EP1269136A1 - Differenzdruck-messzelle - Google Patents

Differenzdruck-messzelle

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Publication number
EP1269136A1
EP1269136A1 EP01911234A EP01911234A EP1269136A1 EP 1269136 A1 EP1269136 A1 EP 1269136A1 EP 01911234 A EP01911234 A EP 01911234A EP 01911234 A EP01911234 A EP 01911234A EP 1269136 A1 EP1269136 A1 EP 1269136A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
membrane
auxiliary
differential pressure
cell according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01911234A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Aleksandar Vujanic
Dusan Vujanic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft Mit Beschr
Vujanic Aleksandar
Vujanic Dusan
Original Assignee
Vujanic Aleksandar
Innovationsagentur GmbH
Vujanic Dusan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vujanic Aleksandar, Innovationsagentur GmbH, Vujanic Dusan filed Critical Vujanic Aleksandar
Publication of EP1269136A1 publication Critical patent/EP1269136A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G01L13/026—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms involving double diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms

Definitions

  • the invention relates to a differential pressure measuring cell with a measuring membrane which can be acted upon on both sides with a fluid which is connected to one side of the measuring membrane via a measuring connection.
  • a differential pressure measuring cell with a semiconductor measuring membrane has become known, in which the measuring membrane is formed with sealing surfaces which press against the pressure supply lines when a predetermined differential pressure is exceeded and close them in this way.
  • the pressure supply line opens into an annular groove in the housing.
  • the measuring membrane itself is formed in a central part, which acts as a measuring membrane, and in a thickening surrounding this measuring membrane, on which sealing surfaces are formed for the respective other pressure supply line, which in turn opens into annular grooves.
  • the actual measuring membrane is limited to a small section of a movable wall in order to ensure the appropriate stroke for closing the respective pressure supply lines, the outer part of this movable wall, the central area of which forms the measuring membrane, being correspondingly more flexible and the central section Area forming the measuring membrane has a correspondingly thicker wall thickness in order to prevent inadmissible deformations or damage to the central area in which, for example, strain gauges are arranged.
  • the movable wall acts like a check valve and itself represents the overload protection, whereby it is exposed to high impact forces during the closing process due to an overload.
  • Differential pressure measuring cells of conventional design have already been designed with additional membranes, which represent an overload protection. Conventional devices of this type, however, require a high level of assembly effort.
  • the invention now aims to provide a differential pressure measuring cell in which extremely sensitive semiconductor measuring membranes can be used, which at the same time offer the known function of an overload protection with extremely low manufacturing and assembly costs.
  • the formation of the differential pressure measuring cell according to the invention essentially consists in that an additional deformable auxiliary membrane is assigned to both sides of the measuring membrane, the side of which facing a measuring connection is in open connection with the measuring tube and its side facing this measuring connection bears a sealing surface, which is deformable when the auxiliary membrane is deformed into a sealing contact with the measuring connection, and that the measuring membrane and the auxiliary membranes are designed as structured layers of a chip and essentially consist of Si or polysilicon and / or glass.
  • the measuring diaphragm can be reliably protected against excessive impact stress in the event of an overload, ie with an impermissibly high pressure difference, and at the same time it is formed by the measuring diaphragm and the auxiliary diaphragms being formed from structured layers of a chip are created an education that can be produced particularly easily and inexpensively by micromechanical processing. Because the side facing a measuring connection is in open connection with the measuring membrane and only the auxiliary membrane has a sealing surface on its side facing the respective measuring connection, only the auxiliary membrane is subjected to an impact load in the closing case and such impact loads can occur from the measuring membrane kept away and absorbed by the auxiliary membranes. earth.
  • the measuring membrane can be designed to be large and / or thinner in accordance with the required sensitivity and can carry a corresponding number of sensors, in particular integrated piezoresistors or capacitive measuring cells, which significantly increase the sensitivity, since the arrangement and design of the measuring membrane itself are not of any type Restrictions are subject, such as would have to be assumed, for example, by the arrangement of sealing surfaces on the measuring membrane.
  • the desired structure can thus be formed in a simple manner by means of micromechanical processing, the type and arrangement of the pressure medium feed line not having to be taken into account.
  • the areas of the auxiliary membranes adjacent to the sealing surfaces are designed with a smaller thickness or elastic structure which can be pressurized in the direction of a separation of the sealing surfaces after closing are.
