EP2029974A1 - Sensor in mikromechanischer bauweise zum messen des massendurchflusse nach dem coriolis-prinzip - Google Patents

Sensor in mikromechanischer bauweise zum messen des massendurchflusse nach dem coriolis-prinzip

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EP2029974A1
EP2029974A1 EP07765440A EP07765440A EP2029974A1 EP 2029974 A1 EP2029974 A1 EP 2029974A1 EP 07765440 A EP07765440 A EP 07765440A EP 07765440 A EP07765440 A EP 07765440A EP 2029974 A1 EP2029974 A1 EP 2029974A1
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EP
European Patent Office
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line sections
line
layers
sensor according
sections
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Withdrawn
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EP07765440A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roman Frahnow
Arno Steckenborn
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a sensor in micromechanical construction for measuring the mass flow rate according to the Coriolis principle, which two vibratory mounted pipe sections for the fluid whose mass flow is to be measured, wherein the line sections together with the oscillatory storage by layered, structured layers are formed.
  • a mass flow sensor according to the Coriolis principle which has a different design.
  • the line sections used for the measurement have a straight course in this sensor and are arranged parallel to one another. To carry out the measurement, the line sections are set in bending oscillations.
  • the sensor micromechanically produced is made up of two bonded silicon wafers, in which each half ⁇ shells of the prepared to generating line sections. the half-shells are completed to form a closed line cross-section because of the associated with the anisotropic etching of silicon wafers expense of the mass flow sensor is only.
  • two line sections are produced which lie in one plane in accordance with the geometrical extent of the wafers
  • the two line sections can be vibrated in different oscillation modes, whereby it can be shown that depending on the selected type of excitation can reach different sensor behaviors.
  • the sensor performance in English also called Quality Factor Q hereinafter
  • Q ⁇ 1500 grades can be achieved.
  • the object of the invention is to provide a mass flow sensor nor the Coriolis principle in micromechanical design, the sensitivity is improved.
  • the spacing structure is integrated in the micromechanical structure in the form of various layers, so that production in micromechanical construction is facilitated. Due to the symmetries occur in the layered construction of the sensor can be det USAGE ⁇ for the two line sections of equal parts so that the production effort for the micromechanical niche sensor according to the invention despite Vorsehnung of more than two layers can be kept within limits.
  • the line sections are formed by two layered Lei ⁇ processing layers, in the connecting surface of the line cross-section is located.
  • This embodiment of the invention has the advantage that can be used for the production of the line sections on best practices, as described for example in Enoksson ⁇ ben.
  • a particular embodiment of the invention provides that the spacer structure is formed by a recess in at least one of the cable layers, preferably by symmetrical depressions in both cable layers, wherein the cable layers are connected to each other with the side facing away from the connection surface.
  • the elements required for the spacing structure can advantageously be integrated into the layers of the sensor structure, which in any case must be provided for producing the line sections.
  • the spacer structure is formed by a spacer layer, wherein the Kausab ⁇ sections forming layers are attached to form the distance a on the opposite sides of the spacer layer.
  • This construction makes an additional position in the sensor necessary, such a construction is particularly advantageous if the line sections form ⁇ the layers are produced in etching technology. In this way, the geometry of these layers is not unnecessarily complexed, so that efficient process control during the etching treatment of the silicon wafers is possible.
  • the simple geometry of the layers forming the line sections further enables a standardization of these layers, so that the sensor structure can be assembled, in particular in the case of a symmetrical structure, from respectively identically designed layers.
  • the spacer layer is a comparatively low prepared standard component to which can be linked intimately with the silicon layers to USAGE ⁇ .
  • the requirements for the dimensional accuracy of the distance ⁇ position are in fact substantially less than the requirements on the geometry of the line sections forming layers.
  • the spacing only requires a defined thickness in the areas which are fastened to the adjacent layers.
  • the line sections have a loop-shaped course and the ends of each of a Budapestlyab- Cut together in a common storage location. In this way, an oscillatory system is created, which can advantageously undergo a large deflection at low excitation forces, since the design of the line sections comparable to a flying bearing leads to a low rigidity of the suspension.
  • Another embodiment of the invention is obtained when the line sections are straight and are mounted with their ends depending ⁇ Weil in two opposite bearing points. Such a trained sensor is excited so that the line sections perform bending vibrations.
  • the associated higher rigidity of the sensor is particularly advantageous when fluids with a high density, in particular ⁇ special liquids should be evaluated in terms of their mass flow.
  • the line sections are surrounded by a hermetic encapsulation.
  • This advantageously represents a protection of the sensitive sensor structure from the environment.
  • the encapsulation can advantageously be used to reduce the pressure in the interior of the encapsulation with respect to the environment, in particular to generate a vacuum in the hermetic encapsulation, whereby the vibrations of the line sections associated air friction can be reduced. This measure causes a additional reduction of the damping, whereby the sensitivity of the sensor can be advantageously further improved.
