WO2006072391A1 - Vorrichtung zum messen von dräften, insbesondere drucksensor, und zugehöriges herstellverfahren - Google Patents

Vorrichtung zum messen von dräften, insbesondere drucksensor, und zugehöriges herstellverfahren Download PDF

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WO2006072391A1
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deformation body
deformation
layer
measuring
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PCT/EP2005/013749
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Joachim Morsch
Jens Rabe
Wolfgang Brode
Original Assignee
Hydac Electronic Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
    • 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
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0045—Diaphragm associated with a buried cavity

Definitions

  • Device for measuring forces in particular pressure sensor, and associated manufacturing method
  • the invention relates to a device for measuring forces, in particular a .Drucksensor, and an associated manufacturing method.
  • a deformation body which consists for example of stainless steel or of another substantially elastically deformable material. On the deformation body are in . Thick film technology or thin-film technology strain-sensitive resistors 0, in an area of the. Verrormungs stressess that deforms when pressurized in a predetermined manner.
  • the deformation body is a pressure membrane that separates a high pressure side from a low pressure side and deforms according to the prevailing pressure difference. 5:
  • the measuring elements are applied to a stainless steel substrate, to which Before applying the measuring elements an electrically insulating cover layer must be applied. Subsequently, the. Stainless steel substrate by spot welding on also made of stainless steel. existing deformation body defined. This also requires a high material usage and a complex manufacturing process.
  • the invention is therefore based on the object, a device and an associated H first! I provide methods that the disadvantages of . Overcome the prior art. In particular, devices according to the invention should be inexpensive to produce, to different
  • Force measuring ranges can be easily adapted. and be durable and reliable in operation.
  • such devices should have a high. Long-term stability, good linearity and a low temperature dependence of the measured signals have.
  • the associated manufacturing process should be inexpensive to carry out. , , , , ,
  • the object is in a device for measuring forces, in particular in a pressure sensor / with a deformable as a result of a force, in particular as a result of pressurization deformable deformation body, and with at least one measuring element by means of which deformation of the deformation body is convertible into an electrical measurement signal, wherein the measuring element is arranged on a planar substrate, and wherein the substrate is fixed to the deformation body such that a deformation of the deformation body as a result the application of force also results in a deformation of the substrate, achieved in that the substrate consists of an electrically insulating material, and that the substrate due to its material and / or its shape has a lower flexural rigidity than the deformation body. , ⁇ • .
  • a multiplicity of physical variables can be measured with the device according to the invention, which can be converted into a force.
  • the device according to the invention can be designed as a pressure sensor, both as
  • Absolute pressure sensor as well as differential pressure sensor. Particularly advantageous is the application of the invention for high pressure sensors with a. Nominal pressure range of 100 bar or more, in particular up to, for example, 600 bar.
  • the device according to the invention can also be used, for example, as an acceleration sensor, in which case the deformation element is designed as a spring element clamped on at least one side, which deforms as a result of acceleration due to the inertia of its own mass or of a mass body arranged on the spring element.
  • piezoresistive measuring elements having a high K-factor of, for example, from 2 to 50, in addition to the known strain gauges, can alternatively or additionally be used, in particular piezoresistive resistors made of a polycrystalline material, for example doped polysilicon.
  • piezoelectric measuring elements can also be used or it is possible to apply electrode surfaces which enable a capacitive evaluation of the deformation.
  • the application of the measuring elements is preferably carried out in thin-film or thick film technology. The application can take place over the entire surface or at least unstructured, for example by sputtering or vapor deposition, with subsequent structuring, for example by photolithographic processes and wet-chemical or dry-chemical etching.
  • the measuring elements can also be applied structured / for example by screen printing, stamping, masked cathode sputtering or the like.
  • four measuring elements are in the form of four
  • the measuring elements are preferably in use. applied to the sheet substrate, and it.
  • a variety of substrates can be produced in use on a so-called wafer.
  • the thickness of the substrate is typically between 50 ⁇ m and 500 ⁇ m, in particular between 80 and 300 ⁇ m.
  • the thickness of the deformation body is at least in the region of the measuring element typically in the range of 150 .mu.m to 600 .mu.m, so that there is no significant stiffening of the deformation body by fixing the substrate.
  • the deformation body itself is preferably made of stainless steel, an alloy which is inert to the medium to be measured, ceramics or the like.
  • the substrate is made of an electrically insulating material,. preferably from a so-called Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC), a glass ceramic, a ceramic-glass composite or even a pure glass. These materials advantageously have a low modulus of elasticity and a high breaking strength in comparison to the materials of the usual deformation bodies.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramic
  • the surface of the substrate may be polished, especially if the measuring elements are in Thin-film technology can be applied. If the measuring elements are applied in thick-film technology, unpolished surfaces of the substrate can also be coated, which is advantageous.
  • the substrate is made up of a plurality of layers, the individual layers being present in film-like form prior to sintering and firmly joined together by sintering.
  • a first, preferably inner layer can be the priority. determine mechanical stability of the substrate, whereas a second, preferably outer layer primarily forms a surface with low roughness, so that thin film components such as tracks, resistors or the like can be applied to this surface.
  • the layers are foil-like and flexible in the unsintered state.
  • the first, inner layer preferably consists of a glass ceramic with a high proportion of a relatively coarse-grained filler, for example zirconium dioxide.
  • the proportion of the filler is more than 50 wt.%, In particular between 50 and 80 wt.%.
  • the particle size D50 is more than 1 .mu.m, in particular more than 3 microns.
  • the second, outer layer is made with a finely ground powder having a grain size D50 of less than 1 ⁇ m of ceramic and noncrystallizing glasses. This results in sintering an outer layer with a nearly pore-free fine-grained structure with a very low surface roughness.
  • layer structures having a plurality of first, inner layers for example a layer structure with a stacking ratio of the outer to inner layers of 2: 2 to 2: 6, ie two second, outer layers and two to six first, inner layers, are particularly advantageous.
  • the thermal expansion coefficient of the substrate is adapted to the expansion coefficient of the deformation body. So the difference is the thermal. Expansion coefficients of substrate and deformation body in the temperature range of interest usually less than 5 pp . m / K, preferably less than 3 ppm / K, and in any case in a restricted temperature range up to less than 1 ppm / K. This avoids that due to temperature fluctuations deformations occur which lead to an output signal of the measuring element and thus of the Drucksensbrs, although no corresponding pressure change is to be detected. ,
  • connection between the substrate and the deformation body is preferably at least partially planar.
  • materials for the deformation body and the substrate are in principle also considered compounds that do not require a separate bonding layer, such as eutectic bonding to form eutectics, or the so-called anodic bonding with appropriate technical glasses.
