DE4333753A1

DE4333753A1 - Kapazitiver Differenzdrucksensor

Info

Publication number: DE4333753A1
Application number: DE19934333753
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Dr Zabler; Hans-Peter Trah
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 1994-05-11

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem kapazitiven Differenzdrucksensor nach der Gattung des Anspruchs 1. Ans der DE 42 07 952 C1 ist ein kapazitiver Differenzdrucksensor bekannt, bei dem eine als Membran dienende Platte zwischen zwei Trägerplatten angeordnet ist. Sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Membran ist je eine Elektrode angeordnet, die jeweils mit einer auf der zugewandten Seite der Trägerplatte ausgebildeten Gegenelektrode in Wirkverbin dung steht. Mit Hilfe je eines Zuführkanals wird das Medium, dessen Druck überwacht werden soll, jeweils direkt in den von den beiden Elektroden gebildeten Raum, d. h. in den Kondensatorraum geleitet. Die Zuleitungen sind zwar so dünn ausgebildet, daß das Eindringen von Störpartikeln in den Kondensatorraum verhindert werden kann. Trotzdem kann eine Verschmutzung der beiden Kondensatorräume nicht ganz verhindert werden. Ferner besteht ein direkter Kontakt der Elektroden mit dem Medium, dies kann zu einer Beschädigung der Elek troden und somit zu Meßfehlern führen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße kapazitive Differenzdrucksensor mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das Meßmedium keinerlei direkten Kontakt zu den Meßelektroden oder auch zur Meßschaltung hat. Fällt zum Beispiel ein Anschluß für das Medium ab und wirkt nur noch ein Systemdruck, so ist in ein facher Weise ein Überlastschutz vorhanden. Die Membranen legen sich hierzu bei einseitiger Überlastung an der Trägerplatte an und werden so vor Zerstörungen geschützt. Der Abstandshalter der beiden Mem branen hat somit die Doppelfunktion eines Überlastschutzes und einer Kraftübertragung, so daß an den Elektroden nur die eigentliche Druckdifferenz zwischen den beiden zu bestimmenden Drücken gemessen wird. Dadurch braucht der Sensor nur auf die geringe zu ermittelnde Druckdifferenz ausgelegt zu werden. Damit verbunden ist eine höhere Auflösung und Genauigkeit des Meßsignals. Ferner beeinflussen even tuelle Ungenauigkeiten dieses Abstandshalters nicht das Meßverfahren bzw. das Meßsignal. Der Einsatz des Sensors ist vielfältig. So kann er zum Beispiel als Tankstandssensor verwendet werden, wobei er nach dem hydrostatischen Prinzip arbeitet. Ferner wäre eine Durchfluß messung nach dem Bernoulliprinzip möglich. Es ist eine echte Druck differenzmessung möglich, was bedeutet, daß die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken ermittelt werden kann und nicht nur der Druck gegenüber dem Absolut- oder einem Referenzdruck, worunter auch die Umgebungsatmosphäre zu verstehen ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen kapazitiven Differenzdrucksensors möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Differenzdrucksensor, die Fig. 2 und 3 jeweils eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Sensor entsprechend Schnittlinie IV-IV nach Fig. 3 und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel in Mikromechanik-Technik.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist mit 10 ein kapazitiver Differenzdrucksensor be zeichnet, der aus einem Oberteil 11 und einem Unterteil 12 besteht. Beide Teile 11 und 12 weisen jeweils einen Fortsatz 13 bzw. 14 auf, in dem jeweils eine Öffnung 15 bzw. 16 ausgebildet ist und an den zum Beispiel eine nicht dargestellte Leitung zur Druckzuführung an schließbar ist. Zwischen den beiden Teilen 11 und 12 ist eine Trägerplatte 19 angeordnet, auf deren beiden Seiten sich mit einem Abstand d₀ eine mit den jeweiligen Enden zwischen den Teilen 11, 12 und der Trägerplatte 19 eingespannte Membranen 17, 18 befinden. Die Trägerplatte 19 weist eine durchgehende Bohrung 20 auf, die zum Beispiel in etwa fluchtend zu den beiden Öffnungen 15, 16 des Ober teils 11 und des Unterteils 12 ausgebildet ist. In der Bohrung 20 ist ein Abstandshalter 21 angeordnet, der kraftschlüssig mit beiden Membranen 17, 18 verbunden ist. Abhängig von der Herstellungsart des Differenzdrucksensors 10 können die Membranen 17, 18 und der Ab standshalter 21, wie in der Fig. 1 dargestellt, einteilig ausge bildet sein. Der Durchmesser der Bohrung 20 und der Durchmesser des Abstandshalters 21 sind so aufeinander abgestimmt, daß sie sich nicht berühren und sich somit durch Reibung keine negative Beeinflussung der Beweglichkeit der Membranen 17, 18 ergibt.

