DE19730991C1 - Differenzdrucksensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor.
Ein Differenzdrucksensor ist z. B. aus dem Tagungsbericht
der IEEE International Solid-State Circuits Conference 1969,
Session IX: Solid-State Power Control, THPM 9.2: Subminiature
Silicon Pressure Transducer von A. C. M. Gieles, S. 108-109
bekannt. Dieser Sensor enthält eine Siliciummembran, die einen
Meßraum gasdicht von einer Referenzkammer trennt und auf die
ein rotationssymmetrischer Dehnungsmeßstreifen aufgebracht
ist.
Die Veröffentlichung von Werner K. Schomburg et al.
"FABRICATION OF MICROFLUIDIC DEVICES BY THERMOPLASTIC MOLDING
AND DIAPHRAGM TRANSFER" in den Proceedings of the ASME Dynamic
Systems and Control Division DSC-Vol. 57-2, 1995 IMCE, S.951-956 be
schreibt verschiedene mikrofluidische Vorrichtungen zur Fluß
kontrolle kleiner Mengen von Gasen und Flüssigkeiten. Bei die
sen Vorrichtungen trennen Diaphragmen verschiedene Hohlräume
voneinander ab. Dehnungsmeßstreifen auf den Diaphragmen werden
nicht erwähnt.
In K. Hoffmann: Eine Einführung in die Technik des Messens mit
Dehnungsmeßstreifen, Herausgeber: Hottinger Baldwin Meßtechnik
GmbH, Darmstadt, Erscheinungsjahr 1987 S. 2-7, wird eine Folie be
schrieben, bei der auf einem kreisförmigen Bereich vier Deh
nungsmeßstreifen angebracht sind, von denen zwei in der Rand
zone des kreisförmigen Bereichs und zwei in dessen zentraler
Zone angeordnet sind. Die randnahen Dehnungsmeßstreifen sind
hier radial und die zentralen Dehnungsmeßstreifen tangential
strukturiert. Die Folie mit den Dehnungsmeßstreifen wird in
Druckaufnehmern eingesetzt.
Die DE 40 16 872 A1 beschreibt einen Druckaufnehmer, der ein
Meßelement mit einer metallischen Membran und einem verdickten
Membranträger aufweist. Auf der Rückseite der Membran ist eine
DMS-Anordnung in Dünnschicht-Technik befestigt. Die Membran
läuft an ihrem Rand in einen Rohrabschnitt aus, der einen Teil
des Meßraums bildet.
Aus der DE 25 34 916 A1 ist ein Druckmeßwandler bekannt, bei
dem auf einem Träger ein mehrteiliger Dehnungsmeßstreifen an
gebracht ist. Der Dehnungsmeßstreifen wird von einem Block be
deckt, der einen Randbereich des Trägers freiläßt. Der Block
soll gemäß der Beschreibung keine spezielle Funktion bei dem
fertigen Druckmeßwandler erfüllen, sondern als Druckvertei
lungselement während des Zusammenbaus des Wandlers verwendet
werden. Aus der kreisrunden Form des Blocks sind einander ge
genüberliegend zwei konkave Ausnehmungen angebracht, die freie
Räume für Anschlußlappen des Dehnungsmeßstreifens freilassen.
Aus Knaurs Lexikon der Technik, Bd. 1, Seiten 209, 210 (1988)
sind verschiedene Formen von Dehnungsmeßstreifen bekannt. Die
Dehnungsmeßstreifen bestehen aus einem Papier- oder Kunst
stoffträger, auf den ein 0,02 mm dicker Widerstandsdraht oder
eine schmale Folie mäanderförmig aufgeklebt ist. Einige Deh
nungsmeßstreifen besitzen eine Rosettenform mit zwei oder drei
Meßgliedern.
Ein ähnlicher Stand der Technik ergibt sich auch aus Automa
tisierungstechnische Praxis; 6, 1993, Seiten 337 bis 345, worin
u. a. noch ein Differenzdrucksensor beschrieben ist, der eine
Membran aus Silizium, auf der vier Dehnungsmeß
streifen angeordnet sind, aufweist.
