EP2021756A1 - Mems vakuumsensor nach dem reibungsprinzip - Google Patents

Mems vakuumsensor nach dem reibungsprinzip

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Publication number
EP2021756A1
EP2021756A1 EP07725001A EP07725001A EP2021756A1 EP 2021756 A1 EP2021756 A1 EP 2021756A1 EP 07725001 A EP07725001 A EP 07725001A EP 07725001 A EP07725001 A EP 07725001A EP 2021756 A1 EP2021756 A1 EP 2021756A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mass
sensor element
element according
substrate
mass element
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Withdrawn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
EP07725001A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Kurth
Dirk Tenholte
Karla Hiller
Christian Kaufmann
Thomas Gessner
Wolfram DÖTZEL
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Chemnitz
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Chemnitz
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Technische Universitaet Chemnitz filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2021756A1 publication Critical patent/EP2021756A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/16—Vacuum gauges by measuring variation of frictional resistance of gases
    • G01L21/22—Vacuum gauges by measuring variation of frictional resistance of gases using resonance effects of a vibrating body; Vacuum gauges of the Klumb type

Definitions

  • the measurement of vacuum pressures plays an increasing role in the art. Especially in the high technologies, the process control has expanded under vacuum, such as in the material coating and coating, semiconductor technology, as well as in the food industry.
  • the present invention relates to a sensor element with which, in particular, pressures in the vacuum range can be measured.
  • a group of vacuum sensors exploits the pressure dependence of the damping properties of gases to determine the pressure. Such sensors are called friction vacuum meters.
  • Typical of all friction vacuum gauges is a first moving body located in the vacuum to be measured. To this is usually in the immediate vicinity of a second, moving or fixed body attached, so that between the two a close
  • Gap arises. Due to various damping effects, the movement of the first Body attenuated, the damping is pressure-dependent. The detection of the damping can then take place in various ways.
  • SRG Spinning Rotor Gauge
  • MKS Instruments Commercially available is, for example, the Spinning Rotor Gauge (SRG) from MKS Instruments.
  • SRG Spinning Rotor Gauge
  • the time is measured in which a magnetically held in a horizontal plane, rotating about a vertical axis ball is slowed down by the surrounding and colliding gas molecules from an initial speed to a fixed final speed. This time is a measure of the pressure to be measured.
  • Disadvantages of this friction vacuum gauge are a complex and fault-prone arrangement, relatively large dimensions and maximum measurable pressure values of 1 mbar.
  • a Reibungsvakuummeter is further described in the form of a tuning fork.
  • a vibrating suspended seismic mass (DE 43009893)
  • results from the arrangement of the vibrator a lower energy transfer or energy discharge to the carrier body of the vibrator and thus an extended pressure to deeper pressures range of 10 '3 to 100 mbar.
  • the measurable pressure range is unsatisfactory.
  • an extension of the measuring range can be achieved by arranging two separate transducers or one transducer, which exploits two orthogonal vibration modes, each for a lower (1, 33 10 "6 -0.0133 mbar) and a higher pressure range (0.00133-1330 mbar) In both arrangements, either the signals of two transducers or of two modes must be evaluated, which requires a complex transmitter. description
  • the present invention is therefore based on the object to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a vacuum pressure transducer available that should ensure the largest possible measuring range with high resolution and accuracy over the entire range.
  • Claim 24 specifies a method for measuring the pressure with the sensor element according to the invention.
  • the sensor element according to the invention is particularly suitable for the measurement of pressures in the vacuum region and has a substrate and at least one mass element, which is arranged at a distance from the substrate and elastically connected to the substrate and / or a support body immovable relative to the substrate.
  • the resulting from the arrangement between the mass element and the substrate gap is variable by vibrations of the mass element in its width.
  • the squeeze effect is the actual pressure-dependent variable.
  • the squeeze effect results from displacement and compression of the air in narrow gaps between moving plates with large lateral expansions and consists of two components, the squeezes, an additional spring constant due to the squeeze effect, and the squeezed damping.
  • small gap widths usually in the micron range, are required.
  • the molecular damping collisions of gas molecules with the moving or oscillating mass element
  • This damping effect is all the more pronounced, the larger the surface is perpendicular to the direction of movement of the oscillating mass element.
  • the vibration quality is a measure of the attenuation and results from the quotient of initial energy and energy loss per oscillation period, wherein the quotient is multiplied by 2 ⁇ .
  • At least one depression and / or passage is provided in the sensor element according to the invention in the gap defining substrate surface, which reduces the damping, especially at high pressures, so that up to maximum pressures in the range of atmospheric air pressure Vibrational grades greater than or equal to one, particularly preferably greater than or equal to 10, can be achieved.
  • the pressure-dependent attenuation can be detected by measuring and controlling the amplitude of a constant-frequency excitation signal so that the deflection amplitude of the vibrating mass element remains constant over the pressure range.
  • the pressure-proportional amplitude of the start signal is then a measure of the pressure. Taking into account that in the sensor described here, the excitation signal per decade change in pressure can also change by about a decade, so this detection method is only suitable for a very limited pressure range.
  • At least one mass element is perforated.
  • the mass element that immediately above the edges of the wells or
  • the width of the gap between the substrate and the mass element is preferably less than 20 .mu.m, more preferably less than 10 .mu.m. This makes it possible to use the pressure-dependent squeeze effect even at higher pressures and to extend the measuring range up to the atmospheric pressure.
  • the damping surface of the oscillating mass element should be as large as possible. From this point of view, a plate-like design of the mass element is particularly useful.
  • plate-like means that the lateral dimensions of the mass element or of the surfaces of the mass element which are mainly responsible for the damping are dimensioned substantially larger than the dimensions orthogonal thereto. In order to save mass and thus material, the orthogonal dimensions are usually minimized so that the plate-like
  • Mass element is sufficiently resistant to bending, so that the excited desired vibration mode (operating mode) is not affected by bending vibrations of the mass element.
  • the sensor element according to the invention uses a
  • a rotational mode as operating mode is advantageous.
  • the axis of rotation is located on one of the main axes of inertia, such interference can be minimized, as impressed from the outside forces only partially to one
  • the natural frequency of the operating mode When dimensioning the natural frequency of the operating mode, it must be taken into account that interference is usually in the low-frequency range. In order to impede the coupling of these disturbing influences, the natural frequency of the operating mode should be applied as high as possible. In the determination of the damping or of the pressure from the decay function of the oscillating mass element fall by a higher natural frequency of the operating mode more evaluable vibration periods in a time interval. On the other hand, a much higher natural frequency requires a stiffer suspension and would require a greater force and thus usually a higher electrical voltage for the deflection of the mass element.
  • the natural frequency of the operating mode between about 1 kHz and 10 kHz, preferably between 2kHz and 2.5 kHz.
  • the natural frequency is the
  • the operating mode is the first, i. the lowest frequency vibration mode to prevent interferences via low frequency vibration modes.
  • the natural frequency of the higher-frequency oscillation mode following the operating mode is ideally at least ten times the natural frequency of the operating mode. Due to this frequency difference, interference couplings are also reduced via higher-frequency vibration modes.
  • Rotational modes in which the suspension elements are loaded only by torsion are particularly suitable as operating modes.
  • An advantageous embodiment of the sensor element according to the invention therefore includes a mass element which is attached to two lying on a common longitudinal axis elastic suspension elements and performs a vibration about the longitudinal axis of the suspension elements.
  • a pure torsional stress of the suspension elements requires the lowest possible energy discharge and thus a low intrinsic or residual damping of the system. The lower the residual damping and thus the ratio to the pressure-dependent damping component, the lower the pressures can be measured.