Ferner ist an den Innenseiten, d. h. an den der Trägerplatte 19 zuge wandten Seiten der Membranen 17, 18 jeweils eine Elektrode 25, 26 angeordnet, die, wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, kreisrund aus gebildet ist und in der Mitte, im Bereich des Abstandshalters 21 bzw. der Bohrungen 15, 16, eine Aussparung 27 aufweist. Die jeweili gen Gegenelektroden 29, 30 sind spiegelbildlich auf der zugewandten Seite auf der Trägerplatte 19 ausgebildet. Die Elektrode 25 und die Gegenelektrode 29 bilden die Kapazität C1 und die andere Elektrode 30 und die Gegenelektrode 26 die Kapazität C2. Von den Elektroden führen elektrische Leitungen, von denen in der Fig. 1 bzw. 4 nur die Leitung 31 der Gegenelektrode 29 sichtbar ist, zu einer auf einer Verlängerung 32 der Trägerplatte 19 angeordneten, symbolisch dargestellten Auswerteschaltung 33.

Besonders vorteilhaft ist der Differenzdrucksensor 10 in Mikromecha nik-Technik, wie zum Beispiel in Silicium-Glas-Verbindung, dem sog. anodischen Bonden, oder als Silicium-Silicium-Verbindung, als Fusion-Bonding, herstellbar. Unter dem anodischen Bonden versteht man eine hermetisch dichte Verbindung zwischen Glas-Metall oder Glas-Silicium. Hierbei wird eine Glasplatte und eine Siliciumscheibe in engem Kontakt auf eine Heizplatte gelegt und bis zu einer Tempe ratur von etwa 400°C bis 500°C erwärmt. Bei diesen Temperaturen wird das Glas elektrisch leitend. Legt man zwischen Glas und der Sili ciumscheibe eine hohe elektrische Spannung (etwa 1000 Volt) an, so bewegen sich, bei richtiger Polung der Spannung, die positiv ge ladenen Na-Ionen von der Glas-Silicium-Grenzfläche weg und werden letztendlich an der negativen Elektrode neutralisiert. Als Folge dieser Wanderung der positiven Ionen werden die fest ge bundenen negativen Ionen in großer Zahl zurückgelassen, was ein sehr starkes elektrisches Feld verursacht. Die so erzeugte elektro statische Kraft zieht die Siliciumscheibe und die Glasplatte sehr eng zusammen. Bei dem sog. Fusion-Bonding werden zwei Silicium schichten miteinander ohne jegliche Zwischenschicht verbunden. Bei einer notwendigen Vorbehandlung der Scheiben werden durch längeres Eintauchen (Soaking) in einige anorganische oder organische Lö sungen, wie zum Beispiel NH₄OH die Bildung von Silanol-, d. h. Si-OH-Bindungen erreicht. Die Verbindung zwischen den beiden Sili ciumscheiben entsteht letztendlich durch die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den natürlichen Oxidschichten auf den Scheibenoberflächen. Diese Kraft führt dann bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung auch in trockener, nicht oxidierender Atmosphäre zu einer starken Verbindung. Die längere Behandlung bei höheren Tempe raturen kann sogar zu einem Aufbrechen der natürlichen Oxidschicht an der Grenzfläche der beiden Scheiben führen. Die freigesetzten Sauerstoffatome können dann in das Substrat eindiffundieren und es ergibt sich anstatt der Si-O-Si- eine reine Si-Si-Bindung. Diese Verbindungsmethode hat zwei charakteristische Merkmale. Es wird zuerst eine Kraft benötigt, um die Substrate in einen engen physika lischen Kontakt zu bringen und danach entsteht bei erhöhter Tempera tur eine irreversible, dauerhafte chemische Verbindung.

