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Sensor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einer Düsenanordnung,
die mit wenigstens einem Strömungskanal und einem zentral angeordneten Signalkanal
versehen ist, und einem Halbleiterdrucksensor.
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Es ist ein pneumatischer Sensor zur Messung eines Werkzeugverschleißes
und zur Kollisionsvermeidung bei einem Messerkopffräser bekannt. Der pneumatische
Sensor zur Verschleißmessung und der pneumatische Sensor zur Werkstückdetektion
enthält jeweils eine Mantelstrahldüse aus Metall und einen Halbleiterdrucksensor
mit einem integrierten Signalverstärker. Die Mantelstrahldüse des Verschleißsensors
ist für Speisedrücke von 1,0 bis 3,5 bar ausgelegt. Die Durchmesser des Strömungskanals
und des Signalkanals betragen etwa 1,2 bzw. 0,5 mm. Die Länge der Mantelstrahldüse
beträgt 22 mm, aber die Gesamtlänge des Signalkanals ist 55 mm lang. Die Ansprechzeit
dieser Anordnung beträgt etwa 30 msec. Der pneumatische Sensor zur Werkstückdetektion
ist beispielsweise mit einer Laval-Düse versehen, die im Anschluß an den engsten
Querschnitt mit einer divergenten Kanalerweiterung versehen ist, die eine weitere
Expansion der Luft zuläßt. Mit der Laval-Düse erhält man bei einem Speisedruck von
etwa 5 bar eine Reichweite von etwa 10 mm. Der Durchmesser des Signalkanals dieser
Düse ist etwa 2 mm und der Außendurchmesser des Speisekanals ist etwa 8,6 mm bei
einem Innendurchmesser von etwa 7,8 mm (IPA Forschung und Praxis, Band 64, 1982,
Seiten 37 bis 59 und 93 bis 95).
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Ferner ist eine Düsenanordnung aus Silizium und deren Herstellung
bekannt, die für einen Hochgeschwindigkeits-
Tintenstrahldrucker
vorgesehen ist. Diese Düsenanordnung enthält acht Düsen mit kreisförmigen Öffnungen
von beispielsweise 20 um Durchmesser, die im Abstand von beispielsweise 0,3 mm angeordnet
sind. Zuerst sind auf einer Stirnseite, beispielsweise die {1,0,03-Ebene, der beidseitig
oxydierten Siliziumscheibe Lage und Durchmesser der späteren Düsen mit Fotomaterial
festgelegt. Beim anschließenden Ätzen sind auf dieser Stirnseite der Siliziumscheibe
nur Punkte in Form von Oxydscheiben angeordnet. Danach wird diese Stirnseite beispielsweise
mit Bor dotiert, wobei die Chip-Oberfläche unter den Oxydpunkten undotiert bleibt.
Fotolithographisch wird dann ein Muster von quadratischen Öffnungen auf der gegenüberliegenden
Stirnseite der Siliziumscheibe aufgebracht, die jeweils genau unter den undotierten
Punkten angeordnet sind. Mit Hilfe eines anisotropen Ätzmittels wird eine pyramidenförmige
Vertiefung ausgeätzt, deren Seitenwände von den {l,l,l}-Kristallebenen gebildet
werden. Der Ätzvorgang kommt selbstständig zum Stillstand, sobald die mit Bor dotierte
Schicht erreicht ist. Die Ätzlösung frißt sich jedoch durch das undotierte Silizium
unter den Oxydpunkten, so daß nach Entfernen des Oxyds die Düsenöffnungen freiliegen.
Anschließend wird der ganze Chip noch einmal mit einer Oxydschicht versehen (James
B. Angell, Stephen C. Terry, Philips W. Barth: "Silicon Micromechanical Devices",
Scientific American, April 1983, Seiten 41 bis 43).
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen pneumatischen
Sensor zu verbessern, insbesondere sollen die Ansprechzeit und die Empfindlichkeit
vergrößert werden bei einem kompakten, mechanisch einfachen und unempfindlichen
Aufbau des Sensors.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß die Düsenanordnung, die mit einem zentral
angeordneten Signalkanal und mehreren zum Signalkanal konzentrisch angeordneten
Strömungskanälen versehen ist, und der Halbleiterdrucksensor mit einem aktiven Schaltkreis
aus einer Siliziumscheibe bestehen, erhält man einen integrierten pneumatischen
Sensor. Dieser Sensor kann mit denselben Techniken wie für die Herstellung der integrierten
Schaltkreise aus Silizium billig und in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Außerdem
erreicht man durch die Miniaturisierung und Integrierung der Düsenanordnung und
des Halbleiterdrucksensors auf einer Siliziumscheibe, daß die Signalkanallänge und
das Totvolumen sich wesentlich verringert. Somit erhält man einen pneumatischen
Sensor, dessen Ansprechzeit beispielsweise höchstens etwa 5 msec beträgt und dessen
Empfindlichkeit sich wesentlich erhöht hat.