  • Figure 1 shows a schematic cross section through an embodiment of the sensor according to the invention, which is additionally provided with a hermetic encapsulation
  • Figure 2 is a perspective view of the line sections and the suspension of the sensor according to Figure 1
  • Figure 3 is a perspective view of another Ausu ⁇ tion of the sensor according to the invention schematically shows the embodiment according to Figure 4 and portions of a sensor 1 with four symmetrically arranged ⁇ line and the resulting mechanical stresses.
  • a micromechanically produced mass flow sensor 11 which consists of a total of nine micromechanically produced layers.
  • the heart is represented by cable layers 12a, 12b, which contribute to the formation of line sections 13.
  • One line layer 12a and one line layer 12b each form half shells 14 which, after bonding of the layers, become closed line cross sections 15. These are connected in a manner not shown with the frame structures 16, whereby the suspension of the line sections 13 takes place (more on this in the following).
  • the line sections 13 perform at a Schwingungsanre ⁇ tion vibrations, which are indicated by parts 17. So that the line sections that lichst to generate a mög ⁇ high quality are excited in opposite phase, the vibrations cause not interfere during removal, is between
  • Conductive layers 12a provided a spacer layer 18, the thickness of which guarantees a defined distance a between the cable layers.
  • the spacer layer is in this case to the frame 16 of the structural ⁇ structures line layers 12a.
  • the line layers 12b are each provided with further spacer layers 19 towards the outside, which are supported in the same way on the frame structures 16 of the line layers 12b.
  • cover layers 20 are provided with which a closure of the system is possible.
  • the further spacings 19 fulfill the same function as the previously mentioned spacer layer 17, which consists in that the line sections 13 do not bounce against the cover layers 20 while they perform their oscillations.
  • the conductor layers 12a, 12b are made of silicon wafers by means of anisotropic etching. This explains the hexagonal cross-sectional line 15.
  • the line layers 12a, 12b are on ⁇ due to the symmetry as identical parts performed so that these common parts in relatively large quantities can be produced. These are provided on the surface of a wafer and separated after the etching treatment.
  • the further layers 18, 19, 20 may likewise be made of silicon. Like the respective layers 12a and 12b, these can then be connected to one another by wafer bonding. Alternatively, however, the further layers can also be made of a less expensive material, since they are components with relatively simple geometry. In this case, the other layers should, for example with the Lei ⁇ tung layers 12a, 12b are bonded.
  • the lead portions 13 each extend in two parallel planes to each other ⁇ 21, thereby ensuring the constant distance a.
  • the two line sections 13 are also designed mirror-symmetrically to a plane of symmetry 22.
  • the bearings, not shown, are also symmetrical to each other, so that the system by a suitable
  • Excitation can be set in phase opposition to vibrate in order to perform the indicated by the arrows 17 vibrations.
  • a vibrational excitation can be carried out on the lead portions that form a capacitor and oscillatory movements induced by a suitable electrical control (not in dargestell ⁇ ter manner) in the line sections, for example, the e lectric conductive coating 23rd
  • a suitable electrical control not in dargestell ⁇ ter manner
  • An appropriate design of electrodes which is not shown in detail in Figure 1, can also be used for electrical reading of the vibration behavior (amplitude, frequency), this electrical signal is evaluated as a sensor signal.
  • FIG. 2 shows the sensor structure according to FIG. 1 in perspective.
  • the sectional plane S is tet angedeu ⁇ in Figure 2, wherein the two line sections ter Kunststoff in Figure 2 in Un ⁇ 13 is shown to Figure 1 in the deflected state.
  • the layers 19 and 20 shown in FIG. 1 and the frame structures of the remaining layers are not shown in FIG. From Figure 2, however, in addition to the line sections 13 and the bearings 24 are clear, on the one hand from each of extensions 25 of the Kirsab ⁇ sections 13 and rigid clamps 26, the Interface to the frame structures 16, not shown, (see FIG.
  • the line sections 13 open into the extensions 25 in a T-shape. Since the extensions 25 merge at their respective ends into the rigid clamps 26, essentially a tension stress is induced in the extensions by a deflection of the line sections 13 in the form shown in FIG.
  • the line sections 13 with their fluidic filling (gas or liquid) thus serve as a mass and the extensions as a torsion spring of a vibratory spring-mass system.
  • the extensions serve to introduce or discharge the fluid into and out of the pipe structure. This is also indicated in Figure 1 by arrows 27.
  • the outlets 28 can be seen for the fluid, which experienced by the frame structures 16, not shown, a corresponding extension to the outside.
  • the corresponding inlets are vorgese (not visible in Figure 2) ⁇ hen.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the sensor.
  • the line sections 13 are guided straight ahead, but these are shown in FIG. 3 in the deflected state.
  • the line sections are incorporated at opposite ends into respective extensions 25, which in turn transition into restraints 26.
  • This bearings 31 are created, which analogous to the bearings according to Figure 2 function as soon as bending vibrations are induced in the line sections 13.
  • the sensor arrangement according to FIG. 3 can be constructed analogously to FIG. 1 in order to realize a hermetic encapsulation.
  • FIG. 4 schematically shows a structure for a sensor structure which can supplement a sensor structure according to FIG. Evident are the line sections 13 and a central clamping 26 for both line sections 13.
