DE69714204T2

DE69714204T2 - Druckmessgerät

Info

Publication number: DE69714204T2
Application number: DE69714204T
Authority: DE
Inventors: Eros De Bortoli
Original assignee: ABB Instrumentation SpA
Current assignee: ABB Instrumentation SpA
Priority date: 1996-10-31
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: EP0855583A2; EP0855583B1; ITMI962268A1; US5969257A; IT1287123B1; EP0855583A3; DE69714204D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Druckmessung in der Industrie.
Druckmessungen werden bei der Verfahrensinstrumentierung und in Regelsystemen verbreitet eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren für Druckmessungen bekannt. Eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren sieht die Verwendung von Resonanzsensoren vor. Diese Sensoren nutzen Änderungen der Resonanzfrequenz einer bereits schwingenden Struktur aufgrund der elastischen Verformungen, welche durch externe mechanische Faktoren hervorgerufen worden sind, wie Kraft, Beschleunigung, Druck usw., auch vom Differentialmodus-Typ. Zur Herstellung dieser Sensoren werden gewöhnlich Materialien wie Quarz, Stahl oder andere Metallverbindungen verwendet. Die Verwendung derartiger Sensoren ist vorteilhaft gegenüber den anderen bekannten Verfahren, weil mit ihnen bessere Leistungen erzielt werden können, was Genauigkeit, Auflösung usw. betrifft.
Dennoch ist es mit herkömmlichen Resonanzsensoren nicht möglich, Leistungen zu erzielen, die die Anforderungen moderner Meßsysteme erfüllen, insbesondere was die Auflösung betrifft.
Um dieses Problem zu überwinden, wurden Sensoren vorgeschlagen, die eine Resonanzstruktur aus Halbleitermaterialien verwenden. Zwar zeigten diese Sensoren bessere Leistungen, jedoch sind sie noch immer sehr teuer und bringen erhebliche Konstruktionsschwierigkeiten mit sich, bedingt durch das komplexe System für die Anregung des Resonanzelements und für die Signalerfassung. Schließlich erfordern diese Sensoren ein System zum Schutz vor Überdruck, das außerhalb des Sensors angeordnet ist und im allgemeinen sehr komplex und schwer realisierbar ist.
Die Patentanmeldung EP 0 456 029 A offenbart eine Druckmeßvorrichtung mit einem Resonanzelement, das an einer Meßmembran angeordnet ist. Das US- Patent 5,553,506 offenbart einen Kraftsensor mit einem Resonator, der mittels einer dielektrischen Schicht auf einem Biegeelement befestigt ist. Der Beitrag "Intelligent Differential Pressure Transmitter using Micro-Resonators" (von Tokuji Saigusa u. a., SIGNAL PROCESSING AND SYSTEMS CONTROL, INTELLIGENT SENSORS AND INSTRUMENTATION, SAN DIEGO, 9.-13. November 1992, Bd. 3, No. Conf. 18, 9. November 1992, INSTITUTE OF ELECTRICAL and ELECTRONICS ENGINEERS, Seiten 1634-1639, XP000378729) offenbart einen mitschwingenden Siliziumdrucksensor und eine intelligente Druckübertragungsvorrichtung, die diesen Sensor enthält. Schließlich offenbart die Patentanmeldung GB 2162314A einen Umformer für Spannung oder Dehnung, bei dem ein mitschwingender Doppelgabelsensor mehrere Zinken enthält, die so angeordnet sind, daß sie in ihrer gemeinsamen Ebene schwingen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Druckmeßvorrichtung anzugeben, die eine Verbesserung gegenüber den oben erwähnten herkömmlichen Vorrichtungen darstellt.
Dieses Ziel wird durch die vorliegende Erfindung erreicht, die aus einer Vorrichtung zum Messen eines Drucks besteht, welche eine Membran und ein Resonanzelement enthält, das mechanisch an die Membran gekoppelt ist, wobei die Membran in einem Gehäuse installiert ist und auf ihre zwei Seiten zwei Drücke (P1, P2) einwirken, deren Unterschied zu messen ist und eine Bewegung der Membran bestimmt. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung enthält ferner Anregungsmittel zum Erzeugung der Schwingungen des Resonanzelements (2) sowie Mittel zum Erfassen dieser Schwingungen. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß:
- die Membran aus einer Siliziummembran besteht und einen Hohlraum enthält, der das Resonanzelement aufnimmt, wobei das Resonanzelement monolithisch aus der Membran ausgebildet und mit seinen Enden fest mit der Membran verbunden ist; und
- die Membran auf einer Stütze befestigt ist, die sich von einer Basis des Gehäuses erhebt, wobei in der Stütze ein Kanal ausgebildet ist, um eine Seite der Membran einem der zwei Drücke (P1, P2) auszusetzen; und
- das Resonanzelement so angeordnet ist, daß es in eine Richtung senkrecht zur Bewegung der Membran schwingt.