  • areas of any size can thus be reduced to a correspondingly smaller thickness or can be designed in a correspondingly structured manner without having to take into account the geometry of the measuring diaphragm required for a precise measurement.
  • the design is advantageously made such that the membranes are bonded to one another at their edges via spacer elements made of Si or glass, the sealing surfaces of the auxiliary membranes advantageously consisting of polished polysilicon or Si or a polished glass.
  • such differential pressure measuring cells are generally designed to be encapsulated and still have corresponding barrier membranes on their outside, so that the measuring cell and the auxiliary membranes themselves can be filled with an incompressible fluid.
  • the pressure to be measured is effective on the barrier membranes, the pressure difference acting on the measuring membrane via the transmission fluid contained in the interior of the measuring cell.
  • the formation of the fertilizer is advantageously made such that the cavities of the multilayer chip are filled with a transmission fluid, in particular oil, and the measuring connections of the chip are sealed with an elastic sealing membrane against the transmission fluid.
  • the arrangement can advantageously be such that the auxiliary diaphragms complete the measuring connection with the lower pressure when a maximum pressure difference is exceeded.
  • the design is advantageously made such that the wall areas of the measuring cell adjacent to the sealing surfaces are made thinner and can be pressurized with pressurized fluid or that the sealing surfaces of the auxiliary membranes and / or the measuring connections neighboring counter surfaces are designed as piezo vibrators and can be connected to a current source to achieve a vibration to support the opening movement, so that it is not only possible to close the respective connection securely and tightly, but also to achieve a safe separation as a result.
  • the design is advantageously made such that the channels connecting the respective measuring connection to one side of the measuring membrane have a conical cross-section tapering to the measuring membrane.
  • FIG. 1 schematically shows an initial formation of the semiconductor measuring cell in section
  • FIG. 3 a modified embodiment in which the number of layers used has been reduced
  • 4 shows a differential pressure measuring cell in its fully assembled and encapsulated design
  • FIG. 5 shows a schematic illustration the relative positions of the membrane when a predetermined maximum pressure difference is exceeded.
  • a first auxiliary membrane 4 made of silicon is structured with the interposition of a spacer formed from a glass or silicon wafer 3.
  • a meandering structure 5 is provided to form elastically deformable areas, which enables the auxiliary membrane 4 to be elastically deformed.
  • the layer structure there follows a further glass or Si wafer layer 6, which in turn is designed as spacer elements, with a free end of the auxiliary membrane 5 being simultaneously bonded to a free end of the measuring membrane 7 via such a spacer element 6.
  • the actual measuring membrane consists of the areas 8 with a smaller cross section, on which piezoresistors 9 are arranged.
  • the chamber is in turn delimited by the arrangement of spacers 12 formed from a glass wafer, the chamber 11 being in open connection with the chamber 13 which is adjacent to the pressure connection 2.
  • Pressurizing the chamber 13 and the chamber 11 with a pressure pi leads to a movement of the first auxiliary membrane in the direction of the arrow 14 and to an opposite movement ⁇ of the measuring membrane 7 in the direction of the arrow 15.
  • the second auxiliary membrane 16 connects and a connection 17 is again formed as a second measurement connection, which is arranged in a silicon or glass wafer 18.
  • spacer elements 19 were again made by micromechanical African procedures applied.
  • a pressure 2 applied via the measuring connection 17 spreads via the chamber 20 and the in turn continuous channels 21 into the space 22 at the rear of the membrane, so that here too a pressure p2 in principle leads to an opposite movement of the auxiliary membrane 16 to the measuring membrane 7 leads.
  • the surfaces 23 and 24 facing the respective connections 2 and 17, like the corresponding counter surfaces 25 and 26, are of polished design, so that when the membranes 4 and 16 strike these counter surfaces 25 and 26, a sealing closure is achieved directly.
  • thin wall regions 27 and 28 are provided in the region of the polished stop surfaces 25 and 26, which are pressed via separate channels 29 and 30 can be acted upon to enable the auxiliary membranes 4 and 16 to be released.
  • a correspondingly smaller number of layers are used in the structure, the respective membranes being designated with the same reference numerals as in FIGS. 1 and 2.
