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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der
DE 4028 376 ist bereits ein Drucksensor bekannt, bei dem auf einer Membrane ein Dehnungsmeßelement aufgebracht wird. Das Dehnungsmeßelement wird durch Dünnschichttechnik auf einer Glasplatte erzeugt.
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Aus der
DE 27 11 749 A1 ist ein Drucksensor mit einer Membran, welche Glas, Quarz oder Silizium aufweist, und einem sich auf dieser Membran abstützenden einseitig eingespannten Träger aus Halbleitermaterial bekannt, der in einem deformierbaren Teil eine eindiffundierte Dehnungsmeßanordnung aufweist.
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Aus der
US 4,840,067 A ist ein Drucksensor bekannt, bei dem auf einer Metallmembran zur Messung der Durchbiegung ganzflächig ein durchgehender Siliziumchip aufgebracht ist.
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Aus der
GB 2 174 241 A ist ein Drucksensor bekannt, bei der eine Metallmembran eingespannt in einen Flansch verwendet wird. Zur Aufnahme eines ebenfalls aus Metall bestehenden Drucksensorelements wird die Membran mittig derart verstärkt, dass das flache Drucksensorelement sowohl auf der Verstärkung als auch auf dem Rand des Flansches aufgelegt werden kann.
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Aus der
US 4,675,643 A ist ein Wandlerelement zur Erfassung eines Drucks bekannt. Dieses Wandlerelement besteht dabei aus einer Membranplatte, einer zwischen liegenden isolierenden Platte und einer unteren Basisplatte. Zur Fertigstellung des Drucksensor wird das Wandlerelement mit der unteren Basisplatte flächig auf eine Halterung aufgebracht.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die Verwendung von Siliciumbrückenelementen besonders preisgünstige Drucksensoren geschaffen werden. Die einzelnen Brückenelemente können sehr kostengünstig gefertigt werden, indem eine Vielzahl von Brückenelementen gleichzeitig aus einem Siliciumwafer hergestellt werden. Die eingebrachten piezoresistiven Widerstandselemente weisen dabei eine hohe Empfindlichkeit auf.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksensors möglich. Durch die einstückige Einspannung der Membrane in einem steifen Rahmen wird ein Drucksensor geschaffen, bei dem durch einfache Variation der Membrandicke Sensoren für unterschiedliche Druckbereiche gefertigt werden. Zur Erreichung einer hohen Empfindlichkeit erstreckt sich dabei das Dehnungsmeßelement vom Rahmen auf die Membrane. Die piezoelektrischen Widerstandselemente sind vorzugsweise in Bereichen hoher mechanischer Verformung angeordnet, um ein hohes Meßsignal zu gewährleisten. Das Siliciumbrückenelement kann entweder direkt oder durch einen Träger auf der Metallmembrane und dem Rahmen angeordnet werden. Durch den Träger wird die Handhabbarkeit des Siliciumbrückenelements bei der Herstellung verbessert. Dabei kann sowohl ein Verbindungsbereich auf dem Rahmen wie auch auf der Membrane vorgesehen sein. Zur Verbesserung der Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals kann vorgesehen werden, daß der Verbindungsbereich auf dem Membrane nicht fest verbunden wird, sondern aufliegt. Die Verbindung der Befestigungsbereiche mit der Membrane oder dem Rahmen erfolgt zweckmäßigerweise durch Kleben oder Löten. Die Herstellung von Membranen und Rahmen kann vorzugsweise durch spanabhebende Bearbeitung von Metall erfolgen. Um eine besonders einfache Montage des Drucksensors zu ermöglichen, kann der Rahmen zusätzlich noch als Einschraubbauteil, welches mit einem Gewinde versehen ist, ausgeführt werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, 2 eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Siliciumbrückenelement und 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Beschreibung
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In der 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einer metallischen Membrane 1, die in einem steifen Rahmen 3 eingespannt ist, gezeigt. Auf der Membrane 1 ist ein Dehnmeßelement, welches als Siliciumbrückenelement 2 ausgebildet ist, angeordnet. Das Siliciumbrückenelement 2 ist mit jeweils einem Verbindungsbereich 10 zum einen auf der Membrane 1, zum anderen auf dem steifen Rahmen 3 befestigt. Weiterhin ist auf dem steifen Rahmen 3 eine Hybridschaltung 4 vorgesehen, durch die die Auswertung der Signale des Siliciumbrückenelements 2 erfolgt. Das Siliciumbrückenelement 2 weist dazu piezoresistive Widerstände 11 auf, deren Widerstand sich aufgrund von Spannungszuständen im Siliciummaterial ändert. Die elektrische Verbindung zwischen dem Siliciumbrückenelement 2 und der Hybridschaltung 4 wird durch einen Bonddraht 5 hergestellt. Weiterhin können noch weitere Bonddrähte oder andere elektrische Leitungselemente vorgesehen werden, mit denen die Signale der Hybridschaltung 4 nach außerhalb des Drucksensors weitergeleitet werden können. Der Rahmen 3 weist zusätzlich noch ein Gewinde 6 auf, durch das der Rahmen 3 fest montiert werden kann.
