WO1997039320A1 - Drucksensor - Google Patents

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WO1997039320A1
WO1997039320A1 PCT/DE1997/000716 DE9700716W WO9739320A1 WO 1997039320 A1 WO1997039320 A1 WO 1997039320A1 DE 9700716 W DE9700716 W DE 9700716W WO 9739320 A1 WO9739320 A1 WO 9739320A1
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WO
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membrane
pressure sensor
frame
sensor according
bridge element
Prior art date
Application number
PCT/DE1997/000716
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Ingrisch
Kurt Weiblen
Hubert Benzel
Botho Ziegenbein
Hans-Peter Trah
Andreas Duell
Karl Bender
Jochen Franz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Priority to US09/171,035 priority patent/US6062088A/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/006—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of metallic strain gauges fixed to an element other than the pressure transmitting diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor according to the type of the independent claim.
  • a pressure sensor is already known from DE 4028 376, in which a strain measuring element is applied to a membrane.
  • the strain gauge is produced by thin-film technology on a glass plate.
  • the pressure sensor according to the invention with the characterizing features of the independent claim has the advantage that particularly inexpensive pressure sensors are created by using silicon bridge elements.
  • the individual bridge elements can be manufactured very inexpensively by simultaneously producing a large number of bridge elements from a silicon wafer.
  • the piezoresistive resistance elements introduced have a high sensitivity.
  • Advantageous further developments and improvements of the pressure sensor specified in the main claim are possible through the measures listed in the subclaims.
  • the one-piece clamping of the membrane in a rigid frame creates a pressure sensor in which sensors for different pressure ranges are manufactured by simply varying the membrane thickness.
  • the strain gauge extends from the frame to the membrane.
  • the piezoelectric resistance elements are preferably arranged in areas of high mechanical deformation in order to ensure a high measurement signal.
  • the silicon bridge element can be arranged either directly or through a carrier on the metal membrane and the frame.
  • the support improves the manageability of the silicon bridge element during manufacture.
  • a connection area can be provided on the frame as well as on the membrane. To improve the temperature dependency of the sensor signal, it can be provided that the connection area is not firmly connected to the membrane, but rests on it.
  • the fastening areas are expediently connected to the membrane or the frame by gluing or soldering.
  • Membranes and frames can preferably be produced by machining metal.
  • the frame can also be designed as a screw-in component which is provided with a thread.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a plan view on the silicon bridge element according to the invention
  • FIG. 3 and FIG. 4 further exemplary embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the pressure sensor according to the invention with a metallic membrane 1, which is clamped in a rigid frame 3.
  • a strain gauge element which is designed as a silicon bridge element 2, is arranged on the membrane 1.
  • the silicon bridge element 2 is fastened with a connection area 10 on the one hand on the membrane 1 and on the other on the rigid frame 3.
  • a hybrid circuit 4 is provided on the rigid frame 3, through which the signals of the silicon bridge element 2 are evaluated.
  • the silicon bridge element 2 has piezoresistive resistors 11, the resistance of which changes due to voltage states in the silicon material.
  • the electrical connection between the silicon bridge element 2 and the hybrid circuit 4 is established by a bonding wire 5.
  • further bonding wires or other electrical line elements can be provided, with which the signals of the hybrid circuit 4 can be forwarded to the outside of the pressure sensor.
  • the frame 3 also has a thread 6 through which the frame 3 can be firmly mounted.
  • a pressure to be measured is applied to the underside of the membrane 1 by the pressure supply 7.
  • Silicon bridge element 2 has a recess 8 through which a weakened, that is to say thinner, bridge region is created. Particularly high mechanical stresses occur in this bridge area. For this reason, the piezoresistive resistors 11 are also arranged in this region, that is to say above the recess 8. These change their resistance value due to mechanical stresses.
  • FIG. 2 shows an example of a top view of a silicon bridge 2 according to FIG. 1.
  • the piezoelectric resistors 11 are arranged so that high mechanical stresses occur in them when the silicon bridge 2 is deformed by the deflection of the membrane 1. In the present case, it is therefore provided that the resistance elements 11 are not arranged above the connection regions 10.
  • conductor tracks 20 are provided, which open in connection areas 21. Bonding wires 5, as shown in FIG. 1, can be attached to the connection regions 21.
  • the conductor tracks 20 make electrical contact with the piezoelectric resistors 11.
  • FIG. 2 shows two resistors 11 which are connected in the manner of a half bridge.
  • resistance elements 11 are also conceivable, in particular more resistance elements, for example in the form of a full bridge, can also be provided. Furthermore, in the areas where low mechanical stresses occur, for example, the areas over the Connection areas 10 are located, further resistance elements are provided, the resistance value of which is independent of a deformation of the membrane 1. Such resistance elements can then be used as reference resistance elements.