  • the line sections 13 are arranged symmetrically to the plane of symmetry 22.
  • a further plane of symmetry 32 is provided which extends perpendicular to the plane of symmetry 22 in the middle by the clamping 26.
  • This plane of symmetry defines the symmetrical arrangement of two further line sections 33, which extend in the opposite direction to the line sections 13.
  • the line portions may have a gradient to ⁇ corresponding to the in Figure 2 is depicted. This results in respect of the course of the line sections 13 and 33 further into a plane of symmetry, which is parallel to the plane of FIG 4 and thus extends parallel both on the plane of symmetry 22 and on the plane of symmetry 32.
  • FIG. 5 shows a sensor structure which corresponds in construction to that according to FIG. 1, but was produced by a different method.
  • the line layers 12a, 12b are injection-molded parts

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (11) in mikromechanischer Bauweise zum Messen eines Massendurchflusses nach dem Coriolis-Prinzip. Dafür werden zwei Leitungsabschnitte (13) schwingungsfähig in einer Aufhängung (24) gelagert, wodurch sie gegenphasig zu Schwingungen angeregt werden können (wesentlich für das Messprinzip). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen den die Leitungsabschnitte (13) bildenden Lagen (12a, 12b) eine Abstandslage (18) vorgesehen ist, die einen Abstand zwischen den Leitungsabschnitten (13) im Ruhezustand gewährleistet. Hierdurch wird eine gegenphasige Schwingung der Leitungsabschnitte überhaupt erst möglich, da hierdurch eine Kollision der sich annähernden Leitungsabschnitte (13) verhindert wird.

Description

Beschreibung
Sensor in mikromechanischer Bauweise zum Messen des Massen- durchflusse nach dem Coriolis-Prinzip
Die Erfindung betrifft einen Sensor in mikromechanischer Bauweise zum Messen des Massendurchflusses nach dem Coriolis- Prinzip, welcher zwei schwingungsfähig gelagerte Leitungsabschnitte für das Fluid, dessen Massendurchfluss gemessen wer- den soll, aufweist, wobei die Leitungsabschnitte zusammen mit der schwingungsfähigen Lagerung durch geschichtete, strukturierte Lagen ausgebildet sind.
Nach dem Coriolis-Prinzip arbeitende Sensoren zur Messung des Massendurchflusses sind aus dem Stand der Technik in unter¬ schiedlichen Bauformen bereits bekannt, wobei diese im Allge¬ meinen in konventioneller Bauweise, also nicht in mikromecha¬ nischer Bauweise ausgeführt sind. Der US 4,768,385 ist bei¬ spielsweise ein solcher Sensor zu entnehmen, wobei zwei Lei- tungsabschnitte vorgesehen sind, die in zwei parallel zuein¬ ander verlaufenden Ebenen sich erstrecken. Diese beiden Leitungsabschnitte können zu gegenphasigen Schwingungen angeregt werden, wobei an der Stelle der größten Auslenkung eine e- lektrische Messvorrichtung zur Messung des Schwingungsverhal- tens vorgesehen ist. Das Messprinzip basiert auf dem so ge¬ nannten Coriolis-Prinzip. Dabei wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass fließende, also sich in Bewegung befindliche Fluide unter der Voraussetzung, dass diese durch einen rotierenden oder oszillierenden Fluidleiter geleitet werden, Cori- olis-Kräfte erzeugen, welche rechtwinklig einerseits zur
Flussrichtung des Fluides und andererseits zur Bewegungsrichtung des Fluidleiters wirken. Der Betrag dieser Coriolis- Kräfte ist proportional zur Produkt des Massenflusses und der Winkelgeschwindigkeit des Fluides. Durch Messung der Corio- lis-Kraft kann bei bekannter Geometrie des Fluidleiters somit der Massenfluss des Fluides berechnet werden.
Gemäß der DE 34 43 234 Al ist ein Massendurchflusssensor nach dem Coriolis-Prinzip beschrieben, der eine andere Bauform aufweist. Die zur Messung herangezogenen Leitungsabschnitte weisen bei diesem Sensor einen gradlinigen Verlauf auf und sind parallel zueinander angeordnet. Zur Durchführung der Messung werden die Leitungsabschnitte in Biegeschwingungen versetzt .
