WO1991005231A1 - Vorrichtung zur messung mechanischer kräfte und kraftwirkungen - Google Patents

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WO1991005231A1
WO1991005231A1 PCT/DE1990/000738 DE9000738W WO9105231A1 WO 1991005231 A1 WO1991005231 A1 WO 1991005231A1 DE 9000738 W DE9000738 W DE 9000738W WO 9105231 A1 WO9105231 A1 WO 9105231A1
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WO
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intermediate piece
sensor element
support body
housing
mechanical
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PCT/DE1990/000738
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French (fr)
Inventor
Hermann Sandmaier
Henderikus Offereins
Godehard Mayer
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/145—Housings with stress relieving means
    • G01L19/146—Housings with stress relieving means using flexible element between the transducer and the support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0038—Fluidic connecting means being part of the housing

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring mechanical forces and force effects, according to the preamble of claim 1.
  • the change in the state of deformation of the sensor element is converted into an electrical signal which, after evaluation by an electrical circuit, allows a statement to be made about the mechanical force.
  • Micromechanical devices which, depending on the embodiment, are suitable for measuring forces, pressures, accelerations or flows in liquids are described, for example, in the book Micromechanics by A. Heuberger (Springer Verlag, Berlin et al., 1989).
  • the measuring accuracy of known devices is largely determined by the assembly process of the individual elements.
  • the connection of materials which have different coefficients of thermal expansion result in mechanical stresses in the event of temperature stress and the connection process in the sensor element, which leads to long-term drift and to a temperature-dependent offset and sensitivity.
  • known devices attempt to reduce the influence of the different material parameters on the output signal.
  • connection methods customary in micromechanics or microelectronics anodic bonding or silicon direct bonding, alloying, soldering or welding, the temperatures of about 400 ° C. or 1100 ° C. occur in the Warping elements and connections that also lead to mechanical stresses.
  • Analogue stress states result from adhesive bonds due to the curing characteristics of the adhesive.
  • the invention has for its object to develop a generic device for measuring mechanical forces and force effects such that the output signal remains uninfluenced by warping caused by assembly with the smallest possible dimensions of the device.
  • the thinned area of the intermediate piece which extends over the entire common contact surface of the support body and the intermediate piece, can be easily deformed, so that the mechanical stresses that occur during manufacture, in particular when connecting the individual elements, are absorbed by the weak point and not transmitted to the sensor element become. As a result of the further weak point, the voltages due to relative movements between the housing and the support body, as well as thermal stresses are also effectively prevented from the sensor element.
  • the elements of the device consist of semiconducting material or ceramic materials and are therefore easy to manufacture using the methods of microelectronics and microstructure technology.
  • piezoresistive resistors are used as the mechanical-electrical signal converter. Either piezoresistors or metal strain gauges are applied to the sensor element or areas of the sensor element are converted into piezoresistors by doping.
  • the signal conversion can also take place capacitively.
  • electrodes are provided on the deformable sensor element which are opposite electrodes at a short distance, for example on the intermediate piece. Due to the deformation of the sensor element due to the action of force, the distance between the electrodes and the counter electrodes changes and thus the capacitance of the arrangement. The acting force can be deduced from the change in capacity. This configuration is particularly suitable for devices with high sensitivity.
  • Another method of signal conversion is characterized in claim 5. This takes advantage of the fact that the natural frequency of a resonator changes under the action of a force.
  • the deformable sensor element which carries piezoelectric elements to excite vibrations, can serve directly as the resonator.
  • the suggestion can also be by periodic supply of thermal energy.
  • a further development of the device has an intermediate piece with two thinned areas.
  • the intermediate piece is also thinned at the connection points with the housing.
  • deformations and curvatures of the housing are absorbed and not transmitted to the sensor element.
  • the two thinned areas also absorb relative movements between the housing and the support body.
  • the thinned areas are preferably produced by anisotropic or isotropic etching processes starting from the surfaces of the support body.
  • the intermediate piece between the contact area with the support body and the contact area with the housing is shaped like an accordion.
  • a weak point shaped in this way allows both relative displacements and warping of the connected elements.
  • the sensor element remains free of mechanical stresses resulting from deformations of the housing.
  • the horizontally thinned area of the intermediate piece is supported by a support in order to achieve greater stability.
  • This embodiment proves to be particularly advantageous if the connection point, e.g. in the manufacturing process, high forces act between the support body and the intermediate piece.
  • a special embodiment of the device according to claim 9 is used for pressure measurement.
  • the sensor element is as 5231 -6 _-
  • the support edge serves as a support body and is connected to the intermediate piece.
