DE4207950C1 - Capacitative differential pressure sensor - has two carrier plates of monocrystalline silicon@ with flat recesses etched to form measuring chamber by facing diaphragm plate of boron silicate glass - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Drucksensor der eingangs genannten Art ist aus der US-Patentschrift 42 57 274 sowie aus der korrespondierenden europäischen Patentschrift 00 07 596 bekannt. In einer der darin beschriebenen Ausführungsformen sind drei scheibenförmige Platten durch anodisches Bänden stoffschlüssig miteinander verbunden und der zentrale Bereich der mittleren Platte enthält auf beiden Seiten Vertiefungen, die somit eine Membran definieren und zudem mit den zugeordneten Flächen der äußeren als Trägerplatten ausgebildeten Platten Hohlräume bilden, die über Kanäle mit den zu messenden Drücken beaufschlagt werden können. Die sich gegenüberliegenden Flächen der Hohlräume sind elektrisch voneinander isoliert und bilden nach partieller Metallisierung elektrische Kondensatoren, deren Kapazitäten sich gegensinnig zu Änderungen der Drücke bzw. Auslenkungen der Membran verändern. Hierbei wirkt sich ein Druckunterschied zwischen den beiden Hohlräumen in einer entsprechend orientierten Durchbiegung der Membrane aus, die, wie oben beschrieben, dann die Kapazitäten durch Änderung des Membran-Elektroden-Abstandes ändern. Als Material der äußeren Trägerplatten ist u. a. Glas, und als Material der Membranplatte Silizium vorgegeben. Ein typischer Anwendungsfall für einen solchen Sensor ist die Messung kleiner Druckdifferenzen bei vergleichsweise hohen Absolutdrücken; beispielsweise P1=100,1 bar, P2=100 bar. Zur Erzielung hinreichender Meßgenauigkeit wird man den Drucksensor für den Differenzdruckbereich dP=0,1 bar dimensionieren. Bei der Verwendung des Drucksensors bei derart hohen Absolutdrücken ist eine entsprechende Überlastfestigkeit notwendig. Da in diesem Falle als Trägerplattenmaterial Glas vorgesehen ist, ergibt sich das Problem, daß beispielsweise beim Durchbohren der Glasträgerplatten zur Anbringung der Druckzuleitungskanäle, feine Mikrorisse entstehen, die bei solch hohen Drücken zur Zerstörung des Drucksensors führen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem das Messen kleiner Differenzdrücke bei hohen absoluten Drücken in einer konstruktiv einfachen und robusten Weise ermöglicht ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem kapazitiven Differenzdrucksensor der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Ein wesentliches Element zur Lösung dieser Aufgabe besteht in der Wahl des Materials der einzelnen Elemente wie Trägerplatten und Membran. Die erfindungsgemäße Bildung der Membran aus Borsilikatglas erfüllt zum einen die Aufgabe dahingehend, daß durch eine genügend hohe Flexibilität des Borsilikatglases kleine Druckunterschiede sehr gut aufgelöst werden können. Durch eine entsprechend stabile Ausgestaltung der Trägerplatten in Verbindung mit der guten Flexibilität des Borsilikatglases ist eine Durchbiegung der Membran derart möglich, daß sie sich im Überlastfall ohne Zerstörung an eine der Trägerplatten anlegen kann. Aus der DE 31 48 403 C2 ist zwar eine Drucksensoranordnung bekannt, die Trägerplatten aus Halbleitermaterial mit flächigen Vertiefungen, die die Meßkammern bilden, zeigen, jedoch besteht die Membranplatte aus Silizium und die Meßkammern sind mit inkompressiblem Öl gefüllt, so daß im Überlastfall gewisse eingeschlossene Ölvolumina ein Überlastbett bilden, in welches sich die Membran legt. Bei der vorliegenden Erfindung ist dies schon durch die Materialwahl der Membran aus Borsilikatglas anders, da sich aufgrund der Materialeigenschaften das Glas flexibler verhält; auch im Überlastfall. Gemeinsam mit diesem Vorteil führt unter dem Aspekt der Lösung der Aufgabe die erfindungsgemäße Materialwahl der Membran zu dem weiteren Vorteil, daß die Membran selbst extrem einfach hergestellt werden kann. Im einfachsten Fall kann die Membran als durchgängig gleichdicke Platte, die zwischen die Trägerplatten gefügt ist, ausgebildet sein. Die entsprechenden Vertiefungen zur Bildung des bzw. der nötigen Meßräume sind dabei in den Trägerplatten anzuordnen. Da nun hierauf abgestimmt, die Trägerplatten aus Silizium gefertigt sind, sind solche Vertiefungen, die dann im zusammengefügten Zustand mit der Membran die Meßräume bilden, einfach durch Ätzung oder Sputterung des Siliziummaterials herstellbar. Hinzu kommt, daß hierbei die Vertiefungen in ihrer Tiefendimension extrem genau und zudem reproduzierbar herstellbar sind, so daß sich letztendlich in der Fertigung eine gleichbleibend hohe Qualität ergibt. Durch die Anordnung sowie durch die Materialwahl von Membran und Trägerplatten sind die Einzelplatten ohne Einfügung von Zwischenelementen durch anodisches Bonden miteinander verbindbar und ergeben so eine extrem einfache Ausgestaltung.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß der Drucksensor durch seine Materialwahl, nämlich Silizium als Trägerplattenmaterial und Borsilikatglas als Membranmaterial, auf einfache Weise als mikromechanisches Element in einen Schaltkreis aufgenommen werden kann, der beispielsweise die elektronische Meßsignalaufnahme und -auswertung enthält.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Druckzuleitungskanäle in dem sehr gut bearbeitbaren Silizium angeordnet sind. Diese Druckzuleitungskanäle können beispielsweise teilweise gebohrt und teilweise, je nach Leitungsführung, geätzt sein. Des weiteren ergibt sich in vorteilhaft einfacher Weise damit die Möglichkeit, ein entsprechend ausgestaltetes Partikelschutzsystem in einfacher Weise durch Ätzung in die aus Silizium bestehenden Trägerplatten einzubringen. Ein Partikelschutzsystem kann dabei beispielsweise durch die Einteilung in Kanal-Abschnitte erfolgen, wobei einer der Abschnitte dann so flach ausgebildet ist, daß nach Abdecken der Siliziumtragplatte durch die Borsilikatglasplatte ein flacher Kanal gebildet ist, dessen lichte Weite kleiner als der Abstand zwischen Membran bzw. Elektrode zur entsprechend gegenüberliegenden Meßkammerseite der Trägerplatte ist. Somit werden Partikel, die geeignet sind, Fehlkapazitäten in der Meßkammer zu bilden oder ggfs. sogar die gleichmäßige Durchbiegung der Membran im Lastfall zu behindern, vor Eintritt in die Meßkammer abgefangen. Die Membranplatte ist dabei im vorgesehenen mittleren Durchbiegungs- bzw. Auslenkbereich entweder mit metallisierten Oberflächen als Elektroden versehen, oder es werden elektrisch leitfähige Schichten durch Dotieren des Membranmaterials als Elektroden gebildet.

