DE19714703A1

DE19714703A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE19714703A1
Application number: DE19714703A
Authority: DE
Inventors: Kurt Ingrisch; Kurt Weiblen; Hubert Dr Benzel; Botho Dr Ziegenbein; Hans-Peter Dr Trah; Andreas Duell; Karl Bender; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-04-13
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2017-04-10
Also published as: JP2000508425A; KR100432068B1; WO1997039320A1; KR19990087301A; US6062088A; JP3821852B2; DE19714703B4

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der DE 40 28 376 ist bereits ein Drucksensor bekannt, bei dem auf einer Membrane ein Dehnungsmeßelement aufgebracht wird. Das Dehnungsmeßelement wird durch Dünnschichttechnik auf einer Glasplatte erzeugt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung von Siliciumbrückenelementen besonders preisgünstige Drucksensoren geschaffen werden. Die einzelnen Brückenelemente können sehr kostengünstig gefertigt werden, indem eine Vielzahl von Brückenelementen gleichzeitig aus einem Siliciumwafer hergestellt werden. Die eingebrachten piezoresistiven Widerstandselemente weisen dabei eine hohe Empfindlichkeit auf.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksensors möglich. Durch die einstückige Einspannung der Membrane in einem steifen Rahmen wird ein Drucksensor geschaffen, bei dem durch einfache Variation der Membrandicke Sensoren für unterschiedliche Druckbereiche gefertigt werden. Zur Erreichung einer hohen Empfindlichkeit erstreckt sich dabei das Dehnungsmeßelement vom Rahmen auf die Membrane. Die piezoelektrischen Widerstandselemente sind vorzugsweise in Bereichen hoher mechanischer Verformung angeordnet, um ein hohes Meßsignal zu gewährleisten. Das Siliciumbrückenelement kann entweder direkt oder durch einen Träger auf der Metallmembrane und dem Rahmen angeordnet werden. Durch den Träger wird die Handhabbarkeit des Siliciumbrückenelements bei der Herstellung verbessert. Dabei dann sowohl ein Verbindungsbereich auf dem Rahmen wie auch auf der Membrane vorgesehen sein. Zur Verbesserung der Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals kann vorgesehen werden, daß der Verbindungsbereich auf dem Membrane nicht fest verbunden wird, sondern aufliegt. Die Verbindung der Befestigungsbereiche mit der Membrane oder dem Rahmen erfolgt zweckmäßigerweise durch Kleben oder Löten. Die Herstellung von Membranen und Rahmen kann vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung von Metall erfolgen. Um eine besonders einfache Montage des Drucksensors zu ermöglichen, kann der Rahmen zusätzlich noch als Einschraubbauteil, welches mit einem Gewinde versehen ist, ausgeführt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Siliciumbrückenelement und Fig. 3 und Fig. 4 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer metallischen Membrane 1, die in einem steifen Rahmen 3 eingespannt ist, gezeigt. Auf der Membrane 1 ist ein Dehnmeßelement, welches als Siliciumbrückenelement 2 ausgebildet ist, angeordnet. Das Siliciumbrückenelement 2 ist mit jeweils einem Verbindungsbereich 10 zum einen auf der Membrane 1, zum anderen auf dem steifen Rahmen 3 befestigt. Weiterhin ist auf dem steifen Rahmen 3 eine Hybridschaltung 4 vorgesehen, durch die die Auswertung der Signale des Siliciumbrückenelements 2 erfolgt. Das Siliciumbrückenelement 2 weist dazu piezoresistive Widerstände 11 auf, deren Widerstand sich aufgrund von Spannungszuständen im Siliciummaterial ändert. Die elektrische Verbindung zwischen dem Siliciumbrückenelement 2 und der Hybridschaltung 4 wird durch einen Bonddraht 5 hergestellt. Weiterhin können noch weitere Bonddrähte oder andere elektrische Leitungselemente vorgesehen werden, mit denen die Signale der Hybridschaltung 4 nach außerhalb des Drucksensors weitergeleitet werden können. Der Rahmen 3 weist zusätzlich noch ein Gewinde 6 auf, durch das der Rahmen 3 fest montiert werden kann.

Durch die Druckzuführung 7 wird die Unterseite der Membrane 1 mit einem zu messenden Druck beaufschlagt. Die Oberseite der Membrane ist mit normalem Umgebungsdruck oder einem Referenzdruck beaufschlagt, so daß der absolute Druck oder ein Differenzdruck gemessen wird. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Druckzuführung 7 und der Oberseite der Membrane kommt es zu einer Verformung der Membrane, die eine entsprechende Verformung des Siliciumbrückenelements 2 bewirkt. Das Siliciumbrückenelement 2 weist eine Ausnehmung 8 auf, durch die ein geschwächter, das heißt dünner ausgestalteter Brückenbereich geschaffen wird. In diesem Brückenbereich treten besonders hohe mechanische Verspannungen auf. Aus diesem Grund sind in diesem Bereich, das heißt oberhalb der Ausnehmung 8 auch die piezoresistiven Widerstände 11 angeordnet. Diese ändern aufgrund von mechanischen Spannungen ihren Widerstandswert. Diese Widerstandsänderungen werden durch die Hybridschaltung 4 nachgewiesen und sind ein Maß für den an der Druckzuführung 7 anliegenden Druck.

