DE60114037T2

DE60114037T2 - Gerät zur messung des drucks eines fluids

Info

Publication number: DE60114037T2
Application number: DE60114037T
Authority: DE
Inventors: Andrea Moroni; Eugenio Volonterio
Original assignee: ABB Service SRL
Current assignee: ABB SpA
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: AU2001272557A1; EP1320735A1; IT1318295B1; US20040045360A1; ITMI20001775A1; ATE306655T1; DE60114037D1; ITMI20001775A0; WO2002010701A1; EP1320735B1; US6901805B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckmessvorrichtung zum Messen des Druckes eines Fluids. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Druckmessvorrichtung, welche besonders geeignet ist zur Verwendung in industriellen (Absolut-, Differenz- oder Pegel)-Druckmessgeräten wie z.B. Druckwandlern und dergleichen.
Es ist bekannt, dass verschiedene Arten von Vorrichtungen zum Messen des Druckes eines Fluids im Stand der Technik entwiccelt worden sind. Diese Vorrichtungen basieren auf verschiedenen Druckgeberprinzipien. So sind z.B. Druckmessvorrichtungen, die eine kapazitive Bauart, eine Piezowiderstandbauart, eine optische Bauart und dergleichen aufweisen, allgemein bekannt.
Es ist auch bekannt, das vor Kurzem Druckmessvorrichtungen aus Halbleitermaterial, z.B. aus Silizium, entwickelt worden sind. Im Allgemeinen werden Druckmessvorrichtungen dieser Art verwirklicht unter Verwendung so genannter "Silizium-Mikrobearbeitungs"-Technologien, welche ermöglichen, zweidimensionale oder dreidimensionale Halbleiterstrukturen mit mechanischen Eigenschaften zu erzielen, die gut während des Designs definiert werden können, trotz ihrer extrem kleinen Größe (bis hinunter zu einigen zehn Micron). Demzufolge sind diese Strukturen in der Lage, eine mechanische Größe (z.B. den Druck eines Fluids) mit hoher Genauigkeit zu messen/umzuformen, während die Vorteile bezüglich Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit, die typisch für integrierte Schaltungen sind, aufrecht erhalten werden. Auf dem Gebiet der Druckmessvorrichtungen, hergestellt aus Halbleitermaterialien, haben sich die so genannten "resonanzartigen" Druckmessvorrichtungen im industriellen Bereich weit verbreitet. Diese Vorrichtungen haben erhebliche Vorteile, wie z.B. hohe Messgenauigkeit und Messstabilität selbst für sehr große Messbereiche (bis zu einigen hundert Bar).
Eine bekannte resonanzartige Druckmessvorichtung, hergestellt aus Halbleitermaterial, ist schematisch in 1 gezeigt.
Ein Strukturelement 1, hergestellt aus Halbleitermaterial, oszilliert frei in einem Zustand mechanischer Resonanz. Das Resonanzelement ist im Allgemeinen mechanisch mit einer anderen Halbleiterstruktur 2 (z.B. einer Membran) verbunden, welche einer Verformung (angedeutet durch den Pfeil 3) unterliegen kann, als Folge der Aufbringung eines zu messenden Druckes P. Die Verformung 3 der Membran 2 zieht die Beaufschlagung des Resonanzelementes 1 mit mechanischen Belastungen nach sich, welches demzufolge seine mechanische Eigenresonanzfrequenz verändert. Die Erfassung der mechanischen Resonanzfrequenz des Resonanzelementes 1 mit Hilfe einer elektronischen Schaltung 10 ermöglicht das Erzielen eines frequenzveränderlichen Signals, welches den Druckwert des Fluids anzeigt. In der normalen Praxis wird eine elektronische Schaltung der so genannten "Brückenart", wie die in 2 (Bezugszeichen 10a) gezeigte, verwendet, um die Resonanzfrequenz des Resonanzelementes 1 zu erfassen.
Die Brückenschaltung 10_a weist drei abgeglichene Widerstandselemente (R1, R2 und R3) und das Resonanzelement 1 auf, welches unter statischen Bedingungen einen Äquivalenzwiderstand R4 aufweist, dessen Wert grundsätzlich vom Halbleitermaterial und der Struktur des Resonanzelementes 1 abhängt. Die Brückenschaltung 10_a ist an ihren Anschlüssen 11 und 12 mit einer Vorspannung V_P vorgespannt, deren Wert auch Werte von einigen zehn Volt entsprechend den Bedürfnissen erreichen kann. Der oszillierende Zustand des Resonanzelementes 1 hat eine periodische Veränderung seines äquivalenten Eigenwiderstandes R4 zur Folge. Dies beruht auf der Tatsache, dass das Halbleiterresonanzelement 1 sich als Piezowiderstandselement verhält. Es verändert somit seinen eigenen spezifischen Widerstand, wenn es den reversiblen mechanischen Biege /Kompressionsbelastungen unterworfen wird, die typisch für den Zustand mechanischer Resonanz sind.
