DE69625404T2

DE69625404T2 - Mikromechanischer Drucksensor mit erweitertem Messbereich

Info

Publication number: DE69625404T2
Application number: DE69625404T
Authority: DE
Inventors: Jacob H. Martin; William P. Kelley
Original assignee: Varian Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2016-03-16
Also published as: DE69625404D1; EP0735354B1; JPH08338776A; US5528939A; EP0735354A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Molekularwiderstandsdruckmessgerät, und insbesondere ein Molekularwiderstandsdruckmessgerät mit erweitertem Druckmessbereich.
Die Druckmessung in Unterdrucksystemen stellt auf Grund des enorm großen Druckbereichs, die abzudecken ist, eine besondere Herausforderung dar. Typische Unterdrucksysteme weisen zwei oder mehr Arten von Messgeräten auf, von denen jedes seinen speziellen Einsatzbereich hat. Die Notwendigkeit, zwischen verschiedenen Unterdruckmessgeräten umzuschalten, ist mühsam und erzeugt Ablesediskontinuitäten dort, wo sich die Bereiche der Messgeräte treffen. Messgeräte mit großen Druckbereichen sind attraktiv, weil sie die Anzahl unterschiedlicher Messgerätetypen verringern können, die benötigt werden, um ein bestimmtes Unterdrucksystem zu überwachen.
Eine Klasse von Druckmessgeräten, die als Molekularwiderstandsmessgeräte bekannt sind, nutzen das Phänomen, dass bei niedrigen Drücken die Widerstandskräfte, die durch ein Gas auf ein Objekt ausgeübt werden, das sich durch dieses hindurch bewegt, proportional zum Druck des Gases sind.
Eine Art eines Messgeräts, das dieses Prinzip nutzt, verwendet eine frei schwingende Faser bzw. einen Flügel als Einrichtung zum Messen von Drücken im Bereich von 0,133 bis 0,00133 Pa. Das mechanische Schwingen der Faser- bzw. des Flügelpendels wird beispielsweise durch mechanisches Schütteln des Unterdruckbehälters gestartet. Die Dämpfung beruht hauptsächlich auf dem Gas in dem Behälter. Gemessen wird die Zeit, die das Pendel benötigt, auf die Hälfte seiner ursprünglichen Amplitude gedämpft zu werden, auch als Halb wertszeit bezeichnet. Die Beziehungen zwischen dem Dämpfen und dem Druck und dem Dämpfen und der Halbwertszeit können genutzt werden, um den Druck als Funktion der Halbwertszeit zu ermitteln. Dieses Verfahren zum Messen von Druck ist jedoch bezüglich seines Bereichs stark beschränkt. Außerdem ist eine Umsetzung mühsam und erfordert Zeit in der Größenordnung von einer Stunde, um eine Messung bei niedrigem Druck auszuführen.
Eine andere Art eines Messgeräts unter Verwendung dieses Prinzips nutzt eine Stimmgabel, die aus einem piezoelektrischen Material als Erfassungselement hergestellt ist. Die Stimmgabel wird veranlasst, zu oszillieren, und ihr Resonanzwiderstand ist direkt proportional zum Gasdruck, wenn der Druck ausreichend niedrig ist, damit er im Molekularströmungsbereich liegt. Wenn der Druck auf ein Niveau steigt, auf dem die Strömung beginnt, viskos zu werden, nimmt der Resonanzwiderstand mit dem Druck weiterhin zu, jedoch mit stark verringerter Rate. Um eine Druckmessung unter Verwendung des Stimmgabeloszillators auszuführen, wird die Stimmgabel dort angeordnet, wo der Druck zu messen ist, und veranlasst, mittels einer Oszillatorschaltung zu oszillieren. Der Druck wird durch Messen der Differenz zwischen dem Resonanzwiderstand, wo der Druck gemessen wird, und dem natürlichen Resonanzwiderstand der Stimmgabel ermittelt. Einer der Nachteile dieser Vorrichtung besteht darin, dass ihr Bereich am unteren Ende beschränkt ist, wenn der durch das Gas verursachte Widerstand in derselben Größenordnung liegt wie der natürliche Resonanzwiderstand der Stimmgabel. Außerdem ist die Empfindlichkeit am oberen Ende durch die Verschiebung vom Molekularwiderstand zum Übergang zwischen Molekularwiderstand und viskosem Widerstand beschränkt.
Noch eine weitere Art eines Messgeräts, das von den Widerstandskräften eines Gases Gebrauch macht, wird als Drehrotormessgerät bezeichnet. Dieses Messgerät misst die Verzögerung einer magnetisch zum Schweben gebrachten rotierenden Metallkugel in einer Edelstahlkammer, die ihrerseits in das Gas eingetaucht ist, dessen Druck gemessen werden soll. Die Kugel wird elektromagnetisch auf eine Zieldrehzahl hochgedreht und daraufhin sich verzögern gelassen. Die Rate der Kugelverzögerung ist proportional zur Anzahl der Gasmoleküle, die in Kontakt mit der Kugel pro Zeiteinheit gelangen, die ihrerseits proportional zum Gasdruck ist: Dieses Messgerät vermag Drücke im Bereich von 1,33 bis 6,6 × 10^–5 Pa zu messen. Rotationskugelmessgeräte sind sehr genau; ihr Einsatz ist jedoch durch ihre Größe, durch hohe Kosten und den begrenzten Messbereich beschränkt.
Die Erfindung ist in ihren verschiedenen Aspekten in den unabhängigen Ansprüchen 1, 17, 18, 20 dargelegt.
Im Gegensatz zu Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, die den Gasdruck durch Messen der Gaswiderstandskraft auf einen sich bewegenden Körper messen, nutzt die vorliegende Erfindung ein mikromaschinell hergestelltes Masse-Federsystem, das proportional zum Druck des Gases gedämpft wird, welches das System umgibt. Die Massewiderstand wird elektrostatisch erregt und erfasst und der gemessene Druckbereich ist erweitert unter Verwendung eines Federsystems, das aus einem Material mit sehr geringer interner Dämpfung besteht, wie etwa Silizium, bevorzugt ein kristallines Silizium. Der Messbereich ist am Unterdruckende erweitert durch das, was vorliegend als "Quetschdämpfen" bezeichnet wird, bei dem es sich um einen Spezialfall des molekularen Dämpfens handelt, um das Vibrationsdämpfungsausmaß auf messbare Pegel zu erhöhen. Der Messbe reich wird in ähnlicher Weise auf höhere Drücke unter Verwendung der mikromechanischen Technik zum Minimieren des Abstands zwischen dem vibrierenden bzw. schwingenden Element und einem stationären Element erweitert, wodurch die Dämpfungsmessung innerhalb des Molekularströmungsbereichs bzw. der Molekularwiderstand auf höhere Drücke erweitert wird. Der Übergangsbereich zwischen dieser molekularen Dämpfung und der viskosen Dämpfung bei höherem Druck wird als Gleitdämpfung bezeichnet und erstreckt sich über ungefähr zwei Druckgrößenordnungen. Die Widerstand in dem Gleitdämpfungsbereich ist nicht so druckabhängig wie die Molekularwiderstand; er ist jedoch verwendbar als Druckindikator. Viskose Dämpfung ist nicht druckabhängig. Der praktische Bereich zur Messung der Molekularwiderstand und damit des Drucks für einen einzigen Sensor, der ein Federsystem aus einem Material mit einem ihm innewohnenden Q (Qualitätsfaktor) von gut über 100.000 aufweist, liegt zwischen etwa 4 und 5 Größenordnungen. Diese Schwierigkeit wird mit dem erfindungsgemäßen Druckmessgerät entweder unter Verwendung von mehr als einem Sensor oder durch Auslegen eines einzigen Sensors derart überwunden, dass er in zwei Vibrationsmodi arbeitet, einem Modus unter Nutzung von Quetschdämpfung und einem weiteren, der in Molekularwiderstands- und Gleitdämpfungsbereichen arbeitet. Ein Elektroniksystem wird bereit gestellt, das die Treiberspannung misst, die erforderlich ist, eine vorbestimmte Oszillationsamplitude des vibrierenden Elements aufrecht zu erhalten. Diese Spannung, die proportional zur Dämpfung des vibrierenden Elements ist, und damit zum Druck, wird durch das System in eine Druckablesung umgesetzt.
