WO1998017987A1 - Kapazitiver druck- oder kraftsensor - Google Patents

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WO1998017987A1
WO1998017987A1 PCT/CH1997/000403 CH9700403W WO9817987A1 WO 1998017987 A1 WO1998017987 A1 WO 1998017987A1 CH 9700403 W CH9700403 W CH 9700403W WO 9817987 A1 WO9817987 A1 WO 9817987A1
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cover
reference pressure
carrier disc
covers
sensor according
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PCT/CH1997/000403
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Inventor
Joshua Lanter
Original Assignee
Joshua Lanter
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Application filed by Joshua Lanter filed Critical Joshua Lanter
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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
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/148—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors using semiconductive material, e.g. silicon

Definitions

  • the invention relates to a capacitive pressure or force sensor with at least one electrode and associated counter electrode in a gas-tight reference pressure space.
  • Such sensors are known in multiple embodiments and are used to determine the absolute pressure of gases and liquids.
  • a membrane which is coupled to an electrode, or which itself represents the electrode, is exposed to the medium, the pressure of which is to be determined.
  • the force sensor With the force sensor, the force to be measured is deflected via a coupling element so that this force or a part proportional to it acts on the membrane and subsequently on the electrode.
  • this electrode is a second electrode, the counter electrode.
  • the two electrodes are located in a reference pressure space and form a capacitor with a certain capacitance.
  • Such a measuring cell can be used for different pressure or force measuring ranges and for different measuring accuracies.
  • Such pressure sensors are used in a wide variety of areas, such as in weather stations for determining air pressure, in vehicles, engine test benches, research and many other technical fields, and can not only be used as gas pressure sensors, but also find them also for the pressure measurement of liquid media.
  • the electrical connections of the electrodes should enable good electrical conduction without disturbing the gas tightness of the connection between the conductor and the non-conductive part and the reference pressure space should be absolutely gas tight regardless of the ambient conditions.
  • FIG. 1 shows a cross section through the basic structure of the pressure sensor according to the invention with a carrier disk and a cover;
  • FIG. 2 a pressure sensor in a schematic sectional drawing, shown in perspective, with gas-tight bushings on the side facing away from the measuring medium;
  • FIG. 3 shows a cross section through the basic structure of a pressure sensor with an annular carrier disk and two lids
  • FIG. 4 shows a cross section through a pressure sensor with an annular carrier disk and two lids with connections of the electrical lines on the side facing away from the measurement medium via a gas-tight bushing;
  • Figure 5 a cross section through a pressure sensor, in which the carrier disc faces the measuring medium.
  • the principle of the pressure sensor according to the invention is that the parts forming the reference pressure space are joined together by electrical bonding and thereby ensure absolute gas tightness. Furthermore, electrical connections to the electrodes are either attached to the outside of the electrodes, or are led out of the reference pressure space via bushings which are likewise firmly connected to the inner wall of a part forming the reference pressure space by electrical bonding. Thus, there is no need for the sealing of the reference pressure chamber or for the electrical feedthroughs of mechanical seals, as is common with conventional pressure sensors.
  • FIG. 1 shows an example of a basic structure of the capacitive force or pressure sensor 1 according to the invention in a cross-sectional illustration.
  • the Sensor 1 consists of a carrier plate 2 and a cover 3.
  • the reference pressure space is formed by the cavity 4 between the carrier plate 2 and the cover 3 and is either evacuated, partially evacuated or filled with a special gas at a predefined pressure.
  • the carrier disk 2 has an opening 8 leading outwards from the reference pressure space, which opening is covered with a cover 9 in the reference pressure space 4.
  • the cover 9 consists of an electrical conductor material or a semiconductor material, preferably silicon. Both the cover 3 and the cover 9 are firmly and gas-tightly connected to the carrier disk 2 by electrical bonding.
  • the cover 9 is the electrode of the capacitive pressure sensor.
  • the electrical contact to this electrode is established via an electrical conductor 11 which leads through the opening 8 to the outside of the electrode and is connected to the electrode in an electrically conductive manner there, for example by gluing or wire bonding.
