DE4125398C2 - Drucksensor und Kraftsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und einen Kraftsensor.

Das Messen von niederen Drücken erfolgt auf vielen Gebieten der Technik und wird zum Beispiel in elektronischen und chemischen Fertigungsanlagen, in Klima- und Versorgungs­ anlagen, und in medizinischen Geräten durchgeführt.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Druck­ sensoren bekannt. Bei herkömmlichen Drucksensoren wird eine dünne Platte, die im allgemeinen als Membran bezeichnet wird, mit einem Druck beaufschlagt und verformt sich unter der Wirkung der Kraft, die sich aus dem Produkt des Druckes und der Fläche der Membran ergibt. Die Meßgröße Druck wird somit in eine mechanische Größe, nämlich eine mechanische Verformung umgewandelt. In Abhängigkeit von dem Aufbau des Drucksensors wird entweder eine Durchbiegung der Membran oder der Spannungs-/Dehnungszustand innerhalb der Membran erfaßt und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.

Im Zuge der allgemeinen Miniaturisierung elektronischer Bau­ elemente werden heute auch im Bereich der Drucksensoren sehr kleine Grundkörper eingesetzt. In der Meßtechnik sind kreis­ förmige sowie rechteckige Bauformen mit Hauptabmessungen von wenigen Millimetern im Einsatz. Die Membran und der sie um­ gebende Grundkörper sind häufig aus einem Stück gefertigt. Ein wesentliches Verfahren zur Fertigung von Sensoren in großer Stückzahl bei hoher Reproduzierbarkeit der techni­ schen Kennwerte ist die isotrope bzw. anisotrope Ätztechnik für Bauteile aus Silizium. Bekannt sind ferner spanend her­ gestellte Metallsensoren und solche mit einem keramischen Formpreßteil als Grundkörper.

Bei einer bekannten Bauform ist der Drucksensor als ein Plattenkondensator mit zwei Belägen aufgebaut, bei dem ein Belag durch die mit dem zu messenden Druck zu beaufschlagen­ de Membran gebildet ist. Eine Durchsenkung der Membran ruft eine Änderung des Abstandes zwischen den Belägen hervor. Die sich dadurch ergebende Kapazitätsänderung bildet die elek­ trische Meßgröße und dient als Ausgangssignal. Die sogenann­ ten kapazitiven Drucksensoren sind grundsätzlich durch eine stark nichtlineare Druckabhängigkeit gekennzeichnet.

Bei einer anderen Bauform kann mittels elektrischer Wider­ stände, die in ausgewählten Bereichen an der Oberfläche der Membran angeordnet oder auch in die Membran implantiert sind, der örtliche Spannungs-/Dehnungszustand erfaßt werden. Positive Dehnungen, d. h. Streckungen in der Membran bewirken eine Streckung des Widerstandes und damit eine Widerstands­ erhöhung, negative Dehnungen, d. h. Stauchungen rufen eine Widerstandsverringerung hervor. Es ist bekannt, hier zum Beispiel Dehnungsmeßstreifen, Dickschichtpastensysteme oder implantierte Halbleiterwiderstände (piezoresitive Widerstän­ de) einzusetzen. Ursächlich für die Spannungen bzw. Dehnun­ gen in der Membran sind deren Biegeverformungen unter der äußeren Druckbelastung. Da diese Biegespannungen vom Druck linear abhängig sind, zeichnen sich auch die Drucksensoren mit Widerständen durch ein günstiges Linearitätsverhalten aus.

Im Falle von Drucksensoren für Drücke im Niederdruckbereich, d. h. im Bereich von Millibar, müssen die Membranen bzw. Platten sehr dünn ausgebildet werden, um ein ausreichendes elektrisches Spannungssignal d. h. eine ausreichende Empfind­ lichkeit zu erhalten. Beim Einsatz sehr dünner Membranen wirken zusätzlich in hohem Maße die Spannungen aufgrund der Dehnung der Membran in der Membranebene, die als nichtline­ arer Sekundäreffekt die Biegespannungen überlagern.

Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurden Drucksensoren für niedere Drücke mit einer Versteifung in der Mitte der Membran ausgebildet, beispielsweise in Form einer Kreisring­ membran oder eines Rechtecksensor mit mittiger Erhebung, um dadurch die Biegespannungen örtlich zu erhöhen, die mecha­ nischen Spannungsanteile innerhalb der Membranebene zu sen­ ken und damit die Eigenschaften des Drucksensors im Hinblick auf die Empfindlichkeit und die Nichtlinearität zu verbes­ sern.