  • two mass elements are elastically connected to one another, wherein one or both mass elements are elastically connected to the substrate or to a relatively immovable carrier body.
  • the one mass element is used to detect the excited vibration.
  • the other Mass element has the function of a coupling element by which the mass element intended for detection mechanically decoupled from the substrate and / or the carrier body and thus the energy discharge (internal energy loss) to the substrate and / or the carrier body on the suspensions or the clamping points (attachment points of the suspension elements ) is reduced.
  • the energy is released by stress-induced exchange processes of atoms, by migration of dislocations and interactions at grain boundaries and by thermocompression (conversion of mechanical energy into heat by mechanical tensile and compressive stress of the crystal lattice), especially in monocrystalline materials (eg monocrystalline silicon) the dominant influence represents.
  • These processes represent damping mechanisms that are responsible for the inherent or residual damping (damping without external damping influences) of a system.
  • the size of the energy discharge is determined by the material, the load and the shape of the structure.
  • the sensor element For a most compact design of the sensor element is a cascaded (nested) centered arrangement of the mass elements offers, including at least one mass element frame-shaped and another mass element, which is preferably plate-shaped or frame-shaped, is arranged inside the frame.
  • the first two oscillation modes are rotational modes that take place about a common principal axis of inertia of both mass elements.
  • the two Vibration modes perform the two mass elements in antiphase
  • a rotational mode in particular a torsional mode
  • an arrangement in which the two mass elements are connected via two first elastic suspension elements which lie on a common longitudinal axis, and these mass elements connected in this way are connected via two second suspension elements which have a common longitudinal axis having the two first suspension elements are elastically connected to the substrate and / or a stationary relative to the substrate support body, to minimize the energy discharge by the structural torsional stress of all suspension elements and the use of a coupling element particularly advantageous.
  • a particularly suitable material for the sensor element according to the invention is silicon due to its mechanical and electrical properties and its good technological controllability.
  • the force required to excite a mechanical vibration can be generated in many different ways. Magnetic, piezoelectric or electrostatic effects can be used.
  • the sensor element according to the invention is preferably an electrostatic vibrational excitation used.
  • at least one mass element is at least partially made conductive, whereby this mass element can act as an electrode.
  • the electrostatic excitation is in addition to the simplicity of the arrangement and the associated cost advantage the ability to use a pair of electrodes simultaneously for the excitation as well as for the detection of the excited vibration.
  • Another advantage of an electrostatic excitation is that the electrical energy can also be transferred capacitively to the sensor element according to the invention. This eliminates the need for an electrical feedthrough into the vacuum.
  • the inventive method for determining the pressure using the sensor element according to the invention comprises the following steps:
  • the claimed method uses the sensor element according to the invention and is particularly suitable for determining pressures in the vacuum range.
  • the pressure is determined from the decay function or the decay constant, which is a measure of the damping, a free damped oscillation.
  • An oscillating mass element performs a free oscillation if, after deflection, it is left to itself, oscillating (or creeping in the case of critical or supercritical damping) to the equilibrium state.
  • the frequency of the free vibration is the damped natural frequency of the oscillatory mass element.
  • Delay time refers to the time span between system input change and system output response. It's about the time between
  • the delay time is the time between the sudden change in the input quantity and the completion of the input Increase of the output quantity
  • the excitation frequency is the measure of the pressure to be measured.
  • the system responds very slowly or with a strong delay to changes in the start signal, resulting in control times of several seconds or a regulation is virtually impossible.
  • the relationship is not linear, because the resonance frequency is bee.nflußt the one hand by the damping, on the other hand by the * druckabhär.gige Squeezesteiflgkeh
  • a resulting further advantage of attenuation detection by evaluating the decay function is that this method is independent of changes in the natural or resonant frequency of the vibrating mass element, e.g. also - can be caused by temperature fluctuations is.
  • the controllably suspended mass element de? Sensoreiements, for example, by the application of an electrical voltage ⁇ excitation signal accessibleksenkt.
  • the start signal is optimized so that the Masseneiement nac '- the shortest possible time a srabile rest position (Anfar.gsauslenkung) achieved is stimulated without a Eigentrequenz of the oscillating mass element.
  • the rising edge of the excitation signal may, for example, follow the course of a sin 2 function and extend over a time interval that is in the range of 20 to 30 times the oscillation period of the first natural frequency of the oscillatory mass element. Thereby 'eats to minimize or prevent overshoot when approaching the rest position.
  • the initial deflection should be as large as possible to ensure the largest possible measurement signal.
  • striking of the mass element on the substrate and possible possible destruction of the sensor element e.g. be avoided by high short-circuit currents. Consequently, the starting signal or the electrical voltage should be below the value of the pull-in voltage.
  • pull-in voltage is meant the electrical voltage value at which no equilibrium state can be established between the electrical force and the mechanical counterforce of the springs over the possible deflection range, so that the mass element is maximally, i. until it stops at a boundary, is deflected.
  • the time course of the oscillation is measured or sampled.
  • This detection may be capacitive or optical, for example.
  • the sampling takes place with a signal whose frequency is at least 20 times the frequency of the excited operating mode.
  • the amplitude values of the oscillation determined by the scan pass through an algorithm which serves to detect the occurring extrema of the oscillation amplitude.
  • the current measured value is compared with the previous measured value.
  • the measurement will be aborted if the extrema amounts fall below a certain threshold or if a fixed period of time is exceeded. By taking into account all the vibration extrema occurring during the measurement, a high measuring accuracy can be achieved over the entire measuring range.
  • the decay constant is determined in a further method step.
  • the natural logarithm is formed from the amount of extrema.
  • these logarithmized values are on a straight line in the representation over time, which is why the general equation of the straight line serves as the starting point for an analytical description of this relationship.
  • the "method of least squares error" is used. According to this method, the deviations of the measured values from the approximation line are weighted differently, so that larger deviations have more influence on the approximation (approximation) than small deviations. For this Approximation methods result in two equations.
  • the determined decay constant and a known dependence on the pressure e.g. a previously determined calibration curve that determines the pressure value to be measured.
  • Sensor element according to the invention is preferably used as a pressure sensor for pressures of 10 "6 mbar to 1000 mbar. With a based on this pressure sensor measuring error less than 5% of the indicated value achieve art whereas according to the state 1 5% are usual.
  • the senor element By using a glass substrate and silicon for the mass and suspension elements and for the carrier body and aluminum or gold for the substrate electrodes and leads, the sensor element can be operated at operating temperatures up to 350 0 C.
  • the necessary evaluation and control electronics are completely outsourced and can be designed so that an electrically conductive connection between sensor element and electronics of up to one meter in length causes no distortion of the measurement signal.
  • FIG. 1 shows a sensor element according to the invention with a mass element 1 attached to two suspension elements 2.
  • FIG. 2 shows a sensor element according to the invention with a perforation 7 of the mass element 1.
  • FIG. 3 shows a sensor element according to the invention, consisting of two mass elements 1, 8 coupled together.
  • the sensor element according to the invention shown in Fig. 1 consists of a plate-shaped mass element 1, which is connected via two opposing suspension elements 2 with a support body 6 which is rigidly connected to a substrate 5 in combination.
  • a passage 4 is provided in the substrate 5 below the mass element 1.
  • the mass element 1 perforated 7 can be performed, as shown in Fig. 2.
  • FIG. 3 shows a further developed sensor element according to the invention, which consists of a first frame-shaped mass element 8 (coupling element - internal dimensions: length 3.76 mm, width 3.2 mm, depth 25 ⁇ m, external dimensions: length 5.8 mm, width 5.7 mm, depth 25 ⁇ m) and a second, plate-shaped mass element 1 arranged centrally within the frame (detection mass: length 2.6 mm, width 2.5 mm, depth 25 ⁇ m).
