DE102008033592B4

DE102008033592B4 - Mikromechanischer Drucksensor

Info

Publication number: DE102008033592B4
Application number: DE200810033592
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dannhauer; Dr. Tham Anh Tuan; Dieter Stolze; Prof. Dr. Wertschutzky Roland; Timo Kober
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2013-03-07
Anticipated expiration: 2028-07-18
Also published as: DE102008033592A1

Abstract

Drucksensor (1), umfassend: mindestens eine Messmembran (2); und mindestens einen Membranträgerkörper, mit dem die Messmembran (2) entlang ihres Randes druckdicht verbunden ist, wobei der Membranträgerkörper einen Sockel (5) und eine Membranbettplatte (3) umfasst, an der sich die Messmembran im Falle einer Überlast abstützt, wobei die Membranbettplatte (3) elastisch verformt ist, und die elastische Verformung durch direktes oder indirektes Befestigen mindestens eines verformten Abschnitts der Membranbettplatte an dem Sockel fixiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor, insbesondere einen mikromechanischen Differenzdrucksensor.
Mikromechanische Drucksensoren umfassen einen Grundkörper, eine Messmembran und einen Wandler, wobei die Messmembran an dem Grundkörper befestigt ist, wobei die Messmembran mit mindestens einem Druck beaufschlagbar ist und eine druckabhängige elastische Verformung aufweist, und wobei der Wandler ein von der Verformung der Messmembran abhängiges elektrisches Signal bereitstellt, wobei der Grundkörper ferner ein Membranbett aufweist, an welchem die Messmembran im Falle einer Überlast anliegt, um die Messmembran abzustützen.
Wie in der Offenlegungsschrift US 2005/10072242 A1 offenbart ist, wird Membranbett beispielsweise mit großem Aufwand mit feinwerktechnischen bzw. mikromechanischen Methoden gefertigt, um eine hinreichende Abstützung der Messmembran im Überlastfall zu ermöglichen. Hierbei sind eine möglichst genaue Fertigung und eine kostengünstige Fertigung gegenläufige Zielgrößen, die zu Kompromissen bei der Leistungsfähigkeit des Membranbetts führen müssen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor und ein Herstellungsverfahren für einen Drucksensor bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Der erfindungsgemäße Drucksensor umfasst
mindestens eine Messmembran; und
mindestens einen Membranträgerkörper, mit dem die Messmembran entlang ihres Randes druckdicht verbunden ist, wobei der Membranträgerkörper ein Membranträgerkörper einen Sockel und eine Membranbettplatte umfasst, an der sich die Messmembran im Falle einer Überlast abstützt, wobei die Membranbettplatte durch Druckbeaufschlagung elastisch verformt ist, und die elastische Verformung durch durch direktes oder indirektes Befestigen mindestens eines Abschnitts der Membranbettplatte an dem Sockel fixiert ist.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung ist die Membranbettplatte zum Fixieren der elastischen Verformung zumindest abschnittsweise oder vollflächig an dem Sockel im verformten Zustand fixiert.
Die verbleibende Verformung kann beispielsweise der Biegecharakteristik der Membranbettplatte unter der Randbedingung der anschließenden Fixierung folgen. Hierbei können, ggf. je nach Art und Ort der Fixierung Rückstellkräfte wirksam werden, so dass es zu geringfügigen Abweichungen von der Biegecharakteristik der Membranbettplatte im freien Zustand kommen kann.
Diese Abweichungen sind so gering zu halten, dass die Stützfunktion der Membranbettplatte für die Messmembran im Überlastfall nicht beeinträchtigt wird. Geringe Abweichungen von der Biegelinie der Messmembran können sogar den vorteilhaften Nebeneffekt aufweisen, dass die Messmembran im Überlastfall nicht vollflächig an der Membranbett anliegt und gegen dieses gedrückt wird. Denn in einem solchen Fall können ggf. Adhäsionskräfte nach Wegfall der Überlast verhindert, dass sich die Messmembran von dem Membranbett löst. Dieser Effekt kann aber auch dadurch vermieden werden, dass zumindest eine der sich berührenden Oberflächen eine gewisse Rauhigkeit aufweist, beispielsweise durch eine zusätzliche Beschichtung.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Messmembran ein Halbleitermaterial auf, beispielsweise Silizium.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Membranbettplatte ein Halbleitermaterial auf, vorzugsweise das gleiche Material wie die Messmembran, insbesondere Silizium.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Sockel ebenfalls ein Halbleitermaterial aufweisen, insbesondere Silizium. Die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte aus einem Halbleitermaterial und dem Sockel aus einem Halbleitermaterial kann beispielsweise mit einem Glaslot, durch eutektisches Bonden oder Siliziumfusionbonden erfolgen.
