-
Diese Erfindung betrifft Drucksensorvorrichtungen.
Vorrichtungen zum Abfühlen
des Druckes eines Fluids finden in vielen Bereichen von der Erdölexplorationsbranche
bis zur Luft- und Raumfahrtindustrie kommerzielle Anwendung. Ein
bekannter Drucksensortyp verwendet die Resonanzfrequenz eines vibrierenden
Elements, das auf einer elastischen Membran montiert ist, zum Messen
eines von einem Fluid ausgeübten
Drucks. Der Druck biegt die Membran durch, wodurch das vibrierende
Element unter mechanische Spannung gesetzt wird, und das beeinflusst
die Resonanzfrequenz seiner Schwingung.
-
Das uns erteilte britische Patent
Nr. GB 2223311 beschreibt einen Sensor dieses Typs, bei dem ein
einfaches gerades vibrierendes Zwischenträgerelement an der Rückseite
einer Membran angebracht ist, die dem Druck ausgesetzt ist. Die Schwingungsfrequenz
ist eine Funktion des ausgeübten
Drucks. Ein zweiter vibrierender Zwischenträger, der nur an einem Ende
angebracht ist, wird zum Messen der Temperatur für Temperaturkompensationszwecke
verwendet.
-
Viele der bekannten Vorrichtungen
haben aber einen oder mehrere Nachteile. Ihre Bauweise ist komplex,
was zu niedriger Produktion und hohen Herstellungskosten führt. Auch
ist es schwierig, sie zum Messen von sehr hohen Drücken anzuwenden, weil
die Membran dort, wo sie am Gehäuse
der Vorrichtung angebracht ist, ausfällt.
-
Das britische Patent Nr. GB 2178536
beschreibt einen Resonanzdruckwandler in Quarz, bei dem der extern
angelegte Druck einen scheibenförmigen
Resonator belastet, wodurch seine Resonanzfrequenz im Verhältnis zum
Druck geändert
wird. Diese Konstruktion eignet sich für Messungen von hohen Drücken, ist
aber teuer in der Herstellung und schwierig zu miniaturisieren.
-
JP-A-55/60832 beschreibt einen Drucksensor
gemäß der Präambel von
Anspruch 1. Die in JP-A-55/60832 gezeigte Vorrichtung hat eine Scheibe
vom Kristalltyp, auf der halbkugelförmige Körper montiert sind. Der Kristall
wird piezoelektrisch in Schwingungen versetzt und ist dergestalt,
dass extern ausgeübter
Druck die Resonanzfrequenz ändert. Die
auf die beiden halbkugelförmigen
Körper
wirdende Last wird über
die Kristallscheibe verteilt und die resultierenden Beanspruchungen
der Scheibe beeinflussen die Resonanzfrequenz.
-
Die vorliegende Erfindung sieht einen
Drucksensor vor, wie er in Anspruch 1 definiert wird, und ein Verfahren
zum Anfertigen einer druckempfindlichen Vorrichtung gemäß der Definition
in, Anspruch 16.
-
Vorzugsweise werden die Schichten
aneinander gebondet, um die Kavität abzudichten.
-
Vorzugsweise sind alle Schichten
aus dem gleichen Material hergestellt, um Temperatureffekte minimal
zu halten. Beispiele geeigneter Materialien sind Silizium und Quarz.
-
Mit mikromechanischen Bearbeitungsmethoden
kann die Vorrichtung extrem klein ausgeführt werden, wodurch thermische
Ausgleichvorgänge
minimiert werden und ihr Anwendungsbereich erweitert wird.
-
Andere Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden in den angefügten
Ansprüchen
dargelegt, auf die jetzt Bezug zu nehmen ist.
-
Die Erfindung kann jedwede Kombination der
hierin genannten Merkmale oder Begrenzungen aufweisen.
-
Die Erfindung kann auf verschiedene
Weisen in die Praxis übertragen
werden, im Folgenden wird aber eine Ausgestaltung nur beispielhaft
unter Bezugnahme auf die schematischen Begleitzeichnungen beschrieben.