Es sind auch rechteckförmige Drucksensoren mit zwei Verstei­ fungen der Membran bekannt, die sich durch eine hohe Em­ pfindlichkeit auszeichnen. Diese Drucksensoren sind jedoch wegen ihres ungünstigen Linearitätsverhaltens für die prak­ tische Verwendung nur von untergeordneter Bedeutung.

Die ältere, nicht vorveröffentlichte EP-454901A1 zeigt bereits einen Drucksensor, dessen Membran zwei Membran-Versteifungsbereiche hat. Der mittlere Membran-Versteifungsbereich ist kreisförmig ausgeführt. Der weitere Membran-Versteifungsbereich ist kreisringförmig ausgebildet und konzentrisch zum mittleren Membran-Versteifungsbereich angeordnet. Diese ältere Anmeldung zeigt daher nicht drei auf einer Symmetrieachse der Membran angeordnete Membran-Versteifungsbereiche.

Die DE-39 21 050 A1 zeigt beispielsweise in ihrer Figur 3 sowie in ihren Figuren 5 und 6 Drucksensoren, die eine Membran haben, welche im Sinne der Terminologie des neu vorgelegten Anspruchs einen einzigen Membran-Versteifungsbereich haben, der über Biegebalkenanordnungen in die Halterung einstückig übergeht, welche die Membran umschließt. Hier sind die Drucksensoranordnungen auf den Biegebalkenanordnungen vorgesehen. Irgendein Hinweis darauf, eine Mehrzahl von Membran-Versteifungsbereichen, die jeweils gegeneinander durch Membran-Bereiche voneinander getrennt sind, vorzusehen, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Die DD-2 67 107 A1 zeigt einen Drucksensor, der keineswegs mehrere Membran-Versteifungsbereich hat, sondern dessen Halterung nicht nur in einem Randbereich, sondern auch in einem Mittenbereich vorgesehen ist. Zwischen der mittigen Halterung und der äußeren Halterung der Membrane ist ein einziger, ringförmiger umlaufender Membran-Versteifungsbereich vorgesehen.

Die DD-2 91 398 A5 zeigt einen Drucksensor, dessen Membran einen rahmenförmigen Membran-Versteifungsbereich umfaßt. Die Auffassung der Prüfungsstelle, daß dieser Schrift ein mittiger Versteifungsbereich mit zwei benachbarten Versteifungsbereichen auf der Membran zu entnehmen sei, kann nicht gefolgt werden.

Die JP-ABSTR.61-107125(A) zeigt einen kapazitiven Drucksensor. Dieser hat einen mittigen Versteifungsbereich, der zusammen mit einer feststehenden Gegenelektrode die Meßkapazität des Drucksensors bildet. Dieser ist umschlossen von zwei ringförmig umlaufenden Halterungen, die allein dazu dienen, eine Beschädigung der Membran zu verhindern, wenn ein zu starker Druck auf die Membran ausgeübt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der oben genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß dieser bei niederen Drücken eine hohe Empfindlichkeit und ein gutes Linearitätsverhalten besitzt.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsensor der oben angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß dieser bei niederen Kräften eine hohe Empfindlichkeit und ein gutes Linearitätsverhalten besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drucksensor gemäß Anspruch 1 und durch einen Kraftsensor gemäß Anspruch 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes er­ geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Mit einem erfindungsgemäßen Drucksensor bzw. Kraftsensor lassen sich sehr niedere Drücke bzw. Kräfte, insbesondere Drücke im mbar-Bereich, mit hoher Empfindlichkeit messen. Neben der sehr hohen Empfindlichkeit, die diejenige von im Handel erhältlichen Drucksensoren übertrifft, zeichnet sich der Drucksensor bzw. Kraftsensor nach der Erfindung durch ein besonders gutes Linearitätsverhalten aus. Die Nicht­ linearität des Ausgangssignals bezogen auf die Empfindlich­ keit kann deutlich geringer eingestellt werden als bei be­ kannten Niederdrucksensoren.