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Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in
der ein Ausführungsbeispiel eines Sensors schematisch veranschaulicht ist.
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Fig. 1 zeigt einen Sensor gemäß der Erfindung und in Fig. 2 ist eine
vorteilhafte Ausführungsform des Sensors dargestellt und Fig. 3 veranschaulicht
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Sensors.
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In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein Sensor, insbesondere ein
pneumatischer Sensor, dargestellt, den man zur Messung von Werkzeugverschleiß, zur
Kollisionsvermeidung von Werkzeugen bei Verarbeitungsmaschinen oder zur Positionsbestimmung
bei Industriehandhabungsmaschinen verwenden kann. Dieser Sensor enthält eine Düsenanordnung,
die mit einem zentral angeordneten Signalkanal 2 und mehreren
zum
Signalkanal 2 konzentrisch angeordneten Strömungskanälen 4 versehen ist, und einen
Halbleiterdrucksensor 6. Die Düsenanordnung und der Halbleiterdrucksensor 6 sind
aus einem Siliziumsubstrat 8 gemeinsam hergestellt. Die Strömungskanäle 4 sind jeweils
gegeneinander versetzt angeordnet in mehreren konzentrisch zum Signalkanal 2 angeordneten
Kreisen. Der Radius r des ersten konzentrischen zum Signalkanal 2 angeordneten Kreises,
auf dem die Strömungskanäle 4 angeordnet sind, beträgt beispielsweise etwa 0,8 mm
und der Radius R des zweiten konzentrischen Kreises beträgt beispielsweise etwa
1,5 mm. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Strömungskanäle 4 auch auf
drei oder sogar mehreren konzentrischen Kreisen oder auch auf nur einem gemeinsamen
Kreis anzuordnen. Außerdem ändern sich die Durchmesser der Strömungskanäle 4 mit
der Anzahl der konzentrisch zum Signalkanal 2 angeordneten Kreise. In der dargestellten
Ausführungsform beträgt jeweils der Durchmesser der Strömungskanäle 4 beispielsweise
etwa 0,4 mm. Der Signalkanal 2, dessen Durchmesser beispielsweise etwa 1 mm beträgt,
ist mit der Membrane 10 des Halbleiterdrucksensors 6 versehen. Außerdem ist der
Halbleiterdrucksensor 6 mit einem vorzugsweise integrierten aktiven Schaltkreis
versehen, der die Ausgangsspannung des Halbleiterdrucksensors 6 beispielsweise in
ein frequenzmoduliertes Signal umformt. Das Siliziumsubstrat 8 ist mit einem Gehäuse
6 versehen, das mit einer Druckzuführung 14 versehen ist.
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Der vom Gehäuse 12 und-der Flachseite der Membrane 10, die dem Signalkanal
2 abgewandt ist, eingeschlossene Raum 16 enthält Druckluft mit beispielsweise einem
Speisedruck von etwa 3 bar. Auf der Flachseite der Membrane 10, die dem Signalkanal
2 zugewandt ist, ist nur ein Staudruck des Signalkanals 2 wirksam. Somit mißt der
Halbleiterdrucksensor 6 einen Differenzdruck, der ein Maß ist beispiels-
weise
für den Abstand eines in der Nähe liegenden Objektes. Mit abnehmendem Abstand eines
Objektes zur Düsenanordnung verringert sich auch der Differenzdruck. Dieser Sensor
wird nach bekannten Verfahren mit Hilfe einer isotropen Ätzlösung, beispielsweise
Mischungen aus Fluß-, Salpeter- und Essigsäure, die auch als HNA-Ätziösungen (hydrofluoric
nitric acetic) bekannt sind, aus Silizium hergestellt. Außerdem können die Strömungskanäle
4 auch mit Hilfe eines Laserstrahis hergestellt werden, wenn geradlinige Strömungskanäle
4 dicht nebeneinander anzuordnen sind.
