-
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors.
-
Stand der Technik
-
Aktuell werden zum Messen von Drücken zwei Arten von Sensoren eingesetzt und gefertigt. Zum einen werden auf Stahlmembranen elektrische Strukturen aufgeätzt. Die Stahlmembran ist hierbei unter Druckeinwirkung auslenkbar. Die elektrischen Strukturen weisen Piezowiderstände auf, die zusammen mit der Stahlmembran gedehnt bzw. gestaucht werden. Diese Deformationen bewirken eine Veränderung des Widerstandswerts der Piezowiderstände, sodass der auf die Membran wirkende Druck bei geeigneter Verschaltung der Piezowiderstände, beispielsweise in einer Wheatstone-Brücke in Form eines proportionalen elektrischen Ausgangssignals erfasst werden kann. Zum zweiten werden Siliziumchips verwendet, bei denen sich durch das Anlegen eines Druckes eine dünne Siliziummembran verbiegt, auf deren Rückseite sich eine in Halbleitertechnologie aufgebaute elektrische Schaltung befindet. Beide Methoden haben ihre Einsatzbereiche stark abgegrenzt. Stahlmembranen werden für Hochdrucksysteme eingesetzt. Dort wird durch die hohen Drücke eine ausreichende Deformation der Membran erzeugt, die mit der elektrischen Struktur an der Oberfläche messbar ist. Siliziumchips als Drucksensoren kommen bei Niedrig- bis Mitteldruckanwendungen zum Einsatz.
-
Die
DE 10 2009 044 980 A1 offenbart ein Sensorbauelement umfassend einen Verformungskörper und eine piezoresistive Sensorschicht, welche auf den Verformungskörper aufgebracht ist, wobei die piezoresistive Sensorschicht mindestens ein Metall sowie Kohlenstoff und/oder Kohlenwasserstoff umfasst.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung schafft einen Drucksensor mit einer Membran, die einem zu messenden Medium ausgesetzt ist und aus deren Auslenkung mittels eines piezoresistiven Sensorelements ein dem gemessenen Druck proportionales elektrisches Signal erzeugbar ist, und mit einer flexiblen Leiterplatte, welche das piezoresistive Sensorelement elektrisch und mechanisch kontaktiert.
-
Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors. Das Verfahren umfasst ein Vorsehen einer Membran, die einem zu messenden Medium ausgesetzt ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren ein Vorsehen eines piezoresistiven Sensorelements, durch welches ein, aus einer Auslenkung der Membran einem gemessenen Druck proportionales elektrisches Signal erzeugbar ist. Das Verfahren umfasst überdies ein Vorsehen einer flexiblen Leiterplatte, welche das piezoresistive Sensorelement elektrisch und mechanisch kontaktiert.
-
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, den Drucksensor derart zu gestalten, dass dieser einen Nieder-, Mittel-, und Hochdruckbereich abdeckt und dabei eine ausreichende Empfindlichkeit des Drucksensors gegeben ist. Durch das Vorsehen der flexiblen Leiterplatte, welche das piezoresistive Sensorelement elektrisch und mechanisch kontaktiert, ist es möglich, unterschiedliche Druckbereiche mit einer immer gleichen Detektion, Kontaktierung und Anbindung abzudecken.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das piezoresistive Sensorelement durch einen biegungsempfindlichen Halbleiterchip oder eine aus einem Halbleitermaterial ausgebildete Dünnfilm-Messstruktur ausgebildet ist. Somit kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden. Des Weiteren kann durch die Reduzierung der Fügestellen auch die Zuverlässigkeit des Drucksensors erhöht werden.
-
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass das piezoresistive Sensorelement in der flexiblen Leiterplatte eingebettet, auf der flexiblen Leiterplatte oder auf der Membran angeordnet ist. Das piezoresistive Sensorelement kann somit nach individuellen Anforderungen ausgewählt werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Dünnfilm-Messstruktur durch ein photolithographisches Verfahren auf die flexible Leiterplatte aufgebracht, oder auf die Membran aufgedruckt ist. Die aufgebrachte Struktur ermöglicht es somit durch die Auslenkung der Membran induzierte Widerstandsänderungen im mOhm Bereich sicher und zuverlässig zu detektieren.
-
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Dünnfilm-Messstruktur mit elektrisch leitenden Tinten, die Gold- oder Silberpartikel aufweisen, auf die Membran aufgedruckt ist. Somit kann eine genaue und zuverlässige Druckmessung realisiert werden.
