DE4300893A1

DE4300893A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE4300893A1
Application number: DE19934300893
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Trah; Dietrich Dr Schubert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-01-15
Filing date: 1993-01-15
Publication date: 1994-07-21

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus einem Artikel von Buser, AMA-Seminar "Mikro mechanik", 19. Oktober 1998, Heidelberg, ACS-Organisations GmbH 1998, Seite 231 bis Seite 246, ist bereits ein Drucksensor bekannt, der ein Meßelement mit einem Schwinger aufweist. Der Schwinger wird zu Schwingungen angeregt und durch die Messung der Frequenz des Schwingers kann der Druck bestimmt werden. In einem Druckbereich zwischen 100 bis 1000 Millibar ändert sich die Frequenz um ca. 5 Hz bei einer Grundschwingungsfrequenz von ca. 2,5 KHz. Unterhalb von 10 Millibar wird die Schwingungsfrequenz nahezu unabhängig vom Druck. Derartige Drucksensoren können daher nicht zur Messung eines Drucks unter 10 Millibar herangezogen werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem gegenüber den Vorteil, daß auch der Druckbereich unter 10 Millibar mit hoher Auflösung gemessen werden kann. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß der erfindungsgemäße Drucksensor sehr klein aufgebaut werden kann und mit geringen Stück kosten herstellbar ist. Weiterhin kann der Drucksensor durch eine einfache Veränderung der Sensorgeometrie an einen gewünschten Meß bereich angepaßt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksensors möglich. Die Anregung und der Nachweis der Schwingung des Schwingers erfolgt besonders einfach durch Anlegung von Spannungsdifferenzen bzw. dem Messen von Kapazitäten wenn die Siliziumplatte zwischen zwei weiteren Platten angeordnet ist. Durch die hermetische Verbindung der Silizium-Platte mit den zwei weiteren Platten und einem Loch in einer der weiteren Platten wird ein be sonders geschützter Aufbau des Sensors erzielt, der besonders un empfindlich gegen Verschmutzung oder mechanische Zerstörung ist. Durch Ausbildung der weiteren Platten in Silizium wird ein besonders temperaturunempfindlicher Aufbau des Sensors erzielt, da thermisch bedingte Verspannungen zwischen den Platten weitgehend unterdrückt sind. Besonders vorteilhaft läßt sich das Meßelement in einem Ultra hochvakuum-Druckbehälter einbauen, da die verwendeten Materialien das Vakuum nicht beeinträchtigen und der Sensor ausheizbar ist. Da die Druckmessung weitgehend unabhängig von der Temperatur des zu messenden Mediums ist, läßt sich der Drucksensor auch vorteilhaft bei erhöhten Temperaturen verwenden.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Querschnitt durch das Meßelement eines er findungsgemäßen Drucksensors und die Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Meßelementes und der Anregungs/Meßeinheit.

Beschreibung der Erfindung

In der Fig. 1 wird ein Meßelement 10 gezeigt, welches aus drei Siliziumplatten 1, 2, 3 aufgebaut ist. Aus der mittleren Silizium platte 2 ist ein Schwinger 4, bestehend aus einem dünnen Steg 6 und einer seismischen Masse 5 herausstrukturiert. In die untere Siliziumplatte 3 ist eine Öffnung 7 eingebracht, durch die der von den drei Siliziumplatten 1, 2, 3 gebildete Hohlraum 8 belüftet wird. Das Meßelement 10 ist hier in einem Vakuumbehälter 15 derart einge baut, daß das Meßelement 10 auf der Innenseite 14 des Vakuumbe hälters 15 angeordnet ist. Das Meßelement 10 wird somit dazu ver wendet, den Druck auf der Innenseite 14 des Vakuumbehälters 15 zu messen.

Durch Anlegen von elektrischen Spannungen zwischen der Mittelplatte 2 und den äußeren Platten 1, 3 werden elektrostatische Kräfte er zeugt, die auf die seismische Masse 5 wirken. Durch diese elektro statischen Kräfte kann der Schwinger 4 zu Schwingungen angeregt werden, deren Frequenz sich aufgrund der mechanischen Resonanz frequenz des Schwingers 4 ergibt. Durch entsprechende Dämpfung kann die mechanische Resonanzfrequenz des Schwingers 4 beeinflußt werden. Zwischen der seismischen Masse 5 und den beiden Siliziumplatten 1, 3 ist ein geringer Spalt 11 angeordnet, dessen Weite durch die mechanische Schwingung des Schwingers 4 variiert wird. Wenn in dem Spalt 11 noch Gasmoleküle vorhanden sind, so wird der Druck im Spalt erhöht und die Bewegung der seismischen Masse 5 behindert. Dieser Effekt hat eine starke Wirkung auf die Resonanzfrequenz des Schwingers 4. Bei einem Spalt 11 in der Größenordnung von ca. 1,5 Mikrometer bewirkt eine Druckänderung in der Größenordnung von 0,1 Millibar einer Frequenzänderung von einigen 100 Hz bei einer mechanischen Grundschwingung des Schwingers 4 in der Größenordnung von KHz. Eine Verringerung der Weite des Spaltes 11 auf eine Ruheweite von 0,5 Mikrometern bewirkt, bei gleicher Grundfrequenz des Schwingers 4, eine Druckänderung von 1 Mikrobar eine Änderung der Resonanzfrequenz um 10 Hz. Der hier beschriebene Effekt erlaubt somit eine hochpräzise Druckmessung in einem Druckbereich von weniger als 10 Millibar.

