WO2013152901A1 - Mikromechanischer drucksensor - Google Patents

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WO2013152901A1
WO2013152901A1 PCT/EP2013/054428 EP2013054428W WO2013152901A1 WO 2013152901 A1 WO2013152901 A1 WO 2013152901A1 EP 2013054428 W EP2013054428 W EP 2013054428W WO 2013152901 A1 WO2013152901 A1 WO 2013152901A1
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WO
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pressure sensor
sensor
membranes
pressure
elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/054428
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Schelling
Remigius Has
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN201380019457.0A priority Critical patent/CN104204755B/zh
Publication of WO2013152901A1 publication Critical patent/WO2013152901A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • G01L13/026—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms involving double diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical pressure sensor. State of the art
  • soot particle filters In known soot particle filters, differential pressure sensors are used to determine soot mass. At high soot mass can act on the sensor pressures up to 1, 5 bar overpressure. An intact particulate filter typically retains more than 95% of all soot particles. Over its service life, however, the particulate filter can leak, in which case a leakage measurement can detect possible leaks in the particulate filter.
  • the pressure resolution necessary for measuring a leakage differential pressure is approximately 5 mbar, which can be achieved, for example, with another sensor with a full-scale deflection of approximately 200 mbar.
  • WO30451 10 discloses a sensor in which an electrical voltage is applied between a freely movable, non-hermetically sealing membrane and a support element in order to bring the membrane targeted to the stop for operation. Also known from DE102010040373 a pressure sensor with double-linear characteristic, which can be used only as absolute pressure sensor due to risk of contamination or whose characteristic has only in one direction a double-linear characteristic. Disclosure of the invention
  • micromechanical pressure sensor comprising: two pressure-sensitive, closed sensor membranes, wherein each of the two sensor membranes can be coupled to a separate pressure reservoir; and
  • an anchoring element for anchoring the stop device to at least one of the sensor membranes
  • At least one coupling element substantially rigidly connecting the two sensor membranes
  • a sealing element for sealing the stop device.
  • the pressure sensor according to the invention has the particular advantage that it can be used as a differential pressure sensor, eliminating the need for subtracting individual pressures. This is made possible by a substantially rigid coupling element which connects the two sensor membranes to one another.
  • a sealing element sealing a stopper device the detection mechanism is advantageously protected from harmful influences (e.g., in the form of soot particles), whereby an operating life of the sensor can be significantly prolonged.
  • An advantageous development of the pressure sensor is characterized in that the
  • Anchoring element and the support element are interconnected by means of elastic elements.
  • a spring constant of the entire stop device can be set defined.
  • a preferred embodiment of the pressure sensor is characterized in that
  • a preferred embodiment of the pressure sensor is characterized in that the two sensor membranes are substantially the same thickness. This also supports a symmetrical operating behavior of the pressure sensor.
  • a preferred embodiment of the pressure sensor according to the invention is characterized in that azimuthally extending elevations are formed in at least one of the sensor membranes and / or in the stop device. In this way, a size of a spring constant of the membrane and / or the stop device can be dimensioned.
  • a preferred embodiment of the pressure sensor according to the invention is characterized in that the support elements and / or the sensor membranes have aligned stop elements with a small surface area. As a result, defined stop points are created, which support a precise Sensier the sensor and to prevent sticking of the membranes.
  • a preferred embodiment of the pressure sensor according to the invention is characterized in that a surface of the stop elements and / or a surface of at least one of the sensor membranes have an anti-adhesion layer. This supports a non-sticking of the membrane with the stop elements, which advantageously allows a trouble-free operating characteristics of the sensor.
  • a preferred embodiment of the pressure sensor is characterized in that at least one of the sensor membranes is formed of monocrystalline material. This can be advantageous pronounced piezoelectric effects achieve, whereby a reliable Sensier the pressure sensor is supported.
  • a preferred embodiment of the sensor according to the invention is characterized in that at least one piezo-measuring element is arranged in at least one of the sensor membranes. This advantageously a proven measurement in the
  • a preferred embodiment of the pressure sensor is characterized in that capacitive measuring elements are arranged in at least one of the sensor membranes and in the support element. As a result, an alternative measuring principle for the sensor is realized.
  • a preferred embodiment of the sensor is characterized in that the stop device has tilting elements which strike against one another by lateral tilting. In this way, an alternative sensing principle for the sensor is advantageously provided.
  • Preferred embodiments of the pressure sensor provide that the two sensor membranes are made of two wafers or of a wafer. As a result, different production methods with different base materials and cost aspects can be used to manufacture the sensor.
  • a preferred embodiment of the pressure sensor is characterized in that one of the sensor membranes has vias, are electrically connected by the piezo-measuring elements. This results in an alternative type of electrical contacting for the piezo-measuring elements.
