DE4211816A1 - Drucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Ge­ häuse, einer einen Membranbereich aufweisenden Platte und einem Zwischenträger, auf dem die Platte montiert ist und der mit dem Gehäuse mit Hilfe eines Klebstoffs verbunden ist, und ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, bei dem eine einen Membranbereich aufwei­ sende Platte und ein Zwischenträger miteinander verbun­ den werden und der Zwischenträger mit einem Gehäuse verklebt wird, wobei ein Klebstoff auf das Gehäuse und/ oder den Zwischenträger aufgetragen wird.

Ein derartiger Drucksensor und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise aus EP 0 140 992 A1 bekannt. Der Zwischenträger besteht hierbei aus einem Glassubstrat, während die Platte aus einem Halbleitermaterial, wie Silizium, gefertigt sein kann. Der Zwischenträger hat hierbei die Aufgabe, die Platte von dem Gehäuse zu iso­ lieren. Das Gehäuse besteht in der Regel aus einem Me­ tall, beispielsweise aus Stahl.

Problematisch bei derartigen Drucksensoren ist die Tat­ sache, daß die Platte und das Gehäuse stark unter­ schiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten haben. Wenn sich das Gehäuse bei einer Temperaturerhöhung stärker ausdehnt als die Platte mit der Membran, kann dies zu Verspannungen in der Membran führen, wodurch die Meßergebnisse verfälscht werden. Man versucht nun, einen Teil der durch die unterschiedlichen Temperatur­ ausdehnungskoeffizienten verursachten Spannungen über den Zwischenträger bzw. dessen Befestigung abzubauen. Hierbei reicht es bei kleineren Drücken aus, einen ela­ stischen Klebstoff zu verwenden, der mechanische Span­ nungen ausgleichen kann, also eine gewisse Relativver­ schiebung zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse zuläßt.

Für höhere Drücke wird in EP 0 140 992 A1 jedoch zwi­ schen dem Zwischenträger und dem Gehäuse eine weitere Schicht verwendet, die etwa den gleichen Temperaturaus­ dehnungskoeffizienten wie die Platte haben soll, um die durch eine Temperaturveränderung erzeugten Spannungen zu verringern.

Ein ähnlicher Aufbau ist in EP 0 317 664 A1 beschrie­ ben. Hierbei sind eine Trägerplatte und eine Basisplat­ te mit Hilfe einer elastischen Klebschicht verklebt. Die Basisplatte, auf der der Zwischenträger und die die Membran aufweisende Platte montiert sind, sind mit Hil­ fe eines Klemmteils mit der Trägerplatte verspannt.

US 4 364 276 beschreibt einen Differenzdruckmesser für relativ große Systemdrücke. Die als eigentlicher Sensor dienende Siliziumplatte ist auf einem Glassubstrat mon­ tiert, das auf einer Trägerschicht aus Metall, z. B. einer Eisen-Nickel-Legierung befestigt ist, wobei die Verbindung der drei Schichten mit Hilfe einer Bonding- Technik erfolgt. Bei diesem Drucksensor soll das Metallteil als Unterstützungsschicht für das Glassub­ strat wirken, so daß der Sensor auch bei hohen System­ drücken stets ein genaues Meßergebnis abgeben kann, ohne durch die auftretenden hohen hydrostatischen Drücke deformiert zu werden.

DE 39 37 522 A1 beschreibt einen weiteren Halbleiter- Drucksensor, der ebenfalls für verhältnismäßig hohe Drücke verwendet werden kann. Hierzu wird der die Mem­ brane tragende Zwischenträger unter Verwendung einer Elastomerdichtung mit dem Gehäuse verbunden. Bei einer Erhöhung des Drucks auf die Membran erhöht sich auch der Druck auf die Elastomerdichtung, so daß bei einem höheren Druck die Dichtigkeit verbessert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druck­ sensor anzugeben, der möglichst einfach aufgebaut ist und bei großen statischen und pulsierenden Druckbela­ stungen verwendet werden kann sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Drucksensors anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem Drucksensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Klebstoff in ei­ ner Fuge zwischen Gehäuse und Zwischenträger angeordnet ist, die eine Bewegung des Klebstoffs zumindest in eine Richtung quer zur Druckrichtung begrenzt.