Enoksson und andere machen in „A Silicon Resonant sensor structure for coriolis mars flow managements", Journal of Micro electro Mechanical Systems, VoI 6, No. 2, June 1997 ei- nen Vorschlag, wie Massenflowsensoren nach den Coriolis- Prinzip in mikromechanischer Bauweise ausgeführt werden können. Der mikromechanisch hergestellte Sensor wird aus zwei gebondeten Siliziumwafern hergestellt, in die jeweils Halb¬ schalen der zu erzeugenden Leitungsabschnitte hergestellt wurden. Die Halbschalen werden zu einem geschlossenen Leitungsquerschnitt komplettiert. Wegen des mit dem anisotropen Ätzen von Siliziumwafern verbundenen Aufwandes ist der Massendurchflusssensor lediglich in zwei Lagen hergestellt. Zu diesem Zweck werden zwei Leitungsabschnitte hergestellt, die entsprechend der geometrischen Ausdehnung der Wafer in einer Ebene liegen. Die beiden Leitungsabschnitte können in unterschiedlichen Schwingungsmoden zu Schwingungen angeregt werden, wobei sich zeigt, dass sich abhängig von der gewählten Art der Anregung unterschiedliche Sensorgüten erreichen las- sen. Die Sensorgüte (im englischen auch als Qualityfactor Q bezeichnet) ist ein Maß für die Dämpfung des schwingungsfähigen Systems, welche die Empfindlichkeit der betreffenden Sen¬ sorstruktur direkt beeinflusst. Mit den von Enoksson vorge- schlagenen Massendurchflusssensoren in mikromechanischer Bauweise lassen sich Güten von Q < = 1500 erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Massendurch- flusssensor noch dem Coriolis-Prinzip in mikromechanischer Bauweise anzugeben, dessen Empfindlichkeit verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Sensor erfin¬ dungsgemäß dadurch gelöst, dass die Leitungsabschnitte spie- gelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgeführt sind und sich in zwei zueinander parallelen Ebenen mit jeweils gleichem Abstand a zur Symmetrieebene erstrecken, wobei der Ab¬ stand a unter Berücksichtigung der für die Leitungsabschnitte vorgesehenen Schwingungsamplituden dimensioniert ist und durch mindestens eine in den strukturierten Lagen ausgeführte Abstandsstruktur vorgegeben ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Sensors wird vorteilhaft eine Bauweise, wie sie in konventioneller Bauweise wie eingangs beschrieben üblich ist, auch in mikromechanischer Bauweise erzeugbar. Dabei musste das Problem gelöst werden, dass bei einer Anordnung der Leitungsabschnitte in zwei parallelen Ebenen die Schwingungsamplitude der schwingenden Leitungsabschnitte berücksichtigt werden muss. Dies wird durch die Abstandsstruktur gewährleis¬ tet, die einen definierten Abstand a zwischen den Leitungsab- schnitten gewährleistet, wobei hierbei die systembedingt zu erzeugende Schwingungsamplituden der Leitungsabschnitte be¬ rücksichtigt werden müssen.
Die Abstandsstruktur ist in den mikromechanischen Aufbau in Form verschiedener Lagen integriert, so dass eine Herstellung in mikromechanischer Bauweise erleichtert wird. Durch die auftretenden Symmetrien im lagenweisen Aufbau des Sensors können für die beiden Leitungsabschnitte Gleichteile verwen¬ det werden, so dass der Fertigungsaufwand für den mikromecha- nischen Sensor gemäß der Erfindung trotz Vorsehnung von mehr als zwei Lagen in Grenzen gehalten werden kann.
Die Anordnung der Leitungsabschnitte in zwei Ebenen ermög- licht, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, Anregungs¬ modi, welche eine wesentlich geringere Dämpfung der schwingungsfähigen Systeme zur Folge haben. Hierdurch lässt sich die Güte und damit auch die Empfindlichkeit des mikromechani¬ schen Sensors vorteilhaft signifikant verbessern.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitungsabschnitte durch jeweils zwei geschichtete Lei¬ tungslagen ausgebildet sind, in deren Verbindungsfläche der Leitungsquerschnitt liegt. Diese Ausbildung der Erfindung hat den Vorteil, dass zur Herstellung der Leitungsabschnitte auf bewährte Verfahren, wie beispielsweise bei Enoksson beschrie¬ ben, zurückgegriffen werden kann. Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Abstandsstruktur durch eine Vertiefung in mindestens einer der Leitungslagen, bevor- zugt durch symmetrische Vertiefungen in beiden Leitungslagen gebildet ist, wobei die Leitungslagen mit der der Verbindungsfläche abgewandten Seite miteinander verbunden sind. Hierdurch können vorteilhaft die für die Abstandsstruktur notwendigen Elemente in die Lagen des Sensoraufbaus integ- riert werden, die ohnehin zur Herstellung der Leitungsabschnitte vorgesehen werden müssen. Der zusätzliche konstruktive Aufwand einer weiteren Lage kann somit eingespart wer¬ den. Die geschilderte Bauweise ist daher insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Herstellung der Lagen beispielsweise urformtechnisch in Kunststoff realisiert ist, da die aufgrund der integrierten Abstandsstruktur komplexere Geometrie bei der Herstellung keinen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Andererseits kann jedoch der mit der Vorsehung einer zusätzlichen Lage verbundene, vergrößerte Montageaufwand eingespart wer¬ den .
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann je- doch auch vorgesehen werden, dass die Abstandsstruktur durch eine Abstandslage gebildet ist, wobei die die Leitungsab¬ schnitte bildenden Lagen unter Ausbildung des Abstandes a auf den gegenüberliegenden Seiten der Abstandslage angebracht sind. Diese Konstruktion macht eine zusätzliche Lage in den Sensor notwendig, wobei eine derartige Konstruktion besonders dann von Vorteil ist, wenn die die Leitungsabschnitte bilden¬ den Lagen in Ätztechnologie hergestellt werden. Hierdurch wird nämlich die Geometrie dieser Lagen nicht unnötig ver- komplexiert, so dass eine effiziente Verfahrensführung wäh- rend der Ätzbehandlung der Siliziumwafer möglich ist. Die einfache Geometrie der die Leitungsabschnitte bildenden Lagen ermöglicht weiterhin eine Standardisierung dieser Lagen, so dass die Sensorstruktur insbesondere bei einem symmetrischen Aufbau aus jeweils gleich gestalteten Lagen zusammengesetzt werden kann.
