Mikromechanischer Drucksensor Micromechanical pressure sensor
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor mit einem Substrat und einer Membran, an der sich piezoelektrische Sensorelemente befinden.The invention relates to a micromechanical pressure sensor with a substrate and a membrane, on which piezoelectric sensor elements are located.
Die Erfindung ist vorzugsweise für Druckmessungen mit häufig wechselnden Belastungen einsetzbar.The invention can preferably be used for pressure measurements with frequently changing loads.
Im Stand der Technik sind verschiedene mikromechanische Anordnungen zur Druckmessung bekannt.Various micromechanical arrangements for measuring pressure are known in the prior art.
In JP 61-82130 wird beispielsweise eine Drucksensorvorrichtung beschrieben, die Druckschwankungen eines Gases oder einer Flüssigkeit erkennt und in elektrische Signale umwandelt. Dabei wird eine Einrichtung verwendet, die Schwankungen des aufgebrachten Drucks als Änderungen der Oszillationsfrequenz eines Sensorteils erkennt.In JP 61-82130, for example, a pressure sensor device is described, which detects pressure fluctuations of a gas or a liquid and converts it into electrical signals. In this case, a device is used which detects fluctuations in the applied pressure as changes in the oscillation frequency of a sensor part.
Ferner ist in DE 11 2004 002 281 T5 eine Anordnung zur Druckmessung angegeben, bei der ein Sensorsubstrat auf seiner unteren Oberfläche ein oberflächenakustisches Wellenelement zur Druckerkennung enthält, welches auf einem Trägersubstrat befestigt ist. Das oberflächenakustische Wellenelement ist zur Druckerkennung hermetisch in dem abgedichteten Raum eingeschlossen.Furthermore, DE 11 2004 002 281 T5 specifies an arrangement for pressure measurement, in which a sensor substrate contains on its lower surface a surface acoustic wave element for detecting pressure, which is fastened on a carrier substrate. The surface acoustic wave element is hermetically sealed in the sealed space for pressure detection.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der geringe Abmessungen aufweist und bei dem Torsionsbeanspruchungen der Membran weitgehend vermieden werden.The invention has for its object to provide a pressure sensor of the type mentioned, which has small dimensions and are largely avoided in the Torsionsbeanspruchungen the membrane.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention the object is achieved with an arrangement which contains the features specified in claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Gegenstand der Erfindung sind auch Merkmalskombinationen bei denen die in der Beschreibung und/oder in den Ansprüchen angegebenen Einzelmerkmale beliebig miteinander kombiniert werden.The invention also relates to combinations of features in which the individual features specified in the description and / or in the claims are combined with one another as desired.
Der Drucksensor weist ein Substrat mit einem Rahmen auf, an dem die Membran angeordnet ist. An der Unterseite der Membran befindet sich ein zentral angeordnetes Masseelement. Damit werden geringe Abmessungen der Anordnung ermöglicht. Die streifenförmigen Abschnitte der Membran, die sich zwischen Rahmen und Masseelement befinden, sind jeweils mit zwei partiellen Verstärkungen versehen. Damit werden sowohl eine hohe Sicherheit gegenüber Torsionsbeanspruchungen erreicht als auch Nichtlinearitäten der Druck-Auslenkungs-Abhängigkeit verringert. Zweckmäßigerweise befinden sich die piezoelektrischen Sensoren in den Verstärkungen.The pressure sensor has a substrate with a frame on which the membrane is arranged. At the bottom of the membrane is a centrally located mass element. This allows small dimensions of the arrangement. The strip-shaped sections of the membrane, which are located between frame and mass element, are each provided with two partial reinforcements. This achieves both a high level of safety against torsional stresses and also reduces nonlinearities of the pressure-deflection dependence. Conveniently, the piezoelectric sensors are located in the reinforcements.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Verstärkungen symmetrisch jeweils rechts und links der Mitte der streifenförmigen Abschnitte angebracht sind.An advantageous embodiment provides that the reinforcements are mounted symmetrically in each case to the right and left of the middle of the strip-shaped sections.
Ferner ist es möglich, dass die streifenförmigen Verstärkungen an den Ecken des Masseelementes angeordnet sind.Furthermore, it is possible that the strip-shaped reinforcements are arranged at the corners of the mass element.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung entsteht dadurch, dass die piezoelektrischen Zonen in der Membran zu einer Wheatstonschen Messbrücke geschaltet sind, mit der die druckabhängige Auslenkung der Membran erfasst wird.A further advantageous embodiment results from the fact that the piezoelectric zones in the membrane are connected to a Wheatstone measuring bridge, with which the pressure-dependent deflection of the membrane is detected.