  • the two mass elements 1, 8 are elastically connected to one another via two first opposing suspension elements 2 (dimensions of a first suspension element: length 500 ⁇ m, width 30 ⁇ m, depth 25 ⁇ m), which lie on a common longitudinal axis.
  • the longitudinal axis of the suspension elements 2 is at the same time a common principal axis of inertia of both mass elements 1, 8.
  • This arrangement is via two further suspension elements 9 (dimensions of a second suspension element: length 250 ⁇ m, width 50 ⁇ m, depth 25 ⁇ m) having a common longitudinal axis with the two first suspension elements 2, elastically connected to a support body 6.
  • the suspension elements 2, 9 are realized by bar-shaped springs.
  • the vibration excited for measurement (operating mode) is a torsional vibration about the longitudinal axis of the suspension elements 2, 9.
  • the frame-shaped mass element 8 acts as a coupling element and serves to reduce the caused by the suspension of the detection mass 1 Energyaustrags.
  • the first vibration mode is a torsional mode about the longitudinal axis of the suspension elements 2, 9, in which both mass elements 1, 8 move in phase with each other.
  • the natural frequency of this mode is about 1100 Hz.
  • the second (next higher frequency) vibration mode is also a tilting mode about the longitudinal axis of the suspension elements 2, 9.
  • the two mass elements 1, 8 move at about 2200 Hz to each other phase opposition.
  • a bushing 4 (dimensions: length 3.8 mm, width 1, 9 mm) through the substrate 5, which serves to reduce the damping at higher pressures, in particular in the range of atmospheric air pressure.
  • This passage 4 is designed so that it covers only a part of the detection mass 1.
  • the uncovered areas of the detection mass 1 have a distance of 5 ⁇ m from the substrate 5 in the undeflected state.
  • the silicon of the mass 1, 8 and suspension elements 2, 9 and of the carrier body 6 is doped and thus designed to be electrically conductive.
  • electrically conductive regions of aluminum or gold in the form of substrate electrodes 3, 10 are arranged facing the two mass elements 1, 8.
  • the embodiment described in each case provides two substrate electrodes 3, 10 below the detection mass 1 and below the frame-shaped mass element 8.
  • the substrate electrodes 3, 10 are arranged so that by applying an electrical voltage between substrate electrodes 3, 10 and mass elements 1, 8, which act as counter electrodes, a force or torque about the longitudinal axis of the suspension elements 2, 9 can be generated.
  • the substrate electrodes 3 below the detection mass 1 serve both the excitation and the detection of the excited oscillation.
  • the detection takes place by superposition of the electrical excitation signal with a higher-frequency electrical signal, which acts as a carrier signal and is modulated by the oscillation-related variation of the capacitance between substrate electrodes 3 and detection mass 1 (counter electrode).
  • a higher-frequency electrical signal acts as a carrier signal and is modulated by the oscillation-related variation of the capacitance between substrate electrodes 3 and detection mass 1 (counter electrode).
  • the substrate electrodes 10 under the frame-shaped mass member 8 prevent permanent contact in the event that the frame-shaped mass member 8 should touch the substrate 5. Furthermore, these can be
  • Substrate electrodes 10 are used for fine adjustment or correction of the natural frequencies.
  • first mass element e.g. detection mass

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement zur Druckmessung, welches ein Substrat (5) und mindestens ein Massenelement (1) aufweist, das beabstandet zum Substrat (5) angeordnet und schwingungs fähig mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat (5) unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden ist, so dass zwischen dem Massenelement (1) und dem Substrat (5) ein Spalt besteht, dessen Breite durch Schwingungen des Massenelements (1) variierbar ist. In der den Spalt begrenzenden Fläche des Substrats (5) befindet sich mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens eine Durchführung, die zur Reduktion der Dämpfung der Schwingung des Massenelements durch das das Massenelement (1) umgebende Gas oder Plasma dient. Das Sensorelement findet insbesondere Anwendung in Drucksensoren zur Messung von Drücken im Vakuumbereich. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorelements als Druckaufnehmer lassen sich maximale Drücke bis in den Bereich des atmosphärischen Luftdrucks erfassen. Die tiefsten zu bestimmenden Drücke liegen im Bereich von 10-6 mbar.

Description

MEMS Vakuumsensor nach dem Reibungsprinzip
Technisches Gebiet
Die Messung von Vakuumdrücken spielt in der Technik eine wachsende Rolle. Besonders in den Hochtechnologien hat sich die Prozessführung unter Vakuum stark ausgebreitet, so zum Beispiel in der Materialbeschichtung und -Vergütung, der Halbleitertechnologie, sowie in der Nahrungsmittelindustrie. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement, mit dem sich insbesondere Drücke im Vakuumbereich messen lassen.
Stand der Technik
Zur Messung von tiefen Drücken, insbesondere im Vakuumbereich, werden unterschiedliche Messprinzipien und -Strukturen eingesetzt. Eine Gruppe von Vakuumsensoren nutzt die Druckabhängigkeit der Dämpfungseigenschaften von Gasen zur Bestimmung des Drucks aus. Derartige Sensoren werden Reibungsvakuummeter genannt.
Typisch für alle Reibungsvakuummeter ist ein im zu messenden Vakuum befindlicher erster bewegter Körper. Zu diesem ist üblicherweise in unmittelbarer Nähe ein zweiter, bewegter oder feststehender Körper angebracht, so dass zwischen beiden ein enger
Spalt entsteht. Aufgrund verschiedener Dämpfungseffekte wird die Bewegung des ersten Körpers gedämpft, wobei die Dämpfung druckabhängig ist. Die Detektion der Dämpfung kann dann auf verschiedene Arten erfolgen.
Kommerziell erhältlich ist beispielsweise der Spinning Rotor Gauge (SRG) von MKS Instruments. Bei diesem Reibungsvakuummeter wird die Zeit gemessen, in der eine magnetisch in einer horizontalen Ebene gehaltene, um eine senkrechte Achse rotierende Kugel durch die sie umgebenden und mit ihr zusammenstoßenden Gasmoleküle von einer Anfangsgeschwindigkeit auf eine festgelegte Endgeschwindigkeit abgebremst wird. Diese Zeit ist ein Maß für den zu messenden Druck. Nachteil dieses Reibungsvakuummeters sind eine komplexe und störanfällige Anordnung, verhältnismäßig große Abmessungen und maximal messbare Druckwerte von 1 mbar.
In der WO 02/0491 1 wird weiterhin ein Reibungsvakuummeter in Form einer Schwinggabel beschrieben. Im Vergleich zu anderen Ausführungsformen, wie z.B. einer schwingend aufgehängten seismischen Masse (DE 43009893), ergibt sich durch die Anordnung des Schwingers ein geringerer Energieübertrag bzw. Energieaustrag an den Trägerkörper des Schwingers und damit ein zu tieferen Drücken erweiterter Druckbereich von 10'3 bis 100 mbar. Trotz dieser Maßnahme ist der messbare Druckbereich nicht zufrieden stellend.