  • a separate bonding layer for example, an adhesive layer, such as an epoxy adhesive or a polyimide adhesive, a Metalllot or a Glass solder can be used.
  • the bonding layers can be applied to the substrate or the deformation body on one or two sides.
  • the application of the bonding layer can already be structured, for example by screen printing or by stamping an adhesive paste or a glass solder paste.
  • the compound layer can also be applied over the entire surface and then patterned.
  • all methods known from the thick-film technology and thin-film technology including photolithographic patterning and the use of wet etching techniques and dry etching techniques for patterning, may be considered.
  • the arrangement of deformation body and substrate has a cavity, preferably in the region of the measuring element.
  • This cavity can be formed by the structure of the connection layer, by a structuring of the substrate and / or by a structuring of the deformation body.
  • the cavity Through, the cavity, the mechanical stresses and strains in the areas of the substrate can be concentrated or strengthened, in which the measuring elements are arranged. This results in an increased linearity of the output signal of the device, and thereby the measuring sensitivity of the device can be increased for a given permissible non-linearity.
  • the substrate is fixed to the deformation element with a mechanical bias so that a significant output signal is obtained even in the unloaded state of the device results.
  • the bias is at least partially compensated or the output signal is smaller. This is advantageous because in the case of overloading the device results in increased overload safety.
  • Such a bias can also be brought about, for example, by temporarily introducing spacer means or spacers into the regions of the cavities between the substrate and the connecting body, for example in the form of polymeric layers which are in accordance with US Pat . Fixing the substrate can be removed, for example by appropriate wet chemical or dry chemical process.
  • the invention also relates to a method for producing a device for measuring forces, wherein the deformation element and the substrate with the measuring elements are produced separately from one another.
  • the substrate belonging to a device with the measuring elements is separated after its production process, which preferably takes place in use, and then fixed to a deformation element, as already described above.
  • the connection between substrate and deformation body can also be made over the entire surface, so that the substrate with the measuring elements forms a kind of coating of the deformation body.
  • the arrangement of the substrate on the deformation body takes place as a rule on the side facing away from the medium to be measured of the deformation body.
  • the electrical contacting of the measuring elements is simplified.
  • Fig. 1 shows a cross section through a first embodiment of the
  • Fig. 2 shows a cross section through a second embodiment of
  • Fig. 3 shows a cross section through a third embodiment of the
  • Fig. 5 shows a cross section through a fifth embodiment of
  • FIG. 6 shows a plan view of a substrate according to the invention
  • FIG. 7 shows the multilayer structure of a substrate according to the invention.
  • Fig. 1 shows a cross section through a first embodiment of the invention.
  • This is a pressure sensor 1 according to the invention with a deformation body 2 and a substrate 6 fixed thereto, on which two measuring elements 4a, 4b are arranged.
  • the Deformation body 2 is made of stainless steel, in particular of a cylindrical body having a blind hole on the side facing the medium to be measured. This results in a circumferential edge region 2 a of the deformation body 2, which has a greater rigidity against deflection compared to the membrane region 2 b therebetween.
  • the thickness of the deformation body 2 is for example in the membrane region 2b between 150 .mu.m and 600 .mu.m, whereas the thickness in the edge region 2a may increase and may be more than 1000 .mu.m, in particular between 2 and 10 mm. • •;
  • the substrate 6 is fixed on the deformation body 2, in the embodiment illustrated by means of a metal solder layer as the bonding layer 8, which is applied over the whole area to the rear side of the substrate 6 which is substantially rectangular in plan view (see FIG. 6), for example by sputtering, evaporation or the like. If necessary or expedient, a corresponding metal solder layer can also be applied to the deformation body 2.
  • the thickness of the metal solder layer 8 is significantly smaller than the thickness of the membrane region 2b and is for example 50 ⁇ m.
  • the substrate 6 is about 250 microns thick and consists of a so-called low temperature cofired ceramic (LTCC) or a glass ceramic or a glass with comparable properties. Overall, the flexural rigidity of the membrane region 2b is not significantly increased by the metal solder layer 8 and the substrate 6. The deformation of the diaphragm portion 2b due to pressurization is transmitted to the substrate 6 through the fixed connection.
  • LTCC low temperature cofired ceramic
  • the measuring elements 4a, 4b are deposited on the substrate 6 by vapor deposition and subsequent evaporation Structuring applied. These are two resistors, which are designed as strain gauges. In the case of pressurization in the direction of the arrow 10, the diaphragm region 2b and thus the substrate 6 also bulges upward in the associated region and the first measuring element 4a disposed close to the edge essentially experiences compressive stresses, whereas the second measuring element 4b disposed near the center undergoes essentially tensile stresses. If the two measuring elements 4a, 4b connected to form a half-bridge, an electrical potential can be removed at the connection point, which is dependent on the applied pressure.
  • the expansion coefficient of the substrate 6 is adapted to the expansion coefficient of the deformation body 2 a.
  • the adjustment can be made in particular by selecting the exact. Material composition for the substrate 6 are ensured.
  • LTCC ceramic In the case of an LTCC ceramic, this can be done, for example, by selecting the ceramic materials and / or the glass components. In particular, by the admixture of glass components with a relatively low glass transition temperature of ceramic materials basically low thermal
  • Expansion coefficient can be increased and adapted to the relatively large thermal expansion coefficient of the metallic deformation body 2.
  • a material for the deformation body 2 instead of stainless steel and titanium, a ceramic or the like may be used, in which case the material of the substrate 6 is selected so that there are small differences in the coefficient of thermal expansion.
  • the adjustment is at least for the Temperature range brought about in which the pressure sensor 1 is to be used. , , , , ,
  • connection layer 8 is formed by an adhesive which is curable at relatively low temperatures, for example by an epoxy adhesive or a polyimide adhesive. It is advantageous if the material of the substrate 6 and / or the connecting layer 8 is a particular. compared to the material of the deformation body 2 has low modulus of elasticity.
  • Fig. 2 shows a cross section through a secondticiansbefspiel the invention.
  • the pressure sensor 101 in turn has a
  • Deformation body 102 made of stainless steel.
  • the bonding layer 108 is applied over the entire surface of the deformation body 102, for example by spin-on of an adhesive or a glass solder, or by dip coating with a metallic brazing or soft solder.
  • the substrate 106 is patterned on the surface facing the deformation body 102 in such a way that first regions 106a with a relatively large layer thickness result and second regions 106b with a reduced layer thickness.
  • the measuring elements 104a, 104b are arranged in the second regions 106b, with the deformations introduced by the deformation element 102 into the substrate 106 being concentrated in the second regions 106b. In addition, this ensures a further decoupling of deformations, which only by Temperature changes and induced due to a difference in the thermal expansion coefficient.
