DE4207949C1 - Capacitative differential pressure sensor of glass-silicon@ type - has second pressure supply channel communicating with first but offset in covering plate - Google Patents

Capacitative differential pressure sensor of glass-silicon@ type - has second pressure supply channel communicating with first but offset in covering plate

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    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik nach dem Oberbergriff des Patentanspruchs 1. Bei diesem ist eine als druckempfindliche Membran dienende Platte aus Silizium zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet. Die Platten sind dabei in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodische Bonden miteinander verbunden und durch die Trägerplatten verlaufen Druckzuleitungskanäle, über die die jeweilig gebildeten Meßkammern druckbeaufschlagbar sind.

Ein solcher kapazitiver Differenzdrucksensor ist aus der US-42 57 274 bekannt. Die Meßmembran, die unter Druckbeaufschlagung die entsprechende Durchbiegung macht, dient in dieser Anordnung als gemeinsame Elektrode eines Differenzkondensators, dessen jeweilige Gegenelektrode auf der entsprechend zugewandten Trägerplattenfläche angeordnet ist. Das Zusammenfügen der einzelnen Platten geschieht mit Hilfe des bekannten anodischen Bondens. Aus der besagten US-Patentschrift ist bekannt, die Siliziumplatte entsprechend konturiert zu ätzen und diese dann über separate Distanzstücke mit den Trägerplatten zu verbinden.

Aus der EP 00 07 596 ist ebenfalls ein kapazitiver Differenzdrucksensor bekannt, der ebenfalls eine in Silizium geätzte Meßmembran verwendet, die zwischen zwei Glasplatten gefügt ist. Die Konstruktion in dieser Ausführung weist jedoch aufgrund der relativ dünnen Platten gewisse mechanische Mängel auf. Diese mechanischen Mängel liegen in der entsprechenden Durchbiegbarkeit auch der Trägerplatten begründet, weil die Durchbiegung der Trägerplatten als solches nicht erfaßt werden kann, sondern nur die dadurch bewirkte Kapazitätsänderung, so daß eine Meßwertverfälschung stattfindet.

Ein weiteres Problem, welches sich bei diesen bekannten Drucksensoren ergibt, ist die Befestigung der Druckzuleitungen mit nach außen verlaufenden Druckanschußleitungen.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Differenzdrucksensor der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß eine höhere mechanische druckstabile Festigkeit gegeben ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem kapazitiven Differenzdrucksensor der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Auf den entsprechenden Außenseiten der Trägerplatten jeweils einer Abdeckplatte aus Silizium anzuordnen, die zudem mit der jeweiligen Trägerplatte ebenfalls verbondet ist, ergibt eine sehr viel höhere Gesamtfestigkeit der Drucksensoranordnung. Der Mangel, der sich bei bekannten Drucksensoranordnungen durch die Glasträgerplatten ergibt, die gleichzeitig die entsprechenden Außenseiten des Drucksensors ergeben, ist somit beseitigt, indem die Siliziumabdeckplatten der Gesamtanordnung höhere Festigkeit verleihen. Neben der höheren Festigkeit wird außerdem eine bessere Anbringbarkeit der Druckanschlüsse ermöglicht. Diese Druckanschlußelemente sind auf die Abdeckplatten lötbar, indem im Bereich der Druckzuleitungskanäle die umgebenden Flächen der Abdeckplatten lötfähig metallisiert sind. Die ersten Druckzuleitungskanäle, die durch die aus Glas bestehenden Trägerplatten hindurch zu den Meßkammern führen, sind bezüglich der zweiten Druckzuleitungskanäle, die durch die Abdeckplatten hindurchführen, versetzt; jedoch sind Ausnehmungen vorgesehen, die den jeweiligen ersten mit dem jeweiligen zweiten Druckzuleitungskanal in kommunizierende Verbindung bringen. Die Ausnehmungen sind dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung als derart flache Vertiefungen ausgebildet, daß deren jeweilige Tiefe kleiner als der jeweilige Abstand zwischen dem auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte und der jeweiligen Trägerplatte ist. Damit ist die gesamte Druckzuleitung, die jeweils aus einem ersten und einem zweiten Druckzuleitungskanal besteht, mit einem integrierten Partikelschutzsystem versehen. Der Partikelschutz besteht dabei darin, daß die gewählte Tiefe kleiner als der jeweilige Abstand der Membran zur Trägerplatte bzw. zur Trägerplattenelektrode ist, so daß Partikel, die größer oder gleich dem Abstand der Membran zur jeweiligen Elektrode sind, schon im Bereich der Ausnehmungen von dem jeweiligen Meßkammerraum ferngehalten werden.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung ist die jeweilige Tiefe der Ausnehmungen dabei kleiner als der jeweilige Abstand zwischen dem auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte, wenn diese bei Meßbereichsdruck ausgelenkt ist, und der jeweiligen Trägerplatte bzw. deren zweite Elektrode. Dies soll an einem kurzen Zahlenbeispiel wie folgt verdeutlicht werden. Ein typischer Arbeitsabstand der "unausgelenkten" Membran bzw. der entsprechenden Oberfläche zur Trägerplattenoberfläche bzw. zur Oberfläche der Elektrode beträgt etwa 1,3 Mikrometer. Dabei ist ein Hub im Bereich des üblichen Meßbereiches von 0,3 Mikrometer vorgesehen. In diesem, für den maximalen Meßbereich vorgesehenen maximalen Hub von 0,3 Mikrometern verbleibt also ein Abstand von 1,0 Mikrometer. Als Anforderung für das Partikelschutzsystem bedeutet dies, daß nicht nur Partikel in der Größe von 1,3 Mikrometer und kleiner vom jeweiligen Meßkammerraum ferngehalten werden sollen, sondern auch Partikel von der Größe des Resthubes, nämlich kleiner oder gleich 1,0 Mikrometer. Im Überlastfall soll sich die Membran unter Ausnutzung des gesamten Abstandes, nämlich 1,3 Mikrometer, sogar an die Trägerplatte bzw. deren Elektrode anlegen. Dabei befindet sich der Drucksensor jedoch schon weit außerhalb des Meßbereiches, nämlich der 0,3 Mikrometer Hub. Wichtig ist dabei, daß im aktiven Meßbereich Partikel vom Meßkammerinnenraum ferngehalten werden, die bezüglich ihrer Größe im vorgegebenen Meßbereich stören können.