In der Fig. 2 wird exemplarisch eine Aufsicht auf eine Siliciumbrücke 2 nach der Fig. 1 gezeigt. Die piezoelektrischen Widerstände 11 sind dabei so angeordnet, daß in ihnen hohe mechanische Spannungen auftreten, wenn die Siliciumbrücke 2 durch die Auslenkung der Membrane 1 verformt wird. Im vorliegenden Fall ist es daher vorgesehen, daß die Widerstandselemente 11 nicht über den Verbindungsbereichen 10 angeordnet sind. Zur Kontaktierung der piezoelektrischen Widerstände 11 sind Leiterbahnen 20 vorgesehen, die in Anschlußbereichen 21 münden. Auf den Anschlußbereichen 21 können Bonddrähte 5, wie sie in der Fig. 1 gezeigt werden, befestigt werden. Die Leiterbahnen 20 stellen einen elektrischen Kontakt zu den piezoelektrischen Widerständen 11 her. In der Fig. 2 sind zwei Widerstände 11 gezeigt, die in der Art einer Halbbrücke verschaltet sind. Es sind jedoch auch andere Anordnungen von Widerstandselementen 11 denkbar, insbesondere können auch mehr Widerstandselemente, beispielsweise in der Form einer Vollbrücke, vorgesehen sein. Weiterhin können auch noch in den Bereichen, in denen niedrige mechanische Spannungen auftreten, hier beispielsweise die Bereiche, die über den Verbindungsbereichen 10 gelegen sind, weitere Widerstandselemente vorgesehen sein, deren Widerstandswert unabhängig von einer Verformung der Membrane 1 ist. Derartige Widerstandselemente können dann als Referenzwiderstandselemente verwendet werden. Die Erzeugung der Widerstandselemente 11 erfolgt durch Eindiffusion von Störstellen in das Silicium der Siliciumbrücke 2. Durch eine entsprechende Dotierung und Ausrichtung anhand bestimmter Kristallachsen kann dabei eine hohe Abhängigkeit des Widerstands von mechanischen Spannungen erreicht werden. Die Leiterbahnen 20 können durch oberflächliche Metallschichten oder durch Diffusionsprozesse, wobei dabei die Dotierung sehr hoch zu wählen ist, so daß der piezoresistive Effekt gering ist, realisiert werden. Die in der Fig. 1 gezeigte Ausnehmung 8 kann besonders einfach durch einen anisotropen Ätzprozeß des einkristallinen Materials des Siliciumbrückenelements 2 erzeugt werden. Bei der Herstellung des Siliciumbrückenelements 2 wird in erster Linie an eine Parallelfertigung gedacht, das heißt, ausgehend von einem einkristallinen Siliciumwafer werden eine Vielzahl von Brückenelementen parallel gefertigt. Durch Zerteilen des Siliciumwafers am Ende des Herstellungsprozesses lassen sich dann eine Vielzahl von einzelnen Brückenelementen erzeugen. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß die Herstellungskosten für das einzelne Siliciumbrückenelement besonders klein werden und daß derartige Herstellungsprozesse mit großer Präzision durchgeführt werden können. Es werden so hochgenaue Brückenelemente geschaffen, deren Preis zudem gering ist.