Die periodische Veränderung des Widerstands R4 verursacht aufgrund des Abgleichs der Brückenschaltung 10_a die Erzeugung eines Spannungsnichtabgleichungssignals V_S an den Anschlüssen 13 und 14 der Brückenschaltung 10_a . Das Nichtabgleichungssignal V_S weist die Überlappung eines kontinuierlichen Spannungssignals V_C, proportional zur Vorspannung V_P, und eines alternierenden Spannungssignals V_R, dessen Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des Resonanzelementes 1 ist, auf. Das Signal V_R stellt ein Messsignal dar, welches die Resonanzfrequenz des Resonanzelementes 1 anzeigt. Jede Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonanzelementes 1, verursacht durch die Aufbringung eines Druckes P auf die Membran 2, führt zu einer Veränderung der Frequenz des Signals V_R. Daher zeigt das Signal V_R auch den Druck P an, der auf die Membran 2 aufgebracht wird.
Um die Resonanzfrequenz des Resonanzelementes 1 zu erfassen, sind andere Messschaltungen bekannt. Eine dieser Schaltungen ist in der US-Patentanmeldung 5,275,055 beschrieben und schematisch in 3 (Bezugszeichen 10b) dargestellt. Ein Spannungsteiler 8 ist mit dem Resonanzelement 1 mit Hilfe einer direkten elektrischen Verbindung oder eines Piezowiderstandselementes 7 (gestrichelte Linie der 3) verbunden. Auch in diesem Falle weist das Signal V_S im Ausgang der Messschaltung 10b ein kontinuierliches Signal V_C, proportional zur Vorspannung V_P, und ein alternierendes Messsignal V_R auf. Das alternierende Signal V_R ist begründet in der Veränderung des äquivalenten Widerstands des Resonanzelementes 1, in einem Zustand mechanischer Oszillation, oder in der Veränderung des äquivalenten Widerstands des Piezowiderstandselementes 7, das dem Resonanzelement 1 zugeordnet ist.
Bekannte resonanzartige Druckmessvorrichtungen haben Nachteile trotz einiger unstreitiger Vorteile bezüglich der Genauigkeit und Stabilität.
Die Praxis hat gezeigt, dass das Messsignal V_R oft eine sehr geringe Intensität aufweist. Tatsächlich kann das Signal V_R häufig eine Spitze-zu-Spitze-Amplitude von einigen zehn Mikrovolt aufweisen, selbst für eine Vorspannung V_P von einigen zehn Volt.
Dies liegt in der Tatsache begründet, dass das Resonanzelement 1 inhärent einen sehr hohen äquivalenten Widerstand hat. Die mechanische Struktur des Resonanzelementes 1 kann relativ kompliziert sein, da sie im Wesentlichen darauf ausgerichtet ist, für eine gleiche Veränderung des angelegten Druckes P die entsprechende Veränderung in der Resonanzfrequenz soviel wie möglich zu erhöhen. Eine Struktur, welche typischerweise im Stand der Technik benutzt wird, ist z.B. die so genannte DETF-(Double Ended Tuning Fork – doppelendige Stimmgabel)-Struktur, schematisch gezeigt in 4. Gemäß dieser Struktur weist das Resonanzelement 1 zwei oszillierende Arme 17 und 18 auf. Um die mechanische Leistungsfähigkeit zu optimieren, können die Arme 17 und 18 eine sehr kleine Dicke S und Breite L (einige Microns) und eine relativ bedeutende Länge 1 (hunderte von Microns) aufweisen. Dies bedeutet, dass der äquivalente Widerstand für diesen Typ von Resonanzelement, hergestellt aus Silizium, leicht relativ hohe Werte (einige zehn MOhm) erreichen kann. Daher geschieht es häufig, dass die Prozentveränderung des äquivalenten Widerstandes (R4) des Resonanzelementes 1 in einem Zustand mechanischer Resonanz relativ klein ist. Daher hat das Signal V_R notwendigerweise eine relativ kleine Intensität, da die Spannung V_P allgemein keine exzessiv hohen Werte annimmt, um eine exzessive Energiedissipation zu vermeiden.
