WO2002004911A1 - Druckmessung mit zwei schwigenden platten - Google Patents

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WO2002004911A1
WO2002004911A1 PCT/EP2001/007787 EP0107787W WO0204911A1 WO 2002004911 A1 WO2002004911 A1 WO 2002004911A1 EP 0107787 W EP0107787 W EP 0107787W WO 0204911 A1 WO0204911 A1 WO 0204911A1
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pressure sensor
oscillating
pressure
base part
vibrating
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Application number
PCT/EP2001/007787
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French (fr)
Inventor
Steffen Biehl
Thomas Iwert
Original Assignee
U-Sen Mikrosystemtechnik Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/16—Vacuum gauges by measuring variation of frictional resistance of gases
    • G01L21/22—Vacuum gauges by measuring variation of frictional resistance of gases using resonance effects of a vibrating body; Vacuum gauges of the Klumb type

Definitions

  • the invention relates to a device for pressure measurement, in particular a pressure sensor for a gas friction vacuum meter, which has a pair of vibration elements, and a method for pressure measurement with a gas friction vacuum meter, in particular using a pressure sensor with a pair of vibration elements.
  • a gas friction vacuum meter contains a pressure sensor with an oscillating element, which is arranged at a short distance, forming a gap from another oscillating element or a fixed part.
  • the gap is connected to the measuring room in which the pressure is to be measured.
  • the vibration properties are influenced by at least one vibration element in a characteristic, measurable manner.
  • Pressure sensors are known in which the pressure is determined from the measurable braking of a magnetically suspended ball (EP 146 647) or a part rotating in the measuring space (EP 737 305). These sensors have the disadvantage of a complicated and fragile structure. Furthermore, the signal evaluation is complicated and time-consuming. From DE-OS 40 40 601 a sensor with an oscillator and a quartz crystal is known, in which the pressure is derived from the measurable decay behavior of the quartz crystal. This method is disadvantageous because of the time it takes to obtain measured values and because of the complex evaluation of measured values. From DE-OS 29 05 216 a further pressure sensor with a surface oscillator is in Known form of a disc that can perform swinging pivoting movements in a capsule. This pressure sensor is problematic due to the restricted pressure measuring range and the insufficient accuracy of the pressure measurement for modern vacuum technology requirements.
  • the pressure sensor 100 contains an oscillating element 20' which is resiliently attached to a base part 10 '.
  • the base part 10 ' is arranged as a spacer between two fixed plates 40'.
  • the oscillating element 20 ' has a smaller thickness than the base part 10' and can oscillate between the plates 40 '.
  • the oscillation frequency of the oscillation element 20 ' changes with high sensitivity as a function of the pressure in the gap 25', which corresponds to the pressure in the measuring room.
  • the pressure is determined from the respectively measured resonance frequency of the oscillating element 20 '.
  • the pressure sensor known from DE-OS 43 00 893 has the following disadvantages.
  • the direct connection of the oscillating element to the outer frame is disadvantageous, since oscillation decoupling from the surroundings can only be achieved via the oscillating spring.
  • the conventional pressure sensor has a relatively high energy output at the base of the oscillating element 20 '.
  • the limit quality of the oscillating element 20' which is a measure of the decrease in the oscillation amplitude z. B. when the resonance frequency is excited, has relatively low values (z. B. around 10,000).
  • the greater the internal damping of the vibration element the more difficult it is to measure the pressure dependence of vibration parameters.
  • vibration pressure sensors are known, the vibration elements of which are formed by Si diaphragms. These sensors also have the disadvantage of a low quality limit or a relatively high energy output at the edge of the diaphragms.
  • squeeze effect is a strong shift in the resonance frequency of planar vibration elements of vibration pressure sensors at higher pressure.
  • the cause of the squeeze effect is that at higher pressures, the Gas in the vicinity of the oscillating elements can no longer follow the oscillating movement. The gas can no longer escape when displaced by the oscillating element. An additional elastic component is created, so that the spring constant of the oscillating element appears to be greater.
  • the resonance frequency increases correspondingly sharply.
  • the object of the invention is to provide an improved pressure sensor for a gas friction vacuum meter, with which the disadvantages of the conventional pressure sensors are overcome.
  • the new pressure sensor should be characterized in particular by high accuracy, an extended pressure measuring range and a simplified measurement signal evaluation.
  • the object of the invention is also to provide an improved method for pressure measurement with an oscillation pressure sensor, with which measurement values of the pressure in a measurement space are delivered with high accuracy and short measurement times in an expanded pressure measurement range.
  • the basic idea of the invention is to provide a pressure sensor for a gas friction vacuum meter with two oscillating oscillating elements which are movable relative to one another and which are resiliently attached to a base part, each oscillating element being formed by an oscillating plate with at least one flat side surface and the oscillating plates via oscillating springs with the Base part are connected in such a way that the associated side surfaces face each other and a gap is formed between the side surfaces, the oscillating plates being able to oscillate in one direction is perpendicular to the side surfaces.
  • the pressure sensor according to the invention is based on the use of the pair of vibrating plates which is attached to a base part.
  • the transducer plates and the base part consist of two structured, mirror-symmetrical half-planes. This structure enables a considerable improvement in the limit quality of the vibrating elements by excitation of a vibration which is symmetrical relative to the gap and in which the center of gravity of the pair of vibrating plates remains essentially unchanged and torques at the base part are avoided. Defining the center of gravity reduces the excitation of additional vibration modes and thus the energy output.
  • the pressure sensor according to the invention has the advantage that large plate areas are made available with the oscillating plates, which simplify a capacitive evaluation of the oscillation state and, on the other hand, an oscillating gap which is so small that a strong pressure dependence of the damping, in particular in the upper pressure range, is achieved.
  • the aspect ratio of the vibrating element is exactly the opposite of that of conventional tuning fork sensors.
  • the invention also relates to a method for operating a vibration pressure sensor with two vibration elements which are excited to produce symmetrical, opposing vibrations along a common vibration direction.
  • the pressure measurement is characterized by the fact that, in the case of a gas friction vacuum meter with a pair of oscillatable oscillating elements, the pressure is measured by At least one electrical operating parameter of an excitation device of the vibrating elements is determined, the excitation device stimulating the vibrating elements to vibrate at their resonance frequency or below the resonance frequency. At low pressures, where the squeeze effect is not effective, the vibrating elements are excited at the pressure-dependent resonance frequency. In contrast to conventional 'borrowed evaluation of the frequency shift of the resonance frequency, the Erregersharide according to the invention, for example.
  • a fixed reference frequency is set below the resonance frequency and a pressure is determined from the electrical operating parameters (e.g. excitation voltage) required to set this reference frequency.
  • the electrical operating parameters e.g. excitation voltage
  • a linear relationship between the logarithm of the pressure and in particular the regulated excitation voltage over several pressure decades in the pressure range from 10 "1 Pa to 10 4 Pa could be determined with this pressure measuring method.
  • the invention has the following further advantages.
  • a pressure sensor is created that has a linear characteristic curve over several printing decades.
  • the pressure sensor has an extremely high limit quality of over 100,000. This represents significant progress compared to the limit quality values of conventional pressure sensors in the range of ⁇ _10,000.
  • the improvement of the limit quality by a power of ten means a corresponding reduction in the damping, so that the lower pressure measurement limit is extended accordingly by a decade. Due to the uncomplicated measurement principle, the pressure sensor can be easily integrated into automated measurement setups.
  • Figure 1 is a perspective view of the invention
  • Figure 2 is a schematic plan view of a first
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a pressure sensor according to FIG. 2,
  • Figure 4 is a schematic plan view of another
  • Embodiment of the pressure sensor according to the invention shows the result of a modal analysis of the pressure sensor according to the invention according to FIG. 4,
  • FIG. 6 further details of the pressure sensor according to the invention according to FIG. 2,
  • FIG. 7 curve representation of the pressure dependence of the vibration behavior of the vibration plates
  • FIG. 8 shows a block diagram to illustrate the measurement method according to the invention
  • FIG. 9 graphs with pressure measurement results, which were determined with the method according to the invention.
  • Figure 10 is a sectional view of a conventional vibration pressure sensor (prior art).
  • the invention is described below with reference to embodiments which are constructed from silicon and silicon oxides by means of bulk micromechanics.
  • the implementation of the invention is not limited to sensors manufactured in this way, but is also possible with sensors modified with regard to the manufacturing process, the materials and the size ratios.
  • FIG. 1 illustrates a pressure sensor 100 according to the invention in a perspective view enlarged by scanning electron microscopy.
  • a base part 10, which carries the oscillating elements 20, is fastened to the chip frame 30.
  • the components 10, 20 and 30 are each composed of mutually mirror-symmetrical parts which belong to two chip levels.
  • the oscillating elements 20 comprise two oscillating plates 21, 22 which are connected to the base part 10 via oscillating springs 23, 24 (see FIG 3).
  • the base part 10 is fastened to the chip frame 30 via suspension springs 13, 14, which, with two cover plates (not shown in FIG. 1), forms a housing for the base part 10 with the oscillating elements 20.
  • the oscillating system of the pressure sensor 100 comprises the oscillation plates 21, 22 with the oscillation springs 23, 24.