Durch die Verbindung dieser Merkmale ergibt sich ein weiterer Vorteil aus der Materialwahl der Abdeckplatten aus Silizium. Da Silizium auf einfache und sehr genaue Weise geätzt werden kann, können die entsprechenden Ausnehmungen, die hier als Partikelschutz dienen, einfach in die Abdeckplatten eingebracht werden. Die versetzte Anordnung der zweiten Druckzuleitungskanäle zu den ersten Druckzuleitungskanälen ermöglicht in Verbindung mit der in die Abdeckplatte eingeätzten Vertiefung, daß das Druckmedium von den zweiten Druckzuleitungskanälen nur durch die jeweilige Ausnehmungen hindurch in die jeweils ersten Druckzuleitungskanäle gelangen kann, so daß das Partikelschutzsystem stets wirksam ist.

In einer der Ausgestaltungsversionen ist vorgesehen, daß die Grundfläche der Ausnehmung die gleiche Größe wie die aktive krümm- und durchbiegbare Querschnittsfläche der als Membran dienenden Platte aufweist. Hieraus ergibt sich, daß der Glas-Träger-Körper beidseitig, d. h. meßkammerseitig und abdeckplattenseitig, vom anliegenden Druck derart beaufschlagt wird, daß sich die wirkenden Kräfte entgegengesetzt aufheben, so daß die Durchbiegung der Trägerplatten verhindert wird und das Meßergebnis allein von der druckabhängigen Auslenkung der Membran abhängt.

Die Tatsache, daß die zweiten Druckzuleitungskanäle bezüglich der ersten Druckzuleitungskanäle versetzt angeordnet sind und in die entsprechenden als flächige Vertiefungen ausgebildeten Ausnehmungen münden, hat den Vorteil, daß die Notwendigkeit, daß die Druckzuleitungskanalabschnitte durchgängig durch alle Platten hindurchfluchten müssen, entfällt. Das heißt, die Abdeckplatten können bei der Fertigung in beliebiger Drehwinkelposition aufgebracht werden; wichtig ist nur, daß die als flächige Vertiefung ausgebildete Ausnehmung jeweils eine Verbindung zwischen den ersten und zweiten Druckzuleitungskanälen schafft.