-
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die flexible Leiterplatte einen zur Membran benachbart angeordneten, flexibel ausgebildeten ersten Bereich, in welchem die flexible Leiterplatte mit der Membran stoffschlüssig verbunden ist, einen im Wesentlichen starr ausgebildeten zweiten Bereich, in welchem eine Auswerteschaltung zum Auswerten des von dem piezoresistiven Sensorelement erzeugbaren elektrischen Signals angeordnet ist, und einen flexibel ausgebildeten Verbindungsbereich aufweist, welcher zwischen dem ersten und zweiten Bereich angeordnet ist. Durch die flexible Ausbildung des ersten, benachbart zur Membran angeordneten Bereichs ist dieser Bereich bei dem Auslenken der Membran ebenfalls bewegbar. Die starre Ausbildung des zweiten Bereichs ermöglicht die Anordnung der Auswerteschaltung in diesem Bereich. Das flexible Ausbilden des Verbindungsbereichs zwischen dem ersten und zweiten Bereich ermöglicht eine platzsparende Ausbildung des Drucksensors, wobei die flexible Leiterplatte zumindest in dem Verbindungsbereich faltbar ausgebildet ist.
-
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung zumindest eine, in der flexiblen Leiterplatte eingebettete anwendungsspezifische integrierte Schaltung, und zumindest ein auf einer Oberfläche der flexiblen Leiterplatte oder außerhalb der flexiblen Leiterplatte angeordnetes passives oder aktives Bauelement aufweist. Die Auswerteschaltung kann somit platzsparend im Drucksensor angeordnet werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Dicke der flexiblen Leiterplatte kleiner oder gleich 100 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 30 und 100 Mikrometer beträgt, und dass eine Dicke des biegungsempfindlichen Halbleiterchips kleiner oder gleich 50 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 10 und 20 Mikrometer beträgt, wobei eine Leiterbahnbreite kleiner oder gleich 20 Mikrometer und eine Leiterbahndicke kleiner oder gleich 5 Mikrometer, vorzugsweise 1 Mikrometer beträgt. Dadurch kann eine ausreichende Flexibilität der flexiblen Leiterplatte, insbesondere im Bereich des piezoresistiven Sensorelements, sowie eine im Wesentlichen dünne Ausbildung des biegungsempfindlichen Halbleiterchips mit einer hohen Messgenauigkeit gewährleistet werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine elektrische Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte mit einer Leistungsversorgung durch mit der flexiblen Leiterplatte verbindbare Durchsteckpins ausgebildet ist. Dadurch kann die flexible Leiterplatte durch ihre Flexibilität an eine Bauform des Drucksensors angepasst werden und dennoch eine einfache und zuverlässige Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte mit der Leistungsversorgung vorgesehen werden.
-
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein Messbereich des piezoresistiven Sensorelements zwischen 0,1 und 2200 bar beträgt. Der Drucksensor kann somit einen Nieder-, Mittel- und Hochdruckbereich genau und zuverlässig abdecken.
-
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass das piezoresistive Sensorelement durch einen biegungsempfindlichen Halbleiterchip oder durch eine Dünnfilm-Messstruktur ausgebildet wird, wobei das piezoresistive Sensorelement in die flexible Leiterplatte eingebettet, auf die flexible Leiterplatte aufgebracht oder auf die Membran aufgebracht wird. Somit kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden. Des Weiteren kann durch die Reduzierung der Fügestellen auch die Zuverlässigkeit des Drucksensors erhöht werden. Ferner kann das piezoresistive Sensorelement somit auch nach individuellen Anforderungen ausgewählt werden.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Auswerteschaltung zum Auswerten des von dem piezoresistiven Sensorelement erzeugbaren elektrischen Signals in die flexible Leiterplatte eingebettet wird. Die starre Ausbildung des zweiten Bereichs ermöglicht die Anordnung der Auswerteschaltung in diesem Bereich. Die Auswerteschaltung kann somit platzsparend im Drucksensor angeordnet werden.
-
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Dünnfilm-Messstruktur auf die flexible Leiterplatte durch ein photolithographisches Verfahren aufgebracht oder auf die Membran aufgedruckt wird. Die aufgebrachte Struktur ermöglicht es somit durch die Auslenkung der Membran induzierte Widerstandsänderungen im mOhm Bereich sicher und zuverlässig zu detektieren.
