DE19730991C1 - Differential pressure sensor - Google Patents

Abstract

The pressure sensor has a measuring chamber (1) with an input opening (2) for connection to the measured gas and a reference chamber (3), which are separated from one another via a gas-tight membrane (4). At least 4 expansion measuring strips (5,6) are attached to one side of the membrane, with 2 positioned at the membrane edge for detecting tangential deformation and 2 positioned radially at its centre. A circular measuring plate (7) is applied to the membrane over the expansion measuring strips, for acting as a spring body.

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor.The invention relates to a differential pressure sensor.

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.A differential pressure sensor is e.g. B. from the conference report the IEEE International Solid-State Circuits Conference 1969, Session IX: Solid State Power Control, THPM 9.2: Subminiature Silicon Pressure Transducer by A.C. M. Gieles, pp. 108-109 known. This sensor contains a silicon membrane, the one Separates the measuring chamber gas-tight from a reference chamber and onto the applied a rotationally symmetrical strain gauge is.

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.The publication by Werner K. Schomburg et al. "FABRICATION OF MICROFLUIDIC DEVICES BY THERMOPLASTIC MOLDING AND DIAPHRAGM TRANSFER "in the Proceedings of the ASME Dynamic Systems and Control Division DSC-Vol. 57-2, 1995 IMCE, pp.951-956 writes various microfluidic devices for flow control of small quantities of gases and liquids. At the These devices separate diaphragms from different cavities from each other. Strain gauges on the diaphragms not mentioned.

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. In K. Hoffmann: An introduction to the technique of measuring with strain gauges, publisher: Hottinger Baldwin Meßtechnik GmbH, Darmstadt, year of publication 1987 pp. 2-7, a film is described in which four strain gauges are attached to a circular area, two of which are arranged in the peripheral zone of the circular area and two in its central zone. The strain gauges near the edge are structured radially and the central strain gauges are structured tangentially. The foil with the strain gauges is used in pressure transducers.

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.DE 40 16 872 A1 describes a pressure sensor, the one Measuring element with a metallic membrane and a thickened one Has membrane support. On the back of the membrane is one Strain gauge arrangement attached using thin-film technology. The membrane runs out at its edge into a pipe section that is part of the measuring room.

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.A pressure transducer is known from DE 25 34 916 A1 on a carrier a multi-part strain gauge brought. The strain gauge is a block covers, which leaves an edge region of the carrier free. The block According to the description, no special function in the finished pressure transducers meet, but as a pressure distributor used during assembly of the transducer will. From the circular shape of the block are ge Two concave recesses are made opposite, the free one Leave spaces for connecting tabs on the strain gauge.

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.From Knaur's Lexicon of Technology, Vol. 1, pages 209, 210 (1988) Various forms of strain gauges are known. The Strain gauges consist of a paper or art fabric carrier on which a 0.02 mm thick resistance wire or a narrow film is glued on in a meandering shape. Some deh Measurement strips have a rosette shape with two or three Measuring elements.

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. A similar state of the art also results from Automa technical practice; 6, 1993, pages 337 to 345, wherein u. a. another differential pressure sensor is described, the one Silicon membrane, on the four strain gauges strips are arranged.  

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.It has been shown that in the known manner th differential pressure sensors improve the measuring sensitivity capable and the characteristic curve clearly from the straight shape deviates.

Aufgabe der Erfindung ist, diesen Nachteilen abzuhelfen und einen Differenzdrucksensor vorzu­ schlagen, dessen Kennlinie linear ist.The object of the invention is to remedy these disadvantages and vorzu a differential pressure sensor beat whose characteristic is linear.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by the features of the first claim. Preferred configurations of the sensor according to the invention are Subject of the dependent claims.

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.In the simplest case, the reference chamber of the differential pressure sensor according to the invention can represent a closed gas volume which is under a predetermined pressure P ₂ , for example the atmospheric pressure. In this case, the sensor measures the difference between the pressure P _{1 of} the measurement gas and the predetermined pressure P ₂ in the reference chamber. For differential pressure sensors in which the reference pressure should be adjustable, the reference chamber is provided with an inlet opening for a reference gas which is under a given pressure P ₂ .

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.The geometric shape of the membrane is of minor importance interpretation. The membrane can be circular, square or be rectangular, depending on the shape of the measuring and the Re have reference chamber.

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.At least four strain gauges are attached to the membrane brings. The strain gauges take a circular shape  submit on the membrane. When making the difference pressure sensor will be aimed at, the circular area like this to arrange that its center with the center of the mem bran collapses. However, this results in considerable problems, so that the centers usually do not collapse. However, such differential pressure sensors also show have an almost exactly straight characteristic curve. Of the circular area is preferably arranged so that it free edge of the membrane not reached.

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.Two of the strain gauges are in the edge zone of the circle shaped area. They are shaped to be form several sections, each concentric Circular section lines at a constant distance from the edge of the circular area. These strain gauges detect tangential deformations. Two more stretches Measuring strips are shaped in such a way that they form one have rosette-like shape, with a number of the part pieces of both strain gauges radially from the center of the circular area. These strain gauges detect radial deformations.