  • cavities 112 are formed, which, however, are open on at least one side, in particular toward the space surrounding the substrate 106 on its side facing away from the deformation body 102. are open.
  • a connection point 106c In the region between the two cavities 1 12a, 112b is a connection point 106c, to which the substrate 106 is additionally connected to the deformation body 102.
  • the deformation body 102 may also be structured at the corresponding locations, in particular have depressions at the corresponding locations.
  • Fig. 3 shows a cross section through a third embodiment of the invention.
  • the pressure sensor 201 has a deformation body 202, which, however, now consists, for example, of an aluminum oxide ceramic.
  • a glass solder layer is applied over the entire surface as a bonding layer 208, for example by a spin-on method.
  • the glass solder layer was patterned, for example using photolithographic techniques with subsequent etching of the glass solder.
  • the substrate 206 is placed on the deformation bodies 202 prepared in this way, the assembly is heated above the glass transition temperature of the glass solder and then cooled again, resulting in a mechanically strong and, if necessary, gas-tight connection between the deformation body 202 and the substrate 206.
  • the structure of the connection layer 208 results in the cavities 212a, 212b.
  • the measuring elements 204a, 204b are arranged on the substrate 206, specifically on the surface facing the deformation element 202.
  • the electrical contacting of the measuring elements 204a, 204b can take place in an edge region of the substrate 106 projecting beyond the deformation element 202, for example by means of a connection element 214 arranged on the substrate 206.
  • the measuring elements 204a, 204b are effective against mechanical damage and / or or protected against dirt and moisture precipitation.
  • the connection between the measuring elements 204a, 204b takes place by conductor tracks which are likewise applied to the substrate 206 in thick-film technology or thin-film technology.
  • signal processing can also take place by means of an integrated circuit, which can be arranged on the substrate 206.
  • Fig. 4 shows a cross section through a fourth embodiment of the invention.
  • the substrate 306 is in turn structured on the surface facing the deformation body 302, so that in the fixed state, the cavities 312a, 312b are formed.
  • the connection layer 308 is only selectively provided in this embodiment.
  • spacers 316a, 316b a soluble polymer, which can be applied to the deformation body 302 and / or the substrate 306 also in thick-film or thin-film technique beyond. After bonding substrate 306 and deformation body 302, such spacers 316a, 316b may, for example, be washed out with solvents or ashed in an oxidizing atmosphere.
  • the regions of the substrate 306 in which the sensing elements 304a, 304b are located bulge and the sensing elements provide a corresponding output signal.
  • this curvature is compensated until, for example, when the nominal pressure is applied, the substrate 306 is also flat in the area of the measuring elements 304a, 304b. This can ensure that in the working range of the pressure sensor 301, only the range of compressive stress is traversed to stress-free, in the overload range are thus given expansion reserves.
  • Fig. 5 shows a cross section through a fifth embodiment of the invention.
  • the substrate 406 is connected to the deformation body 402 only by locating the connection layer 408 in a point-wise manner.
  • a force can be exerted on the substrate 406 in the direction of the arrows 418, so that a bulge of the region in which the measuring elements 404a, 404b are arranged, in the direction of the deformation body 402, which also after the bonding layer 408 solidifies is frozen.
  • a bias voltage which is compensated when pressurized in the direction of arrow 410. Again, this results in a strain reserve in the overload range.
  • FIG. 6 shows a plan view of a substrate 506, as it can be used for all the aforementioned embodiments.
  • the total of four measuring elements 504a, 504b, 504c, 504d are connected to form a bridge, wherein the common electrode of the first measuring element 504a and the third measuring element 504c is guided to the positive voltage supply terminal electrode 520a arranged in a first corner of the substrate 506 , Similarly, the common electrode of the second sensing element 504b and the fourth sensing element 504d is to the negative electrode terminal electrode 520b disposed in a second corner of the substrate 506
  • the measurement voltage can be tapped between the common electrode of the first sensing element 504a and the second sensing element 504b, which leads to the terminal electrode 522a disposed in a third corner of the substrate 506, and the common electrode of the third sensing element 504c and the fourth sensing element 504d is guided to the arranged in a fourth corner of the substrate 506 terminal electrode 522 b.
  • the substrate 506 is substantially rectangular in shape and may advantageously be fabricated on a circular or rectangular wafer in large numbers, or in other words "in use.” Typical dimensions for the length and width are fractions of a mm to a few mm, the thickness of the substrate is typically less than one mm.
  • FIG. 7 shows the multilayer structure of a substrate 6 according to the invention.
  • a first, inner layer 6i is covered on both sides by a second, outer layer 6a.
  • the first, inner layer is made of a glass ceramic with a Weight fraction between 50 and 80% of coarse filler particles 24 formed from zirconium dioxide whose particle size D50 is more than 3 microns.
  • the two second, outer layers 6a are in. formed substantially identical and have fine filler particles 26 made of ceramic and non-crystallizing glasses whose particle size D50 is less than 1 micron.
  • the thickness of the inner and outer layers 6i, 6a is respectively. about 100 ⁇ m.
  • the mechanical properties of the substrate 6 are essentially determined by the first, inner layer 6i, by the coarse filler particles 24, and ensure a high breaking strength of the substrate 6.
  • the second, outer layers 6a ensure, above all, a smooth surface of the substrate 6 to which components such as printed conductors, resistors or the like can be applied in thin-film technology.
  • the stack ratio of outer to inner layers 6a, 6i in the illustrated embodiment is 2: 1.
  • Stack ratios between 2: 2 and 2: 6 are particularly advantageous, in which case up to six first inner layers 6i are arranged one above the other, and the substrate 6 has a second, outer layer 6a only on the outer side.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor (1), mit einem infolge einer Kraftbeaufschlagung, insbesondere infolge einer Druckbeaufschlagung, verformbaren Verformungskörper (2), und mit mindestens einem Messelement (4a, 4b), mittels dem eine Verformung des Verformungskörpers (2) in ein elektrisches Messsignal wandelbar ist, wobei das Messelement (4a, 4b) auf einem flächigen Substrat (6) angeordnet ist, und wobei das Substrat (6) an dem Verformungskörper (2) derart festgelegt ist, dass eine Verformung des Verformungskörpers (2) infolge der Kraftbeaufschlagung auch eine Verformung des Substrats (6) zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, und dass das Substrat (6) aufgrund seines Werkstoffes und/oder seiner Form eine geringere Biegesteifigkeit als der Verformungskörper (2) aufweist, sowie ein zugehöriges Herstellverfahren.

Description

Hydac Electronic GmbH Hauptstraße 27, 66128 Saarbrücken
Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor, und zugehöriges Herstellverfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere einen .Drucksensor, und ein zugehöriges Herstellverfahren.
5.