Dabei zeigt:
-
1 einen
Längsschnitt
einer erfindungsgemäßen Drucksensorvorrichtung;
-
2 eine
Drucksensorvorrichtung von 1 im
Querschnitt in Querrichtung entlang der Linie A-A' von 1;
-
3 eine
zentrale Schicht der Vorrichtung von 1 in
Draufsicht;
-
4 die
Vorrichtung der 1 bis 3 im Schnitt entlang der
Linie B-B' von 3;
-
5 eine
alternative Vorrichtung der Erfindung im Längsschnitt;
-
6 die
Vorrichtung von 5 im
Querschnitt entlang der Linie C-C' von 5;
-
7 eine
zentrale Schicht der Vorrichtung von 5 in
Draufsicht und
-
8 die
Vorrichtung der 5 bis 7 im Schnitt entlang der
Linie D-D' von 6.
-
Bezug nehmend auf 1, dies ist ein Längsschnitt einer allgemein
durch die Bezugsnummer 10 repräsentierten Drucksensorvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst
ein Gehäuse 11,
das selbst zwei Siliziumschichten 11a und 11b und
eine zentrale Schicht 12 umfasst, die ein Brückenelement
umfasst, das eine in dem Gehäuse 11 gebildete,
evakuierte Kavität 13 überbrückt. Das Gehäuse 11 und
die zentrale Schicht 12 sind an ihrem Umfang aneinander
schmelzgebondet. Die Vorrichtung 10 bildet Teil einer Druckmessvorrichtung und
ist, ausgenommen für
Umgebungsluft-Druckmessungen, im Gebrauch in einem Behälter zum Enthalten
von Fluid, von dem ein Teil an 14 gezeigt wird, durch ein
Dichtungsmaterial 14a mittels einer leicht kegeligen Passung
zwischen einem Teil der Vorrichtung 10 und einer Öffnung 14b in
dem Behälter 14 luftdicht
verschlossen.
-
2 ist
eine Querschnittansicht der Vorrichtung 10 entlang der
Linie A-A' von 1. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Querschnittsform
der Vorichtung im Wesentlichen elliptisch oder rhombisch (rautenförmig) ist.
Diese Form wird in dem gezeigten Beispiel durch eine Anzahl von
Stufen in den Schichten 11a und 11b gebildet.
-
3 zeigt
die zentrale Schicht 12 in Draufsicht. Die Schicht 12 ist
im Wesentlichen rechteckig, wie auch die Sensorvorrichtung 10 als
Ganzes. Die Schicht 12 hat eine zentrale Öffnung 15,
die Teil der Kavität 13 bildet
und von einem Umfangs- oder Randbereich 18 umgeben ist. Über die Öffnung in
einem im Wesentlichen zentralen Bereich der Schicht 12 erstrecken
sich zwei Zwischenträger 16,
die ein mitschwingend vibrierbares spannungsempfindliches Doppelzwischenträgerelement
bilden. Die Zwischenträger 16 sind
an ihren Enden an Knoten bildenden Bereichen 17 angebracht
und von dort an dem peripheren Bereich 18 der Schicht 12.
Die Schicht 12 trägt
das spannungsempfindliche Element 6 daher an den Randbereichen,
während
sich das spannungsempfindliche Element quer über die Öffnung 15 erstreckt.
An jedem Knoten bildenden Bereich 17 der Zwischenträger 16 ist
jeweils ein relativ massives Isolierelement 19 angebracht,
das im Gebrauch die Aufgabe hat, die Schwingung der Zwischenträger 16 vom
Rest der Schicht 12 zu isolieren. Die Isolierelemente 19 haben
die Form von Flügeln, die
an einer Ecke an dem Randbereich 18 der Schicht 12 in
der Nähe
der Knoten formenden Bereiche 17 angebracht sind.
-
Innerhalb von Schicht 12 ist
auch eine zweite mitschwingend vibrierbare Struktur 20 in
der Form einer Gabel vorgesehen, die an ihrem Knotenbereich 21 an
einem allgemein rechteckigen Ansatzteil 22 angebracht ist,
das an einer Seite entlang an dem Randbereich 18 der Schicht 12 angebracht
ist. Die Gabelstruktur 20 erstreckt sich in eine in dem
Ansatzteil 22 gebildete Öffnung 22a hinein.