Eine Erweiterung des Messbereichs kann laut EP 0735354 durch Anordnung von zwei separaten Aufnehmern oder einem Aufnehmer, der zwei orthogonale Schwingungsmoden für jeweils einen tieferen (1 ,33 10"6-0.0133 mbar) und einen höheren Druckbereich (0.00133-1330 mbar) ausnutzt, erreicht werden. Bei beiden Anordnungen müssen entweder die Signale von zwei Aufnehmern oder von zwei Moden ausgewertet werden, was eine aufwändige Auswerteelektronik erfordert. Beschreibung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen Vakuumdruckaufnehmer zur Verfügung zu stellen, der einen möglichst großen Messbereich bei hoher Auflösung und Genauigkeit über den gesamten Messbereich gewährleisten soll.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Anspruch 24 gibt ein Verfahren zur Messung des Drucks mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement an.
Die Unteransprüche lehren vorteilhafte Weiterbildungen; die Ansprüche 25 bis 27 geben vorteilhafte Verwendungen an.
Das erfindungsgemäße Sensorelement ist besonders zur Messung von Drücken im Vakuumbereich geeignet und weist ein Substrat und mindestens ein Massenelement auf, das beabstandet zum Substrat angeordnet und elastisch mit dem Substrat und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper verbunden ist. Der aus der Anordnung zwischen dem Massenelement und dem Substrat resultierende Spalt ist durch Schwingungen des Massenelements in seiner Breite variierbar. In der den Spalt begrenzenden Fläche des Substrats ist mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens eine Durchführung vorgesehen, die zur Reduktion der Dämpfung der Schwingung des Massenelements durch das das Massenelement umgebende Gas oder Plasma geeignet ist. Bei höheren Drücken bis hin zu atmosphärischem Luftdruck ist der Squeezeeffekt die eigentliche druckabhängige Größe. Der Squeezeeffekt entsteht durch Verdrängen und Zusammenpressen der Luft in engen Spalten zwischen sich aufeinander zu bewegenden Platten mit großen lateralen Ausdehnungen und setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, der Squeezesteifigkeit, einer durch den Squeezeeffekt bedingten zusätzlichen Federkonstante, und der Squeezedämpfung. Um eine Druckabhängigkeit dieses Effekts bis zum atmosphärischen Luftdruck zu erreichen, sind geringe Spaltbreiten, üblicherweise im μm-Bereich, erforderlich. Bei tiefen Drücken im Vakuumbereich ist die Molekulardämpfung (Stöße von Gasmolekülen mit dem bewegten bzw. schwingenden Massenelement) der dominierende druckabhängige Effekt. Dieser Dämpfungseffekt ist umso stärker ausgeprägt, je größer die Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung des schwingenden Massenelements ist. Das führt zu der Problematik, dass die für die Messung bei tiefen Drücken erforderliche große Fläche des Massenelements in Verbindung mit der für höhere Drücke geforderten kleinen Spaltbreite die Dämpfung so stark erhöht, dass die Schwingungsgüte des schwingenden Massenelements insbesondere bei höheren Drücken so gering ist, dass eine Auswertung der freien Schwingung unmöglich ist. Die Schwingungsgüte (Gütefaktor) ist ein Maß für die Dämpfung und ergibt sich aus dem Quotienten von Anfangsenergie und Energieverlust pro Schwingungsperiode, wobei der Quotient mit 2π multipliziert wird.
Aus diesem Grund ist bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement in der den Spalt begrenzenden Substratfläche mindestens eine Vertiefung und/oder Durchführung vorgesehen, die die Dämpfung insbesondere bei hohen Drücken reduziert, so dass sich bis zu maximalen Drücken im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks Schwingungsgüten größer gleich eins, besonders bevorzugt größer gleich 10, erreichen lassen.
Insbesondere bei Bestimmung der Dämpfung bzw. des Drucks aus dem zeitlichen Verlauf eines freien gedämpft schwingenden Massenelements nach vorheriger Auslenkung, also der Bestimmung aus der Abklingfunktion einer freien gedämpften Schwingung, ist zur Gewährleistung einer zufrieden stellenden Genauigkeit eine Mindestanzahl an Schwingungsperioden bzw. auszuwertenden Amplitudenextrema und damit eine bestimmte Mindestschwingungsgüte erforderlich.
Bei Schwingungsgüten kleiner als eins ist diese Bedingung nicht mehr erfüllt. Dann muss die Bestimmung der Dämpfung und damit des Drucks über andere Detektionsverfahren realisiert werden. Zum Beispiel kann die druckabhängige Dämpfung dadurch detektiert werden, dass die Amplitude eines frequenzkonstanten Anregesignals gemessen und derart geregelt wird, dass die Auslenkungsamplitude des schwingenden Massenelements über den Druckbereich konstant bleibt. Die druckproportionale Amplitude des Anregesignals ist dann ein Maß für den Druck. Berücksichtigt man, dass sich bei dem hier beschriebenen Sensor das Anregesignal pro Dekade Druckänderung ebenfalls etwa um eine Dekade ändern kann, so eignet sich dieses Detektionsverfahren nur für einen stark eingeschränkten Druckbereich.
Mit zunehmender Schwingungsgüte stehen mehr auswertbare Messwerte zur Verfügung, wodurch sich der Einfluss stochastischer Signale auf die Genauigkeit der Druckmessung verringern lässt. Mit Schwingungsgüten größer gleich 10 lässt sich die maximal mögliche Genauigkeit praktisch annähernd erreichen. Wesentlich größere Schwingungsgüten ermöglichen nur noch eine geringfügig höhere Genauigkeit, weshalb die Messung bereits vor dem völligen Abklingen der Schwingung abgebrochen werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist mindestens ein Massenelement perforiert ausgeführt. Insbesondere in den Bereichen des Massenelements, die unmittelbar über den Rändern der Vertiefungen bzw.
Durchführungen liegen, ist eine gezielte Perforation von Vorteil. Dadurch lässt sich der Einfluss fertigungsgedingter geometrischer Toleranzen der Vertiefungen bzw. Durchführungen auf die Dämpfung minimieren.
Die Breite des Spalts zwischen Substrat und Massenelement ist bevorzugt kleiner 20 μm, besonders bevorzugt kleiner 10 μm. Dadurch lässt sich der druckabhängige Squeezeeffekt auch bei höheren Drücken nutzen und der Messbereich bis zum atmosphärischen Luftdruck erweitern.
Um möglichst tiefe Drücke erfassen zu können, sollte die dämpfende Fläche des schwingenden Massenelements möglichst groß sein. Unter diesem Gesichtpunkt ist eine plattenartige Ausführung des Massenelements besonders zweckmäßig. " Plattenartig" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die lateralen Abmessungen des Massenelements beziehungsweise der für die Dämpfung hauptsächlich verantwortlichen Flächen des Massenelements, wesentlich größer dimensioniert sind, als die dazu orthogonalen Abmessungen. Um Masse und damit Material zu sparen, sind die orthogonalen Abmessungen in der Regel so minimiert, dass das plattenartige
Massenelement ausreichend verbiegungssteif ist, damit die angeregte gewünschte Schwingungsmode (Betriebsmode) nicht durch Verbiegungsschwingungen des Massenelements beeinflusst wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung nutzt das erfindungsgemäße Sensorelement eine
Rotationsmode um eine der Hauptträgheitsachsen des Massenelements als Betriebsmode.
Da Reibungsvakuummeter aufgrund ihres Wirkungsprinzip empfindlich gegenüber äußeren Störgrößen wie Erschütterungen und Vibrationen sind, die besonders bei tiefen Drücken und damit verbundener geringer Dämpfung durch die von außen eingebrachte Energie eine zusätzliche Schwingungsanregung bedingen, ist die Wahl einer Rotationsmode als Betriebsmode von Vorteil. Insbesondere durch eine Rotationsmode, deren Drehachse auf einer der Hauptträgheitsachsen liegt, lassen sich solche Störeinflüsse minimieren, da von außen eingeprägte Kräfte nur bedingt zu einer
Momentenwirkung und damit zu einer Störung der angeregten Schwingung führen. Des Weiteren werden durch die Positionierung der Drehachse auf einer der Hauptträgheitsachsen Beeinflussungen durch Unwuchten vermieden.
