DE3741941A1

DE3741941A1 - Elektrostatischer kapazitiver drucksensor

Info

Publication number: DE3741941A1
Application number: DE19873741941
Authority: DE
Inventors: Kimihiro Nakamura; Toshiyuki Takano
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1986-12-12
Filing date: 1987-12-10
Publication date: 1988-07-21
Also published as: BR8706755A; DE3741941C2; JPS63149531A; US4769738A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostatischen kapazitiven Drucksensor, insbesondere einen elektrostatischen kapazitiven Drucksensor, bei welchem Siliziummembranen ver wendet werden.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines konventionellen elektrostatischen kapazitiven Drucksensors dargestellt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird ein dünner Membranabschnitt 1 mit Hilfe von Ultraschall oder durch Ätzen des zentralen Abschnitts einer Seite einer flachen Siliziumplatte vorbe reitet. Eine Metallunterlage 3 (beispielsweise aus Alumini um, Gold oder Molybdän) wird auf der Membran 1 ausgebildet, von welcher sich ein Zuführungsdraht 13 erstreckt. Ein Basis teil 2 aus Borosilikatglas, dessen thermischer Ausdehnungs koeffizient in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten von Silizium liegt (3,2×10^-6/°C) ist mit einer Durchgangs loch-Elektrode 4 versehen, die aus Cr-, Au, Cr-Ni-Au oder der gleichen hergestellt ist, und mit dem dicken Abschnitt der Siliciummembran 1 durch ein bekanntes elektrostatisches Kon taktierungsverfahren verbunden, so daß eine Meßzelle 15 aus gebildet wird. Ein Metallrohr 7 aus Kovar (hergestellt durch Westinghouse Electric Corporation) oder Fe-Ni kann auf den Basisteil 2 aus Borosilikatglas bindend aufgebracht werden mit einer Verbindungsschicht 6, deren thermischer Expansi onskoeffizient so niedrig ist wie 5×10^-6/°C, um einen Anschlußteil für die Zuführung eines Drucks P auszubilden.

Der voranstehend beschriebene konventionelle Sensor weist zahlreiche Nachteile und Schwierigkeiten auf. Zwar ist in Folge des elektrostatischen Kontaktierungsverfahrens die Reproduzierbarkeit des Meßspalts zwischen der Siliziummem bran 1 und der Elektrode 4 besser, jedoch ist die Luftdichtig keit in Folge von in der Verbindung (den Abschnitten, die nicht verbunden wurden) verbliebenen Schaums ungenügend.

Zum elektrostatischen Verbindungsverfahren zum Bonden der Siliziummembran 1 und des Glasbasisteils 2 existiert ein alternatives Verfahren. Bei diesem alternativen Verfahren wird Glas auf die elektrostatische Verbindung 8 gemäß Fig. 1 aufgebracht, wobei das Glas einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Der Spalt zwischen der Membran und der Elektrode läßt sich jedoch nur schwer mit hoher Genauigkeit der Abmessungen reproduzieren, obwohl die Luftdichtigkeit ausgezeichnet ist. Insbesondere wenn der Drucksensor für miniaturisierte Anwendungen vorgesehen ist, sollte der Spalt so klein sein wie 10 µm oder geringer, und es ist beinahe unmöglich, einen so kleinen Spalt von 10 µm oder geringer mit der bevorzugten Reproduzierbarkeit her zustellen. Obwohl ein dünner Film von Cr-Ni-Au auf dem Boro silikatglas 2 durch Verdampfung oder Verwendung der eutek tischen Reaktion von Au-Si abgelagert und ausgebildet werden kann, läßt sich der Meßspalt ebenfalls schwer genau repro duzieren.

Da zur Messung ein Paar gegenüberliegender Elektroden verwendet wird, wird die Dielektrizitätskonstante des Druckmediums innerhalb der Meßzelle durch die Temperatur beeinflußt. Daher ist die sich ergebende Temperaturcharakteristik des Sens ors schlecht, was dazu führt, daß es unmöglich ist, ein ordent lich zum Druck proportionales Signal zu erhalten.