Eine vorteilhafte Herstellung der Membrane 1 und des Rahmens 3 besteht in der einstückigen Ausbildung durch spanabhebende Bearbeitung, beispielsweise Drehen aus einem Metallrohling. Es sind jedoch auch andere Verfahren denkbar, mit denen gleichzeitig ein metallischer Rahmen 3 und eine damit einstückig verbundene Membrane 1 erzeugt werden. Durch einfache Variation der Dicke und des Durchmessers der Membrane 1 kann die Empfindlichkeit des Drucksensors bei der Herstellung über einen weiten Empfindlichkeitsbereich eingestellt werden. Es ist so auch möglich, ohne Variation des Siliciumbrückenelements 2 Drucksensoren für unterschiedliche Druckbereiche herzustellen. Weiterhin kann der Rahmen 3 bei der Herstellung gleich mit einem Gewinde 6 versehen werden. Mittels eines derartigen Gewindes 6 kann der Rahmen 3 druckdicht mit einem Gehäuse, Meßkörper oder dergleichen verschraubt werden. Der Drucksensor kann somit in einfacher Weise als Einschraubelement ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft sind die derartig hergestellten Sensoren als Hochdrucksensoren im Bereich von einigen Tausend bar einsetzbar.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Siliciumbrückenelement 2 entspricht dem Brückenelement 2, wie es bereits aus der Fig. 1 bekannt ist. Das Brückenelement 2 ist hier jedoch nicht unmittelbar auf der Membrane 1 und dem Rahmen 3 montiert, sondern ist mit diesen nur über einen Träger 16 verbunden. Der Träger 16 ist mit einem Verbindungsbereich 10 durch eine Befestigungsschicht 12 fest mit dem Rahmen 3 verbunden. Über der Membrane 1 weist der Träger 16 nur einen Verbindungsbereich 10 auf, auf dem der Träger 16 auf der Membrane 10 aufliegt. Das Siliciumbrückenelement 2 ist fest mit dem Träger 16 verbunden. Um zu gewährleisten, daß bei der Herstellung des Drucksensors das Verbindungsmittel 12, welches beispielsweise als Lot ausgebildet ist, nur auf dem Rahmen eine feste Verbindung schafft, ist ein Lotstop 15 vorgesehen, der die Ausbreitung des Befestigungsmittels 12 in Richtung der Membrane 1 hin begrenzt. Der Lötstop 15 ist hier als Ausnehmung ausgebildet. Es sind jedoch auch alle anderen Maßnahmen denkbar, die verhindern, daß das Befestigungsmittel 12 sich in Richtung der Membrane 1 ausbreitet.

Durch die Verwendung des Trägers 16 wird die Herstellung der Siliciumbrückenelemente 2 vereinfacht. Dabei ist zu beachten, daß durch die Ausnehmung 8 das Brückenelement 2 mechanisch sehr empfindlich ist und beim Anbringen auf der Membrane 1 oder dem Rahmen 3 zerstört werden könnte. Der Träger 16 kann beispielsweise auch in einer parallelen Herstellung zunächst als großflächige Scheibe komplett mit dem Siliciumwafer verbunden werden und dann zusammen mit dem Siliciumwafer in einzelne kleine Bereiche zerteilt werden. Die so geschaffenen Dehnungsmeßelemente, bei denen die empfindlichen Siliciumbrückenelemente 2 jeweils auf einem Träger 16 angeordnet sind, lassen sich ebenfalls auf das Herstellungsverfahren wesentlich einfacher handhaben als die Siliciumbrückenelemente 2 alleine. Weiterhin kann für die Träger 16 ein Material verwendet werden, welches die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium und Metall im gewissen Rahmen kompensiert. Dazu ist beispielsweise Glas als Material für den Träger 16 geeignet. Die Vorteile der Verwendung des Trägers 16 ergeben sich auch, wenn der Träger 16 sowohl mit dem Rahmen 3 wie auch mit der Membrane 1 verbunden wird.

Der in der Fig. 3 gezeigte Träger 16 ist nur mit dem Rahmen 3 fest verbunden, während er hingegen auf der Membrane 1 nur aufliegt. Auf dem Rahmen 3 wird somit ein Festlager und auf der Membrane 1 ein Loslager gebildet. Der Träger 16 beziehungsweise das damit verbundene Siliciumbrückenelement 2 können sich somit gegenüber dem Metallmaterial von Membrane 1 und Rahmen 3 zusammenziehen oder ausdehnen, ohne daß es dabei zum Auftreten von merklichen mechanischen Verspannungen kommt. Eine Auslenkung der Membrane 1, die durch eine Druckbeaufschlagung des Drucksensors hervorgerufen wird, führt jedoch nach wie vor zu mechanischen Spannungen im Siliciumbrückenelement 2, die durch die piezoelektrischen Widerstände 11 nachgewiesen werden können. Durch die Verwendung eines Loslagers und eines Festlagers wird so die thermische Empfindlichkeit des Drucksensors verringert, ohne daß dies mit einer nennenswerten Verringerung der Empfindlichkeit verbunden ist.

In der Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors gezeigt. Das Siliciumbrückenelement 2, die metallische Membran 1 und der Rahmen 3 entsprechen den Elementen aus der Fig. 1 oder 3. Wie in der Fig. 3 ist hier das Siliciumbrückenelement 2 nicht unmittelbar mit der metallischen Membran 1 oder dem Rahmen 3 verbunden. Die Verbindung des Siliciumbrückenelements 2 mit dem Rahmen 3 erfolgt über einen Sockel 102. Die Verbindung des Siliciumbrückenelements 2 zur Membran 1 erfolgt über eine Stütze 101. Zwischen der Stütze 101, dem Sockel 102 und dem Siliciumbrückenelement 2 ist jeweils eine Verbindungsschicht 103 und 104 vorgesehen.

