DE3447397A1 - Elektrischer druckgeber - Google Patents

Elektrischer druckgeber

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DE3447397A1 DE19843447397 DE3447397A DE3447397A1 DE 3447397 A1 DE3447397 A1 DE 3447397A1 DE 19843447397 DE19843447397 DE 19843447397 DE 3447397 A DE3447397 A DE 3447397A DE 3447397 A1 DE3447397 A1 DE 3447397A1
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Description

R. I » / Ö U
20. 12. 19-81» Ws/Hm
i y /
ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART
Elektrischer Druckgeber
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber zur Erzeugung von elektrischen Signalen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einem solchen bekannten Halbleiter-Druckgeber mit integrierter piezoresistiver Widerstandsbrücke sind die Sensorelemente im Randbereich einer Membran angebracht, die aus einem Siliziumhalbleiter durch. Funkenerosion, durch Ätzen oder anderer Verfahren gewonnen wird und die eine Referenzdruckkammer zu dem unter Druck stehenden Medium hin abschließt (US-PS k 079 508). Zur Messung von Absolutdrücken wird dabei die Referenzdruckkammer unter Vakuum verschlossen. Bei solchen und ähnlichen Druckgebern, die zur Druckmessung eine mit Gas oder Luft auf einem vorgegebenen Druck gefüllte oder unter Vakuum stehende Referenzdruckkammer aufweisen, werden die von dem Drucksensor bzw. von einem Druckschalter abgegebenen Signale verfälscht, sobald die Referenzdruckkammer undicht wird. Ein Leck in der Referenzdruckkammer kann bei diesen Druckgebern nur durch eine Nachmessung bei einer Wartung des Druckgebers erkannt werden.
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, die Dichtheit der Referenzdruckkammer während des Einsatzes des Druckgebers bei angeschlossener Auswerteschaltung zu überwachen.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Druckgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß mit der angeschlossenen Auswerteschaltung jederzeit die Referenzdruckkammer auf einen Druckanstieg oder Druckabfall hin überprüft werden kann. Da sich im Falle eines Lecks in der Referenzdruckkammer der Referenzdruck gegenüber dem Prüf druck -verändert, den die zweite Membran vom Referenzdruck trennt, wird von dem Prüfsensor ein entsprechendes Lecksignal abgegeben, das mit der Auswerteschaltung erfaßt und angezeigt wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die vorgeschlagene Lösung nicht nur für sogenannte Halbleiterdrucksensoren sondern für alle Druckgebersysteme verwendbar ist, die mit einer Referenzdruckkammer arbeiten. Aufgrund einer ständigen Überwachung der Referenzdruckkammer läßt sich ein solcher Druckgeber in vorteilhafter Weise auch an sicherheitsrelevanten Teilen, wie beispielsweise bei einer Reifendrucküberwachung von Kraftfahrzeugen einsetzen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Membran die Referenzdruckkammer gegen eine den Prüfdruck enthaltene Kammer hin abschließt, wobei in zweckmäßiger Weise die Prüfdruckkammer innerhalb der Referenzdruckkammer angeordnet ist. Eine solche Ausbildung des Druckgebers ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Prüfsensor mit der zweiten Membran von einem Halbleiterchip
gebildet wird, auf dem die Sensorelemente im Randbereich <ier Membran als integrierte piezoresistive Widerstandsbrücke integriert sind. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale besteht darin, daß zur Lecküberwachung mehrerer Druckgeber die Referenzdruckkammer eines jeden Druckgebers mit ihrer zweiten Membran zu einem gemeinsamen Prüfdruck hin abgeschlossen ist, wobei der Prüfdruck vorzugsweise der atmosphärische Luftdruck ist. Ein solcher Druckgeber ist vorzugsweise auch als kapazitiver Druckgeber mit einem Hochfrequenz-Meßsignal ausgebildet, wobei die erste Membran der Referenzdruckkammer eine Elektrode eines kapazitiven Drucksensors und die zweite Membran eine zweite Elektrode für einen kapazitiven Prüfsensor trägt. Beide Elektroden wirken dabei mit einer gemeinsamen, in der Referenzdruckkammer zwischen den beiden Elektroden angeordneten Mittelelektrode zusammen.
Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen in vergrößerter Darstellung Figur 1 einen erfindungsgemäßen Druckgeber mit einer Kapsel für die Referenzdruckkammer im Querschnitt, Figur 2 einen Halbleiter-Druckgeber mit je einer Membran zu einem Druckraum und zu einem Raum mit Atmosphärendruck und Figur 3 einen kapazitiven Druckgeber mit einem Meßsensor und einem Prüfsensor in der Referenzdruckkammer, Figur h zeigt das Ersatzschaltbild des Druckgebers nach Figur 3.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein mit 10 bezeichneter Druckgeber in vergrößertem Maßstab im Querschnitt dargestellt, der zur Messung eines Absolutdruckes einer Flüssigkeit
-Jr-
44739
oder eines Gases zu verwenden ist. Der Druckgeber 10 enthält im wesentlichen einen Meßsensor 12, der aus einem ersten
1-be.i+ek.f Halbleiterchip 11, beispielsweise aus Silizium ',auf dessen Oberfläche vier piezoresistive Sensorelemente 12a in Form einer Widerstandsbrückenschaltung angeordnet sind. Die Sensorelemente 12a, von denen nur zwei in Figur 1 erkennbar sind, befinden sich am Rande einer durch äußere Kräfte verformbaren Membran 13, die durch Abtragen des Halbleitermaterials in einem runden oder elliptischen Bereich auf der Rückseite des Halbleiterchips 11 hergestellt wird. Der Halbleiterchip 11 sitzt fest auf einer Substratplatte lh, indem er dort z.B. mit einer ringförmigen Leiterbahn 15 druckdicht verlötet, verklebt oder gebondet ist. Der elliptische Bereich unter der Membran 13 bildet einen Raum 16, der über eine Bohrung 17 in der Platte 1U mit einem unter Druck stehendem Medium, beispielsweise Luft, ein Gas oder eine Flüssigkeit in Verbindung steht. Für die Zuführung des unter Druck stehenden Mediums ist an der Rückseite der Platte 1U ein Rohrstutzen 18 auf die Bohrung 17 gesetzt, durch den das unter Druck stehende Medium in Pfeilrichtung zur Membran 13 vordringt. Oberhalb des Halbleiterchip 11 befindet sich eine Referenzdruckkammer 19, die nach außen hin durch eine Metallkapsel 20 abgeschlossen ist. Die Referenzdruckkammer 19 ist durch die Membran 13 sowie durch die Platte lh zu dem unter Druck stehenden Medium hin bzw. nach außen abgeschlossen.
Um mit dem Druckgeber 10 den Absolutdruck des Mediums messen zu können, steht die Referenzdruckkammer 19 unter Vakuum. Zur Erzeugung des Vakuums wird beispielsweise die Kapsel 20 im Vakuum mit einer weiteren ringförmigen Leiterbahn 21 auf der Platte 1U druckdicht verlötet. Diese Leiterbahn 21 läßt sich ebenso wie die Leiterbahn 15 beim Einsatz des Druckgebers 10 auf ein Bezugspotential legen, wobei vorzugsweise auch ein Anschluß der Brückenschaltung
des Meßsensors 12 über eine dieser Leiterbahnen mit dem Bezugspotential verbunden ist. Ein weiterer Anschluß des Meßsensors 12 wird über einen Anschlußdraht 22 mit einem Kontaktstift 23 verbunden, der in einer Glasdurchführung 2k druckdicht in der Platte lh befestigt ist.