  • the resistance elements 11 are produced by the diffusion of impurities into the silicon of the silicon bridge 2. By appropriate doping and alignment on the basis of certain crystal axes, a high dependence of the resistance on mechanical stresses can be achieved.
  • the conductor tracks 20 can be realized by superficial metal layers or by diffusion processes, the doping being chosen to be very high so that the piezoresistive effect is low.
  • the silicon bridge element 1 can be produced particularly easily by an anisotropic etching process of the single-crystal material of the silicon bridge element 2.
  • the primary consideration is parallel production, that is, starting from a single-crystal silicon wafer, a large number of bridge elements are produced in parallel.
  • Manufacturing process can then create a variety of individual bridge elements.
  • the advantage of this procedure is that the manufacturing costs for the individual silicon bridge element become particularly low and that such manufacturing processes can be carried out with great precision. This creates high-precision bridge elements, the price of which is also low.
  • the membrane 1 and the frame 3 consists in the one-piece construction by machining, for example turning from a metal blank.
  • a metallic frame 3 and one are used simultaneously thus integrally connected membrane 1 are generated.
  • the sensitivity of the pressure sensor can be adjusted during manufacture over a wide sensitivity range. It is thus also possible to produce 2 pressure sensors for different pressure ranges without varying the silicon bridge element.
  • the frame 3 can be provided with a thread 6 during manufacture. By means of such a thread 6, the frame 3 can be screwed to a housing, measuring body or the like in a pressure-tight manner.
  • the pressure sensor can thus be designed in a simple manner as a screw-in element.
  • the sensors produced in this way can be used particularly advantageously as high-pressure sensors in the range of a few thousand bar.
  • FIG. 1 Another exemplary embodiment of the invention is shown in FIG.
  • the silicon bridge element 2 corresponds to the bridge element 2, as is already known from FIG. 1.
  • the bridge element 2 is not mounted directly on the membrane 1 and the frame 3 here, but is only connected to them via a support 16.
  • the carrier 16 is fixedly connected to the frame 3 with a connection region 10 by means of a fastening layer 12.
  • the carrier 16 has only one over the membrane 1
  • the silicon bridge element 2 is firmly connected to the carrier 16.
  • a solder stop 15 is provided which limits the spreading of the fastening means 12 in the direction of the membrane 1.
  • the solder stop 15 is designed here as a recess. However, all other measures are also conceivable that prevent that Fastening means 12 spreads in the direction of the membrane 1.
  • the carrier 16 simplifies the production of the silicon bridge elements 2. It should be noted that the bridge element 2 is mechanically very sensitive through the recess 8 and could be destroyed when attached to the membrane 1 or the frame 3. In a parallel production, for example, the carrier 16 can first be completely connected to the silicon wafer as a large-area disk and then divided into individual small areas together with the silicon wafer. The strain gauges created in this way, in which the sensitive silicon bridge elements 2 are each arranged on a carrier 16, can also be applied to the
  • the carrier 16 shown in FIG. 3 is only firmly connected to the frame 3, while it only rests on the membrane 1. A fixed bearing is thus formed on the frame 3 and a floating bearing is formed on the membrane 1.
  • Silicon bridge element 2 can thus contract or expand with respect to the metal material of membrane 1 and frame 3 without the occurrence of noticeable mechanical stresses. A deflection of the membrane 1, which is caused by pressurization of the Pressure sensor is caused, however, still leads to mechanical stresses in the silicon bridge element 2, which can be detected by the piezoelectric resistors 11. By using a floating bearing and a fixed bearing, the thermal sensitivity of the pressure sensor is reduced without this being associated with a significant reduction in sensitivity.
  • FIG. 1 Another exemplary embodiment of the pressure sensor according to the invention is shown in FIG. The
  • Silicon bridge element 2 the metallic membrane 1 and the frame 3 correspond to the elements from FIG. 1 or 3. As in FIG. 3, the silicon bridge element 2 is not directly connected to the metallic membrane 1 or the frame 3 here. The connection of the
  • Silicon bridge element 2 with the frame 3 takes place via a base 102.
  • the connection of the silicon bridge element 2 to the membrane 1 takes place via a support 101.
  • a connection layer 103 and 104 is provided in each case.
  • a material which is matched to silicon by its thermal expansion coefficient.
  • the temperature-related expansion of the iron-nickel layer should come as close as possible to the thermal expansion coefficient of silicon.
  • a support 101 and a base 102 made of nickel-iron metal are used in particular.
