DE19730991C1

DE19730991C1 - Differenzdrucksensor

Info

Publication number: DE19730991C1
Application number: DE1997130991
Authority: DE
Inventors: Joerg Martin
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2017-07-19

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.

Beispiel: Herstellung des Differenzdrucksensors gemäß Fig. 1

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

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.