Zur dauerhaften Verbindung der Druckanschlußelemente mit den Abdeckplatten ist bei der Materialwahl der Druckanschlußelemente darauf zu achten, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Drucklanschlußelemente demjenigen von Silizium weitgehend entsprechen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß auf den Außenflächen der Abdeckplatten gegen diese elektrisch isolierte Metallschichtwiderstände in Brückenschaltung angeordnet sind, deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit von der bei Druckänderungen erfolgten Durchbiegung der Abdeckplatten ändern. Dies hat den Vorteil, daß selbst bei extrem großen Drücken, die ggfs. zu einer Biegung der Träger- oder Abdeckplatten führen, eine so entstehende Biegungg außerhalb der Membran elektrisch erfaßbar ist, so daß Kapazitätsänderungen, die nicht durch diee Durchbiegung der Membran entstehen, von der nachgeschalteten Elektronik elektrisch erfaßt und vom eigentlichen Meßergebnis ausgekoppelt werden können. Die Widerstände können dabei Dünnschichtwiderstände auf der isolierten Silizium-Abdeckplatte, Polysiliziumwiderstände oder implantierte piezoresistive Widerstände sein.

In letzter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächen der als Membran dienenden Platte mit einer Silizium-Dioxid-Schicht versehen, die beim Anlegen der Membran im Überlastfall an die entsprechende Elektrode einen Kurzschluß des Kondensators selbst verhindert. Des weiteren ist hierdurch verhindert, daß selbst kleinste Partikel zwischen Membran und Elektrode im Betriebsfall einen Kurzschluß machen können.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Differenzdrucksensor mit Darstellung der einzelnen Platten und

Fig. 2 einen Teilquerschnitt und eine Teildraufsicht des Differenzdrucksensors gemäß Schnitt A-B nach Fig. 1.

Die Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt die Anordnung der einzelnen Platten, die insgesamt den Differenzdrucksensor bzw. den Drucksensor ergeben. Die mittlere Platte 1 stellt dabei die entsprechend durch Ätzung konturierte Membran bzw. Membranplatte, die als erste Elektrode dient, dar. Die Membranplatte 1 selbst besteht aus einem umlaufenden verdickten Randbereich 10, der in direkter Anlage an den Trägerplatten 2, 3 mit denselben verbondet sind. Der mittlere Bereich ist gegenüber dem Randbereich 10 in seiner Dicke reduziert und ergibt den eigentlichen auslenkbaren Bereich 22 der Membran 1. Der auslenkbare Bereich 22 ist von weiter verdünnten umlaufenden Bereich 11 umrandet, der die eigentliche Durchbiegung bei Druckbeaufschlagung bewerkstelligen und so den mittleren auslenkbaren Membranbereich 22 insgesamt auslenken soll. Durch die gegenüber diesem dünnen Durchbiegungsbereich 11 verdickte Ausbildung des mittleren Membranbereiches 22 soll erreicht werden, daß der mittlere Membranbereich für sich nicht biegt, sondern bei Druckbeaufschlagung möglichst eben bleibt, so daß ein reproduzierbarer Kapazitätsverlauf in Abhängigkeit vom Druck bzw. Differenzdruck erreichbar ist. Eine Krümmung bzw. Durchbiegung des mittleren verdickten Membranbereiches soll also verhindert werden. Die Verdickung des mittleren Membranbereiches hat außerdem die beabsichtigte Folge, daß bei Grenzdruck bzw. Überschreitung ein Anlegen dieses Membranbereiches an der entsprechenden Trägerplatte 2, 3 bzw. deren Elektrode 6, 7 die Überlastung und damit die Gefahr des Brechens der verdünnten Biegungsbereiche der Membran verhindern soll. Damit ergibt sich bei einer solchen Membrankonturierung eine entsprechende Überlastsicherung. Die Membran ist dabei an den entsprechend den Trägerplatten zugewandten Außenflächen mit Silizium-Dioxid versehen, welches die elektrische Isolierung bewerkstelligt. Die Trägerplatten 2, 3 selbst bestehen hierbei aus Glas, wobei eine der Trägerplatten, nämlich Trägerplatte 3 gegenüber der anderen Trägerplatte 2 ein wenig größer ist, so daß sich ein Vorsprung bildet, auf dem Anschlußflächen 9 angeordnet sind, die in leitender Verbindung mit den nach innen geführten zweiten Elektroden 6, 7 sind. Diese Anschlußflächen 9 sind lötfähig und können somit von außen mit entsprechenden elektrischen Leitungen verlötet werden, welche insgesamt den elektrischen Anschluß des kapazitiven Drucksensors bewerkstelligen. Durch die Trägerplatten hindurch verlaufen die ersten Druckzuleitungskanäle 14, 15. Auf den Trägerplatten 2, 3 sind außen die aus Silizium bestehenden Abdeckplatten 4, 5 angeordnet, die mit den Trägerplatten 2, 3 durch anodisches Bonden verbunden sind. An den entsprechend den Trägerplatten zugewandten Flächen der Abdeckplatten 4, 5 sind Ausnehmungen 16, 17 in Form von flachen und flächigen Vertiefungen angeordnet. Die zweiten Druckzuleitungskanäle 12, 13 verlaufen durch die Abdeckplatten 4, 5 hindurch und münden entsprechend in die flachen Ausnehmungen 16, 17. Die zweiten Druckzuleitungskanäle 12, 13 sind bezüglich den ersten Druckzuleitungskanälen 14, 15 versetzt angeordnet. Dabei erstrecken sich jedoch die als flächige Vertiefungen ausgebildeten Ausnehmungen 16, 17 so weit, daß der jeweilige zweite Druckzuleitungskanal 12, 13 mit dem jeweiligen ersten Druckzuleitungskanal 14, 15 in kommunizierender Verbindung steht. Die Tiefe der Ausnehmungen 16, 17 ist dabei kleiner als der Abstand der jeweiligen Membranseite zur jeweiligen Elektrode 6, 7 bzw. Trägerplatte 2, 3. Die Tatsache, daß die zweiten Druckzuleitungskanäle mit den jeweiligen ersten Druckzuleitungskanälen nur über die flachen Ausnehmungen kommunizieren können und die Tatsache der Dimensionierung der Tiefe der Ausnehmungen hat zur Folge, daß Partikel, die größer oder gleich dem Abstand der Membran von der jeweiligen Elektrode vom Inneren der Meßkammer ferngehalten werden. Indem, daß solche Partikel ferngehalten werden, sind Fehlkapazitäten, die durch Überbrückung von Membran und Elektrode entstehen könnten, ausgeschlossen.

