DE4111119A1 - Stapelbare mikromechanische kapazitive druckmesszelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitiv arbeitende und nach mikromechanischer Fertigungstechnologie hergestellte Druckmeßzelle, die zur Umwandlung von auf ihr wirkenden Drücken in elektrische Signale dient. Sie ist überall dort anwendbar, wo Drücke in Geräten und Anlagen ermittelt und daraus Steuerfunktionen abgeleitet werden müssen. Solche Druckmeßzellen sind unter anderem für den Einsatz in der Konsumgüterindustrie sowie im Fahrzeugbau, Werkzeug- und Textilmaschinenbau und Apparatebau geeignet.

In DE-OS 35 05 925 wird ein temperaturabhängiger kapazitiver Druckmesser beschrieben, der eine Grundplatte, eine auf dieser Grundplatte aufgebrachten festen Kondensatorplatte und eine derart auf der Grundplatte aufgebrachten Siliziumplatte aufweist, so daß die Siliziumplatte die feste Kondensatorplatte umgibt, wobei der Mittelteil der Siliziumplatte dünner gemacht wurde, so daß er eine membranähnliche Struktur bildet, die als bewegliche Kondensatorplatte dient. Die Grundplatte besteht aus einer Siliziumschicht und einer darauf aufgebrachten und an der Siliziumplatte angebrachten Glasschicht, wobei die Glasschicht wesentlich dünner als die Siliziumschicht ist. Auf diese Weise wird in der Plattenkombination aufgrund der Elastitäts- und thermischen Expansionskoeffizienten der unterschiedlichen Schichten die Differenz der thermischen Expansion der Plattenkombination und der Siliziummembran wesentlich verringert. Durch Veränderung des Verhältnisses der Dicke von Glas- und Siliziumschicht ist es möglich, den Druckmesser für bestimmte Anwendungsfälle anzupassen. Ein Überlastungsschutz, der den Druckmesser vor Überdruck schützt, ist nicht vorgesehen. Ebensowenig besteht die Möglichkeit der direkten Temperaturmessung in der Druckkammer sowie einer direkt vergleichenden Differenzdruckmessung von mehr als zwei unterschiedlichen Drücken.

Ein anderer, nach gleichem Prinzip arbeitender Druckgeber wird in DE-OS 38 14 110 beschrieben. Dieser weist eine kapazitive Sensoranordnung, ein Gehäuse, in der die Sensoranordnung angeordnet ist, Kanäle in dem Gehäuse zum Einbringen eines zu messenden Mediums in die Sensoranordnung und elektrische Leiter auf, welche die druckabhängigen Sensorinformationen nach außen hin verfügbar machen. Die kapazitive Sensoranordnung ist in dem Gehäuse mittels elastischer Anordnungen gehalten, so daß die kapazitive Sensoranordnung schwimmend zwischen den Anordnungen gehalten wird. Damit soll es möglich sein, durch Temperaturschwankungen verursachte Fehler zu eliminieren. Ein Überlastschutz ist nicht vorgesehen. Weiterhin besteht keine Möglichkeit einer echten Differenzdruckmessung zwischen zwei oder mehreren am Druckwandler anliegenden Drücken.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmeßzelle zu schaffen, die ein minimales äußeres Volumen und einen einfachen mechanischen Ausbau besitzt, zuverlässig arbeitet, indem sie Umwelteinflüsse kompensiert, und der zwischen mehreren unterschiedlichen Drücken Differenz- oder Additivdrücke ermittelt, um aus diesen Ergebnissen Steuerfunktionen abzuleiten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer gestapelten Druckmeßzelle gelöst, die aus mindestens zwei einzelnen Druckmeßzellen besteht, wobei diese durch eine Adapterplatte verbunden sind. Jede dieser Druckmeßzellen besteht aus den Einzelteilen Membranfederteil, Elektrodendeckel, Anschlußdeckel und Adapterplatte, wobei die Membran des Membranfederteils auf der Seite der Elektrodenplatte säulenförmige und/oder leistenförmige oder miteinander verbundene leistenförmige Abstandsbegrenzer, die aus einem Isoliermaterial bestehen oder mit Isoliermaterial bedeckt sind, besitzt, deren Höhe geringer als die Dicke des Rahmens des Membranfederteils ist, oder daß der Elektrodendeckel diese Abstandsbegrenzer besitzt, deren Höhe geringer als die Differenz zwischen Rahmen- unbd Membrandicke ist,
daß der Elektrodendeckel eine temperaturabhängige Widerstandsbahn besitzt, die neben der Festelektrode oder um diese herum angeordnet ist, deren Außenabmessungen kleiner als die Innenmaße des Rahmens des Membranteils sind und die mit Außenanschlüssen versehen ist oder
daß temperaturabhängige Elemente auf der Seite des Membranteils und/oder auf der Seite des Elektrodendeckels angeordnet sind, die die Gegendruckkammer begrenzen und daß elektrische Anschlüsse von den temperaturabhängigen Elementen nach außen geführt sind,
daß im Anschlußdeckel säulenförmige und/oder leistenförmige oder verbundene leistenförmige Anschläge vorhanden sind, deren Höhe geringer als die Dicke des Randes des Anschlußdeckels ist und
daß oberhalb des Anschlußdeckels und unterhalb des Elektrodendeckels der Druckmeßzelle jeweils eine Adapterplatte angeordnet ist.