Weiterhin ist es möglich, für die Abstandslage ein vergleichsweise günstig hergestelltes Standardbauteil zu verwen¬ den, welches sich innig mit den Siliziumlagen verbinden lässt. Die Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Abstands¬ lage sind nämlich wesentlich geringer als die Anforderungen an die Geometrie der die Leitungsabschnitte bildenden Lagen. Bei der Abstandlage wird lediglich eine definierte Dicke in den Bereichen gefordert, die an den benachbarten Lagen befes- tigt sind.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitungsabschnitte einen schleifenförmigen Verlauf aufweisen und die Enden jeweils eines Leitungsab- Schnittes in einer gemeinsamen Lagerstelle zusammenlaufen. Hierdurch wird ein schwingungsfähiges System geschaffen, welches vorteilhaft bei geringen Anregungskräften eine große Auslenkung erfahren kann, da die mit einer fliegenden Lage- rung vergleichbare Ausgestaltung der Leitungsabschnitte zu einer geringen Steifigkeit der Aufhängung führen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der gemeinsamen Lagerstelle senkrecht zur Symmetrieebene eine weitere Symmetrie- ebene besteht, bezüglich derer symmetrisch zu den Leitungsab¬ schnitten zwei weitere Leitungsabschnitte in der gemeinsamen Lagerstelle gelagert sind. Hierdurch entsteht ein Ausbau mit vier Leitungsabschnitten, die in einer großen gemeinsamen Lagerstelle zusammengeführt werden können. Dabei können die auftretenden Lagerkräfte bei einer geeigneten Anregung vorteilhaft weitgehend kompensiert werden, wodurch die Dämpfung des Systems verringert werden kann. Die daraus folgende höhe¬ re Güte führt vorteilhaft zu einer weiteren Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn die Leitungsabschnitte gerade verlaufen und mit ihren Enden je¬ weils in zwei gegenüberliegenden Lagerstellen gelagert sind. Ein derartig ausgebildeter Sensor wird derart angeregt, dass die Leitungsabschnitte Biegeschwingungen ausführen. Die hiermit verbundene höhere Steifigkeit des Sensors ist besonders dann vorteilhaft, wenn Fluide mit einer hohen Dichte, insbe¬ sondere Flüssigkeiten hinsichtlich ihres Massendurchflusses bewertet werden sollen.
Für die Lagerstellen ergibt sich eine besondere Ausgestal¬ tung, wenn diese aus rohrartigen Verlängerungen der Leitungsabschnitte bestehen, die an ihren Enden im Wesentlichen starr eingespannt sind und sich elastisch verformen, wenn die Lei- tungsabschnitte in Schwingungen versetzt werden. Die rohrartigen Verlängerungen gewährleisten zunächst vorteilhaft eine einfache Zuführung bzw. eine Abführung des fließenden Fluides in die Leitungsabschnitte. Weiterhin kann die Strukturierung der Verlängerungen daraufhin ausgerichtet werden, dass diese in dem zu bewertenden Feder-Massessystem die Federung weitgehend übernehmen. Durch eine Trennung der Aufgaben (als Masse dient dann der Leitungsabschnitt mit dem darin befindlichen Fluid) lässt sich das Verhalten des Sensors bereits während der Konstruktion besser voraussagen. Eine besondere Ausgestaltung erhält man, wenn die Leitungsabschnitte in die rohr¬ artigen Verlängerungen einmünden und die Verlängerungen gerade ausgeführt sind und mit ihren Enden in gegenüberliegenden Strukturen starr eingespannt sind. Als Einmündung ist die Schnittstelle zwischen den Leitungsabschnitten und den Verlängerungen dann ausgeführt, wenn sich der Leitungsabschnitt in den Verlängerungen gleichsam T-förmig verzweigt. Hierdurch entsteht die Möglichkeit, dass die Einspannung der Verlänge¬ rungen symmetrisch erfolgen kann, wobei jeweils zwischen der Einmündungsstelle des Leitungsabschnittes und der Einspann¬ stelle an den Enden der Verlängerungen Torsionsfedern ausgebildet werden. Dies kommt der Gestaltung der Verlängerungen als rohrförmige Gebilde zu gute, wodurch leicht definierbare Schwingungen erzeugbar sind.