Zur Überwachung des Vakuums in der Referenzdruckkammer ist der Druckgeber 10 mit einer zweiten Membran 25 versehen, welche die Referenzdruckkammer 19 zu einem Prüfdruck hin abschließt. Die zweite Membran 25 wird von einem Prüfsensor 26 gebildet. Sie trägt vier in einer Brückenschaltung vereinigte piezoresistive Prüfsensorelemente 26aund sie schließt die Referenzdruckkammer 19 gegen eine Prüfdruckkammer ab. -Der Prüfsensor 2β mit der zweiten Membran 25 wird von einem zweiten Halbleiterchip 28 gebildet , der innerhalb der Referenzdruckkammer 19 auf der Platte 1k angeordnet ist. Die Prüfdruckkammer 27 wird dabei durch eine im Bereich der zweiten Membran 25 aus der Rückseite des Halbleiterchip herausgeformten Ausnehmung gebildet. Sie ist nach unten hin durch die TtOlQplatte 1 k druckdicht abgeschlossen, indem der zweite Halbleiterchip- 28 ebenfalls auf einer Bezugspotential führende ringförmige. Leiterbahn 29 der Leiterplatte ~\k gebondet, geklebt bzw. aufgelötet ist. Da die beiden Halbleiterchips 11 und 28 ebenso wie die Kapsel unter Vakuum mit der Platte 1^ verlötet werden, steht auch die Prüfdruckkammer 27 unter Vakuum, Die Prüfsensorelemente 26a sind einerseits auf Bezugspotential gelegt und andererseits über einen Anschlußdraht 30 itii.t einem weiteren Kontaktstift 31 verbunden, der ebenfalls in einer Glasdurchführung 32 in der Platte lh druckdicht eingesetzt ist.
Beim Einsatz des Druckgebers 10 sind die Anschlüsse der Sensorelemente 12a.und 26amit einer Attswerteschaltung verbunden, wobei der Meßsensor 12 den absoluten Druck im Meß-
raum 16 und der Prüfsensor 26 den Druck in der Referenzdruckkammer 19 abfühlt. Bei intaktem Druckgeber 10 steht sowohl die Referenzdruckkammer 19 als auch die Prüfdruckkammer unter Vakuum, so daß die zweite Membran 25 keine Durchbiegung erfährt. Die von den Prüfsensorelementen 26a abgegebenen Signale z.B. O-Signal, werden in der angeschlossenen Auswert eschaltung als Sollwert erfaßt und abgespeichert. Die erste Membran 13 wird dagegen durch das unter Druck stehende Medium im Raum 16 aufgewölbt und die Sensorelemente 12a geben ein davon abhängiges elektrisches Signal ab, welches über die angeschlossene Auswerteschaltung ausgewertet wird.
Sobald nun in der Referenzdruckkammer 19 durch ein Leck Luft oder Gas einströmt, wird das von den Sensorelementen 12a abgegebene Meßsignal verfälscht. Da jedoch die Prüfdruckkammer 27 des Prüfsensors 26 durch die zweite Membran 25 von der Referenzdruckkammer 19 getrennt ist, wird bei einem solchen Leck nunmehr die zweite Membran 25 durch die Druckdifferenz auf beiden Seiten durchgedrückt und die Prüfsensorelemente 26a geben jetzt ein vom Normalzustand (Null) abweichendes Signal ab. Diese Signaländerung wird von der Auswerteschaltung erfaßt und der Defekt des Druckgebers 10 wird angezeigt. Die Überprüfung -des Druckgebers 10 kann dabei sowohl kontinuierlich während des Betriebs oder jeweils beim Einschalten des Druckgebers 10 vorgenommen werden.