  • the counterelectrode is formed here by the inner surface 10 of the cover 3, which simultaneously represents the membrane 12 of the pressure sensor 1 with its micromechanical structure. The electrical connection of the supply line to the counter electrode takes place at any point from the outside on the cover 3.
  • electrostatic or anodic bonding is particularly suitable because this method enables a connection that is characterized by absolute gas tightness, is simple and inexpensive to use.
  • the electrostatic bonding between glass or all other materials that are suitable for permitting electrostatic bonding together with semiconductors is carried out in a known manner in that - in particular sodium-containing - glass panes with precise surfaces are flat on corresponding panes made of silicon, and under the influence of heat and electrostatic energy be connected, which leads to an ion migration at the interfaces of the panes, which causes an electrostatic polarization of the layers, and thus causes a strong, permanent electrostatic connection after removal of the heat and the applied electrical energy potential.
  • semiconductors such as, for example, lithium-containing ceran - ceramics and silicon
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of the pressure sensor 1 according to the invention is shown in perspective in a schematic sectional drawing in FIG.
  • a cover 3 made of silicon is placed on the carrier disc 2 made of glass and is firmly and gas-tightly connected to the carrier disc 2 by means of electrical bonding.
  • the carrier disk has two bores 8, 13.
  • One bore 8 opens into the cavity 4 of the sensor 1.
  • the opening of the bore 8 is covered in the cavity 4 with a cover plate 9 made of silicon.
  • the part 14 of the cover plate 9 projecting beyond the edge of the mouth of the bore 8 is bonded to the carrier plate 2.
  • the bore 8 is thus sealed gas-tight and the gas tightness of the reference pressure chamber is ensured.
  • the cover plate 9 represents the electrode of the pressure sensor 1 and the inside 10 of the cover 3 forms the counter electrode.
  • FIG. 3 shows the basic structure of a pressure sensor 1 with an annular carrier disk 2 and two lids 3 in a cross section.
  • the absolutely gas-tight cavity 4 formed by the ring-shaped carrier disk and the two covers 3 represents the reference pressure space.
  • One of the two covers 3 or both covers 3 form the membrane 12.
  • the inner sides 10 of the covers 3 form the electrode and counterelectrode of the capacitive pressure sensor 1.
  • the electrical connections 11 to the electrodes are fastened to the surfaces of the covers 3, for example by gluing or by metallization, and are thus conductively connected to the electrode or counterelectrode.
  • Glass is particularly suitable as the material for the carrier disk 2 and the covers 3 are made of silicon.
  • FIG. 4 An example of a design of the capacitive pressure sensor according to the principle shown in FIG. 3 is shown in FIG. 4 in a cross section.
  • the covers 3 made of silicon are connected by electrical bonding to the carrier plate 2, an annular glass plate.
  • an annular glass pane a pane of any shape with a hole in the center or a glass fiber in the shape of an O-ring can also be used.
  • the pressure of the measuring medium acts on the right cover 3 with the membrane 12, which is indicated by an arrow 16.
  • the left side of the sensor 1 is outside the measuring medium in the example shown.
  • the sensor 1 is flanged according to the conventional method, for example by means of a flange, to the container 18 surrounding the measuring medium or is sealingly inserted into an opening provided for the sensor 1 in the wall of the container 18 by means of a sealing element 17.
  • the inside 10 of the cover 3 facing the measuring medium forms the counterelectrode and the inside of the cover 3 facing away from the measuring medium forms the electrode of the capacitive sensor 1.
  • On the outside of the left cover 3, an electrical conductor 11 is conductively fastened and provided by a common method so the connection to the electrode.
  • a bore 19 through the left cover 3 and through the carrier disk 2 in the edge region of the cover 3 leads from the side facing away from the measuring medium to the inside 10 of the right cover 3.
  • An electrical conductor 15 is in the region of the mouth of the bore 19 on the right Cover 3 is attached in an electrically conductive manner and guided through the bore 19 to the outside.
  • the electrical connection to the counter electrode is established via this conductor 15.
  • FIG. 5 shows a cross section through an alternative construction of a pressure sensor 1.
  • the carrier disk 2 faces the measuring medium 16.