  • the base part 10 also has the function of vibration decoupling with respect to the chip frame 30.
  • the structure of the cover plates and the chip frame with the base part and the oscillation plates forms a four-layer stack.
  • the individual layers are flat.
  • the layer levels subsequently comprise a lower cover level, a lower chip level, an upper chip level and an upper cover level.
  • a reference plane parallel to the layer planes is referred to as the x-y plane and the direction perpendicular to the x-y plane is referred to as the z direction.
  • FIGS. 2 and 3 show details of the pressure sensor 100 according to FIG. 1 in a schematic plan view and a sectional view.
  • the top view (FIG. 2) illustrates a layer level (upper chip level) of the four-layer structure with the respective upper parts of the chip frame 30 and the base part 10, the suspension spring 13, the oscillation spring 23 and the oscillation plate 21. All parts of the layer level are made in one piece from one dielectric or semiconductive plate material (e.g. a single crystal Si wafer, see below).
  • dielectric or semiconductive plate material e.g. a single crystal Si wafer, see below.
  • the chip frame 30 is a circumferential rectangular frame, from one side of which the suspension springs 13 and 14 extend to the base part 10. On an outer edge, the chip frame 30 is connected to a holder 31 of the respective measurement setup.
  • the outer dimensions of the chip frame 30 are, for example, 8 '10.5 mm 2 .
  • the suspension springs 13, 14 are made of the same material as the chip frame 30, but have a smaller thickness (see FIG. 3), so that they themselves form an elastic suspension of the base part 10.
  • the suspension springs 13, 14 are oscillating springs in the illustrated embodiment, which only allow vibrations in the z direction. They form a vibration decoupling of the base part 10 with respect to the chip frame 30. The vibration decoupling takes place both from the vibrating plates to the frame and vice versa .
  • a particular advantage of the resilient suspension of the base part is the sensor's reduced insensitivity to external vibrations (heavily damped energy input).
  • the base part 10 consists of two components 11, 12, each of which is part of one of the two chip levels of the pressure sensor 100.
  • the components 11, 12 are firmly connected to one another (for example glued, bonded or the like).
  • the components 11, 12 have a rectangular area in the x-y direction, which is aligned correspondingly parallel to the outer chip frame.
  • the oscillating springs 23, 24 are attached, which like the suspension springs 13, 14 represent a tapered section of the plate material in the corresponding layer plane.
  • the oscillating springs 23, 24 are plate springs, one side of which extends over the width of the base part 10 and the other side of which merges into one of the oscillating plates 21, 22.
  • the oscillating springs have, for example, a thickness of 120 ⁇ m, a width of 2.9 mm and a length (between the base parts and the oscillating plates) of 545 ⁇ m.
  • the oscillating plates 21, 22 have a rectangular shape in the xy direction, which is aligned correspondingly parallel to the chip frame 30.
  • the plate material that forms the respective chip level of the pressure sensor has an increased thickness, which is preferably the thickness corresponds to the corresponding component 11 of the base part 10.
  • the dimension (area and thickness) of the transducer plates is set depending on the application in order to set a specific natural frequency.
  • the transducer plates have, for example, a base area of 2 "3 mm and a thickness of approx. 300 ⁇ m.
  • the structure of the base part 10, oscillating springs 23, 24 and oscillating elements 20 is preferably arranged in the chip frame 30 such that the center of gravity of the oscillating system lies in the middle of the chip frame 30.
  • FIG. 3 illustrates that the parts of the chip frame 30, the springs 23, 24, the base part 10 and the vibrating elements 20 belonging to the different middle layer planes (chip planes) are aligned and connected to one another in the z direction via an intermediate layer 32 or 33 ,
  • the intermediate layer forms a spacer between the layer planes in such a way that a gap 25 is formed between the planar side surfaces of the oscillating springs 23 and 24 and the oscillating plates 21 and 22 facing each other.
  • the gap 25 is the vibration gap of the pressure sensor 100.
  • the vibration gap is connected to the measuring space, the pressure of which is to be measured.
  • the width of the oscillating gap 25 is, for example, in the range from 2 to 3 ⁇ m.
  • FIG. 3 shows the cover plates 40 of the four-layer structure with a lower cover plate 41 and an upper cover plate 42.
  • the cover plates 40 form a housing for the vibrating system with the chip frame and also serve as carriers for excitation and detection electrodes 50 and compensation electrodes 60.
  • the electrodes each comprise thin electrode layers (eg made of aluminum, thickness about 1 to 1.5 ⁇ m), which are attached to the inner sides of the cover plates 41, 42.
  • the excitation and detection electrodes 50 each comprise an electrode layer 51, 52, which are at least partially arranged opposite the oscillating plates 21, 22.
  • the electrode layers 51, 52 serve for the electrostatic excitation of vibrations of the vibrating plates 21, 22 in the z direction and for the capacitive detection of the vibration state (see below).
  • the compensation electrodes 60 likewise comprise two electrode layers 61, 62 which are at least partially arranged opposite the components 11 and 12 of the base part 10.
  • the compensation electrodes 60 are provided for positioning or biasing the base part 10 with respect to the chip frame 30 if an asymmetry between the half-planes caused by manufacturing tolerances has to be compensated for.
  • the cover plates 41, 42 also have ventilation devices 70 and contacting devices 80.
  • ventilation devices 70 and contacting devices 80 For example, as a ventilation device, there are several continuous ventilation holes 71, 72, 73 and 74 on each side, through which the oscillating gap 25 or the interior of the pressure sensor 100 communicates with the Measuring room is connected.
  • the contact device 80 also comprises bores 81, 82, 83 and 84 through the plane of the plate. Through the bores 81 to 84, the excitation and detection electrodes 50 are in electrical contact with external bond connections on the sensor surface.
  • the following materials are preferably used to construct the pressure sensor 100.
  • the two inner chip levels consist of single-crystal silicon.
  • Two wafers made of p-type silicon material with a specific resistance in the range from 0.01 to 0.05 ⁇ cm are structured by wet chemical etching and then connected to one another by direct silicon bonding.
  • the use of silicon has the advantage that the inner chip planes can be used simultaneously as conductor planes and as a movable electrode.
  • the mutual electrical insulation takes place through the intermediate layers 13 and 33, which are formed by thermal oxidation.
  • An insulating oxide layer with a thickness of approx. 50 n can be provided in the area of the movable vibrating plates 21, 22.
  • the intermediate layers 13, 33 have a thickness in the range of approximately 2 to 3 ⁇ m.
  • aluminum contact surfaces are sputtered onto exposed Si areas.
  • the exposed areas may be etched free to remove an oxide layer formed in air.
  • the sputtered aluminum forms a good ohmic contact to the silicon after contact tempering at approx. 450 ° C.
  • the voltages required to excite the vibrating elements are applied to the middle silicon layers via the contact surfaces.
  • the cover plates 41, 42 consist, for example, of glass or also of silicon.
  • the use of silicon has the advantage that thermal stresses in the sensor structure are avoided.
  • parallel capacitances can be formed by silicon cover plates that exceed the measuring capacities at the detection electrodes.
  • additional screen planes made of single-crystalline silicon or planarized polysilicon may be provided.
  • to Manufacture of the cover plates made of glass are preferably anodically bondable types of glass (eg "Pyrex ⁇ or" Hoya ").
  • the chip planes of the pressure sensor according to the invention can also be made from other materials.
  • quartz also enables the electrical connections to be bonded. Quartz has the additional advantage of an intrinsic charge carrier generation, so that electrodes could be dispensed with when building the sensor.
  • Piezoelectric materials e.g. ceramics
  • piezoelectrically coated materials e.g. metal or ceramics
  • the spring stiffness and masses of both vibrating arms can almost match the ideal case.
  • the suspension springs 13, 14 would not be required.
  • differences in spring stiffness and mass of the oscillating arms often arise due to manufacturing tolerances.
  • the suspension springs 13, 14 are used to absorb uncompensated forces and to set compensating movements in order to achieve the specified high quality limit and to minimize damping by the chip frame, and to decouple external vibrations.
  • one-sided suspension of the base part 10 on the chip frame 30 is provided.
  • the one-sided suspension enables force to be introduced into the chip frame 30 in the lateral direction. If this limits the quality of the vibrating elements too much depending on the application, a two-sided suspension of the basic some 10 may be provided, which is explained below with reference to FIG. 4.
  • the pressure sensor 100 according to FIG. 4 is constructed essentially like the pressure sensor explained above in terms of geometry, dimensions and materials.
  • the base part 10 is fastened to the chip frame 30 by lateral suspension springs 15, 16.
  • the suspension springs 15, 16 (bar springs) are located on the side of the base part 10 on which the oscillating springs 23 and 24 are also attached.
  • the suspension springs 15, 16 allow the formation of compensating movements both in the z direction and in the x-y plane.
  • the suspension springs 15, 16 have an aspect ratio of approximately 1: 1.
  • FIG. 6 shows further details of pressure sensors 100 according to the invention with reference to the first embodiment illustrated above.
  • the top view shows the structure of the base part 10 and vibrating elements 20, the ventilation devices 70 and the contact devices 80.
