-
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)