Das Messgerät gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht darauf aufgebaut, dass das Vibrationselement unter Spannung gesetzt wird und die Frequenz des Messgeräts bleibt bei sich änderndem Druck konstant. Durch Messen der Treiberspannung, die erforderlich ist, die vorbestimmte Oszillationsamplitude auf konstanter Frequenz zu halten, wird ein Maß für den Gasdruck bzw. eine Messung des Gasdrucks gewonnen.
In der vorliegenden Erfindung wird die Spannung gemessen, um eine feststehende Amplitude aufrecht zu halten, weil es erwünscht ist, ein Messgerät gemäß der beanspruchten Erfindung in Molekularwiderstands- und Quetschwiderstandsbereichen zu betreiben. Erzielt wird dies durch Anordnen des stationären Elements in unmittelbarer Umgebung des vibrierenden Elements. In diesen Widerstandsbereichen und bei konstanter Treiberspannung ändert sich die Amplitude um eine Größenordnung für jede Druckänderungsgrößenordnung, was eine gute Auflösung ergibt. Große Amplituden veranlassen den mechanischen Oszillator jedoch dazu, nicht linear zu arbeiten und sie verursachen gegebenenfalls, dass ein Weitermachen und Stoppen zusammenbrechen. Dies ist der Grund dafür, weshalb der Betrieb mit fester Amplitude für die beanspruchte Vorrichtung bevorzugt ist.
Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen erläutert; in diesen zeigen:
1 eine Kurvendarstellung der Beziehung von sowohl dem Qualitätsfaktor Q wie Treiberspannung für konstante Amplitude als Funktion des Drucks für Sensoren verschiedener Konstruktionen;
2a eine Draufsicht eines Auslegerbalken-Drucksensors, der das einfachste Vibrationsfeder-Massesystem gemäß dieser Erfindung darstellt;
2b eine Draufsicht des in 2a gezeigten Auslegerbalken-Drucksensors;
3a eine Draufsicht einer Schwingarmdrucksensorkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, die durch zwei Treiber mit um 180 Grad außer Phase liegende Treiberspannungen gleicher Amplitude getrieben werden kann;
3b eine Draufsicht des in 3a gezeigten Sensors;
4a eine Draufsicht eines Sensors mit einer großflächigen perforierten Masse, die durch vier Federn getragen ist;
4b eine Aufrissansicht des Sensors in 4a;
5a eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, bei dem die Masse in zwei Modi angetrieben werden kann, einem Modus parallel zu einem Tragelement zum Messen des Drucks in einem Zwischen- bis hohen Bereich, und einem Modus senkrecht zu dem Tragelement zum Messen von Drücken in dem Zwischenbereich bis in einen niedrigen Bereich;
5b eine Aufrissansicht des in 5a gezeigten Sensors;
6 schematisch die Drucksensorschnittstellenelektronik gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 schematisch die Drucksensorauslese- und Treiberelektronik gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Konstruktion und die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung beruht auf einem druckabhängigen Gaswiderstand gegenüber einem sich bewegenden Körper bzw. auf einer Dämpfungswirkung, wenn das Gas sich in dem Molekularwiderstandsbereich befindet, der vorliegend als molekulares Dämpfen bezeichnet wird. Die Erfindung stellt die Mittel bereit zum Erweitern des Druckmessgesamtbereichs dieses Typs von Messgerät durch Erweitern des Molekularwiderstandsmessbereichs auf Drücke höher als diejenigen, die mit herkömmlichen widerstandsabhängigen Drucksensoren erzielbar sind, und durch Bereitstellen eines deutlich erhöhten Widerstands bzw. eines erhöhten Dämpfungseffekts bei niedrigeren Drücken.
Es ist an sich bekannt, dass die auf einen sich in einem Gas bewegenden Körper ausgeübte Widerstandskraft proportional zum Gasdruck ist, wenn der Druck sich in dem Molekularströmungsbereich befindet. Eine Möglichkeit, den Molekularströmungsbereich zu definieren, besteht darin, dass er auftritt, wenn die Gasmoleküle die Wände der Kammer, in der sie eingesperrt sind, mit größerer Wahrscheinlichkeit treffen als dass sie einander treffen. Bezogen auf die freie mittlere Gaslänge gilt, wenn diese größer ist als die Kammerabmessungen, befindet sich das Gas im Molekularbereich. Dem Fachmann auf diesem Gebiet ist geläufig, dass der Molekularstrombereich zu höheren Drücken hin erweitert werden kann, indem der Einschließbehälter kleiner gemacht wird. Das Gas muss sich grundsätzlich nicht in einem geschlossenen Behälter befinden. Dieselbe Wirkung einer Erweiterung des Molekularströmungsbereichs tritt für ein Gas auf, wenn ein stationäres Element sich innerhalb einer freien Weglänge oder näher an einem sich bewegenden Element befindet. Die Eins-zu-Eins-Dämpfungsabhängigkeit von Gaswiderstand auf ein sich bewegendes Element in einer gegebenen Gasumgebung kann zu höheren Drücken hin erweitert werden durch Verringern der Distanz zwischen dem sich bewegenden Element und einem stationären Element. Die mikromechanische Technik stellt das wirtschaftliche Mittel dar, den gewünschten kleinen Freiraum zwischen einem sich bewegenden bzw. einem Vibrationselement und einem stationären Element eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen. Der Kurvenverlauf 11 von 1 zeigt die Variation des Qualitätsfaktors Q, bei dem es sich um das Maß der Dämpfung für einen Oszillator handelt, als Funktion des Drucks für ein erfindungsgemäßes mikromechanisches System mit einem nominalen Freiraum von 2 μm zwischen einem vibrierenden Masseelement und einem stationären Substratelement, die beide nachfolgend näher erläutert sind. Dem Fachmann auf diesem Gebiet erschließt sich, dass eine mittlere freie Weglänge von ungefähr 2 μm mit einem Druck von etwa 20 mTorr (3 Pa) üblicherweise einhergeht. Eine tatsächliche Messung eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems zeigt, dass die lineare Beziehung zwischen Q und dem Druck auf ungefähr 50 mTorr (7 Pa) erweitert wird, wenn die freie mittlere Weglänge in Luft 0,8 μm beträgt.
Bei Drücken größer als 50 mTorr zeigt der durch die Kurvendarstellung 11 in 1 charakterisierte Sensor weiterhin eine gemessene Änderung von Q als Funktion des Drucks an, jedoch mit langsamerer Rate. Hierbei handelt es sich um den Übergangsbereich, ausgehend vom Punkt A, zwischen molekularem Widerstand und viskosen Widerstandsbereichen und er wird als Gleitwiderstand bezeichnet. Bei noch höheren Drücken ändert sich der gemessene Q mit dem Druck nicht mehr. Hierbei handelt es sich um den viskosen Widerstandsbereich.