  • the membrane which is surrounded on all sides by the supporting edge, bulges when different pressures act on the two membrane surfaces.
  • the strength of the curvature, the z. B. is detected with the aid of piezo resistors, allows a conclusion to the differential pressure.
  • the membrane and the support body are circular or rectangular.
  • the choice of membrane shape is adapted to the respective application. Weak points that surround the entire membrane parallel to the edge of the membrane ensure optimum interference voltage compensation.
  • a weak point can be formed in the support body and encompass the entire membrane, or in the intermediate piece run parallel to the contact area with the support body.
  • the conductor tracks for receiving the electrical signals can be guided into the area of the carrying body via thin webs which are produced by means of selective etching technology. A particularly effective voltage decoupling is achieved if both options are implemented.
  • a further development of the invention is characterized in claim 12.
  • a plate is arranged parallel to the surface of the membrane and the supporting edge, on which an electronic circuit for evaluating the measurement signals is integrated.
  • the plate is connected to the supporting edge of the membrane by means of metal pins or bumps, preferably made of gold.
  • the pins ensure both mechanical and electrical contact and are in the most mechanically stable area of the sensor element appropriate. In the case of a square membrane, these are the corners of the supporting edge. Because of its small extent, no significant mechanical tension is transmitted via the connecting pins.
  • the plate In order to lead the electrical contacts out of the housing, the plate has lead-through pins which protrude through the housing of the device. The feed-through pins additionally serve to support the mounting of the sensor element in the vertical direction.
  • the intermediate piece of the device is dispensed with, the supporting edge and the membrane being arranged directly opposite a housing wall.
  • a seal ensures the connection between the housing and the support edge and seals the measuring volume against the back of the membrane.
  • the electrical signals of the mechanical-electrical converter are led away from the membrane surface via metal pins.
  • the devices according to the invention are characterized by high accuracy, great long-term stability, small size and low manufacturing costs.
  • FIGS. 2a-2d cross-sections through the sensor element and support body of a pressure meter according to the invention
  • FIGS. 3a-3d cross-sections through the sensor element and support body of a pressure meter according to the invention
  • 4 shows a cross section through an inventive
  • FIG. 5 shows a section of a support body with weak points, top view and cross section.
  • the known device for pressure measurement shown in FIG. 1 consists of a support body 2 and a sensor element which is designed as an ultra-thin membrane 17.
  • the support body 2 which acts as a support edge for the membrane 17, is connected to an intermediate piece 1, which is used for installation in a housing 3, 4, 5.
  • Both the intermediate piece 1 and the support body 2 are produced, for example, from a 0.5 mm thick silicon wafer. If different materials are used for manufacturing, the material of the intermediate piece should be have a smaller modulus of elasticity than that of the support body and a comparable coefficient of thermal expansion.
  • the intermediate piece 1 is connected in area 8 to the support body (supporting edge of the membrane) 2 and in area 7 to the housing by a bonding or adhesive technique.
  • the housing consists, for example, of a tube 4, an angle piece 3 and a plate 5, which are made of Pyrex, for example. It is of particular advantage that the conventional housings available on the market can be used due to the inventive design.
  • the reference pressure is introduced into the device through the tube 4 and an opening 30 in the middle of the intermediate piece 1.
  • the pressure to be measured can act on the membrane 17 through an opening 31 in the plate 5.
  • the mechanical-electrical signal converters are arranged in the regions 11 which have a high mechanical tension or deformation as a result of a pressure load.
  • the intermediate piece 1 When the intermediate piece 1 is connected to the carrying body 2 at the connection point 8 and with the housing part 4 at the connection point 7, the required high temperatures lead to the surfaces being warped due to the thermal expansion. Via the rigid connection 8 between the support body 2 and the intermediate piece 1, the mechanical stresses that occur are transmitted to the connection point 11 between the support body 2 and the membrane 17, as a result of which the output signal is falsified.
  • the intermediate piece 1 shown in FIG. 2a which is connected to the supporting body 2, has a thinned area 32 at the connection point 8, _ 1 Q _
  • the intermediate piece has a further horizontally thinned area 33 at the contact point 7 to the housing.
  • This design is particularly advantageous when the housing part, which is connected to the intermediate piece 1 in the contact area 7, consists of a thermally poorly adapted material.
  • the intermediate piece has a weak point 10, which is designed like an accordion. In this embodiment, in addition to the curvatures, relative movements between the housing, intermediate piece and support body are particularly effectively compensated.
  • the intermediate piece has a V-shaped trench 34 next to the thinned area in order to absorb relative movements and twists.