  • the pressure sensor 100 is fixed in an outer guide frame 90 which is made of an electrically insulating material, for. B. made of ceramic.
  • the excitation and detection electrodes 50 and the compensation electrodes 60 are connected to bonding layers 53 and 63, respectively.
  • Pressure sensors according to the invention are produced, for example, using the structuring and bonding techniques of silicon technology which are known per se.
  • a particular advantage of the ikrome The mechanical production of the sensors consists in the fact that a large number of sensors can be produced simultaneously on one wafer. Several sensors can be manufactured under identical structuring conditions. Similar characteristics and high reproducibility result.
  • the pressure measurement according to the invention which is preferably carried out with the pressure sensor described above, is explained below.
  • the principle of operation of the pressure sensor is based on the energy output from the oscillating masses of the transducer plates through the surrounding gas.
  • different damping mechanisms act in the pressure range of interest from 10 "1 Pa to 10 4 Pa.
  • the gas between the transducer plates forms a molecular flow, a viscous flow or an intermediate state. At high pressures, this occurs Squeeze effect.
  • FIG. 7 A simulation result of the amplitude and phase length of a pressure sensor according to the invention is illustrated in FIG. 7.
  • the upper graph in FIG. 7 shows the pressure-dependent shift of the resonance frequency of the pressure sensor.
  • the oscillation amplitude at the resonance frequency decreases with increasing pressure.
  • the oscillation phases shift under the effect of the internal friction and compression in the diluted gas.
  • the resonance frequencies of the vibrating elements are designed by simulation and checked by measurements. Based on the knowledge of the amplitude and phase response of the sensor chip, a correspondingly adapted circuit takes over the evaluation of the capacitively measured vibration amplitude of the vibration elements.
  • the pressure measuring method according to the invention is based on continuously exciting the pressure sensor at low pressures at the resonance frequency with a constant oscillation amplitude and at high pressures at a fixed reference frequency (fixed frequency) below the resonance frequency shifted by the squeeze effect.
  • the fixed frequency is z. B. 20 kHz.
  • the readjustment is carried out continuously using a PLL circuit. For the low pressures, the 'PLL circuit continuously searches for the pressure-dependent resonance frequency of the vibrating elements (maximizing the capacitively measured vibration amplitude).
  • the excitation voltage of the oscillation elements is regulated in such a way that the capacitively measured oscillation amplitude corresponds to a predetermined constant amplitude.
  • the excitation voltage required to keep the oscillation amplitude constant is the measure of the pressure to be measured.
  • the excitation voltage required to keep the oscillation amplitude constant at the fixed frequency is the measure of the pressure to be measured.
  • the capacitive measurement of the oscillation state of the oscillation elements (conversion of the mechanical oscillation into a voltage) takes place by amplifying the recharge current of the detection capacities between the oscillation plates on the one hand and the electrode layers 51 and 52 on the other.
  • the switchover point between the two control methods lies e.g. B. at 100 Pa and can be influenced via the plate size and the gap dimensions of the vibrating gap.
  • the switching point can also be a decade higher if the gap is sufficiently narrow.
  • the switchover point is selected so that the pressure characteristic is linearized.
  • the amplitude of the excitation voltage is readjusted continuously so that the differently damping influence of the gas pressure to be measured is compensated for.
  • the amplitude of the excitation voltage represents therefore represents a measure of the pressure to be measured.
  • another operating parameter for example a performance parameter
  • another operating parameter for example a performance parameter of the excitation device can also be used as the pressure measure.
  • the vibration of the vibrating elements is excited electrostatically by applying an electrical alternating voltage to the vibrating elements relative to the electrode layers 51, 52.
  • the phases of the two excitation voltages are shifted by 180 ° to each other.
  • the force which is impressed on each vibrating element is, if, as in the vibration pressure sensor according to the invention, the vibrating plates vibrate with a small amplitude, so that the surfaces of the electrodes and the vibrating plate remain almost parallel to one another, proportional to the excitation voltage.
  • the excitation voltage has a frequency ⁇
  • the force driving the individual vibrating element is twice the frequency 2 ⁇ .
  • the frequency of the excitation voltage In order to excite the vibrating elements at the resonance frequency f R , the frequency of the excitation voltage must be set to 0.5 f R.
  • the aforementioned proportionality between the impressed force and the amplitude of the excitation voltage (excitation voltage) also results in a frequency-independent DC component of the force that pulls the oscillating elements towards one another from the zero position. If the vibration amplitudes are high, the vibration elements may stick. Possibly. it is therefore provided according to the invention to apply an offset voltage to the electrode layers 51, 52 in addition to the excitation voltage.
  • the offset voltage therefore contains an AC voltage component which is in phase with the excitation voltage of the opposite oscillating element and a DC component which corresponds to the maximum amplitude of the excitation voltage.
  • FIG. 8 shows the integration of the pressure sensor 100 with the oscillating elements 21, 23 or 22, 24 and the electrode layers 51 or 52 into the excitation device 200 and the amplifier circuit 300.
  • the excitation device 200 contains voltage sources which are controlled in accordance with the principles explained above.
  • the amplifier circuit 300 comprises two operational amplifiers 310, 320 as the first amplifier stage and an addition amplifier 330 as the second amplifier stage.
  • the charge-reversal currents are in phase with one another, but have a 90 ° phase shift and twice the frequency relative to the respective excitation voltage.
  • the output voltages of the operational amplifiers 310, 320 are added with the addition amplifier 330.
  • the gain of the addition amplifier can be set, for example, in the range from 50 to 60.
  • the potentials of the compensation voltages are also present at the outputs of the IU converters 310, 330 via the feedback resistors. However, since they are opposite in phase to one another and have opposite signs, these voltages are canceled out at the subsequent summation point.
  • the sensor characteristic curve (dependence of the excitation voltage on the measured pressure) is recorded by a defined variation of a measuring pressure while maintaining the oscillation amplitude of the oscillating elements.
  • a sensor characteristic curve is illustrated by way of example in FIG. 9. The excellent linearity between the logarithmic pressure curve and the excitation voltage required to set the resonance frequency is shown.

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Abstract

Es wird ein Drucksensor (100) für ein Gasreibungsvakuummeter mit zwei relativ zueinander beweglichen, schwingfähigen Schwingeleme nten (20) beschrieben, die federnd an einem Basisteil (10) angebracht sind, wobei zwischen den Schwingelementen (20) ein Schwingspalt (25) gebildet ist, dessen Breite beim Schwingen der Schwingelementen (20) variiert, die Schwingelementen (20) Schwingerplatten (21, 22) sind, die jeweils über Schwingerfedern (23, 24) mit dem Basisteil (10) verbunden sind, jede Schwingerplatte (21 bzw. 22) und die zugehörige Schwingerfeder (23 bzw. 24) eine ebene Seitenfläche bildet und die Schwingerplatten (21, 22) so am Basisteil (10) angebracht sind, dass zwischen den aufeinander zuweisenden Seitenflächen der Schwingspalt (25) gebildet wird, und die Schwingerplatten (21, 22) in einer Richtung schwingfähig sind, die senkrecht auf den Seitenflächen steht. Es wird auch ein Regelverfahren zur Druckmessung mit einem Drucksensor beschrieben, bei dem ein Betriebsparameter einer Anregungseinrichtung ein Maß für den Messdruck ist.

Description

DRUCKMESSUNG MIT ZWEI SCHWINGENDEN PLATTEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckmessung, insbesondere einen Drucksensor für ein Gasreibungsvakuummeter, der ein Paar von Schwingelementen aufweist, und ein Verfahren zur Druckmessung mit einem Gasreibungsvakuummeter, insbesondere unter Verwendung eines Drucksensors mit einem Paar von Schwingelemente .
Das Arbeitsprinzip von Gasreibungsvakuummetern ist allgemein bekannt. Ein Gasreibungsvakuummeter enthält einen Drucksensor mit einem Schwingelement, das in geringem Abstand unter Bildung eines Spaltes von einem weiteren Schwingelement oder einem feststehenden Teil angeordnet ist. Der Spalt steht mit dem Messraum, in dem der Druck gemessen werden soll, in Verbindung. Je nach dem Druck im Messraum werden die Schwingungseigenschaften von mindestens einem Schwingelement in charakteristischer, messbarer Weise beeinflusst. Bekannte Bauformen von Drucksensoren für Gasreibungsvakuummeter werden im Folgenden erläutert.
Es sind Drucksensoren bekannt, bei denen der Druck aus der messbaren Abbremsung einer magnetisch aufgehängten Kugel (EP 146 647) oder eines im Messraum rotierenden Teils (EP 737 305) ermittelt wird. Diese Sensoren besitzen den Nachteil eines komplizierten und anfälligen Aufbaus. Des Weiteren ist die Signalauswertung kompliziert und zeitaufwendig. Aus DE-OS 40 40 601 ist ein Sensor mit einem Oszillator und einem Schwingquarz bekannt, bei dem der Druck aus dem messbaren Ausschwingverhalten des Schwingquarzes abgeleitet wird. Dieses Verfahren ist wegen des Zeitaufwandes zur Messwertgewinnung und wegen der aufwendigen Messwertauswertung nachteilig. Aus DE-OS 29 05 216 ist ein weiterer Drucksensor mit einem Flächenschwinger in Form einer Scheibe bekannt, die in einer Kapsel schwingende Schwenkbewegungen ausführen kann. Dieser Drucksensor ist wegen des eingeschränkten Druckmessbereiches und der für moderne Anforderungen der Vakuumtechnik ungenügenden Genauigkeit der Druckmessung problematisch.