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Durch die Druckzuführung 7 wird die Unterseite der Membrane 1 mit einem zu messenden Druck beaufschlagt. Die Oberseite der Membrane ist mit normalem Umgebungsdruck oder einem Referenzdruck beaufschlagt, so daß der absolute Druck oder ein Differenzdruck gemessen wird. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Druckzuführung 7 und der Oberseite der Membrane kommt es zu einer Verformung der Membrane, die eine entsprechende Verformung des Siliciumbrückenelements 2 bewirkt. Das Siliciumbrückenelement 2 weist eine Ausnehmung 8 auf, durch die ein geschwächter, das heißt dünner ausgestalteter Brückenbereich geschaffen wird. In diesem Brückenbereich treten besonders hohe mechanische Verspannungen auf. Aus diesem Grund sind in diesem Bereich, das heißt oberhalb der Ausnehmung 8 auch die piezoresistiven Widerstände 11 angeordnet. Diese ändern aufgrund von mechanischen Spannungen ihren Widerstandswert. Diese Widerstandsänderungen werden durch die Hybridschaltung 4 nachgewiesen und sind ein Maß für den an der Druckzuführung 7 anliegenden Druck.
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In der 2 wird exemplarisch eine Aufsicht auf eine Siliciumbrücke 2 nach der 1 gezeigt. Die piezoelektrischen Widerstände 11 sind dabei so angeordnet, daß in ihnen hohe mechanische Spannungen auftreten, wenn die Siliciumbrücke 2 durch die Auslenkung der Membrane 1 verformt wird. Im vorliegenden Fall ist es daher vorgesehen, daß die Widerstandselemente 11 nicht über den Verbindungsbereichen 10 angeordnet sind. Zur Kontaktierung der piezoelektrischen Widerstände 11 sind Leiterbahnen 20 vorgesehen, die in Anschlußbereichen 21 münden. Auf den Anschlußbereichen 21 können Bonddrähte 5, wie sie in der 1 gezeigt werden, befestigt werden. Die Leiterbahnen 20 stellen einen elektrischen Kontakt zu den piezoelektrischen Widerstanden 11 her. In der 2 sind zwei Widerstände 11 gezeigt, die in der Art einer Halbbrücke verschaltet sind. Es sind jedoch auch andere Anordnungen von Widerstandselementen 11 denkbar, insbesondere können auch mehr Widerstandselemente, beispielsweise in der Form einer Vollbrücke, vorgesehen sein. Weiterhin können auch noch in den Bereichen, in denen niedrige mechanische Spannungen auftreten, hier beispielsweise die Bereiche, die über den Verbindungsbereichen 10 gelegen sind, weitere Widerstandselemente vorgesehen sein, deren Widerstandswert unabhängig von einer Verformung der Membrane 1 ist. Derartige Widerstandselemente können dann als Referenzwiderstandselemente verwendet werden. Die Erzeugung der Widerstandselemente 11 erfolgt durch Eindiffusion von Störstellen in das Silicium der Siliciumbrücke 2. Durch eine entsprechende Dotierung und Ausrichtung anhand bestimmter Kristallachsen kann dabei eine hohe Abhängigkeit des Widerstands von mechanischen Spannungen erreicht werden. Die Leiterbahnen 20 können durch oberflächliche Metallschichten oder durch Diffusionsprozesse, wobei dabei die Dotierung sehr hoch zu wählen ist, so daß der piezoresistive Effekt gering ist, realisiert werden. Die in der 1 gezeigte Ausnehmung 8 kann besonders einfach durch einen anisotropen Ätzprozeß des einkristallinen Materials des Siliciumbrückenelements 2 erzeugt werden. Bei der Herstellung des Siliciumbrückenelements 2 wird in erster Linie an eine Parallelfertigung gedacht, das heißt, ausgehend von einem einkristallinen Siliciumwafer werden eine Vielzahl von Brückenelementen parallel gefertigt. Durch Zerteilen des Siliciumwafers am Ende des Herstellungsprozesses lassen sich dann eine Vielzahl von einzelnen Brückenelementen erzeugen. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß die Herstellungskosten für das einzelne Siliciumbrückenelement besonders klein werden und daß derartige Herstellungsprozesse mit großer Präzision durchgeführt werden können. Es werden so hochgenaue Brückenelemente geschaffen, deren Preis zudem gering ist.
