WO2024008356A1 - Mikromechanischer drucksensor mit wenigstens zwei membranen zur bestimmung eines druckwerts sowie entsprechendes verfahren - Google Patents

Mikromechanischer drucksensor mit wenigstens zwei membranen zur bestimmung eines druckwerts sowie entsprechendes verfahren Download PDF

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WO2024008356A1
WO2024008356A1 PCT/EP2023/063344 EP2023063344W WO2024008356A1 WO 2024008356 A1 WO2024008356 A1 WO 2024008356A1 EP 2023063344 W EP2023063344 W EP 2023063344W WO 2024008356 A1 WO2024008356 A1 WO 2024008356A1
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WO
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membrane
membranes
type
pressure
pressure sensor
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/063344
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French (fr)
Inventor
Heribert Weber
Johannes Classen
Andreas Scheurle
Volkmar Senz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L15/00—Devices or apparatus for measuring two or more fluid pressure values simultaneously
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical pressure sensor with at least two membranes for determining a pressure value and a corresponding operating method.
  • Typical micromechanical pressure sensors have a membrane in which a pressure value of an adjacent medium is recorded depending on the bending of the membrane.
  • the membrane is usually designed for a pressure range in which it can be bent in a defined manner. If this pressure range is exceeded, stop elements can be provided below the membrane or on the cavern floor, which stop/limit the deflection and thus the membrane movement. Alternatively, it can also be provided that the membrane rests on the cavern floor when the specified pressure range is exceeded, so that further deflection of the membrane is hindered.
  • stop elements can be provided below the membrane or on the cavern floor, which stop/limit the deflection and thus the membrane movement. Alternatively, it can also be provided that the membrane rests on the cavern floor when the specified pressure range is exceeded, so that further deflection of the membrane is hindered.
  • Such a pressure sensor system is described, for example, in DE10 2009 001 924 Al.
  • an insulating layer is provided on the cavern floor and/or on the underside of the membrane in order to electrically connect the movable upper electrode in the membrane from the static/stationary lower electrode on the cavern floor in the case of a pressure sensor with capacitive measurement recording separate.
  • the present invention claims a micromechanical pressure sensor in which a pressure value/pressure curve is determined depending on sensor sizes of two membranes that cover different pressure ranges.
  • a method for determining the pressure value of such a micromechanical pressure sensor is claimed.
  • the micromechanical pressure sensor according to the invention has at least one membrane of a first type of membrane, by means of which a first pressure sensor variable can be detected in a first pressure range.
  • the first membrane is formed above a first cavity in a substrate, in particular made of semiconducting material, and/or in a layer system additionally provided on the substrate.
  • at least one second membrane of a second type of membrane is formed above a second cavity, by means of which a second pressure sensor variable can be detected in a second pressure range.
  • the two types of membrane are designed in such a way that their deflection behavior generates pressure sensor variables whose derived pressure values lie within different pressure ranges.
  • the core of the invention is that the different deflection behavior of the membrane types is caused by a different design of the dimensions of the first and second membrane types in at least one lateral direction. Furthermore, it is provided that at least one cavern of the first type of membrane and one cavern of the second type of membrane are connected to one another by means of a pressure compensation channel.
  • the advantage of using two membranes is that the pressure value recorded by the pressure sensor can be recorded much more precisely within the two pressure ranges.
  • non-linear dependencies can occur during the deflection of a membrane at the upper limit of the respective maximum specified pressure range, it can be particularly provided that by providing at least two membrane types/designs and appropriate preparation of the respective pressure sensor sizes over a large pressure range, a largely and at least in some areas linear derivation of the pressure value can be done. Nonlinear dependencies can be further avoided by providing a corresponding number of different types of membrane for a desired pressure range and stopping/limiting their membrane deflections accordingly early.
  • the first and second types of membrane differ essentially in the lateral dimensions of the corresponding membranes. It can be provided that only one of the two lateral directions differs from one another, so that, for example, both membranes have the same length but different widths. It can be provided here that the lateral extent of the membrane differs in at least one (surface) direction, for example by a double, triple or quadruple factor. This means, for example, that a membrane of the first type of membrane has a double, triple or four times the width or generally a corresponding multiplied edge length compared to a membrane of the second type of membrane. Alternatively, it can also be provided that one membrane is half, a third, a quarter, etcetera longer and/or wider than the other membrane.
  • the membranes used can have any geometric flat shape.
  • the two types of membrane differ in their radii.
  • ellipsoidal membranes it can be provided that only one of the radii varies between the two types of membrane.
  • both the length and the width can be varied. Varying both the length and width of a rectangular membrane can also result in differences Sensitivity in pressure detection leads to a larger area with the same pressurization and otherwise the same structure of the membrane leading to a larger maximum deflection of the membrane.
  • the desired pressure ranges to be detected can also be specifically adjusted.
  • the respective deflection of the membrane can be stopped/limited by stop structures.
  • the caverns located below the membranes are connected to at least one neighboring cavern via at least one pressure equalization channel.
  • at least a first cavity of a first type of membrane is connected directly or indirectly to at least a second cavity of a second type of membrane.
  • each membrane has its own membrane enclosing area through which the movement of the respective membrane can take place independently of other membranes.
  • the membrane border area can further be arranged between two membranes in such a way that it can be used for both one and the other membrane.
  • the membrane enclosing area can also have elements as a separating structure for both the movement of the membrane and for the cavity.
  • the membranes of the first type of membrane are designed for a lower pressure range and the membrane of the second type of membrane is designed for a higher pressure range.
  • the membranes of the first type of membrane are designed to have a larger area than the membrane of the second type of membrane, which means that even small pressure changes lead to larger deflections of the membranes of the first type of membrane.
  • These larger deflections with small pressure changes lead to a larger (value) change in the detected pressure sensor size or the pressure value derived from it in a low pressure range in relation to the lower applied pressure values than would be the case with smaller membrane areas (the second type of membrane).
  • the two pressure sensor sizes of the first type of membrane can be recorded separately and averaged.
  • the detection means for detecting the pressure sensor variables of the first type of membrane are electrically connected in such a way that they form a half-bridge arrangement or a full-bridge arrangement of a Wheatstone bridge configuration.
  • the detection means for detecting the pressure sensor variables of the second type of membrane can only be arranged in a Wheatstone half-bridge or quarter-bridge configuration for detecting a pressure value. If, for example, the deflection of a membrane leads to a change in a differential capacitor arrangement, a Wheatstone half-bridge arrangement can be set up with this to determine a pressure value.
  • the measurement signals/measured variables from two membranes of one type of membrane must be connected to a Wheatstone half-bridge arrangement or only a quarter-bridge configuration can be implemented. Based on how much Pressure sensor variables are generated/determined during the deflection of a membrane of a membrane type, any further electrical connections are possible in a Wheatstone bridge arrangement. Furthermore, the pressure sensor sizes of a first type of membrane can also be connected to the pressure sensor sizes of a second type of membrane to form a Wheatstone half or full bridge. The interconnection of pressure sensor variables in a Wheatstone bridge arrangement allows a more precise determination of a pressure value at least in a first pressure range of a first type of membrane and/or at least in a second pressure range of a second type of membrane.
  • the pressure sensor has a multiple of membranes of the first type of membrane compared to membranes of the second type of membrane.
  • a tripling or quadrupling can also be provided.
  • the membranes of the first type of membrane and the membranes of the second type of membrane can be arranged accordingly.
  • a symmetrical arrangement of the first and second types of membrane is recommended, especially if there are several membranes of at least one type and in particular in the case of a Wheatstone bridge arrangement, since otherwise offsets in the signal can occur.
  • two different types of membranes can be arranged symmetrically to one another and/or at least two membranes of a second type of membrane can be arranged symmetrically to a median perpendicular or a mirror axis of at least a first membrane of a first type of membrane.
  • the variation in extent can also play a role in the arrangement.
  • two membranes of the first type of membrane which have twice the width of the membrane of the second type, can be arranged next to one another and their width and/or length can be arranged adjacent to a membrane enclosing region of at least one membrane of the second type of membrane and/or with their width and /or length one have a common membrane border area with at least one membrane of the second type of membrane.