  • the cover 3 made of silicon is placed on a carrier plate 2 made of glass and is firmly and gas-tightly connected to the carrier plate 2 by means of electrical bonding.
  • the carrier disc 2 has an opening 20 in the center, which is covered in the cavity 4 with a silicon disc 9 and is firmly and gas-tightly connected to the carrier disc 2 by electrical bonding.
  • the measuring medium acts with its pressure on the silicon wafer 9, which is indicated by the arrow 16.
  • the silicon wafer 9 acts as a membrane 12 and represents the electrode of the sensor 1.
  • the counter electrode forms the inside 10 of the cover 3.
  • the carrier wafer 2 has two bores 8, 13 in the edge region.
  • An electrical conductor 15 is fastened to the cover 3 in the region of the bore 13 and is guided outwards through the bore 13.
  • the electrical connection to the counter electrode is established via this line.
  • a second bore 8 opens into the cavity 4 of the sensor 1.
  • the opening of the bore 8 is covered in a gas-tight manner in the cavity 4 with a silicon plate 21 which is bonded to the carrier disk 2.
  • This silicon wafer 21 is electrically connected to the electrode in the cavity 4.
  • an electrical conductor 11 is attached, which is guided through the bore 8 to the outside.
  • the silicon plate 21 forms a gas-tight with its connection in the cavity 4 to the electrode and its conductor 11 connected to the outside electrical feedthrough into the reference pressure chamber.
  • an electronic evaluation circuit can be arranged in the interior of the sensor 1, that is to say in the reference pressure space.
  • several such bushings can be attached to the carrier disk 2.
  • the evaluation electronics can also be integrated directly into such an implementation.
  • the silicon wafer 21 is divided into several areas that are electrically insulated from one another. This is achieved, for example, by doping silicon wafer 21 differently. Each area is connected to an electrical conductor and thus forms its own conductor bushing.
  • the described embodiments of the pressure sensor according to the invention are only examples.
  • the carrier disk 2 instead of glass, for example certain ceramics, or the carrier disk 2 has a multilayer structure, that is to say that the surface of the carrier disk 2 is coated with a material which is suitable for bonding.
  • the production of the pressure and force sensor according to the invention is relatively simple, since the manufacturing processes used, such as electrical bonding, glass and silicon processing and targeted doping of semiconductor materials, are well known and easy to use. Since the pressure sensor is made up of just a few parts and can be produced in just a few manufacturing steps, cost-effective production is also possible in small quantities.
  • the gas-tight bushings allow electrical lines into the reference pressure chamber of the sensor without each individual line having to be sealed separately and without impairing the gas tightness of the reference pressure chamber.

Abstract

Der kapazitive Druck- oder Kraftsensor (1) besteht aus einer Trägerscheibe (2) und wenigstens einem Deckel (3). Der Referenzdruckraum wird durch den Hohlraum (4) zwischen der Trägerscheibe (2) und dem Deckel (3) gebildet. Die Trägerscheibe (2) weist mindestens an der dem Deckel (3) zugewandten Seite eine Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden und elektrisch bondbaren Material auf und der oder die Deckel (3) sind durch elektrisches Bonden mit der Trägerscheibe (2) fest und gasdicht verbunden. Zur Durchführung elektrischer Signale aus dem Referenzdruckraum nach aussen hin sind in der Trägerscheibe (2) Öffnungen (8, 20) vorgesehen, welche im Referenzdruckraum mit Abdeckungen (9, 21) überdeckt, die durch elektrisches Bonden mit der Trägerscheibe (2) gasdicht verbunden sind. An der Aussenseite sind die Abdeckungen (9, 21) mit elektrischen Leitern (11) verbunden, so, dass die aufgebondeten Abdeckungen (9, 21) elektrisch leitende und gasdichte Durchführungen in den Referenzdruckraum bilden.