Ein praktischer Bereich für die Messung von Q für einen Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt etwa 5 bis etwa 100.000. Bei höheren Q-Werten werden die Signalpegel sehr klein und damit weniger genau; wenn alternativ das Zeitabklingverfahren verwendet wird, wird die Zeitmessung sehr lang. Der einem Einkristallsiliziumfedersystem innewohnende Q, das zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung als Oszillationseinrichtung geeignet ist, kann unterhalb von 100.000 vernachlässigt werden, entwickelt sich jedoch zu einem wesentlichen Faktor bei höheren Q-Pegeln. Für Q kleiner als 5 werden Druckmessfehler signifikant, weil der effektive Q sich von dem gemessenen Q unterscheidet und die lineare Abhängig keit zwischen Q und dem Widerstand zusammenbricht. Die dem Q-Bereich auferlegten praktischen Grenzen beschränken den Druckbereich, der unter Verwendung eines Einzelmodussensors genutzt werden kann.
Zum Messen von Druck bei Drücken kleiner als etwa 10^–3 Torr (0,13 Pa) unter Verwendung des mikromechanischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, einen Sensor mit erhöhtem Widerstand zu nutzen, um den Sensor-Q innerhalb des vorstehend erläuterten erwünschten Bereichs zu halten. Dies erfolgt durch Einbeziehen einer vorliegend als "Quetschdämpfung" bezeichneten Dämpfung in die Konstruktion. Die Oberfläche der Masseplatte, die als vibrierendes Element verwendet wird, wird groß gemacht, und der Freiraum zwischen der Masseplatte und einem stationären Substrattragelement wird klein gehalten. Die Größe der Masseplatte und der Freiraum zwischen der Platte und dem stationären Trägerelement hängt vom Druckbereich ab, für den das Messgerät eingesetzt wird. Je größer die Plattenoberfläche und je kleiner der Freiraum ist, desto größer ist die Widerstandskraft und desto niedriger ist die erzielbare Druckmessung. Aktuell stellt eine quadratische Platte mit einem Durchmesser von 20 μm und einem Abstand von 1 μm das Machbare auf dem Gebiet der mikromaschinellen Verarbeitungstechnik dar; größere Flächen und größere Freiräume bzw. Abstände können jedoch in der Zukunft ohne Zweifel realisiert werden. Zum Messen niedriger Drücke unterhalb von 10^–3 Torr (0,13 Pa) wird die Masseplatte in einer Richtung senkrecht zum stationären Tragelement zum Vibrieren gebracht. Das Gas wird alternativ aus dem Volumen zwischen dem vibrierenden Masseplattenelement und dem stationären Tragelement heraus und in dieses hinein gepumpt, wodurch der Widerstand auf die Masse und resultierende Dämpfungseffekte deutlich verstärkt werden. Hierbei handelt es sich um die Quetschdämpfungswirkung. Quetschdämpfung erlaubt es, dass Druckmessung zu niedrigeren Drücken erweitert wird, ohne in den Bereich eines hohen Q zu gelangen, wo Messungen schwierig sind, und der der oszillierenden Einrichtung, wie etwa dem Siliziumfedersystem innewohnende Q, eine signifikante Auswirkung hat.
Die Erweiterung des Druckmessbereichs dieses Messgeräts über die Grenze mit vier bis fünf Größenordnungen hinaus, diktiert durch den praktischen Q-Messbereich, wie vorstehend erläutert, kann bewirkt werden unter Verwendung von zwei oder mehr Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Sensoren auf demselben Tragsubstrat erstellt sind, wie etwa auf Pyrexglas oder dielektrisch beschichtetem Silizium. 1 zeigt beispielsweise Kurven für zwei derartige Sensoren, von denen einer für einen Betrieb bei höheren Drücken in der Größenordnung von etwa 10^–3 Torr (0,13 Pa) bis etwa 10 Torr (1,3 Pa) bestimmt ist (Kurve 12), während der andere für einen Betrieb bei niedrigeren Drücken in der Größenordnung von etwa 10^–2 Torr (1,3 Pa) bis kleiner als etwa 10^–6 Torr (13 mPa) bestimmt ist (Kurve 13). Eine alternative und bevorzugte Ausführungsform im Hinblick auf Kosten und Platzbedarf verwendet einen einzigen Sensor, bei dem die Masse in zwei Modi vibriert, einem Modus parallel zu dem Tragsubstratelement und einem Modus senkrecht hierzu. Die parallele Bewegung kann optimiert werden, um die obere Hälfte des Druckbereichs zu messen, und der senkrechte Modus kann optimiert werden, um in der unteren Hälfte des Bereichs zu arbeiten.
Die mathematische Basis für die Konstruktion der Ausführungsformen der Drucksensoren gemäß dieser Erfindung geht von einer Bewegungsgleichung für einen gedämpften getriebenen Oszillator aus. Ein derartiger Oszillator, der dazu verwendet wird, die Betriebsbasis der vorliegenden Erfindung zu tragen, ist in 2a und 2b gezeigt. Ein Auslegerbalken 21 ist durch ein elektrisch isolierendes Substrat 22, wie etwa Pyrex, durch den Ankerpunkt 23 getragen. Der Auslegerbalken wirkt sowohl als Masse wie als Feder in diesem System sowie als die erste Treiberelektrode. Er besteht aus Silizium, das elektrisch leitend ist, und er befindet sich in elektrischer Verbindung mit der Umgebung durch den Ankerpunkt 23 und den leitenden Pfad, der durch eine Metallisierung 24 bereit gestellt ist. Die zweite Elektrode 25 des elektrostatischen Antriebs ist durch das Substrat 22 getragen und mit der Umgebung über eine Metallisierung 26 verbunden. Die Antriebskraft für den Oszillator verläuft periodisch und wird als sinusförmig angesehen. Die Dämpfungskraft wird durch das das oszillierende Element umgebende Gas bereit gestellt. Die Bewegungsgleichung für dieses gedämpfte System kann in folgender Form niedergeschrieben werden:
wobei x die Verschiebung der Masse aus ihrer Ruheposition ist. Der Verschiebung der Masse wirkt durch die Federkraft entgegen, die k-Mal größer als die Verschiebung ist, und die Widerstandskraft, die das K-Fache der Geschwindigkeit ist. Der Oszillator wird durch die Kraft Csinωt getrieben. Für Fälle, bei denen die Dämpfung K im Vergleich zur Federkonstanten k klein ist, ist die Treiberfrequenz dieselbe wie die Resonanzfrequenz, und wenn der Oszillator lange genug gelaufen ist, um den Effekt der Startbedingungen auszudämpfen, ergibt sich folgende Zwangsbewegung:
und die Amplitude der Bewegung ist:
Verschiedene Verfahren zum Ausüben der elektrischen Zwangsfunktion können verwendet werden, wie etwa piezoelektrische, elektromagnetische und elektrostatische Verfahren; das elektrostatische Verfahren ist jedoch aus Gründen einfacher Herstellbarkeit bevorzugt. Der elektrostatische Antrieb wird durch Anlegen einer sinusförmigen Spannung zwischen dem leitenden vibrierenden Masseelement erzielt, bei dem es sich in dem in 2a gezeigten System um den Auslegerbalken 21 handelt, und eine gegenüberliegende Elektrode auf dem Tragelement 22, bei der es sich, wie in 2a gezeigt, um die Substratelektrode 25 handelt. Die an der Masse angreifende Kraft wird durch die angelegte Spannung hervorgerufen, die auf die Ladung einwirkt, die sich auf der Masse ansammelt, die als die eine Platte eines Kondensators wirkt. Die Kapazität des Kondensators lautet bekanntlich