Bei den bekannten Drucksensoren wird ein Verformungskörper eingesetzt, der beispielsweise aus Edelstahl oder aus einem anderen im Wesentlichen elastisch verformbaren Werkstoff besteht. Auf dem Verformungskörper sind in .Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik dehnungsempfindliche 0 Widerstände aufgebrächt, und zwar in einem Bereich des . verrormungskörpers, der sich bei Druckbeaufschlagung in vorbestimmter Weise verformt. Der Verformungskörper ist eine Druckmembran, die eine Hochdruckseite von einer Niederdruckseite trennt und sich entsprechend der herrschenden Druckdifferenz verformt. 5:
Bei den bekannten Vorrichtungen ist es erforderlich, dass der gesamte Verformungskörper den Bearbeitungsschritten der Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik zur Herstellung der Messelemente unterzogen wird. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Herstellung derartiger 0 Vorrichtungen. In einer Weiterentwicklung der bekannten Vorrichtungen werden die Messelemente auf einem Edelstahisubstrat aufgebracht, auf das vor dem Aufbringen der Messelemente eine elektrisch isolierende Abdeckschicht aufgebracht werden muss. Anschließend wird das . Edelstahlsubstrat durch Punktschweißen an dem ebenfalls aus Edelstahl . bestehenden Verformungskörper festgelegt. Auch dies bedingt einen hohen Materialeinsatz und ein aufwendiges Herstellverfahren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein zugehöriges H erste! I verfahren bereitzustellen, welche die Nachteile des. Standes der Technik überwinden. Insbesondere.sollen erfindungsgemäße Vorrichtungen kostengünstig herstellbar sein, an verschiedene
Kraftmessbereiche einfach anpassbar sein. und dauerhaft und zuverlässig im Betrieb sein. Vorzugsweise sollen derartige Vorrichtungen eine hohe . Langzeitstabilität, gute Linearität und eine geringe Temperaturabhängigkeit der Messsignale aufweisen. Das zugehörige Herstellverfahren soll kostengünstig durchführbar sein. . . . .
Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 bestimmte Vorrichtung sowie durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Verfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
Die Aufgabe ist bei einer Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere bei einem Drucksensor/mit einem infolge einer Kraftbeaufschlagung, insbesondere infolge einer Druckbeaufschlagung, verformbaren Verformungskörper, und mit mindestens einem Messelement, mittels dem eine Verformung des Verformungskörpers in ein elektrisches Messsignal wandelbar ist, wobei das Messelement auf einem flächigen Substrat angeordnet ist, und wobei das Substrat an dem Verformungskörper derart festgelegt ist, dass eine Verformung des Verformungskörpers infolge der Kraftbeaufschlagung auch eine Verformung des Substrats zur Folge hat, dadurch gelöst, dass das Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, und dass das Substrat aufgrund seines Werkstoffes und/oder seiner Form eine geringere Biegesteifigkeit als der Verformungskörper aufweist. . ■ • .
Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vielzahl von physikalischen Größen gemessen werden, die sich in eine Kraft umwandeln lassen. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Drucksensor ausgebildet sein, und zwar sowohl als
Absolutdrucksensor als auch als Differenzdrucksensor. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung für Hochdrucksensoren mit einem . Nenndruckbereich von 100 bar oder mehr, insbesondere bis beispielsweise 600 bar. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise auch als Beschleunigungssensor einsetzbar, wobei in diesem Fall der Verformungskörper als mindestens einseitig eingespanntes Federelement ausgebildet ist, das sich infolge einer Beschleunigung durch die Trägheit der eigenen Masse oder eines an dem Federelement angeordneten Massenkörpers verformt.
Als Messelemente können neben den bekannten Dehnungsmessstreifen alternativ oder ergänzend auch piezoresistive Messelemente mit einem hohen K-Faktor von beispielsweise von 2 bis 50 eingesetzt werden, insbesondere piezoresistive Widerstände aus einem polykristallinen Material, beispielsweise dotiertem Polysilicium. Weiterhin können auch piezoelektrische Messelemente eingesetzt werden oder es können Elektrodenflächen aufgebracht werden, die eine kapazitive Auswertung der Verformung ermöglichen. Das Aufbringen der Messelemente erfolgt vorzugsweise in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik. Das Aufbringen kann ganzflächig oder jedenfalls unstrukturiert erfolgen, beispielsweise durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen, mit anschließender Strukturierung, beispielsweise durch photolitographisohe Prozesse und nasschemische oder trockenchemische Ätzung. Alternativ hierzu können die Messelemente auch strukturiert aufgebracht werden/beispielsweise durch Siebdruck, Aufstempeln, maskierte Kathodenzerstäubung oder dergleichen.
Vorzugsweise werden vier Messelemente in Form von vier
Messwiderständen zu einer Vollbrücke verschaltet. Die Messelemente sind vorzugsweise im Nutzen. auf dem flächigen Substrat aufgebracht, und es . können eine Vielzahl von Substraten im Nutzen auf einem so genannten Wafer hergestellt werden. Die Dicke des Substrats beträgt typisch zwischen 50 μm und 500 μm, insbesondere zwischen 80 und 300 μm. Die Dicke des Verformungskörpers beträgt jedenfalls im Bereich des Messelements typisch im Bereich von 150 μm bis 600 μm, sodass sich durch das Festlegen des Substrats keine wesentliche Versteifung des Verform ungskörpers ergibt. Der Verformungskörper selbst besteht vorzugsweise aus Edelstahl, einer gegenüber dem zu messenden Medium inerten Legierung, Keramik oder dergleichen.
Das Substrat besteht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, . vorzugsweise aus einer so genannten Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC), einer Glaskeramik, einem Keramik-Glas Komposit oder auch aus einem reinen Glas. Diese Werkstoffe besitzen im Vergleich zu den Werkstoffen der üblichen Verformungskörper vorteilhaft einen geringen Elastizitätsmodul und eine hohe Bruchfestigkeit. Die Oberfläche des Substrats kann poliert sein, insbesondere wenn die Messelemente in Dünnschichttechnik aufgebracht werden. Wenn die Messelement in Dickschichttechnik aufgebracht werden, können auch unpolierte Oberflächen des Substrats beschichtet werden, was vorteilhaft ist.
In einer besonderen Ausführungsart ist das Substrat aus mehreren Schichten aufgebaut, wobei die einzelnen Schichten vor dem Sintern folienartig vorliegen und durch das Sintern fest miteinander verbunden werden. Eine erste, vorzugsweise innere Schicht kann dabei vorrangig die. mechanische Stabilität des Substrats bestimmen, wogegen eine zweite, vorzugsweise äußere Schicht vorrangig eine Oberfläche mit geringer Rauigkeit ausbildet, so dass auf diese Oberfläche Dünnfilmbauelemente wie Leiterbahnen, Widerstände oder dergleichen aufgebracht werden können. Die Schichten sind im ungesinterten Zustand folienartig und biegsam.