Die Zinken der Gabel 20 sind parallel zu den Zwischenträgern und erstrecken
sich also in der Richtung quer zu der längeren Abmessung der weitgehend
rechteckigen Schicht 12.
-
Elektrisch leitende Vertiefungen 23 sind
von den vibrierbaren Doppelzwischenträgern 16 und der vibrierbaren
Gabel 20 zu externen elektrischen Verbindungen 24 vorgesehen.
Der Zweck der elektrisch leitenden Vertiefungen 23 ist
das Anlegen eines elektrischen Ansteuersignals an die Zwischenträger 16 und
die Gabel 20, wobei dieses Signal sie elektrostatisch erregt,
was sie zum Schwingen mit einer Resonanzfrequenz veranlasst, die
typisch in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 30 kHz liegt. Die
gleichen elektrisch leitenden Vertiefungen 23 bilden einen
kapazitiven Messfühler,
der ein für
die Schwingungen der Zwischenträger
16 und der Gabel 20 repräsentatives Signal erzeugt.
Die elektrischen Verbindungen 24 sind im Gebrauch an eine
geeignete elektronische Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) eines
bekannten Typs angeschlossen, die die Steuersignale für die Zwischenträger 16 und
die Gabel 20 erzeugt und die mittels Rückkopplung von den abgetasteten
Schwingungen gewährleistet,
dass die Ansteuersignale die Zwischenträger 16 und die Gabel 20
in Resonanzschwingung halten.
-
Der Randbereich 18 der zentralen
Schicht 12 ist, wie oben bemerkt, mit der Gehäuseschicht 11a schmelzgebondet
(siehe 1 und 3). Auf einer Rückseite
(nicht gezeigt) von Schicht 12 ist ein im Wesentlichen
identischer Bereich 18 mit der Gehäuseschicht 11b schmelzgebondet,
sodass die zentrale Schicht 12 an ihrer Ober- und Unterseite
mit den Gehäuseschichten 11a bzw. 11b schmelzverschweißt ist.
-
4 ist
eine Schnittansicht entlang der Linie B-B' von 3 und
zeigt die drei parallelen Schichten 11a, 12 und 11b sowie
einen Teil des Behälters 14.
-
Im Folgenden wird die Funktionsweise
der Vorrichtung 10 unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben.
-
Im Gebrauch sind die Außenseiten
des Gehäuses 11 einem
Fluid ausgesetzt, dessen Druck zu messen ist. Aufgrund des Unterschieds
des Drucks außen
am Gehäuse 11 und
in der evakuierten Kavität in
diesem neigen die Schichten 11a, 11b, die im Wesentlichen
das Gehäuse
bilden, dazu, sich nach innen in Richtung auf die zentrale Schicht 12 durchzubiegen.
Dank der in 2 gezeigten
Querschnittsform des Gehäuses 11 bewirkt
eine auf das Gehäuse 11 pressende
Kraft; dass das Gehäuse 11 den
Rand 18 der zentralen Schicht 12, an den das Gehäuse gebondet
ist, auseinander drückt.
Diese drückende Kraft
wird aber von den zwei Zwischenträgern 16 zurückgehalten,
wodurch die Zwischenträger 16 unter mechanische
Spannung gesetzt werden. Die auf den Doppelzwischenträger ausgeübte mechanische Spannung
ist dadurch eine Funktion der von dem Fluid (nicht gezeigt) auf
das Gehäuse 11 ausgeübten Druckkraft.
Mit anderen Worten heißt
das, wenn die Gehäuseschichten 11a und 11b sich
entlang der kürzeren
Querschnittsabmessung nach innen durchbiegen, biegen sie sich entlang
der längeren
Querschnittsabmessung nach außen
durch, wodurch die Zwischenträger 16 unter
Spannung gesetzt werden. Wenn solche mechanische Spannung auf die schwingenden
Zwischenträger 16 ausgeübt wird, ändert sich
ihre Resonanzfrequenz als eine Funktion der ausgeübten mechanischen
Spannung. Da ihre Resonanz oder Frequenz abgetastet wird, ist es möglich, eine
Messung der auf die Zwischenträger 16 ausgeübten mechanischen
Spannung zu erhalten und daher des von dem Fluid auf das Gehäuse ausgeübten Drucks.