Aus DE-OS 43 00 893 ist ein mikromechanisch hergestellter Schwingungs-Drucksensor bekannt, der schematisch in Figur 10 gezeigt ist. Der Drucksensor 100' enthält ein Schwingelement 20', das federnd an einem Basisteil 10' befestigt ist. Das Basisteil 10' ist als Distanzhalter zwischen zwei festen Platten 40' angeordnet. Das Schwingelement 20' besitzt eine geringere Dicke als das Basisteil 10' und kann zwischen den Platten 40' schwingen. Die Schwingungsfrequenz des Schwingelements 20' ändert sich mit hoher Empfindlichkeit in Abhängigkeit vom Druck im Spalt 25', der dem Druck im Messraum entspricht. Der Druck wird aus der jeweils gemessenen Resonanzfrequenz des Schwingelements 20' ermittelt.
Der aus DE-OS 43 00 893 bekannte Drucksensor besitzt die folgenden Nachteile. Die direkte Verbindung des Schwingelements mit dem äußeren Rahmen ist nachteilig, da eine Schwingungsentkopplung gegenüber der Umgebung nur über die Schwingerfeder erfolgen kann. Der herkömmliche Drucksensor besitzt am Fußpunkt des Schwingelements 20' einen relativ hohen Energieaus- trag. Die Grenzgüte des Schwingelements 20', die ein Maß für die Abnahme der Schwingungsamplitude z. B. bei Anregung der Resonanzfrequenz ist, besitzt relativ geringe Werte (z. B. rund 10.000). Je größer die Eigendämpfung des Schwingelements ist, desto schwieriger ist jedoch die Druckabhängigkeit von Schwingungsparametern messbar. Andererseits werden auch äußere mechanische Schwingungen (Stöße, Vibrationen) direkt über den Rahmen auf das Schwingelement übertragen, so dass dessen Schwingungsverhalten unabhängig vom Druck beeinflusst wird. Der herkömmliche Sensor verhält sich wie ein Beschleunigungs- sensor zur Kόrperschalldetektion. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem herkömmlichen Messprinzip. Die druckabhängige Frequenzverschiebung liegt bei geringen Drucken im Sub-Hz- Bereich. Derart geringe Frequenzverschiebungen lassen sich nur mit hohen Integrationskonstanten erfassen. Es ergeben sich lange Messzeiten von ca. 10 s. Drucke unterhalb von 100 mbar sind nicht messbar. Ähnliche Sensoraufbauten mit den gleichen Nachteilen und zusätzlichen Beschränkungen aufgrund komplizierter Kalibrierungstechniken sind aus DE 195 35 651 und EP 735 354 bekannt.
Aus den Publikationen von M. K. Andrews et al . in „Sensors and Actuators Aλ, Band 36, 1993, Seite 79 ff. und 219 ff. sind Schwingungs-Drucksensoren bekannt, deren Schwingelemente durch Si-Diaphragmen gebildet werden. Diese Sensoren besitzen ebenfalls den Nachteil einer geringen Grenzgüte bzw. eines relativ hohen Energieaustrages am Rand der Diaphragmen. In diesen Publikationen wird auch der sog. „Squeeze-Effekt" beschrieben. Als Squeeze-Effekt wird eine starke Verschiebung der Resonanzfrequenz planarer Schwingelemente von Schwingungs- Drucksensoren bei höherem Druck bezeichnet. Die Ursache des Squeeze-Effekts besteht darin, dass bei höheren Drucken das Gas in Umgebung der Schwingelemente der Schwingungsbewegung nicht mehr folgen kann. Das Gas kann bei Verdrängung durch das Schwingelement nicht mehr entweichen. Es entsteht eine zusätzliche elastische Komponente, so dass die Federkonstante des Schwingelements scheinbar größer wird. Die Resonanzfrequenz steigt entsprechend stark an.
Ein weiteres Problem der Vakuumdruck-Messtechnik, das nicht nur Gasreibungsvakuummeter betrifft, besteht darin, dass bei großen Druckmessbereichen für höhere bzw. niedere Druck verschiedene Sensoren mit jeweils angepassten Messprinzipien verwendet werden müssen. Bspw. ist es bekannt, bei höheren Drucken mit Wärmeleitungsmanometern und bei niederen Drucken mit Ionisationsvakuummetern zu messen. Aus EP 658 755 ist bekannt, dieses Problem mit einem Druckmessgerät zu lösen, das zwei Sensoren mit aneinander anschließenden Kennlinien besitzt. Für den Nutzer wird über einen großen Druckmessbereich mit einem Gerät der jeweils aktuellen Druckwert angezeigt. Dieses Messgerät ist jedoch nachteilig, da es einen komplizierten Aufbau mit zwei getrennten Sensorteilen besitzt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Drucksensor für einen Gasreibungsvakuummeter anzugeben, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Drucksensoren überwunden werden. Der neue Drucksensor soll sich insbesondere durch eine hohe Genauigkeit, einen erweiterten Druckmessbereich und eine vereinfachte Messsignalauswertung auszeichnen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren zur Druckmessung mit einem Schwingungs-Drucksensor anzugeben, mit dem in einem erweiterten Druckmessbereich mit hoher Genauigkeit und kurzen Messzeiten Messwerte des Drucks in einem Messraum geliefert werden.
Diese Aufgaben werden durch einen Drucksensor bzw. Messverfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 16 oder 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Grundidee der Erfindung besteht in der Schaffung eines Drucksensors für einen Gasreibungsvakuummeter mit zwei relativ zueinander beweglichen, schwingfähigen Schwingelementen, die federnd an einem Basisteil angebracht sind, wobei jedes Schwingelement durch eine Schwingerplatte mit mindestens einer ebenen Seitenfläche gebildet wird und die Schwingerplatten über Schwingerfedern mit dem Basisteil derart verbunden sind, dass die zugehörigen Seitenflächen aufeinander zuweisen und zwischen den Seitenflächen ein Spalt gebildet wird, wobei die Schwingerplatten in einer Richtung schwingfähig sind, die senkrecht auf den Seitenflächen steht. Abweichend von den herkömmlichen Drucksensoren mit zwei stabförmigen Schwingelementen, die nach dem Stimmgabelprinzip arbeiten, basiert der erfindungsgemäße Drucksensor auf der Verwendung des Schwingerplattenpaares, dass an einem Basisteil angebracht ist. Die Schwingerplatten und das Basisteil setzen sich aus zwei strukturierten, spiegelsymmetrischen Halbebenen zusammen. Dieser Aufbau ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der Grenzgüte der Schwingelemente, indem eine relativ zum Spalt symmetrische, gegenp asige Schwingung anregbar ist, bei der der Schwerpunkt des Schwingplattenpaares im Wesentlichen unverändert bleibt und Drehmomente am Basisteil vermieden werden. Das Festlegen des Schwerpunktes vermindert die Anregung zusätzlicher Schwingungsmoden und damit den Energieaustrag.
Der erfindungsgemäße Drucksensor besitzt den Vorteil, dass mit den Schwingerplatten große Plattenflächen zur Verfügung gestellt werden, die eine kapazitive Auswertung des Schwingungszustandes vereinfachen und andererseits ein so geringer Schwingspalt gebildet ist, dass eine starke Druckabhängigkeit der Dämpfung, insbesondere im oberen Druckbereich, erzielt wird. Das Aspektverhältnis des Schwingelemente ist gegenüber den herkömmlichen Stimmgabel-Sensoren gerade umgekehrt.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Schwingungs-Drucksensors mit zwei Schwingelementen, die zu symmetrischen, gegenläufigen Schwingungen entlang einer gemeinsamen Schwingungsrichtung angeregt werden.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung ist durch ein Verfahren zur Druckmessung gegeben, das vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor angewendet, auf diesen jedoch nicht beschränkt ist. Die Druckmessung zeichnet sich dadurch aus, das bei einem Gasreibungsvakuummeter mit einem Paar schwingfähiger Schwingelemente der Druck durch Messen mindes- tens eines elektrischen Betriebsparameters einer Anregungseinrichtung der Schwingelemente ermittelt wird, wobei die Anregungseinrichtung die Schwingelemente zu Schwingungen bei deren Resonanzfrequenz oder unterhalb der Resonanzf equenz anregt. Bei niedrigen Drucken, bei denen der Squeeze-Effekt nicht wirksam ist, erfolgt die Anregung der Schwingelemente bei der druckabhängigen Resonanzfrequenz. Im Unterschied zur herkömm-' liehen Auswertung der Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz wird erfindungsgemäß bspw. die Erregerspännung zur Erzeugung der Resonanzschwingungen zur Druckermittlung verwendet. Bei höheren Drucken, bei denen der Squeeze-Effekt wirksam ist, erfolgt die Einstellung einer festen Bezugsfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz und eine Druckermittlung aus dem zur Einstellung dieser Bezugsfrequenz erforderlichen elektrischen Betriebsparameter (z. B. Erregerspannung). Überraschenderweise konnte mit diesem Druckmessverfahren ein linearer Zusammenhang zwischen dem Logarithmus des Druckes und insbesondere der geregelten Erregerspännung über mehrere Druckdekaden im Druckbereich von 10"1 Pa bis 104 Pa festgestellt werden.