Figur 2 zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Druckgeber ^O mit einer Referenzdruckkammer 1*1, die nach oben von einer ersten Membran k2 eines Meßsensors h'J und nach unten von einer zweiten Membran 1*3 eines Prüfsensors U8 abgeschlossen ist. Die Membranen 1*2 und 1+3 sind jeweils aus einem Halbleiterchip kh und 1*5 durch Abtragen des Halbleitermaterials an ihrer Rückseite gebildet. Die beiden
Halbeiterchips sind unter Vakuum auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Tragplatte 1+6 druckdicht befestigt, die im Bereich der unter Vakuum stehenden Referenzdruckkammer 1+1 eine entsprechende Ausnehmung hat. Die obere Membran 1+2 schließt die Referenzdruckkammer 1+1 gegen das unter Druck stehende Medium ab und die untere Membran 1+3 schließt die Referenzdruckkammer H 1 gegen einen Prüfdruck ab. Das unter Druck stehende Medium sovie der Prüfdruck s.ind neben der Referenzdruckkammer 1+1 durch die Tragplatte 1+6 voneinander getrennt. Auf der oberen Membran 1+2 sind Sensorelemente 1+7a des Meßsensors 1+7 zur Druckmessung des Mediums und auf der unteren Membran 1+3 sind Prüfsensorelemente l+8a des Prüfsensors 1+8 zur Lecküberwachung der Referenzdruckkammer 1+1 angeordnet.
Der Druckgeber 1+0 läßt sich beispielsweise zur Überwachung des Reifendrucks am Fahrzeugreifen, verwenden, indem er mit der Tragplatte 1+6 in ein Gehäuse eingesetzt wird, welches wie ein Füllventil in eine Gewindebohrung einer Radfelge eingeschraubt werden kann. Für die vier Fahrzeugreifen werden folglich vier Druckgeber ko benötigt. Zur Lecküberwachung der vier Druckgeber wird dabei die Referenzdruckkammer 1+1 eines jeden Druckgebers 1+0 mit ihrer zweiten Membran 1+3 zum Druck der Außenatmosphäre hin abgeschlossen, die hierbei einen für alle vier Referenzdruckkammern gemeinsamen Prüfdruck bildet. Beim Anschluß der Druckgeber 1+0 an ihre Auswerteschaltung werden durch die Sensorelemente l+7a jeweils elektrische Signale abgegeben, die von dem im Reifen herrschenden Luftdruck abhängig sind. Von den Prüfsensorelementen l+8a werden dagegen von allen vier Druckgebern 1+0 jeweils gleiche elektrische Signale abgegeben, da der Atmosphärendruck für alle vier Druckgeber 1+0 jeweils der gleiche ist. Tritt nun an einem der Druckgeber 1+0 in der Referenzdruckkammer 1+1 ein Leck auf, so kann Luft in die
Referenzdruckkammer Ui einströmen. Damit ändern sich auch die elektrischen Signale, die von den Sensorelementen ^Ta und den Prüfsensorelementen U8a des Druckgebers *+0 an die Auswerteschaltung abgegeben werden. Die Auswerteschaltung erkennt nunmehr, daß die elektrischen Signale von den Prüf sensorelementen U8a des defekten Druckgebers Uo von denen der übrigen, intakten Druckgeber abweicht und löst eine entsprechende Fehleranzeige aus.
In Figur 3 ist ein kapazitiver Druckgeber 50 in vergrößertem Maßstab im Querschnitt dargestellt, dessen Referenzdruckkammer 51 ebenfalls nach oben durch eine erste Membran 52 und nach unten durch eine zweite Membran 53 abgeschlossen ist. Die erste Membran 52 trägt hier an der Innenseite der Referenzdruckkammer 51 eine großflächige Elektrode 5^- und die zweite Membran 53 trägt ebenfalls an der Innenseite der Referenzdruckkammer 51 eine großflächige Elektrode 55· Beide Elektroden 5^ und 55 wirken mit einer gemeinsamen Mittelelektrode 56 zusammen, die in der Referenzdruckkammer 51 zwischen den beiden Elektroden 5^ und 55 angeordnet ist. Die Mittelelektrode 56 wird dabei durch eine elektrisch leitende Schicht gebildet, die auf einer Tragplatte 57 aus Isoliermaterial aufgetragen ist. Die Tragplatte 57 hat in der Mitte ein Loch 53 mit einer Durchkontaktierung der beidseitig auf der Tragplatte 57 befindlichen elektrisch leitenden Schicht. Durch die Tragplatte 57 ist die Referenzdruckkammer 51 in der Mitte unterteilt, wobei ein von der ersten Membran 52 abgeschlossener Raum 59 oberhalb und ein von der zweiten Membran 53 abgeschlossener Raum 60 unterhalb der Tragplatte 57 gebildet wird. Beide Räume 59 und bO sind dabei über das Loch 58 miteinander verbunden. Die erste Membran 52 schließt die Referensdruckkammer 51 nach außen zu einem unter Druck stehenden Medium ab und die zweite Membran schließt die Referenzdruckkammer 51 zu einem Prüfdruck hin ab.