Andererseits hat sich die Verwendung eines Piezowiderstandselements, zugeordnet zu dem Resonanzelement, nicht als zufrieden stellende Lösung für dieses Problem erwiesen. Die Praxis hat gezeigt, dass es schwierig sein kann, das Piezowiderstandselement mit der Struktur des Resonanzelementes zu koppeln. Die mechanische Kopplung hat in der Tat häufig Dämpfungsphänomene zur Folge.
Dies bedeutet, dass die Biege-/Kompressionsbelastungen, welchen die Struktur des Resonanzelementes unterworfen ist, nicht optimal auf das Resonanzelement übertragen werden. Dies hat eine reduzierte Intensität für das Messsignal V_R zur Folge. Die reduzierte Intensität des Signals V_R macht die Verwendung von relativ komplizierter Hilfselektronik erforderlich (Bezugszeichen 19 in 1), um ein nützliches Messsignal V_U zu erhalten, welches in den Eingang der Elektronik 16 des Druckwandlers gesendet wird.
Darüber hinaus kann das Messsignal V_R aufgrund seiner geringen Intensität stark durch äußeres elektromagnetisches Rauschen beeinträchtigt werden, welches eine Amplitude vergleichbar mit derjenigen des Signals V_R haben kann. Dies kann die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Daher ist es häufig erforderlich, eine geeignete Abschirmung vorzusehen, um die elektromagnetische Störung zu vermeiden. All diese Nachteile führen deutlich zu einer Erhöhung der Herstellungs- und Betriebskosten des gesamten Druckwandlers.
Es ist daher das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine resonanzartige Drucksmessvorrichtung zum Messen des Druckes eines Fluids zu schaffen, welches die Erlangung eines Messsignals (wie das erwähnte elektrische Signal V_R) ermöglicht, welches die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes anzeigt und eine relativ große Intensität hat.
Innerhalb dieses Zieles ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine resonanzartige Druckmessvorrichtung zu schaffen, welche die Verwendung von Hilfselektronik für die einleitende Verarbeitung des Messsignals zu vermeiden ermöglicht.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine resonanzartige Druckmessvorrichtung zu schaffen, welche leicht mit Hilfe von so genannten "Silizium-Mikrobearbeitungs"-Technologien und mit relativ geringen Kosten hergestellt werden kann.
Demzufolge sieht die vorliegende Erfindung eine Druckmessvorrichtung zum Messen des Druckes eines Fluids vor, welche aufweist:

– eine Messmembran, welche mindestens teilweise aus Halbleitermaterial besteht und mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche versehen ist, die jeweils einem ersten Druck und einem zweiten Druck ausgesetzt sind, wobei die Messmembran einer Verformung infolge der Aufbringung des ersten Druckes und des zweiten Druckes unterworfen ist, und
– ein Resonanzelement, welches mindestens teilweise aus Halbleitermaterial besteht, welches mit einem ersten Endabschnitt und mit einem zweiten Endabschnitt zur mechanischen Kopplung des Resonanzelementes mit der Messmembran versehen ist, wobei die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes entsprechend der Verformung variiert, welcher die Messmembran unterworfen ist, und
– erste Schaltungseinrichtungen zum Erzeugen eines Messsignals, welches die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes anzeigt.

Die Druckvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzelement zweite Schaltungseinrichtungen aufweist zum Erhöhen der Intensität des Messsignals, welches die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes anzeigt. Diese zweiten Schaltungseinrichtungen sind mindestens teilweise in der Struktur des Resonanzelementes integriert.
Die Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat erhebliche Vorteile. Insbesondere erlauben die zweiten Schaltungseinrichtungen die Erzielung eines Messsignals relativ großer Intensität. Wie im Einzelnen im Nachfolgenden erläutert, wirken die zweiten Schaltungseinrichtungen trotz ihrer mindestens teilweisen Integration in die physikalische Struktur des Resonanzelementes inhärent als Stufe für die Verstärkung des durch die ersten Schaltungseinrichtun gen erzeugten Messsignals. Hierdurch ist es möglich, die Verwendung von Hilfselektronik für die einleitende Verarbeitung des Messsignals zu vermeiden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden in größeren Einzelheiten hiernach unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht einer bekannten Druckmessvorrichtung ist;
2 eine schematische Ansicht einer elektronischen Schaltung zum Messen der Resonanzfrequenz in einer bekannten Druckmessvorrichtung ist; und
3 eine schematische Ansicht einer anderen elekronischen Schaltung zum Messen der Resonanzfrequenz in einer bekannten Druckmessvorrichtung ist; und
4 eine schematische Ansicht eines bekannten Typs eines Resonanzelementes ist; und
5 eine schematische Ansicht einer Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
6 eine Teilansicht einer ersten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
7 eine Teilansicht einer zweiten Ausführungsform eines Abschnittes der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
8 eine schematische Ansicht einer elektronischen Messschaltung ist, welche in der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung benutzt werden kann; und
9 eine Ansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
10 eine Ansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren ist die Druckmessvorrichtung (5) gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein durch das Bezugszeichen 20 gekennzeich net. Die Druckmessvorrichtung 20 weist eine Messmembran 21 auf, welche mindestens teilweise aus Halbleitermaterial besteht. Die Membran 21 kann vorzugsweise ein oder mehrere Siliziumschichten mit positiver Dotierung (üblicherweise bekannt als P-Dotierung) mit relativ geringen Dotierungsatomkonzentrationen (ungefähr 10¹⁵ cm^–3) aufweisen. Die Messmembran 21 ist mit einer ersten Oberfläche 23 und einer zweiten Oberfläche 24 versehen, welche jeweils einem ersten Druck P1 und einem zweiten Druck P2 ausgesetzt sind. Die Messmembran 21 ist einer Verformung unterworfen, welche durch einen Doppelpfeil 25 angezeigt ist, als Folge des Aufbringens der Drücke P1 und P2.