  • a glass solder, the coefficient of expansion of which is also matched to silicon, is preferably used for the connecting layers 103, 104.
  • the deflection of the metallic membrane 1 is transmitted to the silicon bridge element 2 through the support 101.
  • the Base 102 serves for the firm fastening of the silicon bridge element 2 on the rigid frame 3. Due to the adapted temperature coefficients, thermally induced stresses in the silicon bridge element 2 can be reduced. In particular, the thermal
  • Expansion in the X direction is important since the metallic membrane 1 and the frame 3 are preferably made of steel and this material has a very different expansion coefficient compared to the silicon material of the silicon bridge element 2.
  • the support 101 In the direction of the very rigid design of the support 101, even small deflections of the metallic membrane 1 in the Y direction are well transmitted to the silicon bridge element 2.
  • the support 101 is, however, very slim in the X direction, so that when a different expansion of the frame 3 and the metallic membrane 1 occurs, an expansion in the X direction by the support 101 is compensated for by bending the support 101. It is achieved so that the force caused by a temperature influence essentially only from the geometric shape and
  • Modulus of elasticity of the material of the support depends. Furthermore, the thermal influence on the silicon bridge element can be further reduced by selecting a suitable glass solder for the connecting layers 103, 104.
  • Conventional metal connections such as welding, soldering or gluing, are suitable for connecting the support 101 on the membrane 1 or the base 102 on the frame 3.

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Abstract

Es wird ein Drucksensor mit einer metallischen Membrane (1) und einem Rahmen (3) vorgeschlagen. Zum Nachweis der Auslenkung der Membrane (1) ist ein Siliciumbrückenelement (2) mit piezoresistiven Widerstandselementen (11) auf der Membrane beziehungsweise dem Rahmen (3) angeordnet.

Description

Drucksensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der DE 4028 376 ist bereits ein Drucksensor bekannt, bei dem auf einer Membrane ein Dehnungsmeßelement aufgebracht wird. Das Dehnungsmeßelement wird durch Dünnschichttechnik auf einer Glasplatte erzeugt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung von Siliciumbrückenelementen besonders preisgünstige Drucksensoren geschaffen werden. Die einzelnen Brückenelemente können sehr kostengünstig gefertigt werden, indem eine Vielzahl von Brückenelementen gleichzeitig aus einem Siliciumwafer hergestellt werden. Die eingebrachten piezoresistiven Widerstandselemente weisen dabei eine hohe Empfindlichkeit auf. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksensors möglich. Durch die einstückige Einspannung der Membrane in einem steifen Rahmen wird ein Drucksensor geschaffen, bei dem durch einfache Variation der Membrandicke Sensoren für unterschiedliche Druckbereiche gefertigt werden. Zur Erreichung einer hohen Empfindlichkeit erstreckt sich dabei das Dehnungsmeßelement vom Rahmen auf die Membrane. Die piezoelektrischen Widerstandselemente sind vorzugsweise in Bereichen hoher mechanischer Verformung angeordnet, um ein hohes Meßsignal zu gewährleisten. Das Siliciumbruckenelement kann entweder direkt oder durch einen Träger auf der Metallmembrane und dem Rahmen angeordnet werden. Durch den Träger wird die Handhabbarkeit des Siliciumbrückenelements bei der Herstellung verbessert. Dabei kann sowohl ein Verbindungsbereich auf dem Rahmen wie auch auf der Membrane vorgesehen sein. Zur Verbesserung der Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals kann vorgesehen werden, daß der Verbindungsbereich auf dem Membrane nicht fest verbunden wird, sondern aufliegt. Die Verbindung der Befestigungsbereiche mit der Membrane oder dem Rahmen erfolgt zweckmäßigerweise durch Kleben oder Löten. Die Herstellung von Membranen und Rahmen kann vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung von Metall erfolgen. Um eine besonders einfache Montage des Drucksensors zu ermöglichen, kann der Rahmen zusätzlich noch als Einschraubbauteil, welches mit einem Gewinde versehen ist, ausgeführt werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 2 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Siliciumbruckenelement und Figur 3 und Figur 4 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Beschreibung
In der Figur 1 wird ein erstes Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer metallischen Membrane 1, die in einem steifen Rahmen 3 eingespannt ist, gezeigt. Auf der Membrane 1 ist ein Dehnmeßelement, welches als Siliciumbruckenelement 2 ausgebildet ist, angeordnet. Das Siliciumbruckenelement 2 ist mit jeweils einem Verbindungsbereich 10 zum einen auf der Membrane 1, zum anderen auf dem steifen Rahmen 3 befestigt. Weiterhin ist auf dem steifen Rahmen 3 eine Hybridschaltung 4 vorgesehen, durch die die Auswertung der Signale des Siliciumbrückenelements 2 erfolgt. Das Siliciumbruckenelement 2 weist dazu piezoresistive Widerstände 11 auf, deren Widerstand sich aufgrund von Spannungszuständen im Siliciummaterial ändert. Die elektrische Verbindung zwischen dem Siliciumbruckenelement 2 und der Hybridschaltung 4 wird durch einen Bonddraht 5 hergestellt. Weiterhin können noch weitere Bonddrähte oder andere elektrische Leitungselemente vorgesehen werden, mit denen die Signale der Hybridschaltung 4 nach außerhalb des Drucksensors weitergeleitet werden können. Der Rahmen 3 weist zusätzlich noch ein Gewinde 6 auf, durch das der Rahmen 3 fest montiert werden kann.