Es hat sich gezeigt, daß bei den in bekannter Weise aufgebau
ten Differenzdrucksensoren die Meßempfindlichkeit verbesse
rungsfähig ist und die Kennlinie deutlich von der Geradenform
abweicht.
Aufgabe der Erfindung ist, diesen Nachteilen abzuhelfen und
einen Differenzdrucksensor vorzu
schlagen, dessen Kennlinie linear ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des ersten Patentanspruchs gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Referenzkammer des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors
kann im
einfachsten Fall ein abgeschlossenes Gasvolumen darstellen,
das unter einem vorgegebenen Druck P2, etwa dem Atmospären
druck, steht. In diesem Fall mißt der Sensor die Differenz
zwischen dem Druck P1 des Meßgases und dem vorgegebenen Druck
P2 in der Referenzkammer. Für Differenzdrucksensoren, bei
denen der Referenzdruck einstellbar sein soll, wird die Refe
renzkammer mit einer Eintrittsöffnung für ein unter einem vor
gegebenen Druck P2 stehendes Referenzgas versehen.
Die geometrische Form der Membran ist von untergeordneter Be
deutung. Die Membran kann kreisförmig, quadratisch oder
rechteckig sein, je nachdem, welche Form die Meß- und die Re
ferenzkammer aufweisen.
Auf der Membran sind mindestens vier Dehnungsmeßstreifen ange
bracht. Die Dehnungsmeßstreifen nehmen einen kreisförmigen Be
reich auf der Membran ein. Bei der Herstellung des Differenz
drucksensors wird man anstreben, den kreisrunden Bereich so
anzuordnen, daß sein Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Mem
bran zusammenfällt. Allerdings ergeben sich hierbei beträcht
liche Probleme, so daß die Mittelpunkte in der Regel nicht zu
sammenfallen. Dennoch weisen auch solche Differenzdrucksenso
ren eine nahezu exakt gerade verlaufende Kennlinie auf. Der
kreisförmige Bereich wird bevorzugt so angeordnet, daß er den
freien Rand der Membran nicht erreicht.
Zwei der Dehnungsmeßstreifen sind in der Randzone des kreis
förmigen Bereichs angeordnet. Sie sind so geformt, daß sie
mehrere Teilstücke bilden, die jeweils auf konzentrischen
Kreisabschnittslinien in konstantem Abstand zum Rand des
kreisförmigen Bereichs verlaufen. Diese Dehnungsmeßstreifen
detektieren tangentiale Deformationen. Zwei weitere Dehnungs
meßstreifen sind in der Weise geformt, daß sie zusammen eine
rosettenartige Gestalt aufweisen, wobei eine Reihe der Teil
stücke beider Dehnungsmeßstreifen radial vom Mittelpunkt des
kreisförmigen Bereichs verlaufen. Diese Dehnungsmeßstreifen
detektieren radiale Deformationen.
Alle vier Meßstreifen werden vollständig durch eine kreisrunde
Meßplatte abgedeckt. Diese Meßplatte wird bevorzugt so dimen
sioniert, daß sie den Rand der Trägermembran nicht erreicht
und bei Druckbeaufschlagung der Meßkammer nicht mit der Gehäu
sewand in Kontakt kommt.
Die Erfindung bietet einige wesentliche Vorteile.
Da die steife, gegenüber der Trägermembran verhältnismäßig
dicke Meßplatte auf den Dehnungsmeßstreifen angebracht ist,
ist das statische und dynamische Übertragungsverhalten des
Differenzdrucksensors unabhängig von fertigungsbedingten Posi
tionierungsfehlern des Sensors im Gehäuse. Es ist daher nicht
erforderlich, die Dehnungsmeßstreifen und die Meßplatte exakt
in der Mitte des Gehäuses zu positionieren. Hierdurch ergibt
sich eine wesentliche Erleichterung beim Fertigungsprozeß.