Description

Kapazitiver Druck- oder Kraftsensor
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druck- oder Kraftsensor mit mindestens einer Elektrode und zugehöriger Gegenelektrode in einem gasdichten Referenzdruckraum. Solche Sensoren sind in vielfachen Ausführungsformen bekannt und werden zum Bestimmen vom Absolutdruck von Gasen und Flüssigkeiten eingesetzt. Eine Membrane, die mit einer Elektrode gekoppelt ist, oder die selbst die Elektrode darstellt, ist dem Medium, dessen Druck zu bestimmen ist, ausgesetz. Beim Kraftsensor wird die zu messende Kraft über ein Kopplungselment so umgelenkt, dass diese Kraft oder ein ihr proportionaler Teil an der Membrane und in der Folge an der Elektrode angreift. Dieser Elektrode gegenüber ist eine zweite Elektrode, die Gegenelektrode angeordnet. Die beiden Elektroden befinden sich in einem Referenzdruckraum und bilden einen Kondensator mit einer bestimmten Kapazität. Wird der Aussendruck auf die Membrane verändert, so ändert sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden und diese Abstandsänderung bewirkt eine Änderung der Kapazität, die gemessen wird und als Messgrösse der Druck- bzw. Kraftbestimmung dient. Je nach Ausführung kann eine solche Messzelle für unterschiedliche Druck- oder Kraftmessbereiche und für unterschiedliche Messgenauigkeiten eingesetzt werden. Solche Drucksensoren finden in unterschiedlichsten Bereichen Anwendung, wie zum Beispiel in Wetterstationen zur Bestimmung des Luftdrucks, in Fahrzeugen, Motorprüfständen, Forschung und vielen anderen technischen Gebieten und sind nicht nur als Gasdrucksensoren einsetzbar, sondern finden auch für die Druckmessung flüssiger Medien Verwendung. Die Probleme, die sich bei der Herstellung solcher Drucksensoren stellen, sind einerseits die Herstellung des absolut gasdichten Referenzdruckraums und andererseits die gasdichten Durchführungen der elektrischen Leitungen bzw. Signalleitungen von den Elektroden aus dem Referenzdruckraum heraus zur Signal verarbeitenden Elektronik. Um diese Probleme in den Griff zu bekommen, sind die bekannten Drucksensoren vielschichtig aufgebaut und werden in unzähligen Verfahrensschritten hergestellt. Die Folgen davon sind, dass die Produktionskosten sehr hoch sind, und dass bei einfacheren, kostengünstigeren Konstruktionen gewisse Mängel in Kauf genommen werden müssen. So sind Drucksensoren bekannt, bei denen die einzelnen Teile des Referenzdruckraums verklebt sind, und die Signale zum Beispiel über aufgedampfte Leiterbahnen aus dem Referenzdruckraum geführt sind. Die Nachteile dieser Sensoren sind, dass sie feuchtigkeitsabhängig sind, was sich in der Messgenauigkeit und in der begrenzten Anwendbarkeit solcher Sensoren niederschlägt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor zu schaffen, der einfach in der Herstellung und aus möglichst wenigen Teilen aufgebaut ist, und der eine kostengünstige Produktion auch in kleinen Stückzahlen erlaubt. Die elektrischen Anschlüsse der Elektroden sollen gute elektrische Leitung ermöglichen, ohne die Gasdichtheit der Verbindung zwischen dem Leiter und dem nicht leitenden Teil zu stören und der Referenzdruckraum soll unabhängig von den Umgebungsbedingungen absolut gasdicht sein.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem kapazitiven Druck- oder Kraftsensor gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Patentanspruches.
Das Prinzip sowie beispielsweise Ausführungen des erfindungsgemässen Drucksensors werden anhand der Zeichnungen in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1 : einen Querschnitt durch den prinzipiellen Aufbau des erfindungs- gemässen Drucksensors mit einer Trägerscheibe und einem Deckel;
Figur 2: einen Drucksensor in einer schematischen Schnittzeichnung perspektivisch dargestellt mit gasdichten Durchführungen an der dem Messmedium abgewandten Seite;
Figur 3: einen Querschnitt durch den prinzipiellen Aufbau eines Drucksensors mit ringförmiger Trägerscheibe und zwei Deckeln;
Figur 4: einen Querschnitt durch einen Drucksensors mit ringförmiger Trägerscheibe und zwei Deckeln mit Anschlüssen der elektrischen Leitungen auf der dem Messmedium abgewandten Seite über eine gasdichte Durchführung;
Figur 5: einen Querschnitt durch einen Drucksensor, bei dem die Trägerscheibe dem Messmedium zugewendet ist.