Des weiteren ergibt sich vorteilhaft, daß durch die durchgängig eben ausgebildete Membranplatte aus Glas sowohl Meßkammern, als auch Abschnitte der Druckzuleitungskanäle, die in die Siliziumträgerplatten eingeätzt sind, einfach abgedeckt werden können und so die Meßkammer bzw. Druckzuleitungskanäle bilden. Kanäle und Meßkammern sind auf diese Weise sehr einfach und reproduzierbar herstellbar.

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

Fig. 1 einen Schnitt durch den Drucksensor,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Membranplatte und

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine der Trägerplatten 1 oder 2.

Fig. 1 zeigt den kapazitiven Drucksensor in einer Schnittdarstellung, aus der die Zusammenfügung der einzelnen Platten ersichtlich ist. Die Membranplatte 3 ist zwischen den Trägerplatten 1 und 2 angeordnet. Alle Platten sind über anodisches Bonden miteinander verbunden. Die Membranplatte 3 ist dabei zunächst durchgängig eben und besteht aus Borsilikatglas. Auf der Membran sind an geeigneter Stelle Elektroden 4 angebracht, die mit nach außen geführten elektrischen Anschlußpfaden 5 verbunden sind. Die Trägerplatten 1 und 2 enthalten im entsprechenden Durchbiegungsbereich der Membran Vertiefungen 6, 6′, die im zusammengefügten Zustand jeweils auf jeder Seite der Membran eine Meßkammer bilden. Die Meßkammern sind dabei mit in Fig. 3 dargestellten Druckzuleitungskanälen verbunden, über die das Druckmedium in den Meßkammerinnenraum geleitet wird. Die Druckzuleitungskanäle unterteilen sich dabei im wesentlichen in zwei Abschnitte 7 und 9. Der Abschnitt 7 verläuft senkrecht durch die Trägerplatten 1 und 2 hindurch und mündet dann in einen parallel zur Membran verlaufenden Abschnitt 9, in dem ggfs. vor Eintritt in die Meßkammern 6, 6′ Partikelschutzelemente integriert angeordnet sind. An den Außenflächen der Trägerplatten 1 und 2 sind Druckanschlußelemente 11 angeordnet. Die entsprechende Öffnung des Druckzuleitungskanalabschnittes 7 ist dort im diese Öffnung umgebenden Bereich mit einer Metallisierung versehen. Diese Metallisierung ist dabei lötfähig, so daß die Druckanschlußelemente 7 dort einfach angelötet werden können. Die Druckanschlußelemente 7 sind dann des weiteren beispielsweise über Schläuche oder flexible druckfeste Röhrchen mit dem zu messenden Druckmedium verbunden. Gleichzeitig kann vorgesehen werden, daß die Druckanschlußelemente 11 gleichzeitig die elektrischen Anschlüsse der aus Silizium bestehenden Trägerplatten 1 und 2 bilden. Somit ist in die Druckanschlußelemente 11 sowohl die Druckanschlußfunktion sowie die elektrische Anschlußfunktion integriert. Die Elektroden 4 der als Membran dienenden Platte 3 können des weiteren untereinander elektrisch verbunden sein, so daß diese auf gleichem elektrischem Potential liegen.