Durch die Druckzuführung 7 wird die Unterseite der Membrane 1 mit einem zu messenden Druck beaufschlagt. Die
Oberseite der Membrane ist mit normalem Umgebungsdruck oder einem Referenzdruck beaufschlagt, so daß der absolute Druck oder ein Differenzdruck gemessen wird. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Druckzuführung 7 und der Oberseite der Membrane kommt es zu einer Verformung der Membrane, die eine entsprechende Verformung des Siliciumbrückenelements 2 bewirkt. Das
Siliciumbruckenelement 2 weist eine Ausnehmung 8 auf, durch die ein geschwächter, das heißt dünner ausgestalteter Brückenbereich geschaffen wird. In diesem Brückenbereich treten besonders hohe mechanische Verspannungen auf. Aus diesem Grund sind in diesem Bereich, das heißt oberhalb der Ausnehmung 8 auch die piezoresistiven Widerstände ll angeordnet. Diese ändern aufgrund von mechanischen Spannungen ihren Widerstandswert. Diese
Widerstandsänderungen werden durch die Hybridschaltung 4 nachgewiesen und sind ein Maß für den an der Druckzuführung 7 anliegenden Druck.
In der Figur 2 wird exemplarisch eine Aufsicht auf eine Siliciumbrücke 2 nach der Figur 1 gezeigt. Die piezoelektrischen Widerstände 11 sind dabei so angeordnet, daß in ihnen hohe mechanische Spannungen auftreten, wenn die Siliciumbrücke 2 durch die Auslenkung der Membrane 1 verformt wird. Im vorliegenden Fall ist es daher vorgesehen, daß die Widerstandselemente 11 nicht über den Verbindungsbereichen 10 angeordnet sind. Zur Kontaktierung der piezoelektrischen Widerstände 11 sind Leiterbahnen 20 vorgesehen, die in Anschlußbereichen 21 münden. Auf den Anschlußbereichen 21 können Bonddrähte 5, wie sie in der Figur 1 gezeigt werden, befestigt werden. Die Leiterbahnen 20 stellen einen elektrischen Kontakt zu den piezoelektrischen Widerständen 11 her. In der Figur 2 sind zwei Widerstände 11 gezeigt, die in der Art einer Halbbrücke verschaltet sind. Es sind jedoch auch andere Anordnungen von Widerstandselementen 11 denkbar, insbesondere können auch mehr Widerstandselemente, beispielsweise in der Form einer Vollbrücke, vorgesehen sein. Weiterhin können auch noch in den Bereichen, in denen niedrige mechanische Spannungen auftreten, hier beispielsweise die Bereiche, die über den Verbindungsbereichen 10 gelegen sind, weitere Widerstandselemente vorgesehen sein, deren Widerstandswert unabhängig von einer Verformung der Membrane 1 ist. Derartige Widerstandselemente können dann als Referenzwiderstandselemente verwendet werden. Die Erzeugung der Widerstandselemente 11 erfolgt durch Eindiffusion von Störstellen in das Silicium der Siliciumbrücke 2. Durch eine entsprechende Dotierung und Ausrichtung anhand bestimmter Kristallachsen kann dabei eine hohe Abhängigkeit des Widerstands von mechanischen Spannungen erreicht werden. Die Leiterbahnen 20 können durch oberflächliche Metallschichten oder durch Diffusionsprozesse, wobei dabei die Dotierung sehr hoch zu wählen ist, so daß der piezoresistive Effekt gering ist, realisiert werden. Die in der Figur 1 gezeigte Ausnehmung 8 kann besonders einfach durch einen anisotropen Ätzprozeß des einkristallinen Materials des Siliciumbrückenelements 2 erzeugt werden. Bei der Herstellung des Siliciumbrückenelements 2 wird in erster Linie an eine Parallelfertigung gedacht, das heißt, ausgehend von einem einkristallinen Siliciumwafer werden eine Vielzahl von Brückenelementen parallel gefertigt. Durch Zerteilen des Siliciumwafers am Ende des
Herstellungsprozesses lassen sich dann eine Vielzahl von einzelnen Brückenelementen erzeugen. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß die Herstellungskosten für das einzelne Siliciumbruckenelement besonders klein werden und daß derartige Herstellungsprozesse mit großer Präzision durchgeführt werden können. Es werden so hochgenaue Brückenelemente geschaffen, deren Preis zudem gering ist.