Die Befestigung mit einem Glaslot kann insbesondere so erfolgen, dass die Membranbettplatte vollflächig über das Glaslot mit dem Sockel verbunden ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass einerseits Rückstellkräfte in der Membranbettplatte nach Wegfall des während der Fertigung angelegten Drucks keine Abweichung von der zu fixierenden Form bewirken können, und dass andererseits die Membranbettplatte selbst vollflächig abgestützt ist.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Sockel Glas oder Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC Low Temperature Cofired Ceramic) aufweisen. Die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte aus einem Halbleitermaterial und dem Sockel aus einem Halbleitermaterial kann beispielsweise durch anodisches Bonden erfolgen.
Bei der Fertigung kann die Membranbettplatte mit ihrem Randbereich an dem Randbereich eines Sockels befestigt werden, wobei der Randbereich eine Vertiefung in dem Sockel umgibt. Die Membranbettplatte kann in dem Maße mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druck belastet werden, dass die Membranbettplatte eine gewünschte Durchbiegung aufweist. In diesem Zustand wird die Membranbettplatte fixiert, wobei vorzugsweise zumindest ein Abschnitt des verformten Bereichs an dem Sockel befestigt wird.
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann ein Absolutdrucksensor sein, welcher einen zu messenden Mediendruck gegen Vakuum misst, ein Relativdrucksensor, welcher einen zu messenden Mediendruck gegen den umgebenden Atmosphären misst, oder ein Differenzdrucksensor, welcher die Differenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck misst.
Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor mindestens einen Membranträgerkörper, mit dem die Messmembran entlang ihres Randes druckdicht verbunden ist, wobei der Membranträgerkörper ein Membranträgerkörper einen Sockel und eine Membranbettplatte umfasst, an der sich die Messmembran im Falle einer Überlast abstützt, wobei die Membranbettplatte elastisch verformt ist, und die elastische Verformung durch Befestigen mindestens eines Abschnitts der Membranbettplatte fixiert ist.
Ein erfindungsgemäßer Differenzdrucksensor kann auch zwei Membranbetten aufweisen die jeweils durch Fixieren der Verformung einer Membranbettplatte gebildet sind, wobei ein erstes Membranbett zur Abstützung einer Messmembran um die Messmembran bzw. die Messmembranen im Falle von einseitigen Überlasten des Differenzdrucksensors gegen
Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigt:
1: eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Absolutdrucksensors;
2: eine Schnittansicht eines ersten Beispiels eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors; und
3: eine Schnittansicht eines zweiten Beispiels eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors.
Der in 1 dargestellte Absolutdrucksensor 1 umfasst eine Messmembran die in ihrer Ruhelage mit dem Bezugszeichen 2 und unterbrochenen Linien und bei maximaler Auslenkung mit dem Bezugszeichen (2) und durchgezogenen Linien dargestellt ist. Weiterhin umfasst der Absolutdrucksensor 1 einen Membranträgerkörper der eine Membranbettplatte 3 und einen Sockel 5 aufweist. Die Messmembran ist entlang einer Randfläche mittels einer ersten umlaufenden, in sich geschlossenen Fügestelle 4 druckdicht mit einer ersten Oberfläche der Membranbettplatte 3 verbunden. Die Membranbettplatte ist ihrerseits mit einer zweiten Oberfläche, welche der ersten Oberfläche abgewandt ist, entlang ihres Randes mittels einer zweiten umlaufenden Fügestelle 6 druckdicht mit einem Randbereich des Sockels 5 verbunden, wobei der Randbereich des Sockels gegenüber dessen Zentralbereich hervorsteht. Bei der Fertigung des Absolutdrucksensors wird die Membranbettplatte 3 vor der Befestigung der Messmembran 2 mit einem Druck beaufschlagt, wodurch sie in dem Maß verformt wird, dass sie als Membranbett für die Messmembran im Falle einer Überlast dienen kann. Diese Verformung der Membranbettplatte wird fixiert, indem die Membranbettplatte 3 beispielsweise in ihrem Zentrum 7 mittels einer dritten Fügestelle an dem Sockel fixiert wird. Vorzugsweise ist aber eine vollflächige Verbindung zwischen der Membranbettplatte 3 und dem Sockel 5 realisiert, beispielsweise durch ein Glaslot 8, mit dem der Raum zwischen der Membranbettplatte und dem Zentralbereich des Sockels befüllt ist.