Hierdurch wird verhindert, daß der Klebstoff bei großen Druckbelastungen zwischen dem Gehäuse und dem Träger herausgepreßt wird. Dies würde zu einer Verminderung oder gar zu einem Verlust der durch den Klebstoff ver­ mittelten Haftkraft zwischen Gehäuse und Zwischenträger führen. Dadurch, daß die Bewegung des Klebstoffs quer zur Druckrichtung in mindestens eine Richtung begrenzt ist, wird zwar ein Ausweichen des Klebstoffs bei einer Druckerhöhung grundsätzlich zugelassen, ein vollständi­ ges Entfernen des Klebstoffs aus dem Zwischenraum zwi­ schen Gehäuse und Zwischenträger wird jedoch verhin­ dert. Bei niedrigen Drücken ist der Klebstoff, der in ausreichendem Maß elastisch sein muß, aber in der Lage, die Spannungen zwischen dem Zwischenträger und dem Ge­ häuse aufzunehmen, so daß keine Verspannungen der Plat­ te auftreten und somit Verspannungen der Membran ver­ mieden werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Zwischenträger einen Mittelbereich aufweist, um den herum die Fuge angeordnet ist, wobei die Fuge eine Begrenzungsfläche aufweist, die eine Bewegung des Klebstoffs in den Mittelbereich hinein verhindert. Im Mittelbereich des Zwischenträgers ist also mit anderen Worten ein Anschlag gebildet, der vor dem satten Auf­ liegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander die Bewegung von Zwischenträger und Gehäuse aufeinander zu begrenzt. Um den Mittelbereich herum existiert also in jedem Fall ein Raum, in dem der Klebstoff verbleiben kann. Die von den auf die Platte und auf die Membran wirkenden hydrostatischen Drücken verursachten Kräfte können also aufgenommen werden, ohne daß der Klebstoff vollständig aus der Fuge herausgepreßt wird. Hierdurch entsteht eine Art selbstsperrender Effekt.

Die Begrenzungsfläche kann auf verschiedene Arten ge­ bildet werden. Zum einen kann die Begrenzungsfläche der Fuge durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs ge­ bildet sein, der aus dem Gehäuse in Richtung auf den Zwischenträger hervorragt. Der Vorsprung kann auch am Zwischenträger ausgebildet sein und in Richtung auf das Gehäuse hervorragen. Schließlich läßt sich zur Erzeu­ gung der Begrenzungsfläche auch eine Zwischenplatte verwenden, die zwischen Gehäuse und Zwischenträger an­ geordnet ist und deren Umfangsfläche als Begrenzungs­ fläche dient. In allen drei Fällen wird erreicht, daß vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander, das zu einem Verdrängen des Klebstoffs füh­ ren würde, eine mechanische Sperre errichtet wird, die sicherstellt, daß die Fuge ein vorbestimmtes Mindest­ volumen behält.

Weiterhin ist von großem Vorteil, daß die Begrenzungs­ fläche einen klebstoffreien Bereich umgrenzt, durch den ein Gegendruckkanal im Gehäuse geführt ist. Bei der Ausbildung des Drucksensors als Differenzdrucksensor können somit von beiden Seiten Drücke an die Membran herangeführt werden. Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß durch die Begrenzungs­ fläche verhindert wird, daß der Klebstoff beim Herstel­ len in den Gegendruckkanal gelangt und diesen ver­ schließt oder verengt.

Bevorzugterweise weisen an dem Gehäuse bzw. dem Zwi­ schenträger anliegende Reibeflächen eine erhöhte Glätte auf. Dies verringert die Reibung zwischen Zwischenträ­ ger und Gehäuse, so daß bei unterschiedlichen Ausdeh­ nungen von Gehäuse und Zwischenträger aufgrund von Tem­ peraturschwankungen eine relativ freie Beweglichkeit der beiden Teile zueinander sichergestellt ist.