Des weiteren sind somit ebenfalls Partikel ferngehalten, die beispielsweise sogar die Auslenkung der Membran behindern könnten. Die Tatsache, daß in entsprechend angegebener Weise die Abdeckplatten 4, 5 aus Silizium bestehen, hat den bereits erwähnten Vorteil, daß die flachen Vertiefungen in einer genauen, reproduzierbaren und wirtschaftlichen Weise hergestellt werden können. Neben dem integrierten Partikelschutzsystem, welches sich hier durch extrem einfache Mittel darstellt, erhält durch das Anbonden der Abdeckplatten 4, 5 auf den Trägerplatten 2, 3 der gesamte Drucksensor eine so gute Statik, daß der Sensorkörper für sich statisch nicht mehr aufwendig abgestützt werden muß. Im Bereich der Öffnungen der zweiten Druckzuleitungskanäle 12, 13 sind die Außenflächen der Abdeckplatten 4, 5 zumindest teilweise metallisiert. Diese Metallisierungen 18, 19 sind dabei lötfähig ausgestaltet, so daß entsprechende Druckanschlußelemente 20, 21 auf einfache Weise angelötet werden können.

Ein weiterer Vorteil besteht außerdem darin, daß Silizium-Metall-Verbindungen statisch entsprechend fest sind, so daß die Druckanschlußelemente auch sicher am Sensor befestigt werden können. Die Druckanschlußelemente sollten aus Gründen der mechanischen Festigkeit dabei ebenfalls aus einem Material bestehen, dessen Wärmeeausdehnungskoeffizient demjenigen von Silizium weitgehend entspricht. Hierbei steht es frei, die Druckanschlußelemente dabei im günstigsten Fall ebenfalls aus Silizium herzustellen.

Bei dieser Sensorausführung münden in die Druckanschlußelemente bzw. in deren Öffnungen, die in die Druckzuleitungskanäle münden, extern anschließbare Druckzuleitungen.