Das Prinzip des erfindungsgemässen Drucksensors liegt darin, dass die den Referenzdruckraum bildenden Teile durch elektrisches Bonden zusammengefügt sind und dadurch absolute Gasdichtheit sicherstellen. Weiters werden elektrische Verbindungen zu den Elektroden entweder aussen an den Elektroden angebracht, oder aus dem Referenzdruckraum über Durchführungen geleitet, die ebenfalls durch elektrisches Bonden mit der Innenwand einer den Referenzdruckraum bildenden Teile fest verbunden sind. Somit bedarf es weder für das Abdichten des Referenzdruckraums noch für die elektrischen Durchführungen mechanischer Dichtungen, wie das bei herkömmlichen Drucksensoren üblich ist.
Die Figur 1 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemässen kapazitiven Kraft- oder Drucksensors 1 in einer Querschnittsdarstellung. Der Sensor 1 besteht aus einer Trägerscheibe 2 und einem Deckel 3. Der Referenzdruckraum wird durch den Hohlraum 4 zwischen der Trägerscheibe 2 und dem Deckel 3 gebildet und ist entweder evakuiert, teilevakuiert oder mit einem speziellen Gas auf vordefiniertem Druck befüllt. Die Trägerscheibe 2 weist eine vom Referenzdruckraum nach aussen hin führende Öffnung 8 auf, die im Referenzdruckraum 4 mit einer Abdeckung 9 überdeckt ist. Die Abdeckung 9 besteht aus einem elektrischen Leitermaterial oder einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium. Sowohl der Deckel 3 wie auch die Abdeckung 9 sind durch elektrisches Bonden mit der Trägerscheibe 2 fest und gasdicht verbunden. Diese Verbindung 7 stellt sicher, dass der Hohlraum 4 hermetisch abgeschlossen und nach aussen hin völlig gasdicht ist. Im gezeigten Beispiel ist die Abdeckung 9 die Elektrode des kapazitiven Drucksensors. Der elektrische Kontakt zu dieser Elektrode wird über einen elektrischen Leiter 11 hergestellt, der durch die Öffnung 8 an die Aussenseite der Elektrode herangeführt und dort zum Beispiel durch Kleben oder durch Drahtbonden mit der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Die Gegenelektrode wird hier durch die Innenfläche 10 des Deckels 3 gebildet, der gleichzeitig mit seiner mikromechanischen Struktur die Membrane 12 des Drucksensors 1 darstellt. Die elektrische Kontaktierung der Zuleitung zur Gegenelektrode erfolgt an beliebiger Stelle von aussen an den Deckel 3.
Die für das Bonden angewandten bekannten Verfahren sind zum Beispiel 1. elektrostatisches bzw. anodisches Bonden, 2. Silicon Direct Bonding, 3. Silicon Fusion Bonding, 4. die Thermomigration und 5. das Eutectic Bonding. Elektrostatisches bzw. anodisches Bonden, eignet sich besonders gut, da dieses Verfahren eine Verbindung ermöglicht, die sich durch absolute Gasdichtheit auszeichnet, einfach und kostengünstig in der Anwendung ist. Das elektrostatische Bonden zwischen Glas oder auch sämtlichen anderen Materialien, die geeignet sind, zusammen mit Halbleitern elektrostatisches Bonden zu erlauben, wie zum Beispiel lithuiumhaltige Ceran - Keramik und Silizium erfolgt bekannter Weise dadurch, dass -insbesondere natriumhaltige - Glasscheiben mit genauen Oberflächen flächig an entsprechende Scheiben aus Silizium angelegt, und unter Einwirkung von Wärme und elektrostatischer Energie verbunden werden, wobei es an den Grenzflächen der Scheiben zu einer lonenwanderung kommt, die eine elektrostatische Polarisierung der Schichten verursacht, und dadurch nach Weglassen der Wärme und dem angelegten elektrischen Energiepotential eine starke, dauerhafte elektrostatische Verbindung bewirkt. Anstelle von Silizium können auch sämtliche anderen Materialien, die zusammen mit Glas geeignet sind, elektrostatisches Bonden zu erlauben, wie zum Beispiel Gallium, Galliumarsenid, Germanium und Metalle Verwendung finden.
