DE4320594A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein gattungsgemäßer Drucksensor ist aus der DE-OS 41 06 102 bekannt, bei dem in einem Sensorgehäuse ein mit der zu messen­ den Druckkraft beaufschlagbarer Druckstempel linear verschieb­ bar geführt und mit einem Druckstempelende orthogonal auf eine Sensormembran aufgesetzt ist. Die Sensormembran ist Teil einer mikromechanischen Anordnung aus Silizium. Die Sensormem­ bran wird bei einer Druckbeaufschlagung ausgelenkt, wodurch ein auswertbares Meßsignal entsprechend der mit dem Druckstem­ pel eingeleiteten Druckkraft erzeugt wird. Bevorzugt wird ein Meßsignal piezoresistiv über eine Brückenschaltung erfaßt und in einer angeschlossenen Elektronikeinheit ausgewertet.

Bei einer solchen Anordnung ist es erforderlich, die Kraftein­ leitung vom Druckstempel auf die Sensormembran möglichst defi­ niert und homogen durchzuführen, um keine Meßfehler durch einen ungenauen Formschluß zwischen der Anlagefläche des Stem­ pelendes und der Sensormembranoberfläche oder zusätzliche Querspannungen in der Sensormembran zu erhalten. Dies kann einerseits durch Toleranzen und Winkelfehler in der orthogona­ len Ausrichtung des Druckstempels auf die Sensormembran oder durch Unebenheiten in den Anlageflächen begründet sein.

Zur Behebung dieses Problems sind in dieser Schrift mehrere Vorschläge enthalten: Es wäre denkbar, den gesamten Druckstem­ pel aus weichem Material herzustellen, so daß sich dessen An­ lagefläche formschlüssig an die Sensormembran anpaßt. Dem steht aber das Erfordernis nach einem Druckstempel hoher Stei­ figkeit entgegen. Es wird daher in einer weiteren Ausführungs­ form vorgeschlagen, den Stempel im größten Teil seiner Längs­ erstreckung aus Glaskeramik als relativ hartem Material gerin­ ger Wärmeleitfähigkeit und lediglich den Endbereich aus einem relativ weichen Metall, wie z. B. Aluminium, Messing, Kupfer oder Kunststoff, herzustellen. Dazu ist es jedoch erforder­ lich, den Druckstempel am Druckstempelende mit weichem Mate­ rial zu verlängern, was relativ aufwendig ist und zusätzliche Toleranzprobleme bringt.

In einer weiteren Ausführungsform ist auf der Sensormembran ein Zwischenelement angeordnet, um die Kraft des Druckstem­ pels homogen und mit genau definierter Auflagefläche in die Sensormembran einzuleiten. Dieses Zwischenelement besteht aus Borsilikat-Glas oder ebenfalls aus Silizium und weist eine hohe Oberflächengüte auf. Das Zwischenelement ist mit der Sen­ sormembran anodisch oder direkt zusammengebondet. Die homo­ gene Krafteinleitung und definierte Auflagefläche wird bei dem Zwischenelement aus relativ hartem Material durch genaue Justierung und hohe Oberflächengüte mit relativ großem Auf­ wand bei der Herstellung erreicht.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß Me­ tallstrukturen im Gegensatz zu gebondeten oder geklebten Strukturen kostengünstig im Batchprozeß auf die Sensormembran aufbringbar sind. Durch die Verwendung eines Metalls geringe­ rer Härte, verglichen mit der Härte des Materials des Druck­ stempelendes, kann die Metallstruktur an der Anlagefläche durch Aufbringen einer erhöhten Druckkraft auf den Druckstem­ pel plastisch so verformt werden, daß das Druckstempelende mit seiner Auflagefläche formschlüssig an der Metallstruktur und damit der Sensormembran anliegt, da es sich um keine durchgehende Metallschicht handelt. Durch die Anprägung und formschlüssige Anlage wird die Druckkraft über den Druckstem­ pel homogen in die Sensormembran eingeleitet. Winkelfehler oder rauhe und unebene Oberflächen des Druckstempelendes wer­ den durch die formschlüssige Anlage ausgeglichen.

