DE4227893A1 - Differenzdrucksensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Differenzdrucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei herkömmlichen Differenzdrucksensoren in Silicium-Technik wird eine Meßmembran an ihrer Ober- und Unter­ seite jeweils von einem Druck p1 bzw. p2 beaufschlagt. Die Meßmem­ bran ist an ihrer Ober- oder Unterseite mit Sensorelementen ver­ sehen, beispielsweise miteinander verschalteten piezoresistiven Wi­ derständen, deren Widerstand sich aufgrund der Membrandehnung ändert. Die Dehnung der Membran und damit die Änderung des Schaltungs­ widerstandes ist ein Maß für die Differenz der beiden Drücke p1 und p2, d. h. für den Differenzdruck p. Ein derartiger Differenzdruck­ sensor ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 39 28 542.

Aus der US-PS 48 95 026 ist es weiterhin bekannt, die Meßgenauigkeit eines derartigen Sensors insbesondere bei kleinen Drücken und kleinen Druckdifferenzen zu erhöhen, indem zwei Meßmembranen benutzt werden. Dabei wird jeweils die Oberseite der einen Meßmembran und die Unterseite der anderen Meßmembran mit demselben Druck p1 bzw. p2 beaufschlagt.

Um derartige Drucksensoren unter anderem auch in einem aggressiven oder korrosiven Medium einzusetzen, ist es aus der DE-OS 37 03 685 bekannt, zwischen dem Medium und der diesem zugewandten Seite der Meßmembran eine widerstandsfähige Trennmembran anzuordnen und den Zwischenraum mit einem inkompresiblen Medium zu füllen. Die andere Seite der Meßmembran wird bei der Nutzung des Drucksensors als Differenzdrucksensor herkömmlich beaufschlagt.

Derartige Differenzdrucksensoren bauen sehr aufwendig und erreichen aufgrund der Einflüsse der Trennmembranen und des Zwischenmittels oftmals keine ausreichenden Genauigkeiten.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er einfach aufgebaut ist und sich für den Einsatz in aggressiven und korrosiven Medien eignet. Ein derartiger Differenzdrucksensor läßt sich kostengünstig herstellen und zeichnet sich durch hohe Genauig­ keit aus.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des Diffe­ renzdrucksensors in vereinfachter Darstellung, in Fig. 2 eine Draufsicht auf eine geöffnete Anschlußplatte dieses Differenzdruck­ sensors. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Ausfüh­ rungsbeispiel des Differenzdrucksensors in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Differenzdrucksensor 10 be­ steht im wesentlichen aus einer zylinderförmigen Trägerplatte 11, einem ebenfalls zylinderförmigen Sockel 12 mit einem darauf angeord­ neten Halbleiterelement 13, einem Deckel 14 und einer Anschlußplatte 15.

Die ebenfalls zylinderförmige Anschlußplatte 15 hat an ihrer Unter­ seite zwei Anschlußstutzen 18 bzw. 19, in denen Bohrungen 20 bzw. 21 angeordnet sind, die auch die Anschlußplatte 15 durchdringen. Der Anschlußstutzen 18 mit Bohrung 20 ist mit einem ersten Druckmedium verbunden, dessen Druck mit p1 bezeichnet ist. Der andere Anschluß­ stutzen 19 mit Bohrung 21 ist mit einem zweiten Druckmedium ver­ bunden, dessen Druck mit p2 bezeichnet ist.

In die Oberseite 22 der Anschlußplatte 15 sind zwei halbringförmige Nuten 23, 24 eingelassen, von denen die Nut 23 die Bohrung 20 und die Nut 24 die Bohrung 21 umfaßt. Der Innendurchmesser der beiden Nuten 23, 24 ist größer als der Durchmesser der Bohrungen 20, 21. Die Enden der Nuten 23, 24 sind durch zwei parallele Langnuten 25, 26 verbunden. In der Mitte zwischen den beiden Bohrungen 20, 21 sind die beiden Langnuten 25, 26 durch eine rechtwinklig zu diesen ver­ laufende Quernut 27 verbunden. Parallel zu den Langnuten 25, 26 geht von den Bohrungen 20 bzw. 21 jeweils eine Verbindungsnut 28 bzw. 29 aus, die sich jeweils in Richtung auf die Quernut 27 erstrecken, ohne diese zu erreichen. Die Breite der Verbindungsnuten 28, 29 ent­ spricht etwa dem Durchmesser der Bohrungen 20, 21. Die Verbindungs­ nuten 28 bzw. 29 gehen jeweils in eine flachere Anschlußnut 30 bzw. 31 über, die jeweils bis an die Quernut 27 reichen.