Darüber hinaus weist die Druckmessvorrichtung 20 ein Resonanzelement 22 auf, welches zumindestens teilweise aus Halbleitermaterial (z.B. Silizium) besteht. Vorzugsweise kann das Resonanzelement 22 aus positiv oder negativ dotiertem Silizium sein und kann direkt aus einer der Siliziumschichten der Messmembran 21 erhalten werden, unter Verwendung geeigneter "Silizium-Mikrobearbeitungs"-Techniken.
Das Resonanzelement 22 kann vorzugsweise mit einem ersten Endabschnitt 26 und einem zweiten Endabschnitt 27 versehen sein. Die Endabschnitte 26 und 27 sind in der Lage, das Resonanzelement 22 mechanisch mit der Messmembran 21 zu koppeln. Auf diese Weise kann die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes 22 gemäß der Verformung 25, welcher die Messmembran 21 unterliegt, variieren. Dies bedeutet offensichtlich, dass die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes 22 schließlich gemäß dem sich ergebenden Wert des Druckes P = (P1 – P2), aufgebracht auf die Membran, variieren kann.
Die Druckmessvorrichtung 20 weist auch erste Schaltungseinrichtungen (in 5 nicht gezeigt) zum Erzeugen eines Messsignals auf, welches die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes 22 anzeigt. Entsprechend dem oben Beschriebenen ist das Messsignal (hiernach als V_R bezeichnet) ein alternierendes Signal, dessen Frequenz von dem sich ergebenden Wert des Druckes P = (P1 – P2), aufgebracht auf die Membran, abhängt.
Ein Abschnitt der Messmembran 21 und einer der Endabschnitte (der Endabschnitt 26 z.B.) des Resonanzelementes 22 sind unter Bezugnahme auf 6 illustriert. 6 zeigt auch teilweise die ersten Schaltungseinrichtungen 28 zum Erzeugen des oben erwähnten Messsignals V_R.
In der Druckmessvorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Resonanzelement 22 mindestens teilweise zweite Schaltungseinrichtungen 29 zum Erhöhen der Intensität des Messsignals V_R auf. Die zweiten Schaltungseinrichtungen 29 sind mindestens teilweise in die Struktur des Resonanzelementes 22 integriert. In der Praxis können die zweiten Schaltungseinrichtungen auch mindestens teilweise einen integralen Teil der Struktur (vorgesehen als physikalische Struktur) des Resonanzelementes 22 bilden. Insbesondere können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die zweiten Schaltungseinrichtungen 29 in die Struktur des ersten Endabschnittes 26 und/oder in der Struktur des zweiten Endabschnittes 27 des Resonanzelementes 22 integriert werden.
Die zweiten Schaltungseinrichtungen 29 weisen vorzugsweise einen ersten Bereich aus Halbleitermaterial (der gepunktete Bereich 290) auf. Der erste Bereich 290 weist eine oder mehrere Schichten aus Piezowiderstand-Halbleitermaterial auf.