In den Fig. 2 und 3 sind nur die Membranen und die Trägerplatte aufweisende Abwandlungen nach der Fig. 1 dargestellt. Beim Aus führungsbeispiel nach der Fig. 2 ist der Abstandshalter nicht direkt mit den beiden Membranen 17a, 18a verbunden. Um eine bessere Zentrierung und Führung des Abstandshalters 21a zu erhalten, weisen die Membranen 17a, 18a jeweils eine Vertiefung 35 auf, in die der Abstandshalter 21a eingesetzt ist. Bei allen Ausführungsbeispielen kann der zwischen den Elektroden und den Gegenelektroden vorhandene Hohlraum entweder evakuiert sein oder mit einem trockenen Gas, zum Beispiel Stickstoff, Helium oder Luft gefüllt sein. Dieses Restgas hat z. B. 0,2 bar bei Raumtemperatur (bei Verschluß der Meßzelle bei ca. 800°C und 1 bar Umgebungsdruck).

Wird über die Öffnungen 15, 16 des Oberteils 11 bzw. des Unterteils 12 der Druck P1 bzw. der Druck P2 zugeführt, so werden die Membranen 17, 18 entsprechend durchgebogen. Liegt an den beiden Membranen 17, 18 der gleiche Druck an, was bedeutet, daß der Druck P1 = P2 ist, so verbleiben die beiden Membranen 17, 18 aufgrund der Verbindung mit Hilfe des Abstandshalters 21 in ihrer symmetrischen Mittellage, d. h. in ihrer Ausgangslage. Erst bei einem unterschiedlichen Druck P1 und P2, also bei einer Druckdifferenz Δ p = P2-P1, unter der beispiel haften Annahme, daß der Druck P2 < P1, werden die mit Hilfe des Ab standshalters 21 kraftmäßig gekoppelten Membranen 17, 18 ausgelenkt. Diese Auslenkung ist hierbei proportional zum Differenzdruck Δ p. Da der Druck P2 < P1 ist, werden die Membranen zum Druck P1, ent sprechend der in der Fig. 1 dargestellten Bezeichnung, zum Oberteil 11 hin durchgebogen. Dadurch verändern sich die Kapazitäten C1 und C2 gegensinnig abhängig vom Differenzdruck Δ p. Die jeweiligen vor liegenden Kapazitäten sind mit Hilfe der Gleichungen zu berechnen:

C1= const·/(d0 + d′ Δ p)
C2= const·/(d0 - d′ Δ p)

d0 = Grundabstand der Elektroden zu den Gegenelektroden bei Δ p = 0 d· Δ p = jeweilige differenzdruckabhängige Abstandsänderung.

Dies bedeutet, daß die eine Kapazität um den Betrag vergrößert wird, um den die andere Kapazität aufgrund des Differenzdruckes verringert wird. Diese beiden gegensinnig veränderlichen Kapazitäten können nun der elektrischen Auswerteelektronik 33 zugeführt werden. Die Aus werteelektronik 33 befindet sich zweckmäßigerweise sehr nahe beim eigentlichen Sensor 10, so daß weder durch eine lange elektrische Leitung noch durch an einem anderen Ort herrschende Umwelteinflüsse das Meßsignal verfälscht werden kann. Überschreitet zum Beispiel einer der beiden Drücke die vorgesehene Belastung der Membranen 17, 18 oder fällt zum Beispiel einer der Anschlüsse von einem Fortsatz ab, so legt sich die jeweilige Membran an der Oberfläche der Träger platte 19 an und ist somit vor einer Zerstörung weitestgehend ge schützt.