Die Messmembran 2, die Membranbettplatte 3 und der Sockel 5 des Ausführungsbeispiels weisen Silizium auf. Die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte 3 und dem Sockel 5 erfolgt wie die vollflächige Unterfüllung des Zwischenraums mit einem Glaslot. Die Befestigung der Messmembran 2 an der Membranbettplatte 3 erfolgt durch eutektisches Bonden.
Der Absolutdrucksensor umfasst weiterhin einen Wandler zum Bereitstellen eines von der Verformung der Messmembran abhängigen Signals. Dies kann beispielsweise ein (piezo-)resistiver Wandler sein, wozu Widerstandselemente in der Messmembran vorzusehen sind. Gleichermaßen ist ein kapazitiver Wandler geeignet. In diesem Fall weist die Messmembran mindestens eine erste Elektrode auf, wobei dann an der Membranbettplatte eine Gegenelektrode vorzusehen ist.
Der in 2 dargestellte Differenzdrucksensor 11 umfasst eine erste Messmembran 12 und eine zweite Messmembran 13 die in ihrer Ruhelage jeweils mit unterbrochenen Linien und bei maximaler Auslenkung im Falle einer einseitigen Überlast (hier p1 >> p2) mit durchgezogenen Linien dargestellt sind. Weiterhin umfasst der Differenzdrucksensor 11 einen Membranträgerkörper 16 der eine Membranbettplatte 14 und eine zweite Membranbettplatte 15 sowie einen Sockel 16 aufweist. Die Messmembranen 12, 13 sind jeweils entlang einer Randfläche mittels einer umlaufenden, in sich geschlossenen Fügestelle druckdicht mit einer Oberfläche einer der Membranbettplatten 14, 15 verbunden. Die Membranbettplatten 14, 15 sind ihrerseits entlang ihres Randes druckdicht mit einem Randbereich jeweils einer Stirnfläche des Sockels 16 verbunden, wobei die Randbereiche der Stirnflächen des Sockels gegenüber jeweils gegenüber dem Zentralbereich der Stirnfläche hervorstehen.
Bei der Fertigung des Differenzdrucksensors 11 werden die beiden Membranbettplatten 14, 15 vor der Befestigung der Messmembranen 2 mit einem Druck beaufschlagt, wodurch sie in dem Maß verformt wird, dass sie als Membranbett für die Messmembranen 12 13 im Falle von einseitigen Überlasten dienen können. Diese Verformung der Membranbettplatten wird fixiert, indem die Membranbettplatten 14, 15 jeweils vollflächig durch ein Glaslot 17, 18 mit dem der Raum zwischen der Membranbettplatte und dem Zentralbereich der jeweiligen Stirnfläche des Sockels befüllt ist, mit der jeweiligen Stirnfläche des Sockels verbunden sind.
Die Messmembranen 12, 13, die Membranbettplatten 14, 15 und der Sockel 16 des Ausführungsbeispiels weisen Silizium auf. Die mechanische Verbindung zwischen den Membranbettplatten 14, 15 und dem Sockel 16 erfolgt wie die vollflächige Unterfüllung der Zwischenräume mit einem Glaslot. Die Befestigung der Messmembranen 1 an der Membranbettplatte 3 erfolgt durch eutektisches Bonden.
Zur Kopplung der beiden Messmembranen erstreckt sich durch den Membranträgerkörper ein Kanal 20 der die beiden zwischen den Messmembranen und dem jeweiligen Membranbett eingeschlossenen Volumen miteinander verbindet. Diese Volumen und der Kanal sind durch einen hier nicht gezeigten Kanal mit einer Übertragungsflüssigkeit befüllt.
Der Differenzdrucksensor umfasst weiterhin einen Wandler zum Bereitstellen eines von den Verformungen der Messmembranen abhängigen Signals. Dies kann beispielsweise ein (piezo-)resistiver Wandler sein, wozu Widerstandselemente in den Messmembranen vorzusehen sind. Gleichermaßen ist ein kapazitiver Wandler geeignet. In diesem Fall weisen die Messmembranen jeweils mindestens eine erste Elektrode auf, wobei dann an den beiden Membranbettplatten jeweils mindestens eine Gegenelektrode vorzusehen ist.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 21 umfasst, unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel aus 2 dadurch, dass er nur eine Messmembran 26 aufweist, und dem entsprechend beidseitig von der Messmembran 26 Membranbetten vorgesehen sind, die wie zuvor dadurch hergestellt sind, dass eine erste Membranbettplatte 24 und eine zweite Membranbettplatte 25 unter Druckbeaufschlagung an ihrem jeweiligen Sockel 22 bzw. 23 fixiert sind. Der Raum zwischen den Sockeln und den Membranbettplatten ist wie zuvor mit Glaslot 27, 28 gefüllt. Die Druckbeaufschlagung der Messmembran erfolgt durch einen ersten Kanal 31 und einen zweiten Kanal 33. Hinsichtlich des Wandlerprinzips, der Materialien und der Ausführung der Fügestellen gelten die Angaben zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sinngemäß.