Bei der Stapelung zweier dieser Druckmeßzellen übereinander, werden diese durch eine Adapterplatte miteinander verbunden, wobei für die Stapelung verschiedene Positionen der einzelnen Druckmeßzellen untereinander möglich sind. Die Adapterplatte dient gleichzeitig als Grundplatte für die Kontaktierung und zur Zuführung des Druckmediums.

Die verwendete Art der Adapterplatte ist abhängig von Stapelvariante der Druckmeßzellen. Bei der Stapelung Anschlagdeckel an Anschlagdeckel wird die kleine Adapterplatte und bei Stapelung Anschlagdeckel an Elektrodendeckel die große verwendet. Zur Funktionsweise sind zusätzlich zur Druckzuführung jeweils oberhalb und unterhalb der Druckmeßzelle eine Adapterplatte angeordnet.

Ausführungsvarianten der Druckmeßzellen sowie der Adapterplatten sind den Unteransprüchen 2 bis 8 zu entnehmen.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß durch die Abstandsbegrenzer im Membranfederteil sowie durch die Anschläge im Anschlagdeckel eine einfache, aber sehr wirkungsvolle mechanische Überlastsicherung entwickelt wurde, die in die Herstellungstechnologie der Druckmeßzelle problemlos integrierbar ist. Durch die Messung der Temperatur unmittelbar in der Druckkammer ist es leicht möglich, die durch Temperaturschwankungen verursachten Ungenauigkeiten auszugleichen. Durch die Stapelung der Druckmeßzellen wird es möglich, diese auf kleinstem Raum unterzubringen, wobei gleichzeitig die Messung von zwei Druckdifferenzen gegenüber einem Vergleichsdruck erfolgen kann.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 Schnitt durch die kapazitive Druckmeßzelle,

Fig. 2 Membranteil in der Ansicht von unten,

Fig. 3 Elektrodendeckel in der Draufsicht,

Fig. 4 dreiseitige Darstellung der Druckmeßzelle,

Fig. 5a Varianten der kleinen Adapterplatte,

Fig. 5b Varianten der großen Adapterplatte,

Fig. 6a Variante der gestapelten Druckmeßzelle (Anschlagdeckel - Anschlagdeckel),

Fig. 6b Variante der gestapelten Druckmeßzelle (Anschlagdeckel - Elektrodendeckel),

Fig. 6c Variante der gestapelten Druckmeßzelle (Elektrodendeckel - Elektrodendeckel).

Im folgenden wird der grundlegende Aufbau einer einfachen Druckmeßzelle beschrieben.