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Durch diese Gestaltung des Sensors wird erreicht, daß die Signalkanallänge
und das Totvolumen sich wesentlich verringern bei gleichzeitiger Miniaturisierung
der Baugröße des Sensors, d. h. man erhält einen Sensorchip mit einer Kantenlänge
von beispielsweise etwa 4 mm. Außerdem erhält man eine Düsenanordnung, die einer
Mantelstrahldüse mit doppelkonzentrischen Ringkanal entspricht. Somit erhöhen sich
der strömungstechnische Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit wesentlich und die
Ansprechzeit beträgt höchstens etwa 5 msec.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Sensors nach
Figur 2 enthält das Siliziumsubstrat 8 mehrere Strömungskanäle 4, einen Signalkanal
2 und den Halbleiter drucksensor 6. Der Signalkanal 2 ist ebenfalls mit der Membrane
10 des Halbleiterdrucksensors 6 versehen. Bei der Herstellung dieser vorteilhaften
Ausführungsform des Sensors benutzt man beim Ätzvorgang ein anisotropes Ätzmittel,
beispielsweise wäßriges Kaliumhydroxid, wäßriges Natriumhydroxid oder eine Lösung
aus Athylendiamin und Brenzkatechin, die auch als EDP-Ätzlösungen (ethylenediamine
pyrocatechol) bekannt sind. Diese Ätzmittel greifen das Kristallgitter in verschiedenen
Richtungen mit
unterschiedlicher Geschwindigkeit an. Außerdem wird
der Membranbereich des Halbleiterdrucksensors 6 mit Bor hoch dotiert. Die Flachseiten
18 und 20 des Siliziumsubstrates 8 sind jeweils tl,O,O}-Ebenen des Siliziumsubstrates
8. Beim Ätzvorgang mit einem anisotropen Ätzmittel entstehen als Strömungskanäle
pyramidenstumpfförmige Löcher, deren Seitenwände 22 jeweils die t1,1,1}- 13 - Ebenen
des Siliziumsubstrates 8 sind und dessen Stirnseiten quadratisch geformt sind. Der
Ätzvorgang bei der Herstellung der Strömungskanäle 4 kommt von selbst zum Stillstand,
da keine der noch freiliegenden Flächen angreifbar ist. Der mit Bor dotierte Bereich
wirkt als Stoppschicht und bleibt als Membrane 10 stehen. Bei dieser Ausführungsform
des Sensors wird von beiden Flachseiten 18 und 20 des Siliziumsubstrates 8 her geätzt.
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In der Ausführungsform des Sensors nach Figur 3 wird das Siliziumsubstrat
8 mit Hilfe eines anisotropen Ätzmittels und dem bekannten Bearbeitungsverfahren
zur Herstellung integrierter Schaltkreise hergestellt. Der Membranbereich ist ebenfalls
mit Bor hoch dotiert und wirkt somit als Stoppschicht beim Ätzen. Bei dieser Ausführungsform
des Sensors wird nur von der Flachseite 20 des Siliziumsubstrates 8 her geätzt.
Beim Ätzen mit dem anisotropen Ätzmittel entstehen als Strömungskanäle 4 pyramidenstumpfförmige
Löcher, deren Seitenwänden 22 jeweils die Ebene des Siliziumsubstrates 8 sind. Der
mit Bor hochdotierte Bereich bleibt als Membrane 10 des Halbleiterdrucksensors 6
stehen, die in der (1,0, o3 -Ebene des Siliziumsubstrates 8 angeordnet ist. Die
Widerstände des Halbleiterdrucksensors 6 und der aktive Schalt kreis werden durch
vorbestimmte Dotierungen auf der Flachseite 18 des Siliziumsubstrates 8 hergeste-llt.
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Durch die Verwendung eines anisotropen Ätzmittels kann
man
eine dichte Anordnung von Strömungskanälen 4 erzeugen. Der Abstand der Strömungskanalränder
voneinander läßt sich soweit verringern, wie es die Genauigkeit der Fotolithographie
erlaubt. Außerdem kann man dünne Membranen 10, beispielsweise dünner als etwa 10
um, mit diesem Ätzstopp-Verfahren herstellen. Somit erhält man einen Sensorchip
mit beispielsweise einer Kantenlänge von etwa 4 mm.
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11 Patentansprüche 3 Figuren
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