wobei A die Masseoberfläche ist, wobei d die Massedistanz von einer Tragelementelektrode ist und wobei ε₀ die dielektrische Permeabilität des freien Raums ist. Zu Gunsten einer Analyse der Amplitude wird die Massevibration als klein angenommen im Vergleich zur Massedistanz von dem feststehenden Element, so dass die Massedistanz als feststehende Distanz d angesehen werden kann. Die Antriebskraft DF kann als Ladezeit der Span nung, geteilt durch die Distanz, wie folgt niedergeschrieben werden:
Für diese Analyse kann die Gleichstromkomponente außer Betracht bleiben und 2ω kann gleich der Resonanzfrequenz √k/m gewählt werden. C in der Amplitudengleichung (3) ist deshalb äquivalent zu Aε₀V²/2d. Die Treiberfrequenz ergibt sich als Funktion der ins Quadrat gesetzten Treiberspannung anstelle der bevorzugten linearen Abhängigkeit von der Spannung. Diese mögliche Komplikation in der Ausleseelektronik kann jedoch nahezu vollständig überwunden werden durch das Anlegen einer relativ großen Vorspannung V₀ als sinusförmige Treiberspannung V. Die Quadrate der vier möglichen Kombinationen aus Antriebs- und Vorspannungen sind durch Folgendes wiedergegeben:
Die V₀-Größe dominiert, solange V₀>>V. Als alternative Ausführungsform, die das zusätzliche Vorsehen einer großen Vorspannung V₀ zum Minimieren der 2ω-Größe vermeidet, werden zwei Vorspanntreiberspannungen in Kombination und um 180 Grad außer Phase eingesetzt, um die Auswirkung dieser unerwünschten Wechselstromgröße vollständig zu beseitigen. Ein Beispiel einer derartigen Ausführungsform ist die in 3 gezeigte Schwingarmstruktur. Wenn (V₀ – V sinωt) verwendet werden würde, um eine Tragelektrode unter einer Seite einer an einer Torsionsfeder angebrachten Schwingarmmasse zu treiben, und wenn (V₀ – V sinωt) verwendet werden würde, um eine Tragelektrode auf der anderen Seite zu treiben, würden sich die Auswirkungen der (V²/2) cos 2ωt-Größen und der Vorspannungsgrößen V₀ aufheben. 3a und 3b zeigen eine Schwingarmmasse 31, die durch Torsionsfedern 32a und 32b getragen ist, die ihrerseits an dem Substrat 33 durch Ankerpunkte 34a und 34b angebracht sind. Die Masse 31 wirkt außerdem als eine der Treiberelektroden und ist elektrische mit der Umgebung durch eine Metallisierung 35 verbunden. Zwei Substrattreiberelektroden 36a und 36b sind mit der Umgebung über Substratmetallisierungen 37a und 37b verbunden. Die Aufhebung der Auswirkung der 2ω-Größe kann alternativ erzielt werden durch Aufhängen von zwei identischen planaren Massen symmetrisch zu einem gemeinsamen Federsystem, das durch dieselbe komplementäre Treiberspannung getrieben ist, die vorstehend für die Schwingarmkonstruktion erläutert ist. Die Aufhebung bzw. Beseitigung der unerwünschten Wechselstromgröße kann außerdem verwirklicht werden unter Verwendung derselben Kombination von Treiberspannungen, die vorstehend erläutert sind, für zwei Kammantriebe, die auf gegenüberliegenden Seiten einer oszillierenden Masse angeordnet sind, um die Masse parallel zu dem Tragelement anzutreiben. Eine derartige Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Die Treiberkräfte sind dann die folgenden:
Für den bevorzugten Resonanzbetrieb wird ω mit √k/m gewählt.
Für das erfindungsgemäße Druckmessgerät sind drei Dämpfungsbereiche nützlich, nämlich die Molekulardämpfung bei Zwischendrücken, die Quetschdämpfung (ein verbesserter Typ der Molekulardämpfung) bei niedrigen Drücken und die Gleitdämpfung bei höheren Drücken. Die Druckbereiche für diese Dämpfungsbereiche variieren abhängig von den erforderlichen speziellen Betriebsparametern, die ihrerseits die Sensorkonstruktionsspezifikationen festlegen. Beispielsweise würde in einem Mehrsensormessgerät der Niederdrucksensor eine große Masseplatte in der Größenordnung von 20 μm über seine kleinste Flächenabmessung nutzen, 2 μm oder weniger vom Tragelement beabstandet. Um aus dem Quetschdämpfungseffekt Vorteil zu ziehen, muss die Masseplatte in einer Richtung senkrecht zu ihrer Tragebene vibrieren bzw. schwingen. Der Hochdrucksensor kann für eine Masse ähnlicher Abmessungen verwendet werden, ebenfalls beabstandet um 2 μm oder weniger von dem Tragsubstrat; die Oszillationsrichtung würde jedoch parallel zur Tragplatte getrieben werden. Wenn Betriebbeschränkungen es erforderlich machen, dass der Hochdrucksensor in senkrechter Richtung oszilliert, muss ein ventilierte bzw. belüftete Masseplatte verwendet werden, um den Quetschdämpfungseffekt zu verhindern. Die Bahnen zwischen den Löchern in der Masseplatte sollten nicht breiter sein als die Distanz der Masse zu dem Substrat, um eine maximale Verringerung des Quetschdämpfungsphänomens zu erzielen. Ein Druckmessgerät mit Sensoren der vorstehend erläuterten Art arbeitet im Quetschdämpfungsbereich für den Niederdrucksensor zwischen etwa 10^–6 Torr (0,13 mPa) und etwa 10^–2 Torr (1,3 Pa). Für den Hochdruckbetrieb liegt der Betrieb in dem Nichtquetsch-/Molekulardämpfungsbereich zwischen etwa 10^–3 Torr (0,13 Pa) und etwa 10 Torr (1,3kPa) und in dem Gleitdämpfungsbereich zwischen etwa 10 Torr (1,3 kPa) und etwa 1000 Torr (133 kPa). Einem Fachmann auf diesen Gebiet der Technik erschließt sich, und dies wird in der nachfolgenden Analyse dargestellt, dass diese Bereiche auf- oder abwärts bewegt werden können, indem Folgendes vorgesehen wird: Änderungen des Abstands zwischen dem Vibrationselement und dem Tragelement; Variationen der Vibrationselementfläche; Variationen der Oszillationsrichtung des vibrierenden Elements, und Änderungen der Resonanzfrequenz des Feder-Massesystems. Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt sich außerdem, dass die Form des vibrierenden Elements, insbesondere in Bezug auf die minimale Abmessung der Masse für eine gegebene Form (d. h., ein Rechteck), senkrecht zu dem Tragelement getrieben, auch den Betriebsbereich des Systems beeinträchtigen kann. Wie aus vorstehend genanntem Beispiel hervorgeht, besitzt die Masse einer ventilierten runden Platte, getrieben mit senkrechter Oszillation, wobei die Form derart ist, dass der minimale Querschnitt maximal gehalten ist, eine höhere Dämpfung im Quetschmodus, wodurch der Messbereich zu höheren Drücken erweitert wird als eine Platte mit verringerter Fläche in Folge der Bereitstellung von Löchern, die in der gesamten Platte beabstandet sind, und der Wahl der Plattenmassenform. Eine Aufgabe dieser Analyse besteht darin, aufzuzeigen, wie diese Konstruktionsparameter manipuliert werden können, um einzelne Drucksensoren herzustellen, von denen jeder in der Lage ist, einen anderen Druckbereich zu messen für eine Verwendung in Kombination mit einem einzigen Druckmessgerät, um einen insgesamt erweiterten Druckbereich zu ermöglichen.