Durch die Ausführung und Anordnung der vier aktiven Dehnungs
meßstreifen, von denen die äußeren die tangentialen und die
inneren die radialen Deformationen messen, werden die stören
den Effekte des herstellungsbedingten "Crowning-Effekts" voll
ständig eliminiert. Infolge des sogenannten "Crowning-Effekts"
bildet sich bei der Herstellung auf der freien Oberfläche der
Meßplatte eine Vertiefung, so daß die gewünschte Dicke der
Meßplatte nur an ihrem Rand gegeben ist. In ihrem mittleren
Bereich ist die Meßplatte weniger dick. Da der "Crowning-Ef
fekt" die Qualität des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors
nicht beeinträchtigt, ergibt sich eine wesentliche Vereinfa
chung des Herstellungsverfahrens.
Ein weiterer, wichtiger Vorteil ist, daß der Sensor in andere
mikromechanische Komponenten wie z. B. Pumpen und Mikroventile
integriert werden kann. Mit den Methoden der Mikrosystemtech
nik lassen sich die Komponenten und der erfindungsgemäße Dif
ferenzdrucksensor zusammen durch gemeinsame Verfahrensschritte
aus einem Kunststoff herstellen, so daß eine nachträgliche In
tegration des Differenzdrucksensors in die mikromechanischen
Komponenten nicht erforderlich ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren und eines
Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Diffe
renzdrucksensors und eine Aufsicht auf die Dehnungsmeßstrei
fen;
Fig. 2 die elektrische Verschaltung der in Fig. 1 gezeigten
Dehnungsmeßstreifen;
Fig. 3 einen Versuchsaufbau zur Bestimmung der statischen
Übertragungskennlinie eines Differenzdrucksensors;
Fig. 4 die statische Übertragungskennlinie eines Differenz
drucksensors;
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Dif
ferenzdrucksensors. Auf einer Membran 4 aus Polyimid, die eine
Dicke von 1,5 µm aufweist, befinden sich vier Dehnungs
meßstreifen 5, 6 aus Gold. Diese Dehnungsmeßstreifen 5, 6 sind
in eine 25 µm dicke Polyimidschicht 7 eingegossen worden, de
ren Radius 410 µm beträgt. Diese Schicht wirkt als Federkörper
und wird deshalb als Meßplatte bezeichnet. In den Bereichen C
ist die Einbuchtung der Meßplattenoberfläche infolge des
"Crowning-Effekts" dargestellt. Der gesamte Schichtaufbau be
findet sich zwischen zwei Gehäusehälften 8, 9 aus Polysulfon.
Sowohl die Meßkammer 1 als auch die Referenzkammer 2 sind im
Querschnitt rund. Ihr Durchmesser beträgt 950 µm, ihre Höhe
120 µm.
An der oberen Gehäusehälfte 8 ist ein Fluidanschluß 2 ange
bracht, der in die Meßkammer 1 mündet, so daß die Meßplatte 7
mit einem Meßdruck P1 beaufschlagt werden kann. Durch die Boh
rung 11 im Gehäuseunterteil 9 wirkt in der Referenzkammer 3
ein Referenzdruck P2, der beispielsweise dem Umgebungsdruck
entsprechen kann. Durch die Druckbeaufschlagung des Sensors
durch den Fluidanschluß 2 lenken sich die Membran 4 und die
Meßplatte 7 aus. Die dabei entstehenden elastischen Ver
formungen der Meßplatte werden mit den Dehnungsmeßstreifen 5,
6 detektiert, wobei jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen die ra
dialen (Bezugszeichen 6) und die tangentialen (Bezugszeichen
5) Dehnungen der Meßplatte erfassen.
Fig. 2 zeigt die elektrische Verschaltung der Dehnungsmeß
streifen. Die vier Dehnungsmeßstreifen 5, 6 werden zu einer
Wheatstoneschen Vollbrückenschaltung verschaltet, die im Aus
schlagverfahren betrieben wird. Die Meßbrücke wird mit einer
konstanten Spannung gespeist. Diese Schaltungsart besitzt die
Eigenschaft der Gleichtaktunterdrückung. Somit ist der Sensor
temperaturkompensiert, da die isotropen thermischen
Scheindehnungen, die aufgrund der unterschiedlichen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gold und Polyimid entstehen,
auf alle Dehnungsmeßstreifen 5, 6 gleichmäßig stark wirken.