Zuletzt ist es vorteilhaft, wenn die Leitungsabschnitte mit einer hermetischen Kapselung umgeben sind. Diese stellt vorteilhaft einen Schutz der empfindlichen Sensorstruktur vor der Umgebung dar. Weiterhin kann die Verkapselung vorteilhaft dazu genutzt werden, den Druck im Inneren der Verkapselung bezüglich der Umgebung herabzusetzen, insbesondere ein Vakuum in der hermetischen Verkapselung zu erzeugen, wodurch die mit den Schwingungen der Leitungsabschnitte verbundenen Luftreibung herabgesetzt werden kann. Diese Maßnahme bewirkt eine zusätzliche Verringerung der Dämpfung, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors vorteilhaft weiter verbessert werden kann .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleich oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den ein- zelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensor, welcher zusätzlich mit einer hermetischen Verkapselung versehen ist, Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Leitungsabschnitte sowie der Aufhängung des Sensors gemäß Figur 1, Figur 3 die perspektivische Ansicht eines anderen Ausfüh¬ rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors und Figur 4 schematisch die Ausgestaltung eines Sensors gemäß Figur 1 mit vier symmetrisch angeordnete Leitungs¬ abschnitten und die daraus resultierenden mechanischen Belastungen.
Gemäß Figur 1 ist ein mikromechanisch hergestellter Massen- durchflusssensor 11 dargestellt, der aus insgesamt neun mikromechanisch hergestellten Lagen besteht. Das Herzstück stellen Leitungslagen 12a, 12b dar, die zur Bildung von Leitungsabschnitten 13 beitragen. Jeweils eine Leitungslage 12a und eine Leitungslage 12b bilden dabei Halbschalen 14 aus, die nach Bonden der Lagen zu geschlossenen Leitungsquerschnitten 15 werden. Diese sind in nicht dargestellter Weise mit den Rahmenstrukturen 16 verbunden, wodurch die Aufhängung der Leitungsabschnitte 13 erfolgt (hierzu im Folgenden mehr) . Die Leitungsabschnitte 13 führen bei einer Schwingungsanre¬ gung Schwingungen aus, die durch Teile 17 angedeutet sind. Damit die Leitungsabschnitte, die zur Erzeugung eines mög¬ lichst hohen Güte gegenphasig angeregt werden, sich beim Aus- führen der Schwingungen nicht behindern, ist zwischen den
Leitungslagen 12a eine Abstandslage 18 vorgesehen, deren Dicke einen definierten Abstand a zwischen den Leitungslagen garantiert. Die Abstandslage wird dabei mit den Rahmenstruk¬ turen 16 der Leitungslagen 12a verbunden.
Um eine hermetische Verkapselung der Leitungsabschnitte 13 zu realisieren, sind die Leitungslagen 12b nach Außen hin jeweils mit weiteren Abstandslagen 19 versehen, die sich in gleicher Weise auf den Rahmenstrukturen 16 der Leitungslagen 12b abstützen. Auf der anderen Seite dieser Abstandslagen 19 sind Abdecklagen 20 vorgesehen, mit denen ein Verschluss des Systems möglich ist. Die weiteren Abstandlagen 19 erfüllen dabei dieselbe Funktion wie die bereits erwähnte Abstandslage 17, die darin besteht, dass die Leitungsabschnitte 13 nicht gegen die Abdecklagen 20 prallen, während sie ihre Schwingungen ausführen.
Die Leitungslagen 12a, 12b sind aus Siliziumwafern mittels anisotropen Ätzen hergestellt. Dies erklärt den sechseckigen Leitungsquerschnitt 15. Die Leitungslagen 12a, 12b sind auf¬ grund der Symmetrie als Gleichteile ausgeführt, so dass diese Gleichteile in verhältnismäßig großer Stückzahl hergestellt werden können. Diese werden auf der Oberfläche eines Wafers vorgesehen und nach der Ätzbehandlung getrennt. Die weiteren Lagen 18, 19, 20 können ebenfalls aus Silizium gefertigt sein. Wie auch die jeweiligen Lagen 12a und 12b können diese dann durch Waferbonden miteinander verbunden werden. Alternativ können die weiteren Lagen jedoch auch aus einem kostengünstigeren Material gefertigt sein, da es sich um Bauteile mit verhältnismäßig einfacher Geometrie handelt. In diesem Fall müssten die weiteren Lagen beispielsweise mit den Lei¬ tungslagen 12a, 12b verklebt werden.
Die Leitungsabschnitte 13 erstrecken sich jeweils in zwei zu¬ einander parallelen Ebenen 21, wodurch der konstante Abstand a gewährleistet ist. Die beiden Leitungsabschnitte 13 sind weiterhin spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene 22 ausgeführt. Die nicht dargestellten Lager sind ebenfalls zuein- ander symmetrisch, so dass das System durch eine geeignete
Anregung gegenphasig in Schwingungen versetzt werden kann, um die mit den Pfeilen 17 angedeuteten Schwingungen durchzuführen. Eine Schwingungsanregung kann beispielsweise mit der e- lektrisch leitenden Beschichtung 23 auf den Leitungsabschnit- ten erfolgen, welche einen Kondensator ausbilden und durch eine geeignete elektrische Ansteuerung (in nicht dargestell¬ ter Weise) Schwingungsbewegungen in den Leitungsabschnitten induzieren. Eine entsprechende Ausbildung von Elektroden, die in Figur 1 nicht näher dargestellt ist, kann ebenfalls zur elektrischen Auslesung des Schwingungsverhaltens (Amplitude, Frequenz) verwendet werden, wobei dieses elektrische Signal als Sensorsignal ausgewertet wird.
