DE102016107856A1

DE102016107856A1 - Druckmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102016107856A1
Application number: DE102016107856.5A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Lemke; Daniel Sixtensson
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Es ist eine Druckmesseinrichtung mit einem Stützkörper (3, 51), einem mit dem Stützkörper (3, 51) verbundenen Drucksensor (5, 49), der einen Grundkörper (7) und eine unter Einschluss einer Druckkammer (9) mit dem Grundkörper (7) verbundene Messmembran (11) umfasst, und einer die beiden Fügepartner, nämlich den Stützkörper (3, 51) und den Grundkörper (7), verbindenden Fügung (1), wobei jeder der beiden Fügepartner eine dem jeweils anderen Fügepartner zugewandte Oberflächenschicht umfasst, beschrieben, bei dem über die Fügung (1) auf den Drucksensor (5, 49) ausgeübte und/oder übertragene Kräfte reduziert werden, indem eine dem Grundkörper (7) zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers (3, 51) oder eine dem Stützkörper (3, 51) zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers (7) einen unmittelbar an die Fügung (1) angrenzenden Schichtbereich (27, 29) umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der Fügung (1) ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist, wobei die Oberflächentopographie des Schichtbereichs (27, 29) insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs (27, 29) über den Schichtbereich (27, 29) verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung (1) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung mit einem Stützkörper, einem mit dem Stützkörper verbundenen Drucksensor, der einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran umfasst, und einer die beiden Fügepartner, nämlich den Stützkörper und den Grundkörper, verbindenden Fügung, wobei jeder der beiden Fügepartner eine dem jeweils anderen Fügepartner zugewandte Oberflächenschicht umfasst.
Druckmesseinrichtungen dienen zur messtechnischen Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik verwendet.
Druckmesseinrichtungen können hierzu als Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensoren ausgebildete, regelmäßig als sogenannte Halbleitersensoren oder Sensor-Chips bezeichnete Drucksensoren umfassen, die unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen hergestellt werden. Diese Drucksensoren sind jedoch mechanisch empfindlich und dürfen deshalb nicht unmittelbar einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium ausgesetzt werden. Stattdessen werden sie in ein in der Regel metallisches Gehäuse eingesetzt, wo sie über vorgeschaltete mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckmittler mit dem zu messenden Druck beaufschlagt werden.
Absolut- und Relativdrucksensoren umfassen üblicher Weise einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran. Diese Drucksensoren werden regelmäßig mittels einer Fügung auf einem sockelförmigen Stützkörper auf einem Träger montiert. Dieser Verbund wird dann derart in ein Gehäuse eingesetzt wird, dass der Träger eine den Drucksensor außenseitlich umgebende Druckmesskammer nach außen abschließt, die über einen der Druckmesskammer vorgeschalteten Druckmittler mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird.
Als Differenzdrucksensoren ausgebildete Drucksensoren weisen üblicher Weise eine zwischen zwei Grundkörpern angeordnete Messmembran auf, wobei in jedem der beiden Grundkörper jeweils eine Druckkammer unter der Messmembran eingeschlossen ist. Diese Differenzdrucksensoren werden regelmäßig zwischen zwei Stützkörpern angeordnet, von denen einer über eine erste Fügung mit dem ersten Grundkörper und der andere über eine zweite Fügung mit dem zweiten Grundkörper verbunden ist. Bei diesen Druckmesseinrichtungen wird jede Seite der Messmembran jeweils über einen der zugehörigen Druckkammer vorgeschalteten Druckmittler mit einem der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagt.
Bei Druckmesseinrichtungen mit über Fügungen mit Stützkörpern verbundenen Drucksensoren besteht das Problem, dass über die Fügungen mechanische Kräfte auf den Drucksensor ausgeübt und/oder übertragen werden können, die die Messeigenschaften des Drucksensors beeinträchtigen können. Hierzu zählen insb. auf unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Drucksensor und Stützkörper, sowie ggfs. Träger und/oder Gehäuse zurückzuführende thermomechanische Spannungen, die sich auf die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran auswirken und damit die erzielbare Messgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für eine temperaturabhängige Hysterese der Messergebnisse.
Diesem Problem kann bei Absolut- und Relativdruckmesseinrichtungen dadurch entgegen gewirkt werden, dass der Drucksensor auf einem sockelförmigen Stützkörper montiert wird, dessen Grundfläche deutlich kleiner als die Grundfläche des darauf montierten Drucksensors ist. Hierzu sind zwei verschiedene Ausführungsformen bekannt, die z.B. in der DE 34 36 440 A1 beschrieben sind. Bei einer Ausführungsform ist der sockelförmige Stützkörper integraler Bestandteil eines metallischen Trägers und besteht aus dem Material des Trägers. Bei der zweiten Ausführungsform ist der sockelförmige Stützkörper als separates Bauteil ausgebildet, das mittels einer Einglasung in eine Bohrung im Träger eingesetzt ist.
Bei beiden Varianten weist die Fügung zwischen Stützkörper und Drucksensor eine Grundfläche auf, die der Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers entspricht und geringer als die Grundfläche des Drucksensors ist. Dabei sind über die Fügung auf den Drucksensor ausgeübte und/oder übertragene Kräfte umso geringer, je geringer die Grundfläche der Fügung ist. Die Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers und damit auch der Fügung kann jedoch nicht beliebig reduziert werden, da über den Stützkörper eine druckfeste Abstützung des Drucksensors gewährleisten sein muss. Darüber hinaus ergeben sich auch über die Wahl des Fügeverfahrens Beschränkungen, die eine Mindestgröße der Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers erforderlich machen. Werden Stützkörper und Drucksensor über eine Klebung verbunden, so muss die der Größe der Fügefläche entsprechende Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers groß genug sein, um sicher zu stellen, dass eine für die Herstellung der Fügung erforderlichen Menge an Kleber in kontrollierbarer Weise aufgebracht werden kann. Über die Fügung auf den Drucksensor ausgeübte und/oder übertragene Kräfte können somit über eine Verringerung der Grundfläche des Stützkörpers nur in begrenztem Maße reduziert werden. Damit fallen durch über die Fügung übertragene Kräfte verursachte Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit, umso stärker ins Gewicht, je kleiner der Drucksensor ist.
Eine weitere, in der DE 34 36 440 A1 beschriebene Maßnahme zur Reduktion von auf die Messmembran übertragenen Spannungen besteht darin, im Grundkörper eine Ringnut vorzusehen, die die Fügefläche des Drucksensors außenseitlich allseitig umschließt. Diese Maßnahme setzt jedoch voraus, dass die Grundfläche des Drucksensors die Größe der Fügefläche um ein Maß übersteigt, dass die Unterbringung der Ringnut im Drucksensor ermöglicht. Ist der Drucksensor zu klein hierfür, scheidet diese Maßnahme aus. Der Trend geht jedoch heute dahin, Drucksensoren immer weiter zu verkleinern. Ein Grund hierfür ist, dass kleinere Drucksensoren kostengünstiger hergestellt werden können, da die Anzahl der im Waferverband erzeugbaren Drucksensoren pro Wafer bzw. Wafersatz umso größer ist, je kleiner die Sensoren sind. Bei Druckmesseinrichtungen, die eine durch den sockelförmigen Stützkörper und den Grundkörper verlaufende Druckzufuhrleitung umfassen, kommt erschwerend hinzu, dass die Querschnittsfläche der Druckzufuhrleitung hier nicht als Teil der Fügefläche zur Verfügung steht. Da die Fügefläche auch hier eine gewisse Mindestgröße aufweisen muss, führt die Druckzufuhrleitung zu einer Vergrößerung des Außendurchmesser des sockelförmigen Stützkörpers, was bei gleichbleibender Grundfläche des Drucksensors den für eine Ringnut nutzbaren Platz reduziert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit einem über eine Fügung mit einem Stützkörper verbundenen Drucksensor anzugeben, bei dem über die Fügung auf den Drucksensor ausgeübte und/oder übertragene Kräfte möglichst gering sind.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung, mit