Bei der Dimensionierung der Eigenfrequenz der Betriebsmode ist zu berücksichtigen, dass Störeinflüsse üblicherweise im niederfrequenten Bereich liegen. Um eine Einkopplung dieser Störeinflüsse zu erschweren, sollte die Eigenfrequenz der Betriebsmode möglichst hochfrequent angelegt sein. Bei der Bestimmung der Dämpfung bzw. des Drucks aus der Abklingfunktion des schwingenden Massenelements fallen durch eine höhere Eigenfrequenz der Betriebsmode zudem mehr auswertbare Schwingungsperioden in ein Zeitintervall. Eine wesentlich höhere Eigenfrequenz bedingt andererseits eine steifere Aufhängung und würde eine größere Kraft und damit üblicherweise eine höhere elektrische Spannung zur Auslenkung des Massenelements erfordern.
Als Kompromiss ergibt sich ein geeigneter Bereich für die Eigenfrequenz der Betriebsmode zwischen etwa 1 kHz und 10 kHz, bevorzugt zwischen 2kHz und 2,5 kHz. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt die Eigenfrequenz der
Betriebsmode bei 2,2 kHz.
In der Regel ist die Betriebsmode die erste, d.h. die niederfrequenteste Schwingungsmode, um Störeinkopplungen über niederfrequentere Schwingungsmoden zu verhindern. Des Weiteren ist die Eigenfrequenz der der Betriebsmode folgenden höherfrequenten Schwingungsmode idealerweise mindestens das Zehnfache der Eigenfrequenz der Betriebsmode. Durch diese Frequenzdifferenz werden Störeinkopplungen auch über höherfrequente Schwingungsmoden reduziert.
Als Betriebsmode besonders geeignet sind insbesondere Rotationsmoden, bei denen die Aufhängungselemente nur durch Torsion belastet werden (Torsionsmoden). Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements enthält daher ein Massenelement, das an zwei auf einer gemeinsamen Längsachse liegenden elastischen Aufhängungselementen befestigt ist und eine Schwingung um die Längsachse der Aufhängungselemente vollführt. Eine reine Torsionsbeanspruchung der Aufhängungselemente bedingt einen möglichst geringen Energieaustrag und damit eine geringe Eigen- bzw. Restdämpfung des Systems. Je geringer die Restdämpfung und damit das Verhältnis zur druckabhängigen Dämpfungskomponente, umso tiefere Drücke können gemessen werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Sensorelements sind zwei Massenelemente elastisch miteinander verbunden, wobei ein oder beide Massenelemente mit dem Substrat oder einem dazu relativ unbeweglichen Trägerkörper elastisch in Verbindung stehen. Zweckmäßigerweise wird das eine Massenelement zur Detektion der angeregten Schwingung verwendet. Das andere Massenelement hat die Funktion eines Koppelelements, durch das das zur Detektion bestimmte Massenelement vom Substrat und/oder dem Trägerkörper mechanisch entkoppelt und damit der Energieaustrag (innerer Energieverlust) an das Substrat und/oder den Trägerkörper über die Aufhängungen bzw. die Einspannstellen (Befestigungsstellen der Aufhängungselemente) verringert wird. Der Energieaustrag erfolgt durch spannungsinduzierte Platzwechselvorgänge von Atomen, durch Wandern von Versetzungen sowie Wechselwirkungen an Korngrenzen und durch Thermokompression (Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme durch mechanische Zug- und Druckbeanspruchung des Kristallgitters), die insbesondere bei einkristallinen Materialien (z.B. monokristallinem Silizium) den dominanten Einfluss darstellt. Diese Vorgänge stellen Dämpfungsmechanismen dar, die für die Eigen- bzw. Restdämpfung (Dämpfung ohne äußere Dämpfungseinflüsse) eines Systems verantwortlich sind. Die Größe des Energieaustrags wird vom Werkstoff, der Beanspruchung und der Form der Struktur bestimmt. Durch den Einsatz eines Koppelelements lässt sich der Energieaustrag und damit die Restdämpfung des Systems verringern und der Messbereich zu tieferen Drücken erweitern.
Für eine möglichst kompakte Bauweise des Sensorelements bietet sich eine kaskadierte (verschachtelte) zentrierte Anordnung der Massenelemente an, wozu mindestens ein Massenelement rahmenförmig ausgeführt und ein weiteres Massenelement, das bevorzugt plattenförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist, im Inneren des Rahmens angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements sind die ersten beiden Schwingungsmoden Rotationsmoden, die um eine gemeinsame Hauptträgheitsachse beider Massenelemente erfolgen. Bei einer der beiden Schwingungsmoden vollführen die beiden Massenelemente eine gegenphasige
Schwingung, wodurch der Energieverlust an der Einspannstelle und somit im Trägerkörpermaterial minimiert werden kann und sich eine weitere Optimierung der Restdämpfung des Systems erreichen lässt.
Bei Nutzung einer Rotationsmode, insbesondere einer Torsionsmode, als Betriebsmode ist eine Anordnung, bei der die beiden Massenelemente über zwei erste elastische Aufhängungselemente, die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen, verbunden sind, und diese so verbundenen Massenelemente über zwei zweite Aufhängungselemente, die eine gemeinsame Längsachse mit den zwei ersten Aufhängungselementen haben, elastisch mit dem Substrat und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper verbunden sind, zur Minimierung des Energieaustrags durch die strukturbedingte Torsionsbeanspruchung aller Aufhängungselemente und den Einsatz eines Koppelements besonders von Vorteil.
Ein besonders geeignetes Material für das erfindungsgemäße Sensorelement ist aufgrund seiner mechanischen und elektrischen Eigenschaften und seiner guten technologischen Beherrschbarkeit Silizium.
Die für die Anregung einer mechanischen Schwingung erforderliche Kraft kann auf viele verschiedene Arten generiert werden. Magnetische, piezoelektrische oder elektrostatische Effekte können dabei Anwendung finden. Beim erfindungsgemäßen Sensorelement kommt bevorzugt eine elektrostatische Schwingungsanregung zum Einsatz. Dafür wird mindestens ein Massenelement zumindest teilweise leitend ausgeführt, wodurch dieses Massenelement als Elektrode fungieren kann. Durch die Realisierung eines weiteren leitenden Bereichs im Substrat, der dem leitenden Bereich des Massenelements zumindest teilweise zugewandt ausgeführt ist, lässt sich eine Gegenelektrode bereitstellen. Vorteil der elektrostatischen Anregung ist neben der Einfachheit der Anordnung und dem damit verbundenen Kostenvorteil die Möglichkeit, ein Elektrodenpaar gleichzeitig für die Anregung als auch für die Detektion der angeregten Schwingung nutzen zu können. Dies kann beispielsweise durch Überlagerung der elektrischen Anregungsspannung mit einem höherfrequenten elektrischen Signal, das als Trägersignal fungiert und durch die schwingungsbedingte Variation der Kapazität zwischen den Elektroden moduliert wird, geschehen. Durch anschließende Demodulation des Trägersignals lässt sich die angeregte Schwingung rekonstruieren.