Auf die Oberseite 22 der Anschlußplatte 15 ist die Trägerplatte 11 aufgesetzt. Diese hat an ihrer Unterseite 33 einen ringförmigen Steg 34 mit abgeflachten Seiten, der in den Abmessungen den Nuten 23, 24 und den Langnuten 25, 26 entspricht. Die abgeflachten Seiten des Steges 34 sind durch einen Quersteg 37 verbunden, der in seinen Ab­ messungen der Quernut 27 entspricht. Die Trägerplatte 11 und die An­ schlußplatte 15 sind so zusammengesetzt und beispielsweise verklebt, daß der Steg 34 und der Quersteg 37 in die entsprechende Nuten 23 bis 27 ragen. Durch diese Quasi-Nut- und Federverbindung ist eine lagerichtige, einfache und gut abzudichtende Verbindung zwischen Trägerplatte 11 und Anschlußplatte 15 möglich. Die beiden Druck­ medien mit den zu bestimmenden Drücken p1 bzw. p2 sind durch den Quersteg 37 bzw. die Quernut 27 voneinander getrennt.

Von der Oberseite 38 der Trägerplatte 11 geht eine Bohrung 39 aus, die diese so durchdringt, daß sie den Quersteg 37 erreicht, ohne diesen zu durchdringen. In diese Bohrung 39 ist der Sockel 12 einge­ setzt, dessen Durchmesser dem der Bohrung 39 entspricht und der aus der Trägerplatte 11 auf deren Oberseite 38 herausragt. Der Sockel 12 schließt mit seiner Unterseite 40 bündig mit der Unterseite 33 der Trägerplatte 11 ab und liegt flächig auf dem Quer­ steg 37 auf.

In Längsrichtung wird der Sockel 12 von zwei parallel verlaufenden Bohrungen 41, 42 durchdrungen, von denen die Bohrung 41 im Bereich der Anschlußnut 30 und die Bohrung 42 im Bereich der Anschlußnut 31 mündet. Durch eine geeignete Befestigung z. B. Löten oder Einglasen des Sockels in der Bohrung 39 und z. B. Kleben (oder eine andere an die Druckmedien angepaßte dichte und dauerhafte Verbindung) auf dem Quersteg 37 ist eine sichere Trennung der beiden Druckmedien (Drücke p1 und p2) gewährleistet. Auf die freie Stirnseite 43 des Sockels 12 ist das Halbleiterelement 13 - beispielweise ein Siliciumchip - aufgebracht, in dem zwei Membranen 45, 46 ausgebildet sind. Diese Membranen 49, 46 sind so angeordnet und ausgebildet, daß die Unter­ seite 47 der Membran 45 mit der Bohrung 41 und die Unterseite 48 der Meßmembran 46 entsprechend mit der Bohrung 42 zusammenwirkt. Das Halbleiterelement 13 ist dazu so auf dem Sockel 12 angebracht, z. B. durch anodisches Bonden, daß die Bohrungen 41, 42 und die Unter­ seiten 47 bzw. 48 der Membranen 45 bzw. 46 keine Verbindung haben.

Auf der Oberseite 49 des Halbleiterelementes sind durch geeignete Verfahren (z. B. Diffusion, Ätzung) im Bereich der Membranen 45 bzw. 46 Sensorelemente 50 bzw. 51 ausgebildet. Diese Sensorelemente 50, 51 sind beispielsweise an sich bekannte piezoresistive Widerstände bzw. Widerstandsschaltungen. Diese sind so angeordnet, daß das Sen­ sorelement 50 mit der Membran 45 und das Sensorelement 51 mit der Membran 45 zusammenwirkt.