  • FIG. 1 shows a prior art icromechanical pressure sensor
  • FIG. 2 shows a characteristic of a micromechanical pressure sensor according to the prior art
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a micromechanical pressure sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a micromechanical pressure sensor according to the invention
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a micromechanical pressure sensor according to the invention.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of a micromechanical pressure sensor according to the invention.
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of a micromechanical pressure sensor according to the invention.
  • Fig. 8 is a plan view of an embodiment of a micromechanical pressure sensor according to the invention.
  • the pressure sensor 1 shows a schematic cross-sectional view through a micromechanical pressure sensor according to the support principle according to the prior art, with which a dynamic pressure measurement can be carried out.
  • the pressure sensor 1 has a membrane 6 on a substrate 7, wherein the substrate 7 and the membrane 6 enclose a cavity 8. From the cavern 8, a first pressure p1 generates a first force on the membrane 6.
  • the detection area 9 has an anchoring area 2, a spring area 3 and a support area 4.
  • the support region 4 has on its underside a plurality of stop elements, which come in contact with a deformation of the membrane 6 and thereby can change a characteristic curve of the membrane 6.
  • piezo elements 5 By means of piezo elements 5, a change in an electrical quantity is determined, which is caused due to the mechanical deformation of the membrane 6.
  • FIG. 2 shows a characteristic curve of the pressure sensor from FIG. 1. Shown is a profile of a pressure via an electrical output signal, which can be measured by means of the piezoelements 5 of the pressure sensor 1.
  • the pressure sensor 100 has a first membrane 10 formed in a first substrate 11. Furthermore, the pressure sensor 100 has a second membrane 20 formed in a second substrate 21.
  • the sensor membranes 10, 20 each span a cavern open downwards or upwards.
  • the two sensor membranes 10, 20 are made of monocrystalline material, wherein preferably SOI substrates (engl, silicon-on-insulator, silicon on insulator) are used to form the two sensor membranes 10, 20.
  • SOI substrates engaging, silicon-on-insulator, silicon on insulator
  • the sensor membranes 10, 20 are preferably produced only after a connection of the two substrates 1 1, 21 with each other by introducing caverns.
  • the connection between the sensor membranes 10, 20 is produced by wafer bonding (direct bonding, thermocompression bonding, eutectic bonding) or a layer transfer process.
  • a first pressure reservoir 40 acts from an underside on the first membrane 10, a second pressure reservoir 50 from an upper side onto the second sensor membrane 20.
  • the two sensor membranes 10, 20 are closed and substantially hermetically sealed formed, whereby the two pressure reservoirs 40,50 are decoupled from each other and no gas exchange between the pressure reservoirs 40, 50 is possible.
  • a stop device 30 is formed with a plurality of elements.
  • the stop device 30 has an anchoring element 31 which is anchored to at least one of the sensor membranes 10, 20.
  • the stop device 30 comprises an elastic element 34, are set by the elastic properties of the stop device 30.
  • the elastic element 34 preferably has a high degree of perforation, via which the rigidity of the elastic element 34 can be adjusted.
  • a plurality of support elements 33 are provided for contacting one of the sensor membranes 10, 20 with stop elements 33a optionally formed on the support elements 33, thereby changing a characteristic curve of the sensor membrane 10, 20.
  • Stop surfaces of the stop elements 33a are preferably designed to be very small or one-dimensional.
  • the support elements 33 preferably have a low degree of perforation, whereby a defined contact between the sensor membranes 10, 20 and the stop elements 33a of the support elements 33 is made possible.
  • one of the two sensor membranes 10, 20 come into contact with stop elements 33 a of the support element 33.
  • mutually facing surfaces of the support elements 33 and the sensor membranes 10, 20 on an anti-adhesive layer is preferred. This supports a defined operating behavior, in particular non-sticking of said elements.
  • a sealing element 35 completely encloses the entire stop device 30 and thereby forms an effective protection for the stop device 30 against harmful environmental influences.
  • harmful and aggressive influences of soot particles on the pressure sensor 100 can be substantially prevented.
  • a substantially rigid coupling element 32 couples the two sensor membranes 10, 20 substantially centrally to each other and represents a fixed connection of the two sensor membranes 10, 20. It is also conceivable that a plurality of coupling elements 32 provide multiple connection points between the two sensor membranes 10,20. As a result, the two sensor membranes 10, 20 are deflected substantially identically by the differential pressure prevailing in the two pressure reservoirs 40, 50. As a detective Onsmechanismen come both capacitive and piezoelectric or piezoresistive measuring elements in question. As a detection mechanism, piezo-measuring elements 60 are realized in at least one of the two sensor membranes 10, 20, which is a cost-effective possibility of measured value detection.
  • 10.20 piezoelectric elements 60 may be formed to increase the accuracy and to improve a measurement redundancy in both sensor membranes.
  • an electrical line 61 eg a bonding wire
  • metallization contacts 62 for electrically supplying the piezo-measuring elements 60 are electrically connected.
  • the sensor membranes 10, 20 can freely deform in a first pressure range, whereby a first linear characteristic region with a first slope arises.