  • the intermediate pieces 1 shown in FIGS. 3a-c have weak points which are produced using etching processes having an isotropic effect.
  • the support body in FIG. 3 a has a weak point, which is designed as a V-shaped trench 34.
  • the choice of the weak point design depends on the demands on the device and on the chosen connection technology. If the connection between the supporting body and the intermediate piece is made using a technique that requires high contact forces, the thinned area 32 is shown by one or more supports 36 as shown in FIG. 3a supported. In principle, this possibility also exists with the weak points produced with anisotropically acting etching processes.
  • FIG. 4 A preferred embodiment is shown in FIG. 4.
  • the device is designed as a face-down assembly.
  • the intermediate piece 1 is arranged above the support body and the membrane 17 and has a horizontally thinned area 33 at the contact point 7 to the housing and a horizontally thinned area 32 at the contact point 8 to the support body. Between the contact points 7 and 8, the intermediate piece 1 has weak points 10 shaped like an accordion.
  • the sensor element is designed as a membrane 17, which is reinforced in the central region 12.
  • the mechanical-electrical signal converters for example piezoresistors, are arranged in the areas 11 on the surface of the membrane 17, which experience a high mechanical tension as a result of a pressure load.
  • a plate 16 is mounted parallel to the surface of the sensor element, on which an electrical circuit for evaluating the measurement signals is integrated.
  • the plate 16 can for example consist of silicon or ceramic (for example A1 2 0 3 , A1N). It is connected to the supporting body 2 by means of punctiform metal pins 6, which are preferably made of gold. In addition to the mechanical support of the support body, the pins 6 ensure the electrical contact between the evaluation circuit and the signal converters.
  • the plate 16 has grommet pins 15 which protrude through the plate 5 of the housing. They serve as electrical leads and to support the storage of the sensor element in the vertical direction.
  • FIG. 5 shows a special embodiment of an in-face-down mounting pressure sensor.
  • an intermediate piece is dispensed with and the support body is arranged directly above the base plate 5 of the housing.
  • the support body has a thinned area 37 which is connected to a galvanically produced seal 38, e.g. made of gold, is connected to the base plate 5 of the housing.
  • the seal seals the measuring space 39 against the back of the membrane.
  • the electrical signals of the mechanical-electrical signal converters are led away from the membrane surface via metal pins 40.
  • the horizontally thinned areas and the weak points can, as already indicated in the description of FIG. 3, be combined with one another.
  • the strength of the weak points can vary over a wide range from a few micrometers to a few 100 micrometers. Their shapes are also on other materials, e.g. B. glass or ceramic, transferable.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Messung mechanischer Kräfte und Kraftwirkungen, die mit Hilfe mikromechanischer Verfahren hergestellt wird. Solche Vorrichtungen bestehen aus mehreren Elementen, wie Gehäuse, Tragekörper und Sensorelement, die mit Bonding- oder Klebetechnik zusammengefügt sind. Sowohl Spannungen aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften der verwendeten Materialien, als auch Spannungen aus dem Verbindungsverfahren, werden auf das Sensorelement übertragen und begrenzen die Meßgenauigkeit der Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Tragekörper und/oder das Sensorelement zur Vermeidung mechanischer Spannungen Schwachstellen aufweisen. Die Vorrichtung kann preiswert hergestellt werden und eignet sich für den Einsatz in der Automobil- und Haushaltsindustrie sowie in der industriellen Meßtechnik.

Description

Vorrichtung zur Messung mechanischer Kräfte und
Kraftwirkungen
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung mecha¬ nischer Kräfte und Kraftwirkungen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit Hilfe der mechanisch-elektrischen Signalwandler wird die Änderung des Verformungszustandes des Sensorelementes in ein elektrisches Signal umgewandelt, das nach Auswer¬ tung durch eine elektrische Schaltung eine Aussage über die mechanische Kraft zuläßt.
Stand der Technik
Mikromechanischen Vorrichtungen, die sich je nach Ausge¬ staltung zur Messung von Kräften, Drücken, Beschleuni¬ gungen oder Strömungen in Flüssigkeiten eignen, werden beispielsweise in dem Buch Mikromechanik von A. Heuberger beschrieben (Springer Verlag, Berlin u.a., 1989).