Fig. 2 zeigt die Membranplatte von einer Seite in Draufsicht. Hierbei ist die Anordnung der Elektrode zu erkennen, sowie deren Verbindung mit einem Anschlußpfad 5. Der Anschlußpfad 5 verläuft dabei von der Elektrode 4 weg zu einer Anschlußfläche 8, die entsprechend lötfähig ist und mit externen elektrischen Anschlußleitungen versehen werden kann. Wie bereits oben gesagt, können die beiden Elektroden 4 elektrisch miteinander verbunden sein, so daß diese auf gleichem elektrischen Potential liegen. Hierzu ist dann die als Membran dienende Platte 3 im Bereich der Anschlußfläche 8 durchbohrt, wobei diese Bohrung dann derart metallisiert ist, daß diese die sich beiden gegenüberliegenden Anschlußflächen 8 auf der Membranplatte 3 elektrisch leitend verbunden sind.

Fig. 3 zeigt eine der Trägerplatten 1 oder 2 von einer Ansicht, von der aus in die den Meßkammerraum bildende Vertiefung 6 hineingesehen werden kann. Die Vertiefung 6 ist dabei kreisrund. Am Außenumfang einmündend verläuft ein Druckzuleitungskanalabschnitt 7, der zumindest im Einmündungsbereich mit einem entsprechenden Partikelschutz 9 versehen ist. Der Partikelschutz 9 kann hierbei entweder darin bestehen, daß der Druckzuleitungskanal in entsprechender Weise derart abgeflacht wird, daß der Abstand bzw. die lichte Weite kleiner als der Abstand der Membranelektrode 4 zur Trägerplatte 1 bzw. 3 ist. Oder es können hierbei sich sukzessive vervielfachende und im Querschnitt reduzierende Rillen eingeätzt sein, die eine Art Kapillarfritte als Partikelfilter ergeben. Wichtig ist hierbei zu bemerken, daß im montierten Zustand dieser eingeätzte Druckzuleitungsabschnitt von der Glasplatte 3 abgedeckt wird und somit die lichte Weite dann vorgibt und den Kanal letztendlich in seinem Querschnitt abgrenzt. Ein zweiter Druckmittelkanalabschnitt läuft am Ende des mit dem Partikelschutz versehenen Druckzuleitungsabschnittes senkrecht dazu durch die Trägerplatte 1 bzw. 3 hindurch nach außen. An einer der Ecken der Trägerplatte befindet sich eine Aussparung 10 derart, daß die jeweilige Anschlußfläche 8 der Elektrode 4 der Membranplatte 3 frei liegt und von außen zugängig ist, um bei Anschluß des Drucksensors eine Lötverbindung mit externen Kabeln vornehmen zu können.

Insgesamt ergibt sich somit eine Drucksensoranordnung, die extrem einfach ausgestaltet ist und zudem alle Funktionen wie Überlastfestigkeit, Partikelschutz, kompakte Bauweise und Anordnung mit hoher Festigkeit erfüllt. Die Borsilikatglasmembran ist sehr gut biegbar und flexibel und zudem trotzdem hohen Drücken standhaltend, so daß sich im Ergebnis ein Differenzdrucksensor ergibt, der bei hohen Absolutdrücken sehr kleine Druckdifferenzen registrieren kann.