Die Schichten des Piezowiderstand-Halbleitermaterials des ersten Bereichs 290 sind vorzugsweise dort angeordnet, wo der erste Endabschnitt 26 und/oder der zweite Endabschnitt 27 der höchsten Biege-/Kompressionsbelastung während der Oszillation des Resonanzelementes 22 unterworfen sind. Die Anordnung des ersten Bereiches 290 kann daher leicht "ad hoc" entworfen werden in Abhängigkeit von der Geometrie der Endabschnitte 26 und 27, die entsprechend den Bedürfnis sen irgendeine Geometrie sein kann. In der Praxis ist es bei gegebener Geometrie der Endabschnitte 26 und 27 möglich, zu bewerten (z.B. mit Hilfe von Simulationsprogrammen), welche Bereiche der Endabschnitte 26 und 27 der höchsten Kompressions-/Biegebelastung unterworfen sind. Dann ist es während der Herstellung der Druckmessvorrichtung 20 unter Verwendung geeigneter Silizium-Mikrobearbeitungstechniken möglich, diese Schichten des Piezowiderstand-Halbleitermaterials zu integrieren. Auf diese Weise ist der erste Bereich 290 so angeordnet, dass er mindestens teilweise die Bereiche der Endabschnitte 26 und 27 einschließt, welche den höchsten Kompressions-/Biegebelastungen unterworfen sind. Dies erlaubt es den zweiten Schaltungseinrichtungen 29, die Verstärkung des Messsignals V_R zu verbessern.
Vorzugsweise kann der erste Bereich 290 eine oder mehrere Schichten aus monokristallinem Silizium aufweisen, deren Dotierungskonzentrationen sich erheblich von den Dotierungskonzentrationen unterscheiden können, die für den verbleibenden Abschnitt der Struktur des Resonanzelementes 22 benutzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann z.B. der Bereich 290 hohe N-Dotierungskonzentrationen (z.B. größer als 10¹⁸ cm^–3) aufweisen, während das Resonanzelement 22 niedrige P-Dotierungskonzentrationen (z.B. kleiner als 10¹³ cm^–3) aufweisen kann. Offensichtlich können andere Arten von Dotierungskonzentrationen entsprechend den Bedürfnissen benutzt werden. Alternativ kann der erste Bereich 290 eine oder mehrere Schichten aus polykristallinem Silizium aufweisen, welches zweckmäßigerweise gemäß dem oben Beschriebenen dotiert sein kann.
Vorzugsweise können die ersten Schaltungseinrichtungen 28 einen ersten Anschluss 34 und einen zweiten Anschluss 33 aufweisen, welche vorzugsweise mindestens teilweise in der Struktur der Membran 21 integriert sind. In diesem Falle können die Anschlüsse 33 und 34 jeweils mit Hilfe einer ersten Strombahn 32 und einer zweiten Strombahn 31 elektrisch mit einem zweiten Bereich 300 (der schraffierte Bereich in 6), der elektrisch mit den zweiten Schaltungseinrichtungen 29 verbunden ist, verbunden sein. Der zweite Bereich 300 wirkt als erstes Sensorelement 30, geeignet zur Erzeugung des Messsignals V_R, welches die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes 22 anzeigt. Die Strombahnen 31 und 32 sind vorzugsweise mindestens teilweise in die Struktur der Membran 21 integriert und können mit Siliziumschichten mit hoher Konzentration der N-Dotierung oder mit metallischen Schichten, abgelagert auf der Membran 21, versehen sein. Der zweite Bereich 300 kann mindestens teilweise in der Struktur des ersten Endabschnittes 26 des Resonanzelementes 22 (siehe Bezugszeichen 30b der 6) integriert sein. Der zweite Bereich 300 kann auch mindestens teilweise in der Struktur eines Abschnittes der Messmembran 21 integriert sein, welcher nahe dem ersten Endabschnitt 26 (siehe Bezugszeichen 30a der 6) angeordnet ist. Der zweite Bereich 300 kann vorteilhafterweise aus Piezowiderstand-Halbleitermaterial (z.B. Silizium mit P-Dotierung) hergestellt sein. In der Praxis ist es möglich, denselben Typ von Halbleitermaterial zu verwenden, der für das Resonanzelement und/oder die Membran verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Druckmessvorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe 9) können die ersten Schaltungseinrichtungen 28 vorzugsweise auch einen dritten Anschluss 38 und einen vierten Anschluss 39 aufweisen. Die Anschlüsse 38 und 39 können vorzugsweise mindestens teilweise in der Struktur der Membran 21 integriert und jeweils elektrisch mit Hilfe einer dritten Strombahn 380 und mit Hilfe einer vierten Strombahn 390 mit einem dritten Bereich (nicht gezeigt), der elektrisch mit den ersten Schaltungseinrichtungen 29 verbunden ist, verbunden sein. Die Bahnen 380 und 390 können wiederum vorzugsweise mindestens teilweise in der Struktur der Membran 21 integriert sein. Der dritte Bereich wirkt als zweites Sensorelement 280, geeignet für die Erzeugung des Messsignals V_R. Der dritte Bereich kann mindestens teilweise in der Struktur des zweiten Endabschnittes 27 und/oder in der Struktur eines Abschnittes der Messmembran 21, angeordnet nahe dem zweiten Endabschnitt 27, integriert sein.
Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsformen in Bezug auf die Druckrnessvorrichtung 20 gemäß der Erfindung sind erheblich.
Wenn S die Biege-/Kompressionsbelastung ist, welcher das Resonanzelement 22 unterworfen ist, kann man in der Tat erhalten: S = St + Sb ≈ St (1)wobei St die Kompressions-/Biegebelastung ist, welche die Endabschnitte 26 und 27 des Resonanzelementes 22 beeinflusst, und Sb die Kompressions/Biegebelastung ist, die den Teil des Resonanzelementes beeinflusst, der nicht die Endabschnitte 26 und 27 aufweist.
Wenn A_VR die Amplitude des Signals V_R ist, kann man schreiben: AVR = T·(St + Sb) (2)wobei T der Gesamtübertragungskoeffizient des Messsystems ist.
Schließlich, wenn St >> Sb ist, kann man schreiben AVR = T·(St + Sb) ≈ T·St = (T1 + T2)·St (3)wobei T1, T2 zwei Konstanten sind, welche proportional zu den Übertragungskoeffizienten der ersten Schaltungseinrichtungen 28 und der zweiten Schaltungseinrichtungen 29 sind.
Aus der Gleichung (3) erkennt man, dass die Wirkung der zweiten Schaltungseinrichtungen 29 darin besteht, den Gesamtübertragungskoeffizienten des Messsystems zu erhöhen und schließlich, für eine gleiche Kompressions-/Biegebelastung, welche die Endabschnitte 26 und 27 beeinflusst, die Amplitude des Messsignals V_R.
Die Anordnung und der Typ der Dotierung des ersten Bereichs 290 ermöglichen eine weitere Erhöhung des Wertes der Konstanten T2.
Die Verwendung verschiedener Arten von Dotierung für den ersten Bereich 290, den zweiten Bereich 300 und die verbleibenden Abschnitte des Resonanzelementes 22 erlaubt eine Begrenzung des Ausbruchs dissipativer Phänomene (z.B. von parasitären Strömen). Der Fluss von Vorspannungsstrom durch das Resonanzelement 22 (der Vorspannungsstrom folgt vorzugsweise der durch die Pfeile 301 angezeigten Bahn) kann auch auf vernachlässigbare Werte reduziert werden.
In 6 sind die Bereiche 290 und 300 komplementär im Abdecken der Oberfläche des Endabschnittes 26 gezeigt. Gemäß den Bedürfnissen können beide Bereiche die gesamte Oberfläche des Endabschnittes 26 abdecken und auf überlappenden Ebenen angeordnet sein. Dies kann vorteilhaft sein, wenn man herausfindet, dass der gesamte Endabschnitt 26 einer relativ hohen Kompressions/Biegebelastung unterworfen ist.
Wie oben erwähnt, kann zusammen mit der Dotierungsart und der Anordnung des ersten Bereiches 290 die Geometrie des Endabschnittes 26 und/oder 27 "ad hoc" entworfen werden. Dies ermöglicht nicht nur eine Optimierung der mechanischen Leistungsfähigkeit des Resonanzelementes 22, sondern ermöglicht den Einrichtungen 29 auch, den Wert der Konstanten T2 und demzufolge die Intensität des Messsignals V_R weiter zu erhöhen.
Zum Beispiel unter Bezugnahme auf 7 kann mindestens einer der beiden Endabschnitte 26 und/oder 27 eine im Wesentlichen H-geformte Geometrie aufweisen. In diesem Falle kann der erste Bereich 290 auf dem Resonanzelement 22 angeordnet sein, während der zweite Bereich 300 auf der Membran 21 angeordnet sein kann. Vorteilhafterweise kann der erste Bereich 290 eine Schicht aus Silizium mit geringer P-Dotierung aufweisen, während die verbleibende Struktur des Resonanzelementes 22 Schichten aus Silizium mit hoher N-Dotierung aufweist und auf Erdspannung vorgespannt ist. Aufgrund dieser Geometrie kann eine besonders hohe Konzentration der mechanischen Belastungen im ersten Bereich 290 mit einer folgenden Erhöhung der Konstante T2 erzielt werden.