Ein weiterer Vorteil einer elektrostatischen Anregung besteht darin, dass die elektrische Energie auch kapazitiv an das erfindungsgemäße Sensorelement übertragen werden kann. Dadurch wird eine elektrische Durchkontaktierung ins Vakuum überflüssig.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Drucks unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorelements weist die folgenden Schritte auf:
- Auslenkung mindestens eines Massenelements und Erzeugung einer freien gedämpften Schwingung dieses Massenelements
- Messung des zeitlichen Verlaufs der Schwingung und Detektion der auftretenden Extrema der Schwingungsamplitude - Bestimmung der Abklingkonstante aus dem durch Approximation der
Schwingungsamplitudenwerte der Extrema bestimmten Zusammenhang zwischen Extrema der Schwingungsamplitude und Zeit
- Bestimmung des Drucks aus einer bekannten Abhängigkeit der Abklingkonstante vom Druck
Das beanspruchte Verfahren verwendet das erfindungsgemäße Sensorelement und eignet sich insbesondere zur Bestimmung von Drücken im Vakuumbereich. Der Druck wird dabei aus der Abklingfunktion bzw. der Abklingkonstante, die ein Maß für die Dämpfung ist, einer freien gedämpften Schwingung ermittelt. Ein schwingfähiges Massenelement führt eine freie Schwingung aus, wenn es nach einer Auslenkung sich selbst überlassen, oszillierend (oder im Falle der kritischen bzw. überkritischen Dämpfung kriechend) in den Gleichgewichtszustand zurückkehrt. Die Frequenz der freien Schwingung ist die gedämpfte Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Massenelements. Durch Auswertung der Abklingfunktion kann die Dämpfung auch noch bei sehr tiefen Drücken und damit verbundenen hohen Schwingungsgüten des schwingenden Massenelements zuverlässig bestimmt werden, da eine gütebedingte Verzögerungszeit bei diesem Detektionsverfahren praktisch einen geringeren Einfluß hat.
Als Verzögerungszeit wird die Zeitspanne zwischen Änderung am Systemeingang und Antwort am Systemausgang bezeichnet. Dabei geht es um die Zeitspanne zwischen
Änderung am Systemeingang und abgeschlossener Antwort am Systemausgang. Ändert sich etwa die Größe am Systemeingang durch eine Sprungfunktion, wodurch am Systemausgang ein Wert langsam ansteigt, ist die Verzögerungszeit die Zeitspanne zwischen der sprunghaften Änderung der Eingangsgröße und dem Abschluss des Anstiegs der Ausgangsgröße Bei Detektion der Dämpfung bzw. des Drucks durch
Regelung der Frequenz des Anregesignals, so dass der Körper immer auf seiner druckabhängigen Resonanzfrequenz angeregt wird, hat die Verzögerungszeit insbesondere bei tiefen Drücken einen nicht unerheblichen Einfluss. Bei diesem Detektionsverfahren ist die Anregefrequenz das Maß für den zu messenden Druck. Bei tiefen Drücken und damit verbundenen hohen Schwingungsgüten reagiert das System äußerst träge bzw. mit einer starken Verzögerung auf Änderungen des Anregesignals, woraus Regelzeiten von mehreren Sekunden resultieren können oder eine Regelung praktisch unmöglich wird. Zudem ist der Zusammenhang nichtlinear, da die Resonanzfrequenz zum einen durch die Dämpfung, zum anderen aber auch durch die* druckabhär.gige Squeezesteiflgkeh bee.nflußt wird
Ein daraus resultierender weiterer Vorceil der Dämpfungsdetektion durch Auswertung der Abklingfunktion besteht darin, dass dieses Verfahren unabhängig von Änderungen der Eigen- bzw. Resonanzfrequenz des schwingenden Massenelements, die z.B. auch - durch Temperaturschwankungen verursacht werden können, ist.
in einem ersten Schritt des beanspruchten Verfahrens wird das sclrvingungsfähig aufgehängte Massenelement de? Sensoreiements beispielsweise durch das Anlegen einer elektrischen Spannung ^Anregesignal) elektrosratisch ausge.enkt. Dabei ist das Anregesignal dahingehend optimiert, dass das Masseneiement nac'- möglichst kurzer Zeit eine srabile Ruheposition (Anfar.gsauslenkung) erreicht ohne das eine Eigentrequenz des schwingungsfähigen Massenelements angeregt wird. Die ansteigende Flanke des Anregesignal kann beispielsweise dem Verlauf einer sin2-Funktion folgen und erstreckt sich über ein Zeitintervall, das im Bereich des 20- bis 30-fachen der Schwingungsperiode der ersten Eigenfrequenz des schwingungsfähigen Massenelement≤ iiegt. Dadurch 'ässt sich ein Überschwingen bei der Annäherung an die Ruheposition minimieren bzw. verhindern.
Die Anfangsauslenkung sollte möglichst groß sein, um ein möglichst großes Messsignal zu gewährleisten. Allerdings sollte ein Anschlagen des Massenelements am Substrat und eine damit verbundene mögliche Zerstörung des Sensorelements, z.B. durch hohe Kurzschlussströme, vermieden werden. Demzufolge sollte das Anregesignal bzw. die elektrische Spannung unter dem Wert der Pull-in-Spannung liegen. Mit Pull-in-Spannung ist der elektrische Spannungswert gemeint, bei dem sich zwischen elektrischer Kraft und mechanischer Gegenkraft der Federn über den möglichen Auslenkungsbereich kein Gleichgewichtszustand einstellen kann, so dass das Massenelement maximal, d.h. bis zum Anschlag an einer Begrenzung, ausgelenkt wird.
Ausgehend von der Ruheposition wird durch eine sprunghafte Spannungsänderung auf z.B. 0 V Potenzialdifferenz zwischen Elektrode und Gegenelektrode eine freie gedämpfte Schwingung des Massenelements erzeugt, die abhängig von dem das Massenelement umgebenden Druck verschieden stark abklingt.
In einem zweiten Schritt wird der zeitliche Verlauf der Schwingung gemessen bzw. abgetastet. Diese Detektion kann beispielsweise kapazitiv oder optisch erfolgen. Um eine hohe Auflösung und damit Genauigkeit erzielen zu können, erfolgt die Abtastung mit einem Signal, dessen Frequenz mindestens das 20-fache der Frequenz der angeregten Betriebsmode ist. Die durch die Abtastung ermittelten Amplitudenwerte der Schwingung durchlaufen einen Algorithmus, der zur Detektion der auftretenden Extrema der Schwingungsamplitude dient.
Nach diesem Algorithmus wird der aktuelle Messwert mit dem vorherigen Messwert verglichen. Zusätzlich gibt es noch eine Variable, die beschreibt, ob das Messsignal fällt oder steigt. Unter der Annahme, dass das Messsignal steigt und der aktuelle Messwert größer als der vorherige ist, resultiert, dass das Messsignal weiter steigt. Ist der aktuelle Messwert kleiner als der vorige, dann beschreibt der vorherige Messwert ein Maximum. In diesem Fall wird der vorherige Messwert mit der zugehörigen Zeit gespeichert. Allerdings muss noch das Rauschen des Messsignals berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass nur wenn sich die beiden Messwerte um einen Mindestbetrag oberhalb einer Rauschgrenze unterscheiden, ein Maximum angenommen wird. Ansonsten wird der aktuelle Messwert verworfen und der nächste Messwert mit dem vorletzten Messwert verglichen. Die Ermittlung eines Minimums erfolgt in äquivalenter Weise. Der Vergleich der Messwerte erfolgt in Echtzeit.
Die Messung wird abgebrochen, wenn die Beträge der Extrema einen bestimmten Schwellwert unterschreiten oder eine festgelegte Zeitdauer überschritten ist. Durch Berücksichtigung aller während der Messung auftretenden Schwingungsextrema lässt sich über den gesamten Messbereich eine hohe Messgenauigkeit erreichen.