Claims (16)

1. Kapazitiver, monokristallines Silizium und Borsilikatglas enthaltender Differenzdrucksensor mit einer als druckempfindliche Membran dienenden Membranplatte, die zwischen zwei Trägerplatten angeordnet ist, wobei jede Trägerplatte mit mindestens einem, senkrecht zu den Berührungsflächen der Membranplatte und der Trägerplatten verlaufenden Druckzuleitungskanal versehen ist, über den die Membranplatte mit Druck beaufschlagbar ist, und die Membranplatte mit den Trägerplatten in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so verbunden ist, daß jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membranplatte eine Meßkammer bildet, sowie mit auf der Membranplatte und/oder den Trägerplatten angebrachten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranplatte (3) aus Borsilikatglas und die Trägerplatten (1, 2) aus monokristallinem Silizium bestehen, daß in die der Membran­ platte (3) zugewandte Seite jeder Trägerplatte (1, 2) jeweils eine flächige Vertiefung (6, 6′) geätzt ist, die jeweils die Meßkammer zwischen der Membranplatte (3) und Trägerplatte (1, 2) bildet, daß die Vertiefungen (6, 6′) so bemessen sind, daß sich die Membranplatte (3) wenigstens abschnittweise im Überlastfall an die entsprechende Trägerplatte (6, 6′) anlegt, und daß die Dicke der Trägerplatten (1, 2) der gewünschten Überlastfestigkeit angepaßt ist.

2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (6, 6′) in den Trägerplatten (1, 2) kreis- oder rechteckförmig sind.

3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membranplatte (3) zugewandten Oberflächen der Trägerplatten (1, 2) mit einer Silizium-Dioxid-Schicht versehen sind.

4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membranplatte (3) zugewandten Oberflächen der Trägerplatten (1, 2) mit einer Silizum-Nitrit-Schicht versehen sind.

5. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranplatte (3) in ihrem auslenkbaren Bereich auf beiden Seiten mit einer als Elektrode (4) dienenden Metallisierung versehen ist.

6. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4) auf der Membranplatte (3) kreis- oder rechteckförmig sind.

7. Differenzdrucksensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungen auf der Membranplatte (3) mit elektrisch lötfähigen Anschlußpfaden (5) verbunden sind, die in den Randbereich der Membranplatte (3) geführt sind und daß die Anschlußpfade (5) im Randbereich der Membranplatte (3) zu Anschlußflächen (8) flächig erweitert sind.

8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußflächen (8) auf der Unterseite und auf der Oberseite der Membranplatte (3) über ein durchkontaktiertes Loch elektrisch miteinander verbunden sind.

9. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Druckzuleitungskanäle (7) auf den die Außenseiten der Trägerplatten (1, 2) umgebenden Flächen metallisiert und die metallisierten Flächen elektrisch leitend mit den Trägerplatten verbunden sind und daß die Metallisierung der Flächen lötfähig ausgebildet ist.

10. Differenzdrucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß aus Metall bestehende Druckanschlußelemente (11) an die metallisierten Flächen gelötet sind und daß die Druckanschlußelemente (11) auch als elektrische Anschlüsse dienen.

11. Differenzdrucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckanschlußelemente (11) aus einem Material bestehen, dessen Wärmeausdehnung derjenigen von Silizium weitestgehend entspricht.

12. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Druckzuleitungskanal (7) in der zugehörigen Trägerplatte (1, 2) einen ersten Abschnitt aufweist, der senkrecht zu den Verbindungsflächen der Membranplatte (3) und der Trägerplatten (1, 2) verläuft, und einen zweiten Abschnitt (9) aufweist, der parallel zu der Verbindungsfläche zwischen der Trägerplatte (1, 2) und der Membranplatte (3) verläuft und in die Meßkammer mündet.

13. Differenzdrucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (9) der Druckzuleitungskanäle (7) als Vertiefung ausgebildet ist, dessen Tiefe kleiner als die Tiefe der die Meßkammern bildenden Vertiefungen (6, 6′) in den Trägerplatten (1, 2) ist.

14. Differenzdrucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (9) der Druckzuleitungskanäle (7) in Form von Vertiefungen ausgebildet ist, die in die der Membranplatte (3) zugewandten Oberflächen der Trägerplatten (1, 2) eingeätzt sind, wobei die Mündung des ersten Abschnittes in den zweiten Abschnitt (9) der Druckzuleitungskanäle (7) bis auf die Mündung des zweiten Abschnittes (9) in die Meßkammer durch die Oberfläche der Membranplatte (3) abgedeckt ist.

15. Differenzdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der Trägerplatten (1, 2) mindestens in den Bereichen, die der auslenkbaren Zone der Membranplatte (3) gegenüberliegen, durch Dotieren oder Metallisieren derart vergrößert ist, daß diese Bereiche als Elektroden dienen.

16. Differenzdrucksensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4) auf den Trägerplatten (1, 2) in der Ebene kreis- oder rechteckförmig ausgebildet sind.