Durch das Aufbringen der Meßplatte 7 wird erreicht, daß die in
der Meßplatte auftretenden radialen und tangentialen Dehnungen
direkt proportional zum wirkenden Differenzdruck sind. Da der
resistive Dehnungsmeßeffekt ebenfalls linear ist, entsteht ein
Differenzdrucksensor mit einer linearen statischen Übertra
gungskennlinie.
Fig. 3 zeigt den Versuchsaufbau zur Messung der statischen
Übertragungskennlinie des Differenzdrucksensors 26. Über einen
Druckminderer 20, ein Ventil 21 und ein Feinmeßmanometer 22
wird der Meßfluidanschluß 2 (siehe Fig. 1) des Differenzdruck
sensors 26 mit variablen Drücken beaufschlagt. Die Druckentla
stung kann über das Ventil 23 erfolgen. Über die Bohrung 11
wird die Referenzgaskammer 3 (siehe Fig. 1) auf einem konstan
ten Druck gehalten. Das Signal der Dehnungsmeßstreifen mit
Hilfe eines Gleichspannungsmeßverstärkers 24 um den Faktor
1000 verstärkt und auf einem Voltmeter 25 angezeigt.
Fig. 4 zeigt die mit diesem Versuchsaufbau ermittelte stati
sche Übertragungskennlinie des Differenzdrucksensors bei einer
Brückenspannung U0 von 1,5 V. Auf der Ordinate ist das um den
Faktor 1000 verstärkte Brückensignal in [mV] und auf der Ab
szisse der Differenzdruck in [hPa] aufgetragen. Bemerkenswert
war, daß bei dem Differenzdrucksensor, dessen Kennlinie hier
gezeigt ist, die Meßplatte 7, deren Radius 410 µm beträgt, und
die darunter liegenden Dehnungsmeßstreifen nicht in der Mitte
der freien, kreisrunden Trägermembran lagen, sondern um 40 µm
entsprechend 10% des Meßplatten-Radius gegen die Wand des Ge
häuseoberteils 8 versetzt war. Dennoch ist die statische Über
tragungskennlinie bei einem Regressionskoeffizenten 0,99804
nahezu exakt linear.
Auf einem Silicium-Wafer wird eine 60 nm dünne Goldtrenn
schicht aufgedampft, wobei der Rand des Wafers auf einer
Breite von ca. 5 mm nicht mit Gold bedeckt ist. Danach wird
ein Polyimidlack (Negativ-Photoresist) aufgeschleudert, mit
einer Chrommaske ohne Absorber belichtet (erste Belichtung)
und im Vakuumofen ausgebacken. Die Schichtdicke beträgt nach
dem Ausbacken 1,5 µm. Auf diese Weise ist eine Membran ent
standen, die nur im 5 mm breiten Randbereich des Wafers eine
gute Haftung zum Siliciumsubstrat aufweist.
Anschließend wird eine 100 nm dünne Goldschicht aufgedampft,
die eine gute Haftung zum Polyimid aufweist. Auf diese Gold
schicht wird ein Positiv-Photoresist aufgeschleudert, der mit
einer weiteren Chrommaske belichtet wird. Diese Chrommaske
enthält die Information über die Form und Anzahl der Dehnungs
meßstreifen pro Sensor und die Anzahl der Sensoren pro Wafer.
Die zweite Belichtung erfolgt positioniert zur ersten Belich
tung. Nach der Entwicklung des Photoresists wird die Gold
schicht naßchemisch geätzt und der verbleibende Resist ent
fernt.
Der Wafer mit den geätzten Dehnungsmeßstreifen wird an
schließend im Vakuumofen getempert. Nun wird auf den Wafer ein
Polyimidlack zur Erzeugung von dicken Schichten aufgeschleu
dert und mit Hilfe einer weiteren Chrommaske an den Stellen
belichtet (dritte Belichtung), wo die Meßplatte jedes einzel
nen Sensors entsteht. Diese dritte Belichtung muß positioniert
zur ersten Belichtung erfolgen, damit sich die Dehnungsmeß
streifen zentrisch in der Meßplatte befinden. Die Positionie
rungenauigkeit beim positionierten Belichten beträgt ca. 1 bis
2 µm. Nach einem letzten Ausbackschritt im Vakuumofen ist der
Schichtaufbau fertig. Bei diesem Fertigungsschritt ändert sich
die ehemals ebene Oberfläche der Meßplatte dergestalt, daß
sich der für dicke Schichten aus Polyimidlack typische "Crow
ning-Effekt" ergibt.