Auf dem Drucksensor bzw. Kraftsensor werden aufgrund der Membranversteifungsbereiche zwischen diesen bzw. zwischen dem Membranrand und dem benachbarten Membranversteifungs­ bereich liegende, definierte Bereiche geschaffen, in denen ein hoher, jedoch über den Ort annähernd konstanter, mecha­ nischer Spannungszustand vorliegt. Mit Hilfe der Membranver­ steifungsbereiche wird die Formänderungsenergie in der Mem­ bran unter Druckeinwirkung auf bestimmte Bereiche konzen­ triert.

Die üblichen Justageanforderungen zum Abgreifen der schma­ len, mechanischen Spannungsmaxima entfallen, so daß sich ei­ ne kostengünstige Herstellungsart ergibt.

Elektrische Wandlereinrichtungen, die eine mechanische Ver­ formung in eine elektrisch meßbare Größe umwandeln, sind be­ vorzugt zwischen den Membranversteifungsbereichen angeord­ net. Es ist auch möglich, solche elektrischen Wandlerein­ richtungen zusätzlich oder ausschließlich zwischen dem Rand der Membran und einem Membranversteifungsbereich anzuordnen.

Da sich aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Druck­ sensors für die Spannungsmaxima eine Plateauform ergibt, lassen sich vergleichsweise große Widerstände auch für sehr kleine Sensoren verwenden.

In besonders vorteilhafter Weise können aufgrund der Erfin­ dung erstmals große Widerstände wie z. B. Dehnungsmeßstreifen oder Dickschichtpasten auf Drucksensoren, die sehr kleine Abmessungen aufweisen, eingesetzt werden. Herkömmliche Emp­ findlichkeitsverluste als Folge von Justagefehlern bei der Anordnung von Halbleiterwiderständen können bei einem Druck­ sensor nach der Erfindung vernachlässigt werden.

Im Rahmen der Erfindung läßt sich der erfindungsgemäße Drucksensor auch auf dem Gebiet zum Messen höherer Drücke oder als Kraftsensor bei darauf abgestimmter Dimensionierung einsetzen. Dabei wird ein Streifen eines geeigneten Materi­ als mit entsprechenden Abmessungen verwendet. Der Streifen weist ebenfalls an seiner einen Hauptoberfläche drei Erhe­ bungen oder Vorsprünge auf, die jeweils voneinander und von den Enden des Streifens beabstandet und linear angeordnet sind. Ebenfalls wird ein mittiger Versteifungsvorsprung von zwei weiteren Versteifungsvorsprüngen eingefaßt. Ein solcher Streifen kann wahlweise an seinen Enden mit einer in Längs­ richtung des Streifens wirkenden oder mit einer quer zur Hauptoberfläche bevorzugt in deren Mitte angreifenden, äuße­ ren Kraft beaufschlagt werden. In gleicher Weise wie bei dem vorstehend angegebenen Drucksensor werden die elektrischen Wandlereinrichtungen angeordnet, um ein Meßsignal erhalten zu können.

Durch geeignete Formgebung des Grundkörpers des Drucksensors lassen sich dessen mechanische Eigenschaften verbessern. Ziel sind ein hohes Spannungssignal und möglichst reine Bie­ gespannungen, mit einem örtlich breitem Maximum.

Im Rahmen der Erfindung ist die Grundform des Drucksensors bevorzugt durch eine rechteckförmige Platte bzw. Membran be­ stimmt. Längs einer der parallel zu einer Rechteckseite ver­ laufenden Symmetrieachsen sind drei Versteifungen vorgese­ hen, wodurch sich entsprechende Membranversteifungsbereiche ergeben. Die mittlere Versteifung verringert als Hauptver­ steifung die Gesamtdurchbiegung der Membran bei einer Druck­ belastung. Die Spannungsmaxima werden durch die örtliche, starke Biegung in den Bereichen zwischen der Hauptverstei­ fung und dem Membranrand bewirkt. Durch das Hinzufügen je­ weils einer weiteren Versteifung zwischen der Hauptverstei­ fung und dem Membranrand läßt sich die Biegung der Membran nochmals auf die verbleibenden, dünneren Membranzwischen­ bereiche konzentrieren. In überraschender Weise ergaben sich für den Drucksensor nach der Erfindung die sehr guten tech­ nischen Eigenschaften bezüglich der Linearität und Empfind­ lichkeit. Da mit zwei Membranversteifungsbereichen eine Ver­ schlechterung der Linearität verglichen mit der Ausgestal­ tung mit einem einzigen Membranversteifungsbereich auftrat, war nicht zu erwarten, daß sich mit drei Membranverstei­ fungsbereichen bessere technische Werte ergeben.