  • At least one of the two pressure sensor membranes 10, 20 touches at a certain pressure threshold value at least one of the stop elements formed 33a mechanically in the support region, whereby at least a second linear characteristic region is formed with a second pitch.
  • a symmetrical and continuous characteristic curve of the pressure sensor can be generated thereby.
  • the pressure threshold value can be set as desired via the membrane thickness and the distance of the support elements 33 from the sensor membrane 10, 20.
  • a slope of the second characteristic area can be determined by the spring stiffness of the support element 33.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a second embodiment of the micromechanical pressure sensor 200 according to the invention.
  • the anchoring elements 31 are arranged essentially on the sensor membranes 10, 20, whereby upon deflection of the membrane to an outer seating of the membrane Sensor membranes 10, 20 at the threshold p s comes.
  • the operation of the pressure sensor 200 is otherwise identical to that of the first embodiment.
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a third embodiment of the mechanical pressure sensor 300 according to the invention.
  • the pressure sensor 300 is constructed on a single substrate 11.
  • polycrystalline membrane layers can be produced or monocrystalline membrane layers can be transferred.
  • the stop device 30 is formed in the monocrystalline first sensor membrane 10.
  • the pressure sensor 300 can be connected to one of the sensor membranes 10, 20 by means of an electrical line 61 designed as a wire bond connection.
  • the two sensor membranes 10, 20 have - deviating from the representation of Fig. 5 - preferably identical edge lengths or diameters.
  • Sensor membrane 20 is arranged, whereby substantially the same size dimensions of the two sensor membranes 10, 20 can be achieved.
  • the operation of the pressure sensor 300 of FIG. 5 is otherwise identical to that of the previously described embodiments.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of a fourth embodiment of the mechanical pressure sensor 400 according to the invention.
  • electrical contacting of the piezo-measuring elements 60 is now realized by means of through contacts 63, in which electrical lines 61 are guided.
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a fifth embodiment of the micromechanical pressure sensor 500 according to the invention.
  • the pressure sensor of this embodiment is based on an alternative functional principle in that it has tilting elements 33b which are laterally deflectable and abut each other when the two sensor membranes 10, 20 have a defined dimension be deflected. This way will a deflection of the tilting elements 33b limited by jamming the tilting elements 33b.
  • the lateral deflections can be defined lithographically and simultaneously several different abutment spacings can be generated simultaneously in the same lithographic plane.
  • FIG. 8 shows a basic sectional view through a sectional plane AA 'of a stop device 30 of the embodiment of the mechanical pressure sensor 100 shown in FIG. 3.
  • the elastic suspension of the support element 33 on the anchoring element 31 by means of the spring-like elastic elements 34 is clearly recognizable.
  • azimuthally extending corrugations or elevations are formed in at least one of the sensor membranes 10, 20 and / or in the stop device 30 in order to increase the spring constant.
  • azimuthally extending corrugations or elevations are formed in at least one of the sensor membranes 10, 20 and / or in the stop device 30 in order to increase the spring constant.
  • the present invention provides a micromechanical pressure sensor with a highly dynamic measuring range.
  • a coupling element which connects the sensor membranes to one another, the two sensor membranes are forced to equal deflections, one direction of the deflections depending on pressure conditions in the two pressure reservoirs 40, 50.
  • the pressure sensor according to the invention it is advantageously possible to measure both relatively small and relatively large (difference) pressures with one and the same device. Thus, it is not necessary to subtract any absolute pressure values from one another for a differential pressure measurement. Due to the coupling principle of the pressure sensor only a single detection structure is required, which represents a favorable aspect in terms of cost.
  • the pressure sensor according to the invention can be produced in a small construction in comparison to a conventional sensor of a respective membrane for the low and high pressure measuring range.
  • the pressure sensor according to the invention offers a high freedom of design by the linear characteristic ranges can be optimized independently of each other, which affects both the slopes and the threshold.
  • the sealed design of the pressure sensor offers a media-rugged design, because due to the hermetically sealed design a harmful influence of aggressive media (eg acids) or particles on the pressure sensor largely avoided. This advantageously results in a high resistance to soiling.