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.All four measuring strips are completely by a circular Measuring plate covered. This measuring plate is preferably dimensioned in this way sion that it does not reach the edge of the support membrane and when the measuring chamber is pressurized not with the housing sewand comes into contact.

Die Erfindung bietet einige wesentliche Vorteile.The invention offers several major advantages.

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.Because the stiff, relative to the support membrane thick measuring plate is attached to the strain gauges, is the static and dynamic transmission behavior of the Differential pressure sensor independent of production-related items tion errors of the sensor in the housing. It is therefore not required, the strain gauges and the measuring plate exactly  to position in the middle of the case. This gives a significant relief in the manufacturing process.

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.By executing and arranging the four active stretches measuring strips, the outer the tangential and the measure the radial deformations inside, they will disturb the effects of the manufacturing-related "crowning effect" constantly eliminated. As a result of the so-called "crowning effect" forms during production on the free surface of the Measuring plate a recess so that the desired thickness of the Measuring plate is given only at its edge. In their middle Area, the measuring plate is less thick. Since the "Crowning-Ef fekt "the quality of the differential pressure sensor according to the invention not affected, there is a significant simplification production process.

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.Another important advantage is that the sensor is in others micromechanical components such. B. pumps and micro valves can be integrated. With the methods of microsystem technology The components and the dif reference pressure sensor together through common process steps produce from a plastic, so that a subsequent In Integration of the differential pressure sensor in the micromechanical Components is not required.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren und eines Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is described below with reference to figures and one Exemplary embodiment explained.

Es zeigenShow it

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Diffe­ renzdrucksensors und eine Aufsicht auf die Dehnungsmeßstrei­ fen; Fig. 1 fen a cross section through an embodiment of the Diffe rence pressure sensor and a plan view of the Dehnungsmeßstrei;

Fig. 2 die elektrische Verschaltung der in Fig. 1 gezeigten Dehnungsmeßstreifen; FIG. 2 shows the electrical connection of the strain gauges shown in FIG. 1;

Fig. 3 einen Versuchsaufbau zur Bestimmung der statischen Übertragungskennlinie eines Differenzdrucksensors; FIG. 3 shows a test setup for determining the static transfer characteristic of a differential pressure sensor;

Fig. 4 die statische Übertragungskennlinie eines Differenz­ drucksensors; Figure 4 shows the static transmission characteristic of a differential pressure sensor.

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. Fig. 1 shows a section through an embodiment of the dif ferential pressure sensor. On a membrane 4 made of polyimide, which has a thickness of 1.5 microns, there are four strain gauges 5 , 6 made of gold. These strain gauges 5 , 6 have been poured into a 25 µm thick polyimide layer 7 , the radius of which is 410 µm. This layer acts as a spring body and is therefore called a measuring plate. The indentation of the measuring plate surface as a result of the "crowning effect" is shown in regions C. The entire layer structure be found between two housing halves 8 , 9 made of polysulfone. Both the measuring chamber 1 and the reference chamber 2 are round in cross section. Its diameter is 950 µm, its height is 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.On the upper housing half 8 , a fluid connection 2 is introduced , which opens into the measuring chamber 1 , so that the measuring plate 7 can be subjected to a measuring pressure P ₁ . Through the drilling tion 11 in the lower housing part 9, a reference pressure P ₂ acts in the reference chamber 3 , which can correspond, for example, to the ambient pressure. The diaphragm 4 and the measuring plate 7 deflect due to the pressurization of the sensor through the fluid connection 2 . The resulting elastic deformations of the measuring plate are detected with the strain gauges 5 , 6 , two strain gauges each detecting the radial dials (reference number 6 ) and the tangential (reference number 5 ) strains of the measuring plate.

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. 2 shows the electrical circuit of the strain gauges. The four strain gauges 5 , 6 are connected to a Wheatstone full bridge circuit, which is operated in the impact method. The measuring bridge is fed with a constant voltage. This type of circuit has the property of common mode rejection. The sensor is thus temperature-compensated, since the isotropic thermal sham strains, which arise due to the different linear thermal expansion coefficients of gold and polyimide, act uniformly strongly on all strain gauges 5 , 6 . The application of the measuring plate 7 ensures that the radial and tangential expansions occurring in the measuring plate are directly proportional to the differential pressure acting. Since the resistive strain measurement effect is also linear, a differential pressure sensor with a linear static transmission characteristic is created.

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. 3 shows the experimental setup for measuring the static transfer characteristic of the differential pressure sensor 26. Via a pressure reducer 20 , a valve 21 and a precision measuring manometer 22 , the measuring fluid connection 2 (see FIG. 1) of the differential pressure sensor 26 is acted upon with variable pressures. The Druckentla stung can be done via the valve 23 . Via the bore 11 , the reference gas chamber 3 (see Fig. 1) is kept at a constant pressure. The signal from the strain gauges is amplified by a factor of 1000 using a DC voltage measuring amplifier 24 and displayed on a voltmeter 25 .