  • two membranes of the second type of membrane can be provided between two membranes of the first type of membrane and optionally have at least one common membrane border area with a membrane of the first type of membrane.
  • pressure equalization channels can also be arranged symmetrically, that is to say in the middle in relation to one of the cavern sides. Such a design allows for faster pressure equalization between the caverns.
  • the first type of membrane is intended for detecting a lower (more average) pressure range, in particular due to its larger membrane area, while the second type of membrane, in particular due to its smaller membrane area, is intended for a higher (more average) pressure range.
  • the membranes of at least one type of membrane can also have stiffeners or additional thickenings. These stiffeners or thickenings can also influence the pressure area, so that a targeted adjustment of the desired pressure area is possible.
  • stop elements can be provided on the underside of the membrane or on the cavern floor, which stop/limit movement of the membrane, for example to ensure that the membrane and/or at least one electrode attached to it rests directly on the cavern floor and/or one on it to prevent the electrode provided. With these stop elements it can also be ensured that the membrane is appropriately supported and does not break when the pressure exceeds the specification limit.
  • insulating layers can be provided on the underside of the membrane and/or on the cavern floor. Furthermore, insulating layers can also be provided on surfaces of electrodes which are on the membrane and/or on the cavern floor are attached in order to avoid a short circuit between the electrodes when the electrodes come into contact.
  • all known detection means can be used to detect the pressure sensor variables of the first and second types of membrane. It is therefore conceivable to detect the movement of the membranes by means of a capacitive configuration, in which the membrane has or controls at least a first movable electrode or the membrane itself is designed as a first movable electrode and at least one stationary second electrode is provided on the floor of the cavern is.
  • the underside of the membrane adjacent to the cavern area at least the underside of an electrode attached to the underside of the membrane, the cavern floor opposite the underside of the membrane and / or the top of at least a second stationary electrode provided on the cavern floor within the cavern area has an insulating layer, so that when the membrane and / or the movable electrode attached to the membrane is placed on the cavern floor and / or on the at least one stationary second electrode on the cavern floor, no electrical short circuit is generated. It is also possible to use piezoresistive elements on or in the membrane to detect its deflection.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the invention with two membranes of both types of membrane.
  • Figure 2 shows the symmetrical arrangement of one membrane of each type of membrane.
  • Figure 3 shows an exemplary embodiment in which a common membrane clamping area is used.
  • Figure 4 shows a possibility of arranging several membranes on the substrate surface in an area-optimized manner.
  • the block diagram of Figure 5 represents the evaluation of the recorded pressure sensor variables of the pressure sensor.
  • the present invention describes a micromechanical pressure sensor which can measure at least two pressure ranges of different sizes by means of at least two different types of membranes on a common substrate.
  • a micromechanical pressure sensor which can measure at least two pressure ranges of different sizes by means of at least two different types of membranes on a common substrate.
  • greater accuracy of the detected sensor size or the pressure value can be achieved than would be possible with just one membrane.
  • the two pressure ranges recorded by measurement merge into one another and thus the pressure of a medium applied to the membranes can be continuously recorded.
  • the two pressure areas do not overlap.
  • the use of different membranes takes advantage of the fact that larger membrane surfaces can be bent/deflected more strongly than smaller membrane surfaces when low pressure is applied.
  • the essential core of the invention is to select at least the lateral dimensions of the membrane surfaces for both types of membrane in such a way that at least one of the lateral dimensions is varied in the first type of membrane compared to the second type of membrane in order to scale the membrane area and that to be covered by the membranes to allow pressure ranges.
  • the sensitivities, the design of the membrane surfaces and/or the permissible deflection ranges of both membranes can be designed in such a way that the linear dependence of the deflection of the membrane on the pressure of the detected pressure sensor size of the second membrane of the second type of membrane continues to exist at a pressure value at which the first Membrane of the first type of membrane leaves its linear dependence on the applied pressure, decreases or comes to a stop. So you can with both of them Membrane types, two at least partially overlapping and complementary pressure ranges are measured and covered.
  • the membrane 200 has a membrane clamping area 210
  • the membrane 220 has a membrane clamping area 230
  • the membrane 300 has a membrane clamping area 310
  • the membrane 340 has a membrane clamping area 350.
  • the membrane clamping areas 210, 230, 310 and 350 serve to hold the respective membrane and to ensure that a membrane movement can take place independently of a membrane movement of the neighboring membrane.
  • the geometric dimensions of a cavity located below the membrane can be defined, into which the membrane can be deflected when pressure is applied.
  • the cavern can be provided on the substrate 100 and/or extend into the substrate 100. All membrane clamping areas 210, 230, 310 and 350 are structurally separated from one another in the exemplary embodiment of FIG. 1 by providing at least one separating structure or at least one wall between the membranes, the membrane clamping areas and/or the caverns. In order to be able to achieve a larger total cavern volume based on the individual volumes of the caverns created, caverns can be connected to one another via at least one pressure equalization channel.
  • the number, position, length, cross-sectional area, shape and/or location of access into a cavern of the at least one pressure equalization channel can be chosen arbitrarily.
  • the two caverns of the first type of membrane are connected via a pressure compensation channel 410 and the two caverns of the second type of membrane are connected via a further pressure compensation channel 420.
  • the caverns of the first and second type of membrane can optionally also be connected via an additional pressure compensation channel 400, which further increases the connected total volume.
  • contacting elements 110 are provided on or in the substrate 100 and/or on or in the layer system additionally provided on the substrate. These contacting elements 110 can be connected to electrodes of a capacitive measured variable detection or a piezoresistive resistance detection via electrical conductor tracks in or on the substrate 100 and/or in or on the substrate additionally provided layer system.
  • the membranes 200 and 220 of the first type of membrane have a width of 10 and a length of 20.
  • the width 10 of the membranes 200 and 220 of the first type of membrane is made several times larger, essentially twice as large, as the width 30 of the membranes 300 and 340 of the second type of membrane.
  • the length 40 of the membranes 300 and 340 of the second type of membrane can correspond to the length 20 of the membranes 200 and 220 of the first type of membrane.
  • the lengths 20 and 40 of the membranes can also differ for both types of membrane, as shown in Figure 1.
  • the membranes of the first type of membrane and the membranes of the second type of membrane differ only in one of the lateral dimensions on the substrate and/or on the layer system additionally provided on the substrate.
  • a membrane 320 of the second type of membrane is shown with a membrane clamping area 330 which has the same width 10 like the membrane 200 of the first type of membrane.
  • the second side, i.e. the length 40 of this membrane 320 is, however, shorter than the corresponding length 20 of the membrane 200 or the identical membrane 220.
  • a further embodiment of the invention is that more membranes of one of the two types of membrane are provided on the substrate than of the other type of membrane.
  • An embodiment of the pressure sensor can be provided in which, according to FIG. 1, the two membranes 200 and 220 of the first type of membrane and only the membrane 300 or 320 of the second type of membrane are provided on the substrate. Since a larger membrane area usually allows a lower pressure to be detected more sensitively, this configuration with the two larger membranes 200 and 220 of the first type of membrane allows the pressure applied to the membranes to be determined more precisely in a lower first pressure range. This can be achieved by connecting the pressure sensing means of the membranes 200 and 220 in parallel (for example in the form of a Wheatston bridge circuit) to achieve a higher measurement signal.
  • the pressure variables determined with the pressure detection means of the membranes 200 and 220 are compared with one another and an error analysis is carried out.
  • an average value is formed from the two recorded pressure variables of the membranes 200 and 220. Since the membrane surface of the membrane 300 or 320 is designed to be smaller, it bends less at lower pressures, which is why the pressure quantity recorded with this membrane is smaller in the lower first pressure range and is associated with a higher measurement deviation or with a higher measurement error. At pressures of the medium that are above the first pressure range, for which the first If the type of membrane is designed/specified, the further detection of the pressure variables or the pressure value detection is essentially carried out by the second type of membrane.