  • the same type of loading of the membrane is provided in principle through a corresponding bore, and the space 13 is in open connection with the space 11 and the space 20 with the space 22, which in turn creates a opposite movement of the measuring membrane 7 to the movement of the respective auxiliary membranes 4 or 16 is achieved. Since the two auxiliary membranes 4 and 16 lie in a common plane, a total of two layers can be saved, with the semiconductor sensor having a flatter construction overall.
  • the fully assembled differential pressure measuring cell can now be seen, outer covering membranes 31 and 32 being provided in the housing parts 33 and 34 and the measuring cell itself being completely filled with incompressible fluid.
  • the pressure is thus transferred to the fluid inside the measuring cell with the interposition of the membranes 31 and 32, and the differential pressure is measured in this way.
  • the two housing parts 33 and 34 are connected to one another by means of clamping screws 35, seals 36 being arranged between the semiconductor components and the housing, so that a sealed cavity is formed in which the electrical contact can be made at 37.
  • FIG. 5 shows the displacement position of the individual membranes in a measuring sensor according to FIGS. 2 and 4 in the event of an impermissibly high pressure difference.
  • the polished surfaces 24 and 26 come into sealing contact with one another, so that the measuring connection 17 is closed with the lower pressure p.
  • the measuring membrane 7 is moved downwards in the direction of arrow 15, since the pressure from the chamber 13 comes into effect in the chamber 11 via the channel 21.
  • the auxiliary membrane 4 can be brought into contact with the measuring membrane 7, so that an inadmissible deformation of the measuring membrane 7 cannot occur.

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Abstract

Bei einer Differenzdruck-Messzelle mit einer Messmembran (7), welche zu beiden Seiten mit einem Fluid beaufschlagbar ist, welches über jeweils einen Messanschluss (2, 17) mit jeweils einer Seite der Messmembran (7) in Verbindung steht, ist beiden Seiten des Messmembran (7) jeweils eine zusätzliche verformbare Hilfsmembran (4,16) zugeordnet, deren jeweils einem Messanschluss (2, 17) zugewandte Seite mit der Messmembran (7) in offener Verbindung steht und deren jeweils diesem Messanschluss (2, 17) zugewandte Seite eine Dichtfläche (23, 24) trägt, welche bei Verformung der Hilfsmembran (4, 16) in dichtende Anlage an den Messanschluss (2, 17) verformbar ist. Die Messmembran (7) und die Hilfsmembranen (4, 16) sind als strukturierte Schichten eines Chips ausgebildet und bestehen im wesentlichen aus Si bzw. Polysilizium und/oder Glas.

Description

Differenzdruck-Meßzelle
Die Erfindung bezieht sich auf eine Differenzdruck-Meßzelle mit einer Meßmembran, welche zu beiden Seiten mit einem Fluid beauf- schlagbar ist, welches über jeweils einen Meßanschluß mit jeweils einer Seite der Meßmembran in Verbindung steht.
Aus der EP 167 941 ist eine Differenzdruck-Meßzelle mit einer Halbleiter-Meßmembran bekannt geworden, bei welcher die Meßmem- brane mit Dichtflächen ausgebildet ist, welche sich bei überschreiten eines vorbestimmten Differenzdruckes an die Druckzuleitungen anpressen und diese auf diese Weise verschließen. Die Druckzuleitung mündet hiebei in einer Ringnut im Gehäuse. Die Meßmembran selbst ist in einen mittleren als Meßmembrane wirksa- men Teil und eine diese Meßmembrane umgebende Verdickung ausgebildet, auf welcher Dichtflächen für die jeweils andere Druckzuleitung, welche wiederum in Ringnuten mündet, ausgebildet sind. Die eigentliche Meßmembran ist hiebei auf einen kleinen Teilbereich einer beweglichen Wand beschränkt, um den entsprechenden Hub für ein Verschließen der jeweiligen Druckzuleitungen zu gewährleisten, wobei der außenliegende Teil dieser beweglichen Wand, dessen mittlerer Bereich die Meßmembrane bildet, entsprechend flexibler ausgebildet ist und der mittlere die Meßmembran bildende Bereich eine entsprechend dickere Wandstärke aufweist, um unzulässige Verformungen bzw. Beschädigungen des