Die Erfindung besitzt die folgenden weiteren Vorteile. Es wird erstmalig ein Drucksensor geschaffen, der über mehrere Druckdekaden einen linearen Kennlinienverlauf besitzt. Der Drucksensor besitzt eine extrem hohe Grenzgüte von über 100.000. Dies stellt gegenüber Grenzgütewerten herkömmlicher Drucksensoren im Bereich von <_10.000 einen erheblichen Fortschritt dar. Die Verbesserung der Grenzgüte um eine Zehnerpotenz bedeutet eine entsprechende Verringerung der Dämpfung, so dass die untere Druckmessgrenze entsprechend um eine Dekade erweitert wird. Der Drucksensor kann aufgrund des unkomplizierten Messprinzips problemlos in automatisierte Messaufbauten integriert werden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des nasschemischen anisotropen Ätzens und Waferbondens zur Herstellung des erfin- dungsgemäßen Schwingungs-Drucksensors . Die einzelnen Komponenten mit typischen Dimensionen im μm-Bereich lassen sich mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit herstellen. Für die Herstellung kann eine einfache und sichere Prozessführung mit geringen Feststellungstoleranzen und geringem technologischem Aufwand verwendet werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor wird eine elektrostatische Anregung von Schwingungen mit einer kapazitiven Signalde- tektion kombiniert. Letztere besitzt Vorteile in Bezug auf eine leistungsarme Ansteuerung, eine hohe Auflösung und eine gute Prozesskompatibilität und Integrabilität . So sind bspw. im Unterschied zu verschiedenen herkömmlichen Sensoraufbauten keine zusätzlichen Piezo-Schichten oder Magnetfelder zur Schwingungsdetektion erforde lich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Figur 1 eine Perspektivansicht des erfindungsgemäßen
Drucksensors,
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf eine erste
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Drucksensors gemäß Figur 2,
Figur 4 eine schematische Draufsicht auf eine weitere
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors, Figur 5 das Ergebnis einer Modalanalyse des erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß Figur 4,
Figur 6 weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß Figur 2,
Figur 7 Kurvendarstellung der Druckabhängigkeit des Schwingverhaltens der Schwingerplatten,
Figur 8 ein Blockschaltbild zur Illustration des erfindungsgemäßen Messverfahrens,
Figur 9 Kurvendarstellungen mit Druckmessergebnissen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurden, und
Figur 10 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Schwin- gungs-Drucksensors (Stand der Technik) .
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf Ausführungs- formen beschrieben, die mit Mitteln der Volumen-Mikromechanik aus Silizium und Siliziumoxiden aufgebaut sind. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf derart hergestellte Sensoren beschränkt, sondern auch mit in Bezug auf das Herstellungsverfahren, die Materialen und die Größenverhältnisse abgewandelten Sensoren möglich.
Figur 1 illustriert einen erfindungsgemäßen Drucksensor 100 in rasterelektronenmikroskopisch vergrößerter Perspektivansicht. Am Chiprahmen 30 ist ein Basisteil 10 befestigt, das die Schwingelemente 20 trägt. Die Komponenten 10, 20 und 30 sind jeweils aus zueinander spiegelsymmetrischen Teilen zusammengesetzt, die zu zwei Chipebenen gehören. Die Schwingelemente 20 umfassen zwei Schwingerplatten 21, 22, die über Schwingerfedern 23, 24 mit dem Basisteil 10 verbunden sind (siehe Figur 3) . Das Basisteil 10 ist über Aufhängungsfedern 13, 14 am Chiprahmen 30 befestigt, der mit zwei Deckplatten (in Figur 1 nicht dargestellt) ein Gehäuse für das Basisteil 10 mit den Schwingelementen 20 bildet.
Das schwingende System des Drucksensors 100 umfasst die Schwingerplatten 21, 22 mit den Schwingerfedern 23, 24. Das Basisteil 10 besitzt neben der Trägerfunktion auch die Aufgabe einer Schwingungsentkopplung gegenüber dem Chiprahmen 30. Der Aufbau aus den Deckplatten und dem Chiprahmen mit dem Basisteil und den Schwingerplatten bildet einen Vierschicht-Stapel. Die einzelnen Schichten sind eben. Die Schichtebenen umfassen in der Folge eine untere Deckebene, eine untere Chipebene, eine obere Chipebene und eine obere Deckebene. Im Folgenden wird eine zu den Schichtebenen parallele Bezugsebene als x-y-Ebene und die zur x-y-Ebene senkrechte Richtung wird als z-Richtung bezeichnet.
Die Figuren 2 und 3 zeigen Einzelheiten des Drucksensors 100 gemäß Figur 1 in schematischer Draufsicht bzw. Schnittansicht. Die Draufsicht (Figur 2) illustriert eine Schichtebene (obere Chipebene) des Vierschicht-Aufbaus mit den jeweils oberen Teilen des Chiprahmens 30 und des Basisteils 10, der Aufhängungsfeder 13, der Schwingerfeder 23 und der Schwingerplatte 21. Alle Teile der Schichtebene sind einstückig aus einem dielektrischen oder halbleitenden Plattenmaterial (z. B. einem einkristallinen Si-Wafer, siehe unten) hergestellt.
Der Chiprahmen 30 ist ein umlaufender rechteckiger Rahmen, von dessen einer Seite sich nach innen die Aufhängungsfedern 13 bzw. 14 zum Basisteil 10 erstrecken. An einer Außenkante ist der Chiprahmen 30 mit einer Halterung 31 des jeweiligen Messaufbaus verbunden. Die äußeren Maße des Chiprahmens 30 betragen bspw. 8 ' 10.5 mm2. Die Aufhängungsfedern 13, 14 bestehen aus dem selben Material wie der Chiprahmen 30, besitzen aber eine geringere Dicke (siehe Figur 3), so dass sie selbst eine elastische Aufhängung des Basisteils 10 bilden. Die Aufhängungsfedern 13, 14 sind bei der dargestellten Ausführungsform Schwingerfedern, die lediglich Schwingungen im z-Richtung erlauben. Sie bilden eine Schwingungsentkopplung des Basisteils 10 gegenüber dem Chiprahmen 30. Die Schwingungsentkopplung erfolgt sowohl von den Schwingerplatten zum Rahmen als auch umgekehrt.. Ein besondere Vorteil der federnden Aufhängung des Basisteils ist die verringerte Unempfindlichkeit des Sensors gegenüber äußeren Schwingungen (stark gedämpfte Energieeintragung) .
Das Basisteil 10 besteht aus zwei Komponenten 11, 12, die jeweils Teil einer der beiden Chipebenen des Drucksensors 100 sind. Die Komponenten 11, 12 sind fest miteinander verbunden (z. B. geklebt, gebondet oder dergleichen). Die Komponenten 11, 12 besitzen in x-y-Richtung eine rechteckige Fläche, die entsprechend parallel zum äußeren Chiprahmen ausgerichtet ist. An der zur Rahmenmitte weisenden Seite des Basisteils 10 sind die Schwingerfedern 23, 24 angebracht, die wie die Aufhängungsfedern 13, 14 einen verjüngten Abschnitt des Plattenmaterials in der entsprechenden Schichtebene darstellen. Die Schwingerfedern 23, 24 sind Plattenfedern, deren eine Seite sich über die Breite des Basisteils 10 erstreckt und deren andere Seite jeweils in eine der Schwingerplatten 21, 22 übergeht. Die Schwingerfedern besitzen bspw. eine Dicke von 120 μm, eine Breite von 2.9 mm und eine Länge (zwischen den Basisteilen und den Schwingerplatten) von 545 μm.
Die Schwingerplatten 21, 22 besitzen in x-y-Richtung eine rechteckige Gestalt, die entsprechend parallel zum Chiprahmen 30 ausgerichtet ist. Im Bereich der Schwingerplatten besitzt das Plattenmaterial, das die jeweilige Chipebene des Drucksensors bildet, eine erhöhte Dicke, die vorzugsweise der Dicke der entsprechenden Komponente 11 des Basisteils 10 entspricht. Die Dimension (Fläche und Dicke) der Schwingerplatten wird anwendungsabhängig zur Einstellung einer bestimmten Eigenfrequenz eingestellt. Die Schwingerplatten besitzen bspw. eine Grundfläche von 2 " 3 mm und eine Dicke von ca. 300 μm.
Der Aufbau aus Basisteil 10, Schwingerfedern 23, 24 und Schwingelementen 20 wird vorzugsweise so im Chiprahmen 30 angeordnet, dass der Schwerpunkt des schwingenden Systems in der Mitte des Chiprahmens 30 liegt.