In der Figur 2 ist eine beispielsweise Ausführung des erfindungsgemässen Drucksensors 1 in einer schematischen Schnittzeichnung perspektivisch dargestellt. Auf der aus Glas gefertigten Trägerscheibe 2 ist ein Deckel 3 aus Silizium aufgesetzt und mit der Trägerscheibe 2 mittels elektrischen Bondens fest und gasdicht verbunden. Die Trägerscheibe weist zwei Bohrungen 8,13 auf. Die eine Bohrung 8 mündet im Hohlraum 4 des Sensors 1. Die Öffnung der Bohrung 8 ist im Hohlraum 4 mit einer Abdeckscheibe 9 aus Silizium überdeckt. Der den Rand der Mündung der Bohrung 8 überragende Teil 14 der Abdeckscheibe 9 ist an die Trägerscheibe 2 gebondet. Damit ist die Bohrung 8 gasdicht abgeschlossen und die Gasdichtheit des Referenzdruckraums sichergestellt. Die Abdeckscheibe 9 stellt die Elektrode des Drucksensors 1 dar und die Innenseite 10 des Deckels 3 bildet die Gegenelektrode. An der Aussenseite der Abdeckscheibe 9 ist ein elektrischer Leiter 11 mittels einem gängigen Verfahren, wie zum Beispiel elektrisch leitendes Kleben, befestigt, und durch die Bohrung 8 nach aussen geführt. Ebenso ist ein elektrischer Leiter 15 am Deckel 3 im Bereich der zweiten Bohrung 13 befestigt und durch die Bohrung 13 nach aussen geführt. Über diese Leitung ist die elektrische Verbindung zur Gegenelektrode hergestellt. Diese Ausführungsform des Drucksensors, bei der sowohl die Elektrode wie auch die Gegenelektrode aus Silizium gefertigt sind, hat den Vorteil, dass sie aufgrund des gleichen Ausdehnungs-Koeffizienten der beiden Elektroden wesentlich weniger von der Umgebungstemperatur und von Temperaturschwankungen abhängig ist, als Drucksensoren bei denen die Elektroden aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind. Die Figur 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Drucksensors 1 mit einer ringförmigen Trägerscheibe 2 und zwei Deckeln 3 in einem Querschnitt. An den Verbindungsflächen 7 der Trägerscheibe 2 mit den beiden Deckeln 3 sind diese mit der Trägerscheibe 2 durch elektrisches Bonden verbunden. Der durch die ringförmige Trägerscheibe und die beiden Deckel 3 gebildete und absolut gasdichte Hohlraum 4 stellt den Referenzdruckraum dar. Einer der beiden Deckel 3 oder auch beide Deckel 3 bilden die Membrane 12. Die Innenseiten 10 der Deckel 3 bilden die Elektrode und Gegenelektrode des kapazitiven Drucksensors 1. Je nach Anwendungsbereich des Sensors 1 sind die elektrischen Anschlüsse 11 zu den Elektroden an den Oberflächen der Deckel 3 zum Beispiel durch Kleben oder durch Metallisierung befestigt und so leitend mit der Elektrode bzw. Gegenelektrode verbunden. Als Material für die Trägerscheibe 2 eignet sich besonders gut Glas und die Deckel 3 sind aus Silizium gefertigt.