Fig. 2 zeigt im linken Bildteil einen Teilschnitt gemäß der Linie A-B nach Fig. 1 und auf der rechten Bildhälfte eine Teildraufsicht auf den Drucksensor nach Fig. 1. Die linke Bildhälfte zeigt dabei, daß die Anordnung im Querschnitt im wesentlichen quadratisch ist. Der mittlere auslenkbare Membranbereich sowie die Elektrode 7 erhält dabei ebenfalls eine quadratische Kontur. Die entsprechend verjüngten Membranbereiche 11, die den mittleren auslenkbaren Bereich 22 der Membran umranden, sind dabei natürlich ebenfalls quadratisch in ihrer Kontur. Die rechte Bildhälfte zeigt in Draufsicht einen Teil des Druckanschlußelementes 20 mit der seitlich nach außen geführten externen Druckanschlußleitung. Auf der rechten Bildhälfte ist ebenfalls eine Draufsicht auf die elektrischen Anschlußflächen 9 gegeben, die in elektrisch leitender Verbindung mit den entsprechenden, nach innen geführten Pfaden 8 der Elektroden 6, 7 verbunden sind. Auf diese Weise können die Elektroden und damit der gesamte Drucksensor auf einfache Weise elektrisch mit der nachfolgenden Verarbeitungselektronik verbunden werden.

Claims (9)

1. Kapazitiver Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik, bei dem eine als druckempfindliche Membran und als erste Elektrode dienende Platte aus Silizium zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Platten und die Trägerplatten in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, daß jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der als Membran dienenden Platte eine Meßkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Platten und der Trägerplatten verlaufenden ersten Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Meßkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, daß die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatten (2, 3) auf ihren der Membran (1) abgewandten, bezüglich der Membran parallel orientierten Außenseiten mit je einer Abdeckplatte (4, 5) aus Silizium versehen sind, daß die Abdeckplatten (4, 5) mit je einem senkrecht zu den Berührungsflächen der Abdeckplatten und der Trägerplatten verlaufenden zweiten Druckzuleitungskanal (12, 13) versehen sind, und der jeweilige zweite Druckzuleitungskanal (12, 13) in der jeweiligen Abdeckplatte (4, 5) bezüglich des jeweiligen ersten Druckzuleitungskanals (14, 15) versetzt angeordnet ist und mit dem jeweiligen ersten Druckzuleitungskanal (14, 15) in kommunizierender Verbindung steht.
2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatten (4, 5) auf ihren den Trägerplatten (2, 3) zugewandten Flächen mit je einer Ausnehmung (16, 17) versehen sind, über welche jeweils der erste Druckzuleitungskanal (14, 15) mit dem zweiten Druckzuleitungskanal (12, 13) in kommunizierender Verbindung steht.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (16, 17) als flächige Vertiefungen ausgebildet sind, deren jeweilige Tiefe kleiner als der jeweilige verbleibende Abstand zwischen dem auslenkbaren Bereich (22) der als Membran dienenden Platte (1), wenn diese bei Meßbereichsdruck ausgelenkt ist, und der jeweiligen Trägerplatte (2, 3) bzw. deren zweiter Elektrode (6, 7) ist.
4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche jeder Ausnehmung (16, 17) die gleiche Größe wie die aktive krümm- und auslenkbare Querschnittsfläche der als Membran dienenden Platte (1) aufweist.
5. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die zweiten Druckzuleitungskanäle (12, 13) auf den Außenseiten der Abdeckplatten (4, 5) umgebenden Flächen Metallisierungen (18, 19) sind, an die aus Metall bestehende Druckanschlußelemente (20, 21) gelötet sind.
6. Differenzdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckanschlußelemente (20, 21) aus einem Material bestehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient demjenigen von Silizium weitgehend entspricht.
7. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Außenflächen der Abdeckplatten (4, 5) gegen diese elektrisch isolierte Metallschichtwiderstände angeordnet sind, deren Widerstandswerte sich in Abhängigkeit von der bei Druckänderungen erfolgten Durchbiegung der Abdeckplatten ändern.
8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichtwiderstände Brückenschaltungen bilden.
9. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der als Membran dienenden Platte (1) mit einer Silizium-Dioxidschicht versehen sind.
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