Unter Bezugnahme auf 8 kann die Druckmessvorrichtung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektronische Brückenschaltung 40 aufweisen (deren Struktur im Wesentlichen ähnlich der Struktur der 2 ist). Die Brückenschaltung 40 kann elektrisch mit den ersten elektronischen Einrichtungen 28 jeweils mit Hilfe des ersten Anschlusses 33 und des zweiten Anschlusses 34 oder mit Hilfe des dritten Anschlusses 38 und des vierten Anschlusses 39 verbunden sein. Der Betrieb der Brückenschaltung wird durch die Tatsache gewährleistet, dass, als Folge der Aufbringung einer Vorspannung auf ein Paar der Anschlüsse, der Strom die Tendenz hat, durch die Widerstandsschaltung 41 zu strömen. Praktisch ist die Vorspannungsstrombahn durch den Pfeil 301 in 6 und 7 angezeigt. Es ist möglich zu merken, dass die Vorspannungsstrombahn 301 am ersten Endabschnitt 26 angeordnet ist und im Wesentlichen die ersten Schaltungseinrichtungen 28 und die zweiten Schaltungseinrichtungen 29 aufweist.
Wie erwähnt strömt der Vorspannungsstrom nicht wesentlich durch den verbleibenden Körper des Resonanzelementes 22, dessen äquivalenter Widerstand (R5) relativ viel höher als die Schaltung 41 ist. Die Brückenschaltung 40 kann elektrisch mit den ersten elektronischen Schaltungseinrichtungen 28 mit Hilfe des dritten Anschlusses 38 und des vierten Anschlusses 39 verbunden sein. In diesem Falle kann der Vorspannungsstrom auch durch eine Widerstandsschaltung 42 strömen, welche am zweiten Endabschnitt 27 angeordnet ist und im Wesentlichen die ersten Schaltungseinrichtungen 28 und die zweiten Schaltungseinrichtungen 29 aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, gezeigt in 9, weist die Messmembran 21 einen ersten Abschnitt 51 und einen zweiten Abschnitt 52, hergestellt aus Halbleitermaterial, auf, welche gegenseitig getrennt sind, um zwischen sich einen Spalt 53 zu bilden. Die Abschnitte 51 und 52 sind vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert. Das Resonanzelement 22 ist so angeordnet, dass es in dem Spalt 53 angeordnet sein kann, und weist vorzugsweise einen oder mehrere oszillierende Arme 54 auf, die zwischen dem ersten Endabschnitt 26 und dem zweiten Endabschnitt 27 angeordnet sind. Gemäß der Ausführungsform der 9 sind die oszillierenden Arme 54 des Resonanzelementes 22 so angeordnet, dass sie im Wesentlichen parallel zu den Wänden des Spaltes 53 sind. In diesem Falle sind die Anschlüsse 34 und 38 der 8 innerhalb des Abschnittes 51 der Messmembran 21 enthalten, während die Anschlüsse 33 und 39 der 8 innerhalb des Abschnittes 52 der Messmembran 21 enthalten sind.
Alternativ, wie in 10 gezeigt, sind die oszillierenden Arme 54 des Resonanzelementes 22 so angeordnet, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu den Wänden des Spaltes 53 sind. In diesem Falle sind die Anschlüsse 33 und 34 der 8 innerhalb des Abschnittes 51 der Messmembran 21 enthalten, während die Anschlüsse 38 und 39 der 8 innerhalb des Abschnittes 52 der Messmembran 21 enthalten sind.
Vorzugsweise weist das Resonanzelement 22 zwei Arme 54 auf, welche in einer Bewegungsrichtung oszillieren, welche im Wesentlichen parallel (Pfeil 55) zu der Oberfläche der Messmembran 21 ist.
Die Abschnitte 51 und 52, die elektrisch isoliert sind, sowie der Spalt 53 erhält man durch Anwenden von Silizium-Mikrobearbeitungstechniken auf die Messmembran 21.
Vorteilhafterweise kann die Druckmessvorrichtung 20 Anregungseinrichtungen (nicht gezeigt) aufweisen, die vorgesehen sind, um die Oszillation des Resonanzelementes 22 aufrecht zu erhalten. Die Anregungseinrichtungen können vorzugsweise mindestens teilweise auf der Membran 21 integriert sein.