Die beiden Sensorelemente 50, 51 sind vorteilhafterweise so mitein­ ander verbunden, daß sie ein Ausgangssignal erzeugen, daß als Diffe­ renzsignal analog zur Druckdifferenz der Drücke p1, p2 ist.

Auf die Oberseite 38 der Trägerplatte 11 ist weiterhin ein hauben­ förmiger Deckel 14 aufgesetzt, der den Sockel 12 mit aufgebrachtem Halbleiterelement 13 umfaßt, ohne diese zu berühren, und der mit der Trägerplatte zusammen einen Referenzraum 52 ausbildet.

Der Deckel 14 und die Trägerplatte sind so miteinander verbunden, daß der Referenzraum 52 hermetisch dicht abgeschlossen ist. Dieser ist vorteilhafterweise evakuiert.

Über die Bohrung 20 im Anschlußstutzen 18, die Verbindungsnut 28, die Anschlußnut 30 und die Bohrung 41 im Sockel 12 liegt an der Mem­ bran 45 der Druck p1 an. Gleichzeitig liegt über die Bohrung 21 im Anschlußstutzen 19, die Verbindungsnut 29, die Anschlußnut 31 und die Bohrung 42 im Sockel 12 der Druck p2 an der Membran 46 an. Die Trägerplatte 11 und die Anschlußplatte 15 sind - wie zuvor beschrie­ ben - so ausgebildet, daß zwischen den beiden Unterseiten 47, 48 der beiden Membranen 45, 46 und den druckführenden Leitungen keine Ver­ bindung besteht. Die Oberseite 13 des Halbleiterelementes 13 und da­ mit die Oberseiten der Membranen werden durch den Druck im Referenz­ raum 52 (Vakuum) beaufschlagt. Durch diese Druckbeaufschlagungen (p1, p2, Druck im Referenzraum 52) werden die Membranen ausgelenkt, so daß - auf an sich bekannte Weise - in den Sensorelementen 50, 51 jeweils ein Signal erzeugt wird. Durch eine auf dem Halbleiterele­ ment 13 integrierte Schaltung wird aus den beiden Einzelsignalen der Sensorelemente 50, 51 ein Differenzsignal erzeugt. Durch die Anord­ nung der Oberseite 49 des Halbleiterelementes 13 im Referenzraum 52 werden die Membranen 45, 46 auf ihren Oberseiten gleich beauf­ schlagt. Durch diesen Aufbau sind die Temperaturabhängigkeiten der beiden Sensorelemente nahezu gleich. Insbesondere heben sich druck­ unabhängige Temperatureinflüsse durch die Differenzbildung weit­ gehend auf. Die Temperatur-Kompensation des Sensors wird dadurch einfacher und kann in bestimmten Fällen entfallen.

Da der zu bestimmende Druck bzw. die zu bestimmenden Drücke an den unempfindlichen Unterseiten 47, 48 der Membran anliegen, ist dieser Differenzdrucksensor auch für aggressive bzw. korrosive Medien ein­ setzbar. Eine Trennmembran oder ein Trennmedium ist nicht nötig. Die empfindliche Oberseite 49 des Halbleiterelementes 13 mit den darauf ausgebildeten Sensorelementen 50, 51 liegt geschützt im Referenzraum 52 (Vakuum).

Um den Einfluß von Temperaturschwankungen gering zu halten und um Dichtungsprobleme zu vermeiden, sollte das Material des Sockels 12 annähernd den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie das Halbleiterelement 13 (Siliciumchip).

Durch die Ausbildung der zwei Membranen 45, 46 in einem Halbleiter­ bauelement 13 wird darüber hinaus ein sonst zusätzliches zweites Halbleiterbauelement eingespart. Darüber hinaus kann die schaltungs­ technische Verbindung der beiden Sensorelemente bereits bei der Sen­ sorelementherstellung erfolgen. Eine nachträglich herzustellende Verbindung (Bonden) zwischen den beiden Sensorelementen ist nicht erforderlich.