  • the use of at least two types of membrane is particularly advantageous when measuring large pressure ranges, in that high pressures and/or low pressures can be recorded very precisely.
  • a special measurement measurement of the pressure variables can also be provided.
  • the membranes 200 and/or 220 or the membranes 300 and/or 340 are each assigned to a half-bridge circuit or a full-bridge circuit of a Wheatstone bridge and the bridge signals obtained are further processed in terms of circuitry.
  • Membranes 200, 220 and 300, 320 of different sizes of the two types of membrane can also be arranged symmetrically on the substrate 100 and/or on a layer system additionally provided on the substrate, as shown in FIG. Such a symmetrical arrangement is particularly useful in the case when the widths 10 and 30 and/or the lengths 20 and 40 of the membranes of both types of membrane are different.
  • the caverns below the membranes 200 and 300 can be connected to at least one pressure compensation channel 400.
  • the at least one pressure equalization channel 400 can be arranged centrally on one side of the corresponding cavern, as in FIG. 400. Alternatively, however, provision can also be made to arrange the at least one pressure compensation channel decentrally on one side of the cavern.
  • the individual membranes 200, 220, 300, 320 and 340 each have their own, delimited/separate membrane border areas 210, 230, 310, 330 and 350.
  • at least two of the membranes at least partially have a common membrane border area 360 on one side.
  • a possible embodiment of an at least partially shared membrane enclosure 360 along a width of a membrane 300 of the second type of membrane and a portion of a width of a membrane 200 of the first type of membrane is shown in Figure 3.
  • a shared membrane border area 360 of the membrane 300 can also be arranged centrally with respect to a membrane border area of the membrane 200, as shown in FIG.
  • membranes can have a common membrane border area along a width, with no flush alignment with one of the long sides.
  • care must be taken to ensure that both membranes 200 and 300 can be deflected or moved independently of one another by the applied pressure, so that there is no influence of a membrane movement on the adjacent membrane.
  • the shared membrane enclosure region 360 can be supported by separating structures in the substrate or in the substrate surface and/or by separating structures in a layer system additionally provided on the substrate.
  • the separating structure can completely or partially represent the outer wall of one or both caverns under the membranes 200 and 300.
  • FIG. 1 Another possibility of arranging various membranes of the first and second membrane types, including the membrane enclosing areas, in an area-optimized manner on/in a substrate surface and/or on/in a layer system additionally provided on a substrate is shown in FIG.
  • individual caverns can have at least one pressure equalization channel to one of the adjacent/adjacent caverns.
  • at least one pressure equalization channel 400, 430 can be provided from caverns under several membranes 300, 320, 340 of the second type of membrane to a cavern at least under one membrane 200, 220 of the first type of membrane.
  • At least one pressure compensation channel 420 can also be provided between the caverns under the membranes 300, 320, 340 of the second type of membrane and/or at least one pressure compensation channel 410 between the caverns under the membranes 200, 220 of the first type of membrane.
  • Pressure compensation channels 400, 430 and / or 420 can be aligned centrally to a membrane side, while at least one pressure compensation channel 410 can be arranged decentrally between larger caverns under membranes 200, 220 of the first type of membrane.
  • the lateral membrane dimensions due to the different variations in the width and length of both types of membrane, it can also be provided to determine the respective pressure range to be measured by the layer structure and / or the layer thickness of the membranes and / or the membrane borders.
  • measurements in different pressure ranges can advantageously be coordinated with one another in order, for example, to be able to record a large pressure range with a high level of accuracy.
  • the elasticity of the membranes can also be advantageously influenced by varying the material composition and/or at least a layer thickness of the layer structure of the membranes. By influencing the elasticity of the membranes, the pressure-dependent deflections of the membranes can be influenced and the respective types of membranes can be provided for defined pressure ranges.
  • stiffening structures can be provided on, under, in or next to a membrane, which also influence the movement of the membrane.
  • the upper limit of the pressure range for which the respective type of membrane is intended can also be determined/specified by using stop structures below the membrane or on the cavern floor.
  • the detection of the pressure sensor variables of the individual detection means, which are assigned to the respective membranes of the first and second membrane types, can be carried out with a processing unit 500 or generally an evaluation unit.
  • first pressure sensor sizes of the membranes 520 of the first types of membrane are recorded and/or read in individually or as a total size.
  • second pressure sensor sizes of the membranes 530 of the second types of membrane are also recorded and/or read in individually or as a total size.
  • the processing unit 500 can derive a pressure value that represents the pressure applied to the membranes 520 and 530 represented by liquid or gaseous medium.
  • this pressure value can be forwarded to another system 550, which uses this pressure value for control, regulation and/or display.
  • a common one can be achieved
  • Pressure sensor size is recorded, from which the pressure value is determined.
  • the processing unit 500 can further have a memory 510 in which conversion factors, parameters, pressure sensor variables, pressure sensor values and/or dependencies of the pressure sensor variables on other, in particular physical (environmental) variables, can be stored as a database.
  • a memory 510 in which conversion factors, parameters, pressure sensor variables, pressure sensor values and/or dependencies of the pressure sensor variables on other, in particular physical (environmental) variables, can be stored as a database.
  • the temperature of the applied liquid or gaseous medium, that of the pressure sensor structure, for example that of the substrate and/or that of the membrane, and/or the temperature of the environment of the pressure sensor is detected and at the Determination or derivation of the pressure value from the recorded pressure sensor variables is taken into account.

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Abstract

Der erfindungsgemäße mikromechanische Drucksensor weist wenigstens eine Membran einer ersten Membranart auf, mittels der eine erste Drucksensorgröße in einem ersten Druckbereich erfasst werden kann. Um die Durchbiegung der Membran zu ermöglichen, ist die erste Membran oberhalb einer ersten Kaverne in/auf einem insbesondere aus halbleitendem Material bestehenden Substrat ausgebildet. In/auf diesem Substrat ist wenigstens eine zweite Membran einer zweiten Membranart oberhalb einer zweiten Kaverne ausgebildet, mittels der eine zweite Drucksensorgröße in einem zweiten Druckbereich erfasst werden kann. Die beiden Membranarten sind dabei derart ausgestaltet, dass deren Durchbiegungsverhalten jeweils Drucksensorgrößen erzeugt, die innerhalb verschiedener Druckbereiche ermittelt werden. Dabei ist vorgesehen, dass sich die verschiedenen Druckbereiche teilweise überlappen können. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das unterschiedliche Durchbiegungsverhalten der Membranen der verschiedenen Membranarten durch eine unterschiedliche Gestaltung der geometrischen Ausdehnungen der wenigsten einen ersten und der wenigsten einen zweiten Membran in wenigstens einer lateralen Richtung hervorgerufen wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass wenigstens eine Kaverne unter einer Membran der ersten Membranart und eine Kaverne unter einer Membran der zweiten Membranart mittels eines Druckausgleichskanals miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanischer Drucksensor mit
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zwei Membranen zur
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Verfahren
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor mit wenigstens zwei Membranen zur Bestimmung eines Druckwerts sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.
Stand der Technik
Typische mikromechanische Drucksensoren weisen eine Membran auf, bei der in Abhängigkeit von der Verbiegung der Membran ein Druckwert eines anliegenden Mediums erfasst wird. Die Membran ist dabei üblicherweise auf einen Druckbereich ausgelegt, in dem sie sich definiert verbiegen lässt. Wird dieser Druckbereich überschritten, können Anschlagselemente unterhalb der Membran oder am Kavernenboden vorgesehen sein, die die Durchbiegung und somit die Membranbewegung stoppen/begrenzen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Membran beim Überschreiten des spezifizierten Druckbereichs auf dem Kavernenboden aufliegt, so dass die weitere Durchbiegung der Membran behindert wird. Ein derartiges Drucksensorsystem ist beispielsweise in der DE10 2009 001 924 Al beschrieben. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass auf dem Kavernenboden und/oder auf der Membranunterseite eine isolierende Schicht vorgesehen ist, um bei einem Drucksensor mit einer kapazitiven Messwerterfassung die bewegliche obere Elektrode in der Membran von der statischen/stationären unteren Elektrode auf dem Kavernenboden elektrisch zu trennen.