zentralen Bereiches, in welchem beispielsweise Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind, zu verhindern. Mit einer derartigen Ausbildung wird allerdings eine Mindeststärke der Meßmembran vorausgesetzt, welche im Falle eines Schließens der Membran an derjenigen Seite, an welcher die ringförmigen Verdickungen angeordnet sind, den vollen Differenzdruck zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem Schließen noch aufnehmen muß, wodurch stoßartige Belastungen dieser Membran unter gegebenenfalls unzulässiger Durchbiegung nicht verhindert werden können. Prinzipiell wird die bewegliche Wand nach Art eines Rückschlagventiles wirksam und stellt selbst die Überlastsicherung dar, wodurch sie beim Schließvorgang aufgrund einer Überlast hohen Stoßkräften ausgesetzt ist. Differenzdruck-Meßzellen konventioneller Bauart wurden bereits mit zusätzlichen Membranen ausgebildet, welche eine Überlastsicherung darstellen. Derartige konventionelle Einrichtungen er- fordern jedoch einen hohen Montageaufwand.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Differenzdruck-Meßzelle zu schaffen, bei welcher überaus empfindliche Halbleitermeßmembranen eingesetzt werden können, welche gleichzeitig bei überaus geringem Fertigungs- und Montageaufwand auch die bekannte Funktion einer Überlastsicherung bieten. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Ausbildung der Differenzdruck- Meßzelle im wesentlichen darin, daß beiden Seiten der Meßmembran jeweils eine zusätzliche verformbare Hilfsmembran zugeordnet ist, deren jeweils einem Meßanschluß zugewandte Seite mit der Meßme bran in offener Verbindung steht und deren jeweils diesem Meßanschluß zugewandte Seite eine Dichtfläche trägt, welche bei Verformung der Hilfsmembran in dichtende Anlage an den Meßanschluß verformbar ist, und daß die Meßmembran und die Hilfsmem- branen als strukturierte Schichten eines Chips ausgebildet sind und im wesentlichen aus Si bzw. Polysilizium und/oder Glas bestehen. Dadurch, daß nicht nur die Meßmembran sondern auch Hilfsmembranen vorgesehen sind, kann die Meßmembran bei Überlast, d.h. bei unzulässig hoher Druckdifferenz, sicher gegen übermäßige Stoßbeanspruchung geschützt werden und es wird gleichzeitig dadurch, daß die Meßmembran und die- Hilfsmembranen aus strukturierten Schichten eines Chips ausgebildet sind, eine Ausbildung geschaffen, welche sich durch mikromechanische Bearbeitung besonders leicht und kostengünstig herstellen läßt. Dadurch, daß jeweils die einem Meßanschluß zugewandte Seite mit der Meßmembran in offener Verbindung steht und lediglich die Hilfsmembran an ihrer jeweils dem zugeordneten Meßanschluß zugewandten Seite eine Dichtfläche trägt, wird lediglich die Hilfsmembran im Schließfalle stoßartig belastet und es können der- artige Stoßbelastungen von der Meßmembrane ferngehalten und von den Hilfsmembranen aufgenommen. erden. Insgesamt läßt sich eine derartige Ausbildung in einfacher Weise durch ausschließlich mikromechanische Bearbeitung so ausbilden, daß die Stoßbeanspruchung beim Schließen nur gedämpft auf die Meßmembrane wirksam wird. In vorteilhafter Weise ist die Ausbildung hiebei so getroffen, daß die Meßmembran an einander diametral gegenüber- liegenden Seiten mit der jeweils benachbarten Hilfsmembran an der der Einspannstelle der Hilfsmembran gegenüberliegenden Seite unter Zwischenschaltung von Distanzelementen dichtend verbunden ist. Die Meßmembran kann hiebei entsprechend der geforderten Empfindlichkeit großflächig und/oder dünner ausgebildet sein und eine entsprechende Zahl von Sensoren, insbesondere von integrierten Piezoresistoren oder kapazitiven Meßzellen tragen, welche die Empfindlichkeit bedeutend steigern, da die Anordnung und die Ausgestaltung der Meßmembrane selbst keinen wie immer gearteten Einschränkungen unterworfen ist, wie sie beispiels- weise durch die Anor-dnung von Dichtflächen an der Meßmembran notwendigerweise vorausgesetzt werden müßten. Es kann somit je nach gewünschter Empfindlichkeit in einfacher Weise durch mikromechanische Bearbeitung die gewünschte Struktur ausgebildet werden, wobei auf die Art und die Anordnung der Druckmittelzu- leitung keine Rücksicht genommen werden muß.