Die in Fig. 1 dargestellte mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle (20) besteht aus einem Membranfederteil 1, einem Elektrodendeckel 2 und einem Anschlußdeckel 3, wobei diese Einzelteile in Sandwichbauweise zueinander positioniert sind. Das Membranfederteil 1, das vorzugsweise aus einkristallinem Silizium hergestellt wird, besteht aus dem Rahmen 1b und der beweglichen Elektrodenplatte 1c. Der Elektrodendeckel 2, der vorzugsweise aus Glas besteht, trägt gegenüber der Elektrodenplatte 1c angeordnet die Festelektrode 2a. Die Elektrodenplatte 1c und die Festelektrode 2a bilden in dieser Anordnung einen in seiner Kapazität veränderlichen Meßkondensator. Der Anschlußdeckel 3 und der Elektrodendeckel 2 sind durch das Membranfederteil 1 voneinander getrennt und bilden die Eingangsdruckkammer 4 sowie die Gegendruckkammer 5.

Das Membranfederteil 1 besitzt um die Elektrodenplatte 1c angeordnet, säulen- oder leistenförmige Abstandsbegrenzer 7, die mit einer Isolierschicht abgedeckt sind. Diese Abstandsbegrenzer 7 stützen sich bei einem entsprechenden Überdruck in der Eingangsdruckkammer 4 am Elektrodendeckel 2 ab und verhindern somit ein Durchbiegen der Membran über deren elastischen Bereich hinaus. Diese Anordnung ist sinngemäß mit den Anschlägen 9 am Anschlußdeckel 3 für die Gegendruckeinwirkung vorgesehen.

Wie aus Fig. 3 zu entnehmen, ist um die Festelektrode 2a mit ihrer elektrischen Zuleitung 6 zum Rand des Elektrodendeckels 2 eine temperaturabhängige Widerstandsschicht 8 und ihren Anschlüssen 8a angeordnet. Die Anschlüsse 8a und die elektrische Zuleitung 6 werden, wie in Fig. 4 dargestellt, durch die Aussparung 19 im Rahmen 1a des Membranfederteils 1 nach außen geführt. Die Aussparung 19 ist mit einem elektrisch nicht leitenden Medium verschlossen. Eine weitere Anordnung zur Erfassung der Temperatur bei der Temperatur- und Druckmessung besteht in der Anordnung gemäß Fig. 2 von temperaturabhängigen Elementen 18 auf der Seite des Elektrodendeckels 2, deren Verbindung nach außen über die elektrischen Anschlüsse 18a erfolgt.

In Fig. 1 werden Möglichkeiten zur Druckminderung oder zur Begrenzung des wirkenden Maximaldruckes dargestellt wie Düsenloch 10, Überdruckventil 11 und Membranloch 12.

Mit der Erfindung ist ein Druckwandler geschaffen, der vielfältige Möglichkeiten des Überlastschutzes aufweist und mit seinen Maßnahmen zur Temperaturerfassung bei der Messung des Druckes den Einsatz als Wandler bzw. Sensorelement wesentlich erweitert.

Der Stapelbarkeit dienen die auf den Symmetrielinien S1 und S2 angeordneten Durchgangsöffnungen 13 und 13a sowie die Adapterplatten 14.1 und 14.2 gemäß Fig. 5a, 5b, die wahlweise in ihrer spezifischen Form verschiedene Kombinationen zweier kapazitiver Meßzellen 20 gestatten. In Fig. 6a, 6b und 6c sind drei Kombinationsmöglichkeiten dargestellt.

Die dargestellte kapazitive Druckmeßzelle ist insbesondere zur Messung einer Druckdifferenz geeignet, wenn über die Durchgangsöffnungen 13 und 13a Drücke zugeführt und auf das Membranfederteil 1 einwirken können.

1. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 6a zeigt eine Kombination, bestehend aus zwei kapazitiven Druckmeßzellen 20, einer Adapterplatte 14 in einer Ausführung gemäß Fig. 5a, 14/1.4 und zweier Adapterplatten 14 in der Ausführung gemäß Fig. 5b, 14/2.1.