Eine beispielsweise Ausführung des kapazitiven Drucksensors nach dem in Figur 3 gezeigten Prinzip ist in Figur 4 in einem Querschnitt gezeigt. Die aus Silizium gefertigten Deckel 3 sind durch elektrisches Bonden mit der Trägerscheibe 2, einer ringförmigen Glasscheibe, verbunden. Anstatt einer ringförmigen Glasscheibe kann auch eine Scheibe beliebiger Form mit einem Loch im Zentrum oder eine Glasfaser in O-Ring Form verwendet werden. In dieser Darstellung wirkt der Druck des Messmediums auf den rechten Deckel 3 mit der Membrane 12, was mit einem Pfeil 16 angedeutet ist. Die linke Seite des Sensors 1 ist im gezeigten Beispiel ausserhalb des Messmediums. Der Sensor 1 wird nach konventioneller Methode zum Beispiel mittels eines Flansches an den das Messmedium umgebenden Behälter 18 angeflanscht oder in eine für den Sensor 1 vorgesehene Öffnung in der Wand des Behälters 18 mittels eines Dichtungselementes 17 dichtend eingesetzt. Die Innenseite 10 des dem Messmedium zugewandten Deckels 3 bildet die Gegenelektrode und die Innenseite des dem Messmedium abgewandten Deckels 3 die Elektrode des kapazitiven Sensors 1. An der Aussenseite des linken Deckels 3 ist ein elektrischer Leiter 11 mittels einem gängigen Verfahren leitend befestigt und stellt so die Verbindung zur Elektrode her. Eine Bohrung 19 durch den linken Deckel 3 und durch die Trägerscheibe 2 im Randbereich des Deckels 3 führt von der dem Messmedium abgewandten Seite her bis an die Innenseite 10 des rechten Deckels 3. Ein elektrischer Leiter 15 ist im Bereich der Mündung der Bohrung 19 am rechten Deckel 3 elektrisch leitend befestigt und durch die Bohrung 19 nach aussen geführt. Über diesen Leiter 15 ist die elektrische Verbindung zur Gegenelektrode hergestellt. Der Vorteil dieses Aufbaus des Drucksensors 1 liegt darin, dass alle Anschlüsse ausserhalb des Messmediums liegen und es bedarf keiner weiteren Abdichtungen der elektrischen Leitungen.
In der Figur 5 ist ein Querschnitt durch einen alternativen Aufbau eines Drucksensors 1 gezeigt. Bei diesem Sensor 1 ist die Trägerscheibe 2 dem Messmedium 16 zugewendet. Der aus Silizium gefertigte Deckel 3 ist auf eine Trägerscheibe 2 aus Glas aufgesetzt und mit der Trägerscheibe 2 mittels elektrischen Bondens fest und gasdicht verbunden. Die Trägerscheibe 2 weist im Zentrum eine Öffnung 20 auf, die im Hohlraum 4 mit einer Siliziumscheibe 9 abgedeckt und durch elektrisches Bonden fest und gasdicht mit der Trägerscheibe 2 verbunden ist. Durch die Öffnung 20 wirkt das Messmedium mit seinem Druck auf die Siliziumscheibe 9, was durch den Pfeil 16 angedeutet ist. Die Siliziumscheibe 9 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel als Membrane 12 und stellt die Elektrode des Sensors 1 dar. Die Gegenelektrode bildet die Innenseite 10 des Deckels 3. Die Trägerscheibe 2 weist im Randbereich zwei Bohrungen 8,13 auf. Ein elektrischer Leiter 15 ist am Deckel 3 im Bereich der Bohrung 13 befestigt und durch die Bohrung 13 nach aussen geführt. Über diese Leitung ist die elektrische Verbindung zur Gegenelektrode hergestellt. Eine zweite Bohrung 8 mündet im Hohlraum 4 des Sensors 1. Die Öffnung der Bohrung 8 ist im Hohlraum 4 mit einem Siliziumplättchen 21 , das an die Trägerscheibe 2 gebondet ist, gasdicht abgedeckt. Dieses Silizumplättchen 21 ist im Hohlraum 4 elektrisch mit der Elektrode verbunden. An der Aussenseite des Siliziumplättchens 21 ist ein elektrischer Leiter 11 befestigt, der durch die Bohrung 8 nach aussen geführt ist. Das Siliziumplättchen 21 bildet mit seiner Verbindung im Hohlraum 4 zur Elektrode und seinem aussen angeschlossenen Leiter 11 eine gasdichte elektrische Durchführung in den Referenzdruckraum. Es ist auch denkbar, dass im Inneren des Sensors 1 , also im Referenzdruckraum eine elektronische Auswerteschaltung angeordnet ist. Um die nötigen Anschlüsse für diese elektronische Auswerteschaltungen gasdicht aus dem Referenzdruckraum herauszuführen, können mehrere solcher Durchführungen auf der Trägerscheibe 2 angebracht sein. Die Auswerteelektronik kann aber auch direkt in eine solche Durchführung integriert sein. In anderen Ausführungen des Drucksensors ist die Siliziumscheibe 21 in mehrere Bereiche unterteilt, die untereinander elektrisch isoliert sind. Das wird zum Beispiel durch unterschiedliches Dotieren der Siliziumscheibe 21 erreicht. Jeder Bereich ist mit einem elektrischen Leiter verbunden und bildet so eine eigene Leiterdurchführung.