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung so getroffen, daß der aus Membranen und Distanzelementen hergestellte Aufbau monolithisch aufgebaut ist. Für die mikromechanische Be- arbeitung der Struktur von übereinander angeordneten einzelnen Waferplättchen können konventionelle mikromechanische Bearbeitungstechnologien eingesetzt werden, wobei die einzelnen Wafer in der Folge lediglich entsprechend miteinander verbunden werden müßten, was wiederum durch einfaches Verkleben oder Bonden mit konventionellen Methoden gelingt. Der mechanische Aufbau gestaltet sich auf diese Weise wesentlich einfacher, da auch mehrschichtige Konstruktionen mit mikromechanischer Bearbeitung wesentlich einfacher herzustellen sind, als der mechanische Zusammenbau diskreter gesonderter Bauteile. Die erforderliche Elastir zität kann durch einfache Ätzschritte mit hoher Präzision eingestellt werden und aufgrund der gewählten Struktur kann ein hohes Maß an Elastizität ohne Überlastung einer der Membranen gewähr- leistet werden, was insbesondere dadurch besonders einfach gelingt, daß sich die Meßmembran jeweils gegensinnig zur Bewegung der Hilfsmembranen bewegen läßt.
Ohne Beeinträchtigung der Präzision und der Eigenschaften der Meßmembran gelingt es erfindungsgemäß, wie es einer bevorzugten Ausführung entspricht, daß die den Dichtflächen benachbarten Bereiche der Hilsmembranen mit geringerer Dicke oder elastischer Struktur ausgebildet sind, welche in Richtung einer Trennung der Dichtflächen nach einem Schließen mit Druck beaufschlagbar sind. Für die Elastizität der Hilfsmembranen, welche die Dichtfunktion im Überlastfalle übernehmen müssen, können somit beliebig große Bereiche auf entsprechend geringere Dicke abgesetzt oder entsprechend strukturiert ausgebildet werden, ohne daß auf die für eine präzise Messung erforderliche Geometrie der Meßmembran Rücksicht genommen werden muß. Mit Vorteil ist die Ausbildung hiebei so getroffen, daß die Mebranen an ihren Rändern über Distanzelemente aus Si bzw. Glas miteinander gebondet sind, wobei mit Vorteil die Dichtflächen der Hilfsmembranen aus poliertem Polysilizium bzw. Si oder einem polierten Glas bestehen.
Prinzipiell werden derartige Differenzdruckmeßzellen in der Regel gekapselt ausgebildet und tragen an ihrer Außenseite noch entsprechende Sperrmembranen, sodaß die Meßzelle und die Hilfsmembranen selbst mit einer inkompreßsiblen Fluid gefüllt werden können. Der zu messende Druck gelangt hiebei auf die Sperrmembranen zur Wirkung, wobei die Druckdifferenz über das im Inneren der Meßzelle enthaltene Übertragungsfluid auf die Meßmembrane zur Wirkung gelangt. Zu diesem Zweck ist mit Vorteil die Ausbil-r düng so getroffen, daß die Hohlräume des mehrschichtig aufgebauten Chips mit einem Übertragungsfluid, insbesondere Öl, gefüllt sind und die Meßanschlüsse des Chips mit einer elastischen Dichtmembran gegenüber dem Übertragungsfluid abgedichtet sind. Mit der er findungs gemäßen Ausbildung kann die Anordnung mit Vorteil so getroffen sein, daß die Hilfsmembranen bei Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz den Meßanschluß mit dem niedrigeren Druck abschließen . Da ein entsprechend großflächiger Anschluß aufgrund der Ausbildung der Dichtflächen an den Hilfsmembranen ohne weiteres realisiert werden kann, kann es nach einem Verschließen der entsprechenden Seite mit dem niedrigeren Druck zu einem Anhaften kommen, was insbesondere bei präzise bearbeiteten hochpolierten Dichtflächen zur erwarten ist . Um in diesen Fällen ein sicheres Trennen in der Folge wieder zu gewährleisten ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß die den Dichtflächen benachbarten Wandbereiche der Meßzelle dünnwandiger ausgebildet sind und mit Druckfluid beaufschlagbar sind bzw. daß die Dichtflächen der Hilfsmembranen und/oder die den Meßanschlüssen benachbarten Gegenflächen als Piezovibratoren ausgebildet sind und zur Erzielung einer Vibration zur Unterstützung der Öffnungsbewegung mit einer Strom-quelle verbindbar sind, sodaß es nicht nur gelingt den jeweiligen Anschluß sicher und dichtend zu verschließen, sondern in der Folge auch eine sichere Trennung zu erzielen.