Aus den ermittelten Extrema der Schwingungsamplitude wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Abklingkonstante bestimmt. Typischerweise wird dabei der natürliche Logarithmus vom Betrag der Extrema gebildet. Diese logarithmierten Werte liegen bei der Darstellung über der Zeit im Idealfall auf einer Geraden, weshalb für eine analytische Beschreibung dieses Zusammenhangs die allgemeine Geradengleichung als Ansatz dient. Um die Näherungsgerade möglichst gut an die Messwerte anzupassen, wird die " Methode der kleinsten Fehlerquadratsumme" verwendet. Nach dieser Methode werden die Abweichungen der Messwerte von der Näherungsgerade unterschiedlich stark gewichtet, so dass größere Abweichungen mehr Einfluss auf die Näherung (Approximation) haben als geringe Abweichungen. Aus diesem Approximationsverfahren resultieren zwei Gleichungen. Eine dieser Gleichungen ermöglicht die Berechnung des Geradenanstiegs, der der gesuchten Dämpfung bzw. Abklingkonstante entspricht. Zur Bestimmung des Geradenanstiegs bzw. der Abklingkonstante werden in der entsprechenden Gleichung 5 Summenterme miteinander verrechnet. Diese Summenterme berechnen sich aus den logarithmierten Werten und den zugehörigen Zeitwerten. Jedes weitere ermittelte Extremum erhöht den Laufindex der Summenterme um eins. Für die Berechnung der Abklingkonstante müssen entsprechend nur die Werte der 5 Summenterme und nicht sämtliche erfassten Extrema mit den zugehörigen Zeitwerten gespeichert werden, was den benötigten Speicherplatz reduziert und somit Kosten spart.
In einem abschließenden Verfahrensschritt wird aus der ermittelten Abklingkonstante und einer bekannten Abhängigkeit vom Druck, z.B. einer vorher ermittelten Kalibrierkurve, der zu messende Druckwert bestimmt.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Sensorelement als Druckaufnehmer für Drücke von 10"6mbar bis 1000 mbar verwendet. Mit einem darauf basierenden Drucksensor lassen sich Messabweichungen weniger als 5% des angezeigten Werts erreichen, wogegen entsprechend dem Stand der Technik 1 5% üblich sind.
Durch Verwendung eines Glassubstrats und von Silizium für die Massen- und Aufhängungselemente sowie für den Trägerkörper und Aluminium oder Gold für die Substratelektroden und Zuleitungen lässt sich das Sensorelement bei Einsatztemperaturen bis 3500C betreiben. Die notwendige Auswerte- und Regelungselektronik ist dabei komplett ausgelagert und kann so gestaltet werden, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen Sensorelement und Elektronik von bis zu einem Meter Länge keine Verfälschung des Messsignals verursacht.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit einem an zwei Aufhängungselementen 2 befestigten Massenelement 1 .
Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit Perforation 7 des Massenelements 1 .
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement, bestehend aus zwei miteinander gekoppelten Massenelementen 1 , 8.
Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Sensorelement besteht aus einem plattenförmigen Massenelement 1 , das über zwei sich gegenüberliegende Aufhängungselemente 2 mit einem Trägerkörper 6, der starr mit einem Substrat 5 verbunden ist, in Verbindung steht. Zur Reduktion der Dämpfung bei höheren Drücken insbesondere im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks ist im Substrat 5 unterhalb des Massenelements 1 eine Durchführung 4 vorgesehen. Um den Einfluss fertigungsgedingter geometrischer Toleranzen der Vertiefungen bzw. Durchführungen 4 auf die Dämpfung zu minimieren, kann das Massenelement 1 perforiert 7 ausgeführt werden, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Fig. 3 zeigt ein weiterentwickeltes erfindungsgemäßes Sensorelement, das aus einem ersten rahmenförmigen Massenelement 8 (Koppelelement - Innenabmaße: Länge 3,76 mm, Breite 3,2 mm, Tiefe 25 μm, - Außenabmaße: Länge 5,8 mm, Breite 5,7 mm, Tiefe 25 μm) und einem zweiten, zentrisch innerhalb des Rahmens angeordnetes, plattenförmigen Massenelement 1 (Detektionsmasse: Länge 2,6 mm. Breite 2,5 mm. Tiefe 25 μm) besteht. Die beiden Massenelemente 1 , 8 sind über zwei erste sich gegenüberliegende Aufhängungselemente 2 (Abmaße eines ersten Aufhängungselements: Länge 500 μm. Breite 30 μm, Tiefe 25 μm), die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen, elastisch miteinander verbunden. Die Längsachse der Aufhängungselemente 2 ist gleichzeitig eine gemeinsame Hauptträgheitsachse beider Massenelemente 1 , 8. Diese Anordnung ist über zwei weitere Aufhängungselemente 9 (Abmaße eines zweiten Aufhängungselements: Länge 250 μm, Breite 50 μm. Tiefe 25 μm), die eine gemeinsame Längsachse mit den zwei ersten Aufhängungselementen 2 haben, mit einem Trägerkörper 6 elastisch verbunden. Der Trägerkörper 6, der wie die Aufhängungs- 2, 9 und Massenelemente 1 , 8 aus Silizium besteht, ist wiederum starr mit einem Glassubstrat 5 verbunden.
Die Aufhängungselemente 2, 9 sind durch balkenförmige Federn realisiert. Die zur Messung angeregte Schwingung (Betriebsmode) ist eine Torsionsschwingung um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9.
Das rahmenförmige Massenelement 8 fungiert als Koppelelement und dient der Verringerung des durch die Aufhängung der Detektionsmasse 1 bedingten Energieaustrags. In der beispielhaften Ausgestaltung ist die erste Schwingungsmode eine Torsionsmode um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9, bei der sich beide Massenelemente 1 , 8 gleichphasig zueinander bewegen. Die Eigenfrequenz dieser Mode liegt bei etwa 1 100 Hz. Die zweite (nächst höherfrequente) Schwingungsmode ist ebenfalls eine Kippmode um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9. Im Gegensatz zur ersten Schwingungsmode bewegen sich hierbei die beiden Massenelemente 1 , 8 bei etwa 2200 Hz zueinander gegenphasig. Durch diese Dimensionierung wird eine besonders effektive Kopplung zum Trägerkörper 6 erreicht.
Unterhalb der Detektionsmasse 1 befindet sich zentrisch dazu eine Durchführung 4 (Abmaße: Länge 3,8 mm, Breite 1 ,9 mm) durch das Substrat 5, welche der Reduktion der Dämpfung bei höheren Drücken insbesondere im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks dient. Diese Durchführung 4 ist so gestaltet, dass sie nur einen Teil der Detektionsmasse 1 überdeckt. Die nicht überdeckten Bereiche der Detektionsmasse 1 haben im unausgelenkten Zustand einen Abstand von 5 μm vom Substrat 5.