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Abstract

Die Erfindung schafft einen mikromechanischen Drucksensor mit einem hochdynamischen Messbereich. Der Drucksensor weist zwei druckempfindliche, geschlossene Sensormembranen auf, wobei jede der beiden Sensormembranen an ein eigenes Druckreservoir gekoppelt werden kann, und eine zwischen den Sensormembranen angeordnete Anschlagsvorrichtung mit folgenden Elementen: ein Verankerungselement zum Verankern der Anschlagsvorrichtung an wenigstens einer der Sensormembranen; wenigstens ein die beiden Sensormembranen im Wesentlichen starr verbindendes Koppelelement; Stützelemente, mit denen eine der Sensormembranen bei einer definierten geometrischen Auslenkung kontaktierbar ist; und ein Dichtelement zum Abdichten der Anschlagsvorrichtung. Durch die im Wesentlichen starre Kopplung der beiden Sensormembranen entfällt vorteilhaft eine Subtraktion von einzelnen Absolutdruckwerten.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanischer Drucksensor
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor. Stand der Technik
In bekannten Rußpartikelfiltern werden zur Bestimmung von Rußmasse Differenzdrucksensoren eingesetzt. Bei hoher Rußmasse können auf den Sensor Drücke bis zu 1 ,5 bar Überdruck einwirken. Ein intakter Rußpartikelfilter hält in der Regel mehr als 95% aller Rußpartikel zurück. Über seine Betriebsdauer kann der Partikelfilter jedoch leckschlagen, wobei in diesem Fall eine Leckagemessung mögliche Lecks im Partikelfilter erkennen kann. Die zu einer Messung eines Leckage-Differenzdrucks notwendige Druckauflösung liegt bei ca. 5 mbar, die beispielsweise mit einem weiteren Sensor mit ca. 200 mbar Vollausschlag erreicht werden kann.
WO30451 10 offenbart einen Sensor, bei dem eine elektrische Spannung zwischen eine frei bewegliche, nicht hermetisch dichtende Membran und ein Stützelement angelegt wird, um die Membran für den Betrieb gezielt an den Anschlag zu bringen. Bekannt ist ferner aus DE102010040373 ein Drucksensor mit doppelt-linearer Kennlinie, der jedoch wegen Verschmutzungsgefahr nur als Absolutdrucksensor eingesetzt werden kann bzw. dessen Kennlinie nur in einer Richtung eine doppelt-lineare Charakteristik aufweist. Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten mikromechanischen Drucksensor bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst mit einem mikromechanischen Drucksensor, aufweisend: zwei druckempfindliche, geschlossene Sensormembranen, wobei jede der beiden Sensormembranen an ein eigenes Druckreservoir gekoppelt werden kann; und
eine zwischen den Sensormembranen angeordnete Anschlagsvorrichtung mit folgenden Elementen:
- ein Verankerungselement zum Verankern der Anschlagsvorrichtung an wenigstens einer der Sensormembranen;
wenigstens ein die beiden Sensormembranen im Wesentlichen starr verbindendes Koppelelement;
Stützelemente, mit denen eine der Sensormembranen bei einer definierten geo- metrischen Auslenkung kontaktierbar ist; und
ein Dichtelement zum Abdichten der Anschlagsvorrichtung.
Bevorzugte Weiterbildungen des Drucksensors sind Gegenstand von Unteransprüchen. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drucksensor weist als besonderen Vorteil auf, dass er als ein Differenzdrucksensor eingesetzt werden kann, wobei eine Notwendigkeit eines Subtrahierens von Einzeldrücken entfällt. Dies wird durch ein im Wesentlichen starres Koppelele- ment ermöglicht, welches die beiden Sensormembranen miteinander verbindet. Durch ein eine Anschlagsvorrichtung abdichtendes Dichtelement wird der Detektionsmechanismus vorteilhaft vor schädlichen Einflüssen (z.B. in Form von Rußpartikeln) geschützt, wodurch eine Betriebsdauer des Sensors bedeutend verlängert sein kann. Eine vorteilhafte Weiterbildung des Drucksensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Verankerungselement und das Stützelement mittels elastischer Elemente miteinander verbunden sind. Dadurch kann vorteilhaft eine Federkonstante der gesamten Anschlagsvorrichtung definiert eingestellt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors ist dadurch gekennzeichnet, dass
Abstände zwischen der Anschlagsvorrichtung und jeder der beiden Sensormembranen im Wesentlichen identisch sind. Dies erzeugt vorteilhaft eine symmetrische Kennlinie des Drucksensors. Eine bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensormembranen im Wesentlichen gleich dick sind. Dadurch wird ebenfalls ein symmetrisches Betriebsverhalten des Drucksensors unterstützt. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors ist dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der Sensormembranen und/oder in der Anschlagsvorrichtung azimuthal verlaufende Erhebungen ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine Größe einer Federkonstante der Membran und/oder der der Anschlagsvorrichtung dimensioniert werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Stützelemente und/oder die Sensormembranen zueinander ausgerichtete Anschlagselemente mit kleiner Oberfläche aufweisen. Dadurch werden definierte Anschlagspunkte geschaffen, die ein genaues Sensierverhalten des Sensors unterstützen und ein Verkleben der Membranen zu verhindern.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass eine Oberfläche der Anschlagselemente und/oder eine Oberfläche wenigstens einer der Sensormembranen eine Antihaftschicht aufweisen. Dies unterstützt ein Nicht-Verkleben der Membran mit den Anschlagselementen, was vorteilhaft eine störungsfreie Betriebscharakteristik des Sensors ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der Sensormembranen aus einkristallinem Material gebildet ist. Damit lassen sich vorteilhaft ausgeprägte Piezoeffekte erzielen, wodurch ein zuverlässiges Sensierverhalten des Drucksensors unterstützt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass in wenigstens einer der Sensormembranen wenigstens ein Piezo- Messelement angeordnet ist. Dadurch wird vorteilhaft ein bewährtes Messverfahren im
Drucksensor implementiert.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass in wenigstens einer der Sensormembranen und in das Stützelement kapazitive Messele- mente angeordnet sind. Dadurch wird ein alternatives Messprinzip für den Sensor realisiert. Eine bevorzugte Ausführungsform des Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsvorrichtung Kippelemente aufweist, die durch laterales Verkippen gegeneinander anschlagen. Auf diese Art wird vorteilhaft ein alternatives Sensierprinzip für den Sensor bereitgestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen des Drucksensors sehen vor, dass die beiden Sensormembranen aus zwei Wafern oder aus einem Wafer gefertigt sind. Dadurch können unterschiedliche Herstellungsverfahren mit unterschiedlichen Basismaterialien und Kosten- aspekten zur Herstellung des Sensors eingesetzt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass eine der Sensormembranen Durchkontakte aufweist, durch die Piezo-Messelemente elektrisch angeschlossen sind. Dadurch ergibt sich eine alternative Art der elektrischen Kontaktierung für die Piezo-Messelemente.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsformen mit Bezug auf Figuren erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren.
Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind daher nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen: ikromechanischen Drucksensor gemäß Stand der Technik;
Fig. 2 eine Kennlinie eines mikromechanischen Drucksensors gemäß Stand der Technik; Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors;
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors;
Fig. 6 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors;
Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors; und
Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht durch einen mikromechanischen Drucksensor nach dem Auflageprinzip gemäß Stand der Technik, mit dem eine Staudruckmessung durchgeführt werden kann. Der Drucksensor 1 weist eine Membran 6 auf einem Substrat 7 auf, wobei das Substrat 7 und die Membran 6 eine Kaverne 8 umschließen. Aus der Kaverne 8 erzeugt ein erster Druck p1 eine erste Kraft auf die Membran 6. Auf einer Oberseite der Membran 6 ist ein Detektionsbereich 9 zur Erfassung einer Verformung der Membran 6 angeordnet. Der Detektionsbereich 9 weist einen Verankerungsbereich 2, einen Federbereich 3 und einen Stützbereich 4 auf. Der Stützbereich 4 weist an seiner Unterseite mehrere Anschlagselemente auf, die bei einer Verformung der Membran 6 mit dieser in Kontakt kommen und dadurch eine Kennliniencharakteristik der Membran 6 verändern kann. Mittels Piezoelementen 5 wird eine Änderung einer elektrischen Größe ermittelt, die aufgrund der mechanischen Verformung der Membran 6 bewirkt wird.
Oberhalb der Membran 6 erzeugt ein zweiter Druck p2 eine zweite Kraft auf den Detektionsbereich 9, wodurch bei einem Einsatz des Sensors 1 in einem Rußpartikelfilter der Nachteil besteht, dass der Detektionsbereich 9 aggressiven Abgasen mit Rußpartikeln ungeschützt ausgesetzt ist. Dadurch kann der Detektionsbereich 9 im Laufe der Betriebsdauer des Drucksensors 1 stark verschmutzen und ein Sensierverhalten bzw. eine Funktionstüchtigkeit des Sensors 1 bedeutend verschlechtert sein. Fig. 2 zeigt eine Kennlinie des Drucksensors von Fig. 1. Dargestellt ist ein Verlauf eines Drucks über ein elektrisches Ausgangssignal, welches die mittels der Piezoelemente 5 des Drucksensors 1 gemessen werden kann. Es ist erkennbar, dass bei einem Schwellwertdruck ps eine Steigung der Kennlinie abknickt, sodass die gesamte Kennlinie nichtlinear mit zwei unterschiedlichen Steigungen ausgebildet ist. Der Knick beim Schwellwert- druck ps rührt daher, dass bei diesem Druck die Membran 6 an die Anschlagselemente des Stützbereichs 4 anschlägt und dadurch eine Federkonstante der Membran 6 abrupt verändert wird.
Fig. 3 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Der Drucksensor 100 weist eine in einem ersten Substrat 11 ausgebildete erste Membran 10 auf. Weiterhin weist der Drucksensor 100 eine in einem zweiten Substrat 21 ausgebildete zweite Membran 20 auf. Die Sensormembranen 10, 20 überspannen jeweils eine nach unten bzw. oben geöffnete Kaverne. Bevorzugt sind die beiden Sensormembranen 10, 20 aus einkristallinem Material gefertigt, wobei vorzugsweise SOI-Substrate (engl, silicon-on-insulator, Silizium auf Isolator) zur Ausbildung der beiden Sensormembranen 10, 20 verwendet werden. Diese erlauben eine einfache Erzeugung besonders definierter Drucksensormembranen durch das vergrabene Oxid 36 (BOX, engl, buried oxide), welches in einem Herstellungsverfahren als Ätzstoppschicht wirkt. Außerdem lässt sich mit einem SOI-Substrat der mechanische Verspan- nungszustand der Membranschichten gut einstellen.