In Figur 2 ist die Sensorstruktur gemäß Figur 1 perspekti- visch dargestellt. Die Schnittebene S ist in Figur 2 angedeu¬ tet, wobei die beiden Leitungsabschnitte 13 in Figur 2 im Un¬ terschied zu Figur 1 im ausgelenkten Zustand dargestellt ist. Die in Figur 1 dargestellten Lagen 19 und 20 sowie die Rahmenstrukturen der restlichen Lagen sind in Figur 2 nicht dar- gestellt. Aus Figur 2 werden jedoch zusätzlich zu den Leitungsabschnitten 13 auch die Lagerstellen 24 deutlich, die einerseits jeweils aus Verlängerungen 25 der Leitungsab¬ schnitte 13 und aus starren Einspannungen 26, die die Schnittstelle zu den nicht dargestellten Rahmenstrukturen 16 (vgl. Figur 1) bilden, bestehen.
Die Leitungsabschnitte 13 münden T-förmig in die Verlängerun- gen 25 ein. Da die Verlängerungen 25 an ihren jeweiligen Enden in die starren Einspannungen 26 übergehen, wird durch eine Auslenkung der Leitungsabschnitte 13 in der in Figur 2 dargestellten Form in den Verlängerungen im Wesentlichen eine Trosionsspannung induziert. Die Leitungsabschnitte 13 mit ih- rer fluidischen Füllung (Gas oder Flüssigkeit) dienen somit als Masse und die Verlängerungen als Torsionsfeder eines schwingungsfähigen Feder-Masse-Systems .
Die Verlängerungen dienen gleichzeitig der Ein- bzw. Auslei- tung des Fluides in bzw. aus der Leitungsstruktur. Dies ist auch in Figur 1 durch Pfeile 27 angedeutet. In Figur 2 lassen sich die Auslässe 28 für das Fluid erkennen, wobei diese durch die nicht dargestellten Rahmenstrukturen 16 eine entsprechende Verlängerung nach Außen erfahren. Auf der gegenü- berliegenden Weise sind die entsprechenden Einlasse vorgese¬ hen (in Figur 2 nicht zu erkennen) .
In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform des Sensors dargestellt. Die Leitungsabschnitte 13 sind geradeaus ge- führt, wobei diese jedoch in Figur 3 im ausgelenkten Zustand dargestellt sind. Auf dem unteren Leitungsabschnitt sind wei¬ ter eine Anregungselektrode 29 und zwei Messelektroden 30 zu erkennen, mit denen das System angeregt bzw. sein Schwingungsverhalten erfasst werden kann.
Die Leitungsabschnitte sind an gegenüberliegenden Enden in jeweilige Verlängerungen 25 eingebunden, die ihrerseits in Einspannungen 26 übergehen. Damit sind Lagerstellen 31 geschaffen, welche analog zu den Lagerstellen gemäß Figur 2 funktionieren, sobald Biegeschwingungen in den Leitungsabschnitten 13 induziert werden. Im Übrigen kann die Sensoranordnung gemäß Figur 3 in analoger Weise zu Figur 1 aufgebaut werden, um eine hermetische Kapselung zu realisieren.
In Figur 4 ist schematisch ein Aufbau für eine Sensorstruktur dargestellt, die eine Sensorstruktur gemäß Figur 2 ergänzen kann. Zu erkennen sind die Leitungsabschnitte 13 sowie eine zentrale Einspannung 26 für beide Leitungsabschnitte 13. Die Leitungsabschnitte 13 sind symmetrisch zu der Symmetrieebene 22 angeordnet .
Weiterhin ist eine weitere Symmetrieebene 32 vorgesehen, die senkrecht zur Symmetrieebene 22 mitten durch die Einspannung 26 verläuft. Diese Symmetrieebene definiert die Symmetrische Anordnung von zwei weiteren Leitungsabschnitten 33, die sich in entgegengesetzter Richtung zu den Leitungsabschnitten 13 erstrecken. Die Leitungsabschnitte können einen Verlauf auf¬ weisen, der dem in Figur 2 Dargestellten entspricht. Dadurch ergibt sich bezüglich des Verlaufes der Leitungsabschnitte 13 und 33 weiterhin eine in eine Symmetrieebene, die parallel zu der Zeichenebene gemäß Figur 4 verläuft und insofern sowohl auf der Symmetrieebene 22 als auch auf der Symmetrieebene 32 parallel verläuft .