Die erste, innere Schicht besteht vorzugsweise aus einer Glaskeramik mit einem hohen Anteil eines verhältnismäßig grobkörnigen Füllstoffs, beispielsweise Zirkondioxyd. Der Anteil des Füllstoffes beträgt mehr als 50 Gew. %, insbesondere zwischen 50 und 80 Gew. %. Die Korngröße D50 beträgt mehr als 1 μm, insbesondere mehr als 3 μm. Die zweite, äußere Schicht wird dagegen mit einem feingemahlenen Pulver mit einer Korngröße D50 von weniger als 1 μm aus Keramik und nichtkristallisierenden Gläsern hergestellt. Dadurch ergibt sich beim Sintern eine äußere Schicht mit einem nahezu porenfreien feinkörnigen Gefüge mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit.
Besonders günstig sind Schichtaufbauten mit mindestens einer ersten, inneren Schicht, und außenseitig mit mindestens einer zweiten Schicht, vorzugsweise auf beide Außenseiten des Substrats mit mindestens einer zweiten Schicht. Günstig sind insbesondere solche Schichtaufbauten mit mehreren ersten, inneren Schichten, beispielsweise ein Schichtaufbau mit einem Stapelverhältnis der äußeren zu inneren Schichten von 2:2 bis 2:6, d.h. zwei zweite, äußere Schichten und zwei bis sechs erste, innere Schichten.
In einer besonderen Ausführungsart ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats an den Ausdehnungskoeffizienten des Verformungskörpers angepasst. So beträgt die Differenz der thermischen . Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Verformungskörper im interessierenden Temperaturbereich in der Regel weniger als 5 pp.m/K, vorzugsweise weniger als 3 ppm/K, und jedenfalls in einem eingeschränkten Temperaturbereich bis zu weniger als 1 ppm/K. Dadurch ist vermieden, dass aufgrund von Temperaturschwankungen Verformungen auftreten, die zu einem Ausgangssignal des Messelements und damit des Drucksensbrs führen, obgleich keine entsprechende Druckänderung zu detektieren ist. .
Die Verbindung zwischen Substrat und Verformungskörper erfolgt vorzugsweise jedenfalls abschnittsweise flächig. In Abhängigkeit der Werkstoffe für den Verformungskörper und das Substrat kommen grundsätzlich auch Verbindungen in Betracht, die keine separate Verbindungsschicht erfordern, wie beispielsweise das eutektische Bonden unter Bildung von Eutektika, oder das so genannte anodische Bonden mit geeigneten technischen Gläsern. Insbesondere bei der Verwendung von Keramiken, die nicht speziell oberflächenbehandelt sind, ist die Verwendung einer separaten Verbindungsschicht allerdings vorteilhaft. Als separate Verbindungsschicht kann beispielsweise eine Klebstoffschicht, etwa ein Epoxidklebstoff oder ein Polyimidklebstoff, ein Metalllot oder ein Glaslot verwendet werden. Die Verbindungsschichten können einseitig oder zweiseitig auf das Substrat bzw. den Verformungskörper aufgebracht werden. Das Aufbringen der Verbindungsschicht kann bereits strukturiert erfolgen, beispielsweise durch Siebdruck oder durch Aufstempeln einer Klebstoffpaste oder einer Glaslotpaste. Die Verbindungsschicht kann auch ganzflächig aufgebracht werden und anschließend strukturiert werden. Grundsätzlich kommen hierfür alle aus der Dickschichttechnik und Dünnschichttechnik bekannten Verfahren in Betracht, einschließlich einer photolitographischen Strukturierung und Verwendung von Nassätztechniken und Trockenätztechniken zum Strukturieren.
In einer besonderen Ausführungsart weist die Anordnung aus Verformungskörper und Substrat einen Hohlraum auf, vorzugsweise im Bereich des Messelements. Dieser Hohlraum kann durch die Struktur der Verbindungsschicht, durch eine Strukturierung des Substrats und/oder durch eine Strukturierung des Verformungskörpers gebildet sein. Durch, den Hohlraum können die mechanischen Spannungen und Dehnungen in den Bereichen des Substrates konzentriert bzw. verstärkt werden, in denen die Messelemente angeordnet sind. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Linearität des Ausgangssignals der Vorrichtung, und dadurch kann bei gegebener zulässiger Nichtlinearität die Messempfindlichkeit der Vorrichtung erhöht werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mindestens zwischen einigen der auf dem Substrat befindlichen Messelemente, die im Bereich eines Hohlraums angeordnet sind, eine Verbindungsstelle zwischen Substrat und Verbindungskörper existiert.
In einer besonderen Ausführungsart ist das Substrat mit einer mechanischen Vorspannung an dem Verformungskörper festgelegt, sodass sich bereits im unbelasteten Zustand der Vorrichtung ein signifikantes Ausgangssignal ergibt. Bei anschließender Kraftbeaufschlagung wird die Vorspannung mindestens teilweise kompensiert bzw. das Ausgangssignal wird kleiner. Dies ist vorteilhaft, weil sich im Fall der Überbelastung der Vorrichtung eine erhöhte Überlastsicherheit ergibt.
Eine solche Vorspannung kann beispielsweise auch dadurch herbeigeführt werden, dass iri den Bereichen der Hohlräume zwischen dem Substrat und dem Verbindungskörper temporär Abstandsmittel oder Distanzkörper - eingebracht werden, beispielsweise in Form von polymeren Schichten, die nach dem. Festlegen des Substrats entfernt werden können, beispielsweise durch entsprechende nasschemische oder trockenchemische Verfahren.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Messen von Kräften, wobei der Verformungskörper und das Substrat mit den Messelementen getrennt voneinander hergestellt werden. Das zu einer Vorrichtung gehörende Substrat mit den .Messelementen wird nach dessen Herstellungsprozess, der vorzugsweise im Nutzen erfolgt, vereinzelt und anschließend an einem Verformungskörper festgelegt, wie bereits vorstehend beschrieben. Die Verbindung zwischen Substrat und Verformungskörper kann auch ganzflächig erfolgen, sodass das Substrat mit den Messelementen eine Art Beschichtung des Verformungskörpers bildet.
