DE3741941C2

DE3741941C2 -

Info

Publication number: DE3741941C2
Application number: DE3741941A
Authority: DE
Inventors: Kimihiro Nakamura; Toshiyuki Kawasaki Kanagawa Jp 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: 1992-07-30
Also published as: US4769738A; JPS63149531A; BR8706755A; DE3741941A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen kapazitiven Drucksensor mit einem Silizium-Basisteil und einer Siliziummembran, die einen zentralen Abschnitt und einen eine größere Dicke als der zentrale Abschnitt aufweisenden peripheren Abschnitt umfaßt, wobei die Membran an dem äußeren peripheren Abschnitt unter Bildung einer Zelle mit dem Basisteil über eine isolierte Glasschicht verbunden ist, mit einer mit der Zelle verbundenen Druckeinlaßöffnung, mit einer von der Siliziummembran isoliert im Abstand angeordneten Elektrode sowie mit der Siliziummembran und der Elektrode verbundenen Leitungseinrichtungen für die Messung der Kapazität zwischen der Siliziummembran und der Elektrode.

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 Alumi nium, 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 Sensors schlecht, was dazu führt, daß es unmöglich ist, ein ordent lich zum Druck proportionales Signal zu erhalten.

Ein Drucksensor der eingangs erwähnten Art ist aus der DE 35 05 925 A1 bekannt. Bei diesem Drucksensor ist die Elektrode auf einer eine oberste Schicht des Siliziumbasisteils bildenden Glasschicht angeordnet. Da das Basisteil wie die Membran im wesentlichen aus Silizium besteht, ergeben sich zwischen der Membran und dem Basisteil nur geringe Unterschiede in bezug auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten. Damit wird der die Kapazität der Anordnung bestimmende Abstand zwischen der Membran und der Elektrode nur verhältnismäßig wenig durch Temperatureinflüsse verändert, was sich vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit des Drucksensors auswirkt.

Weitere kapazitive Drucksensoren, bei denen Kapazitätsänderungen durch Druckeinwirkungen auf eine Membran gemessen werden, sind aus den Druckschriften EP 00 59 488 A1, DE-OS 26 26 774 und EP 01 95 985 A2 bekannt.

In der EP 00 59 488 A1 ist ein Drucksensor beschrieben, bei dem ein Siliziumdiaphragma über ringförmige Abstandsstücke mit wenigstens einem Siliziumbasisteil verbunden ist. Eine Einlaßöffnung für Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, zu einer zwischen dem Diaphragma und dem Siliziumbasisteil gebildeten Kammer ist in dem Basisteil vorgesehen.

Der in der DE-OS 26 26 774 beschriebene Drucksensor weist zwei becherförmige, elektrisch miteinander verbundene Membranen auf, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Trägerteils unter Bildung von zwei Zellen angeordnet sind. Die zwei Zellen stehen über eine sich durch das Trägerteil erstreckende Bohrung miteinander in Verbindung. Durch die Bohrung erstreckt sich ein Verbindungsteil einer Elektrode. Zur Druckmessung wird zwischen dieser Elektrode und den miteinander verbundenen becherförmigen Membranteilen die Kapazität gemessen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem der Einfluß von Temperaturschwankungen auf die Meßgenauigkeit gegenüber aus dem durch den Stand der Technik bekannten gleichartigen Drucksensoren noch weiter verringert ist.

Der diese Aufgabe lösende erfindungsgemäße Drucksensor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinlaßöffnung im Basisteil ausgebildet ist, daß ein Isolierteil, auf dem die Elektrode angeordnet ist, und das eine erste und eine zweite Stirnfläche aufweist, vorgesehen ist, wobei die erste Stirnfläche des Isolierteils an die Membran an einer Seite des peripheren Abschnittes zur Ausbildung einer dazwischen angeordneten ersten Meßzelle angekoppelt ist, daß eine weitere Siliziummembran, welche der erstgenannten Membran gleicht, an einer Seite des äußeren peripheren Abschnitts an die zweite Stirnfläche des Isolierteils zur Ausbildung einer dazwischen angeordneten zweiten Meßzelle angekoppelt ist, und daß eine mit der zweiten Siliziummembran verbundene Leitvorrichtung für die Messung der Kapazität zwischen der zweiten Siliziummembran und der Elektrode vorgesehen ist.