In der Praxis hat man festgestellt, dass die Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die angestrebten Ziele und Zwecke vollständig erreicht, da man insbesondere festgestellt hat, dass es möglich ist, Amplituden des Messsignals V_R zu erzielen, welche bemerkenswert höher als in bekannten Druckmessvorrichtungen sind. Insbesondere können Amplitudenwerte höher als ungefähr eine Größenordnung (einige mV) leicht erzielt werden. Dies ermöglicht die Vermeidung der Verwendung von Hilfselektronikschaltungen für das einleitende Verarbeiten des Messsignals. Die Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat sich darüber hinaus als leicht herstellbar erwiesen mit bekannten Silizium-Mikrobearbeitungstechniken, wodurch eine erhebliche Reduzierung der Herstellungs- und Installationskosten des Druckwandlers ermöglicht wird, in welchem die Druckmessvorrichtung üblicherweise benutzt werden kann. Die Druckmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für Druckmessungen von Differenztyp. Auch Messungen des Absoluttyps und des Pegeltyps können leicht erreicht werden. Im ersteren Falle hat P1 oder P2 vernachlässigbare Werte, nahe Vakuumdruckwerten. Im zweiten Falle hat P1 oder P2 Werte nahe atmosphärischen Druckwerten.

Claims

Druckmessvorrichtung zum Messen des Druckes eines Fluids, aufweisend: – eine Messmembran, welche mindestens teilweise aus Halbleitermaterial besteht und mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche versehen ist, die jeweils einem ersten Druck und einem zweiten Druck ausgesetzt sind, wobei die Messmembran einer Verformung infolge der Aufbringung des ersten Druckes und des zweiten Druckes unterworfen ist, und – ein Resonanzelement, welches mindestens teilweise aus Halbleitermaterial besteht, welches mit einem ersten Endabschnitt und mit einem zweiten Endabschnitt zur mechanischen Kopplung des Resonanzelementes mit der Messmembran versehen ist, wobei die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes als Funktion der Verformung variiert, welcher die Messmembran unterworfen ist, und – erste Schaltungseinrichtungen zum Erzeugen eines Messsignals, welches die Oszillationsfrequenz des Resonanzelementes anzeigt, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzelement zweite Schaltungseinrichtungen aufweist zum Erhöhen der Intensität des Messsignals, wobei die zweiten Schaltungseinrichtungen mindestens teilweise in der Struktur des Resonanzelementes integriert sind.
Druckmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schaltungseinrichtungen in der Struktur des ersten Endabschnittes und/oder des zweiten Endabschnittes des Resonanzelementes integriert sind.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schaltungseinrichtungen einen ersten Bereich aus Halbleitermaterial aufweisen, welcher eine oder mehrere Schichten eines Piezowiderstand-Halbleitermaterials aufweist.
Druckmessvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich so angeordnet ist, dass er mindestens teilweise die Bereiche des ersten Endabschnittes und/oder des zweiten Endabschnittes des Resonanzelementes aufweist, welche der höchsten Biege-/Kompressionsbelastung während der Oszillation des Resonanzelementes unterworfen sind.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schaltungseinrichtungen einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen, welche jeweils elektrisch mit Hilfe einer ersten Strombahn und einer zweiten Strombahn mit einem zweiten Bereich, hergestellt aus Piezowiderstand-Halbleitermaterial, verbunden sind.
Druckmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich als ein erstes Sensorelement arbeitet, das geeignet ist, das Messsignal zu erzeugen.
Druckmessvorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich mindestens teilweise in der Struktur des ersten Endabschnittes des Resonanzelementes und/oder in der Struktur eines Abschnittes der Messmembran integriert ist, welcher nahe zu dem ersten Endabschnitt des Resonanzelementes angeordnet ist.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schaltungseinrichtungen einen dritten Anschluss und einen vierten Anschluss aufweisen, welche jeweils elektrisch mit Hilfe einer dritten Strombahn und einer vierten Strombahn mit einem dritten Bereich, hergestellt aus Piezowiderstand-Halbleitermaterial, verbunden sind.
Druckmessvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich als zweites Sensorelement wirkt, das geeignet ist, das Messsignal zu erzeugen.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bereich mindestens teilweise in der Struktur des zweiten Endabschnittes des Resonanzelementes und/oder in der Struktur eines Abschnittes der Messmembran integriert ist, der nahe zu dem zweiten Endabschnitt des Resonanzelementes angeordnet ist.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss und/oder der zweite Anschluss und/oder der dritte Anschluss und/oder der vierte Anschluss mindestens teilweise in der Struktur der Messmembran integriert sind.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strombahn und/oder die zweite Strombahn und/oder die dritte Strombahn und/oder die vierte Strombahn mindestens teilweise in die Struktur der Messmembran integriert sind.
Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzelement ein Paar von Armen aufweist, welche in einer Bewegungsrichtung oszillieren, welche im Wesentlichen parallel zur Oberfläche der Messmembran ist.
Absolutdruckmessgerät, wie ein Absolutdruckwandler oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Pegeldruckmessgerät, wie ein Pegeldruckwandler oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Differenzdruckmessgerät, wie ein Differenzdruckwandler oder dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Druckmessvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.