Die Sensormembranen 10, 20 werden bevorzugt erst nach einem Verbinden der beiden Substrate 1 1 , 21 miteinander durch Einbringen von Kavernen erzeugt. Die Verbindung zwischen den Sensormembranen 10, 20 wird über ein Waferbonden (Direktbonden, Thermokompressionsbonden, eutektisches Bonden) oder ein Layer-Transfer- Verfahren hergestellt.
Ein erstes Druckreservoir 40 wirkt von einer Unterseite auf die erste Membran 10, ein zweites Druckreservoir 50 von einer Oberseite auf die zweite Sensormembran 20. Die beiden Sensormembranen 10,20 sind geschlossen und im Wesentlichen hermetisch dicht ausgebildet, wodurch die beiden Druckreservoire 40,50 voneinander entkoppelt sind und keinerlei Gasaustausch zwischen den Druckreservoiren 40, 50 möglich ist.
Zwischen den beiden Sensormembranen 10, 20 ist eine Anschlagsvorrichtung 30 mit mehreren Elementen ausgebildet. Die Anschlagsvorrichtung 30 weist ein Verankerungselement 31 auf, welches an wenigstens einer der Sensormembranen 10, 20 verankert ist. Weiterhin umfasst die Anschlagsvorrichtung 30 ein elastisches Element 34, durch das elastische Eigenschaften der Anschlagsvorrichtung 30 festgelegt werden. Das elastische Element 34 weist vorzugsweise einen hohen Perforationsgrad auf, über den sich die Stei- figkeit des elastischen Elements 34 einstellen lässt.
Mehrere Stützelemente 33 sind dazu vorgesehen, dass eine der Sensormembranen 10, 20 mit optional auf den Stützelementen 33 ausgebildeten Anschlagselementen 33a kontaktiert und dadurch eine Kennlinie der Sensormembran 10, 20 verändert. Anschlagsflä- chen der Anschlagselemente 33a sind bevorzugt sehr gering bzw. eindimensional ausgebildet. Die Stützelemente 33 weisen vorzugsweise einen geringen Perforationsgrad auf, wodurch ein definiertes Kontaktieren zwischen den Sensormembranen 10, 20 und den Anschlagselementen 33a der Stützelemente 33 ermöglicht wird. Je nach einem Druckverhältnis in den beiden Druckreservoiren 40, 50 wird eine der beiden Sensormembranen 10, 20 mit Anschlagselementen 33 a des Stützelements 33 in Kontakt kommen. Bevorzugt weisen einander zugewandte Oberflächen der Stützelemente 33 und der Sensormembranen 10, 20 eine Antihaftschicht auf. Dies unterstützt ein definiertes Betriebsverhalten, insbesondere ein Nicht- Verkleben der genannten Elemente.
Ein Dichtelement 35 umschließt die gesamte Anschlagsvorrichtung 30 vollständig und bildet dadurch einen wirksamen Schutz für die Anschlagsvorrichtung 30 vor schädlichen Umwelteinflüssen. Vorteilhaft können dadurch schädliche und aggressive Einflüsse von Rußpartikeln auf den Drucksensor 100 im Wesentlichen unterbunden werden.
Ein im Wesentlichen starres Koppelelement 32 koppelt die beiden Sensormembranen 10, 20 im Wesentlichen mittig aneinander und repräsentiert eine feste Verbindung der beiden Sensormembranen 10, 20. Denkbar ist auch, dass mehrere Koppelelemente 32 mehrere Verbindungspunkte zwischen den beiden Sensormembranen 10,20 schaffen. Dadurch werden die beiden Sensormembranen 10, 20 durch den in den beiden Druckreservoiren 40,50 herrschenden Differenzdruck im Wesentlichen identisch ausgelenkt. Als Detekti- onsmechanismen kommen sowohl kapazitive als auch piezoelektrische oder piezoresisti- ve Messelemente in Frage. Als ein Detektionsmechanismus werden Piezo-Messelemente 60 in wenigstens einer der beiden Sensormembranen 10,20 realisiert, was eine kostengünstige Möglichkeit der Messwerterfassung ist. Selbstverständlich können jedoch zu einer Erhöhung der Genauigkeit und zu einer Verbesserung einer Messredundanz in beiden Sensormembranen 10,20 Piezoelemente 60 ausgebildet sein. Mittels einer elektrischen Leitung 61 (z.B. ein Bonddraht) werden Metallisierungskontakte 62 zum elektrischen Versorgen der Piezo-Messelemente 60 elektrisch verbunden. Die Sensormembranen 10, 20 können sich in einem ersten Druckbereich frei deformieren, wodurch ein erster linearer Kennlinienbereich mit einer ersten Steigung entsteht. Wenigstens eine der beiden Drucksensormembranen 10, 20 berührt ab einem gewissen Druckschwellwert wenigstens eines der ausgebildeten Anschlagselemente 33a mechanisch im Stützbereich, wodurch wenigstens ein zweiter linearer Kennlinienbereich mit einer zweiten Steigung entsteht. Im Ergebnis kann dadurch ein symmetrischer und stetiger Kennlinienverlauf des Drucksensors erzeugt werden.