Figur 3 illustriert, dass die zu den verschiedenen mittleren Schichtebenen (Chipebenen) gehörenden Teile des Chiprahmens 30, der Federn 23, 24, des Basisteils 10 und der Schwingelemente 20 über eine Zwischenschicht 32 bzw. 33 zueinander in z- Richtung deckungsgleich ausgerichtet und verbunden sind. Die Zwischenschicht bildet einen Abstandshalter zwischen den Schichtebenen derart, dass zwischen den zueinanderweisenden ebenen Seitenflächen der Schwingerfedern 23 bzw. 24 und der Schwingerplatten 21 bzw. 22 ein Spalt 25 gebildet wird. Der Spalt 25 ist der Schwingspalt des Drucksensors 100. Der Schwingspalt steht mit dem Messraum, dessen Druck gemessen werden soll, in Verbindung. Die Breite des Schwingspaltes 25 liegt bspw. im Bereich von 2 ... 3 μm.
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Breite des Schwingspaltes 25 nur einen Bruchteil der Seitenmaße der durch die Schwingerfedern und -platten gebildeten Seitenflächen beträgt. Die Schwingspaltbreite ist um einen Faktor von mehreren Zehnerpotenzen (z. B. 10"3) geringer als die charakteristischen Lateraldimensionen der Schwingerfedern und -platten. Diese geometrischen Verhältnisse besitzen besondere. Vorteile in Bezug auf die Linearisierung der Kennlinie des Drucksensors und die Ausnutzung des druckabhängigen Squeeze- Effekts . In Figur 3 sind die Deckplatten 40 des Viers'chicht-Aufbaus mit einer unteren Deckplatte 41 und einer oberen Deckplatte 42 dargestellt. Die Deckplatten 40 bilden mit dem Chiprahmen ein Gehäuse für das schwingende System und dienen auch als Träger von Anregungs- und Detektionselektroden 50 und Kompensations- elektroden 60. Die Elektroden umfassen jeweils dünne Elektrodenschichten (z. B. aus Aluminium, Dicke rd. 1 bis 1.5 μm) , die auf den Innenseiten der Deckplatten 41, 42 angebracht sind. Die Anregungs- und Detektionselektroden 50 umfassen jeweils eine Elektrodenschicht 51, 52, die zumindest teilweise den Schwingerplatten 21, 22 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Elektrodenschichten 51, 52 dienen der elektrostatischen Anregung von Schwingungen der Schwingerplatten 21, 22 in z- Richtung und der kapazitiven Detektion des S-chwingungszustandes (siehe unten) . Die Kompensationselektroden 60 umfassen e- benfalls zwei Elektrodenschichten 61, 62, die zumindest teilweise den Komponenten 11 bzw. 12 des Basisteils 10 gegenüberliegend angeordnet sind. Die Kompensationselektroden 60 sind zur Positionierung bzw. Vorspannung des Basisteils 10 gegenüber dem Chiprahmen 30 vorgesehen, falls eine durch Herstellungstoleranzen verursachte Asymmetrie zwischen den Halbebenen ausgeglichen werden muss.
Die Deckplatten 41, 42 besitzen auch Belüftungseinrichtungen 70 und Kontaktierungseinrichtungen 80. Es sind bspw. als Belüftungseinrichtung auf jeder Seite mehrere durchgehende Be- lüftungslöcher 71, 72, 73 und 74 vorgesehen, über die der Schwingspalt 25 bzw. der Innenraum des Drucksensors 100 mit dem Messraum in Verbindung steht. Die Kontakteinrichtung 80 umfasst ebenfalls Bohrungen 81, 82, 83 und 84 durch die Plattenebene. Durch die Bohrungen 81 bis 84 stehen die Anregungsund Detektionselektroden 50 in elektrischem Kontakt mit äußeren Bondanschlüssen auf der Sensoroberfläche. Zum Aufbau des Drucksensors 100 werden vorzugsweise folgende Materialien verwendet. Die beiden inneren Chipebenen bestehen aus einkristallinem Silizium. Zwei Wafer aus p-leitendem Siliziummaterial mit einem spezifischem Widerstand im Bereich von 0.01 bis 0.05 Ωcm werden durch nasschemisches Ätzen strukturiert und anschließend durch Silizium-Direktbonden miteinander verbunden. Die Verwendung von Silizium besitzt, den Vorteil, dass die inneren Chipebenen simultan als Leiterebenen und als bewegliche Elektrode benutzt werden können. Die gegenseitige elektrische Isolation erfolgt durch die Zwischenschichten 13 bzw. 33, die durch thermische Oxidation gebildet werden. Im Bereich der beweglichen Schwingerplatten 21, 22 kann eine isolierende Oxidschicht mit einer Dicke von ca. 50 n vorgesehen sein. Die Zwischenschichten 13, 33 besitzen eine Dicke im Bereich von ca. 2 bis 3 μm.
Zur Realisierung der (nicht dargestellten) elektrischen Anschlüsse der mittleren Siliziumschichten nach außen werden Kontaktflächen aus Aluminium auf freiliegende Si-Bereiche auf- gesputtert. Die freiliegenden Bereiche werden ggf. zur Beseitigung einer an Luft gebildeten Oxidschicht freigeätzt. Das aufgesputterte Aluminium bildet nach einer Kontakttemperung bei ca. 450°C einen guten ohmschen Kontakt zum Silizium. Über die Kontaktflächen werden die mittleren Siliziumschichten mit den zur Schwingungsanregung der Schwingelemente benötigten Spannungen beaufschlagt.
Die Deckplatten 41, 42 bestehen bspw. aus Glas oder auch aus Silizium. Die Verwendung von Silizium besitzt den Vorteil, dass thermische Spannungen im Sensoraufbau vermieden werden. Allerdings können durch Silizium-Deckplatten Parallelkapazitäten gebildet werden, die die Messkapazitäten an den Detektionselektroden überschreiten. Zur Vermeidung der Parallelkapazitäten sind ggf. zusätzliche Schirmebenen aus einkristalli- nem Silizium oder planarisiertem Poly-Silizium vorgesehen. Zur Herstellung der Deckplatten aus Glas werden vorzugsweise anodisch bondbare Glassorten (z. B. „Pyrexλ oder „Hoya") verwendet.
Die Chipebenen des erfindungsgemäßen Drucksensors können auch aus anderen Materialien hergestellt sein. Beispielsweise ermöglicht Quarz ebenfalls ein Bonden der elektrischen Anschlüsse. Quarz besitzt den zusätzlichen Vorteil einer intrinsischen Ladungsträgergeneration, so dass beim Sensoraufbau auf Elektroden verzichtet werden könnte. Es können auch piezoelektrische Materialien (z. B. Keramiken) oder piezoelektrisch beschichtete -Materialien (z. B. Metall oder Keramiken) verwendet werden.
Beim Aufbau der Basis mit den Schwingelementen durch nasschemisches anisotropes Ätzen von kristallinem Silizium können die Federsteifigkeit und Massen beider Schwingerarme dem Idealfall nahekommend übereinstimmen. In diesem Fall würde bei gegenpha- siger Schwingungsanregung in z-Richtung keine Krafteinleitung über das Basisteil in den Chiprahmen erfolgen. Die Aufhängungsfedern 13, 14 wären nicht erforderlich. Häufig entstehen jedoch durch Herstellungstoleranzen Unterschiede der Federsteifigkeiten und Massen der Schwingerarme. In diesem Fall dienen die Aufhängungsfedern 13, 14 der Aufnahme unkompensier- ter Kräfte und Einstellung von Ausgleichsbewegungen, um die angegebenen hohe Grenzgüte zu erreichen und eine Dämpfung durch den Chiprahmen zu minimieren, und der Entkopplung von äußeren Erschütterungen.
Bei der Ausführungsform gemäß den Figuren 2 und 3 ist eine einseitige Aufhängung des Basisteils 10 am Chiprahmen 30 vorgesehen. Die einseitige Aufhängung ermöglicht eine Krafteinleitung in den Chiprahmen 30 in lateraler Richtung. Falls diese die Grenzgüte der Schwingelemente anwendungsabhängig zu stark einschränkt, kann eine zweiseitige Aufhängung des Basis- teils 10 vorgesehen sein, die im Folgenden unter Bezug auf Figur 4 erläutert wird.
Der Drucksensor 100 gemäß Figur 4 ist hinsichtlich der Geometrie, Dimensionen und Materialien im Wesentlichen wie der oben erläuterte Drucksensor aufgebaut. Allerdings ist das Basisteil 10 durch seitli'che Aufhängungsfedern 15, 16 am Chiprahmen 30 befestigt. Die Aufhängungsfedern 15, 16 (Stabfedern) befinden sich an der Seite des Basisteils 10, an dem auch die Schwingerfedern 23 bzw. 24 angebracht sind. Die Aufhängungsfedern 15, 16 erlauben die Bildung von Ausgleichsbewegungen sowohl in z-Richtung -als auch in der x-y-Ebene. Die Aufhängungsfedern 15, 16 besitzen ein Aspektverhältnis von ca. 1:1.