Das Meßelement 10 läßt sich besonders vorteilhaft in einem Vakuumbehälter 15 einsetzen, in dem ein besonders geringer Druck beispiels weise ein Ultrahochvakuum erzeugt werden soll. Bei so geringen Drücken ist es nämlich üblich, den Vakuumbehälter zu erwärmen, um Gasmoleküle, die auf der Innenseite des Vakuumbehälters haften, von dieser Oberfläche zu entfernen. Dabei werden Temperaturen zwischen 200 bis 400°C angewendet. Weiterhin werden derartige Vakuumbehälter in der Regel für Herstellungs- und Untersuchungsmethoden verwendet, die extreme Sauberkeit erfordern. Es dürfen daher keine Materialien verwendet werden, die im Vakuum oder unter Erwärmung Substanzen ab geben die den Vakuumbehälter verschmutzen konnten. Das hier gezeigte Meßelement 10 besteht aus Siliziumplatten, die durch dünne di elektrische Schichten wie beispielsweise Siliziumoxid oder Glas mit einander verbunden sind. Die Befestigung des Sensorelements 10 an die Wand des Vakuumbehälters 15 kann ebenfalls mittels eines aufge schmolzenen Glases erfolgen. Alternativ können die obere Platte 1 und die untere Platte 3 auch als Glasplatten mit dünnen aufge dampften Metailfilmen ausgeführt sein. Alle diese Materialien können ohne Bedenken in Ultrahochvakuum-Druckbehältern eingesetzt werden. Das Druckelement 10 kann auch auf der Außenseite 16 des Druckbe hälters 15 angeordnet sein. Dazu muß die Wand des Druckbehälters 15 mit einer Öffnung versehen sein, welche mit der Öffnung 7 fluchtet. Verfahren zur Herstellung solcher Meßelemente 10 sind beispielsweise in der US 50 95 752 oder der DE-A1 38 37 883 beschrieben.

In der Fig. 2 wird in einem Blockschaltbild das Meßelement 10 dar gestellt. Die Mittelplatte 2 bildet jeweils mit der oberen Platte 1 und der unteren Platte 3 einen Kondensator 20, 21. Die Kondensatoren 20, 21 sind als sogenannten Differenzialkondensator ausgebildet, d. h. sie weisen einen gemeinsamen Mittelabgriff 24 auf und bei einer Erhöhung der Kapazität des einen Kondensators wird die Kapazität des anderen Kondensators entsprechend verringert. Die beiden Konden satoren 20, 21 sind über die Leitungen 22 mit einer Anregungs/Meß einheit 23 verbunden. Durch die Anregungs/Meßeinheit 23 werden elektrische Wechselspannungen an das Meßelement 10 angelegt, die den Schwinger 4 in Schwingungen versetzen. Die Frequenz dieser Wechsel spannung wird dabei derart variiert, daß die Amplitude der Schwingungen des Schwingers 4 maximal wird. Aus der so ermittelten Schwingungsfrequenz des Schwingers 4 kann dann der Druck im Hohlraum 8 bestimmt werden.

Claims

1. Drucksensor mit einem Meßelement (10), welches einen Schwinger (4) aufweist, mit Mitteln (23) den Schwinger (4) zu Schwingungen anzuregen und die Frequenz der Schwingung nachzuweisen, wobei die Frequenz ein Maß für den Druck ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (4) aus einer Siliziumplatte (2) herausstrukturiert ist, daß der Schwinger gegenüber mindestens einer weiteren Platte (1, 3) mit einem geringen Spalt (11) angeordnet ist, und daß beim Schwingen des Schwingers (4) die Weite des Spaltes (11) variiert.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumplatte (2) zwischen zwei weiteren Platten (1, 3) angeordnet ist, daß die zwei weiteren Platten (1, 3) elektrisch gegen die Siliziumplatte (2) isoliert sind, und daß durch die Mittel (23) zur Anregung des Schwingers (4) und zum Nachweis der Frequenz der Schwingung elektrische Spannungen an die Platten (1, 2, 3) anlegbar und/oder meßbar sind.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei weiteren Platten (1, 3) und die Siliziumplatte (2) fest miteinander verbunden sind und einen Hohlraum (8) bilden, in den der Schwinger (4) angeordnet ist, und daß eine der weiteren Platten (1, 3) ein Loch (7) aufweist, durch den der Druck in den Hohlraum (8) einleit bar ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die weiteren Platten (1, 3) aus Silizium bestehen.

5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Meßelement (10) in einem Ultrahoch vakuum-Druckbehalter (15) einbaubar ist.

6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Meßelement (10) auf Temperaturen über 100°C, insbesondere auf einen Temperaturbereich zwischen 200 und 400°C erwärmbar ist.