Bei geeigneter Eichung, z. B. mit Hilfe eines Fluids bekannten Drucks,
ist es so möglich,
eine absolute Messung des Drucks eines Fluids zu erhalten, in dem
die Vorrichtung 10 eingetaucht ist.
-
Die Dicke der Schichten 11a und 11b ist
in den Bereichen verringert, in denen die Querschnittabmessung des
Gehäuses
am größten und/oder kleinsten
ist, sodass für
einen bestimmten auf das Gehäuse 11 ausgeübten Druck
die Zwischenträger 16 stärker beansprucht
werden und die Abhängigkeit einer
derartigen Beanspruchung von den materiellen Eigenschaften des Gehäuses verringert
wird, während
sie die Struktur noch befähigen,
bedeutendem Überdruck
standzuhalten.
-
Die Bereitstellung einer Zweiträgerstruktur 16,
bei der die Zwischenträger
eine im Wesentlichen identische Länge und Masse haben, stellt
eine ausgewogene Anordnung dar, in der beim Verschieben eines Zwischenträgers in
einer Richtung während
eines Schwingungshalbzyklus der andere Zwischenträger zum
Verschieben um ein gleiches Maß in
der entgegengesetzten Richtung gebracht wird, d. h. die Schwingungszyklen
der zwei Zwischenträger
sind zueinander gegenphasig. Das resultierende Moment des Zwischenträgerpaares
ist im Wesentlichen null. Da diese Zwischenträger an ihren Knotenbereichen mit
den relativ massiven Isolierelementen 19 verbunden sind,
wird ferner jede Schwingung im Wesentlichen vom Rest der Vorrichtung 10 isoliert.
-
Die zwei Zinken der vibrierbaren
Gabelelemente 20 sind ähnlich
ausgewogen, aber ihre Resonanzfrequenz wird von dem auf die Schichten 11a und 11b ausgeübten Druck
nicht beeinflusst, weil sie nur an ihrem einen Ende mit der Schicht 12 verbunden
sind und so nicht unter mechanische Spannung gesetzt werden können. Die
Temperatur in der Vorrichtung 10 beeinflusst aber die Resonanzfrequenz der
Zwischenträger 16 und
des Gabelelements 20 auf Grund der Temperaturabhängigkeit
der Abmessungen und des Elastizitätsmoduls für Silizium, und die Resonanzfrequenz
der Gabel 20, die druckunabhängig ist, erbringt somit eine
Anzeige bezüglich
dessen, in welchem Ausmaß die
Resonanzfrequenz der Doppelzwischenträger 16 kompensiert
werden muss, um die Temperaturwirkungen zu berücksichtigen.
-
Da das Gabelelement 20 aus
dem gleichen Kristall wie die Zwischenträger 16 ist, erfährt es die nicht
spannungsverwandten Wirkungen, die die Zwischenträger 16 erfahren.
Das Gabelelement 20 bietet daher hervorragende Gleichtaktkompensation
gegen Temperatur (nach erster Ordnung), Altern und thermische Hysterese.
Außerdem
wird die Notwendigkeit einer genauen Taktquelle, die zum Messen
der Resonanzfrequenz der Zwischenträger 16 verwendet wird, dadurch
aufgehoben, dass die Gabel 20 vorgesehen wird. Dies ergibt
sich aus der Art und Weise, in der die Resonanzfrequenzen der Zwischenträger 16 und der
Gabel 20 zum Berechnen des auf das Gehäuse ausgeübten Drucks verwendet werden
können.
Biespielsweise werden die Signale von den Zwischenträgern 16 und
der Gabel 20 geteilt und zum Durchschalten eines Signals
vom Hochfrequenztaktgeber in betreffende Register verwendet. Wenn
FP die Resonanzfrequenz der Zwischenträger 16,
FR die Resonanzfrequenz der Gabel 20 und
FX die Taktfrequenz ist und wenn sowohl
Fp als auch FR durch
N geteilt werden, um den Takt in Register T1 bzw.