Die beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemässen Drucksensors sind nur beispielhaft. So sind für die Trägerscheibe 2 anstelle von Glas auch andere Materialien denkbar wie zum Beispiel bestimmte Keramiken oder die Trägerscheibe 2 ist mehrschichtig aufgebaut, das heisst, dass die Oberfläche der Trägerscheibe 2 mit einem Material beschichtet ist, das zum Bonden geeignet ist. Die Herstellung des erfindungsgemässen Druck- und Kraftsensors ist relativ einfach, da die angewendeten Herstellungsverfahren wie elektrisches Bonden, Glas- und Siliziumbearbeitung sowie gezieltes Dotieren von Halbleiter-Materialien bestens bekannt und einfach anzuwenden sind. Da der Drucksensor nur aus wenigen Teilen aufgebaut und mit wenigen Hersteliungsschritten produzierbar ist, ist eine kostengünstige Produktion auch in kleinen Stückzahlen möglich. Die gasdichten Durchführungen erlauben elektrische Leitungen in den Referenzdruckraum des Sensors ohne dass jede einzelne Leitung separat abgedichtet werden muss und ohne die Gasdichtheit des Referenzdruckraums zu beeinträchtigen.

Claims

Patentansprüche
1. Kapazitiver Druck- oder Kraftsensor mit mindestens einer Elektrode und zugehöriger Gegenelektrode in einem gasdichten Referenzdruckraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1 ) eine Trägerscheibe (2) und wenigstens einen Deckel (3) aufweist, derart, dass der Referenzdruckraum durch einen Hohlraum (4) zwischen der Trägerscheibe (2) und dem Deckel (3) gebildet ist, weiters dass die Trägerscheibe (2) mindestens an der dem Deckel (3) zugewandten Seite eine Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden und elektrisch bondbaren Material besteht und dass der oder die Deckel (3) durch elektrisches Bonden mit der Trägerscheibe (2) verbunden sind.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (2) eine oder mehrere vom Referenzdruckraum nach aussen hin führende Öffnungen (8,20) aufweist, welche im Referenzdruckraum mit Abdeckungen (9,21 ) aus einem elektrischen Leitermaterial oder einem Halbleitermaterial überdeckt sind, und diese Abdeckungen (9,21 ) durch Bonden mit der Trägerscheibe (2) verbunden sind, derart, dass die Abdeckungen (9,21 ) die Öffnungen (20,8) gasdicht abschliessen, dass wenigstens eine Abdeckung (9,21 ) an der Aussenseite im Bereich Öffnungen (8) in der Trägerscheibe (2) mit einem elektrischen Leiter (11 ) verbunden ist, so, dass dieser Leiter (11 ) und die auf der Trägerscheibe aufgebondete Abdeckung (9,21 ) eine elektrisch leitende und gasdichte Durchführung in den Referenzdruckraum bildet.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (9) einer Öffnung in der Trägerscheibe (2) im Inneren des Referenzdruckraums eine Elektrode darstellt.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (10) eines Deckels (3) eine Gegenelektrode darstellt.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trägerscheibe (2) Glas ist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des oder der Deckel (3) Silizium ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Abdeckscheiben (9,21 ) Silizium ist.
8. Sensor nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Abdeckscheibe (9,21 ) in verschiedene untereinander elektrisch isoliert Bereiche unterteilt ist, derart, dass jeder Bereich mit einem elektrischen Leiter verbunden eine Leiterdurchführung bildet.
9. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Abdeckscheiben (9,21 ) elektronische Auswerteschaltungen beinhalten.
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