Die Membran kann durch maschinelle Bearbeitung monolithisch aus einem Siliziumwafer hergestellt werden. Auch das Resonanzelement wird monolithisch aus dem Siliziumwafer hergestellt, aus der die Membran gefertigt ist. Vorzugsweise ist das Resonanzelement oder der Resonator auf der Oberfläche der Membran ausgebildet.
Durch geeignetes maschinelles Bearbeiten einer Siliziumstruktur ermöglicht die Erfindung die Beseitigung der Fertigungsprobleme des Stands der Technik und die Massenproduktion der druckempfindlichen Membran auf einem Siliziumwafer. Das Anregungssystem für den Resonator und die Schaltungen zur Signalverarbeitung können ebenfalls direkt auf der gleichen Siliziumstruktur integriert sein.
Außerdem ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, ein weiteres Fühlerelement (basierend auf dem gleichen oder einem anderen Prinzip) zu integrieren, das in der Lage ist, den auf die Membran wirkenden Druck allgemeiner Art zu messen.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand der zugehörigen Zeichnungen beschrieben, die sich auf bevorzugte, jedoch nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen und in denen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der Struktur eines Drucksensors nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Drucksensors nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine detailliertere Ansicht der Membran und des Resonators der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Resonators der DETF-Art (Double Ended Tuning Fork);
Fig. 5 eine Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des DETF-Resonators;
Fig. 6 eine Draufsicht einiger möglicher Anordnungen des Resonators und/oder des Elements, das für Druck allgemeiner Art auf die Membran empfindlich ist; und
Fig. 7 eine schematische Draufsicht des Anregungssystems und des Erfassungssystems.
In den Figuren werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um identische oder im wesentlichen übereinstimmende Komponenten zu bezeichnen.
Gemäß Fig. 1 enthält der Sensor nach der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 10, das vorzugsweise metallisch und beispielsweise zylindrisch ist und eine Membran 1 aufnimmt, die geeignet ist, zwei Drücken P1, P2 ausgesetzt zu werden, deren Differenz zu messen ist. Das Gehäuse 10 hat eine Basis 11 und einen Verschluß oder Deckel 9, auf dem eine optionale Öffnung 13 vorgesehen werden kann, um einem der Drücke (P1 in der Figur) Zugang zur Membran 1 zu ermöglichen.
Eine Stütze 12, die vorzugsweise aus Silizium besteht, erhebt sich von der Basis 11 des Gehäuses; die Membran 1, welche ein Resonanzelement 2 aufnimmt, ist auf der Stütze 2 befestigt. In der Stütze 12 ist ein Kanal 14 vorgesehen, über den die Unterseite der Membran 1 dem anderen der beiden Drücke (P2 in der Figur) ausgesetzt ist.
Wie in Fig. 3 detaillierter dargestellt, besteht die Membran 1 aus einem geeignet bearbeiteten Siliziumwafer, und das Resonanzelement 2 ist auf einer der beiden Membranflächen ausgebildet. Zwecks Isolation gegen Druck allgemeiner Art können Verstärkungen vorgesehen sein, die mit den Bezugszeichen 15, 16, 17 und 18 bezeichnet und sowohl an der Stütze 12 als auch an der externen Struktur befestigt sind.
Gemäß Fig. 3 kann, wenn keine Druckbeanspruchung vorliegt, d. h. wenn die Drücke auf beiden Seiten der Membran 1 identisch sind, ein Resonanzelement 2 mit einem geeigneten Anregungssystem in Schwingung versetzt werden und hat eine eigene Resonanzfrequenz.
Wenn auf die beiden Seiten der Membran 1 unterschiedliche Drücke P1 und P2 einwirken, biegt sich die Membran je nach der Druckdifferenz nach oben oder unten. In diesen Zuständen ist der Resonator 2 durch seine Kopplungen an die Membran elastischen Verformungen ausgesetzt (d. h. keine dauerhaften Verformungen), die Kompression oder Zug bewirken, und seine Resonanzfrequenz ändert sich.
Ein Erfassungssystem erfaßt die Schwingungen des Resonanzelements und liefert ein Signal, das die gleiche Frequenz hat wie die erfaßten Schwingungen.
Um Dämpfungseffekte zu vermeiden, ist das Resonanzelement 2 auf einer der Seiten der Membran 1 in einem Hohlraum 7 installiert, der auf einer der beiden Seiten ausgebildet ist, und der Hohlraum wird auf Vakuum oder jedenfalls auf einem Druck nicht über 1,33 Pascal (10 Torr) gehalten. Der Resonator 2 wird aus der Membran 1 ausgebildet, wobei seine Enden fest mit der Membran verbunden bleiben, und der Hohlraum 7 ist durch eine Siliziumschicht 8, die vorzugsweise die gesamte entsprechende Membranfläche abdeckt, hermetisch verschlossen (im Vakuum oder zumindest bei sehr niedrigem Druck).