T2 durchzuschalten, dann werden die von
den Registern T1 bzw. T2 gezählten Taktzyklen
bestimmt durch: Register
T1 = FX·N/Fp ............ (1)
Register T2 =
FX·N/FR ............ (2)
-
Dann ist: Register FP/FR =
T2/T1 .............. (3)
-
Da FR von
dem ausgeübten
Druck nicht beeinflusst wird, folgt daraus, dass das Verhältnis der Werte
in den Registern T1 und T2 direkt
mit Fp in Beziehung steht und dadurch mit
dem ausgeübten Druck
in Beziehung steht. Durch Kalibratierung und Interpolation kann
jeder ausgeübte
Druck daher aus dem Verhältnis
der Werte in den Registern quantifiziert werden. Ferner wird durch
die Abwesenheit des Gliedes FX in Gleichung
3 demonstriert, dass das Verhältnis
der Werte in den Registern T1 und T2 von der Taktfrequenz FX unabhängig ist,
wodurch die Notwendigkeit eines teueren hochgenauen Taktgebers vermieden
wird.
-
5 bis 8 zeigen eine alternative
Ausgestaltung der Erfindung, in der die Drucksensorvorrichtung zur
Verwendung beim Messen von höheren Drücken ausgeführt ist.
Die in den 5 bis 8 verwendeten Bezugsnummern
entsprechen den in den 1 bis 4 verwendeten und die Funktionsweise
der Vorrichtung ist im Wesentlichen die gleiche wie die in Bezug
auf die 1 bis 4 beschriebene. Aus den 5 und 6 ist ersichtlich, dass die Gehäuseschichten 11a und 11b dicker
sind als ihre in den 1 und 2 gezeigten Gegenüber und
dass die Kavität 13 viel kleiner
ist. Das ist deshalb so, damit die Schichten 11a, 11b höheren Drücken besser
standhalten können. 7 zeigt die zentrale Schicht 12 gemäß der alternativen
Ausgestaltung in Draufsicht. In dieser Ausgestaltung wurden die
relativ massiven Isolierelemente 19 der ersten Ausgestaltung
durch ein Paar fester Messstreifen (Zwischenträgerstreifen) 25, die sich
parallel zu den Doppelzwischenträgern 16 über die
Kavität 15 erstrecken,
um einen großen
Teil der Beanspruchung über
die Zwischenträger 16 aufzunehmen.
Die Ausgestaltung der in den 5 bis 8 gezeigten Vorrichtung 10 ist
daher mehr zur Verwendung bei höheren
Drücken
ohne Beschädigung
der Zwischenträger 16 geeignet,
da sowohl das Gehäuse als
auch die Zwischenträger
weniger empfindlich sind.
-
Die Herstellung der Vorrichtung 10 kann durch
ein unkompliziertes Verfahren erfolgen, das das Bilden des druckempfindlichen
Gehäuses
aus einer ersten und einer zweiten Siliziumschicht, das Bilden des
Brückenelements
aus einer dritten Siliziumschicht und das Bilden des spannungsempfindlichen Elements
und des temperaturempfindlichen Elements am Brückenelement umfasst. Die drei
Schichten werden mit konventionellen mikromechanischen Bearbeitungsmethoden
geformt. Die Schichten werden dann miteinander schmelzverschweißt, wobei die
dritte Schicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht liegt,
sodass das spannungsempfindliche Element in Reaktion auf Druck,
der auf das Gehäuse ausgeübt wird,
auf die oben beschriebene Weise von dem Gehäuse unter Spannung gesetzt
wird. Die komplette Vorrichtung 10 kann auf Waferebene
in großen
Zahlen hergestellt werden, was die Herstellungskosten reduziert
und die Verarbeitung einfacher macht. Außerdem hat der dreischichtige
Aufbau mehrere größere Vorteile.