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Eine vorteilhafte Herstellung der Membrane 1 und des Rahmens 3 besteht in der einstückigen Ausbildung durch spanabhebende Bearbeitung, beispielsweise Drehen aus einem Metallrohling. Es sind jedoch auch andere Verfahren denkbar, mit denen gleichzeitig ein metallischer Rahmen 3 und eine damit einstückig verbundene Membrane 1 erzeugt werden. Durch einfache Variation der Dicke und des Durchmessers der Membrane 1 kann die Empfindlichkeit des Drucksensors bei der Herstellung über einen weiten Empfindlichkeitsbereich eingestellt werden. Es ist so auch möglich, ohne Variation des Siliciumbrückenelements 2 Drucksensoren für unterschiedliche Druckbereiche herzustellen. Weiterhin kann der Rahmen 3 bei der Herstellung gleich mit einem Gewinde 5 versehen werden. Mittels eines derartigen Gewindes 6 kann der Rahmen 3 druckdicht mit einem Gehäuse, Meßkörper oder dergleichen verschraubt werden. Der Drucksensor kann somit in einfacher Weise als Einschraubelement ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft sind die derartig hergestellten Sensoren als Hochdrucksensoren im Bereich von einigen Tausend bar einsetzbar.
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In der 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Siliciumbrückenelement 2 entspricht dem Brückenelement 2, wie es bereits aus der 1 bekannt ist. Das Brückenelement 2 ist hier jedoch nicht unmittelbar auf der Membrane 1 und dem Rahmen 3 montiert, sondern ist mit diesen nur über einen Träger 16 verbunden. Der Träger 16 ist mit einem Verbindungsbereich 10 durch eine Befestigungsschicht 12 fest mit dem Rahmen 3 verbunden. Über der Membrane 1 weist der Träger 16 nur einen Verbindungsbereich 10 auf, auf dem der Träger 16 auf der Membrane 10 aufliegt. Das Siliciumbrückenelement 2 ist fest mit dem Träger 16 verbunden. Um zu gewährleisten, daß bei der Herstellung des Drucksensors das Verbindungsmittel 12, welches beispielsweise als Lot ausgebildet ist, nur auf dem Rahmen eine feste Verbindung schafft, ist ein Lotstop 15 vorgesehen, der die Ausbreitung des Befestigungsmittels 12 in Richtung der Membrane 1 hin begrenzt. Der Lötstop 15 ist hier als Ausnehmung ausgebildet. Es sind jedoch auch alle anderen Maßnahmen denkbar, die verhindern, daß das Befestigungsmittel 12 sich in Richtung der Membrane 1 ausbreitet.
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Durch die Verwendung des Trägers 16 wird die Herstellung der Siliciumbrückenelemente 2 vereinfacht. Dabei ist zu beachten, daß durch die Ausnehmung 8 das Brückenelement 2 mechanisch sehr empfindlich ist und beim Anbringen auf der Membrane 1 oder dem Rahmen 3 zerstört werden könnte. Der Träger 16 kann beispielsweise auch in einer parallelen Herstellung zunächst als großflächige Scheibe komplett mit dem Siliciumwafer verbunden werden und dann zusammen mit dem Siliciumwafer in einzelne kleine Bereiche zerteilt werden. Die so geschaffenen Dehnungsmeßelemente, bei denen die empfindlichen Siliciumbrückenelemente 2 jeweils auf einem Träger 16 angeordnet sind, lassen sich ebenfalls auf das Herstellungsverfahren wesentlich einfacher handhaben als die Siliciumbrückenelemente 2 alleine. Weiterhin kann für die Träger 16 ein Material verwendet werden, welches die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium und Metall im gewissen Rahmen kompensiert. Dazu ist beispielsweise Glas als Material für den Träger 16 geeignet. Die Vorteile der Verwendung des Trägers 16 ergeben sich auch, wenn der Träger 16 sowohl mit dem Rahmen 3 wie auch mit der Membrane 1 verbunden wird.