Um eine entsprechende gedrosselte Zuführung der Druckdifferenzen auf die Meßmembrane selbst zur Wirkung gelangen zu lassen, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß die den j eweiligen Meßanschluß mit einer Seite der Meßmembran verbindenden Kanäle einer sich zur Meßmembran verjüngenden konischen Querschnitt aufweisen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert . In dieser zeigen Fig . 1 eine Erstausbildung der Halbleitermeßzelle schematisch im Schnitt , Fig . 2 eine weitere abgewandelte Ausbildung, Fig. 3 eine abgewandelte Ausbildung, bei welcher die Anzahl der verwendeten Schichten verringert wurden, Fig . 4 eine Differenzdruck-Meßzelle in ihrer fertig zusammengebauten und gekapselten Ausbildung- und Fig. 5 eine schematische Darstellung der relativen Lagen der Membran bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Druckdifferenz.
In Fig. 1 ist ein mehrschichtiger Aufbau einer Meßzelle ersieht- lieh, bei welcher eine Reihe von Wafern durch mikromechanische Bearbeitung, insbesondere Ätzen, bearbeitet und übereinander gelegt wurden. Ausgehend von einem ersten Silizium-oder Glas- wafer 1, in welchem die Einlaßöffnung 2 für einen Druckanschluß bzw. Meßanschluß vorgesehen ist, wird unter Zwischenschaltung von aus einem Glas- oder Siliziumwafer 3 ausgebildeten Distanzstück eine erste Hilfsmembran 4 aus Silizium strukturiert. Zur Ausbildung elastisch verformbarer Bereiche ist eine meandrieren- de Strukturierung 5 vorgesehen, welche eine elastische Verformung der Hilfsmembran 4 ermöglicht. Im Schichtaufbau folgt eine weitere Glas- bzw. Si-Waferschicht 6, welche wiederum als Distanzelemente ausgebildet ist, wobei gleichzeitig ein freies Ende der Hilfsmembran 5 über ein derartiges Distanzelement 6 mit einem freien Ende der Meßmembran 7 gebondet ist. Die eigentliche Meßmembran besteht hiebei aus den auf geringeren Querschnitt abgesetzten Bereichen 8, an welchen Piezoresistoren 9 angeordnet sind. Seitlich der Meßmembran 7, ebenso wie seitlich der ersten Hilfsmembran 5, ist ein durchgehender Kanal 10 mit jeweils sich verengenden Querschnitten zur Dämpfung des Fluidflusses vorgesehen, welcher in eine geschlossene Kammer 11 an einer Seite der Meßmembran 7 mündet. Die Kammer wird hiebei wiederum durch Anordnung von aus einem Glaswafer ausgebildeten Distanzstücken 12 begrenzt, wobei die Kammer 11 in offener Verbindung mit der Kammer 13, welche dem Druckanschluß 2 benachbart ist, steht. Eine Beaufschlagung der Kammer 13 und der Kammer 11 mit einem Druck pi führt hiebei zu einer Bewegung der ersten Hilfsmembran in Richtung des Pfeiles 14 und zu einer gegenläufigen Bewegung ■ der Meßmembran 7 in Richtung des Pfeiles 15. Über die Distanzstücke 12, die wiederum aus Glas oder Si ausgebildet sein können, schließt die zweite Hilfsmembrane 16 an und es ist wiederum ein Anschluß 17 als zweiter Meßanschluß ausgebildet, welcher in einem Silizium- oder Glaswafer 18 angeordnet ist. Dazwischen wurden wiederum Distanzelemente 19 durch mikromecha- nische Verfahren aufgebracht. Ein über den Meßanschluß 17 angelegter Druck 2 breitet sich über die Kammer 20 und die wiederum durchgehenden Kanäle 21 in den Raum 22 an der Rückseite der Membran, sodaß auch hier eine Beaufschlagung mit einem Druck p2 prinzipiell zu einer gegenläufigen Bewegung der Hilfsmembran 16 zur Meßmembran 7 führt.