In Figur 5 ist das Ergebnis einer Modalanalyse der Schwingerplatten 21 bzw. 22 illustriert. Es treten ausschließlich Schwingungen in z-Richtung (überhöht dargestellt) auf, so dass sich oszillierend die Breite des Schwingspaltes 23 verändert. Schwingungen in anderen Richtungen werden durch die Aufhängungsfedern 15, 16 des Basisteils 10 gedämpft.
Figur 6 zeigt weitere Einzelheiten erfindungsgemäßer Drucksensoren 100 unter Bezug auf die oben illustrierte erste Ausfüh- rungsform. In den Draufsichten sind der Aufbau aus Basisteil 10 und Schwingelementen 20, die Belüftungseinrichtungen 70 und die Kontakteinrichtungen 80 erkennbar. Wie im rechten Teil von Figur 6 dargestellt, ist der Drucksensor 100 in einem äußeren Führungsrahmen 90 befestigt, der aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. aus Keramik, besteht. Die Anregungsund Detektionselektroden 50 und die Kompensationselektroden 60 sind jeweils mit Bondschichten 53 bzw. 63 verbunden.
Erfindungsgemäße Drucksensoren werden bspw. mit den an sich bekannten Strukturierungs- und Bondtechniken der Silizium- Technologie hergestellt. Ein besonderer Vorteil der ikrome- chanischen Herstellung der Sensoren besteht darin, dass eine Vielzahl von Sensoren gleichzeitig auf einem Wafer herstellbar sind. Es können mehrere Sensoren unter identischen Strukturie- rungsbedingungen hergestellt werden. Es ergeben sich gleichartige Kennlinien und eine hohe Reproduzierbarkeit.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Druckmessung erläutert, die vorzugsweise mit dem oben beschriebenen Drucksensor durchgeführt wird. Das Funktionsprinzip des Drucksensors beruht wie bei allen Gasreibungsvakuummetern auf dem Energieaustrag aus den oszillierenden Massen der Schwingerplatten durch das umgebende Gas . -Je nach dem Druck der Schwingergeometrie und der Gasart wirken im interessierenden Druckbereich von 10"1 Pa bis 104 Pa unterschiedliche Dämpfungsmechanismen. Das Gas zwischen den Schwingerplatten bildet eine molekulare Strömung, einen viskosen Fluss oder einen dazwischen liegenden Übergangszustand. Bei hohen Drucken trifft der Squeeze-Ef ekt auf.
Ein Simulationsergebnis der Amplituden- und Phasenlänge eines erfindungsgemäßen Drucksensors ist in Figur 7 illustriert. Die obere Kurvendarstellung in Figur 7 zeigt die druckabhängigen Verschiebung der Resonanzfrequenz des Drucksensors. Mit steigendem Druck verringert sich die Schwingungsamplitude bei der Resonanzfrequenz. Parallel verschieben sich bei Durchlaufen der Resonanzfrequenz die Schwingungsphasen unter der Wirkung der inneren Reibung und der Kompression im verdünnten Gas.
Die Resonanzfrequenzen der Schwingelemente werden durch Simulation ausgelegt und durch Messungen geprüft. Ausgehend von der Kenntnis des Amplituden- und Phasenganges des Sensorchips übernimmt eine entsprechend angepasste Schaltung die Auswertung der kapazitiv gemessenen Schwingungsamplitude der Schwingelemente . Das erfindungsgemäße Druckmessverfahren basiert darauf, den Drucksensor kontinuierlich bei niedrigen Drucken auf der Resonanzfrequenz mit konstanter Schwingungsamplitude und bei hohen Drucken bei einer festen Bezugsfrequenz (Festfrequenz) unterhalb der durch den Squeeze-Effekt verschobenen Resonanzfrequenz anzuregen. Die Festfrequenz beträgt z. B. 20 kHz. Die Nachregelung erfolgt laufend unter Verwendung eines PLL- Kreises. Für die niedrigen Drucke wird mit der' PLL-Schaltung laufend die druckabhängige Resonanzfrequenz der Schwingelemente gesucht (Maximierung der kapazitiv gemessenen Schwingungsamplitude) . Bei der Resonanzfrequenz erfolgt eine Regelung der Erregerspannung der Schwingelemente (Schwingerplatten) derart, dass die kapazitiv gemessene Schwingungsamplitude einer vorbestimmten konstanten Amplitude entspricht. Die zur Konstanthaltung der Schwingungsamplitude erforderliche Erregerspannung ist das Maß für den zu messenden Druck. Für die höheren Drucke erfolgt keine Nachregelung auf die Resonanzfrequenz, da diese durch den Squeeze-Effekt stark ansteigt. Wiederum ist die zur Konstanthaltung der Schwingungsamplitude bei der Festfrequenz erforderliche Erregerspannung das Maß für den zu messenden Druck. Die kapazitive Messung des Schwingungszustandes der Schwingelemente (Umsetzung der mechanischen Schwingung in eine Spannung) erfolgt durch die Verstärkung des Umladestrom.es der Detektionskapazitäten zwischen den Schwingerplatten einerseits und den Elektrodenschichten 51 bzw. 52 andererseits.
Der Umschaltpunkt zwischen den beiden Regelmethoden liegt z. B. bei 100 Pa und kann über die Plattengröße und die Spaltmaße des Schwingspaltes beeinflusst werden. Der Umschaltpunkt kann bei einem genügend engen Spalt auch eine Druckdekade höher liegen. Allgemein wird der Umschaltpunkt so gewählt, dass die Druckkennlinie linearisiert ist. Die Nachregelung der Amplitude der Erregerspannung erfolgt kontinuierlich, so dass der unterschiedlich dämpfende Einfluss des zu messenden Gasdruckes ausgeglichen wird. Die Amplitude der Erregerspannung stellt daher ein Maß für den zu messenden Druck dar. Anstelle der Erregerspannung kann auch ein anderer Betriebsparameter (z. B. ein Leistungsparameter) der Anregungseinrichtung als Druckmass verwendet werden.
Die Schwingung der Schwingelemente wird elektrostatisch durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an den Schwingelementen relativ zu den Elektrodenschichten 51, 52 angeregt. Die Phasen der beiden Erregerspannungen sind um 180° zueinander verschoben. Die Kraft, die jedem Schwingelement eingeprägt wird, ist, falls wie beim erfindungsgemäßen Schwingungs- Drucksensor die Schwingerplatten mit geringer Amplitude schwingen, so dass die Flächen der Elektroden und der Schwingerplatte nahezu parallel zueinander bleiben, proportional zur Erregerspannung. Besitzt die Erregerspannung eine Frequenz Ω, so ergibt sich für die das einzelne Schwingelement antreibende Kraft die doppelte Frequenz 2Ω. Um die Schwingelemente auf der Resonanzfrequenz fR anzuregen, ist die Frequenz der Erregerspannung auf 0.5 fR einzustellen.
Aus der genannten Proportionalität zwischen eingeprägter Kraft und Amplitude der Erregerspannung (AnregungsSpannung) ergibt sich auch ein frequenzunabhängiger Gleichanteil der Kraft, der die Schwingelemente aus der Nulllage heraus aufeinander zuzieht. Bei hohen Schwingungsamplituden kann es daher zu einem Anhaften der Schwingelemente kommen. Ggf. ist es daher erfindungsgemäß vorgesehen, zusätzlich zu der Erregerspannung an die Elektrodenschichten 51, 52 eine Offsetspannung anzulegen. Die Offsetspannung enthält daher einen Wechselspannungsanteil, der gleichphasig zur Erregerspannung des gegenüberliegenden Schwingelements ist, und einen Gleichanteil, der der Maximalamplitude der Erregerspannung entspricht. Jedes der Schwingelemente wird somit mit einer Erregerspannung u1/2 = +/~ Ur, cos(ωt) und einer Offsetspannung (Kompensationsspannung) uι/2,ofS = uo +/_ uo cos(ωt) beaufschlagt.
Da die Wechselspannungsanteile zwischen dem Schwingelement und der zugehörigen Elektrodenschicht 51 bzw. 52 von gleicher Amplitude, Frequenz und Phase sind, wird jeweils nur der Gleichspannungsanteil wirksam, der auch gleichzeitig zur Generation des Umladestroms durch die sich ändernde Kapazität dient. Der Umladestrom ist proportional zu 2Ωsin(2ωt). Bei Erregerspannungen im Bereich von z. B. 60 mV bis 6 V ergeben sich U lade- ströme in der Größenordnung von 0.1 nA bis 10 nA. Um bei diesen geringen Stromwerten auswertbare Ausgangssignale zu erhalten, erfolgt eine Signalkonditionierung in einer mehrstufigen Verstärkeranordnung mit einem rauscharmen I-U-Wandler am Eingang, der über einen hohen Eingangswiderstand und eine niedrige Eingangskapazität verfügt. Eine derartige Verstärkeranordnung ist als Blockschaltbild in Figur 8 illustriert.