Eine vorteilhafte Herstellung der Membrane 1 und des Rahmens 3 besteht in der einstückigen Ausbildung durch spanabhebende Bearbeitung, beispielsweise Drehen aus einem Metallrohling. Es sind jedoch auch andere Verfahren denkbar, mit denen gleichzeitig ein metallischer Rahmen 3 und eine damit einstückig verbundene Membrane 1 erzeugt werden. Durch einfache Variation der Dicke und des Durchmessers der Membrane 1 kann die Empfindlichkeit des Drucksensors bei der Herstellung über einen weiten Empfindlichkeitsbereich eingestellt werden. Es ist so auch möglich, ohne Variation des Siliciumbrückenelements 2 Drucksensoren für unterschiedliche Druckbereiche herzustellen. Weiterhin kann der Rahmen 3 bei der Herstellung gleich mit einem Gewinde 6 versehen werden. Mittels eines derartigen Gewindes 6 kann der Rahmen 3 druckdicht mit einem Gehäuse, Meßkörper oder dergleichen verschraubt werden. Der Drucksensor kann somit in einfacher Weise als Einschraubelement ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft sind die derartig hergestellten Sensoren als Hochdrucksensoren im Bereich von einigen Tausend bar einsetzbar.
In der Figur 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Siliciumbruckenelement 2 entspricht dem Brückenelement 2, wie es bereits aus der Figur 1 bekannt ist. Das Brückenelement 2 ist hier jedoch nicht unmittelbar auf der Membrane 1 und dem Rahmen 3 montiert, sondern ist mit diesen nur über einen Träger 16 verbunden. Der Träger 16 ist mit einem Verbindungsbereich 10 durch eine Befestigungsschicht 12 fest mit dem Rahmen 3 verbunden. Über der Membrane 1 weist der Träger 16 nur einen
Verbindungsbereich 10 auf, auf dem der Träger 16 auf der Membrane 10 aufliegt. Das Siliciumbruckenelement 2 ist fest mit dem Träger 16 verbunden. Um zu gewährleisten, daß bei der Herstellung des Drucksensors das Verbindungsmittel 12, welches beispielsweise als Lot ausgebildet iεt, nur auf dem Rahmen eine feste Verbindung schafft, ist ein Lotstop 15 vorgesehen, der die Ausbreitung des Befestigungsmittels 12 in Richtung der Membrane 1 hin begrenzt. Der Lötstop 15 ist hier als Ausnehmung ausgebildet. Es sind jedoch auch alle anderen Maßnahmen denkbar, die verhindern, daß das Befestigungsmittel 12 sich in Richtung der Membrane 1 ausbreitet.
Durch die Verwendung des Trägers 16 wird die Herstellung der Siliciumbrückenelemente 2 vereinfacht. Dabei ist zu beachten, daß durch die Ausnehmung 8 das Brückenelement 2 mechanisch sehr empfindlich ist und beim Anbringen auf der Membrane 1 oder dem Rahmen 3 zerstört werden könnte. Der Träger 16 kann beispielsweise auch in einer parallelen Herstellung zunächst als großflächige Scheibe komplett mit dem Siliciumwafer verbunden werden und dann zusammen mit dem Siliciumwafer in einzelne kleine Bereiche zerteilt werden. Die so geschaffenen Dehnungsmeßelemente, bei denen die empfindlichen Siliciumbrückenelemente 2 jeweils auf einem Träger 16 angeordnet sind, lassen sich ebenfalls auf das
Herstellungsverfahren wesentlich einfacher handhaben als die Siliciumbrückenelemente 2 alleine. Weiterhin kann für die Träger 16 ein Material verwendet werden, welches die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium und Metall im gewissen Rahmen kompensiert. Dazu ist beispielsweise Glas als Material für den Träger 16 geeignet. Die Vorteile der Verwendung des Trägers 16 ergeben sich auch, wenn der Träger 16 sowohl mit dem Rahmen 3 wie auch mit der Membrane 1 verbunden wird.