Das Silizium der Massen- 1 , 8 und Aufhängungselemente 2, 9 sowie des Trägerkörpers 6 ist dotiert und damit elektrisch leitend ausgeführt. Auf der den Spalt begrenzenden Substratfläche sind elektrisch leitfähige Bereiche aus Aluminium oder Gold in Form von Substratelektroden 3, 10 den beiden Massenelementen 1 , 8 zugewandt angeordnet. Die beschriebene Ausführung sieht jeweils zwei Substratelektroden 3, 10 unterhalb der Detektionsmasse 1 und unterhalb des rahmenförmigen Massenelements 8 vor. Dabei sind die Substratelektroden 3, 10 so angeordnet, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Substratelektroden 3, 10 und Massenelementen 1 , 8, die als Gegenelektroden fungieren, eine Kraftwirkung beziehungsweise ein Drehmoment um die Längsachse der Aufhängungselemente 2, 9 erzeugt werden kann. Die Substratelektroden 3 unterhalb der Detektionsmasse 1 dienen sowohl der Anregung als auch der Detektion der angeregten Schwingung. Die Detektion erfolgt dabei durch Überlagerung des elektrischen Anregesignals mit einem höherfrequenten elektrischen Signal, das als Trägersignal fungiert und durch die schwingungsbedingte Variation der Kapazität zwischen Substratlektroden 3 und Detektionsmasse 1 (Gegenelektrode) moduliert wird. Durch Demodulation des Trägersignals lässt sich der zeitliche Schwingungsverlauf der Detektionsmasse 1 ermitteln.
Die Substratelektroden 10 unter dem rahmenförmigen Massenelement 8 verhindern insbesondere einen bleibenden Kontakt, für den Fall, dass das rahmenförmige Massenelement 8 das Substrat 5 berühren sollte. Des Weiteren können diese
Substratelektroden 10 zur Feineinstellung bzw. Korrektur der Eigenfrequenzen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste
1 erstes Massenelement z.B. Detektionsmasse
2 erste Aufhängungselemente
3 Substratelektroden zur Anregung und/oder Detektion
4 Durchführung bzw. Vertiefung
5 Substrat
6 Trägerkörper
7 Perforation
8 zweites Massenelement z.B. Koppelelement
9 zweite Aufhängungselemente
10 Substratelektroden zur Steuerung
1 1 Deckelung

Claims

Patentansprüche
1. Sensorelement zur Druckmessung, aufweisend ein Substrat (5) und mindestens ein Massenelement (1 ), das beabstandet zum Substrat (5) angeordnet und schwingungsfähig mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat (5) unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden ist, so dass zwischen dem
Massenelement (1 ) und dem Substrat (5) ein Spalt besteht, dessen Breite durch Schwingungen des Massenelements (1) variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Spalt begrenzenden Fläche des Substrats (5) mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens eine Durchführung (4) vorgesehen ist, die zur Reduktion der Dämpfung der Schwingung des Massenelements (1 ) durch das das
Massenelement (1 ) umgebende Gas oder Plasma geeignet ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung und/oder Durchführung (4) derart gestaltet ist, dass bis zu maximalen Drücken im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks eine Schwingungsgüte größer gleich eins gewährleistet wird.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung und/oder Durchführung (4) derart gestaltet ist, dass bis zu maximalen Drücken im Bereich des atmosphärischen Luftdrucks eine Schwingungsgüte größer gleich zehn gewährleistet wird.
4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Massenelement (1) perforiert (7) ausgeführt ist.
5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spalts bei nicht ausgelenktem Massenelement (1 ) kleiner 20 μm ist.
6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Spalts bei nicht ausgelenktem Massenelement (1 ) kleiner 10 μm ist.
7. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Massenelement (1 ) plattenartig ausgeführt ist.
8. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmode eine Rotationsmode ist, die um eine der
Hauptträgheitsachsen des Massenelements (1) erfolgt.
9. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Betriebsmode zwischen 1000 Hz und 10000 Hz liegt.
10. Sensorelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der Betriebsmode zwischen 2000 Hz und 2500 Hz liegt.
1 1 . Sensorelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Eigenfrequenz der Betriebsmode bei etwa 2200 Hz liegt.
12. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der der Betriebsmode folgenden höherfrequenten Schwingungsmode mindestens das Zehnfache der Eigenfrequenz der Betriebsmode beträgt.
13. Sensorelement nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Betriebsmode eine Torsionsmode ist.
14. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Massenelement (1 ) an zwei auf einer gemeinsamen Längsachse liegenden elastischen Aufhängungselementen (2) befestigt ist.
1 5. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenelement (1 ) mit mindestens einem weiteren Massenelement (8) elastisch verbunden ist, wobei das Massenelement (1 ) und/oder das weitere Massenelement (8) elastisch mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden ist.
16. Sensorelement nach Anspruch 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Massenelemente (1 ) zur Detektion der angeregten Schwingung und das jeweils andere Massenelement (8) der mechanischen Entkopplung des zur Detektion bestimmten Massenelements (1) vom Substrat (5) beziehungsweise vom Trägerkörper
(6) dient.
17. Sensorelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Massenelemente (8) rahmenförmig ausgeführt ist und innerhalb dieses Massenelements das andere Massenelement (1) angeordnet ist, welches plattenförmig oder rahmenförmig ausgebildet ist.
18. Sensorelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten zwei Schwingungsmoden Rotationsmoden um eine gemeinsame Hauptträgheitsachse beider Massenelemente (1 , 8) sind, wobei mindestens eine der zwei Schwingungsmoden eine gegenphasige Bewegung beider Massenelemente (1 , 8) beschreibt und als Betriebsmode geeignet ist.
19. Sensorelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmode eine Torsionsmode ist.
20. Sensorelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Massenelemente (1 , 8) über zwei erste elastische Aufhängungselemente (2), die auf einer gemeinsamen Längsachse liegen, verbunden sind, und diese so verbundenen Massenelemente (1 , 8) über zwei zweite Aufhängungselemente (9), die eine gemeinsame Längsachse mit den zwei ersten Aufhängungselementen (2) haben, elastisch mit dem Substrat (5) und/oder einem relativ zum Substrat unbeweglichen Trägerkörper (6) verbunden sind.
21 . Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement Silizium enthält oder daraus besteht.
22. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Massenelemente (1 , 8) elektrisch leitfähiges Material enthält oder daraus besteht und auf der den Spalt begrenzenden Substratfläche mindestens eine Substratelektrode (3, 10) dem Massenelement (1 , 8) zumindest teilweise zugewandt angeordnet ist, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Massenelement (1 , 8) und Substratelektrode (3, 10) das
Massenelement (1 , 8) elektrostatisch auslenken und/oder die durch die Auslenkung hervorgerufene mechanische Schwingung messen zu können.
23. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement oder der Trägerkörper (6) mit der Wandung eines Behälters derart verbunden ist, dass die Energie zur Schwingungsanregung mindestens eines Massenelements (1 , 8) kapazitiv über die Wandung des Behälters an das Sensorelement oder den Trägerkörper (6) übertragen werden kann.
24. Verfahren zur Bestimmung des Drucks unter Verwendung des Sensorelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:
- Auslenkung mindestens eines Massenelements (1 , 8) und Erzeugung einer freien gedämpften Schwingung dieses Massenelements (1 , 8)
- Messung des zeitlichen Verlaufs der Schwingung und Detektion der auftretenden Extrema der Schwingungsamplitude
- Bestimmung der Abklingkonstante aus dem durch Approximation der Schwingungsamplitudenwerte der Extrema bestimmten Zusammenhang zwischen Extrema der Schwingungsamplitude und Zeit
- Bestimmung des Drucks aus einer bekannten Abhängigkeit der Abklingkonstante vom Druck
25. Verwendung des Sensorelements nach den Ansprüchen 1 bis 23 als Druckaufnehmer für Drücke von 10"6mbar bis 10OOmbar.
26. Verwendung des Sensorelements nach Anspruch 25 in einem Drucksensor, wobei die Messabweichung weniger als 5% des tatsächlichen Werts beträgt.
27. Verwendung des Sensorelements nach den Ansprüchen 1 bis 23 als Druckaufnehmer bei Einsatztemperaturen bis etwa 3500C.
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