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^3747397
Auch dieser Druckgeber 50 kann zur Lecküberwachung mehrerer Druckgeber in der Weise eingesetzt werden, daß die Referenzdruckkammer 51 eines jeden Druckgebers 5'0 mit ihrer zweiten Membran 53 zu einem gemeinsamen Prüfdruck, vorzugsweise zum Atmosphärendruck Pa hin abgeschlossen ist. In Figur h ist dabei das Schaltbild eines solchen kapazitiven Druckgebers 50 dargestellt. Die Elektrode 5^ bildet dabei mit der Mittelelektrode 56 einen als Kondensator 61 wirkenden Meßsensor und die zweite Elektrode 55 bildet mit der Mittelelektrode 56 einen als Kondensator 62 wirkenden Prüfsensor. Wird die Mittelelektrode 56 auf Bezugspotential gelegt und wird an den Elektroden 5^+ und 55 der Sensoren 61 und 62 jeweils eine hochfrequente Meßspannung gelegt, so kann über einen Meßstromkreis der angeschlossenen Auswerteschaltung jeweils die Kapazität der Kondensatoren 61 und 62 ermittelt werden.
Bei einem sich ändernden Druck auf der oberen Membran 52 wird der Abstand der oberen Elektrode 5h zur Mittelelektrode 56 verändert und damit folglich auch die Kapazität des Meßsensors 61. Da der Luftdruck Pa an allen überwachten Druckgebern 50 der gleiche ist, wird auch der Abstand der unteren Elektrode 5*+ an der Mittelelektrode 56 und damit die Kapazität des Prüfsensors 62 bei allen zu überwachenden Druckgebern 50 gleich sein. Tritt dagegen an einer der unter Vakuum stehenden Referenzdruckkammern 51 ein Leck auf, so ändert sich die Kapazität des Prüfsensors 62 am defekten Druckgeber 50. Dies wird von der mit den Druckgebern 50 verbundenen Auswerteschaltung erkannt und angezeigt.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind die Membranen 52 und 53 aus schalenförmigen Körpern 63 und Gh aus Isolierstoff gebildet und auf einander gegenüberliegenden Seiten der Tragplatte 57 druckdicht befestigt.
A f
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, da anstelle des Vakuums die Referenzdruckkammer auch mit einem unter Druck stehenden Gas bzw. mit Druckluft gefüllt sein kann. Zur Erzeugung eines eindeutigen Signales bei einem Leck in der Referenzdruckkammer ist es jedoch zweckmäßig, daß zwischen dem Druck in der Referenzdruckkammer auf der einen Seite der Membran des Prüfsensors und dem Prüfdruck auf der anderen Seite der Membran eine ausreichende Druckdifferenz vorhanden ist. Diese Druckdifferenz tritt entweder gemäß Figur 1 erst bei einem Leck in der Referenzdruckkammer auf oder sie muß gemäß Figur 2 und 3 bei intakten Druckgebern vorhanden sein und bei einem Leck verschwinden. Das Signal des Prüfsensors bei gleichem Druck auf beiden Seiten einer Membran muß sich in jedem Fall eindeutig von dem Signal unterscheiden, das bei starker Druckdifferenz auf beiden Seiten der Membran auftritt.