Bei der Darstellung nach Fig. 2 wurden die elastisch verformbaren Bereiche der Hilfsmembranen 4 und 16 als Bereiche geringe- rer Querschnittsdicke ausgebildet, sodaß hier ebenso eine elastische Verformung ermöglicht wird, wobei diese Bereiche entsprechend der gewünschten Elastizität bemessen werden können. Die Meßmembran selbst, die hier wiederum mit 7 bezeichnet ist, kann ebenso wie bei der Ausbildung nach Fig. 1 ausgebildet sein, sodaß durch entsprechende Bearbeitung der Hilfsmembranen 4 und 16 die jeweils zulässigen Grenzdruckdifferenzen eingestellt werden können.
Die den jeweiligen Anschlüssen 2 bzw. 17 zugewandten Flächen 23 und 24 sind ebenso wie die entsprechenden Gegenflächen 25 und 26 poliert ausgebildet, sodaß bei einem Anschlagen der Membranen 4 bzw. 16 an diesen Gegenflächen 25 bzw. 26 unmittelbar ein dichtender Abschluß erzielt wird. Um in der Folge die Öffnung auch dann zu ermöglichen, wenn im Zuge des dichten Schließens die beiden polierten Flächen aneinander haften, sind jeweils dünne Wandbereiche 27 und 28 im Bereich der polierten Anschlagflächen 25 und 26 vorgesehen, welche über gesonderte Kanäle 29 und 30 mit Druck beaufschlagt werden können, um ein Lösen der Hilfsmembranen 4 bzw. 16 zu ermöglichen.
Bei der Ausbildung nach Fig. 3 wird eine entsprechend geringere Anzahl von Schichten im Aufbau verwendet, wobei die jeweiligen Membranen mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet sind. Auch hier ist durch entsprechende Bohrung prin- zipiell die gleiche Art der Beaufschlagung der Membran vorgesehen und der Raum 13 steht mit dem Raum 11 sowie der Raum 20 mit dem Raum 22 in offener Verbindung, wodurch wiederum eine gegenläufige Bewegung der Meßmembrane 7 zur Bewegung der jeweiligen Hilfsmembranen 4 bzw 16 erzielt wird. Da die beiden Hilfsmembranen 4 und 16 in einer gemeinsamen Ebene liegen, können insgesamt zwei Schichten eingespart werden, wobei der Halb- leitersensor insgesamt flacher baut.
Bei der Darstellung nach Fig. 4 ist nun die fertig zusammengebaute Differenzdruck-Meßzelle ersichtlich, wobei äußere Abdeckmembranen 31 und 32 in den Gehäuseteilen 33 und 34 vorge- sehen sind und die Meßzelle selbst vollständig mit inkompressi- blem Fluid gefüllt ist. Der Druck wird somit unter Zwischenschaltung der Membranen 31 und 32 auf das Fluid im Inneren der Meßzelle übertragen und auf diese Weise der Differenzdruck gemessen. Die beiden Gehäuseteile 33 und 34 werden mittels Spann- schrauben 35 miteinander verbunden, wobei Dichtungen 36 zwischen den Halbleiterbauteilen und dem Gehäuse angeordnet sind, sodaß ein abgedichteter Hohlraum gebildet wird, in welchem die elektrische Kontaktierung bei 37 erfolgen kann.