Man erkennt also, dass der spezifische Wirkmechanismus des erfindungsgemäßen Drucksensors 100 eine Notwendigkeit von Subtraktionen von Einzeldrücken obsolet macht. Dadurch können Messungen von Differenzdrücken wesentlich genauer als mit herkömmlichen Drucksensoren durchgeführt werden.
Abstände zwischen der Anschlagsvorrichtung 30 und den beiden Sensormembranen 10, 20 sowie die Dicken der beiden Sensormembranen 10, 20 sind im Wesentlichen iden- tisch. Auf diese Weise lässt sich in vorteilhafter Weise eine gut reproduzierbare Sensier- charakteristik des Drucksensors 100 erzeugen. Beispielsweise kann der Druckschwellenwert beliebig über die Membrandicke und den Abstand der Stützelemente 33 von der Sensormembran 10, 20 festgelegt werden. Eine Steigung des zweiten Kennlinienbereichs kann über die Federsteifigkeit des Stützelements 33 festgelegt werden.
Durch lokale, vertikale Verjüngungen (nicht dargestellt) der Stützelemente 33 oder durch separate, mechanisch voneinander entkoppelte, an verschieden steifen Federelementen 34 aufgehängte Stützelemente 33 können vorteilhaft auch mehrfach abknickende Kennlinien des Drucksensors 100 erzeugt werden. Fig. 4 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors 200. Im Unterschied zur Ausführungsform von Fig. 3 sind die Verankerungselemente 31 im Wesentlichen auf der Sensormembranen 10, 20 angeordnet, wodurch es bei Auslenkung der Membran zu einer Au- ßenauflage der Sensormembranen 10, 20 beim Schwellwert ps kommt. Die Funktionsweise des Drucksensors 200 ist ansonsten identisch zu derjenigen der ersten Ausführungsform.
Fig. 5 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen mechanischen Drucksensors 300. Im Unterschied zu den in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Ausführungsformen ist der Drucksensor 300 auf einem einzigen Substrat 1 1 aufgebaut. Dazu können beispielsweise polykristalline Membranschichten erzeugt oder einkristalline Membranschichten transferiert werden. Bevorzugt ist die Anschlagsvorrichtung 30 in der einkristallinen ersten Sensormembran 10 ausgebildet.
Nach außen kann der Drucksensor 300 durch eine als Drahtbondverbindung ausgebildete elektrische Leitung 61 auf einer der Sensormembranen 10, 20 angeschlossen sein. Die beiden Sensormembranen 10, 20 besitzen - abweichend von der Darstellungsweise von Fig. 5 - vorzugsweise identische Kantenlängen bzw. Durchmesser. Zu diesem Zweck sind die Verankerungselemente 31 in Membranausstülpungen (nicht dargestellt) der zweiten
Sensormembran 20 angeordnet, wodurch im Wesentlichen gleiche Größenabmessungen der beiden Sensormembranen 10, 20 erreicht werden können. Die Funktionsweise des Drucksensors 300 von Fig. 5 ist ansonsten identisch zu jener der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen.
Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mechanischen Drucksensors 400. Im Unterschied zur Ausführungsform von Fig. 5 ist nunmehr eine elektrische Kontaktierung der Piezo-Messelemente 60 mittels Durchkontakten 63 realisiert, in denen elektrische Leitungen 61 geführt sind. Der Aufbau und die Funk- tionsweise entspricht ansonsten jener der Ausführungsform von Fig. 5.
Fig. 7 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensors 500. Der Drucksensor dieser Ausführungsform basiert auf einem alternativen Funktionsprinzip, indem er Kippelemente 33b aufweist, die lateral auslenkbar sind und gegeneinander anschlagen, wenn die beiden Sensormembranen 10, 20 ein definiertes Maß ausgelenkt werden. Auf diese Weise wird eine Auslenkung der Kippelemente 33b durch ein Verklemmen der Kippelemente 33b begrenzt. Die Lateralausschläge können lithographisch definiert werden und es können gleichzeitig mehrere verschiedene Anschlagsabstände gleichzeitig in derselben Lithographieebene erzeugt werden.
Fig. 8 zeigt eine prinzipielle Schnittansicht durch eine Schnittebene A-A' einer Anschlagsvorrichtung 30 der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des mechanischen Drucksensors 100. Gut erkennbar ist dabei die elastische Aufhängung des Stützelements 33 am Verankerungselement 31 mittels der federartigen elastischen Elemente 34.