Die zweifache Anordnung der Versteifungen ermöglicht es, dass die piezoelektrischen Zonen in der Membran zu zwei Wheatstonschen Messbrücken geschaltet sind. Damit können auch Temperaturunterschiede bei der Messung kompensiert werden.The double arrangement of the stiffeners allows the piezoelectric zones in the membrane to be connected to two Wheatstone bridges. This can also be compensated for temperature differences in the measurement.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the accompanying drawings show:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes auf eine Anordnung mit außermittiger Verstärkung der Membran,FIG. 1 shows a perspective view of a detail of an arrangement with eccentric reinforcement of the membrane,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnittes auf eine Anordnung mit Verstärkung der Membran an den Ecken,FIG. 2 shows a perspective view of a detail of an arrangement with reinforcement of the membrane at the corners,
undand
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Messbrückenschaltung.Figure 3 is a schematic representation of a measuring bridge circuit.
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung besteht aus einem Substrat, welches einen rechteckförmigen Rahmen 1 enthält, an dessen Oberseite eine Membran 2 angeordnet ist. An der Unterseite der Membran 2 befindet sich ein zentral angeordnetes Masseelement 3 mit rechteckigem Querschnitt. Die Membran 2 ist mit piezoelektrischen Sensorelementen versehen. Diese sind im Randbereich der Membran 2 in diese eindiffundiert. Die streifenförmigen Abschnitte der Membran 2, die sich zwischen Rahmen und Masseelement 3 befinden, sind mit jeweils zwei partiellen Verstärkungen 2.1 und 2.2 versehen. Diese Verstärkungen 2.1, 2.5 oder 2.2 und 2.6 o- der 2.3 und 2.7 oder 2.4 und 2.8 sind symmetrisch rechts und links der Mitte der streifenförmigen Abschnitte angebracht.The arrangement shown in Figure 1 consists of a substrate which includes a rectangular frame 1, on the upper side of a membrane 2 is arranged. At the bottom of the membrane 2 is a centrally disposed mass element 3 with a rectangular cross-section. The membrane 2 is provided with piezoelectric sensor elements. These are diffused in the edge region of the membrane 2 in this. The strip-shaped sections of the membrane 2, which are located between the frame and mass element 3, are provided with two partial reinforcements 2.1 and 2.2. These reinforcements 2.1, 2.5 or 2.2 and 2.6 or 2.3 and 2.7 or 2.4 and 2.8 are mounted symmetrically to the right and left of the middle of the strip-shaped sections.
Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführung befinden sich die Verstärkungen 2.1 ... 2.8 der streifenförmigen Abschnitte an den Ecken des Massenelementes.In the embodiment shown in Figure 2 are the reinforcements 2.1 ... 2.8 of the strip-shaped sections at the corners of the mass element.
In Figur 3 ist eine Messbrückenschaltung schematisch dargestellt. In jedem der acht Verstärkungen 2.1 ... 2.8 befinden sich piezoelektrische Sensorelemente. Dabei bildet jeweils ein piezoelektrisches Sensorelement aus einer sich in einem Streifen befindenden Verstärkung 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4 ein Widerstandselement einer Messbrücke. Eine zweite Messbrücke kann aus den piezoelektrischen Sensorelementen gebildet werden, die sich in den Verstärkungen 2.5, 2.6, 2.7 und 2.8 befinden. Beide
Messbrücken enthalten je ein Widerstandselement, welches einem der vier streifenförmigen Membranabschnitten zugeordnet ist.
In Figure 3, a measuring bridge circuit is shown schematically. Each of the eight reinforcements 2.1 ... 2.8 contains piezoelectric sensor elements. In each case, a piezoelectric sensor element of a reinforcement 2.1, 2.2, 2.3 and 2.4 located in a strip forms a resistance element of a measuring bridge. A second measuring bridge can be formed from the piezoelectric sensor elements located in the gains 2.5, 2.6, 2.7 and 2.8. Both Measuring bridges each contain a resistance element which is assigned to one of the four strip-shaped membrane sections.
B E Z U G S Z E I C H E N L I S T EE N G L I S H E S T E
1 Rahmen1 frame
2 Membran 2.1...2.8 Verstärkung2 membrane 2.1 ... 2.8 reinforcement
3 Masseelement
3 mass element