Bereits kleine Drucklasten führen zu starken Biegeverformun­ gen in den Membranbereichen zwischen den Membranversteifun­ gen und auch zwischen dem Membranrand und einer benachbarten Membranversteifung. In diesen Membranbereichen sind die ört­ lichen Spannungen entsprechend hoch. Der Krümmungsverlauf und damit der Biegezustand sind über diesen Membranbereich annähernd konstant.

Von Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor ist, daß längs der gewählten Symmetrieachse, auf der die Membranver­ steifungsbereiche angeordnet sind, die Abmessung des mitti­ gen Membranversteifungsbereiches größer als diejenige der benachbarten Membranversteifungsbereiche ist. Ist die Län­ genabmessung des mittigen Membranversteifungsbereiches groß gegenüber denjenigen der benachbarten Versteifungsbereiche, so bleibt die Gesamtdurchbiegung der Membran ausreichend klein, um ein günstiges Linearitätsverhalten der mechani­ schen Spannungen zu erzielen.

Grundsätzlich können das Fertigungsverfahren und der Werk­ stoff zur Herstellung des Drucksensors frei gewählt werden.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Aus­ führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä­ her erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Schnittdarstel­ lung einer Ausführungsform eines Drucksensors nach der Erfindung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufes der me­ chanischen Spannung in Abhängigkeit vom Abstand von der Mitte der Membran in Richtung zum Membranrand für den mittleren Bereich der Membran;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verlaufes der me­ chanischen Spannung in Abhängigkeit vom Abstand vom Membranrand in Richtung zur Mitte der Membran für die Membran am Membranrand; und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines Kraftsensors nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung eines nach der Erfindung ausgestalteten, allgemein mit 1 bezeich­ neten, rechteckförmigen Drucksensors. Die Schnittebene ver­ läuft senkrecht zur Membranebene und längs einer zu der langen Rechteckseite parallelen Mittel- oder Symmetrielinie.

Der als Ausführungsbeispiel dienende Drucksensor ist ein Halbleitersensor, der mittels anisotroper Ätztechnik herge­ stellt wurde. Dabei sind herstellungsbedingte Geometrierand­ bedingungen, wie zum Beispiel die Winkelvorgaben durch die Kristallstruktur etc. zu beachten.

Der Drucksensor 1 umfaßt einen Rahmen 2, der als Halterung für den Rand einer Membran 3 dient, die als eine dünne Plat­ te ausgebildet ist. Längs der genannten Mittellinie sind drei Membranversteifungsbereiche vorgesehen, nämlich ein erster, mittig angeordneter Membranversteifungsbereich 4 und zwei weitere Membranversteifungsbereiche 5 und 6.

Die beiden weiteren Membranversteifungsbereiche 5 und 6 schließen den ersten Membranversteifungsbereich 4 auf der Mittellinie ein. Wie in der Fig. 1 zu erkennen ist, ist der erste Membranversteifungsbereich 4 wesentlich länger als die beiden weiteren Membranversteifungsbereiche 5 und 6 ausge­ bildet, d. h. er weist in Richtung der Mittellinie eine grö­ ßere Längenabmessung auf als die beiden weiteren Membranversteifungsbereiche 5 und 6. Der Grund hierfür be­ steht darin, daß der erste, mittige Membranversteifungsbe­ reich 4 einen möglichst großen Anteil am Versteifungsbeitrag übernehmen soll, wodurch eine gute Linearität erreicht wird.

Die drei Membranversteifungsbereiche 4, 5 und 6 sind derart angeordnet, daß einerseits zwischen benachbarten Membranver­ steifungsbereichen 4 und 5 sowie 4 und 6 und andererseits zwischen dem Membranrand und diesem benachbarten Membranver­ steifungsbereichen 5 bzw. 6 jeweils ein Membranbereich 8 frei bleibt, der die normale Dickenabmessung der Membran 3 aufweist. Auf einer Oberflächenseite der Mem­ bran 3 sind in diesen Membranbereichen 8 elektrische Wand­ lereinrichtungen 9 angeordnet.