In vorteilhafter Weise wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein bezüglich der Temperaturcharakteristik hochgenauer elek trostatischer kapazitiver Drucksensor zur Verfügung gestellt, insbesondere ein elektrostatischer kapazitiver Drucksensor, welcher einen Spalt zwischen einer Siliziummembran und einer Elektrode aufweist, welcher mit hoher Genauigkeit und Wirk samkeit reproduzierbar ist. Ein weiterer Vorteil der vor liegenden Erfindung liegt in der luftdichten Verbindung der Druckeinlaßzelle.

Zur Erzielung der voranstehend genannten Vorteile und Merkmale wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektrostatischer kapazitiver Drucksensor bereitgestellt, welcher einen Sili zium-Basisteil mit einem Druckeinlaßteil und zwei Silizium membranen aufweist. Die Membranen weisen einen zentralen Abschnitt und einen äußeren peripheren Abschnitt auf, wobei die Dicke des zentralen Abschnitts geringer ist als die Dicke des äußeren peripheren Abschnitts. Die erste Membran ist an dem äußeren peripheren Abschnitt an die Basis angekoppelt, um eine Druckzelle auszubilden, welche mit dem Druckanschluß in Verbindung steht. Ein Isolierteil, auf welchem eine Elek trode angebracht ist und der eine erste und zweite Stirnfläche aufweist, ist mit der ersten Stirnfläche des Isolierteils an einer Seite des peripheren Abschnitts der ersten Membran daran angeschlossen, um zwischen der ersten Membran und der ersten Stirnfläche des Isolierteils eine erste Meßzelle auszubilden. Die zweite Membran ist an einer Seite ihres äußeren peripheren Abschnitts an die zweite Stirnfläche des Isolierteils angeschlossen, um eine zweite Meßzelle zwischen der zweiten Membran und der zweiten Stirnfläche des Isolier teils auszubilden. Leitungseinrichtungen sind an die erste und zweite Membran und an die Elektrode angeschlossen, um die Kapazität in der ersten und zweiten Meßzelle zur Messung des durch den Druckeinlaß ausgeübten Drucks festzustellen. Bei einer vorliegenden Ausführungsform weisen die Leitungs einrichtungen eine Metallunterlage 3 A und einen Zuführungs draht 13 A auf, welche von der ersten Membran ausgehen, eine Metallunterlage 3 B und einen Zuführungsdraht 13 B, welche von der zweiten Membran ausgehen, und eine Durchgangsloch elektrode 4.

Die Siliziumbasis ist an den dicken Abschnitt der ersten Siliziummembran mit einer dazwischen angeordneten Ver bindungsschicht angekuppelt, um die Druckeintrittszelle luftdicht anzukoppeln und die mechanische Belastbarkeit des Sensors zu vergrößern. Durch elektrostatische Kopplung des Isoliersubstrats mit der Durchgangsloch-Elektrode in der Stirnfläche gegenüberliegend zur Stirnfläche der Silizium basis der ersten Membran wird eine erste Meßzelle mit einem Spalt ausgebildet, welcher eine hervorragende Reproduzierbar keit aufweist. Darüber hinaus wird eine zweite Meßzelle aus gebildet mit einem Spalt, der ebenfalls hervorragend repro duzierbar ist, mittels elektrostatischer Kupplung der zweiten Siliziummembran zur zweiten Stirnfläche des Isoliersubstrats.

Die beigefügten Figuren sind in dieser Beschreibung einge schlossen und bilden einen Teil dieser Beschreibung, sie erläutern bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen, zusammen mit der Erfindung, zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines konventionellen Sensors;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Aufsicht auf den in Fig. 2 dargestellten Sensor;

Fig. 4 ein Schaltkreisdiagramm mit einer Schaltung eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Ausführungs form.