Die Metallstruktur hat einen weiten Bereich der wählbaren Druckfestigkeit und erreicht im Gegensatz zu polymeren und anderen Kunststoffen sehr hohe Festigkeitswerte in einem sehr weiten Temperaturbereich. Zudem besteht kaum die Neigung zum Kriechen.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist klein und über die Wahl des Metalls bzw. der Legierung dem des Materials der Sensor­ membran, insbesondere von Silizium, anpaßbar.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands nach dem Hauptanspruch zum Inhalt. Insbesondere ist die Erfindung vorteilhaft in Verbindung mit einer mikro­ mechanischen Anordnung der Sensormembran und des Trägers aus Silizium verwendbar, wobei die Metallstruktur galvanisch, integriert im Herstellungsprozeß aufgebracht werden kann. Die Metallstruktur hat bevorzugt eine Schichtdicke von 10 bis 100 µm. Damit eine Anprägung mit plastischer Verformung auch be­ reits bei relativ kleinen Kräften möglich ist, wird die Me­ tallstruktur mit Metallerhebungen und dazwischenliegenden Ab­ ständen, beispielsweise als Raster aus Metallbumps oder kon­ zentrischen Ringen, ausgeführt. Beim Anprägen verbreitern sich die Metallerhebungen lateral in den gegenseitigen Abstän­ den. Wenn die einzelnen Strukturelemente aneinanderstoßen, so erhöht sich die zur weiteren Anprägung benötigte Kraft sehr stark. Vorteilhaft kann durch eine geeignete Wahl der Verhält­ nisse zwischen metallbedeckter und freier Fläche die verblei­ bende Metallschichtdicke, bei der die Anprägung stoppt, vorbe­ stirnt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Bereich eines Drucksensors mit einer Sensormembran und einem aufgesetzten Druckstempelende,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Sensormem­ bran mit aufgebrachter Metallstruktur und

Fig. 3 bis 7 Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen der Metallstruktur.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In Fig. 1 ist ein Teil eines Drucksensors 1 im Schnitt darge­ stellt, mit einem Meßelement 2 und einem konischen Druckstem­ pelende 3 eines nicht weiter dargestellten Druckstempels.

Das Meßelement 2 besteht aus einem Siliziumwafer 4 als Träger und einer darauf angebrachten Sensormembran 5. Die Sensormem­ bran 5 ist ein mikromechanischer Bestandteil und bevorzugt durch Ätztechnik hergestellt, wobei sie sich in einem Seiten­ bereich 6 auf dem Siliziumwafer 4 abstützt und in einem mittleren Bereich einen Freiraum 7 über dem Siliziumwafer 4 überbrückt. Bei einer Druckbeaufschlagung wird die abge­ stützte Sensormembran 5 in diesen Freiraum 7 hinein ausge­ lenkt. Durch die Auslenkung ist ein auswertbares Meßsignal, bevorzugt durch Verwendung eines piezoresistiven oder piezo­ elektrischen Effekts erzeugbar, das in einer nicht weiter dar­ gestellten Elektronikeinheit analysiert und einer bestimmten Druckkraft zugeordnet wird. Auf der Oberfläche der Sensormem­ bran 5 im Bereich über dem Freiraum 7 ist eine Metallstruktur 8 angebracht, auf die das Druckstempelende 3 mit einer Auf­ lagefläche 9 aufgesetzt ist. Die Achse 10 des Druckstempels steht dabei orthogonal auf der Sensormembran 5, wobei die Ein­ leitung der zu messenden Druckkraft in Richtung der Achse 10 erfolgt.

Die Metallstruktur 8 ist als dünne Metallschicht mit einer gleichmäßigen Dicke zwischen 10 bis 100 µm galvanisch auf die Sensormembran 5 aufgebracht und anschließend durch eine Mas­ kiertechnik dergestalt strukturiert, daß Teile der Metall­ schicht weggeätzt werden. Oder sie wird nach Aufbringen einer dünnen metallischen Startschicht und einer dicken strukturier­ ten Lackschicht selektiv in den Öffnungen der Lackschicht galvanisch aufgebracht (selektive Aufbringung). Die Aufbrin­ gung der Metallschicht und die Strukturierung können in den Herstellungsprozeß für die gesamte mikromechanische Struktur integriert werden.

Die Metallstruktur 8 in Fig. 1 ist als Raster ausgeführt, mit quaderförmigen Metallerhebungen als Metallbumps 11, die in gegenseitigen Abständen 12 angeordnet sind. Die Metallstruk­ tur und damit die Krafteinleitung liegen bevorzugt etwa in der Mitte der Membran, um an den Widerständen Biegespannungen zu erzielen.

Je nach den Gegebenheiten und Anwendungen kann das Verhältnis zwischen metallbedeckter und freier Fläche bzw. die Abmessun­ gen der Metallbumps 11 und der Abstände 12 variiert werden. In Fig. 4 ist dazu als weiteres Ausführungsbeispiel eine Me­ tallstruktur mit relativ vielen Metallbumps 11 mit kleiner Flächenausdehnung und geringen Abständen dargestellt. In den Fig. 5 und 6 sind dagegen Anordnungen von Metallbumps ähnli­ cher Flächenausdehnung, jedoch mit größeren Abständen, ge­ zeigt. Wesentlich an diesen Rasteranordnungen ist, daß die Auflagefläche 9 des Druckstempelendes 3 auf einer Mehrzahl von Metallbumps 11 abgestützt ist.

In einer anderen Ausführungsvariante ist die Metallstruktur durch Stege in der Form von in Abständen angeordneten, konzen­ trischen Ringen ausgeführt. In Fig. 3 sind dies in der Drauf­ sicht quadratische, konzentrische Ringe 13 und in einer ande­ ren Ausführungsform der Fig. 7 konzentrische Kreisringe 14. Die Anzahl der Ringe, die Stegbreiten und die Abstände können auch hier an unterschiedliche Gegebenheiten und Anwendungsfäl­ le angepaßt werden.