Figur 8 zeigt die Einbindung des Drucksensors 100 mit den Schwingelementen 21, 23 bzw. 22, 24 und den Elektrodenschichten 51 bzw. 52 in die Anregungseinrichtung 200 und die Verstärkerschaltung 300. Die Anregungseinrichtung 200 enthält Spannungsquellen, die entsprechend den oben erläuterten Prinzipien angesteuert werden. Die Verstärkerschaltung 300 umfasst als erste Verstärkerstufe zwei Operationsverstärker 310, 320 und als zweite Verstärkerstufe einen Additionsverstärker 330. Die Operationsverstärker 310, 320 bilden I-U-Wandler, mit denen die Umladeströme, die jeweils an den invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 310, 320 anliegen, mit Hilfe des Rückkoppelwiderstandes jeweils in eine Spannung u = iR sin(2ωt) umgesetzt werden. Die Umladeströme sind gleichphasig zueinander, besitzen aber 90° Phasenverschiebung und die doppelte Frequenz relativ zu der jeweiligen Erregerspannung. Die AusgangsSpannungen der Operationsverstärker 310, 320 werden mit dem Additionsverstärker 330 addiert. Die Verstärkung des Additionsverstärkers ist bspw. im Bereich von 50 bis 60 einstellbar.
Die für die Schwingelemente vorgesehenen Kompensationsspannungen werden über die jeweiligen nicht-invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 310, 330 virtuell auf die Elektrodenschichten 51 bzw. 52 gegeben. Dies ist möglich, da sich die gleichen Potentiale an den invertierenden Eingängen einstellen. Damit wird verhindert, dass die Kompensationsspannungen mit G = 10s mitverstärkt werden, was eine Übersteuerung der Operationsverstärker zur Folge hätte. Die Potentiale der Kompensationsspannungen liegen auch über die Rückkoppelwiderstände an den Ausgängen der I-U-Wandler 310, 330 an. Da sie aber ge- genphasig zueinander und mit gegensinnigem Vorzeichen behaftet sind, löschen sich diese Spannungen am nachfolgenden Summati- onspunkt aus .
Die Sensorkennlinie (Abhängigkeit der Erregerspannung vom gemessenen Druck) wird durch eine definierte Variation eines Messdruckes bei Aufrechterhaltung der Schwingungsamplitude der Schwingelemente erfasst. Eine Sensorkennlinie ist beispielhaft in Figur 9 illustriert. Es zeigt sich die hervorragende Linea- rität zwischen dem logarithmischen Druckverlauf und der zur Einstellung der Resonanzfrequenz erforderlichen Erregerspannung.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für- die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltung von Bedeutung sein.

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensor (100) für ein Gasreibungsvakuummeter mit zwei relativ zueinander beweglichen, schwingfähigen Schwingelementen (20), die federnd an einem Basisteil (10) angebracht sind, wobei zwischen den Schwingelementen (20) ein Schwingspalt (25) gebildet ist, dessen Breite beim Schwingen der Schwingelemente (20) variiert, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schwingelemente (20) durch Schwihgerplatten (21, 22) gebildet werden, die jeweils über Schwingerfedern (23, 24) mit dem Basisteil (10) verbunden sind,
- jede Schwingerplatte (21 bzw. 22) und die zugehörige Schwingerfeder (23 bzw. 24) eine ebene Seitenfläche bildet und die Schwingerplatten (21, 22) so am Basisteil (10) angebracht sind, dass zwischen den aufeinander zuweisenden Seitenflächen der Schwingspalt (25) gebildet wird, und
- die Schwingerplatten (21, 22) in einer Richtung schwingfähig sind, die senkrecht auf den Seitenflächen steht.
2. Drucksensor gemäß Anspruch 1, bei dem ein Chiprahmen (30) vorgesehen ist, der das Basisteil (10) mit den Schwingerplatten (21, 22) umgibt und an dem das Basisteil (10) so befestigt ist, dass die Schwingerplatten (21, 22) in der Mitte des Chiprahmens (30) angeordnet sind.
3. Drucksensor gemäß Anspruch 2, bei dem das Basisteil (10) mit Aufhängungsfedern (13, 14, 15, 16) federnd am Chiprahmen
(30) befestigt ist.
4. Drucksensor gemäß Anspruch 3, bei dem die Aufhängungsfedern (13, 14, 15, 16) für eine mechanische Entkopplung der Schwingerplatten vom Chiprahmen bei der Schwingungsfrequenz der Schwingerplatten ausgelegt sind.
5. Drucksensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die Aufhängungsfedern (13, 14, 15, 16) für eine mechanische Entkopplung des Chiprahmens von den Schwingerplatten bei äußeren Störfrequenzen der Umgebung des Drucksensors ausgelegt sind.
6. Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Aufhängungsfedern (13, 14) Plattenfedern sind, die eine federnde Bewegung des Basisteils senkrecht zur Ebene des Chiprahmens (30) ermöglichen.
7. Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Aufhängungsfedern (15, 16) Stabfedern sind, die eine federnde Bewegung des Basisteils in der Ebene des Chiprahmens (30) und senkrecht zu dieser ermöglichen.
8. Drucksensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, bei dem das Basisteil (10), die Schwingelemente (20), die Schwinger- und Aufhängungsfedern (13, 14, 15, 16, 23, 24) und der Chiprahmen (30) durch zwei spiegelsymmetrische, mindestens am Chiprahmen miteinander verbundene strukturierte Chipebenen gebildet werden.
9. Drucksensor gemäß Anspruch 8, bei dem jede Chipebene aus einem strukturierten Halbleitermaterial oder Quarz besteht.
10. Drucksensor gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem jede Chipebene aus kristallinem Silizium besteht.
11. Drucksensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, bei dem der Chiprahmen (30) zwischen zwei Deckplatten (40) angeordnet ist, die mit dem Chiprahmen (30) ein Gehäuse für das Basisteil (10) , die Schwingelemente (20) und die Schwinger- und Aufhängungsfedern (13, 14, 15, 16, 23, 24) bilden.
12. Drucksensor gemäß Anspruch 11, bei dem die Deckplatten (40) auf der Innenseite des Gehäuses Anregungs- und Detektionselektroden (50) zur elektrostatischen Anregung und zur kapazitiven Detektion von Schwingungen der Schwingerplatten (21, 22) tragen.
13. Drucksensor gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem die Deckplatten (40) auf der Innenseite des Gehäuses Kompensationselektroden (60) tragen, die eine Justiereinrichtung zur Positionierung oder Vorspannung des Basisteils (10) gegenüber dem Chiprahmen (30) bilden.
14. Drucksensor gemäß einem der Anspruch 11 bis 13, bei dem die Deckplatten (40) aus dem selben Material wie die Chipebenen bestehen.
15. Drucksensor gemäß einem der Anspruch 11 bis 14, bei dem die Deckplatten (40) Belüftungseinrichtungen (70) aufweisen, die auf jeder Seite mehrere durchgehende Belüftungslöcher (71, 72, 73, 74) umfassen, über die der Schwingspalt (25) mit einem Messraum in Verbindung steht.
16. Verfahren zum Betrieb eines Schwingungs-Drucksensors mit zwei an einem Basisteil (10) angebrachten Schwingelementen (20), insbesondere eines Drucksensors (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schwingelemente (20) zu symmetrischen, gegenläufigen Schwingungen entlang einer gemeinsamen Schwingungsrichtung angeregt werden, ■ wobei der Schwerpunkt der Schwingelemente (20) im Wesentlichen unverändert bleibt und Drehmomente am Basisteil (10) vermieden werden.
17. Verfahren zur Druckmessung in einem Messraum mit einem Gasreibungsvakuumeter, das mit einem Schwingungs-Drucksensor mit zwei an einem Basisteil (10) angebrachten, einen Schwingspalt (25) bildenden Schwingelementen (20) , insbesondere einem Drucksensors (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ausgestattet ist, wobei die Schwingelemente (20) elektrisch mit einer Anregungseinrichtung zu Schwingungen angeregt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Schwingelemente (20) bei einer bestimmten Arbeitsfrequenz angeregt werden, die vom Druck im Messraum abhängig ist, wobei die Betriebsfrequenz bei niedrigen Drucken unterhalb eines Grenzdruckes der Resonanzfrequenz fR der Schwingelemente
(20) und bei höheren Drucken einer Festfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz fR entspricht, und
- der Druck aus mindestens einem elektrischen Betriebsparameter der Anregungseinrichtung ermittelt wird, der zur Anregung einer vorbestimmten Schwingungsamplitude bei der Betriebsfrequenz erforderlich ist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei der der Grenzdruck so gewählt ist, dass Gas im Schwingspalt (25) unterhalb des Grenzdrucks eine molekulare Strömung und oberhalb des Grenzdrucks einen viskosen Fluss bildet.
19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem der Druck aus der Erregerspannung ermittelt wird, die zur Anregung der vorbestimmten Schwingungsamplitude erforderlich ist.
20. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem ein linearer Zusammenhang zwischen dem Logarithmus des Druckes und der Erregerspannung über mehrere Druckdekaden gegeben ist'.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Schwingelemente (20) mit der Anregungseinrichtung elektrosta- tisch angeregt werden und die Schwingungsamplitude der Schwingelemente (20) kapazitiv gemessen wird.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Einstellung der Betriebsparameter der Anregungseinrichtung in einem PLL-Regelkreis erfolgt, indem der Betriebsparameter laufend so eingestellt wird, dass die Schwingelemente (20) mit der Arbeitsfrequenz schwingen.
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