-
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Dünnfilm-Messstruktur durch ein Druckverfahren mit elektrisch leitenden Tinten, die Gold- oder Silberpartikel aufweisen, auf die Membran aufgedruckt wird. Somit kann eine genaue und zuverlässige Druckmessung realisiert werden.
-
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.
-
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.
-
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
-
Es zeigen:
-
1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
-
2 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
-
3 eine Schnittansicht des Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
-
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung.
-
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
-
1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
-
Der Drucksensor 10 weist eine Membran 12 auf, die vorzugsweise aus Stahl ausgebildet ist. Alternativ kann die Membran 12 auch aus einem anderen geeigneten Material ausgebildet sein. Die Membran 12 ist mit einem Stahlsockel 13 aus einem Stück ausgebildet. In dem Stahlsockel 13 ist ein Kanal ausgebildet, durch welchen die Membran 12 mit einem Druck P eines zu messenden Mediums beaufschlagbar ist.
-
Der Drucksensor 10 weist des Weiteren ein piezoresistives Sensorelement 14a und eine flexible Leiterplatte 16 auf. Das piezoresistive Sensorelement 14a ist in der vorliegenden ersten Ausführungsform durch einen biegungsempfindlichen Halbleiterchip 14a ausgebildet. Der biegungsempfindliche Halbleiterchip 14a ist vorzugsweise in der flexiblen Leiterplatte 16 eingebettet, und dazu ausgebildet, aus der Auslenkung der Membran 12 ein dem gemessenen Druck P proportionales elektrisches Signal S zu erzeugen. Die flexible Leiterplatte 16 kontaktiert den biegungsempfindlichen Halbleiterchip elektrisch und mechanisch. Die flexible Leiterplatte 16 ist vorzugsweise durch eine Klebstoffschicht mit der Membran 12 verbunden. Alternativ kann die flexible Leiterplatte 16 auch durch ein anderes geeignetes Verbindungsmittel mit der Membran 12 verbunden sein.
-
Die flexible Leiterplatte 16 weist einen zur Membran 12 benachbart angeordneten, flexibel ausgebildeten ersten Bereich 16a auf, in welchem die flexible Leiterplatte 16 mit der Membran 12 stoffschlüssig verbunden ist.
-
Die flexible Leiterplatte 16 weist des Weiteren einen im Wesentlichen starr ausgebildeten zweiten Bereich 16b auf, in welchem eine Auswerteschaltung 18 zum Auswerten des von dem biegungsempfindlichen Halbleiterchip 14a erzeugbaren elektrischen Signals S angeordnet ist. Die flexible Leiterplatte 16 weist überdies einen flexibel ausgebildeten Verbindungsbereich 16c auf, welcher zwischen dem ersten und zweiten Bereich 16a, 16b angeordnet ist.
-
Die Auswerteschaltung 18 weist eine in der flexiblen Leiterplatte 16 eingebettete anwendungsspezifische integrierte Schaltung 18a und ein auf einer Oberfläche der flexiblen Leiterplatte 16 angeordnetes passives Bauelement 18b auf. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 18a kann alternativ auch auf einer Oberfläche der flexiblen Leiterplatte 16 angeordnet sein. Das Bauelement 18b kann alternativ auch außerhalb der flexiblen Leiterplatte 16 angeordnet und/oder durch ein aktives Bauelement ausgebildet sein.
-
Eine elektrische Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte 16 mit einer Leistungsversorgung 20 ist vorzugsweise durch mit der flexiblen Leiterplatte 16 verbindbare Durchsteckpins 22 ausgebildet. Alternativ kann die elektrische Kontaktierung der flexiblen Leiterplatte 16 auch durch andere geeignete elektrische Kontaktierungsmittel ausgebildet sein.
-
Eine Dicke der flexiblen Leiterplatte 16 beträgt vorzugsweise 100 Mikrometer. Alternativ kann die Dicke der flexiblen Leiterplatte auch geringer als 100 Mikrometer, insbesondere vorzugsweise zwischen 30 und 100 Mikrometer, betragen. Eine Dicke des biegungsempfindlichen Halbleiterchips 14a beträgt vorzugsweise 50 Mikrometer. Alternativ kann die Dicke des biegungsempfindlichen Halbleiterchips 14a auch geringer als 50 Mikrometer, insbesondere vorzugsweise zwischen 10 und 20 Mikrometer, betragen. Eine Leiterbahnbreite des biegungsempfindlichen Halbleiterchips 14a beträgt vorzugsweise 20 Mikrometer. Alternativ kann die Leiterbahnbreite auch geringer als 20 Mikrometer betragen. Eine Leiterbahndicke des biegungsempfindlichen Halbleiterchips 14a beträgt vorzugsweise 5 Mikrometer. Alternativ kann die Leiterbahndicke auch kleiner als 5 Mikrometer, vorzugsweise 1 Mikrometer betragen. Ein Messbereich des biegungsempfindlichen Halbleiterchips 14a beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 und 2200 bar.