Denkbar ist auch, dass zu einer Verstärkung der Federkonstante azimuthal verlaufende Korrugationen bzw. Erhebungen (nicht dargestellt) in wenigstens einer der Sensormembranen 10,20 und/oder in der Anschlagsvorrichtung 30 ausgebildet sind. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Federkonstante und dadurch eine Biegesteifigkeit dimensioniert wer- den.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein mikromechanischer Drucksensor mit einem hochdynamischen Messbereich bereitgestellt. Mittels eines Koppelelements, welches die Sensormembranen miteinander verbindet, werden die beiden Sen- sormembranen zu gleichen Auslenkungen gezwungen, wobei eine Richtung der Auslenkungen von Druckverhältnissen in den beiden Druckreservoiren 40, 50 abhängt. Mittels des erfindungsgemäßen Drucksensors ist es vorteilhaft möglich, sowohl relativ kleine als auch relativ große (Differenz)-Drücke mit ein und derselben Vorrichtung zu messen. Es müssen somit für eine Differenzdruckmessung vorteilhaft keinerlei Absolutdruckwerte voneinander subtrahiert werden. Aufgrund des Koppelprinzips des Drucksensors ist lediglich eine einzige Detektionsstruktur erforderlich, was hinsichtlich der Kosten einen günstigen Aspekt darstellt.
Vorteilhaft lässt sich der erfindungsgemäße Drucksensor im Vergleich zu einem her- kömmlichen Sensor je einer Membran für den niedrigen und hohen Druckmessbereich in einer kleinen Bauweise herstellen. Vorteilhaft bietet der erfindungsgemäße Drucksensor eine hohe Gestaltungsfreiheit, indem die linearen Kennlinienbereiche voneinander unabhängig optimiert werden können, was sowohl die Steigungen als auch den Schwellwert betrifft. Vorteilhaft bietet die abgedichtete Bauweise des Drucksensors eine medienrobuste Ausführung, weil aufgrund der hermetisch abgedichteten Bauweise ein schädlicher Einfluss von aggressiven Medien (z.B. Säuren) oder Partikeln auf den Drucksensor weitestgehend unterbleibt. Dadurch ergibt sich günstigerweise eine hohe Verschmutzungsunempfindlich- keit.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt. Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale der Erfindung abändern oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche 1. Mikromechanischer Drucksensor (100;200;300;400;500), aufweisend:
zwei druckempfindliche, geschlossene Sensormembranen (10,20), wobei jede der beiden Sensormembranen (10,20) an ein eigenes Druckreservoir (40,50) koppelbar ist; und
eine zwischen den Sensormembranen (10,20) angeordnete Anschlagsvorrichtung (30) mit folgenden Elementen:
ein Verankerungselement (31) zum Verankern der Anschlagsvorrichtung (30) an wenigstens einer der Sensormembranen (10,20);
wenigstens ein die beiden Sensormembranen (10,20) im Wesentlichen starr verbindendes Koppelelement (32);
- Stützelemente (33), mit denen eine der Sensormembranen (10,20) bei einer definierten geometrischen Auslenkung kontaktierbar ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtelement (35) zum Abdichten der Anschlagsvorrichtung (30) vorgesehen ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verankerungselement (31) und das Stützelement (33) mittels elastischer Elemente (34) miteinander verbunden sind.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
Abstände zwischen der Anschlagsvorrichtung (30) und jeder der beiden Sensormembranen (10,20) im Wesentlichen identisch sind.
5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, die bei- den Sensormembranen (10,20) im Wesentlichen gleich dick sind.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der Sensormembranen (10,20) und/oder in der Anschlagsvorrichtung (30) azimuthal verlaufende Erhebungen ausgebildet sind.
7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (33) und/oder die Sensormembranen (10,20) zueinander ausgerichtete Anschlagselemente (33a) mit kleiner Oberfläche aufweisen.
8. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der Anschlagselemente (33 a) und/oder eine Oberfläche wenigstens einer der Sensormembranen (10,20) eine Antihaftschicht aufweist.
9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Sensormembranen (10,20) aus einkristallinem Material gebildet ist.
10. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der Sensormembranen (10, 20) wenigstens ein Piezo-Messelement (60) angeordnet ist.
1 1. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der Sensormembranen (10, 20) und in das Stützelement (33) kapazitive Messelemente angeordnet sind.
12. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagsvorrichtung (30) Kippelemente (33b) aufweist, die durch laterales Verkippen gegeneinander anschlagen.
13. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensormembranen (10, 20) aus zwei Wafern oder aus einem Wafer gefertigt sind.
14. Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Sensormembranen (10,20) Durchkontakte (63) aufweist, durch die die Piezo-Messelemente (60) elektrisch angeschlossen sind.
15. Verwendung eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit wenigstens zwei linearen Kennlinienbereichen für die Messung einer Leckrate und Rußmasse von Rußpartikelfiltern.
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