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Claims (1)

  1. 20.12.198U Ws/Hm
    ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1
    Ansprüche
    1. Druckgeber zur Erzeugung von elektrischen Signalen mit einer mindestens ein Sensorelement tragenden, druckabhängig verformbaren Membran, die eine Referenzdruckkammer zu einem unter Druck stehenden Medium hin abschließt, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Membran (25, U3, 53) die Referenzdruckkammer (19, kl, 51) zur Lecküberwachung zu einem Prüfdruck hin abschließt und daß die zweite Membran (25, Jj-3 , 53) mindestens ein Prüf sensorelement (26a, ^Ta5 55) trägt, welches bei einem Leck in der Referenzdruckkammer (19 j lH, 51) ein entsprechendes Signal abgibt.
    2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prüfsensor (26) mit der zweiten Membran (25) die Referenzdruckkammer (19) gegen eine Prüfdruckkammer (27) abschließt.
    3. Druckgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfsensor (26) mit der Prüfdruckkammer (27) in der Referenzdruckkammer (19) angeordnet ist.
    h. Druckgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfsensor (26) mit der zweiten Membran (25) und mit dem mindestens einen Prüfsensorelement (26a) aus einem Halbleiterchip (28) besteht.
    19 7 P 6
    5. Druckgeber nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, daß der das mindestens eine Prüfsensorelement (26) tragende Halbleiterchip (28) im Bereich der Membran (25) eine Ausnehmung aufweist und derart auf einer Tragplatte (1^) befestigt ist, daß die Ausnehmung zur Bildung der Prüfdruckkammer (27) durch die Tragplatte (lU) druckdicht abgeschlossen ist.
    6. Druckgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Halbeiterchip (28) des Prüfsensor^ (26) ein weiterer Halbleiterchip (11) eines Meßsensors (12) auf der Tragplatte (lh) angeordnet ist, der im Bereich seiner Membran (13) ebenfalls eine von der Tragplatte (1^) druckdicht abgeschlossene Ausnehmung ( 16 ) aufweist, die jedoch durch eine Bohrung (17) in der Tragplatte .(1*0 mit dem unter Druck stehenden Medium zu verbinden ist und daß beide Halbleiterchips (11, 28) innerhalb einer von der Tragplatte (1k) druckdicht verschlossenen Kapsel zur Bildung der Referenzdruckkammer (19) angeordnet sind.
    7. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lecküberwachung mehrerer Druckgeber (kO, 50) die Referenzdruckkammer (M, 51) eines jeden Druckgebers (l+O, 50) mit ihrer zweiten Membran (^3, 53) zu einem gemeinsamen Prüfdruck, vorzugsweise zum Atmosphärendruck hin abgeschlossen ist.
    8. Druckgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Membran (52) der Referenzdruckkammer (51) eine Elektrode (5M für einen kapazitiven Meßsensor (61) und die zweite Membran (53) eine zweite
    Elektrode (55) für einen kapazitiven Prüfsensor (62) trägt und daß beide mit einer gemeinsamen gelochten Mittelelektrode (56) zusammenwirken, die in der Referenzdruckkammer (51) zwischen den beiden Elektroden (5^5 55) angeordnet ist.
    9. Druckgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (56) durch eine Tragplatte (57) gebildet ist, welche ein Loch (58) aufweist und beidseitig eine elektrisch leitende Schicht trägt.
    10. Druckgeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzdruckkammer (51) durch einen von der ersten Membran (52) abgeschlossenen Raum (59) oberhalb und einen von der zweiten Membran (53) abgeschlossenen Raum (60) unterhalb der Tragplatte (57) gebildet ist, welche über das Loch (58) miteinander verbunden sind..//',
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