Solche elektrischen Wandlereinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausge­ staltung des Drucksensors können als elektrische Wandlerein­ richtungen erstmals nun auch Dehnungsmeßstreifen oder Dick­ schichtwiderstände bei Drucksensoren mit kleinen Abmessungen eingesetzt werden, da die mechanischen Spannungsbereiche in den die elektrischen Wandlereinrichtungen 9 aufweisenden Membranbereichen 8 relativ groß sind und die mechanischen Spannungen dort einen relativ konstanten Verlauf aufweisen.

Es können als elektrische Wandlereinrichtungen 9 auch im­ plantierte Halbleiterwiderstände, wie zum Beispiel den piezorezitiven Effekt ausnützende Widerstände (piezoresi­ stive Elemente) verwendet werden, die die mechanischen Span­ nungen in ein elektrisches Signal umwandeln.

Zwischen dem mittleren Membranversteifungsbereich 4 und dem Membranrand werden jeweils ein positives und ein negatives Biegespannungssignal erfaßt, wie auch in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist. Durch Zusammenfassen der vier Widerstände in einer Brückenschaltung tragen alle Biegespannungen zum Ausgangssignal bei, während sich vorzeichengleiche Signalan­ teile, wie die geringen verbleibenden nichtlinearen Membran­ spannungen, temperaturabhängige Störspannungen, temperatur­ abhängige Widerstandsänderungen etc., im wesentlichen ge­ genseitig aufheben. Linearitäts- und Temperaturverhalten des Drucksensors werden somit nochmals verbessert.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftsensors nach der Erfindung, die als streifenförmige Platte 11′ ausgebildet ist. Der grundsätzliche Aufbau stimmt mit demjenigen eines vorstehend beschriebenen Drucksensors überein. Auch hier weist die Platte 13′ drei Versteifungsbereiche 14′, 15′ und 16′ auf, von denen der mittlere Bereich 14′ die größte Längenabmessung zeigt. Zwischen den Versteifungsbereichen bzw. zwischen den Versteifungsbereichen und dem Rand der streifenförmigen Platte sind Zwischenbereiche 18′ mit geringer Dickenabmessung vorgesehen, in denen bevorzugt die mechanische Spannung der Platte mittels dort angeordneter elektrischer Wandlereinrichtungen 19′ erfaßt wird.

Die Beaufschlagung mit einer äußeren Kraft erfolgt entweder quer zur Plattenebene oder in Längsrichtung der streifenför­ migen Platte.

Claims (4)

1. Drucksensor mit

• - einer von einer Halterung gehaltenen Membran (3; 13),
• - wenigstens drei innerhalb der Membran (3; 13) angeordneten, voneinander und von der Halterung jeweils durch Membran-Bereiche beabstandeten Membran-Versteifungs-Bereichen (4, 5, 6; 14, 15, 16), die in Richtung einer Symmetreachse der Membran (3) aufeinanderfolgend angeordnet sind,
• - wenigstens vier als Brückenschaltung geschalteten elektrischen Wandlereinrichtungen (9; 19), die jeweils zwischen den Membran-Verstärkungsbereichen (4, 5, 6; 14, 15, 16) und zwischen den äußeren Membran-Verstärkungsbereichen (5, 6; 15, 16) und der Halterung angeordnet sind.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3; 13) rechteckförmig ist und über ihren gesamten Rand von der Halterung gehalten ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranversteifungsbereiche (4, 5, 6; 14, 15, 16) pyramidenstumpfförmig ausgebildet sind.

9. Kraftsensor, mit

• - einer streifenförmigen, dünnen Platte (13′),
• - wenigstens drei innerhalb der Platte (13′) angeordneten, voneinander und von dem Rand der Platte (13′) jeweils durch dünne Plattenbereiche beabstandeten Plattenversteifungsbereichen (14′, 15′, 16′), die in Richtung einer Symmetrieachse der Platte (13′) aufeinanderfolgend angeordnet sind,
• - wenigstens vier als Brückenschaltung geschalteten elektrischen Wandlereinrichtungen (19′), die jeweils zwischen den Plattenversteifuungsbereichen (14′, 15′, 16′) und zwischen den äußeren Plattenversteifungsbereichen (15′, 16′) und dem Plattenrand angeordnet sind.