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. Fig. 4 shows the static transmission characteristic of the differential pressure sensor determined with this experimental setup at a bridge voltage U ₀ of 1.5 V. On the ordinate, the bridge signal is amplified by a factor of 1000 in [mV] and on the abscissa the differential pressure in [hPa ] applied. It was remarkable that in the differential pressure sensor, the characteristic of which is shown here, the measuring plate 7 , the radius of which is 410 µm, and the strain gauges underneath were not in the middle of the free, circular support membrane, but by 40 µm, corresponding to 10% of the measuring plate Radius was offset against the wall of the upper housing part 8 Ge. Nevertheless, the static transfer characteristic is almost exactly linear with a regression coefficient 0.99804.

Beispiel:Example: Herstellung des Differenzdrucksensors gemäß Fig. 1Production of the differential pressure sensor according to 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.A 60 nm thin gold separator is cut on a silicon wafer evaporated layer, with the edge of the wafer on a Width of about 5 mm is not covered with gold. After that spun a polyimide varnish (negative photoresist) with exposed on a chrome mask without absorber (first exposure) and baked in a vacuum oven. The layer thickness is after baking 1.5 µm. In this way, a membrane is ent stood that only in the 5 mm wide edge area of the wafer has good adhesion to the silicon substrate.

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.Then a 100 nm thin gold layer is evaporated, which has good adhesion to the polyimide. On this gold layer is spun on a positive photoresist another chrome mask is exposed. This chrome mask contains information about the shape and number of strains measuring strips per sensor and the number of sensors per wafer. The second exposure is positioned to the first exposure tung. After the development of the photoresist, the gold layer is etched wet-chemically and the remaining resist ent distant.

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.The wafer with the etched strain gauges turns on finally annealed in a vacuum oven. Now the wafer is on Polyimide varnish to create thick layers changed and with the help of another chrome mask in the places exposed (third exposure) where the measuring plate each one sensor is created. This third exposure needs to be positioned for the first exposure so that the strain gauges strips are centered in the measuring plate. The position inaccuracy in positioned exposure is approx. 1 to 2 µm. After a final baking step in the vacuum oven, the is Layer construction finished. This manufacturing step changes the formerly flat surface of the measuring plate in such a way that  the "crow. typical of thick layers of polyimide lacquer ning effect "results.

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.In the manufacturing steps mentioned so far, on egg Depending on the size, up to a hundred or more sensors in the wafer "batch" process produced. The sensors are on the wafer in several so-called "benefits", which up to 30 individual Sen may contain sensors, summarized.

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.The subsequent housing of the sensors in the molded Plastic housing parts are useful in two each Steps instead: First the upper Ge placed housing part, positioned pressed onto the wafer and at 100 ° C in a gluing apparatus using the clip Gluing technology glued to the wafer. In this manufacturing It is not possible to step each sensor one step Benefits error-free, d. H. centric with its upper case glue part. Positioning errors up to 60 occur µm, which does not affect the functionality of the sensor may impair. Because the functionality and quality of the sensor according to the invention, however, is not accurate Positioning depends, does not need to be positioned more precisely will.

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.After ver the sensor membranes with the upper housing part are stuck, the 1.5 µm thin polyimide membrane is around the Ge incised part of the house, after which the glued groove zen from the silicon wafer due to poor adhesion between silicon and the gold separating layer. The gold separating layer remains on the underside of the carrier membrane and must be removed by reactive ion etching. After that the lower part of the housing with the technology already mentioned glued to the membranes at a temperature of 80 ° C. Then the sensors are separated by the full constantly glued-up benefit is sawn up.

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.

1. Differential pressure sensor consisting of

• 1. a measuring chamber ( 1 ) which is provided with an inlet opening ( 2 ) for a measuring gas under a pressure P1,
• 2. a reference chamber ( 3 ) and
• 3. a membrane ( 4 ) which separates the measuring chamber ( 1 ) and the reference chamber ( 3 ) in a gas-tight manner, wherein
• 4. on at least one side of the membrane
• 5. at least four strain gauges ( 5 , 6 ) are provided, two of which are arranged in an edge zone of a circular region of the membrane for detecting tangential deformations of the membrane and two ( 6 ) radially in a central zone of the circular. Are arranged in such a way that they form a rosette shape and
• 6. the strain gauges ( 5 , 6 ) are covered by a circular measuring plate ( 7 ) thick with respect to the membrane, which acts as a spring body.

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.2. Differential pressure sensor according to claim 1, characterized in that the reference chamber ( 3 ) is provided with an inlet opening ( 11 ) for a reference gas under a pressure P2. 3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßplatte (7) aus einem Kunststoff besteht. 3. Differential pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring plate ( 7 ) consists of a plastic. 4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Dehnungsmeßstreifen (5, 6) in einer Wheat­ stoneschen Vollbrückenschaltung verschaltet sind.4. Differential pressure sensor according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the four strain gauges ( 5 , 6 ) are interconnected in a Wheatstone full bridge circuit.