Zur Erfassung verschiedener Druckbereiche kann vorgesehen sein, unterschiedliche Membranen mit voneinander unterschiedlichen Durchbiegungsverhalten auf einem Substrat zu integrieren. Entsprechende Drucksensoren sind aus den Schriften DE 101 32 269 Al oder WO 00/37913 Al bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Drucksensor beansprucht, bei dem ein Druckwert/Druckverlauf in Abhängigkeit von Sensorgrößen zweier Membranen bestimmt wird, die unterschiedliche Druckbereiche abdecken. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Bestimmung des Druckwerts eines derartigen mikromechanischen Drucksensors beansprucht.
Der erfindungsgemäße mikromechanische Drucksensor weist wenigstens eine Membran einer ersten Membranart auf, mittels der eine erste Drucksensorgröße in einem ersten Druckbereich erfasst werden kann. Um die Durchbiegung der Membran zu ermöglichen, ist die erste Membran oberhalb einer ersten Kaverne in einem insbesondere aus halbleitendem Material bestehenden Substrat und/oder in einem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem ausgebildet. In/auf dem Substrat und/oder in/auf dem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem ist wenigstens eine zweite Membran einer zweiten Membranart oberhalb einer zweiten Kaverne ausgebildet, mittels der eine zweite Drucksensorgröße in einem zweiten Druckbereich erfasst werden kann. Die beiden Membranarten sind dabei derart ausgestaltet, dass deren Durchbiegungsverhalten jeweils Drucksensorgrößen erzeugt, deren abgeleitete Druckwerte innerhalb verschiedener Druckbereiche liegen. Dabei ist vorgesehen, dass sich diese Druckbereiche teilweise überlappen oder der erste Druckbereich im Wesentlichen innerhalb des weiteren zweiten Druckbereichs liegt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das unterschiedliche Durchbiegungsverhalten der Membranarten durch eine unterschiedliche Gestaltung der Ausdehnungen der ersten und zweiten Membranart in wenigstens einer lateralen Richtung hervorgerufen wird. Weiterhin ist vorgesehen, dass wenigstens eine Kaverne der ersten Membranart und eine Kaverne der zweiten Membranart mittels eines Druckausgleichskanals miteinander verbunden sind. Die Verwendung zweier Membranen hat den Vorteil, dass der erfasste Druckwert des Drucksensors innerhalb der beiden Druckbereiche sehr viel genauer erfasst werden kann. Da bei der Durchbiegung einer Membran an der oberen Grenze des jeweiligen maximal spezifizierten Druckbereiches nichtlineare Abhängigkeiten auftreten können, kann besonders vorgesehen sein, dass durch Vorsehen von wenigstens zwei Membranarten/-auslegungen und entsprechender Aufbereitung der jeweiligen Drucksensorgrößen über einen großen Druckbereich eine weitestgehend und zumindest bereichsweise lineare Ableitung des Druckwerts erfolgen kann. Nichtlineare Abhängigkeiten können weiter vermieden werden, indem für einen gewünschten Druckbereich eine entsprechende Anzahl von unterschiedlichen Membranarten vorgesehen wird und deren Membranauslenkungen entsprechend früh gestoppt/begrenzt werden.
Die erste und die zweite Membranart unterscheiden sich in einer Ausführung im Wesentlichen in den lateralen Ausdehnungen der entsprechenden Membranen. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich nur eine der beiden lateralen Richtungen voneinander unterscheidet, so dass beispielsweise beide Membranen die gleiche Länge, aber unterschiedliche Breiten haben. Hierbei kann vorgesehen sein, dass sich die laterale Ausdehnung der Membran in wenigstens einer (Oberflächen-) Richtung unterscheidet, zum Beispiel um den doppelten, dreifachen oder vierfachen Faktor. Dies bedeutet beispielsweise, dass eine Membran der ersten Membranart eine doppelte, dreifache oder vierfache Breite oder allgemein eine entsprechende vervielfachte Kantenlänge gegenüber einer Membran der zweiten Membranart aufweist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass eine Membran um die Hälfte, ein Drittel, ein Viertel, etcetera länger und/oder breiter als die andere Membran ist.
Allgemein können die verwendeten Membranen jede geometrische flächige Form aufweisen. Bei der Verwendung von runden Membranen unterscheiden sich die beiden Membranarten durch ihre Radien. Im Fall von ellipsoiden Membranen kann vorgesehen sein, dass nur einer der Radien bei den beiden Membranarten variiert. Bei rechteckigen Membranen kann sowohl die Länge als auch die Breite variiert werden. Auch die Variation sowohl der Länge als auch der Breite einer rechteckigen Membran kann zu unterschiedlichen Empfindlichkeiten bei der Druckerfassung führen, da eine größere Fläche bei gleicher Druckbeaufschlagung und ansonsten gleichem Aufbau der Membran zu einer größeren maximalen Auslenkung der Membran führt. Über die Variation der wenigstens einen lateralen Ausdehnung der zweidimensionalen Membranen auf oder in dem Substrat und/oder auf oder in dem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem können darüber hinaus gezielt die gewünschten zu erfassenden Druckbereiche eingestellt werden. Darüber hinaus kann die jeweilige Auslenkung der Membran durch Anschlagstrukturen gestoppt/begrenzt wird.
Die unterhalb der Membranen befindlichen Kavernen sind zumindest mit einer Nachbarkaverne über zumindest einen Druckausgleichkanal verbunden. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass zumindest eine erste Kaverne einer ersten Membranart direkt oder indirekt mit zumindest einer zweiten Kaverne einer zweiten Membranart verbunden ist. Eine derartige Verbindung ermöglicht bei der Erzeugung der Sensoren den Einschluss eines identischen Kaverneninnendrucks in allen miteinander verbundenen Kavernen, so dass sich bezüglich des Einflusses des Kaverneninnendrucks auf die jeweilige Drucksensorgröße, gleiche Ausgangsbedingungen bei der Erfassung der Drucksensorgrößen vorherrschen. Durch das größere Gesamtvolumen aller verbundener Kavernen kann ebenfalls ein Ausgaseffekt, der sich bei der Herstellung und/oder bei der Erwärmung des Systems im Betrieb ergibt und der Einfluss auf die erfassten Drucksensorgrößen hat, abgeschwächt werden. Die durch den Ausgaseffekt in das (Gesamt-) Kavernenvolumen eintretenden Teilchen verteilen sich so auf ein größeres Volumen, so dass sich eine Stabilisierung des Sensorsignals und insbesondere des Offsets in Abhängigkeit der Temperatur ergibt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass jede Membran einen eigenen Membraneinfassungsbereich aufweist, durch den die Bewegung der jeweiligen Membran unabhängig von anderen Membranen erfolgen kann. Der Membraneinfassungsbereich kann weiter derart zwischen zwei Membranen angeordnet sein, dass er sowohl für die eine als auch die andere Membran verwendet werden kann. Der Membraneinfassungsbereich kann darüber hinaus Elemente als Trennstruktur sowohl für die Bewegung der Membran als auch für die Kaverne aufweisen. Zur Erfassung des Druckwerts in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membranen kann vorgesehen sein, dass zur Erfassung der zugrunde liegenden Drucksensorgröße zwei Membranen erster Membranart und eine Membran zweiter Membranart auf dem Substrat vorgesehen sind. Mittels der Erfassung der Durchbiegung zweier Membranen der ersten Membranart kann die Drucksensorgröße im ersten Druckbereich genauer erfasst werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Membranen erster Membranart für einen niedrigeren Druckbereich ausgelegt sind und die Membran zweiter Membranart für einen höheren Druckbereich ausgelegt ist. Um in einem niedrigen Druckbereich eine hohe Messempfindlichkeit erzielen zu können, sind die Membranen der ersten Membranart flächenmäßig größer ausgelegt als die Membran zweiter Membranart , wodurch schon kleine anliegende Druckänderungen zu größeren Auslenkungen der Membranen erster Membranart führen. Diese größeren Auslenkungen bei kleinen Druckänderungen führen in einem niedrigen Druckbereich im Verhältnis zu den niedrigeren anliegenden Druckwerten zu einer größeren (Wert-)Änderung der erfassten Drucksensorgröße beziehungsweise des daraus abgeleiteten Druckwerts als es bei kleineren Membranflächen (der zweiten Membranart) der Fall wäre. In einer Ausführung können dabei die beiden Drucksensorgrößen der ersten Membranart separat erfasst und gemittelt werden. In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Erfassungsmittel zur Erfassung