Die Beziehung des Dämpfungsfaktors zum Druck für die drei Bereiche ist nachfolgend erläutert:
Der Dämpfungsfaktor für molekulares Dämpfen ist durch den Index m dargestellt und es gilt
wobei P der Druck ist, wobei M die Gasmolekülmasse ist, wobei T die absolute Temperatur ist und wobei A die Fläche ist, auf die die Dämpfungskraft einwirkt. Diese Beziehung für molekulares Dämpfen gilt ungeachtet der Oszillationsrichtung. Eine Platte planarer Form könnte sich beispielsweise parallel zur Achse ihrer Ebene bewegen, senkrecht zur Achse ihrer Ebene oder sie könnte um beliebige Achsen der Platte in Torsionsweise vibrieren. Die Dämpfungswirkung kann jedoch für eine Plattenmasse geändert werden, die in einer Richtung senkrecht zur Achse ihrer Ebene schwingt durch Anordnen einer zweiten Platte, die ebenfalls als Tragstruktur wirkt, parallel zur oszillierenden Platte und in ihrer unmittelbaren Umgebung. In dieser Anordnung wird Gas zwangsweise zwischen den Platten heraus bewegt und daraufhin zurückgesaugt durch die Bewegung der oszillierenden Platte. Diese Pumpwirkung wird als "Quetschdämpfung" bezeichnet. Das Quetschdämpfen kann verringert werden durch Perforieren der Platte mit Löchern, durch Vergrößern des Abstands zwischen der Platte und der Tragstruktur und durch Verringern der Plattengröße. Die Quetschdämpfung geht in die herkömmliche Molekulardämpfung über, wenn die Bewegung der oszillierenden Platte in eine Vibrationsbewegung geändert wird, die parallel zur Ebene der Plattenmasse verläuft.
Der Dämpfungsfaktor für das Quetschdämpfen ist als Index sq dargestellt und es gilt
wobei C_s eine Konstante ist, die von der Form der Masse abhängt, wobei d die Distanz zwischen der Plattenmasse und dem Tragelement ist, und wobei W eine Masseabmessung ist, wie etwa die Kantenlänge für eine quadratische Masse oder ein Durchmesser für eine runde Masse. Die in Klammer enthaltene Größe kann zu eins gemacht werden, wodurch der Sensor aus dem Quetschdämpfungsbereich durch Verringern von W und Vergrößern von d heraus kommt.
In 4a und 4b ist eine Ausführungsform eines einzelnen Sensors gezeigt, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und eine großflächige Masse 41 aufweist, die durch vier Federn 42a, 42b, 42c und 42d getragen ist. Eine großflächige Masse für die aktuelle mikromechanische Technik liegt in der Größenordnung von 20 mils (in etwa 500 μm), quer verlaufend für einen Abstand der Masse zu einem feststehenden Element von etwa 1 bzw. 2 μm. Diese Grenze resultiert aus der Neigung der Platten, sich zu verwinden, wenn sie mit größeren Masseflächen hergestellt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen der Masse und dem Substrat während des Betriebs wächst. Die Federn sind am Substrat 47 in Ankerpunkten 43a, 43b, 43c und 43d verankert. Die Masse 41 dient als eine der Treiberelektroden und sie ist elektrisch mit der Umgebung über die Feder 42d, den Ankerpunkt 43d und eine Substratmetallisierung 44 verbunden. Die Substratelektrode 45 ist mit der Umgebung über eine Substratmetallisierung 46 verbunden. Löcher 48 in der Masse können vor gesehen sein, um den Quetschdämpfungseffekt abhängig von den Betriebserfordernissen des Sensors stark zu verringern. Wenn Quetschdämpfen stark unterdrückt werden soll, müssen die unperforierten Abschnitte zwischen den Löchern kleiner sein als der Abstand der Masse zum Substrat. Andererseits müssen andere Herstellungsverfahren, die keine Löcher erfordern, eingesetzt werden, um die effektivste Quetschdämpfung zu erzielen.
Der Dämpfungsfaktor für Gleitdämpfung ist weniger abhängig vom Druck als die Molekulardämpfung und tritt über etwa zwei Dekaden des Drucks auf, der zwischen Molekulardämpfung und viskoser Dämpfung übergeht, wobei viskoses Dämpfen keine Abhängigkeit vom Druck zeigt. Gleitdämpfen auf Sensoren der vorstehend erläuterten Art hat folgende Abhängigkeit vom Druck gezeigt:
wobei n in der Größenordnung von 1/4 liegt.
Die Vibrationsamplitude kann nunmehr im Hinblick auf Oszillatorkonstruktionsparameter für die Dämpfungsbereiche wie folgt niedergeschrieben werden:
Um dafür zu sorgen, dass der Sensor im molekularen Dämpfungsbereich bis zu einem möglichst hohen Druck arbeitet, muss die Distanz d zwischen der Masse und dem stationären Tragelement, wie vorstehend erläutert, so klein wie möglich gemacht wer den. Die aktuelle Mikroherstellungstechnik begrenzt sie (die Distanz) auf eine Größenordnung von 1 μm. Ferner ist es erwünscht, die konstante Amplitude bei höheren Drücken zu treiben, ohne eine übermäßige Vorspannung V₀ und Treiberspannung V zu verwenden. Die Resonanzfrequenz √k/m muss deshalb niedrig gehalten werden, jedoch nicht so niedrig, dass der Sensor veranlasst wird, durch externe Vibrationen beeinträchtigt zu werden. Zwanzigtausend Hertz stellt eine konservative Wahl zur Vermeidung der Auswirkung von externer Vibration dar. Außerdem wurde bei der Ableitung der Gleichung (15) angenommen, dass der zum Messen höherer Drücke verwendete Sensor so erstellt ist, dass er Quetschdämpfen vermeidet. Dies bedeutet, dass der Sensor so ausgelegt sein muss, dass seine Masse sich parallel zu dem feststehenden Element bewegt, oder, wenn die Masse dazu ausgelegt ist, sich senkrecht zu dem feststehenden Element zu bewegen, muss ihre Breite entweder in der Größenordnung ihres Abstands vom feststehenden Element liegen oder die Massebreite muss größer sein als der Abstand vom feststehenden Element, wobei die Masse zahlreiche eng beabstandete Löcher aufweisen muss, um den Quetschdämpfungseffekt zu unterbinden.
Für die Niederdrucksensorkonstruktionsgleichung (3), die die Größen der Gleichung (11) für C und der Gleichung (13) für K_sq eingetragen sind, gilt Folgendes:
Auch bei niedrigen Drücken ist es wichtig, dafür zu sorgen, dass die Vibrationsamplitude der Plattenmasse nicht zu groß wird, um einen Kontakt zwischen dem vibrierenden Element und dem stationären Element zu verhindern. Die Gleichung (16) zeigt, dass die Amplitude klein gehalten werden kann, indem die Distanz d zwischen der Masse M und dem feststehenden Tragelement klein gemacht wird und durch Maximalhalten der Plattenmassenkantenabmessung W. Dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik erschließt sich, dass die Vorspannung stets beschränkt ist, weil ihre Wirkung darin besteht, das Vibrationselement näher an das stationäre Element zu ziehen. Wenn die Vorspannung zu hoch ist, übersteigt die elektrostatische Kraft die Federkraft und das vibrierende Element schnappt auf das stationäre Element herunter. Indem die Resonanzfrequenz √k/m so hoch gehalten wird, wie die Systemausleseelektronik dies erlaubt, wird auch die Vibrationsamplitude innerhalb Grenzen bei niedrigen Drücken gehalten.