Der in der Figur 3 gezeigte Träger 16 ist nur mit dem Rahmen 3 fest verbunden, während er hingegen auf der Membrane 1 nur aufliegt. Auf dem Rahmen 3 wird somit ein Festlager und auf der Membrane 1 ein Loslager gebildet. Der Träger 16 beziehungsweise das damit verbundene
Siliciumbruckenelement 2 können sich somit gegenüber dem Metallmaterial von Membrane 1 und Rahmen 3 zusammenziehen oder ausdehnen, ohne daß es dabei zum Auftreten von merklichen mechanischen Verspannungen kommt. Eine Auslenkung der Membrane 1, die durch eine Druckbeaufschlagung des Drucksensors hervorgerufen wird, führt jedoch nach wie vor zu mechanischen Spannungen im Siliciumbruckenelement 2, die durch die piezoelektrischen Widerstände 11 nachgewiesen werden können. Durch die Verwendung eines Loslagers und eines Festlagers wird so die thermische Empfindlichkeit des Drucksensors verringert, ohne daß dies mit einer nennenswerten Verringerung der Empfindlichkeit verbunden ist .
In der Figur 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors gezeigt. Das
Siliciumbruckenelement 2, die metallische Membran l und der Rahmen 3 entsprechen den Elementen aus der Figur l oder 3. Wie in der Figur 3 ist hier das Siliciumbruckenelement 2 nicht unmittelbar mit der metallischen Membran 1 oder dem Rahmen 3 verbunden. Die Verbindung des
Siliciumbrückenelements 2 mit dem Rahmen 3 erfolgt über einen Sockel 102. Die Verbindung des Siliciumbrückenelements 2 zur Membran 1 erfolgt über eine Stütze 101. Zwischen der Stütze 101, dem Sockel 102 und dem Siliciumbruckenelement 2 ist jeweils eine Verbindungsschicht 103 und 104 vorgesehen.
Für die Stütze 101 und den Sockel 102 wird ein Material verwendet welches von seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an Silicium angepaßt t. Die temperaturbedingte Ausdehnung des Eisen-Nicke_ talls sollte dabei dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium möglichst nahekommen. Dazu wird insbesondere eine Stütze 101 und ein Sockel 102 aus Nickel-Eisenmetall verwendet. Für die Verbindungsschichten 103, 104 wird vorzugsweise ein Glaslot verwendet, dessen Ausdehnungskoeffizient ebenfalls an Silicium angepaßt ist.
Durch die Stütze 101 wird die Auslenkung der metallischen Membran 1 auf das Siliciumbruckenelement 2 übertragen. Der Sockel 102 dient zur festen Befestigung des Siliciumbrückenelements 2 auf dem starren Rahmen 3. Durch die angepaßten Temperaturkoeffizienten können thermisch bedingte Verspannungen im Siliciumbruckenelement 2 verringert werden. Dabei ist insbesondere die thermische
Ausdehnung in X-Richtung von Bedeutung, da die metallische Membran 1 und der Rahmen 3 vorzugsweise aus Stahl gefertigt werden und dieses Material einen stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Siliciummaterial des Siliziumbrückenelements 2 aufweist. Durch die in Y-
Richtung sehr starre Auslegung der Stütze 101 werden auch kleine Auslenkungen der metallischen Membran 1 in Y-Richtung gut auf das Siliciumbruckenelement 2 übertragen. Die Stütze 101 ist jedoch in X-Richtung sehr schlank ausgebildet, so daß beim Auftreten einer unterschiedlichen Ausdehnung von Rahmen 3 und metallischer Membran 1 eine Ausdehnung in X- Richtung durch die Stütze 101 durch eine Verbiegung der Stütze 101 kompensiert wird. Es wird so erreicht, daß die durch einen Temperatureinfluß bewirkte Kraft im wesentlichen nur noch von der geometrischen Form und des
Elastizitätsmoduls des Materials der Stütze abhängt. Weiterhin kann durch Wahl eines geeigneten Glaslotes für die Verbindungsschichten 103, 104 der thermische Einfluß auf das Siliciumbruckenelement weiter verringert werden.
Für die Verbindung der Stütze 101 auf der Membran 1 bzw. des Sockels 102 auf dem Rahmen 3 eignen sich übliche Metallverbindungen wie z.B Schweißen, Löten oder Kleben.

Claims

Ansprüche
1. Drucksensor mit einer metallischen Membrane (1) und einem auf der Membrane (1) angeordneten Dehnungsmeßelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnungselement ein Siliciumbruckenelement (2) mit eingebrachten piezoresistiven Widerstandselementen (11) aufweist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (1) mit einem steifen Rahmen (3) eingefaßt ist, und daß die Membrane (1) und der steife Rahmen (3) einstückig ausgebildet sind.
3. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumbruckenelement (2) mit einem Verbindungsbereich (10) unmittelbar auf dem Rahmen (3) und mit einem Verbindungsbereich(10) unmittelbar auf der Membrane (1) befestigt ist.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumbruckenelement (2) auf einem Träger (16) angeordnet ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) mit einem Verbindungsbereich (10) auf dem Rahmen (3) und mit einem Verbindungsbereich (10) auf der Membrane (1) befestigt ist.
6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) mit einem Verbindungsbereich (10) unmittelbar auf dem Rahmen (3) befestigt ist und mit einem Verbindungsbereich (10) auf der Membrane (1) aufliegt.
7. Drucksensor nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung durch Kleben oder Löten erfolgt ist .
8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (1) und der Rahmen (3) durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt sind.
9. Drucksensor nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (3) ein Gewinde (6) aufweist.
10. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumbruckenelement (2) mittels einer Stütze (101) mit der Membran verbunden ist, daß die Stütze (101) in einer Richtung senkrecht auf der Membran starr ausgebildet ist und in einer Richtung parallel zur Membran verbiegbar ausgebildet ist.
11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein steifer Rahmen (3) vorgesehen ist, daß das
Siliciumbruckenelement (2) durch einen Sockel (102) mit dem Rahmen (3) verbunden ist.
12. Drucksensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (101) und der Sockel (102) aus einem Material, insbesondere einem Nickel-Eisenmetall ausgebildet sind, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium entspricht.
13. Drucksensor nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der Stütze (101) und des Sockels (102) mit dem Siliciumbruckenelement (2) durch Verbindungsschichten (103, 104) aus einem Glaslot erfolgt.
14. Drucksensor nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütze (101) und der Sockel (102) durch Schweißen, Löten oder Kleben mit der Membran (l) und dem Rahmen (3) verbunden sind.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19844808C1 (de) * 1998-09-30 2000-04-20 Bosch Gmbh Robert Drucksensorvorrichtung
WO2003031926A1 (de) * 2001-10-04 2003-04-17 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches bauelement (auf drucksensormembran) mit balgartiger struktur für temperaturbewegungen
DE102013114728A1 (de) * 2013-12-11 2015-07-02 Trafag Ag Messzellenanordnung für einen mit hohen drücke belastbaren drucksensor

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10114862B9 (de) 2001-03-26 2007-04-26 First Sensor Technology Gmbh Drucksensoreinrichtung
DE10135806A1 (de) 2001-07-23 2003-02-13 Zeiss Carl Spiegel zur Reflexion elektromagnetischer Strahlung und Beleuchtungs- bzw. Abbildungsverfahren unter Einsatz desselben
US7290441B2 (en) * 2001-10-31 2007-11-06 Rheosense, Inc. Micro slit viscometer with monolithically integrated pressure sensors
EP1451546B1 (de) * 2001-10-31 2018-02-28 RheoSense, Inc. Druckmesseinrichtung für rheometer
DE102004013073A1 (de) * 2004-03-11 2005-09-29 Ab Elektronik Sachsen Gmbh Verfahren zur Herstellung von Druckmesselementen und Druckmesselemente
DE102005001298A1 (de) * 2005-01-03 2006-07-13 Hydac Electronic Gmbh Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor, und zugehöriges Herstellverfahren
US20060284627A1 (en) * 2005-06-17 2006-12-21 Ford Greg E Apparatus for correcting electrical signals
WO2007010570A1 (en) 2005-07-22 2007-01-25 Stmicroelectronics S.R.L. Integrated pressure sensor with double measuring scale and a high full-scale value
DE102005058653A1 (de) * 2005-12-07 2007-06-28 Siemens Ag Mitteldrucksensor
US7661318B2 (en) 2006-02-27 2010-02-16 Auxitrol S.A. Stress isolated pressure sensing die, sensor assembly inluding said die and methods for manufacturing said die and said assembly
DE602007013484D1 (de) * 2006-02-27 2011-05-12 Auxitrol Sa Spannungsisolierter Drucksensorchip