Für die Stütze 101 und den Sockel 102 wird ein Material verwendet welches von seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an Silicium angepaßt ist. Die temperaturbedingte Ausdehnung des Eisen-Nickelmetalls sollte dabei dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium möglichst nahekommen. Dazu wird insbesondere eine Stütze 101 und ein Sockel 102 aus Nickel-Eisenmetall verwendet. Für die Verbindungsschichten 103, 104 wird vorzugsweise ein Glaslot verwendet, dessen Ausdehnungskoeffizient ebenfalls an Silicium angepaßt ist.

Durch die Stütze 101 wird die Auslenkung der metallischen Membran 1 auf das Siliciumbrückenelement 2 übertragen. Der Sockel 102 dient zur festen Befestigung des Siliciumbrückenelements 2 auf dem starren Rahmen 3. Durch die angepaßten Temperaturkoeffizienten können thermisch bedingte Verspannungen im Siliciumbrückenelement 2 verringert werden. Dabei ist insbesondere die thermische Ausdehnung in X-Richtung von Bedeutung, da die metallische Membran 1 und der Rahmen 3 vorzugsweise aus Stahl gefertigt werden und dieses Material einen stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Siliciummaterial des Siliziumbrückenelements 2 aufweist. Durch die in Y-Richtung sehr starre Auslegung der Stütze 101 werden auch kleine Auslenkungen der metallischen Membran 1 in Y-Richtung gut auf das Siliciumbrückenelement 2 übertragen. Die Stütze 101 ist jedoch in X-Richtung sehr schlank ausgebildet, so daß beim Auftreten einer unterschiedlichen Ausdehnung von Rahmen 3 und metallischer Membran 1 eine Ausdehnung in X-Richtung durch die Stütze 101 durch eine Verbiegung der Stütze 101 kompensiert wird. Es wird so erreicht, daß die durch einen Temperatureinfluß bewirkte Kraft im wesentlichen nur noch von der geometrischen Form und des Elastizitätsmoduls des Materials der Stütze abhängt. Weiterhin kann durch Wahl eines geeigneten Glaslotes für die Verbindungsschichten 103, 104 der thermische Einfluß auf das Siliciumbrückenelement weiter verringert werden.

Für die Verbindung der Stütze 101 auf der Membran 1 bzw. des Sockels 102 auf dem Rahmen 3 eignen sich übliche Metallverbindungen wie z. B. Schweißen, Löten oder Kleben.

Claims

1. Drucksensor mit einer metallischen Membrane (1) und einem auf der Membrane (1) angeordneten Dehnungsmeßelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungselement ein Siliciumbrückenelement (2) mit eingebrachten piezoresistiven Widerstandselementen (11) aufweist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (1) mit einem steifen Rahmen (3) eingefaßt ist, und daß die Membrane (1) und der steife Rahmen (3) einstückig ausgebildet sind.

3. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumbrückenelement (2) mit einem Verbindungsbereich (10) unmittelbar auf dem Rahmen (3) und mit einem Verbindungsbereich (10) unmittelbar auf der Membrane (1) befestigt ist.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumbrückenelement (2) auf einem Träger (16) angeordnet ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) mit einem Verbindungsbereich (10) auf dem Rahmen (3) und mit einem Verbindungsbereich (10) auf der Membrane (1) befestigt ist.

6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) mit einem Verbindungsbereich (10) unmittelbar auf dem Rahmen (3) befestigt ist und mit einem Verbindungsbereich (10) auf der Membrane (1) aufliegt.

7. Drucksensor nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung durch Kleben oder Löten erfolgt ist.

8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (1) und der Rahmen (3) durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt sind.

9. Drucksensor nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) ein Gewinde (6) aufweist.

10. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumbrückenelement (2) mittels einer Stütze (101) mit der Membran verbunden ist, daß die Stütze (101) in einer Richtung senkrecht auf der Membran starr ausgebildet ist und in einer Richtung parallel zur Membran verbiegbar ausgebildet ist.

11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein steifer Rahmen (3) vorgesehen ist, daß das Siliciumbrückenelement (2) durch einen Sockel (102) mit dem Rahmen (3) verbunden ist.

12. Drucksensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (101) und der Sockel (102) aus einem Material, insbesondere einem Nickel-Eisenmetall ausgebildet sind, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium entspricht.

13. Drucksensor nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Stütze (101) und des Sockels (102) mit dem Siliciumbrückenelement (2) durch Verbindungsschichten (103, 104) aus einem Glaslot erfolgt.

14. Drucksensor nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (101) und der Sockel (102) durch Schweißen, Löten oder Kleben mit der Membran (1) und dem Rahmen (3) verbunden sind.