-
2 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
-
Ein piezoresistives Sensorelement 14b ist in der vorliegenden zweiten Ausführungsform durch eine aus einem Halbleitermaterial ausgebildete Dünnfilm-Messstruktur 14b ausgebildet. Die Dünnfilm-Messstruktur 14b ist vorzugsweise auf der flexiblen Leiterplatte 16 angeordnet. Die Dünnfilm-Messstruktur 14b ist ferner vorzugsweise durch ein photolithographisches Verfahren auf die flexible Leiterplatte 16 aufgebracht. Alternativ kann die Dünnfilm-Messstruktur 14b auch durch ein anderes geeignetes Verfahren auf die flexible Leiterplatte 16 aufgebracht sein. Eine Leiterbahnbreite der Dünnfilm-Messstruktur 14b beträgt vorzugsweise 20 Mikrometer. Alternativ kann die Leiterbahnbreite auch geringer als 20 Mikrometer betragen. Eine Leiterbahndicke der Dünnfilm-Messstruktur 14b beträgt vorzugsweise 5 Mikrometer. Alternativ kann die Leiterbahndicke auch kleiner als 5 Mikrometer, vorzugsweise 1 Mikrometer betragen.
-
3 zeigt eine Schnittansicht des Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
-
Ein piezoresistives Sensorelement 14c ist gemäß der dritten Ausführungsform durch eine aus einem Halbleitermaterial ausgebildete Dünnfilm-Messstruktur 14c ausgebildet.
-
Die Dünnfilm-Messstruktur 14c ist vorzugsweise auf der Membran 12 angeordnet. Die Dünnfilm-Messstruktur 14c ist vorzugsweise auf die Membran 12 aufgedruckt. Vorzugsweise wird die Dünnfilm-Messstruktur 14c durch einen Aerosolstrahl mit elektrisch leitenden Tinten, die Gold- oder Silberpartikel aufweisen, auf die Membran 12 aufgedruckt. Alternativ kann die Dünnfilm-Messstruktur 14c auch durch ein anderes geeignetes Druckverfahren wie beispielsweise Tintenstrahldruck aufgedruckt werden.
-
Eine Leiterbahnbreite der Dünnfilm-Messstruktur 14c beträgt vorzugsweise 20 Mikrometer. Alternativ kann die Leiterbahnbreite auch geringer als 20 Mikrometer betragen. Eine Leiterbahndicke der Dünnfilm-Messstruktur 14c beträgt vorzugsweise 5 Mikrometer. Alternativ kann die Leiterbahndicke auch kleiner als 5 Mikrometer, vorzugsweise 1 Mikrometer betragen.
-
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Drucksensors gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung.
-
Das Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors 10 umfasst in Schritt S1 ein Vorsehen einer Membran 12, die einem zu messenden Medium ausgesetzt ist. Das Verfahren umfasst des Weiteren in Schritt S2 ein Vorsehen eines piezoresistiven Sensorelements 14a; 14b; 14c, durch welches ein, aus einer Auslenkung der Membran 12 einem gemessenen Druck P proportionales elektrisches Signal S erzeugbar ist. Das Verfahren umfasst überdies in Schritt S3 ein Vorsehen einer flexiblen Leiterplatte 16, welche das piezoresistive Sensorelement 14a; 14b; 14c elektrisch und mechanisch kontaktiert.
-
Das Verfahren umfasst darüber hinaus, dass das piezoresistive Sensorelement 14a; 14b; 14c durch einen biegungsempfindlichen Halbleiterchip 14a oder durch eine aus einem Halbleitermaterial ausgebildete Dünnfilm-Messstruktur 14b; 14c ausgebildet wird, wobei das piezoresistive Sensorelement 14a; 14b; 14c in Schritt S4 in die flexible Leiterplatte 16 eingebettet, auf die flexible Leiterplatte 16 aufgebracht oder auf die Membran 12 aufgebracht wird.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
-
Beispielsweise können Material und Dicke der flexiblen Leiterplatte 16 sowie der Membran 12 an individuelle Anforderungen angepasst werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009044980 A1 [0003]