Die geschilderten strengen symmetrischen Beziehungen zwischen den Leitungsabschnitten 13 und 33 bewirken bei einer Schwingungsanregung entsprechend der angedeuteten Weise eine Krafteinleitung in die Einspannung 26, die sich aufgrund der ge- genphasigen Schwingungsbewegungen im Inneren der Einspannung aufheben. Dargestellt sind exemplarisch die an den Einspannstellen der Leitungsabschnitte 13, 33 wirkenden Normalspannungen σN und Querspannungen σQ . Diese sind zu den jeweils benachbarten Leitungsabschnitten entgegengerichtet und auf- grund der Symmetrie betragsmäßig gleich groß und heben sich daher innerhalb der starren Einspannung auf. Dies bewirkt vorteilhaft, das die Spannungen und daraus resultierenden Dehnungen nicht an die nicht dargestellten Rahmenstrukturen und weitere umgebenden Bauteile des Sensors weitergegeben werden. Hierdurch kann ein Energieverlust aufgrund dort er¬ folgender Verformungen klein gehalten werden, wodurch die Dämpfung des schwingungsfähigen Systems sinkt. Dies bewirkt entsprechend der bereits dargelegten Weise eine Verbesserung der Sensorempfindlichkeit.
Schließlich ist in Figur 5 eine Sensorstruktur dargestellt, die im Aufbau derjenigen gemäß Figur 1 entspricht, allerdings nach einem anderen Verfahren hergestellt wurde. Bei den Lei- tungslagen 12a, 12b handelt es sich um Spritzgussteile aus
Kunststoff, die nach erfolgter Fertigung beispielsweise mit¬ einander verklebt werden. Hierdurch lässt sich ein besonders kostengünstiges Bauteil erzeugen. Insbesondere lässt sich der Montageaufwand für diese Sensorstruktur verringern, da im Vergleich zu der Bauform in Figur 1 die Abstandslagen 18, 19 eingespart werden können (statt dessen Verklebung der Leitungslagen 12a mit den einander zugewandten Seiten 35) . Durch die urformtechnische Herstellung der Leitungslagen 12a, 12b kann nämlich in die Herstellung die Ausprägung von Vertiefun- gen 34 in der Lage realisiert werden, so dass der Durchmesser der Leitungsabschnitte 13 geringer ist als die Höhe der Rah¬ menstrukturen 16. Hierdurch wird der Abstand a eine konstruktive Größe, die lediglich abhängig von der Gestaltung der Leitungslagen 12a, 12b ist und daher ohne Vorsehung einer zu- sätzlichen Abstandslage erzeugt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor in mikromechanischer Bauweise zum Messen des Massendurchflusses nach dem Coriolis-Prinzip, welcher zwei schwingungsfähig gelagerte Leitungsabschnitte (13) für das Fluid, dessen Massendurchfluss gemessen werden soll, auf¬ weist, wobei die Leitungsabschnitte (13) zusammen mit der schwingungsfähigen Lagerung (24, 31) durch geschichtete, strukturierte Lagen (12a, 12b, 18, 19, 20) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (13) spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieebene (22) ausgeführt sind und sich in zwei zueinan¬ der parallelen Ebenen (21) mit jeweils gleichem Abstand (a) zur Symmetrieebene (22) erstrecken, wobei der Abstand (a) un- ter Berücksichtigung der für die Leitungsabschnitte (13) vorgesehenen Schwingungsamplituden dimensioniert ist und durch mindestens eine in den strukturierten Lagen (12a, 12b, 18, 19, 20) ausgeführte Abstandsstruktur (18, 34) vorgegeben ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (13) durch jeweils zwei geschich¬ tete Leitungslagen2135) der Leitungsquerschnitt liegt.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur durch eine Vertiefung (34) in mindestens einer der Leitungslagen (12a) , bevorzugt durch symmetrische Vertiefungen (34) in beiden Leitungslagen (12a) ge- bildet ist, wobei die Leitungslagen (12a) mit der der Verbin¬ dungsfläche (21) abgewandten Seite (35) miteinander verbunden sind.
4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsstruktur durch eine Abstandslage (18) gebil¬ det ist, wobei die die Leitungsabschnitte (13) bildenden La- gen (12a, 12b, ) unter Ausbildung des Abstandes (a) auf den gegenüberliegenden Seiten der Abstandslage (18) angebracht sind.
5. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (13) einen schleifenförmigen Ver¬ lauf aufweisen und die Enden jeweils eines Leitungsabschnit¬ tes (13) in einer gemeinsamen Lagerstelle (24) zusammenlau¬ fen .
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der gemeinsamen Lagerstelle (24) senkrecht zur Symmetrieebene (22) eine weitere Symmetrieebene (32) besteht, bezüglich derer symmetrisch zu den Leitungsabschnitten (13) zwei weitere Leitungsabschnitte (33) in der gemeinsamen La¬ gerstelle gelagert sind.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte gerade verlaufen und mit ihren Enden jeweils in zwei gegenüber liegenden Lagerstellen (31) gelagert sind.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstellen aus rohrartigen Verlängerungen (25) der Leitungsabschnitte (13) bestehen, die an ihren Enden im We¬ sentlichen starr eingespannt sind und sich elastisch verfor- men, wenn die Leitungsabschnitte in Schwingungen versetzt werden .
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte (13) in die rohrartigen Verlänge¬ rungen (25) einmünden und die Verlängerungen gerade ausgeführt sind und mit ihren Enden in gegenüber liegenden Strukturen starr eingespannt sind.
10. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsabschnitte mit einer hermetischen Verkapse- lung umgeben sind.
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