Mittels der Adapterplatte 14/1.4, hier in einer symmetrischen Mittellage, wird den kapazitiven Druckmeßzellen 20 über den Anschluß 21, den Kanal 16, das Loch 15 und der Öffnung 13 im Anschlußdeckel 3, Druck zugeführt, der in der kapazitiven Meßzelle 20 zu einer Veränderung der Grundkapazität führt. Die Adapterplatten 14/2.1 tragen zum elektrischen Anschluß an die kapazitive Druckmeßzelle 20 Löt- und Bondflächen 17. Mit dieser Anordnung wurde eine Möglichkeit geschaffen, die mit der Druckzuführung über den Anschluß 21, eine Verdoppelung der elektrisch auswertbaren Kapazitätsänderung gegenüber einer einzelnen kapazitiven Meßzelle bewirkt.

Ausführungsbeispiel

Die Fig. 6b zeigt eine Kombination bestehend aus zwei kapazitiven Druckmeßzellen 20 und drei Adapterplatten 14 in den Ausführungen gemäß Fig. 5a, 14/1.5, Fig. 5b, 14/2.1, und 14/2.4. Die Anordnung der Durchgangslöcher 13 bzw. 13a auf den Symmetrielinien S1 und S2 gestatten eine Verdrehung der kapazitiven Druckmeßzelle 20 um den gemeinsamen Schnittpunkt der Symmetrielinien um 90° bzw. um einem Vielfachen von 90°. In Fig. 6b ist eine Anordnung dargestellt, die es ermöglicht, den Differenzdruck zwischen den Anschlüssen 22 und 23 und dem Differenzdruck zwischen dem Anschluß 23 und dem atmosphärischen Luftdruck zu messen.

3. Ausführungsbeispiel

Die Fig. 6c zeigt eine Kombination, bestehend aus zwei kapazitiven Druckmeßzellen 20, eine Adapterplatte 14 in einer Ausführung gemäß Fig. 5, 15/2.5 und zwei Adapterplatten 14 in der Ausführung gemäß Fig. 5, 14/1.5.

Diese Anordnung ermöglicht die Messung der Druckdifferenzen zwischen den Anschlüssen 22 und 21, wobei die eingeleiteten Drücke an den beiden Anschlüssen 22 nicht identisch sein müssen. Die gemessenen Veränderungen der Kapazitäten der Meßzelle 20 sind additiv auswertbar und gestatten die Ermittlung von Additivdrücken.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Membranfederteil
 1a Rahmen
 1b Membran
 1c bewegliche Elektrodenplatte
 2 Elektrodendeckel
 2a Festelektrode
 3 Anschlußdeckel
 3a Druckanschluß
 4 Eingangsdruckkammer
 5 Gegendruckkammer
 6 elektrische Zuleitung
 7 Abstandsbegrenzer
 8 temperaturabhängige Widerstandsbahn
 8a Anschlüsse
 9 Anschläge
10 Düsenloch
11 Überdruckventil
12 Loch
13 Durchgangsöffnung
13a Durchgangsöffnung
14 Adapterplatte
14/1.1-14/1.5 Varianten der kleinen Adapterplatte
14/2.1-14/2.5 Varianten der großen Adapterplatte
15 Loch
16 Kanal
17 Löt- und Bond-Flächen
18 temperaturabhängige Elemente
18a elektrische Anschlüsse
19 Aussparung
20 kapazitive Druckmeßzelle
21, 22, 23 Anschluß
S1, S2 Symmetrielinie

Claims (8)

1. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle, die vorzugsweise aus einkristallinem Silizium, Glas oder Keramik besteht und in planarer Mikrostruktur-Ätztechnik hergestellt wird, wobei jede Druckmeßzelle aus einem Membranfederteil, das einen Rahmen, der über eine Membran mit einer beweglichen Elektrodenplatte verbunden ist, besitzt, einem Elektrodendeckel mit Festelektrode, wobei die Festelektrode des Elektrodendeckels und die bewegliche Elektrodenplatte des Membranfederteils einen Plattenkondensator bilden, und einem Anschlußdeckel, wobei eine Membran eine Membran eine Eingangsdruckkammer von einer Gegendruckkammer trennt und die bewegliche Elektrodenplatte elektrisch gegenüber der Festelektrode isoliert ist und sowie mit Außenanschlüssen versehen ist, wobei die Einzelteile durch elektrostatisches Bonden oder geeignete Klebeverfahren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (1b) des Membranfederteils (1) der Druckmeßzelle (20) auf der Seite der Elektrodenplatte (1c) säulenförmige und/oder leistenförmige oder miteinander verbundene leistenförmige Abstandsbegrenzer (7), die aus einem Isoliermaterial bestehen oder mit Isoliermaterial bedeckt sind, besitzt, deren Höhe geringer als die Dicke des Rahmens (1a) des Membranfederteils (1) ist, oder daß der Elektrodendeckel (2) diese Abstandsbegrenzer (7) besitzt, deren Höhe geringer als die Differenz zwischen Rahmen- (1a) und Membrandicke (1b) ist,
daß der Elektrodendeckel (2) der Druckmeßzelle (20) eine temperaturabhängige Widerstandsbahn (8) besitzt, die neben der Festelektrode (2a) oder um diese herum angeordnet ist, deren Außenabmessungen kleiner als die Innenmaße des Rahmens (1a) des Membranteils (1) sind und die mit Außenanschlüssen versehen ist oder
daß temperaturabhängige Elemente (18) auf der Seite des Membranteils (1) und/oder auf der Seite des Elektrodendeckels (2) angeordnet sind, die die Gegendruckkammer (5) begrenzen und daß elektrische Anschlüsse (18a) von den temperaturabhängigen Elementen (18) nach außen geführt sind,
daß im Anschlußdeckel (3) der Druckmeßzelle (20) säulenförmige und/oder leistenförmige oder verbundene leistenförmige Anschläge (9) vorhanden sind, deren Höhe geringer als die Dicke des Randes des Anschlußdeckels (3) ist und
daß oberhalb des Anschlußdeckels (3) und unterhalb des Elektrodendeckels (2) jeweils eine Adapterplatte (14) angeordnet sind, die eine Stapelbarkeit der einzelnen Druckmeßzellen (20) sowie die Druckzuführung gewährleisten.

2. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußdeckel (3) mindestens eine Druckreduziereinrichtung vorhanden ist, wobei als Druckreduziereinrichtung vorzugsweise Düsenlöcher (10) und/oder Überdruckventile (11) verwendet werden.

3. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen (1a) des Membranfederteils (1) und/oder in der Membran (1b) und/oder in der beweglichen Elektrodenplatte (1c) des Membranfederteils (1) Löcher (12) vorhanden sind.

4. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußdeckel (3) und/oder im Elektrodendeckel (2) jeweils auf der Symmetrielinie S1 bzw. S2 mindestens eine Durchgangsöffnung (13) in korrespondierender Zuordnung symmetrisch vorhanden ist.

5. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen (1a) des Membranfederteils (1) eine Aussparung (19) vorhanden ist, die größer als die elektrischen Zuleitungen (6), Anschlüsse (8a) und eventuell vorhandener elektrischer Anschlüsse (18a) ist.

6. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adapterplatten (14) ein Loch (15) in entsprechender Zuordnung zu den Durchgangsöffnungen (13) im Elektrodendeckel (2) und Anschlußdeckel (3) besitzen und daß das Loch (15) in der Adapterplatte (14) nach außen einen Kanal (16), der als Anschluß (21) dient und vorzugsweise auf der Symmetrielinie S1 oder S2 liegt, besitzt.

7. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober- und/oder Unterseite, der aus elektrischem Isoliermaterial bestehenden oder mit elektrisch nicht leitenden Material beschichteten Adapterplatte (14), metallische Löt- und Bond-Flächen (17) vorhanden sind.

8. Stapelbare mikromechanische kapazitive Druckmeßzelle nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Druckmeßzellen (20) durch eine Adapterplatte (14) miteinander verbunden sind.