Die Meßgenauigkeit bekannter Vorrichtungen wird maßgeblich durch das Montageverfahren der einzelnen Elemente be¬ stimmt. Durch die Verbindung von Materialien, die unter¬ schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, entstehen bei Temperaturbelastung und durch den Verbin- dungsprozess im Sensorenelement mechanische Spannungen, die zu einer Langzeitdrift sowie zu einer Temperaturabhän¬ gigkeit des Offsets und der Empfindlichkeit führen. Durch einen möglichst symmetrischen Aufbau der Vorrichtung und die Verwendung thermisch angepaßter Materialien wird bei bekannten Vorrichtungen versucht, den Einfluß der un¬ terschiedlichen Materialparameter auf das Ausgangssignal zu verringern. Bei den in der Mikromechanik bzw. Mikro¬ elektronik üblichen Verbindungsverfahren, dem Anodic- Bonding oder dem Silicon-Direct-Bonding, dem Legieren, dem Löten oder dem Schweißen, die Temperaturen von etwa 400°C bzw. 1100°C benötigen, treten im Sensorelement Verwölbun- gen und Verbindungen auf, die ebenfalls zu mechanischen Spannungen führen. Analoge Spannungszustände ergeben sich bei Klebeverbindungen aufgrund der Aushärtecharakteristik der Kleber.
Bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung nach der deutschen Offenlegungsschrift DE 34 26 165 werden die durch die Verbindungsverfahren hervorgerufenen Spannungen in be¬ grenztem Umfang dadurch von dem Sensorelement abgehalten, daß das Zwischenstück in einem Bereich der Verbindung mit dem Tragekörper parallel zur Verbindungsfläche gedünnt ist. Da der Tragekörper dieser Vorrichtung auf nicht ge¬ dünnten Bereichen der Zwischenschicht abgestützt ist, kann die Übertragung der Spannungszustände nur unzureichend verringert werden. Da der Tragekörper mit einem weiteren, als Verteiler wirkenden Körper verbunden ist, der keinen gedünnten Bereich aufweist, wirken die durch diese Ver¬ bindung hervorgerufenen oder übertragenen mechanischen Spannungen ungeschwächt auf das Sensorelement.
Eine andere Möglichkeit, die Übertragung mechanischer Spannungen auf das deformierbare Sensorelement zu ver¬ ringern, ist mit der Dissertation von H. Sandmaier (Tech¬ nische Universität München, 1988) , bekanntgeworden. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung werden im Tragekörper oder im Zwischenstück Halbkreis-oder V-förmige Vertiefun¬ gen als Schwachstellen ausgebildet.
Diese Schwachstellen entkoppeln wirksam Relativbewegungen zwischen Gehäuse und Tragekörper. Allerdings können die Spannungen, die durch Verwölbungen bei der Verbindung von Tragekörper und Zwischenstück entstehen, nur dann vom Sensorelement abgehalten werden, wenn die Schwachstellen zwischen dem Tragekörper und dem Sensorelement angeordnet sind. Eine solche Anordnung der Schwachs eilen führt je¬ doch bei gleicher Sensorgröße annähernd zu einer Ver¬ doppelung der von der Vorrichtung benötigten Fläche.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge¬ mäße Vorrichtung zur Messung mechanischer Kräfte und Kraftwirkungen derart weiterzubilden, daß das Ausgangs¬ signal bei möglichst geringen Abmessungen der Vorrichtung durch montagebedingte Verwölbungen unbeeinflußt bleibt.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 löst.
Der sich über die gesamte gemeinsame Kontaktfläche des Tragekörpers und des Zwischenstücks erstreckende gedünnte Bereich des Zwischenstückes läßt sich leicht verformen, so daß die bei der Herstellung, insbesondere beim Verbinden der einzelnen Elemente auftretenden mechanischen Spannun¬ gen von der Schwachstelle aufgenommen und nicht auf das Sensorelement übertragen werden. Durch die weitere Schwachstelle werden darüber hinaus auch die Spannungen aufgrund von Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse und dem Tragekörper, sowie thermische Verspannungen wirksam vom Sensorelement abgehalten. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Nach Anspruch 2 bestehen die Elemente der Vorrichtung aus halbleitendem Material bzw. aus Keramikwerkstoffen und sind dadurch einfach mit den Verfahren der Mikroelektronik und der MikroStrukturtechnik herstellbar.
Gemäß Anspruch 3 werden als mechanisch-elektrische Signal¬ wandler piezoresistive Widerstände verwendet. Dabei werden entweder Piezowiderstände oder Metalldehnungsmeßstreifen auf das Sensorelement aufgebracht oder Bereiche des Sen¬ sorelementes durch Dotierung in Piezowiderstände umge¬ wandel .