der Drucksensorgrößen der ersten Membranart derart elektrisch verschaltet sind, dass sie eine Halbbrückenanordnung oder eine Vollbrückenanordnung einer Wheatstone- Brückenkonfiguration bilden. Dagegen können die Erfassungsmittel zur Erfassung der Drucksensorgrößen der zweiten Membranart nur in einer Wheatstoneschen Halbbrücken- oder einer Viertelbrückenkonfiguration zur Erfassung eines Druckwerts angeordnet sein. Führt die Auslenkung einer Membran zum Beispiel zur Veränderung einer Differentialkondensatoranordnung, so kann bereits mit dieser eine Wheatstonesche Halbbrückenanordnung zur Bestimmung eines Druckwerts aufgebaut werden. Führt die Auslenkung einer Membran zum Beispiel zur Veränderung einer einfachen Kondensatorstruktur, müssen die Messsignale/Messgrößen von zwei Membranen einer Membranart zu einer Wheatstoneschen Halbbrückenanordnung verschaltet werden oder es kann nur eine Viertelbrückenkonfiguration umgesetzt werden. Ausgehend davon, wieviel Drucksensorgrößen bei der Auslenkung einer Membran einer Membranart erzeugt/ermittelt werden, sind beliebige weitere elektrische Verschaltungen in einer Wheatstoneschen Brückenanordnung möglich. Weiter können auch die Drucksensorgrößen einer ersten Membranart mit den Drucksensorgrößen einer zweiten Membranart zu einer Wheatstoneschen Halb- oder Vollbrücke verschaltet werden. Die Verschaltung von Drucksensorgrößen in einer Wheatstoneschen Brückenanordnung erlaubt eine genauere Bestimmung eines Druckwerts zumindest in einem ersten Druckbereich einer ersten Membranart und/oder zumindest in einem zweiten Druckbereich einer zweiten Membranart.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass der Drucksensor ein Vielfaches an Membranen erster Membranart gegenüber Membranen der zweiten Membranart aufweist. So können beispielsweise neben der bereits erwähnten Verdoppelung auch eine Verdreifachung oder Vervierfachung vorgesehen sein.
Um die Fläche auf dem Substrat effektiv auszunutzen, können die Membranen der ersten Membranart und die Membranen der zweiten Membranart entsprechend angeordnet werden. Hierbei bietet sich eine symmetrische Anordnung der ersten und zweiten Membranarten an, insbesondere, wenn von wenigstens einer Art mehrere Membranen vorliegen und insbesondere bei einer Wheatstoneschen Brückenanordnung, da es sonst zu Offsets im Signal kommen kann.
Alternativ können auch zwei unterschiedliche Membranarten symmetrisch zueinander angeordnet werden und/oder wenigstens zwei Membranen einer zweiten Membranart symmetrisch zu einer Mittelsenkrechten oder einer Spiegelachse wenigstens einer ersten Membran einer ersten Membranart angeordnet sein.
Ebenso kann die Variation der Ausdehnung eine Rolle bei der Anordnung spielen. So können beispielsweise zwei Membranen erster Membranart, die die doppelte Breite gegenüber der Membran zweiter Art aufweisen, nebeneinander angeordnet sein und mit ihrer Breite und/oder Länge benachbart zu einem Membraneinfassungsbereich von wenigstens einer Membran der zweiten Membranart angeordnet sein und/oder mit ihrer Breite und/oder Länge einen gemeinsamen Membraneinfassungsbereich mit wenigstens einer Membran der zweiter Membranart aufweisen.
Auch können zum Beispiel zwei Membranen der zweiten Membranart, deren Breite nur der Hälfte der Breite einer Membran der ersten Membranart entspricht, zwischen zwei Membranen der ersten Membranart vorgesehen werden und optional zumindest einen gemeinsamen Membraneinfassungsbereich mit einer Membran der ersten Membranart aufweisen.
Zusätzlich können die Druckausgleichskanäle ebenfalls symmetrisch angeordnet sein, das heißt jeweils mittig bezogen auf eine der Kavernenseiten. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt einen schnelleren Druckausgleich zwischen den Kavernen.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Membranart zur Erfassung eines niederen (durchschnittlicheren) Druckbereichs vorgesehen, insbesondere durch ihre größere Membranfläche, während die zweite Membranart, insbesondere durch ihre kleinere Membranfläche, für einen höheren (durchschnittlicheren) Druckbereich vorgesehen ist.
Die Membranen wenigstens einer Membranart können darüber hinaus Versteifungen oder zusätzliche Verdickungen aufweisen. Diese Versteifungen oder Verdickungen können ebenfalls den Druckbereich beeinflussen, so dass hierdurch eine gezielte Einstellung des gewünschten Druckbereichs möglich ist. Darüber hinaus können an der Unterseite der Membran oder auch auf dem Kavernenboden Anschlagelemente vorgesehen sein, die eine Bewegung der Membran stoppen/beschränken, um beispielsweise ein direktes Aufliegen der Membran und/oder zumindest einer an ihr befestigten Elektrode auf den Kavernenboden und/oder einer darauf vorgesehenen Elektrode zu verhindern. Mit diesen Anschlagelementen kann auch erreicht werden, dass die Membran bei einem über der Spezifikationsgrenze anliegenden Druck geeignet abgestützt wird und nicht bricht. Zusätzlich können isolierende Schichten auf der Unterseite der Membran und/oder auf dem Kavernenboden vorgesehen sein. Weiter können isolierende Schichten auch auf Oberflächen von Elektroden vorgesehen sein, welche an der Membran und/oder auf dem Kavernenboden befestigt sind, um bei Kontakt der Elektroden einen Kurzschluss zwischen den Elektroden vermeiden zu können.
Generell können bei der Erfassung der Drucksensorgrößen der ersten und zweiten Membranart alle bekannten Erfassungsmittel verwendet werden. So ist denkbar, die Bewegung der Membranen mittels eine kapazitiven Ausgestaltung zu erfassen, bei dem die Membran zumindest eine erste bewegliche Elektrode aufweist oder ansteuert oder die Membran selbst als eine erste bewegliche Elektrode ausgeführt ist und auf dem Boden der Kaverne zumindest eine stationäre zweite Elektrode vorgesehen ist. In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass die an den Kavernenbereich angrenzende Membranunterseite, zumindest die Unterseite einer an der Membranunterseite befestigten Elektrode, der der Membranunterseite gegenüber liegende Kavernenboden und/oder die Oberseite zumindest einer zweiten, auf dem Kavernenboden innerhalb des Kavernenbereichs vorgesehenen, stationären Elektrode eine isolierende Schicht aufweist, so dass bei einem Aufsetzen der Membran und/oder der an der Membran befestigten beweglichen Elektrode auf dem Kavernenboden und/oder auf der zumindest einen stationären zweiten Elektrode auf dem Kavernenboden kein elektrischer Kurzschluss erzeugt wird. Daneben ist auch die Verwendung von piezoresisitiven Elementen auf oder in der Membran möglich, um deren Durchbiegung zu erfassen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit jeweils zwei Membranen beider Membranarten dargestellt. Figur 2 zeigt die symmetrische Anordnung von jeweils einer Membran beider Membranarten. Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein gemeinsamer Membraneinspannungsbereich verwendet wird. Mit der Figur 4 wird eine Möglichkeit gezeigt, mehrere Membranen flächenoptimiert auf der Substratoberfläche anzuordnen. Das Blockschaltbild der Figur 5 stellt die Auswertung der erfassten Drucksensorgrößen des Drucksensors dar. Ausführungsformen der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein mikromechanischer Drucksensor beschrieben, der mittels wenigstens zweier verschiedener Membranarten auf einem gemeinsamen Substrat wenigstens zwei verschieden große Druckbereiche messtechnisch erfassen kann. Zudem kann mit der Ausgestaltung der Membranen bezüglich der unterschiedlichen Druckbereiche eine größere Genauigkeit der erfassten Sensorgröße beziehungsweise des Druckwerts erreicht werden, als es mit nur einer Membran möglich wäre. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die beiden messtechnisch erfassten Druckbereiche ineinander übergehen und somit durchgängig der Druck eines an den Membranen anliegenden Mediums erfasst werden kann. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Druckbereiche keinen Überlapp haben. Generell wird beim Einsatz unterschiedlicher Membranen ausgenutzt, dass sich größere Membranflächen beim Anlegen eines niedrigen Drucks stärker verbiegen/auslenken lassen als kleinere Membranflächen. Beim Vorsehen von wenigstens zwei unterschiedlich großen Membranflächen können dadurch vorteilhaft Drucksensorgrößen in verschiedenen Druckbereichen besonders genau/präzise erfasst werden.