Das in Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des Diffe­ renzdrucksensors hat ein geschlossenes Gehäuse 60, dessen Boden 61 von zwei Bohrungen 62, 63 durchdrungen ist. In die Bohrung 62 ist ein Druckstutzen 64 eingesetzt, dessen Anschlußbohrung 65 zu einem ersten Druckmedium führt, dessen Druck mit p1 bezeichnet ist. In die Bohrung 63 ist ebenfalls ein Druckstutzen 66 eingesetzt, dessen An­ schlußbohrung 67 zu einem zweiten Druckmedium führt, dessen Druck mit p2 bezeichnet. Die Druckstutzen 64, 66 gehen im Innenraum 69 des Gehäuses 60 jeweils in einen Sockel 70, 71 über. Der Sockel 70 wird von einer Bohrung 72 durchdrungen, die mit der Anschlußbohrung 65 zusammenwirkt. Der Sockel 71 wird ebenfalls von einer Bohrung 73 durchdrungen, die mit der Anschlußbohrung 67 zusammenwirkt.

Auf die freien Stirnseiten 74, 75 der Sockel 70, 71 ist jeweils ein - an sich bekanntes - Halbleiterelement 76, 77 (Siliciumchip) aufge­ setzt. Jedes dieser Halbleiterelemente 76, 77 hat eine Membran 78, 79, deren Unterseite 80, 81 der Bohrung 72 bzw. 73 zugewandt ist. Die Oberseiten 82, 83 der Halbleiterelemente 76, 77 bzw. der Mem­ branen 78, 79 sind jeweils mit einem Sensorelement 84 bzw. 85 versehen, z. B. einem piezoresistiven Widerstand oder einer Wider­ standsschaltung.

Die beiden Sensorelemente 84, 85 sind zur Differenzbildung der Drücke p1 und p2 miteinander verschaltet, z. B. über eine Bondver­ bindung 86. Über eine weitere Bondverbindung 87 ist das Halbleiter­ element 77 bzw. das Sensorelement 85 mit einer das Gehäuse 60 durch­ dringenden Signalleitung 88 verbunden.

Auch in diesem zweiten Ausführungsbeispiel liegen die empfindlichen Oberseiten 82, 83 der Halbleiterelemente 76, 77 mit den Sensorele­ menten 84, 85 in einem gemeinsamen (geschützten) Referenzraum, dem Innenraum 69 des Gehäuses 60. Dieser ist vorteilhafterweise - wie beim Ausführungsbeispiel zuvor - evakuiert. Die Druckbeaufschlagung der Membranen erfolgt an den gegen aggressive oder korrosive Druck­ medien unempfindlichen Unterseiten 80, 81 der Membranen.

Die erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren eignen sich insbesonde­ re für den Einsatz bei aggressiven Druckmedien auf beiden Seiten (p1 und p2) z. B. für den Einsatz als Kraftstoff-Tank-Drucksensor (Kraft­ stoffbeständigkeit und Umweltbeständigkeit, z. B. gegen Feuchte, Salznebel etc.). Dabei entspricht der eine Druck p1 dem Druck im Kraftstofftank (Benzin-Luft-Gemisch) und der zweite Druck p2 dem Um­ gebungsdruck (Atmosphärendruck).

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Referenzkammer 52 bzw. 69 nicht verschlossen, sondern kann über eine Öffnung mit Umgebungs­ druck bzw. Atmosphärendruck (P0) beaufschlagt werden. Der Druck p1 entspricht dabei weiterhin dem Druck im Kraftstofftank (Ben­ zin-Luft-Gemisch) und der zweite Druck p2 entspricht der Summe aus dem Druck der Flüssigkeitssäule des Kraftstoffes und dem Druck p1. Der Druck p2 wird dazu am tiefsten Punkt oder einer anderen reprä­ sentativen Stelle des Kraftstofftankes bestimmt, so daß über diesen Druck p2 bei bekannter Geometrie des Kraftstofftankes eine Aussage über dessen Füllstand gemacht werden kann. Der Druck p2 ent­ spricht - wie bereits angeführt - der Summe der Drücke der Flüssig­ keitssäule und des Druckes p1. Bildet man die Differenz p2-p1 kann der Druck der Flüssigkeitssäule unabhängig vom Druck p1 bestimmt werden. Dadurch wird die Füllstandsmessung unabhängig von der Meereshöhe, von einem durch Ausgasen des Kraftstoffes verursachten Überdruck im Kraftstofftank bzw. von einem Unterdruck, der im Kraft­ stofftank durch Kondensation von Kraftstoffdampf bei Abkühlung ver­ ursacht wird.