5a und 5b zeigen eine weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, demnach der Sensor so ausgelegt ist, dass er in zwei Vibrationsmodi arbeitet, einem Modus zum Messen von Drücken am unteren Ende des Druckbereichs, und einem weiteren Modus zum Messen am höheren Ende des Druckbereichs. Der Sensor für das Hochdruckende kann auch verwendet werden, um Drücke zu messen, die in den Gleitbereich fallen, wodurch der gesamte Messbereich zu noch höheren Drücken hin erweitert wird, wenn auch mit geringerer Genauigkeit. Die Masse 51 wird parallel zu dem feststehenden Substrat 52 durch Kammelektroden 53a und 53b für Messung bei höherem Druck getrieben. Die Masse 51 wird so getrieben, dass sie in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat oszilliert, und zwar durch die Substratelektrode 54, für Messungen bei niedrigerem Druckpunkt für die gezeigte Anordnung nutzt der Kammantrieb komplementäre Wechselspannungstreiberspannungen für die gegenüberliegenden Kammantriebe, wie vorstehend erläutert; es ist jedoch auch möglich, die Masse mit einer ein zigen Wechselspannung mit einem Kammantrieb bzw. Kammtreiber zu treiben. Wie in den Figuren gezeigt, wird der Quetschmodus mit einer einzigen Wechselspannung getrieben; dem Fachmann auf diesem Gebiet erschließt sich jedoch, dass es möglich ist, ein Zweimassensystem zu erstellen, wobei jede Masse doppelte Kammtreiber aufweist, wobei beide Vibrationsmodi mit einem (einzigen) komplementären Wechselstromtreiber bzw. -antrieb getrieben werden können. Die Frequenzen der beiden Modi können so ausgelegt sein, dass sie sich unterscheiden, indem die Federn 55a, 55b, 55c und 55d mit rechteckigem Querschnitt erstellt werden, und die Frequenzen können eingestellt werden entweder in Auf- oder Abwärtsrichtung, durch Variieren des Querschnitts und der Länge der Federn. Die Federn können alternativ gefaltet werden, so dass die Ankerpunkte 56a, 56b, 56c und 56d näher aneinander liegen, wodurch die differenziellen thermischen Expansionseffekte zwischen dem Substrat und dem Federmassesystem verringert werden können. Dies ist nützlich, wenn der Sensor über einen weiten Temperaturbereich verwendet werden soll, wenn die Temperatursteuerung für den Sensor anderweitig erforderlich sein sollte. Das Federsystem gemäß der vorliegenden Erfindung sollte bevorzugt aus einem Material erstellt sein, das problemlos mikromaschinell bearbeitet werden kann, das eine sehr geringe interne Dämpfung aufweist und das im Wesentlichen unendliche Lebensdauer bei den in Betracht kommenden Verschiebungen aufweist. Ferner ist vorteilhaft, wenn, zusätzlich zu den vorstehend genannten Eigenschaften, das Federmaterial elektrisch leitend ist. Das bevorzugte Material zur Herstellung des Feder-Massesystems ist Silizium und insbesondere einkristallines Silizium, das mit einem Material dotiert ist, um es leitend zu machen, wie etwa mit Bor. Andere Materialien, wie etwa Quarz, Saphir und Nickel, können verwendet werden, bieten jedoch nicht die vorstehend erläuterten Eigenschaften in vor teilhafter Kombination wie Silizium. Das Substrat bzw. das feststehende oder stationäre Tragelement muss ein elektrischer Isolator sein oder es muss eine isolierende Oberfläche aufweisen und es muss einen thermischen Expansionskoeffizienten nahe an demjenigen des Masse-Federmaterials aufweisen. Pyrexglass und passiviertes Silizium sind die bevorzugten Materialien; andere Glasmaterialien und Keramik können jedoch für das Substrat verwendet werden. Die Treiberelektroden sind mit externen Stromquellen über Substratmetallisierungen 57a, 57b, 58 und 59 verbunden.
Die Vorrichtungsvorspannung bis hin zu 5 Volt und Treiberspannungen im Bereich von 50 Mikrovolt bis 5 Volt reichen aus, um das erfindungsgemäße Sensorsystem zu treiben. Treiberspannungen unterhalb von 50 Mikrovolt führen zu Rauschen und Verzerrungsproblemen und Treiberspannungen viel höher als 5 Volt erfordern elektronische Komponenten mit höherer Spannung. Die Vorspannung V₀ kann auch variiert werden, um den Treiberkraftbereich über die Größenordnung hinaus zu variieren, die durch den Treiberspannungsbereich geboten wird. Der praktische Q-Bereich für den Sensor liegt jedoch im Bereich von 5 bis 100.00, weshalb ein größerer Treiberspannungsbereich nicht erforderlich ist.
Der vorstehend erläuterte Drucksensor besitzt die folgenden Phasenreaktionseigenschaften bzw. -kennlinien. Für Frequenzen unterhalb der Resonanz ist die Ausgangsamplitude konstant für eine konstante Amplitudentreiberspannung und das Sensorausgangssignal befindet sich in Phase mit dem Treibersignal. Bei der Resonanz ist das Sensorausgangssignal Q-Mal so groß wie die Ausgangsamplitude unter der Resonanz und das Ausgangssignal hinkt der Treiberspannung um 90 Grad nach. Für Frequenzen unmittelbar über der Resonanz nimmt das Sensorausgangssignal stärker ab als –40 dB/Dekade und für Frequenzen beträchtlich höher als die Resonanz nimmt das Sensorausgangssignal präzise mit –40 dB/Dekade ab. Eine Frequenzverzögerung zwischen den Treibersignalen und dem Sensorausgangssignal nimmt auf 180 Grad zu, wenn die Frequenz über die Resonanz hinaus vergrößert wird.
Drei Ausleseverfahren werden erläutert, die von der druckabhängigen Dämpfungsgröße Gebrauch machen.
Das Bode-Reaktionsverfahren basiert auf der Beziehung Q = (f_res/–3 dB Bw), wobei f_res die Resonanzfrequenz ist und wobei ein Signal konstanter Amplitude und variabler Frequenz an die Sensortreiberelektroden angelegt wird. Das Ausgangssignal von dem Verstärker wird verstärkt und an einen Amplitudendetektor angelegt. Die Frequenz der variablen Treiberquelle wird schrittweise in kleinen Inkrementen ausgehend von Frequenzen unterhalb der Sensorresonanz bis auf eine Frequenz weit genug über der Resonanz erhöht, um den 3 dB-Punkt einzuschließen. Die Ausgangsamplitude wird für jeden Frequenzschritt unter Erzeugung einer Amplituden-Frequenzkurve aufgezeichnet. Der Qualitätsfaktor Q wird daraufhin ermittelt durch Messen der –3 dB-Bandbreite des Resonanzamplitudenspitzenwerts und durch Teilen der Bandbreite in die Resonanzfrequenz, um Q zu erhalten, der umgekehrt proportional zum Druck ist.