Eine erste Ausführungsform eines Drucksensors gemäß der vor liegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß zwei Meßzellen 15 A bzw. 15 B mit Meßspalten ausgebildet werden, welche eine hervorragende Reproduzierbarkeit aufweisen, durch elektrostatische Zusammenkopplung zweier Siliziummem branen 1 A, 1 B von im wesentlichen derselben Form auf beiden Seiten eines isolierenden Substrats 2 (beispielsweise eines Borosilikat-Glassubstrats mit einem thermischen Expansions koeffizienten von 3,2×10^-6/°C). Das Substrat 2 ist mit einer Durchgangsloch-Elektrode 4 versehen. Eine Druckzelle 5 wird luftdicht ausgebildet durch Bonden eines Siliziumbasis teils 9 an den dicken Abschnitt der Siliziummembran 1 A mit einer aus Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,4×10^-6/°C, also ähnlich dem Ausdehungskoeffizienten von Silizium, bestehenden Verbindungsschicht 10. Dieser Auf bau erhöht die mechanische Festigkeit eines Sensors. Weiterhin ist eine Öffnung 16 vorgesehen, um ein Druckmedium in die Meßzelle 15 A, 15 B einzulassen, um den Temperatureinfluß auf die Elektrizitätskonstante zu minimalisieren und die Tem peraturcharakteristik des Sensors zu verbessern.

Wird ein unter Druck stehendes Fluid über ein Metallrohr 7 eingelassen, so wird der dünne Abschnitt der Siliziummembran 1 A um eine Entfernung ausgelenkt, welche von dem ausgeübten Druck P abhängt. Da der Spalt (die Meßzelle 15 A) zwischen der Siliziummembran 1 A und dem Isoliersubstrat 2 sich ändert, ändert sich die Kapazität zwischen ihnen. Die gemessene Kapazität zwischen der Elektrode und der ersten Membran (Cm) können als elektrostatische Kapazität über die Metall unterlage 3 A und den Zuführungsdraht 13 A und die Durchgangs loch-Elektrode 4 herausgeführt werden. Da die Meßzelle 15 B nicht an der Druckänderung beteiligt ist, bleibt andererseits die über die Metallunterlage 3 B, Zuführungsdraht 13 B und Elektrode 4 herausgeführte elektrostatische Kapazität unver ändert. Die Kapazität zwischen der zweiten Membran und der Elektrode ist die Referenzkapazität (Cr). Fig. 4 zeigt einen Schaltkreis für einen derart angeordneten Sensor. Im einzelnen wird die über den Zuführungsdraht 13 A und die Elektrode 4 herausgeführte Kapazität (Cm) für Meßzwecke verwendet, während die über den Zuführungsdraht 13 B und die Elektrode 4 herausgeführte Kapazität (Cr) als Referenz verwendet wird. Unter Verwendung dieser Kapazitäten wird der Druck P, wie allgemein bekannt ist, ausgedrückt durch die Gleichung