Der Druckstempel und damit das dargestellte Druckstempelende 3 besteht aus keramischem Material, Metall oder Hartmetall. Die Metallstruktur 8 bzw. die Metallbumps 11 und Ringe 13, 14 sind aus einem dagegen weicheren Material, wie Gold, Kupfer, Nickel, Chrom oder Legierungen daraus, hergestellt.

Zur Justierung und Anpassung wird das Druckstempelende 3 mit der Anlagefläche 9 auf die Metallstruktur 8 aufgesetzt und die Metallstruktur 8 durch eine erhöhte Druckkraft auf den Druckstempel so angeprägt, daß sie sich der Gestalt der An­ lagefläche 9 anpaßt. Dadurch werden mögliche Unebenheiten in der Anlagefläche 9 und Winkelfehler formschlüssig in der Me­ tallstruktur 8 aufgenommen. Wenn die zur Anprägung aufgewand­ te Kraft höher liegt als die im Einsatz des Drucksensors auf­ tretenden Kräfte, kann die Metallstruktur mit bleibenden Ab­ ständen zwischen den Metallbumps 11 oder den Ringen 13, 14 be­ stehen bleiben, da durch die betriebsmäßigen Kräfte dann keine weitere Anprägung mehr erfolgt.

Die Anprägung kann aber auch mit relativ kleinen Kräften der­ gestalt erfolgen, daß sich die Metallbumps 11 oder die Ringe 13, 14 soweit lateral verbreitern, daß sie zumindest teilwei­ se aneinanderstoßen. Die für eine weitere Anprägung benötigte Kraft wäre dadurch stark erhöht, so daß die Anprägung mit der aufgewandten, kleinen Kraft gestoppt wird. Im Einsatz des Drucksensors können dann auch größere Kräfte, als für die initiale Anprägung erforderlich, erfaßt werden.

Claims (9)

1. Drucksensor, insbesondere zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen, mit einem durch die zu messende Druckkraft verschiebbaren Druckstempel, der oder dessen Druck­ stempelende (3) aus relativ hartem Material besteht, mit einer gegenüber einem Träger (4) auslenkbaren Sensormembran (5) auf der der Druckstempel mit seinem Druckstempelende (3) aufgesetzt ist und deren Auslenkung ein auswertbares Meßsig­ nal, entsprechend der mit dem Druckstempel eingeleiteten Druckkraft erzeugt und mit einem Zwischenelement zwischen der Auflagefläche (9) des Druckstempelendes (3) und der Sensormem­ bran (5) zum Ausgleich von Spannungsspitzen durch Auflageflä­ chenunebenheiten des Druckstempelendes (3) und zum Ausgleich von Winkelfehlern, wobei das Zwischenelement mit der Sensor­ membran (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenelement eine Metallstruktur (8) ist aus einem Metall geringerer Härte, verglichen mit der Härte des Materials des Druckstempelendes (3), so daß die Metallstrukturen (8) mit erhöhter Druckkraft auf den Druckstempel entsprechend der Ge­ stalt der Auflagefläche (9) des Druckstempelendes (3) und der Kraftrichtung anprägbar und für eine formschlüssige Anlage der Auflagefläche (9) plastisch verformbar ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstruktur aus Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Fe/Ni, Chrom oder Legierungen daraus besteht.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckstempel oder wenigstens das Druckstempel­ ende (3) aus Glas, Glaskeramik oder Metall hergestellt ist.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensormembran (5) und dessen Träger eine mikromechanische Anordnung ist, die aus Silizium herge­ stellt ist, wobei der Träger ein Siliziumwafer oder Glas (4) ist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallstruktur (8) galvanisch, bevor­ zugt integriert in einen Herstellungsprozeß für eine mikro­ mechanische Struktur, aufgebracht ist.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallstruktur (8) vor der Anprägung eine gleichmäßige Dicke zwischen 10 bis 100 µm hat.

7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallstruktur (8) aus einem Raster auf der Anlagefläche der Sensormembran (5) mit gleichmäßig ver­ teilten und mit gegenseitigen Abständen (12) angeordneten Me­ tallerhebungen als Metallbumps (11) besteht.

8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallerhebungen der Metallstruktur (8) aus Stegen in der Form konzentrisch angeordneter Ringe (13; 14) bestehen.

9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Metallstruktur (8) in ihrer Dicke und Anordnung so dimensioniert ist, daß das Verhältnis zwischen der Flächenausdehnung der Metallerhebungen (11; 13; 14) und den gegenseitigen Abständen (12) bzw. metallbedeckter und freier Flächen vor der Anprägung so vorgegeben ist, daß nach der Anprägung zumindest ein Teil der Abstände (12) geschlos­ sen ist und dadurch die Anprägung gestoppt wird.