Der wesentliche Kern der Erfindung besteht darin, zumindest die lateralen Ausdehnungen der Membranflächen bei beiden Membranarten derart zu wählen, dass bei der ersten Membranart gegenüber der zweiten Membranart wenigstens eine der lateralen Ausdehnungen variiert wird, um so eine Skalierung der Membranfläche sowie der mit den Membranen abzudeckenden Druckbereiche zu ermöglichen. Dabei können die Empfindlichkeiten, die Ausgestaltung der Membranflächen und/oder die zulässigen Auslenkungsbereiche beider Membranen so ausgelegt werden, dass die lineare Abhängigkeit der Durchbiegung der Membran vom Druck der erfassten Drucksensorgröße der zweiten Membran der zweiten Membranart bei einem Druckwert weiterhin besteht, bei dem die erste Membran der ersten Membranart ihre lineare Abhängigkeit vom anliegenden Druck verlässt, abnimmt bzw. in einen Anschlag geht. Somit können mit den beiden Membranarten zwei zumindest teilweise überlappende und sich ergänzende Druckbereiche messtechnisch erfasst und abgedeckt werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 wird eine Anordnung beschrieben, bei der zwei erste Membranen 200 und 220 der ersten Membranart sowie zwei zweite Membranen 300 und 340 der zweiten Membranart auf einem Substrat 100 und/oder auf einem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem angeordnet sind. Die Membran 200 weist dabei einen Membraneinspannungsbereich 210, die Membran 220 einen Membraneinspannungsbereich 230, die Membran 300 einen Membraneinspannungsbereich 310 und die Membran 340 einen Membraneinspannungsbereich 350 auf. Die Membraneinspannungsbereiche 210, 230, 310 und 350 dienen zur Halterung der jeweiligen Membran und zur Sicherstellung, dass eine Membranbewegung unabhängig von einer Membranbewegung der Nachbarmembran erfolgen kann. Weiterhin können mit der Auslegung des Membraneinspannungsbereichs die geometrischen Abmessungen einer unterhalb der Membran liegenden Kaverne definiert werden, in welche eine Auslenkung der Membran bei einer Druckbeaufschlagung erfolgen kann. Die Kaverne kann dabei auf dem Substrat 100 vorgesehen sein und/oder sich in das Substrat 100 hinein erstrecken. Alle Membraneinspannungsbereiche 210, 230, 310 und 350 sind im Ausführungsbeispiel der Figur 1 baulich voneinander getrennt, indem zumindest eine Trennstruktur oder zumindest eine Wand zwischen den Membranen, den Membraneinspannungsbereichen und/oder den Kavernen vorgesehen ist. Um ausgehend von den Einzelvolumen der erzeugten Kavernen ein größeres Kavernengesamtvolumen erzielen zu können, können Kavernen über zumindest einen Druckausgleichkanal untereinander verbunden sein. Anzahl, Position, Länge, Querschnittsfläche, Form und/oder Ort des Zugang in eine Kaverne des zumindest einen Druckausgleichkanals können beliebig gewählt sein. Im vorliegenden Fall sind beispielsweise die beiden Kavernen der ersten Membranart über einen Druckausgleichskanal 410 und die beiden Kavernen der zweiten Membranart über einen weiteren Druckausgleichskanal 420 verbunden. In einer weiteren Ausgestaltung können die Kavernen der ersten und zweiten Membranart optional auch über einen zusätzlichen Druckausgleichskanal 400 verbunden werden, wodurch sich das verbundene Gesamtvolumen nochmals erhöht. Vorteilhaft müssen durch das Vorsehen von Druckausgleichkanälen temperaturbedingte und vom einem jeweiligen Kavernenvolumen und/oder einem jeweiligen Kaverneninnendruck abhängige Einflüsse auf ein Sensorsignal nicht für jede Membran und/oder jede Membranart ermittelt und/oder berücksichtigt werden. Zur Kontaktierung der Erfassungsmittel auf oder in den Membranen sind Kontaktierungselemente 110 auf oder in dem Substrat 100 und/oder auf oder in dem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem vorgesehen. Diese Kontaktierungselemente 110 können über elektrische Leiterbahnen in oder auf dem Substrat 100 und/oder in oder auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem mit Elektroden einer kapazitiven Messgrößenerfassung oder eine piezoresistiven Widerstandserfassung verbunden sein.
Die Membranen 200 und 220 der ersten Membranart weisen eine Breite 10 und eine Länge 20 auf. Im vorliegenden Beispiel der Figur 1 ist die Breite 10 der Membranen 200 und 220 der ersten Membranart um ein Vielfaches größer ausgeführt, im Wesentlichen doppelt so groß, wie die Breite 30 der Membranen 300 und 340 der zweiten Membranart. Die Länge 40 der Membranen 300 und 340 der zweiten Membranart kann der Länge 20 der Membranen 200 und 220 der ersten Membranart entsprechen. Alternativ können sich die Längen 20 und 40 der Membranen bei beiden Membranarten aber auch unterscheiden, wie es in der Figur 1 dargestellt ist. So ist es denkbar, neben den Breiten auch die Längen der Membranen 300 und 340 der zweiten Membranart gegenüber den Längen der Membranen 200 und 220 der ersten Membranart um einen insbesondere definierten Betrag länger auszuführen. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, nur die Breiten oder nur die Längen zu variieren und die andere Seite gleich lang zu lassen. Letzteres hat den Vorteil, dass sowohl die Druckbereiche einfacher aufeinander abgestimmt werden können als auch die Membranen beider Membranarten einfacher flächenoptimiert auf dem Substrat 100 angeordnet werden können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich die Membranen der ersten Membranart und die Membranen der zweiten Membranart lediglich in einer der lateralen Ausdehnungen auf dem Substrat und/oder auf dem zusätzlich auf dem Substrat vorgesehenen Schichtsystem unterscheiden. In Figur 1 ist hierzu eine Membran 320 der zweiten Membranart mit einem Membraneinspannungsbereich 330 dargestellt, die die gleiche Breite 10 wie die Membran 200 der ersten Membranart aufweist. Die zweite Seite, das heißt die Länge 40 dieser Membran 320 ist hingegen kürzer als die entsprechende Länge 20 der Membran 200 beziehungsweise der baugleichen Membran 220. Durch die Variation nur einer Richtung der lateralen Membranausdehnung kann eine einfachere Skalierung und somit eine Abstimmung des Druckbereichs beider Membranarten erreicht werden. Die Ausgestaltung des Drucksensors gemäß dieser Variation hat zudem den Vorteil, dass die Substratoberfläche hinsichtlich der Flächennutzung noch besser ausgenutzt werden kann und keine ungenutzten Bereiche entstehen beziehungsweise die Sensorfläche auf die verwendeten Membranflächen minimiert werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass von einer der beiden Membranarten mehr Membranen auf dem Substrat vorgesehen sind als von der anderen Membranart. So kann eine Ausgestaltung des Drucksensors vorgesehen sein, bei der gemäß der Figur 1 die beiden Membranen 200 und 220 der ersten Membranart und lediglich die Membran 300 oder 320 der zweiten Membranart auf dem Substrat vorgesehen sind. Da durch eine größere Membranfläche üblicherweise ein niedrigerer Druck empfindlicher erfasst werden kann, kann durch diese Ausgestaltung mit den beiden größeren Membranen 200 und 220 der ersten Membranart in einem niedrigeren ersten Druckbereich der an den Membranen anliegende Druck genauer bestimmt werden. Dies kann erreicht werden, indem die Druckerfassungsmittel der Membranen 200 und 220 (zum Beispiel in Form einer Wheatstonschen Brückenschaltung) parallel geschaltet werden, um ein höheres Messsignal zu erzielen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die mit den Druckerfassungsmitteln der Membranen 200 und 220 ermittelten Druckgrößen untereinander verglichen werden und eine Fehleranalyse durchgeführt wird. In einer weiteren Ausführung kann vorgesehen sein, dass ein Mittelwert aus beiden erfassten Druckgrößen der Membranen 200 und 220 gebildet wird. Da die Membranfläche der Membran 300 beziehungsweise 320 kleiner ausgestaltet ist, durchbiegt sie sich bei geringeren Drücken weniger stark, weshalb die mit dieser Membran erfassten Druckgröße in dem niedrigeren ersten Druckbereich kleiner ist und mit einer höheren Messabweichung bzw. mit einem höheren Messfehler verbunden ist. Bei anliegenden Drücken des Mediums, die oberhalb des ersten Druckbereichs liegen, für den die erste Membranart ausgelegt/spezifiziert ist, erfolgt die weitere Erfassung der Druckgrößen beziehungsweise der Druckwerterfassung im Wesentlichen durch die zweite Membranart. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von zumindest zwei Membranarten bei der Messung großer Druckbereiche, indem große Drücke und/oder niedrige Drücke sehr präzise erfasst werden können.