Gleichzeitig ist über die Differenzbildung p1-p0 eine Information über den Ausgasungszustand des im Kraftstofftank befindlichen Kraft­ stoffes möglich. Damit ergibt sich eine Diagnosemöglichkeit für das Tankentlüftungssystem. Über die Differenz p1-p0 läßt sich der im Vergleich zum Atmosphärendruck im Kraftstofftank aufgebaute Druck bzw. Überdruck bestimmen. Diese Druckbestimmung entspricht im wesentlichen einer Dichtheitsprüfung.

Neben den zuvor beschriebenen Druckdifferenzen p2-p1 p1-p0 läßt sich auch die Druckdifferenz p2-p0 bestimmen.

Neben der Verschaltung der Sensorelemente zur Bildung des Differenz­ signals kann auf dem Halbleiterbauelement bzw. einem der Halbleiter­ bauelemente eine Signalauswerteschaltung integriert werden. Diese kann dann die Differenz der beiden Signale bilden, druckabhängige Temperaturabhängigkeiten von Empfindlichkeit und Signalnullpunkt kompensieren und das Differenzdrucksignal auf die Sollkennlinie des Ausgangssignals umwandeln.

Durch diese Möglichkeit der integrierten Signalauswerteschaltung auf dem Halbleiterelement wird ein Differenzdrucksensor geschaffen, der durch vereinfachten Aufbau kostengünstig herzustellen ist. Die Ab­ gleichstabilität eines derartigen Differenzdrucksensors ist groß, wodurch auch die Anforderungen an ein Abgleichnetzwerk gering sind. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor zeichnet sich weiterhin durch eine große Signalstabilität aus, beim Einsatz in aggressiven oder korrosiven Medien entfällt der Einfluß von Trennmembranen.

Claims (11)

1. Differenzdrucksensor zur Bestimmung der Druckdifferenz zweier Drücke p1, p2 mit mindestens einer Halbleitermembran (45, 46; 78, 79), auf deren Oberseite (49; 82, 83) mindestens ein Sensorelement (50, 51; 84, 85) ausgebildet ist und dessen Unterseite (47, 48; 80, 81) von einem der den Differenzdruck bildenden Drücke p1 beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Mem­ bran (46, 79) mit mindestens einem Sensorelement (51, 85) auf ihrer Oberseite durch den zweiten, den Differenzdruck bildenden Druck p2 auf ihrer Unterseite beaufschlagt wird, und daß die Sensorelemente zur Differenzbildung verschaltet sind.

2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseiten (49, 82, 83) der Membranen (45, 46; 80, 81) in einer gemeinsamen Referenzkammer (52, 69) angeordnet sind.

3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Referenzkammer (52; 69) ein Vakuum erzeugt ist.

4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzkammer (52; 69) mit Atmosphärendruck (p0) beaufschlagt ist.

5. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Bestimmung des Differenzdruckes p2-p1 noch mindestens eine der beiden Druckdifferenzen p2 - Druck in der Referenzkammer (52; 69) bzw. p1 - Druck in der Referenzkammer (52; 69) bestimmt wird.

6. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Halbleitermembranen (45, 46) in einem gemeinsamen Halbleiterelement (13) ausgebildet sind.

7. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (13) auf ein druckzufüh­ rendes Sockelelement (12) aufgesetzt ist, durch die die Unterseiten (47, 48) der Membranen (45, 46) unabhängig voneinander mit einem Druck p1 bzw. p2 beaufschlagt werden.

8. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Referenzkammer (69) zwei Druckanschlüsse (64, 66) ragen, auf die jeweils ein mit einer Halbleitermembran (78, 79) versehenes Halbleiterelement (76, 77) aufgesetzt ist.

9. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiterelement (13) bzw. einem der Halbleiterelemente (76, 77) eine Auswerteschaltung aufgebracht ist.

10. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch die Verwendung als Kraftstofftank-Druckgeber an einem Kraftfahrzeug.

11. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn­ zeichnet durch die Verwendung als Kraftstofftank-Füllstandsgeber an einem Kraftfahrzeug.