Die Signalwandlung kann nach Anspruch 4 auch kapazitiv erfolgen. Hierzu sind auf dem deformierbaren Sensorelement Elektroden vorgesehen, denen in geringem Abstand, bei¬ spielsweise auf den Zwischenstück, Gegenelektroden gegen¬ über stehen. Durch die Deformation des Sensorelementes aufgrund der Krafteinwirkung ändert sich der Abstand zwi¬ schen den Elektroden und den Gegenelektroden und damit die Kapazität der Anordnung. Aus der Kapazitätsänderung kann auf die einwirkende Kraft geschlossen werden. Diese Ausge¬ staltung eignet sich besonders für Vorrichtungen mit hoher Empfindlichkeit.
Eine weitere Methode der Signalwandlung ist in Anspruch 5 gekennzeichnet. Dabei wird ausgenützt, daß sich die Eigen¬ frequenz eines Resonators unter Einwirkung einer Kraft ändert. Als Resonator kann unmittelbar das deformierbare Sensorelement dienen, das zur Anregung von Schwingungen piezoelektrische Elemente trägt. Die Anregung kann ebenso durch periodische Zufuhr thermischer Energie erfolgen.
Eine Weiterbildung der Vorrichtung weist nach Anspruch 6 ein Zwischenstück mit zwei gedünnten Bereichen auf. Neben dem gedünnten Bereich an der Verbindungsstelle zum Tragekörper ist das Zwischenstück auch an den Verbindungs¬ stellen mit dem Gehäuse gedünnt. Dadurch werden Verformun¬ gen und Wölbungen des Gehäuses aufgenommen und nicht auf das Sensorelement übertragen. Gleichzeitig nehmen die beiden gedünnten Bereiche auch Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse und dem Tragekörper auf. Die gedünnten Berei¬ che werden vorzugsweise durch anisotrop oder isotrop wir¬ kende Ätzverfahren von den Oberflächen des Tragekörpers ausgehend erzeugt.
Im Anspruch 7 ist eine besonders vorteilhafte Weiterbil¬ dung der Vorrichtung gekennzeichnet. Bei dieser Weiter¬ bildung ist das Zwischenstück zwischen dem Kontaktbereich mit dem Tragekörper und dem Kontaktbereich mit dem Gehäuse zieharmonikaartig geformt. Eine so geformte Schwachstelle erlaubt sowohl relative Verschiebungen als auch Verwölbun¬ gen der verbundenen Elemente. Dadurch bleibt das Sensor¬ element frei von aus Verformungen des Gehäuses herrühren¬ den mechanischen Verspannungen.
Gemäß Anspruch 8 wird der horizontal gedünnte Bereich des Zwischenstückes von einer Stütze unterstützt, um eine höhere Stabilität zu erreichen. Diese Ausführungsform erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn auf die Ver¬ bindungsstelle, z.B. bei dem Herstellungsprozeß, zwischen Tragekörper und Zwischenstück hohe Kräfte wirken.
Eine spezielle Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß An¬ spruch 9 dient zur Druckmessung. Das Sensorelement ist als 5231 -6 _-
ultradünne Membrane ausgebildet, deren Stützrand als Tragekörper dient und mit dem Zwischenstück verbunden ist. Die allseitig von dem Stützrand umgebene Membrane wölbt sich, wenn unterschiedliche Drücke auf die beiden Membran¬ oberflächen wirken. Die Stärke der Wölbung, die z. B. mit Hilfe von Piezowiderständen erfaßt wird, läßt einen Schluß auf den Differenzdruck zu.
Nach Anspruch 10 sind die Membrane und der Tragekörper kreisförmig oder rechteckig ausgebildet. Die Wahl der Membranform ist dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt. Für eine optimale Störspannungskompensation sorgen Schwachstellen, die parallel zum Membranrand die gesamte Membran umgeben.
Gemäß Anspruch 11 kann eine Schwachstelle im Tragekörper ausgebildet sein, und die gesamte Membrane umfassen, oder im Zwischenstück parallel zum Kontaktbereich mit dem Tra¬ gekörper verlaufen. Die Leiterbahnen zur Abnahme der elek¬ trischen Signale können über dünne Stege, die mittels selektiver Ätztechnik hergestellt werden, in den Bereich des Tragekörpers geführt werden. Eine besonders effektive Spannungsentkopplung wird erreicht, wenn beide Möglichkei¬ ten verwirklicht sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 12 ge¬ kennzeichnet. Parallel zur Oberfläche der Membrane und des Stützrandes ist eine Platte angeordnet, auf der eine elektronische Schaltung zur Auswertung der MeßSignale integriert ist. Die Platte ist mit dem Stützrand der Mem¬ brane mittels Metallstiften bzw. Bumps, vorzugsweise aus Gold, verbunden. Die Stifte gewährleisten sowohl den mechanischen, als auch den elektrischen Kontakt und werden in den mechanisch stabilsten Bereich des Sensorelementes angebracht. Bei einer quadratischen Membrane sind dies die Ecken des Stützrandes. Wegen ihrer geringen Ausdehnung wird über die Verbindungsstifte keine nennenswerte mecha¬ nische Spannung übertragen. Zur Herausführung der elektri¬ schen Kontakte aus dem Gehäuse, weist die Platte Durch¬ führungstifte auf, die durch das Gehäuse der Vorrichtung ragen. Die Durchführungsstifte dienen zusätzlich zur Un¬ terstützung der Lagerung des Sensorelementes in vertikaler Richtung.