Bei der Verwendung von zwei Membranen 200 und 220 der ersten Membranart und zwei Membranen 300 beziehungsweise 340 der zweiten Membranart kann zudem eine besondere Messwerterfassung der Druckgrößen vorgesehen sein. Bei dieser Messwerterfassung werden die Membranen 200 und/oder 220 beziehungsweise die Membranen 300 und/oder 340 jeweils einer Halbbrückenschaltung oder einer Vollbrückenschaltung einer Wheatstone- Brücke zugeordnet und die erhaltenen Brückensignale schaltungstechnisch weiter verarbeitet.
Unterschiedlich große Membranen 200, 220 und 300, 320 der beiden Membranarten können weiter auch symmetrisch auf dem Substrat 100 und/oder auf einem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem angeordnet sein, wie es in der Figur 2 gezeigt wird. Eine derartige symmetrisierte Anordnung ist insbesondere für den Fall sinnvoll, wenn die Breiten 10 und 30 und/oder die Längen 20 und 40 der Membranen beider Membranarten unterschiedlich sind. Wie auch bei der Ausführung gemäß der Figur 1 können die Kavernen unterhalb der Membranen 200 und 300 mit zumindest einem Druckausgleichskanal 400 verbunden sein. Dabei kann der zumindest eine Druckausgleichkanal 400 wie in der Figur 400 zentral an einer Seite der entsprechenden Kaverne angeordnet sein. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, den zumindest einen Druckausgleichkanal dezentral an einer Kavernenseite anzuordnen.
In den Figuren 1 und 2 ist deutlich angezeigt, dass die einzelnen Membranen 200, 220, 300, 320 und 340 jeweils eigene, voneinander abgegrenzte/getrennte, Membraneinfassungsbereiche 210, 230, 310, 330 und 350 besitzen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der Membranen an einer Seite wenigstens teilweise einen gemeinsamen Membraneinfassungsbereich 360 aufweisen. Eine mögliche Ausgestaltung einer zumindest teilweise gemeinsam genutzten Membraneinfassung 360 entlang einer Breite einer Membran 300 der zweiten Membranart und einem Teilbereich einer Breite einer Membran 200 der ersten Membranart ist in der Figur 3 dargestellt. Alternativ kann ein gemeinsam genutzter Membraneinfassungsbereich 360 der Membran 300 auch zentral bezugnehmend auf einen Membraneinfassungsbereich der Membran 200 angeordnet sein, wie es in der Figur 2 dargestellt ist. In einer weiteren Ausführungsform können Membranen entlang einer Breite einen gemeinsamen Membraneinfassungsbereich besitzen, wobei keine bündige Ausrichtung zu einer der Längsseiten besteht. Bei einem zumindest teilweise gemeinsam genutzten Membraneinfassungsbereich 360 ist jedoch darauf zu achten, dass beide Membranen 200 und 300 unabhängig voneinander durch den anliegenden Druck ausgelenkt beziehungsweise bewegt werden können, so dass kein Einfluss einer Membranbewegung auf die benachbarte Membran erfolgt. Der gemeinsam genutzte Membraneinfassungsbereich 360 kann durch Trennstrukturen im Substrat oder in der Substratoberfläche und/oder durch Trennstrukturen in einem auf dem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem unterstützt werden. Die Trennstruktur kann dabei ganz oder teilweise die Außenwand einer oder beider Kavernen unter den Membranen 200 und 300 darstellen.
Eine weitere Möglichkeit, verschiedene Membranen der ersten und zweiten Membranart inklusiver der Membraneinfassungsbereiche flächenoptimiert auf/in einer Substratoberfläche und/oder auf/in einem auf einem Substrat zusätzlich vorgesehenen Schichtsystem anzuordnen, wird in der Figur 4 dargestellt. Wie auch bereits in der Ausführung gemäß der Figur 1 dargestellt, ist deutlich zu erkennen, dass einzelne Kavernen zumindest einen Druckausgleichkanal zu einer der angrenzenden/benachbarten Kavernen aufweisen können. Dabei kann beispielsweise auch von Kavernen unter mehreren Membranen 300, 320, 340 der zweiten Membranart jeweils zumindest ein Druckausgleichkanal 400, 430 zu einer Kaverne zumindest unter einer Membran 200, 220 der ersten Membranart vorgesehen sein. Optional kann weiter auch zumindest ein Druckausgleichkanal 420 zwischen den Kavernen unter den Membranen 300, 320, 340 der zweiten Membranart und/oder zumindest ein Druckausgleichkanal 410 zwischen den Kavernen unter den Membranen 200, 220 der ersten Membranart vorgesehen sein. Ebenfalls können beispielsweise insbesondere bei kleinen Kavernen unter Membranen 300, 320, 340 der zweiten Membranart Druckausgleichkanäle 400, 430 und/oder 420 mittig zu einer Membranseite ausgerichtet sein, während zumindest ein Druckausgleichskanal 410 zwischen größeren Kavernen unter Membranen 200, 220 der ersten Membranart dezentral angeordnet sein kann.
Neben der geometrischen Wahl der lateralen Membranabmessungen aufgrund der unterschiedlichen Variationen in der Breite und in der Länge beider Membranarten kann zusätzlich vorgesehen sein, den jeweiligen messtechnisch zu erfassenden Druckbereich durch den Schichtaufbau und/oder die Schichtdicke der Membranen und/oder der Membraneinfassungen festzulegen. Durch eine derartige Ausgestaltung lassen sich vorteilhaft Messungen in verschiedenen Druckbereichen aufeinander abstimmen, um beispielsweise einen großen Druckbereich mit einer hohen Genauigkeit erfassen zu können. Über Variation der Materialzusammensetzung und/oder zumindest einer Schichtdicke des Schichtaufbaus der Membranen kann ebenfalls vorteilhaft Einfluss auf die Elastizität der Membranen genommen werden. Durch die Beeinflussung der Elastizität der Membranen können die druckabhängigen Auslenkungen der Membranen beeinflusst werden und die jeweiligen Membranarten für definierte Druckbereiche vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können Versteifungsstrukturen auf, unter, in oder neben einer Membran vorgesehen sein, die die Bewegung der Membran ebenfalls beeinflussen. Die Obergrenze des Druckbereichs, für den die jeweilige Membranart vorgesehen ist, kann auch über die Verwendung von Anschlagsstrukturen unterhalb der Membran oder auf dem Kavernenboden bestimmt/vorgegeben werden.