Für das Amplitudenabklingverfahren gilt die Beziehung Q = (πt₁[f_res]), wobei t₁ = die Zeit für die Amplitude zum Abklingen auf 1/e der anfänglichen Amplitude. Ein Spannungsoszillator wird an die Treiberelektroden angelegt und die Oszillatorfrequenz wird mit der Resonanzfrequenz über einen Phasenverriegelungskreis bzw. eine Phasenverriegelungsschleife verriegelt. Das Ausgangssignal von dem Sensor wird an einen Prä zisionsvollwellengleichrichter und einen Tiefpassfilter angelegt. Bei dem Ausgangssignal von dem Tiefpassfilter handelt es sich um ein Signal, das die Sensorausgangssignalamplitudenhülle verfolgt. Ein Elektronikschalter unterbricht den Signalpfad, der den Oszillator mit den Treiberelektroden verbindet. Wenn das Ausgangssignal des Sensors abklingt, folgt das Ausgangssignal des Tiefpassfilters diesem Abklingen. Die Zeit, die die Amplitude benötigt, um auf 1/e des ursprünglichen Werts abzuklingen, wird gemessen, und der Qualitätsfaktor Q beträgt daraufhin das π-fache der Abklingzeit, multipliziert mit der Resonanzfrequenz.
Das Konstantamplitudenverfahren beruht auf der Beziehung Q = K [V_out @ f_res/V_DR @ f_res], wobei V_out die Ausgangsspannung ist, wobei V_DR die Treiberspannung ist und wobei K eine Konstante ist. Dieses Verfahren nutzt die Beziehung zwischen der Treiberspannung und dem Druck, wie in den Gleichungen (15) und (16) gezeigt, wobei eine konstante Temperatur und eine festgelegte Gasspezies der Druck proportional zur Treiberspannung für eine feststehende Amplitude ist. 6 zeigt ein Schema für die Drucksensorschnittstellenelektronik unter Verwendung dieses bevorzugten Verfahrens, wobei die Treiberelektroden 62a und 62b durch einen Phasenteiler 61 getrieben sind. Der Phasentreiber stellt In-Phasensignale und um 180 Grad phasenverschobene Signale für die Treiberelektroden bereit. Außerdem wird eine Gleichstromvorspannung durch eine (nicht gezeigte) Phasenteilerzusatzschaltung bereit gestellt. Die Masse 64 ist durch eine Torsionsfeder 63 aufgehängt, die eine Bewegung der Masse in einem Schwingarmmodus um die Torsionsfederaufhängung erlaubt. Die Masse ist elektrisch mit einem Ladeverstärker 65 verbunden, der für die Masse eine virtuelle Masse bereit stellt. Die Erregung von den Treiberelektroden veranlasst die Masse dazu, um die Torsionsfeder bei ihrer Re sonanzfrequenz zu vibrieren. Diese Bewegung führt dazu, dass die Sensorkapazität in Phase mit der Bewegung der Masse variiert. Eine zwischen Masse und den Treiberelektroden angelegte Spannung ist konstant und sorgt dafür, dass die Ladung in die virtuelle Ladeverstärkermasse hinein und aus dieser heraus fließt, wenn die Masse vibriert. Der oszillierende virtuelle Massestrom führt zu einem Spannungssignal am Ausgang des Ladungsverstärkers. Der Spannungsverstärker 66 mit 400-facher Verstärkung stellt eine zusätzliche Verstärkung für das Drucksensorsignal bereit.
7 zeigt schematisch die Auslese- und Treiberelektronik, in der die Auslesung von dem Sensor 71 auf einen 10 Volt-z-p-Signalpegel verstärkt wird. Dieses verstärkte Signal wird an einen Analogmultiplizierer (X³/10) 72 und einen Tiefpassfilter 73 angelegt. Das Ausgangssignal von dem Tiefpassfilter stellt eine Spannung dar, die die halbe Signalamplitude aufweist, die an die Quadrierungsschaltung (X²/10) angelegt ist. Das Tiefpassausgangssignal und eine 5 Volt-Sollpunktspannung werden an den Integrator 74 angelegt. Jegliche Differenz zwischen dem Sollpunkt und dem Tiefpassfilter wird integriert unter Erzeugung eines Steuersignals. Das verstärkte 10 Volt-z-p-Sensorsignal wird ebenfalls an einen zusätzlichen Integrator 75 angelegt, der dazu ausgelegt ist, die Phase um +90 Grad zu verschieben. Dieses Signal (+90 Grad Phasenleitung) hat nunmehr die korrekte Phase, um den Sensor zu erregen. Das Steuersignal und das um +90 Grad phasenverschobene Signal werden an einen zusätzlichen Multiplizierer 76 angelegt, der die Amplitude des um +90 Grad phasenverschobenen Signals moduliert. Das Verfahren mit konstanter Amplitude ist bevorzugt auf Grund der Einfachheit der Elektrode und der Auslesegeschwindigkeit.
Sämtliche vorstehend angesprochenen elektronischen Treiber- und Ausleseverfahren können für quetschgedämpfte und molekular gedämpfte Sensoren verwendet werden, und zwar unter einer Erweiterung auf einen Gleitdämpfungsbereich durch Erkennen der Änderung bezüglich der Abhängigkeit des Qualitätsfaktors vom Druck in diesem Bereich.

Claims

Mikromechanisches Druckmessgerät zur Verwendung mit einem Gas mittlerer freier molekularer Weglänge, aufweisend: ein stationäres Element, wobei das stationäre Element aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, und zumindest eine Substratelektrode aufweist, wobei jede Elektrode einen jeweiligen Substratleiterpfad aufweist, der mit ihr übereinstimmt und der mit ihr betriebsmäßig verbunden ist, mehrere Vibrationselemente, die an dem stationären Element benachbart zu diesem fest angebracht sind, wobei die Vibrationselemente jeweils eine Masse aufweisen, eine Einrichtung zum Tragen der Masse, eine Masseelektrode, die mit der Masse übereinstimmt und betriebsmäßig mit dieser verbunden ist, und einen Masseleitungspfad, der betriebsmäßig mit der Masseelektrode verbunden ist und der elektrisch die Vibrationselemente mit den stationären Element verbindet, um im wesentlichen unter einer Distanz zu liegen zu kommen, die mit der mittleren freien Weglänge von dort aus vergleichbar ist, einen elektrischen Oszillator, der mit den Leitungspfaden verbunden ist, um mechanische Vibrationen einer vorbestimmten Oszillationsamplitude in jedem Vibrationselement bei Vorliegen einer druckabhängigen Dämpfung einzuleiten und aufrecht zu erhalten, so dass die Vibrationselemente jeweils über einen festgelegten Abschnitt eines ausgedehnten molekularen Mitnahmebereichs arbeiten, und eine Einrichtung zum Messen einer Treiberspannung, die zum Aufrechterhalten der vorbestimmten Masseoszillationsamplitude benötigt wird, wobei die Treiberspannung proportional zu dem Gesamtdruckwert des Gases ist.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei das Vibrationselement bzw. die Vibrationselemente (41, 51) aus Silizium besteht bzw. bestehen, und wobei die Einrichtung zum Tragen des Vibrationselements bzw. der Vibrationselemente aus zumindest einem Paar von Federn (42a–d, 55a–d) besteht bzw. bestehen, wobei die Federn (42a–d, 55a–d) einen Q-Wert größer als 100.000 aufweisen.