Gemäß Anspruch 13 wird auf das Zwischenstück der Vorrich¬ tung verzichtet, wobei der Stützrand und die Membrane direkt gegenüber einer Gehäusewand angeordnet sind. Eine Dichtung gewährleistet die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Stützrand und dichtet das Meßvolumen gegen die Membranrückseite ab. Die elektrischen Signale der mecha¬ nisch-elektrischen Wandler werden über Metallstifte von der Membranoberfläche abgeführt. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch ihre besondere Einfachheit und preiswerte Herstellbarkeit aus.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe¬ sondere darin, daß der Einfluß der mechanischen Spannung, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Materialpara¬ meter der Bestandteile der Vorrichtung sowie durch die Verbindungstechniken, auf das AusgangsSignal wirksam ver¬ hindert wird. Die bisher angewandten komplizierten und teuren Montagetechniken können durch einfache Verfahrens¬ schritte bei der Herstellung der Vorrichtung vermieden werden.
Damit werden preiswerte Vorrichtungen zur Messung mechani¬ scher Kräfte und Kraftwirkungen zur Verfügung gestellt, die sich für den Einsatz in der Automobil- und Haushalts- industrie sowie der industriellen Meßtechnik eignen. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeichnen sich durch hohe Genauigkeit, große Langzeitstabilität, kleine Baugröße und niedrige Herstellungskosten aus.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungs- beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be¬ schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen bekannten Druck¬ messer, Fig. 2a - 2d, Querschnitte durch Sensorelement und Trage¬ körper eines erfindungsgemäßen Druckmes¬ sers, Fig. 3a - 3d, Querschnitte durch Sensorelement und Trage¬ körper eines erfindungsgemäßen Druckmes¬ sers, Fig.4 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Druckmesser, Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Tragekörper mit Schwachstellen, Aufsicht und Querschnitt.
Die in Figur 1 dargestellte, bekannte Vorrichtung zur Druckmessung besteht aus einem Tragekörper 2, und einem Sensorelement, das als ultradünne Membrane 17 ausgebildet ist, trägt. Der Tragekörper 2,der als Stützrand für die Membrane 17 wirkt, ist mit einem Zwischenstück 1 verbun¬ den, das zum Einbau in eine Gehäuse 3,4,5 dient. Sowohl das Zwischenstück 1 als auch der Tragekörper 2 sind bei¬ spielsweise aus einem 0,5 mm dicken Siliziumwafer herge¬ stellt. Wenn verschiedene Materialien zur Herstellung verwendet werden, sollte das Material des Zwischenstücks einen kleineren Elastizitätsmodul als das des Tragekörpers sowie einen vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffi¬ zienten aufweisen.
Das Zwischenstück 1 ist im Bereich 8 mit dem Tragekörper (Stützrand der Membrane) 2 und im Bereich 7 mit dem Ge¬ häuse durch eine Bonding- oder Klebetechnik verbunden. Das Gehäuse besteht beispielsweise aus einem Rohr 4, einem Winkelstück 3 und einer Platte 5, die beispielsweise aus Pyrex hergestellt sind. Dabei ist es von besonderem Vor¬ teil, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung auf dem Markt erhältliche übliche Gehäuse verwendet werden können. Durch das Rohr 4 und eine Öffnung 30 in der Mitte des Zwischenstücks 1 wird der Referenzdruck in die Vorrichtung eingeleitet. Der zu messende Druck kann durch eine Öffnung 31 in der Platte 5 auf die Membrane 17 wirken. In den Bereichen 11, die infolge einer Druckbelastung eine hohe mechanische Spannung bzw. Verformung aufweisen, sind die mechanisch-elektrischen Signalwandler angeordnet.
