdruckgeber nach Anspruch 23, wobei die Wandlerschaltung einen Analog-Digital-Wandler vom Sigma-Delta-Typ aufweist.
  25. Meßdruckgeber nach Anspruch 23, wobei die Wandlerschaltung einen Wert vom Prozeßdrucksensor kompensiert und einen Wert vom barometrischen Drucksensor kompensiert und die Differenz durch Subtrahieren des kompensierten barometrischen Druckwerts vom Prozeßdruckwert berechnet.
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