(Cm - Cr)/Cm α P

Da die Elektrizitätskonstante eine Funktion der Temperatur ist, kann ein hochgenaues Drucksignal unabhängig von Tem peratureinflüssen erhalten werden.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist zwischen dem zweiten Siliziumbasisteil 9 A und der Silizium membran 1 B ein zweiter Siliziumteil 9 A mit einer Verbindungs schicht 10 A hinzugefügt. Diese Anordnung ist gewählt zur Erhöhung der Symmetrie auf dem Isoliersubstrat 2, zur Ver ringerung der Deformation des Sensors in Folge der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und zur weiteren Verbesserung der Temperaturcharakteristik. Alle anderen in Fig. 5 dargestellten Teile entsprechen Teilen, die in Fig. 2 angegeben sind.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der elektrostatische kapazitive Drucksensor eine erste Siliziummembran 1 A und eine zweite Siliziummembran 1 B auf, von denen jede durch Bearbeitung des Zentralbereichs beider Seiten einer Silizium platte hergestellt ist, um deren zentralen Abschnitt dünn und deren äußeren peripheren Abschnitt dick auszubilden. Ein Isoliersubstrat 2 mit einer Durchgangsloch-Elektrode 4 zeichnet sich dadurch aus, daß das Isoliersubstrat 2 elektrostatisch mit einer der Stirnflächen des dicken Ab schnitts der ersten Membran zur Ausbildung einer ersten Meßzelle 15 A verbunden ist, wogegen der Siliziumbasisteil luftdicht mit deren anderer Stirnfläche über eine dazwischen angeordnete Verbindungsschicht verbunden ist, und der dicke Abschnitt der zweiten Siliziumschicht ist elektrostatisch mit der Stirnfläche des Isolierteils verbunden, gegenüber liegend zu der Stelle, an der die erste Meßzelle des Isolier substrats ausgebildet ist, um eine zweite Meßzelle 15 B auszu bilden. Daher können die Meßkapazität und die Referenzkapa zität in hervorragendem Gleichgewicht ausgebildet werden und es läßt sich auf einfache Weise ein Signal erhalten, welches dem Druck proportional ist, und sich aus der Kom bination äußerer Schaltkreise ergibt. Zusätzlich wird ein elektrostatischer kapazitiver Drucksensor zur Verfügung ge stellt, welcher hervorragende Temperatureigenschaften auf weist.

Nach dieser Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird darauf hingewiesen, daß einem Fachmann auf diesem Gebiet Abänderungen und Modifikationen der Erfindung offenbar werden, ohne daß von dem Grundgedanken der Erfindung abgewichen werden muß, und der Umfang der Er findung ergibt sich aus den beigefügten Patentansprüchen und deren Äquivalenten.

Claims

1. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor, gekenn zeichnet durch einen Siliziumbasisteil (9) mit einer Druckeinlaßöffnung, eine erste Siliziummembran (1 A) mit einem zentralen Abschnitt und einem äußeren peripheren Abschnitt, bei welcher der zentrale Abschnitt eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des äußeren peripheren Abschnitts, wobei die erste Membran (1 A) an dem äußeren peri pheren Abschnitt an den Basisteil (9) zur Ausbildung einer in Verbindung mit der Druckeinlaßöffnung stehenden Zelle verbunden ist, einen Isolierteil (2), welcher mit einer darauf angeordneten Elektrode (4) versehen ist und eine erste und eine zweite Stirnfläche aufweist, wobei die erste Stirnfläche des Isolierteils (2) an die erste Membran (1 A) an einer Seite des peripheren Abschnitts zur Ausbildung einer dazwischen angeordneten ersten Meßzelle (15 A) angeschlossen ist, eine zweite Siliziummembran (1 B), welche im wesentlichen der ersten Membran (1 A) gleicht und an einer Seite des äußeren peri pheren Abschnitts an die zweite Stirnfläche des Isolierteils (2) zur Ausbildung einer dazwischen angeordneten zweiten Meßzelle (15 B) angekoppelt ist, und durch Leitvorrichtungen (13 A, 13 B), welche an die erste und zweite Membran (1 A, 1 B) und die Elektrode (4) angeschlossen sind, um die Kapazität in der ersten und zweiten Meßzelle (15 A, 15 B) zur Messung eines durch die Druckeinlaßöffnung angelegten Drucks festzu stellen.

2. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Membran (1 A, 1 B) elektrostatisch an die erste beziehungsweise zweite Stirnfläche des Isolierteils (2) ge bondet sind.

3. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der inner halb der ersten Meßzelle (15 A) angeordnete Oberflächenbereich der Elektrode (4) gleich dem innerhalb der zweiten Meßzelle (15 B) angeordneten Oberflächenbereich der Elektrode (4) ist.

4. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Siliziumbasisteil (9 A) vorgesehen ist, welcher an die zweite Membran (1 B) an deren äußerem Abschnitt angekoppelt ist.