Bei der Verbindung des Zwischenstückes 1 mit dem Tragekör¬ per 2 an der Verbindungsstelle 8 und mit dem Gehäuseteil 4 an der Verbindungsstelle 7 führen die erforderlichen hohen Temperaturen zu einer Verwölbung der Oberflächen infolge der thermischen Ausdehnung. Über die starre Verbindung 8 zwischen dem Tragekörper 2 und dem Zwischenstück 1 werden die dabei auftretenden mechanischen Spannungen auf die Verbindungsstelle 11 zwischen Tragekörper 2 und der Mem¬ brane 17 übertragen, wodurch das AusgangsSignal verfälscht wird.
Das in der Figur 2a dargestellte Zwischenstück 1, das mit dem Tragekörper 2 verbunden ist weist erfindungsgemäß an der Verbindungsstelle 8 einen gedünnten Bereich 32 auf, _1 Q_
der der Verwölbung des Tragekörpers folgen kann und damit die Übertragung der mechanischen Spannungen verhindert. Übereinstimmende Bezugszeichen entsprechen denen aus Figur 1. In Figur 2b weist das Zwischenstück einen weiteren horizontal gedünnten Bereich 33 an der Kontaktstelle 7 zum Gehäuse auf. Diese Bauform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Gehäuseteil, der im Kontaktbereich 7 mit dem Zwischenstück 1 verbunden wird, aus einem ther¬ misch schlecht angepaßten Material besteht. In Figur 2c weist das Zwischenstück eine Schwachstelle 10 auf, die zieharmonikaartig ausgebildet ist. Bei dieser Ausführung werden neben den Verwölbungen Relativbewegungen zwischen Gehäuse, Zwischenstück und Tragekörper besonders wirkungs¬ voll ausgeglichen. In der Figur 2d weist das Zwischenstück nben dem gedünnten Bereich einen V-förmigen Graben 34 auf, um Relativbewegungen und Verdrehungen aufzufangen.
Alle bisher beschriebenen Schwachstellen werden mit Hilfe anisotrop wirkender Ätzverfahren aus einkristalinen Halb¬ leiterkörpern herausgearbeitet.
Die in den Figuren 3a-c dargestellten Zwischenstücke 1 weisen Schwachstellen auf, die mit isotrop wirkenden Ätz¬ verfahren hergestellt werden. Zusätzlich zu den Schwach¬ stellen des Zwischenstücks 1 weist der Tragekörper in der Figur 3a eine Schwachstelle auf, die als V-förmiger Graben 34 ausgebildet ist.
Die Wahl der Sc wachstellengestaltung hängt von den An¬ forderungen an die Vorrichtung und von der gewählten Ver¬ bindungstechnik ab. Wenn die Verbindung zwischen Tragekör¬ per und Zwischenstück mit einer Technik erfolgt, die hohe Anpreßkräfte erfordert, wird der gedünnte Bereich 32 wie in Figur 3a gezeigt, von einer oder mehreren Stützen 36 unterstützt. Diese Möglichkeit ist prinzipiell auch bei den mit anisotrop wirkenden Ätzverfahren hergestellten Schwachstellen gegeben.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 darge¬ stellt. Zur Beschreibung des prinzipiellen Aufbaus sei auf Figur 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen. Die Vorrichtung ist in Face-Down-Montage ausgeführt. Das Zwi¬ schenstück 1 ist über dem Tragekörper und der Membrane 17 angeordnet und weist an der Kontaktstelle 7 zum Gehäuse einen horizontal gedünnten Bereich 33 und an der Kontakt¬ stelle 8 zum Tragekörper einen horizontal gedünnten Be¬ reich 32 auf. Zwischen den Kontaktstellen 7 und 8 besitzt das Zwischenstück 1 zieharmonikaartig geformte Schwach¬ stellen 10.
Das Sensorelement ist als Membrane 17 ausgebildet, die im zentralen Bereich 12 verstärkt ist. Die mechanisch-elek¬ trischen Signalwandler, z.B. Piezowiderstände, sind in den Bereichen 11 auf der Oberfläche der Membrane 17 ange¬ ordnet, die infolge einer Druckbelastung eine hohe mecha¬ nische Spannung erfahren. Parallel zur Oberfläche des Sensorelementes ist eine Platte 16 angebracht, auf der eine elektrische Schaltung zur Auswertung der Meßsignale integriert ist. Die Platte 16 kann beispielsweise aus Silizium oder Keramik (z.B. A1203, A1N) bestehen. Sie ist über punktförmige Metallstifte 6, die vorzugsweise aus Gold gefertigt sind, mit dem Tragekörper 2 verbunden. Neben der mechanischen Unterstützung des Tragekörpers gewährleisten die Stifte 6 den elektrischen Kontakt zwi¬ schen der Auswerteschaltung und den Signalwandlern. Die Platte 16 weist Durchführungsstifte 15 auf, die durch die Platte 5 des Gehäuses ragen. Sie dienen als elektrische Zuführungen und zur Unterstützung der Lagerung des Sensor- elementes in vertikaler Richtung.