Bei den bis jetzt erwähnten Fertigungsschritten wurden auf ei
nem Wafer je nach Größe bis zu hundert oder mehr Sensoren im
"batch"-Verfahren hergestellt. Die Sensoren sind auf dem Wafer
in mehreren sogenannten "Nutzen", die bis zu 30 einzelne Sen
soren enthalten können, zusammengefaßt.
Die anschließende Einhäusung der Sensoren in die abgeformten
Kunststoffgehäuseteile findet im Nutzen in jeweils zwei
Schritten statt: Zuerst wird über einen Nutzen das obere Ge
häuseteil gelegt, positioniert auf den Wafer gepreßt und bei
100°C in einer Verklebeapparatur unter Anwendung der Klammer
klebetechnik mit dem Wafer verklebt. Bei diesem Fertigungs
schritt ist es nicht möglich, jeden einzelnen Sensor eines
Nutzens fehlerfrei, d. h. zentrisch mit seinem oberen Gehäuse
teil zu verkleben. Es treten Positionierungsfehler bis zu 60
µm auf, die die Funktionsfähigkeit des Sensors aber nicht be
einträchtigen dürfen. Da die Funktionsfähigkeit und Qualität
des erfindungsgemäßen Sensors jedoch nicht von einer exakten
Positionierung abhängt, braucht nicht exakter positioniert zu
werden.
Nachdem die Sensormembranen mit dem oberen Gehäuseteil ver
klebt sind, wird die 1,5 µm dünne Polyimidmembran um das Ge
häuseteil herum eingeschnitten, wonach sich der verklebte Nut
zen vom Silicium-Wafer aufgrund der schlechten Haftung zwi
schen Silicium un der Goldtrennschicht abheben läßt. Die Gold
trennschicht verbleibt auf der Unterseite der Trägermembran
und muß durch reaktives Ionen-Ätzen entfernt werden. Danach
wird das Gehäuseunterteil mit der bereits erwähnten Technik
auf die Membranen bei einer Temperatur von 80°C aufgeklebt.
Anschließend werden die Sensoren vereinzelt, indem der voll
ständig verklebte Nutzen zersägt wird.
Claims (4)
1. Differenzdrucksensor bestehend aus
- 1. einer Meßkammer (1), die mit einer Eintrittsöffnung (2) für ein unter einem Druck P1 stehendes Meßgas versehen ist,
- 2. einer Referenzkammer (3) und
- 3. einer Membran (4), die die Meßkammer (1) und die Refe renzkammer (3) gasdicht voneinander trennt, wobei
- 4. auf mindestens einer Seite der Membran
- 5. mindestens vier Dehnungsmeßstreifen (5, 6) vorgesehen sind, von denen zwei in einer Randzone eines kreisförmigen Bereichs der Membran zur Detektion tangentialer Deformationen der Membran angeordnet und zwei (6) radial in einer zentralen Zone des kreisförmigen. Bereichs in der Weise angeordnet sind, daß sie eine Rosettenform bilden und
- 6. die Dehnungsmeßstreifen (5, 6) durch eine kreisrunde, gegenüber der Membran dicke Meßplatte (7) abgedeckt sind, die als Federkörper wirkt.
2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Referenzkammer (3) mit einer Eintrittsöffnung (11) für
ein unter einem Druck P2 stehendes Referenzgas versehen
ist.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßplatte (7) aus einem Kunststoff besteht.
4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die vier Dehnungsmeßstreifen (5, 6) in einer Wheat
stoneschen Vollbrückenschaltung verschaltet sind.
Priority Applications (1)
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DE1997130991 DE19730991C1 (de) | 1997-07-18 | 1997-07-18 | Differenzdrucksensor |
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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