Die Anordnung des Substrats an dem Verformungskörper erfolgt dabei in der Regel auf der dem zu messenden Medium abgewandten Seite des Verformungskörpers. In vielen Anwendungsfällen wird es möglich sein, das Substrat derart an dem Verformungskörper festzulegen, dass die Seite mit den Messelementen von dem Verformungskörper weg weist. Dadurch ist insbesondere die elektrische Kontaktierung der Messelemente vereinfacht. Es gibt aber auch Anwendungsfälle, in denen es besonders vorteilhaft ist, wenn das Substrat mit seiner die Messelemente aufweisenden Oberfläche dem Verformungskörper zugewandt ist, um beispielsweise eine mechanische Beschädigung oder eine Verunreinigung der Messelemente zu verhindern.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung, Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Substrat, und Fig. 7 den Mehrschichtaufbau eines erfindungsgemäßen Substrats.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei handelt es sich um einen erfindungsgemäßen Drucksensor 1 mit einem Verformungskörper 2 und einem daran festgelegten Substrat 6, auf dem zwei Messelemente 4a, 4b angeordnet sind. Der Verformungskörper 2 ist aus Edelstahl hergestellt, insbesondere aus einem zylindrischen Körper, der auf der dem zu messenden Medium zugewandten Seite eine Sacklochbohrung aufweist. Dadurch ergibt sich ein umlaufender Randbereich 2a der Verformungskörpers 2, der gegenüber dem dazwischen liegenden Membranbereich 2b eine größere Steifigkeit gegen Durchbiegung aufweist. Die Dicke des Verformungskörpers 2. beträgt beispielsweise im Membranbereich 2b zwischen 150 μm und 600 μm, wogegen die Dicke im Randbereich 2a zunehmen kann und mehr als 1000 μm betragen kann, insbesondere auch zwischen zwei und zehn mm betragen kann. • • ;
Auf der planen Stirnseite ist auf dem Verformungskörper 2 das Substrat 6 festgelegt, im dargestellten Ausführungsbeisp.iel mittels einer Metalllotschicht als Verbindungsschicht 8, die ganzflächig auf die Rückseite des in der Draufsicht (siehe Fig. 6) im Wesentlichen rechtwinkligen Substrats 6 aufgebracht ist, beispielsweise durch Aufsputtem, Aufdampfen oder dergleichen. Soweit erforderlich oder zweckdienlich, kann auch auf den Verformungskörper 2 eine entsprechende Metalllotschicht aufgebracht sein. Die Dicke der Metalllotschicht 8 ist deutlich geringer als die Dicke des Membranbereichs 2b und beträgt beispielsweise 50 μm. Das Substrat 6 ist etwa 250 μm dick und besteht aus einer so genannten Low Temperatur Cofired Ceramic (LTCC) oder aus einer Glaskeramik oder einem Glas mit vergleichbaren Eigenschaften. Insgesamt wird die Biegesteifigkeit des Membranbereichs 2b durch die Metalllotschicht 8 und das Substrat 6 nicht signifikant erhöht. Die infolge einer Druckbeaufschlagung auftretende Verformung des Membranbereichs 2b wird durch die feste Verbindung auf das Substrat 6 übertragen.
Auf der dem Verformungskörper 2 abgewandten Oberfläche sind auf das Substrat 6 die Messelemente 4a, 4b durch Aufdampfen und anschließendes Strukturieren aufgebracht. Es handelt sich dabei um zwei Widerstände, die als Dehnungsmessstreifen ausgebildet sind. Im Falle einer Druckbeaufschlagung in Richtung des Pfeils 10 wölbt sich der Membranbereich 2b und damit im zugehörigen Bereich auch das Substrat 6 nach oben durch und das randnah angeordnete erste Messelement 4a erfährt im Wesentlichen Druckspannungen, wogegen das zentrumsnah angeordnete zweite Messelement 4b im Wesentlichen Zugspannungen erfährt. Werden die beiden Messelemente 4a, 4b zu einer Halbbrücke verschaltet, kann an der Verbindungsstelle eine elektrisches Potential abgenommen werden, das abhängig ist von dem beaufschlagten Druck.
Der Ausdehnungskoeffizient des Substrats 6 ist an den Ausdehnungskoeffizienten des Verformungskörpers 2 aηgepasst. Die Anpassung kann insbesondere durch Auswahl der genauen . Werkstoffzusammensetzung für das Substrat 6 gewährleistet werden.
Im Falle einer LTCC-Keramik kann dies beispielsweise durch Auswahl der keramischen Werkstoffe und/oder der Glaskomponenten erfolgen. Insbesondere durch die Zumischung von Glaskomponenten mit einer verhältnismäßig geringen Glasübergangstemperatur kann der bei keramischen Werkstoffen grundsätzlich geringe thermische
Ausdehnungskoeffizient erhöht werden und an den relativ großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Verformungskörpers 2 angepasst werden. Als Werkstoff für den Verformungskörper 2 kann anstelle von Edelstahl auch Titan, eine Keramik oder dergleichen verwendet werden, wobei auch dann der Werkstoff des Substrats 6 so gewählt wird, dass sich geringe Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben. Soweit der thermische Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Werkstoffe selbst von der Temperatur abhängig ist, wird die Anpassung jedenfalls für den Temperaturbereich herbeigeführt, in dem der Drucksensor 1 eingesetzt werden soll. . . . . .
Wesentlich in diesem Zusammenhang ist auch noch eine möglichst geringe Temperatur beim Herstellen der Verbindung zwischen dem Substrat 6 und dem Verformungskörper 2. Hier kann es vorteilhaft sein, wenn die Verbindungsschicht 8 durch einen bei vergleichsweise geringen Temperaturen aushärtbaren Klebstoff gebildet ist, beispielsweise durch einen Epόxidklebstoff oder einen Polyimidklebstoff. Vorteilhaft ist, wenn der Werkstoff des Substrats 6 und/oder der Verbindungsschicht 8 einen insbesondere. im Vergleich zum Werkstoff des Verformungskörpers 2 geringen Elastizitätsmodul aufweist.
Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbefspiel der Erfindung. Der Drucksensor 101 weist wiederum einen
Verformungskörper 102 aus Edelstahl auf. Auf der dem Substrat 106 zugewandten, beispielsweise kreisrunden Stirnfläche ist auf den Verformungskörper 102 ganzflächig die Verbindungsschicht 108 aufgebracht, beispielsweise durch Aufschleudern (spin-on) eines Klebstoffes oder eines Glaslotes, oder durch Tauchbeschichten mit einem metallischen Hartlot oder Weichlot. Das Substrat 106 ist auf der dem Verformungskörper 102 zugewandten Fläche strukturiert in der Art, dass sich erste Bereiche 106a mit verhältnismäßig großer Schichtdicke ergeben und zweite Bereiche 106b mit reduzierter Schichtdicke. In den zweiten Bereichen 106b sind die Messelemente 104a, 104b angeordnet, wobei sich in den zweiten Bereichen 106b die vom Verformungskörper 102 in das Substrat 106 eingeleiteten Verformungen konzentrieren. Darüber hinaus ist dadurch eine weitere Entkopplung von Verformungen gewährleistet, die nur durch Temperaturänderungen und aufgrund eines Unterschiedes der thermischen Ausdehnungskoeffizienten induziert werden.