Die Erfassung der Drucksensorgrößen der einzelnen Erfassungsmittel, die den jeweiligen Membranen der ersten und zweiten Membranart zugeordnet sind, kann mit einer Verarbeitungseinheit 500 oder allgemein Auswerteeinheit erfolgen. Hierbei werden erste Drucksensorgrößen der Membranen 520 der ersten Membranarten einzeln oder als Gesamtgröße erfasst und/oder eingelesen. Weiterhin werden zweite Drucksensorgrößen der Membranen 530 der zweiten Membranarten ebenfalls einzeln oder als Gesamtgröße erfasst und/oder eingelesen. Aus den so erfassten ersten und zweiten Drucksensorgrößen kann die Verarbeitungseinheit 500 einen Druckwert ableiten, der den an den Membranen 520 und 530 anliegenden Druck eines flüssigen oder gasförmigen Mediums repräsentiert. Zur weiteren Verarbeitung kann dieser Druckwert an ein weiteres System 550 weitergeleitet werden, welches diesen Druckwert für eine Steuerung, Regelung und/oder Anzeige nutzt. Alternativ kann auch durch eine Zusammenschaltung der Messwerterfassung der Membranen beider Membranarten eine gemeinsame
Drucksensorgröße erfasst werden, aus der der Druckwert bestimmt wird.
Die Verarbeitungseinheit 500 kann weiter einen Speicher 510 aufweisen, in dem Umrechnungsfaktoren, Parameter, Drucksensorgrößen, Drucksensorwerte und/oder Abhängigkeiten der Drucksensorgrößen von weiteren insbesondere physikalischen (Umgebungs-)Größen als Datenbank hinterlegt sein können. So ist beispielsweise denkbar, dass mittels zumindest eines zusätzlichen Temperatursensors 540 die Temperatur des anliegenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, die des Drucksensoraufbaus, zum Beispiel die des Substrats und/oder die der Membran, und/oder die Temperatur der Umgebung des Drucksensors erfasst und bei der Bestimmung oder Ableitung des Druckwerts aus den erfassten Drucksensorgrößen berücksichtigt wird.

Claims

Mikromechanischer Drucksensor mit wenigstens zwei Membranen, wobei
• wenigstens eine erste Membran (200, 220) einer ersten Membranart oberhalb einer ersten Kaverne in und/oder auf einem Substrat (100) zur Erfassung einer ersten Drucksensorgröße in einem ersten Druckbereich vorgesehen ist, und
• wenigstens eine zweite Membran (300, 320, 340) einer zweiten Membranart oberhalb einer zweiten Kaverne in und/oder auf dem Substrat (100) zur Erfassung einer zweiten Drucksensorgröße in einem zweiten Druckbereich vorgesehen ist, wobei sich der zweite Druckbereich teilweise vom ersten Druckbereich unterscheidet, und
• sich die lateralen Ausdehnungen (10, 20, 30, 40) der ersten und der zweiten Membran (200, 220, 300, 320, 340) in wenigstens einer lateralen Richtung unterscheiden, und
• wenigstens ein Druckausgleichskanal (400, 430) zwischen wenigstens einer ersten Kaverne unter einer ersten Membran (200, 220) der ersten Membranart und wenigsten einer zweiten Kaverne unter einer zweiten Membran (300, 320, 340) der zweiten Membranart vorgesehen ist. Mikromechanischer Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die laterale Ausdehnungen (10, 20, 30, 40) der ersten und der zweiten Membran (200, 220, 300, 320, 340) der ersten und zweiten Membranart in wenigstens einer lateralen Richtung (10, 20, 30, 40) unterscheidet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass sich die Membranen in einer lateralen Richtung um den Faktor 2:1, 3:1 4:1 beziehungsweise 3:2, 4:3, 5:4 unterscheiden . Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Membran (200, 220, 300, 320, 340) der ersten und zweiten Membranart eine im wesentliche rechteckige Form aufweisen. Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kaverne wenigstens einen Druckausgleichskanal (400, 410, 420, 430) beliebiger Form, beliebiger Länge und beliebigen Querschnitts aufweist, der an einer beliebigen Position in eine benachbarte oder weitere Kaverne mündet. Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Membran (200, 230, 300, 320, 340) einen Membraneinfassungsbereich aufweist, mittels dem eine unabhängige Bewegung der Membran ermöglicht wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass wenigstens zwei benachbarte Membranen an einer Membranseite zumindest bereichsweise einen gemeinsamen Membraneinfassungsbereich aufweisen. Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung eines Druckwertes zwei Membranen (200, 220) erster Membranart und wenigstens eine Membran (300, 320, 340) zweiter Membranart vorgesehen sind, wobei vorgesehen ist, dass die Erfassungsmittel zur Erfassung der Drucksensorgrößen der ersten Membranart derart elektrisch verschaltet sind, dass sie eine Halbbrückenanordnung oder eine Vollbrückenanordnung einer Wheatstone-Brückenkonfiguration bilden und die Erfassungsmittel zur Erfassung der Drucksensorgrößen der zweiten Membranart in einer wheatstoneschen Vollbrücken-, Halbbrücken- oder einer Viertelbrückenkonfiguration zur Erfassung eines Druckwerts angeordnet sind. Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung eines Druckwertes ein Vielfaches an Membranen (200, 220) erster Membranart gegenüber Membranen (300, 320, 340) zweiter Membranart vorgesehen ist, insbesondere um den Faktor 2:1 oder 3:1 oder 4:1. Mikromechanischer Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen erster und zweiter Membranart untereinander und/oder zueinander eine symmetrische Anordnung auf dem Substrat (100) aufweisen. Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der ersten Membran (200, 220) der ersten Membranart niedrigere Drücke als mit der zweiten Membran (300, 320, 340) der zweiten Membranart erfasst werden. Mikromechanischer Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (100) von wenigstens einer Membranart zwei Membranen vorgesehen sind, wobei wenigstens eine der Membranen auf der Unterseite der Membran Anschlagelemente aufweist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass wenigstens eine der Membranen auf der Unterseite keine Anschlagelemente aufweist oder zumindest zwei Membranen vertikal und/oder lateral unterschiedlich ausgebildete Anschlagelemente aufweisen. Verfahren zur Bestimmung eines Druckwerts mit einem mikromechanischen Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der mikromechanische Drucksensor wenigstens zwei Membranen aufweist, wobei
• wenigstens eine erste Membran (200, 220) einer ersten Membranart oberhalb einer ersten Kaverne in/auf einem Substrat (100) zur Erfassung einer ersten Drucksensorgröße in einem ersten Druckbereich vorgesehen ist, und
• wenigstens eine zweite Membran (300, 320, 340) einer zweiten Membranart oberhalb einer zweiten Kaverne in/auf dem Substrat (100) zur Erfassung einer zweiten Drucksensorgröße in einem zweiten Druckbereich vorgesehen ist, wobei sich der zweite Druckbereich wenigstens teilweise vom ersten Druckbereich unterscheidet, und
• sich die lateralen Ausdehnungen (10, 20, 30, 40) der ersten und der zweiten Membran (200, 220, 300, 320, 340) der ersten und zweiten Membranart in wenigstens einer lateralen Richtung unterscheiden, und
• wenigstens ein Druckausgleichskanal (400, 430) zwischen wenigstens einer ersten Kaverne unter einer ersten Membran (200, 220) der ersten Membranart und wenigstens einer zweiten Kaverne unter einer zweiten Membran (300, 320, 340) der zweiten Membranart vorgesehen ist, wobei das Verfahren in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Druckgröße den Druckwert bestimmt.
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