In Fig. 5 ist nun die Verschiebelage der einzelnen Membranen bei einem Meßsensor nach Fig. 2 bzw. 4 im Falle einer unzulässig hohen Druckdifferenz ersichtlich. Die polierten Flächen 24 und 26 gelangen hiebei in dichtende Anlage aneinander, sodaß der Meßanschluß 17 mit dem geringeren Druck p verschlossen wird. Die Meßmembran 7 wird hiebei in Richtung des Pfeiles 15 abwärts bewegt, da der Druck aus der Kammer 13 über den Kanal 21 in der Kammer 11 zur Wirkung gelangt. Gleichzeitig kann die Hilfsmembran 4 in Anlage an die Meßmembran 7 gebracht werden, sodaß eine unzulässige Verformung der Meßmembran 7 nicht auftreten kann. Um nun ausgehend aus einer derartigen Stellung, bei welcher die maximal zulässige Druckdifferenz überschritten wird, ein Öffnen der Hilfsmembran 16 zu gewährleisten, wird Druck nicht nur über den Anschluß 17 sondern gleichzeitig auch über den Anschluß 30 auf den Wandbereich 28 ausgeübt, sodaß dieser Wandbereich ver- formt wird, um bei seiner Verformung eine Trennung bzw. eine Auseinanderbewegung der polierten Flächen 24 und 26 ergibt. Die Membranen 16, 7 und 4 sind im Querschnitt gesehen und schematisiert S-förmig aneinander gereiht, sodaß ein hohes Maß an Elastizität bei gleichzeitig geringer Bruchgefahr gewährleistet ist. Die polierten Flächen bilden unmittelbar ein hoch wirksames Rückschlagventil aus, sodaß bei Überschreiten einer zulässigen Druckdifferenz ein sicheres Schließen und damit eine weitere Verschiebung der Membran 7 verhindert wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Differenzdruck-Meßzelle mit einer Meßmembran (7), welche zu beiden Seiten mit einem Fluid beaufschlagbar ist, welches über jeweils einen Meßanschluß (2,17) mit jeweils einer Seite der Meßmembran (7) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Seiten der Meßmembran (7) jeweils eine zusätzliche verformbare Hilfsmembran (4,16) zugeordnet ist, deren jeweils einem Meßanschluß (2,17) zugewandte Seite mit der Meßmembran (7) in offener Verbindung steht und deren jeweils diesem Meßanschluß
(2,17) zugewandte Seite eine Dichtfläche (23,24) trägt, welche bei Verformung der Hilfsmembran (4,16) in dichtende Anlage an den Meßanschluß (2,17) verformbar ist, und daß die Meßmembran
(7) und die Hilfsmembranen (4,16) als strukturierte Schichten eines Chips ausgebildet sind und im wesentlichen aus Si bzw. Polysilizium und/oder Glas bestehen.
2. Differenzdruck-Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmembran (7) an einander diametral gegenüberlie- genden Seiten mit der jeweils benachbarten Hilfsmembran (4,16) an der der Einspannstelle der Hilfsmembran (4,16) gegenüberliegenden Seite unter Zwischenschaltung von Distanzelementen (6,12) dichtend verbunden ist.
3. Differenzdruck-Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Dichtflächen (23,24) benachbarten Bereiche der Hilfsmembranen (4,16) mit geringerer Dicke oder elastischer Struktur ausgebildet sind, welche in Richtung einer Trennung der Dichtflächen (23,24) nach einem Schließen mit Druck beaufschlagbar sind.
4. Differenzdruck-Meßzelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mebranen (4,7,16) an ihren Rändern über Distanzelemente (6,12) aus Si bzw. Glas miteinander gebondet sind.
5. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen (23,24) der Hilfsmembranen (4,16) aus poliertem Polysilizium bzw. Si oder einem polierten Glas bestehen.
6. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume (11,13,20,22) des mehrschichtig aufgebauten Chips mit einem Übertragungsfluid, insbesondere Öl, gefüllt sind und die Meßanschlüsse (2,17) des Chips mit einer elastischen Dichtmembran (31,32) gegenüber dem Übertragungsfluid abgedichtet sind.
7. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmembranen (4,16) so ange- ordnet sind, daß bei Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz der Meßanschluß mit dem niedrigeren Druck geschlossen ist.
8. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmembran (7) bei zunehmender Druckdifferenz zu gegensinniger Bewegung zu den Hilfsmembranen
(4.16) beaufschlagbar ist.
9. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Dichtflächen (23,24) benach- barten Wandbereiche (27,28) der Meßzelle dünnwandiger ausgebildet sind und mit Druckfluid beaufschlagbar sind.
10. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtflächen (23,24) der Hilfs- membranen (4,16) und/oder die den Meßanschlüssen (2,17) benachbarten Gegenflächen (25,26) als Piezovibratoren ausgebildet sind und zur Erzielung einer Vibration zur Unterstützung der Öffnungsbewegung mit einer Stromquelle verbindbar sind.
11. Differenzdruck-Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den jeweiligen Meßanschluß
(2.17) mit einer Seite der Meßmembran (4,16) verbindenden Kanäle (10,21) einen sich zur Meßmembran (7) verjüngenden konischen Querschnitt aufweisen.
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