Das in Fig. 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel enthält ferner einen Schutz gegen Überdrücke. Der Resonator 2 ist empfindlicher für Kompressionen und eine übermäßige Druckdifferenz (Überdruck) bei P1 > P2 könnte bewirken, daß er sich wölbt.
Um das Biegen der Membran 1 zu begrenzen, hat gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine derartige Membran eine zentrale Erhebung oder einen Abstandhalter 23, der von der Unterseite 3 der Membran 1 absteht und geeignet ist, gegen ein Substrat 31 zu stoßen, das zwischen Stütze 12 und Membran 1 eingefügt ist. In einem nach oben zeigenden Bereich ist das Substrat 31 mittels einer Schicht 25 Isoliermaterial (vorzugsweise Siliziumoxid SiO&sub2;) mit der Membrankante verbunden, während es in einem nach unten zeigenden Bereich mittels einer ringförmigen Schicht 24 Isoliermaterial (vorzugsweise Pyrex) auf die Stütze aufgebracht ist.
Vorzugsweise ist die Erhebung 23 monolithisch mit der Membran 1 ausgebildet. Die Abmessungen des erhabenen Abschnitts sind so gewählt, daß ein stärkeres Ändern der elastischen Verformungseigenschaften der Membran vermieden wird.
Das Substrat 31 ist relativ steif und hat ein Loch 32, um die Unterseite der Membran mit dem Kanal 14 in Verbindung zu halten. Die Anschlagfläche der Erhebung 23 liegt am Umfang in einer Ebene, die parallel zur Ebene der Membran und der Ebene des Substrats 31 ist.
Die Fig. 4 zeigt die Struktur eines Resonators 2 nach der vorliegenden Erfindung, der von einem symmetrischen Resonator gebildet wird, der in der Lage ist, die durch die Schwingungen des Resonators hervorgerufenen Zwangsreaktionen zu minimieren und so die Wirkung der Dämpfungsprozesse an den Verbindungspunkten zwischen Resonator und Membran zu verringern. Der Resonator 2 ist aus zwei parallelen Armen 21, 22 gebildet, die an ihren Enden verbunden sind, und ist als DETF-Resonator (Double Ended Tuning Fork) bekannt. Seine seitlichen Schwingungen, d. h. die Schwingungen, die senkrecht zur Bewegung der Membran sind und durch die beiden Pfeile F in Fig. 4 angedeutet werden, werden zum Erfassen des Drucks verwendet.
Bei dem symmetrischen Resonator schwingen die Zinken 21, 22 gegenphasig, und an den eingespannten Enden 24 gleichen sich die Reaktionen auf die Bewegung der beiden Zinken teilweise gegenseitig aus, was zu einem geringeren Energieverlust führt, als wenn nur ein schwingender Zinken vorhanden ist. Die symmetrische Struktur bietet noch einige zusätzliche Vorteile, wie beispielsweise größere Stabilität gegenüber äußeren Einflüsse, höhere Auflösung sowie Reduktion der Auswirkung von Langzeitabweichungen.
Wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in Fig. 5 gezeigt, ist der DETF-Resonator zweckmäßigerweise so konfiguriert, daß er an den Enden jeweils zwei seitliche Vorsprünge 25 und einen Anschlußabschnitt 26 hat, die breiter bzw. schmaler als der zentrale Teil des Resonators sind. Selbstverständlich können auch Resonatoren mit drei oder mehr parallelen Zinken verwendet werden.
Vorzugsweise kann der Resonator 2 wie in Fig. 6 dargestellt an unterschiedlichen Stellen in der Membran ausgebildet sein, um optimale Empfindlichkeit zu erzielen. Genauer gesagt, kann er gemäß einem ersten, mit dem Bezugszeichen 2B bezeichneten Ausführungsbeispiel im wesentlichen in der Mitte der Membran 1 und parallel zur Membranebene ausgebildet sein, um maximale Empfindlichkeit zu erhalten. Gemäß einem anderen, in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 2A bezeichneten Ausführungsbeispiel kann der Resonator am Rand der Membran 1 ausgebildet (oder jedenfalls angeordnet) sein. Dieses Ausführungsbeispiel bietet geringere Empfindlichkeit, hat jedoch den Vorteil, daß es die Auswirkungen von Überdrücken einschränkt.