Durch diesen erfindungsgemäßen Drucksensor läßt sich eine weitgehend temperaturunabhängige Messung durchführen, indem aus der Kapazität der ersten Meßzelle und der Kapazität der zweiten Meßzelle, die als Referenzmeßzelle dient, ein temperaturunabhängiges Meßsignal gebildet werden kann. Ein solches temperaturunabhängiges Meßsignal wird ermittelt, weil die erste Meßzelle und die zweite Meßzelle im wesentlichen den gleichen Temperaturgang aufweisen.

Bei einer vorliegenden Ausführungsform weisen die Leitungseinrichtungen eine Metallunterlage 3A und einen Zuführungs draht 13A auf, welche von der ersten Membran ausgehen, eine Metallunterlage 3B und einen Zuführungsdraht 13B, welche von der zweiten Membran ausgehen, und eine Durchgangsloch elektrode 4.

Die Siliziumbasis ist an den dicken Abschnitten der ersten Siliziummembran über eine dazwischen angeordnete Ver bindungsschicht verbunden, um die Druckeintrittszelle luftdicht anzukoppeln und die mechanische Belastbarkeit des Sensors zu vergrößern. Durch elektrostatische Verbindung 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 Verbindung der zweiten Siliziummembran zur zweiten Stirnfläche des Isoliersubstrats.

Die Figuren erläutern bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und dienen, zusammen mit der Erfindung, zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung.

Es zeigt

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 15A bzw. 15B mit Meßspalten ausgebildet werden, welche eine hervorragende Reproduzierbarkeit aufweisen, durch elektrostatische Verbindung zweier Siliziummembranen 1A, 1B 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 1A 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 15A, 15B 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 1A um eine Entfernung ausgelenkt, welche von dem ausgeübten Druck P abhängt. Da der Spalt (die Meßzelle 15A) zwischen der Siliziummembran 1A 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 3A und den Zuführungsdraht 13A und die Durchgangs loch-Elektrode 4 herausgeführt werden. Da die Meßzelle 15B nicht an der Druckänderung beteiligt ist, bleibt andererseits die über die Metallunterlage 3B, Zuführungsdraht 13B 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 13A und die Elektrode 4 herausgeführte Kapazität (Cm) für Meßzwecke verwendet, während die über den Zuführungsdraht 13B 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∼P

Da die Dielektrizitätskonstante 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 ein zweites Siliziumbasisteil 9A mit einer Verbindungs schicht 10A zwischen der Siliziummembran 1B und dem zweiten Siliziumteil 9A 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 Beschreibung weist der elektrostatische kapazitive Drucksensor eine erste Siliziummembran 1A und eine zweite Siliziummembran 1B 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 15A 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 15B 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.

Claims

1. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor mit einem Silizium-Basisteil und einer Siliziummembran, die einen zentralen Abschnitt und einen eine größere Dicke als der zentrale Abschnitt aufweisenden peripheren Abschnitt umfaßt, wobei die Membran an dem äußeren peripheren Abschnitt unter Bildung einer Zelle mit dem Basisteil über eine isolierte Glasschicht verbunden ist, mit einer mit der Zelle verbundenen Druckeinlaßöffnung, mit einer von der Siliziummembran isoliert im Abstand angeordneten Elektrode sowie mit der Siliziummembran und der Elektrode verbundenen Leitungseinrichtungen für die Messung der Kapazität zwischen der Siliziummembran und der Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinlaßöffnung im Basisteil (9) ausgebildet ist, daß ein Isolierteil (2), auf dem die Elektrode angeordnet ist, und das eine erste und eine zweite Stirnfläche aufweist, vorgesehen ist, wobei die erste Stirnfläche des Isolierteils (2) an die Membran (1a) an einer Seite des peripheren Abschnittes zur Ausbildung einer dazwischen angeordneten ersten Meßzelle (15a) angekoppelt ist, daß eine weitere Siliziummembran (1b), welche der erstgenannten Membran (1a) gleicht, an einer Seite des äußeren peripheren Abschnitts an die zweite Stirnfläche des Isolierteils (2) zur Ausbildung einer dazwischen angeordneten zweiten Meßzelle (15b) angekoppelt ist, und daß eine mit der zweiten Siliziummembran verbundene Leitvorrichtung für die Messung der Kapazität zwischen der zweiten Siliziummembran und der Elektrode vorgesehen ist.

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

3. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den beiden Stirnflächen des Isolierteils jeweils eine Elektrodenfläche als Teil der Elektrode angeordnet ist.

4. Elektrostatischer kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen gleich groß sind.

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