DE102006032128A1 (de) * 2006-07-05 2008-01-10 Hydac Electronic Gmbh Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor, und zugehöriges Herstellverfahren
EP1953516B1 (de) * 2007-01-31 2011-03-09 Infineon Technologies AG Mikromechanischer Drucksensor
KR101151125B1 (ko) * 2007-08-27 2012-06-01 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 반도체 왜곡 센서
WO2009043040A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Endevco Corporation Silicon sensing structure to detect through-plane motion a plane of material with thermal expansion substantially different from that of silicon
US9289137B2 (en) * 2007-09-28 2016-03-22 Volcano Corporation Intravascular pressure devices incorporating sensors manufactured using deep reactive ion etching
JP5157614B2 (ja) * 2008-04-21 2013-03-06 株式会社デンソー 圧力センサおよびその製造方法
CN105784547B (zh) 2010-04-26 2019-11-05 电流感应器公司 便携式粘度计
JP2014044180A (ja) * 2012-08-29 2014-03-13 Hitachi Automotive Systems Ltd 歪みセンサモジュール
EP3155399B1 (de) 2014-04-11 2020-12-02 Rheosense Inc. Viskometer und verfahren zur verwendung davon
JP6248009B2 (ja) * 2014-07-31 2017-12-13 日立オートモティブシステムズ株式会社 圧力センサ
DE102014113543A1 (de) * 2014-09-19 2016-03-24 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Medienbeständige Multilagenbeschichtung für ein Messgerät der Prozesstechnik
JP6581900B2 (ja) 2015-12-28 2019-09-25 アズビル株式会社 圧力センサ
JP6521876B2 (ja) * 2016-01-14 2019-05-29 アズビル株式会社 圧力センサ
JP6579965B2 (ja) * 2016-01-19 2019-09-25 アズビル株式会社 圧力センサ
US10551261B2 (en) * 2017-02-28 2020-02-04 Rosemount Inc. Joint for brittle materials
JP7436218B2 (ja) * 2020-01-27 2024-02-21 アズビル株式会社 圧力センサ
JP7436235B2 (ja) * 2020-02-19 2024-02-21 アズビル株式会社 圧力センサ
LU101845B1 (en) 2020-06-10 2021-12-10 Rotarex S A Pressure sensor formed by strain gauge on a deformable membrane of a fluid device
WO2022240899A1 (en) 2021-05-10 2022-11-17 Rheosense, Inc. Viscometer with reduced dead-volume and high dynamic range

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2711749A1 (de) * 1976-03-31 1977-10-06 Honeywell Inc Mechanisch-elektrischer umformer
JPS6188121A (ja) * 1984-10-05 1986-05-06 Nippon Denso Co Ltd 圧力変換器
GB2174241A (en) * 1985-04-25 1986-10-29 Transamerica Delaval Inc Transducer devices
JPH06188120A (ja) * 1992-12-17 1994-07-08 Hitachi Metals Ltd 円弧形状磁石およびその製造方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE34613T1 (de) * 1983-11-10 1988-06-15 Kristal Instr Ag Wandlerelement, verfahren zu seiner herstellung sowie verwendung fuer einen druckaufnehmer.
JPH0711461B2 (ja) * 1986-06-13 1995-02-08 株式会社日本自動車部品総合研究所 圧力検出器
DE4028376A1 (de) * 1990-09-07 1992-03-12 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur herstellung von duennschicht-dehnmessstreifenanordnungen

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2711749A1 (de) * 1976-03-31 1977-10-06 Honeywell Inc Mechanisch-elektrischer umformer
JPS6188121A (ja) * 1984-10-05 1986-05-06 Nippon Denso Co Ltd 圧力変換器
GB2174241A (en) * 1985-04-25 1986-10-29 Transamerica Delaval Inc Transducer devices
JPH06188120A (ja) * 1992-12-17 1994-07-08 Hitachi Metals Ltd 円弧形状磁石およびその製造方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 010, no. 264 (P - 495) 9 September 1986 (1986-09-09) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 018, no. 527 (E - 1613) 5 October 1994 (1994-10-05) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19844808C1 (de) * 1998-09-30 2000-04-20 Bosch Gmbh Robert Drucksensorvorrichtung
WO2003031926A1 (de) * 2001-10-04 2003-04-17 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches bauelement (auf drucksensormembran) mit balgartiger struktur für temperaturbewegungen
US6840111B2 (en) 2001-10-04 2005-01-11 Robert Bosch Gmbh Micromechanical component and pressure sensor having a component of this type
DE102013114728A1 (de) * 2013-12-11 2015-07-02 Trafag Ag Messzellenanordnung für einen mit hohen drücke belastbaren drucksensor

Also Published As

Publication number Publication date
DE19714703A1 (de) 1997-10-30
KR19990087301A (ko) 1999-12-27
JP2000508425A (ja) 2000-07-04
JP3821852B2 (ja) 2006-09-13
US6062088A (en) 2000-05-16
KR100432068B1 (ko) 2004-09-08
DE19714703B4 (de) 2014-02-13

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