Zudem kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein zusätzliches Fühlerelement, das nicht in der gleichen Art und gemäß den gleichen Prinzipien wie vorstehend beschrieben realisiert sein muß, auf der Siliziummembran integriert sein und ermöglicht es, den auf die Membran wirkenden Druck allgemeiner Art zu messen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Resonator eingesetzt werden, um den Druck allgemeiner Art zu messen, indem eine geeignete elektronische Schaltungsanordnung verwendet wird, um die Widerstandsänderung des Resonators zu erfassen, die eine Folge der auf den Resonator selbst wirkenden und von dem Druck allgemeiner Art erzeugten mechanischen Beanspruchung ist.
Die Vorrichtung enthält ferner ein Anregungssystem zum Erzeugen der Schwingungen des Resonators sowie ein System, um diese zu erfassen.
Bei dem in Fig. 7 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Anregungssystem und das Erfassungssystem von der elektrostatischen oder der piezoelektrischen Art und haben zwei Anker oder Elektroden 27 und 28, die parallel zu den Armen 21 und 22 des Resonators 2 liegen und von dem Resonator mittels Isolierschichten 29 und 30 isoliert sind.
Das Erfassungssystem ist von der piezoresistiven Art, und das Spannungssignal wird von den Anschlüssen 31 und 32 erfaßt. Die Erfassung kann ausgeführt werden, indem z. B. eine Brückenschaltung verwendet wird, die an eine elektronische Differentialstufe angeschlossen ist.
Wo in den Patentansprüchen auf technische Merkmale Bezugszeichen folgen, dienen diese lediglich der besseren Verständlichkeit der Ansprüche und haben folglich keine einschränkende Wirkung auf die Auslegung eines Elementes, das beispielhaft durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen eines Drucks mit einer Membran und einem Resonanzelement (2), das mechanisch an die Membran gekoppelt ist, wobei die Membran in einem Gehäuse (10) installiert ist und auf ihre zwei Seiten zwei Drücke (P1, P2) wirken, deren Unterschied zu messen ist und eine Bewegung der Membran bestimmt, wobei die Vorrichtung ferner Anregungsmittel zum Erzeugung der Schwingungen des Resonanzelements (2) sowie Mittel zum Erfassen dieser Schwingungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Membran aus einer Siliziummembran (1) besteht und einen Hohlraum (7) enthält, der das Resonanzelement (2) aufnimmt, wobei das Resonanzelement (2) monolithisch aus der Membran gebildet und mit seinen Enden fest mit der Membran verbunden ist; und

- die Membran auf einer Stütze (12) befestigt ist, die sich von einer Basis (11) des Gehäuses (10) erhebt, wobei in der Stütze (12) ein Kanal (14) ausgebildet ist, um eine Seite der Membran einem der zwei Drücke (P1, P2) auszusetzen; und

- das Resonanzelement (2) so angeordnet ist, daß es in eine Richtung senkrecht zur Bewegung der Membran schwingt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran durch maschinelle Bearbeitung monolithisch aus einem Siliziumwafer hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Hohlraum (7) unter 1,33 Pascal (10&supmin;² Torr) liegt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzelement (2) durch zwei parallele Zinken (21, 22) gebildet ist, die an ihren Enden miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzelement (2) zwei Arme und an deren Enden jeweils zwei seitliche Vorsprünge (25) und einen Verbindungsabschnitt (26) enthält, die breiter bzw. schmaler als ein zentraler Teil des Resonanzelements (2) sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Substrat (31) enthält, das zwischen der Stütze (12) und der Membran eingefügt ist, und daß die Membran eine zentrale Erhebung (23) hat, die relativ steif ist, von der Membranfläche absteht und geeignet ist, an das Substrat (31) zu stoßen, um das Biegen der Membran einzuschränken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (31) ein Loch (32) enthält, um die Unterseite der Membran mit dem Kanal (14) in Verbindung zu halten.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (31) in einem nach oben zeigenden Bereich mittels einer Schicht (25) Isoliermaterial mit der Kante der Membran verbunden ist und das Substrat (31) in einem nach unten zeigenden Bereich mittels einer weiteren Schicht Isoliermaterial (24) auf die Stütze (12) aufgebracht ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebung (23) monolithisch mit der Membran ausgebildet ist und eine Anschlagfläche der Erhebung (23) in einer Ebene liegt, die parallel zur Oberfläche der Membran und zu der Oberfläche des Substrats (31) ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsmittel des Resonanzelements (2) ein elektrostatisches System enthalten, das durch feste Anker oder Elektroden (27, 28) und durch Zinken (21, 22) des Resonanzelements (2) gebildete bewegliche Anker oder Elektroden gebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsmittel des Resonanzelements (2) ein piezoelektrisches System enthalten, das durch feste Anker oder Elektroden (27, 28) und durch Zinken (21, 22) des Resonanzelements (2) gebildete bewegliche Anker oder Elektroden gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsmittel auch die Schwingungen erfassen.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck ein Absolutdruck oder ein Differenzdruck oder ein relativer Druck ist.