Erstens wird, weil die Siliziumschichten um ihren Umfang herum aneinander gebondet
sind, das innere Referenzvakuum, das als Teil des Prozesses des
Waferbondens erzeugt wird, vollständig von Silizium eingeschlossen,
was gute Langzeitstabilität
ergibt. Da die elektrisch leitenden Vertiefungen 23 mit
konventionellen Methoden, wie Dotieren, in die Schicht 12 integriert
werden können, müssen an
Punkten, an denen die Vertiefungen aus dem Vakuumgehäuse herauslaufen,
keine komplizierten Dichtungsanordnungen vorgesehen werden, um das
Vakuum in der Vorrichtung zu schützen,
wie das bei einigen früheren
Drucksensorvorrichtungen der Fall war. Außerden ist der Aufbau der Vorrichtung dergestalt,
dass die Verbindungen zwischen benachbarten gebondeten Schichten
wegen des auf das Äußere der
Vorrichtung ausgeübten
Drucks immer unter Druck stehen. Das fördert die Langzeitzuverlässigkeit
der Vorrichtung weiter, da die Verbindungen gegenüber Beschädigung oder
Versagen weniger anfällig
sind als wenn sie ständig
unter mechanische Spannung gesetzt wären. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 10 ist
ihre Vielseitigkeit. Das Ausmaß,
in dem sich die Gehäuseschichten 11a und 11b unter dem
Einfluss von Außendruck
durchbiegen, kann durch mikromechanische Bearbeitung dieser Schichten
eingestellt werden. Dementsprechend kann eine Standardvorrichtung
anfänglich
konstruiert werden und dann können
spezifische Vorrichtungen-in verschiedenem Maße gemäß ihrer erforderlichen Empfindlichkeit
mikromechanisch bearbeitet werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die
Herstellung einer Grundvorrichtung zur Verwendung zum Abfühlen von
Druck über
einen breiten Druckbereich.
-
Noch ein weiterer Vorteil der Vorrichtung 10 ergibt
sich aus ihrer Halterung in dem Behälter 14. Der Teil
des Behälters 14 in 1 umfasst im typischen Fall
ein geschlossenes Ende eines Hohlzylinders, in den die Vorrichtung 10 hineinragt
und in den Fluid eingeführt
wird, normalerweise durch eine Öffnung
am entgegengesetzten Ende (nicht gezeigt). Die kegelige Passung
der Vorrichtung 10 im Behälter 14 zusammen mit
dem Fluiddruck im Behälter 14 im Gebrauch
gewährleistet,
dass die Verbindung zwischen der Vorrichtung 10 und dem
Behälter 14 unter Druck
gesetzt bleibt. Das ist für
die Zuverlässigkeit gut
und bedeutet außerdem,
dass das Dichtungsmaterial 14a, das im typischen Fall ein
Klebstoff ist, zum Abdichten der Verbindung ausreicht, d. h. zum
Herstellen der Verbindung muss kein Bonden durchgeführt werden.
-
Die Vorrichtung 10 wurde
zwar im Verhältnis zum
Durchführen
von absoluten Druckmessungen beschrieben, aber ein Paar der Vorrichtung 10 könnte leicht
zum Messen von Differentialdruckmessungen verwendet werden.
-
Für
den Fachmann ist es offensichtlich, dass an der Erfindung verschiedene
Modifikationen vorgenommen werden können, ohne aus ihrem Rahmen zu
kommen.
-
Während
in der oben beschriebenen Ausgestaltung ein Paar mitschwingend vibrierbarer
Zwischenträger 16 als
ein spannungsempfindliches Element verwendet wird, können beispielsweise
auch andere Formen von spannungsempfindlichen Vorrichtungen zum
Einsatz kommen, wie z. B. ein Dehnungsmessstreifen. Darüber hinaus
ist das oben beschriebene Beispiel zwar aus Silizium aufgebaut,
es können
aber auch alternative Materialien, wie z. B. Quarz, verwendet werden.
Wenn das Bonden für
die drei Schichten nicht an sich schon eine evakuierte Kavität erzeugt,
können
Mittel vorgesehen werden, um angemessene Evakuierung und Abdichtung
als ein Folgeprozess zu ermöglichen.
Beispielweise kann die Evakuierung der Kavität durch eine Kapillarröhre erreicht
werden, die während
des Bondens von der Kavität
aus dem Gehäuse
nach draußen
festgehalten wird und die nach dem Evakuieren der Kavität dicht
verschlossen wird.