Zwischen den zweiten Bereichen 106b und dem Verformungskörper 102 . sind Hohlräume 112 gebildet, die allerdings auf mindestens einer Seite offen sind, insbesondere zu dem das Substrat 106 auf dessen vom Verformungskörper 102 abgewandten Seite umgebenden Raum hin. offen sind. Im Bereich zwischen den beiden Hohlräumen 1 12a, 112b ist eine Verbindungsstelle 106c, an der das Substrat 106 zusätzlich mit dem Verformungskörper 102 verbunden ist. In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels kann alternativ oder ergänzend zu der die Hohlräume 112a, 112b bi Idenden Strukturierung des Substrats 106 auch der Verformungskörper 102 an den entsprechenden Stellen strukturiert sein, insbesondere an den entsprechenden Stellen Vertiefungen aufweisen.
Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum weist der Drucksensor 201 einen Verformungskörper 202 auf, der nun allerdings beispielsweise aus einer Aluminiumoxydkeramik besteht. Auf die dem Substrat 206 zugewandte Stirnfläche des Verformungskörpers 202 ist zunächst ganzflächig eine Glaslotschicht als Verbindungsschicht 208 aufgebracht, beispielsweise durch ein Aufschleuderverfahren. Anschließend wurde die Glaslotschicht strukturiert, beispielsweise unter Einsatz von photolitographischen Techniken mit anschließendem Ätzen des Glaslotes. Auf die so vorbereiteten Verformungskörper 202 wird das Substrat 206 aufgelegt, die Anordnung über die Glasübergangstemperatur des Glaslotes erwärmt und anschließend wieder abgekühlt, sodass sich eine mechanisch feste und erforderlichenfalls auch gasdichte Verbindung zwischen dem Verformungskörper 202 und dem Substrat 206 ergibt. Entsprechend. der Struktur der Verbindungsschicht 208 entstehen die Hohlräume 212a, 212b. In dem zugehörigen Bereich sind auf dem Substrat 206 die Messelemente 204a, 204b angeordnet, und zwar auf der dem Verformungskörper 202 zugewandten Oberfläche. Die elektrische Kontaktierung der Messelemente 204a, 204b kann in einem über den Verformungskörper 202 hinaus ragenden Randbereich des Substrats 106 erfolgen, beispielsweise mittels einem an dem Substrat 206 angeordneten Anschlusselement 214. Bei dieser Anordnung sind die Messelemente 204a, 204b wirksam gegen eine mechanische Beschädigung und/oder gegen Schmutz und Feuchtigkeitsniederschläge geschützt. Die Verbindung zwischen den Messelementen 204a, 204b erfolgt durch Leiterbahnen, die ebenfalls in Dickschichttechnik oder Dünnschichttechnik auf das Substrat 206 aufgebracht sind. In Hybridtechnik kann darüber hinaus auch eine Signalverarbeitung mittels eines integrierten Schaltkreises erfolgen, der auf dem Substrat 206 angeordnet sein kann.
Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Substrat 306 ist wiederum auf der dem Verformungskörper 302 zugewandten Oberfläche strukturiert, sodass im festgelegten Zustand die Hohlräume 312a, 312b gebildet sind. Die Verbindungsschicht 308 ist in diesem Ausführungsbeispiel nur punktuell vorgesehen. Beim Festlegen des Substrats 306 am Verformungskörper 302 werden in dem Bereich der Hohlräume 312a, 312b Distanzelemente 316a, 316b eingelegt, sodass sich im Ausgangszustand im Bereich der Messelemente 304a, 304b die dargestellte Durchwölbung des Substrats 306 ergibt, auch wenn die Distanzelemente 316a, 316b nach dem Verbinden von Substrat 306 und Verformungskörper 302 entfernt werden. Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist die Verwendung von Distanzelementen 316a, 316b aus einem löslichen Polymer, das darüber hinaus auch in Dickschicht- oder Dünnschichttechnik auf den Verformungskörper 302 und/oder das Substrat 306 aufgebracht werden kann. Nach dem Verbinden von Substrat 306 und Verformungskörper 302 können solche Distanzelemente 316a, 316b beispielsweise mit Lösungsmitteln ausgewaschen werden oder in einer oxidierenden Atmosphäre verascht werden.
Ohne äußere Druckbeaufschlagung sind somit die Bereiche des Substrats 306, in denen sich die Messelemente 304a, 304b befinden, vorgewölbt und die Messelemente liefern ein entsprechendes Ausgangssignal. Im Falle einer Druckbeaufschlagung in Richtung des Pfeils 310 wird diese Wölbung kompensiert, bis beispielsweise bei Anliegen des Nenndruckes das Substrat 306 auch im Bereich der Messelemente 304a, 304b plan ist. Damit kann gewährleistet werden, dass im Arbeitsbereich des Drucksensors 301 nur der Bereich von Druckspannung bis spannungsfrei durchlaufen wird, im Überlastbereich sind dadurch Dehnungsreserven gegeben.
Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wiederum ist das Substrat 406 nur durch punktweises Anordnen der Verbindungsschicht 408 mit dem Verformungskörper 402 verbunden. Beim Verbindungsvorgang kann in Richtung der Pfeile 418 eine Kraft auf das Substrat 406 ausgeübt werden, sodass sich eine Durchwölbung jenes Bereichs, in dem die Messelemente 404a, 404b angeordnet sind, in Richtung auf den Verformungskörper 402 ergibt, die auch nach dem Verfestigen der Verbindungsschicht 408 eingefroren wird. In diesem Fall ergibt sich eine Vorspannung, die bei einer Druckbeaufschlagung in Richtung des Pfeils 410 kompensiert wird. Wiederum ergibt sich dadurch eine Dehnungsreserve im Überlastbereich. Die Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf ein Substrat 506, wie es für alle vorgenannten Ausführungsbeispiele eingesetzt werden kann. Die insgesamt vier Messelemente 504a, 504b, 504c, 504d sind zu einer Vo 11 brücke verschaltet, wobei die gemeinsame Elektrode des ersten Messelements 504a und des dritten Messelements 504c zu der in einem ersten Eck des Substrats 506 angeordneten Anschlusseiektrode 520a für die positive Spannungsversorgung geführt ist. In entsprechender Weise ist die gemeinsame Elektrode des zweiten Messelements 504b und des vierten Messelements 504d zu der in einem zweiten Eck des Substrats 506 angeordneten Anschlusselektrode 520b für die negative
Spannungsversorgung geführt. Die Messspannung kann abgegriffen werden zwischen der gemeinsamen Elektrode des ersten Messelements 504a und des zweiten Messelements 504b, die zu der in einem dritten Eck des Substrats 506 angeordneten Anschlusselektrode 522a geführt ist, und der gemeinsamen Elektrode des dritten Messelements 504c und des vierten Messelements 504d, die zu der in einem vierten Eck des Substrats 506 angeordneten Anschlusselektrode 522b geführt ist.