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Der in der 3 gezeigte Träger 16 ist nur mit dem Rahmen 3 fest verbunden, während er hingegen auf der Membrane 1 nur aufliegt. Auf dem Rahmen 3 wird somit ein Festlager und auf der Membrane 1 ein Loslager gebildet. Der Träger 16 beziehungsweise das damit verbundene Siliciumbrückenelement 2 können sich somit gegenüber dem Metallmaterial von Membrane 1 und Rahmen 3 zusammenziehen oder ausdehnen, ohne daß es dabei zum Auftreten von merklichen mechanischen Verspannungen kommt. Eine Auslenkung der Membrane 1, die durch eine Druckbeaufschlagung des Drucksensors hervorgerufen wird, führt jedoch nach wie vor zu mechanischen Spannungen im Siliciumbrückenelement 2, die durch die piezoelektrischen Widerstände 11 nachgewiesen werden können. Durch die Verwendung eines Loslagers und eines Festlagers wird so die thermische Empfindlichkeit des Drucksensors verringert, ohne daß dies mit einer nennenswerten Verringerung der Empfindlichkeit verbunden ist.
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In der 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors gezeigt. Das Siliciumbrückenelement 2, die metallische Membran 1 und der Rahmen 3 entsprechen den Elementen aus der 1 oder 3. Wie in der 3 ist hier das Siliciumbrückenelement 2 nicht unmittelbar mit der metallischen Membran 1 oder dem Rahmen 3 verbunden. Die Verbindung des Siliciumbrückenelements 2 mit dem Rahmen 3 erfolgt über einen Sockel 102. Die Verbindung des Siliciumbrückenelements 2 zur Membran 1 erfolgt über eine Stütze 101. Zwischen der Stütze 101, dem Sockel 102 und dem Siliciumbrückenelement 2 ist jeweils eine Verbindungsschicht 103 und 104 vorgesehen.
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Für die Stütze 101 und den Sockel 102 wird ein Material verwendet welches von seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten an Silicium angepaßt ist. Die temperaturbedingte Ausdehnung des Eisen-Nickelmetalls sollte dabei dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium möglichst nahekommen. Dazu wird insbesondere eine Stütze 101 und ein Sockel 102 aus Nickel-Eisenmetall verwendet. Für die Verbindungsschichten 103, 104 wird vorzugsweise ein Glaslot verwendet, dessen Ausdehnungskoeffizient ebenfalls an Silicium angepaßt ist.
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Durch die Stütze 101 wird die Auslenkung der metallischen Membran 1 auf das Siliciumbrückenelement 2 übertragen. Der Sockel 102 dient zur festen Befestigung des Siliciumbrückenelements 2 auf dem starren Rahmen 3. Durch die angepaßten Temperaturkoeffizienten können thermisch bedingte Verspannungen im Siliciumbrückenelement 2 verringert werden. Dabei ist insbesondere die thermische Ausdehnung in X-Richtung von Bedeutung, da die metallische Membran 1 und der Rahmen 3 vorzugsweise aus Stahl gefertigt werden und dieses Material einen stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Siliciummaterial des Siliziumbrückenelements 2 aufweist. Durch die in Y-Richtung sehr starre Auslegung der Stütze 101 werden auch kleine Auslenkungen der metallischen Membran 1 in Y-Richtung gut auf das Siliciumbrückenelement 2 übertragen. Die Stütze 101 ist jedoch in X-Richtung sehr schlank ausgebildet, so daß beim Auftreten einer unterschiedlichen Ausdehnung von Rahmen 3 und metallischer Membran 1 eine Ausdehnung in X-Richtung durch die Stütze 101 durch eine Verbiegung der Stütze 101 kompensiert wird. Es wird so erreicht, daß die durch einen Temperatureinfluß bewirkte Kraft im wesentlichen nur noch von der geometrischen Form und des Elastizitätsmoduls des Materials der Stütze abhängt. Weiterhin kann durch Wahl eines geeigneten Glaslotes für die Verbindungsschichten 103, 104 der thermische Einfluß auf das Siliciumbrückenelement weiter verringert werden.
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Für die Verbindung der Stütze 101 auf der Membran 1 bzw. des Sockels 102 auf dem Rahmen 3 eignen sich übliche Metallverbindungen wie z. B Schweißen, Löten oder Kleben.