Messgerät nach Anspruch 2, wobei es sich bei den Federn (42a–d, 55a–d) um Torsionsfedern handelt, und wobei das Vibrationselement bzw. die Vibrationselemente (31, 64) Massen aufweist bzw. aufweisen, die einander diametral gegenüberliegen und an dem stationären Element (33) in Sägezahnkonfiguration fest angebracht sind.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei dem Vibrationselement bzw. den Vibrationselementen (21, 31, 41, 51, 64) um Platten vielseitiger Form handelt.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Vibrationselement (21, 31, 41, 51, 64) in mehreren unterschiedlichen Vibrationsmodi oszilliert, oder wobei jedes Vibrationselement in einem anderen Vibrationsmodus vibriert.
Messgerät nach Anspruch 5, wobei die Vibrationsmodi Oszillationsrichtungen parallel sowie senkrecht zu dem stationären Element (22, 33, 47, 52) sind.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Druckmessung auf höhere Drücke erweitert ist durch Vor sehen von mehreren Öffnungen (48) in dem Vibrationselement (41), damit das Gas dort hindurch gelangen kann, wobei die Öffnungen (48) voneinander in der Größenordnung von etwa einer Distanz beabstandet sind, die kleiner ist als ein Freiraumabstand zwischen dem Vibrationselement (41) und dem stationären Element (47).
Messgerät nach Anspruch 2 oder einem von diesem abhängigen Anspruch, wobei die Federn (42a–d, 52a–d) das Vibrationselement (41, 51) mit dem stationären Element (47, 52) betriebsmäßig verbinden, um Oszillationen in einer Richtung senkrecht zum stationären Element (47, 52) zu fördern.
Messgerät nach Anspruch 2 oder einem von diesem abhängigen Anspruch, wobei die Federn (42a–d, 52a–d) das Vibrationselement (41, 51) mit dem stationären Element (47, 52) betriebsmäßig verbinden, um Oszillationen in einer Richtung parallel zu dem stationären Element (47, 52) zu erleichtern.
Messgerät nach Anspruch 9, wobei die stationären Elementelektroden (45, 53a, 53b, 54) mit den Vibrationselementelektroden fluchtend angeordnet sind, um Oszillationen parallel zu dem stationären Element zu erzeugen.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Vibrationselement (21, 31, 41, 51, 64) dazu ausgelegt ist, in einer Ebene zu oszillieren, die parallel zu der ebenen Oberfläche des stationären Elements (22, 33, 47, 52) angeordnet ist, wobei die natürliche Oszillationsfrequenz im Bereich von 20.000 Hz bis 100.000 Hz liegt.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Vibrationselement (21, 31, 41, 51, 64) außerdem ein Masse-Federsystem umfasst, wobei das System ein elektrisch leitendes Material aufweist.
Messgerät nach Anspruch 12, wobei das elektrisch leitende Material ein kristallines Silizium ist, das mit Bor dotiert ist.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Vibrationselement (21, 31, 41, 51, 64) dazu ausgelegt ist, entlang einer direktionellen Achse senkrecht zur ebenen Oberfläche zu oszillieren, wobei die natürliche Oszillationsfrequenz im Bereich von 20.000 Hz bis 100.000 Hz liegt.
Messgerät nach. einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Distanz zwischen dem stationären Element und dem Vibrationselement zwischen 1 und 1/100 einer mittleren freien Weglänge beträgt, und wobei der gemessene Druckbereich dadurch über den molekularen Mitnahmebereich in einen Gleitmitnahmebereich erweitert ist durch Kompensieren von Änderungen der Treiberspannung und der Oszillationsamplitude, resultierend aus Betriebsabläufen in dem Bereich.
Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das stationäre Element (22, 33, 47, 52) aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist.
Verfahren zum Erweitern eines Messbereichs für ein mikromechanisches Druckmessgerät, aufweisend die Schritte: Bereitstellen von zumindest zwei Vibrationselementen mit einer Oszillationseinrichtung, die aus einem Material mit einem hohen Q-Wert hergestellt und einem stationären Element mit einem minimalen Freiraum zwischen den Vibrationselementen und dem stationären Element festgelegt ist, Erweitern des Messbereichs auf höhere Drücke in sowohl einem molekularen Mitnahme- wie einem Gleitmitnahmebereich durch Treiben eines ersten Vibrationselements zugunsten einer Oszillation in einer Richtung parallel zu dem stationären Element und Minimieren der Resonanzfrequenz des Vibrationselements, Erweitern des Messbereichs auf niedrigere Drücke durch Treiben eines zweiten Vibrationselements zur Oszillation in einer Richtung senkrecht zu dem stationären Element und Maximieren einer minimalen ebenen Abmessung des Vibrationselements und Minimieren der natürlichen Frequenz des Elements.
Verfahren zum Erweitern eines Messbereichs für ein mikromechanisches Druckmessgerät, aufweisend die Schritte: Bereitstellen von zumindest zwei Vibrationselementen mit einer Oszillationseinrichtung, die aus einem Material mit einem hohen Q-Wert hergestellt ist, und das an einem stationären Element festgelegt ist, wobei ein Freiraum zwischen den Vibrationselementen und dem stationären Element kleiner als eine mittlere freie Weglänge von Molekülen eines Gases zwischen dem Vibrationselement und dem stationären Element bei einem höchsten gemessenen Druck ist, wobei der höchste Druck innerhalb eines molekularen Mitnahmebereichs liegt, Erweitern des Messbereichs auf höhere Drücke durch Treiben eines ersten Vibrationselements, das eine perforierte Oberfläche aufweist, zugunsten einer Oszillation in einer Richtung senkrecht zu dem stationären Element und Minimieren der Resonanzfrequenz des Vibrationselements, Erweitern des Messbereichs auf niedrigere Drücke durch Treiben eines zweiten Vibrationselements zugunsten einer Oszillation in einer Richtung senkrecht zu dem stationären Element, Minimieren des Freiraumabstands zwischen dem Vibrationselements und dem Tragelement, Maximieren einer minimalen ebenen Abmessung des Vibrationselements und Maximieren der Resonanzfrequenz des Vibrationselements.
Verfahren zum Erweitern des Messbereichs nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Niederdruckmessung in einem Bereich von 1,33 × 10^–4 Pa bis 1,33 Pa liegt, und wobei der Hochdruck in einem Bereich von 0,133 Pa bis 1,33 × 10⁵ Pa liegt.
Verfahren zum Erweitern eines Messbereichs für ein mikromechanisches Druckmessgerät, aufweisend die Schritte: Bereitstellen eines Vibrationselements (21, 31, 41, 51, 64) mit ebenen Abmessungen, die eine minimale Abmessung für eine gegebene Elementform maximieren, wobei das Element an einem stationären Element (22, 33, 47, 52) mit minimierten Freiraum festgelegt ist, wobei das Vibrationselements (21, 31, 41, 51, 64) ein Federsystem mit sowohl niedriger wie hoher natürlicher Frequenz ist, die Oszillationen des Vibrationselements (21, 31, 41, 51, 64) sowohl in parallelen wie senkrechten Richtungen relativ zum stationären Element (22, 33, 47, 52) zulässt, Oszillierenlassen des Vibrationselements (21, 31, 41, 51, 64) in einer Ebene parallel zu dem stationären Element (22, 33, 47, 52) für Hochdruckmessungen, und Oszillierenlassen des Vibrationselements (21, 31, 41, 51, 64) in einer Ebene senkrecht zu dem stationären Element (22, 33, 47, 52) für Niederdruckmessungen.