Das Substrat 506 ist im Wesentlichen rechteckförmig und kann vorteilhaft auf einem kreisrunden oder rechteckförmigen Wafer in großer Anzahl, oder in anderen Worten „im Nutzen", hergestellt werden. Typische Abmessungen für die Länge und Breite betragen Bruchteile eines mm bis einige mm, wobei die Dicke des Substrats typischerweise unter einem mm liegt.
Die Fig. 7 zeigt den Mehrschichtaufbau eines erfindungsgemäßen Substrats 6. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erste, innere Schicht 6i beidseitig von einer zweiten, äußeren Schicht 6a bedeckt. Die erste, innere Schicht ist aus einer Glaskeramik mit einem Gewichtsanteil zwischen 50 und 80 % an groben Füllstoffpartikeln 24 aus Zirkondioxyd gebildet, deren Korngröße D50 mehr als 3 μm beträgt. Die beiden zweiten, äußeren Schichten 6a sind im. wesentlichen identisch ausgebildet und weisen feine Füllstoffpartikel 26 aus Keramik und nichtkristallisierenden Gläsern auf, deren Korngröße D50 weniger als 1 μm beträgt. Die Dicke der inneren und äußeren Schichten 6i, 6a beträgt jeweils . etwa 100 μm. Die mechanischen Eigenschaften des Substrats 6 werden im wesentlichen durch die erste, innere Schicht 6i bestimmt, und zwar durch die groben Füllstoffpartikel 24, und sichern eine hohe Bruchfestigkeit des Substrats 6. Die zweiten, äußeren Schichten 6a gewährleisten dagegen vorallem eine glatte Oberfläche des Substrats 6, auf die in Dünnschichttechnik Bauelemente wie Leiterbahnen, Widerstände oder dergleichen aufgebracht werden können.
Das Stapelverhältnis aus äußeren zu inneren Schichten 6a, 6i beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 2:1. Besonders vorteilhaft sind Stapelverhältnisse zwischen 2:2 und 2:6, wobei in diesem Fall bis zu sechs erste, innere Schichten 6i übereinander angeordnet sind, und das Substrat 6 nur auf der Außenseite jeweils eine zweite, äußere Schicht 6a aufweist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere Drucksensor (1), mit einem infolge einer Kraftbeaufschlagung, insbesondere infolge einer Druckbeaufschlagung, verformbaren Verformungskörper (2), und
. mit mindestens einem Messelement (4a, 4b), mittels dem eine . Verformung des Verformungskörpers (2) in ein elektrisches Messsignal wandelbar ist, wobei das Messelement (4a, 4b) auf einem flächigen Substrat (6) angeordnet ist, und wobei das Substrat (6) an dem . Verformungskörper (2) derart festgelegt ist, dass eine Verformung des
Verformungskörpers (2) infolge der Kraftbeaufschlagung auch eine Verformung des Substrats (6) zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, und dass das Substrat (6) aufgrund seines Werkstoffes und/oder seiner Form eine geringere Biegesteifigkeit als der
Verformungskörper (2) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des flächigen Substrats (6) mindestens im Bereich des Messelements (4a, 4b) geringer ist als die Dicke des
Verformungskörpers (2) in diesem Bereich.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) aus einem keramischen und/oder glasartigen Werkstoff besteht, insbesondere aus einer Glaskeramik oder aus einer Low .
Temperature Cofired Ceramic (LTCC).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) einen Mehrschichtaufbau aufweist mit mindestens einer ersten, inneren Schicht (6i) und mindestens einer zweiten, äußeren Schicht (6a).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, innere Schicht (6i) eine andere Zusammensetzung aufweist als die zweite, äußere Schicht (6a), insbesondere dass die erste, innere Schicht (6i) einen gröberen Füllstoff aufweist als die zweite, äußere Schicht (6a).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei erste, innere Schichten (6i) auf beiden Außenseiten des Substrats (6) von jeweils mindestens einer äußeren Schicht (6a) abgedeckt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verformungskörpers (2) angepasst ist, insbesondere dass der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich zwischen 0 und + 1000C, vorzugsweise im Bereich zwischen -40 und + 1250C, weniger als 5 ppm/K, vorzugsweise weniger als 3 ppm/K beträgt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) mittels einer mindestens bereichsweise flächigen Verbindungsschicht (8) an dem Verformungskörper (2) festgelegt ist, insbesondere mittels einer Klebstoffschicht, einer Metalllotschicht oder einer Glaslotschicht.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
. gekennzeichnet, dass die Anordnung aus Verformungskörper (2) und Substrat (6) im. Bereich des Messelements (4a, 4b) einen Hohlraum zwischen dem Substrat (6) und dem Verbindungskörper (2) aufweist. ' ■ .
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die. Vorrichtung mindestens zwei Messelemente (4a, 4b) aufweist, die jeweils im Bereich eines Hohlraums angeordnet sind, und dass zwischen den zwei Messelementen (4a, 4b) eine Verbindungsstelle zwischen Substrat (6) und Verbindungskörper (2) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (6) mit einer mechanischen Vorspannung an dem Verformungskörper (2) festgelegt ist, die bei Kraftbeaufschlagung mindestens teilweise kompensierbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4a, 4b) im Nutzen auf dem Substrat (6) in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik aufgebracht ist.
13. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Messen von Kräften, insbesondere zum Herstellen eines Drucksensors (1), mit einem infolge einer Kraftbeaufschlagung, insbesondere infolge einer Druckbeaufschlagung, verformbaren Verformungskörper (2), wobei auf einem flächigen Substrat (6) im Nutzen mindestens ein Messelement (4a, 4b) in Dünnschichttechnik oder Dickschichttechnik aufgebracht wird, und wobei das Substrat (6) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht und aufgrund seines Werkstoffes . und/oder seiner Form eine geringere B iegesteifigkeit aufweist als ein separat zum Substrat (6) hergestellter Verformungskörper (2), und wobei das Substrat (6) aus dem Nutzen vereinzelt wird und anschließend an dem Verformungskörper (2) festgelegt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das
Substrat (6) an dem Verformungskörper (2) mindestens bereichsweise flächig festgelegt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsschicht (8) auf das Substrat (6) und/oder den Verformungskörper (2) aufgebracht wird. .
16. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (8) ganzflächig aufgebracht wird und anschließend strukturiert wird.
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