Claims

Drucksensor (1), umfassend: mindestens eine Messmembran (2); und mindestens einen Membranträgerkörper, mit dem die Messmembran (2) entlang ihres Randes druckdicht verbunden ist, wobei der Membranträgerkörper einen Sockel (5) und eine Membranbettplatte (3) umfasst, an der sich die Messmembran im Falle einer Überlast abstützt, wobei die Membranbettplatte (3) elastisch verformt ist, und die elastische Verformung durch direktes oder indirektes Befestigen mindestens eines verformten Abschnitts der Membranbettplatte an dem Sockel fixiert ist.
Drucksensor nach Anspruch 1 wobei die Verformung der Membranbettplatte bei der Fertigung des Drucksensors durch Druckbeaufschlagung erfolgt ist.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membranbettplatte zum Fixieren der elastischen Verformung im verformten Zustand vollflächig an dem Sockel fixiert befestigt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die die fixierte Verformung der Biegecharakteristik der Membranbettplatte Abweichungen von der Biegecharakteristik der Membranbettplatte im freien Zustand aufweist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die die fixierte Verformung der Biegecharakteristik der Membranbettplatte der Biegecharakteristik der Membranbettplatte im freien Zustand entspricht.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Membranbett zugewandte Oberfläche der Messmembran und/oder die der Messmembran zugewandte Oberfläche der Membranbettplatte eine Rauhigkeit aufweisen bzw. aufweist, um zu gewährleisten, dass im Falle der Anlage der Messmembran an dem Membranbett die Rückstellkraft der Messmembran größer ist als die Adhäsionskraft der Oberflächen aneinander.
Drucksensor nach Anspruch 6, wobei die dem Membranbett zugewandte Oberfläche der Messmembran und/oder die der Messmembran zugewandte Oberfläche der Membranbettplatte eine zusätzliche Beschichtung, z. B. eine durch Silanpyrolyse hergestellte SiO2-Schicht, aufweisen bzw. aufweist um die Rauhigkeit zu erzielen.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sockel und die Membranbettplatte ein Halbleitermaterial aufweisen, insbesondere Silizium.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte und dem Sockel mittels eines Glaslots oder mittels eutektischen Bondens hergestellt ist.
Drucksensor nach Ansprüche 9, wobei die mechanische Verbindung mit dem Glaslot vollflächig erfolg ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Sockel Glas oder eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC) aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 11, wobei die mechanische Verbindung zwischen der Membranbettplatte aus einem Halbleitermaterial und dem Sockel durch anodisches Bonden erfolgt.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor ein Absolutdrucksensor oder ein Relativdrucksensor ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, welcher eine erste Messmembran und eine zweite Messmembran aufweist, und welcher zwei Membranbetten aufweist, an denen sich die Messmembranen im Falle einer einseitigen Überlast abstützen können, wobei die Membranbetten jeweils eine elastisch verformte Membranbettplatte umfassen, und wobei die elastische Verformung der Membranbettplatte durch Befestigen mindestens eines Abschnitts der Membranbettplatte an einem Sockel fixiert ist.