Die Figur 5 zeigt eine spezielle Ausführung eines In-Face- Down-Montage ausgeführten Drucksensors. Bei dieser Aus¬ führung wird auf ein Zwischenstück verzichtet und der Tragekörper direkt über der Grundplatte 5 des Gehäuses angeordnet. Der Tragekörper weist einen gedünnten Bereich 37 auf, der über eine galvanisch hergestellte Dichtung 38, z.B. aus Gold, mit der Grundplatte 5 des Gehäuses ver¬ bunden ist. Die Dichtung dichtet den Meßräum 39 gegen die Rückseite der Membrane ab. Die elektrischen Signale der mechanisch-elektrischen Signalwandler werden über Metall¬ stifte 40 von der Membranoberfläche abgeführt.
Die horizontal gedünnten Bereiche sowie die Schwachstellen können, wie bereits in der Beschreibung zu Figur 3 ange¬ deutet, miteinander kombiniert werden. Die Stärke der Schwachstellen kann je nach Anwendungsfall und Druckbe¬ reich über einen großen Bereich von einigen Mikrometern bis zu einigen 100 Mikrometern variieren. Ihre Formen sind auch auf andere Materialien, z. B. Glas oder Keramik, übertragbar.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur Messung mechanischer Kräfte und Kraft¬ wirkungen, mit einem Gehäuse und einem Tragekörper, der ein deformierbares Sensorelement trägt, und über ein Zwi¬ schenstück mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei auf dem Sensorelement mechanisch-elektrische Signalwandler und auf dem Tragekörper elektrische Zuführungen aufgebracht sind, und das Zwischenstück der Vorrichtung in einem Bereich der Verbindung zwischen dem Tragekörper und dem Zwischenstück parallel zur Verbindungsebene gedünnt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der gedünnte Bereich des Zwischenstücks über den gesamten Kontaktbereich mit dem Tragekörper erstreckt und daß der Tragekörper und/oder das Zwischenstück der Vorrichtung wenigstens eine weitere Schwachstelle aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragekörper mit dem Sen¬ sorelement aus einem Halbleiterkörper gefertigt ist, und das Zwischenstück aus einem halbleitenden Material oder Glas oder einem Keramikwerkstoff besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanisch-elektrischen Signalwandler als piezoresistive Widerstände ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als mechanisch-elektrische Signalwandler auf dem Sensorelement Elektroden aufgebracht sind, denen feststehende Gegenelektroden gegenüberstehen und daß die Messung der Kraft bzw. Kraftwirkung kapazitiv erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensorelement Reso¬ natoren aufgebracht sind und daß die Kraft bzw. Kraftwir¬ kung aus der Verstimmung der Eigenresonanz der Resonatoren ermittelt wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück im Bereich der Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Zwischenstück parallel zur Verbindungsebene gedünnt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück zwischen dem Kontaktbereich mit dem Tragekörper und dem Kontaktbereich mit dem Gehäuse zieharmonikaartig geformt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der horizontal gedünnte Be¬ reich des Zwischenstückes von einer Stütze unterstützt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement als ultra¬ dünne Membrane und der Tragekörper als Stützrand ausge¬ bildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ultradünne Membrane kreis¬ förmig oder rechteckig ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Tragekorper und/oder das Zwischenstück einen parallel zum Kontaktbereich zwischen dem Tragekörper und dem Zwischenstück verlaufenden Graben mit V-förmigem (anisotrope Ätztechnik) oder halbkreisför¬ migen (isotrope Ätztechnik) Querschnitt aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Oberfläche des Sensorelementes eine Platte angeordnet ist, auf der eine elektronische Schaltung zur Auswertung der Meßsignale integriert ist, und die mittels Metallstiften mit dem Stützrand des Sensorelementes Verbunden ist und zur Her¬ ausführung der elektrischen Kontakte aus dem Gehäuse Durchführstifte aufweist, die durch das Gehäuse der Vor¬ richtung ragen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane und der Stützrand in geringem Abstand parallel zu einer Gehäusewand ange¬ ordnet sind, wobei zwischen dem Stützrand und der Ge¬ häusewand eine Dichtung angebracht ist und die elektri¬ schen Signale über Metallstifte von der membr noberfläche abgeführt werden.
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