Die Fuge hat vorteilhafterweise eine Stärke im Bereich weniger hundertstel Millimeter. Eine Stärke in diesem Bereich reicht aus, um genügend Klebstoff unterzubrin­ gen, so daß einerseits eine zuverlässige Befestigung von Zwischenträger und Gehäuse aneinander gewährleistet ist, die Schicht andererseits aber bei niedrigen Drücken noch elastisch genug ist, um mechanische Spannungen zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse auszuglei­ chen.

Die Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß vor dem Auftrag des Klebe­ stoffs eine Klebeflächenbegrenzung erzeugt wird. Diese Klebeflächenbegrenzung kann beispielsweise dadurch er­ zeugt werden, daß, wie oben ausgeführt, Vorsprünge auf dem Gehäuse oder auf dem Zwischenträger erzeugt werden oder eine Zwischenplatte verwendet wird, die vor dem Aufbringen des Klebstoffs auf das Gehäuse und/oder den Zwischenträger aufgebracht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Drucksensor,

Fig. 2 einen Teilschnitt A-A nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt B-B nach Fig. 2,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere abgewandelte Ausführungsform.

Ein Drucksensor 1 weist eine Platte 2 mit einer Membran 3 auf, die mit einem Zwischenträger 4 verbunden sind. Der Zwischenträger 4 wiederum ist mit Hilfe eines ela­ stischen Klebstoffs 5 mit einem Gehäuse 6 verbunden.

Das Gehäuse 6 besteht aus Metall. Der Zwischenträger 4 ist durch ein Glassubstrat gebildet. Die Platte 2 mit Membran 3 besteht aus Silizium. In die Membran 3 sind in bekannter und nicht dargestellter Weise Widerstände oder andere elektrische Bauelemente eingebaut, bei­ spielsweise durch Dotierung. Die elektrischen Eigen­ schaften dieser Bauelemente ändern sich bei einer me­ chanischen Belastung oder Durchbiegung der Membran 3. Die Größe der Änderung der elektrischen Eigenschaften dieser Bauelemente ist ein Maß für den Druck, dem die Membran 3 ausgesetzt ist.

Von den nicht dargestellten elektrischen Bauelementen gehen elektrische Leitungen 7 durch einen Anschluß 8 zu einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung.

Der Zwischenträger 4 mit der Platte 2 ist in einem im Gehäuse 6 vorgesehenen Druckraum 9 angeordnet, der von einer Hilfsmembran 10 verschlossen und mit einem Druck­ medium 11, beispielsweise Silikonöl, gefüllt ist. Auf die Hilfsmembran 10 wirkende Drücke pflanzen sich über das Druckmedium 11 auf die Membran 3 der Platte 2 fort und führen dort zu einer Durchbiegung und somit zu ei­ ner Änderung der elektrischen Eigenschaften der elek­ trischen Bauelemente, die ein Maß für den wirkenden Druck sind. Die Hilfsmembran 10 ihrerseits kann von außen durch eine Öffnung 13 im Gehäuse 6 mit Druck be­ aufschlagt werden.

Zur Verwendung des Drucksensors 1 als Differenzdruck­ messer ist ein Gegendruckkanal 12 vorgesehen, der durch das Gehäuse 6 und den Zwischenträger 4 geführt ist. Durch den Gegendruckkanal 12 können Drücke auf die an­ dere Seite der Membran 3 gelangen. Die Ausbiegung der Membrane 3 erfolgt dann in Abhängigkeit von der Druck­ differenz zwischen den beiden Drücken auf beiden Seiten der Membrane 3.

Zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4 ist eine Zwischenplatte 14 angeordnet, die beispielsweise eine Stärke von 0,04 mm, einen Außendurchmesser von 2 mm und eine Bohrung von 1 mm Durchmesser hat und aus Stahl hergestellt sein kann. Die Zwischenplatte 14 hat einen Außenumfang 15, der als Begrenzungsfläche für den Klebstoff 5 dient. Gleichzeitig dient die Zwischenplat­ te 14 als Anschlag bei einer Bewegung von Gehäuse 6 und Zwischenträger 4 aufeinander zu. Auch bei stärksten Drücken verbleibt eine Klebstoff-Fuge 16 zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4, aus der der Kleb­ stoff 5 nicht herausgepreßt oder gequetscht werden kann. Die Bewegung von Gehäuse 6 und Zwischenträger 4 aufeinander zu wird durch die Zwischenplatte 14 be­ grenzt. Gleichzeitig verhindert die Zwischenplatte 14 mit ihrem Außenumfang 15, daß selbst bei hohen Drücken Klebstoff in den mittleren Bereich des Zwischenträgers vordringen kann. Auch wenn bei hohen Drücken Klebstoff nach außen gepreßt wird, verbleibt in der Fuge 16 immer noch eine ausreichende Menge, um die Haftkraft zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4 aufrechtzuerhal­ ten. Als Klebstoff kann beispielsweise ein Silikonkle­ ber, z. B. Silikonkautschuk, verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 3 und entsprechende Teile mit um 100 erhöh­ ten Bezugszeichen versehen sind. Die Zwischenplatte 14 ist hier ersetzt worden durch einen im Gehäuse 106 aus­ gebildeten Vorsprung 17, der in Richtung auf den Zwi­ schenträger 4 vorsteht. Der Vorsprung 17 bildet einer­ seits den Anschlag für die Bewegung von Zwischenträger 4 und Gehäuse 106 aufeinander zu, er begrenzt anderer­ seits die Fuge 16, so daß der Klebstoff zwar aus der Fuge 16 nach außen herausgedrückt werden kann, jedoch nicht in einen mittleren Bereich des Zwischenträgers 4 vordringen kann. Wenn der Klebstoff 5 auf das Gehäuse 106 aufgetragen wird, verhindert der Vorsprung 17 gleichzeitig ein Vordringen des Klebstoffs in den Ge­ gendruckkanal 12.

In Fig. 5, in der gleiche Teile mit den gleichen Be­ zugszeichen wie in Fig. 1 und entsprechende Teile mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind, ist die Zwischenplatte 14 ersetzt worden durch einen Vorsprung 18, der am Zwischenträger 204 ausgebildet ist und in Richtung auf das Gehäuse 6 vorsteht. Dieser Vorsprung 18 hat im Prinzip die gleiche Aufgabe wie der Vorsprung 17 in Fig. 3 oder die Zwischenplatte 14 in den Fig. 1 bis 3.

Claims (9)

1. Drucksensor mit einem Gehäuse, einer einen Membran­ bereich aufweisenden Platte und einen Zwischenträ­ ger, auf dem die Platte montiert ist und der mit dem Gehäuse mit Hilfe eines Klebstoffs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (5) in einer Fuge (16) zwischen Gehäuse (6, 106) und Zwischenträger (4, 204) angeordnet ist, die eine Bewegung des Klebstoffs (5) zumindest in eine Rich­ tung quer zur Druckrichtung begrenzt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zwischenträger (4, 204) einen Mittel­ bereich aufweist, um den herum die Fuge (16) ange­ ordnet ist, wobei die Fuge (16) eine Begrenzungs­ fläche (15) aufweist, die eine Bewegung des Klebstoffs (5) in den Mittelbereich hinein verhin­ dert.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs (17) gebildet ist, der aus dem Gehäuse (106) in Richtung auf den Zwischenträger (4) hervorragt.

4. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs (18) gebildet ist, der aus dem Zwischenträger (204) in Richtung auf das Gehäuse (6) hervorragt.

5. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch die Umfangsfläche einer Zwischenplatte (14) gebildet ist, die zwischen Gehäuse (6) und Zwi­ schenträger (4) angeordnet ist.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche (15) einen klebstoffreien Bereich umgrenzt, durch den ein Gegendruckkanal (12) im Gehäuse (6) geführt ist.

7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (6, 106) bzw. dem Zwischenträger (4, 204) anliegende Reibe­ flächen eine erhöhte Glätte aufweisen.

8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fuge (16) eine Stärke im Bereich weniger hundertstel Millimeter aufweist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine einen Membranbereich aufweisende Platte und ein Zwischen­ träger miteinander verbunden werden und der Zwi­ schenträger mit einem Gehäuse verklebt wird, wobei ein Klebstoff auf das Gehäuse und/oder den Zwi­ schenträger aufgetragen wird, dadurch gekennzeich­ net, daß vor dem Auftrag des Klebestoffs (5) eine Klebeflächenbegrenzung erzeugt wird.