In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wie es in der oben beschriebenen mikromechanischen Technik herstellbar ist. Der Differenzdrucksensor 10b besteht hierbei aus 5 Silizium-Scheiben, die oberste und die unterste Scheibe, das sog. Oberteil 11b und das Unterteil 12b haben nur eine Abdeck- und Haltefunktion. Die funk tionellen Teile des Differenzdrucksensors 10b sind die drei übrigen Scheiben, die als Membran 18b und 17b und als Trägerplatte 19b mit Distanzhalter 21b dienen. Hierbei sind die Membranen 18b und 17b identisch hergestellt und werden nur spiegelbildlich zur Träger platte 19b eingebaut. Die Trägerplatte 19b selbst ist symmetrisch strukturiert.

Die elektrische Kontaktierung der Elektroden 25b, 26b, 29b, 30b ist auf verschiedene Arten möglich. Sind die Elektroden 25b, 26b Metall elektroden, so können sie aus dem Sensor herausgeführt und elek trisch kontaktiert werden. Sind die Elektroden 29b und 30b hingegen aus niederohmigem Silizium ausgebildet, können die Kontakte in Sili zium nach außen geführt werden. Wegen der vorherigen Metallisierung der Membranen 17b und 18b sind die einzelnen Silizium-Scheiben, die sogenannten Wafer, nur mit Hilfe des anodischen Bondens (ca. 400°C) verbindbar.

Werden hingegen alle Elektroden als Metallelektroden ausgebildet, so müssen die nach außen geführten Kontaktbahnen der Elektroden von zwei Seiten her elektrisch kontaktiert werden. Auch hier ist nur an odisches Bonden möglich.

Andererseits könnte man völlig auf Metallelektroden verzichten und nur niederohmiges Silizium für die Membranen 17b, 18b und die Trägerplatte 19b verwenden. In diesem Fall können die sog. Wafer auch durch direktes Bonden verbunden werden. Allerdings ergeben sich bei dieser Variante hohe Streukapazitäten. Diese lassen sich nur durch eine starke Reduzierung der Bondfläche verringern, wodurch aber diese Variante technologisch relativ schwer herstellbar ist. Auch im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5 sind die Öffnungen 15b, 16b für die Druckzuführung in der Seite des Oberteils 11b und in der Seite des Unterteils 12b ausgebildet. Selbstverständlich könnten die Druckzuführungen in allen Ausführungsbeispielen auch seitlich ange bracht sein.

Claims

1. Kapazitiver Differenzdrucksensor (10) mit mindestens einer druck empfindlichen Membran (17, 18) auf die zu bestimmende Drücke (P1, P2) einwirken und auf der die Elektroden (25, 26) angeordnet sind und mindestens einen Träger (19), auf dem sich die Gegenelektroden (29, 30) befinden, so daß zwei Kondensatoren (C1, C2) gebildet sind, deren Anschlüsse mit je einer eigenen oder einer gemeinsamen Aus werteschaltung (33) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (17, 18) zu beiden Seiten des Trägers (19) angeordnet sind, daß die zu bestimmenden Drücke (P1, P2) auf der einen Seite der jeweils zugewandten Membran (17, 18) einwirken, daß die beiden Membranen (17, 18) mittelbar oder unmittelbar mit einem Abstands halter (21) kraftschlüssig verbunden sind, daß die Elektroden (25, 26) auf der dem Druck (P1, P2) abgewandten Seite der Membranen (16, 17) angeordnet sind und daß die Gegenelektroden (29, 30) sich auf in den Raum zwischen den Membranen (17, 18) ragenden Trägern (19) be finden.

2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (21) aus einem jeweils an den Membranen (17, 18) ausgebildeten Fortsatz besteht, die kraftschlüssig aneinander an liegen.

3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (21) einstückig ausgebildet ist und kraft schlüssig an den beiden Membranen (17, 18) anliegt.

4. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (21) durch eine Bohrung (20) im Träger (19) ragt.

5. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (21) mit Spiel in der Bohrung (20) des Trägers (19) angeordnet ist.

6. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche der Elektroden (25, 26) der beiden Membranen (17, 18) und die Auflagefläche der Gegenelektroden (29, 30) des Trägers (19) parallel ausgebildet sind.

7. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (19) einen Fortsatz (32) auf weist, auf dem sich die Auswerteschaltung (33) für die Kondensatoren (C1, C2) befinden.

8. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in Mikromechanik-Technik hergestellt ist.