– einem Stützkörper,
– einem mit dem Stützkörper verbundenen Drucksensor, der einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran umfasst, und
– einer die beiden Fügepartner, nämlich den Stützkörper und den Grundkörper, verbindenden Fügung,
– wobei jeder der beiden Fügepartner eine dem jeweils anderen Fügepartner zugewandte Oberflächenschicht umfasst, der sich dadurch auszeichnet, dass
– eine dem Grundkörper zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers oder eine dem Stützkörper zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers einen unmittelbar an die Fügung angrenzenden Schichtbereich umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der Fügung ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist,
– wobei die Oberflächentopographie des Schichtbereichs insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs über den Schichtbereich verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung ist.

Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– im Schichtbereich eine oder mehrere in Richtung der Fügung hin offene Ausnehmungen vorgesehen sind, und
– über den Schichtbereich verteilt angeordnete im Schichtbereich verbleibende Teilsegmente der Oberflächenschicht des Fügepartners vorgesehen sind, deren dem anderen Fügepartner zugewandten Stirnflächen die Teilflächen der Fügefläche bilden.

Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmungen Gräben, insb. zu einem Ring, insb. zu einem kreisringförmigen, einem rechteckförmigen und/oder einem quadratischen Ring, geschlossene Gräben, insb. konzentrisch angeordnete zu einem Ring geschlossene Gräben, gerade Gräben, insb. sternförmig zur Schichtbereichsmitte verlaufende gerade Gräben, und/oder Sacklochbohrungen umfassen.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass im Schichtbereich eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen ist, die mehrere im Schichtbereich verbleibende Teilsegmente, insb. säulenförmige Teilsegmente, der Oberflächenschicht des Fügepartners umgibt.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– eine durch den Stützkörper und den Grundkörper verlaufende, in der Druckkammer mündende Druckübertragungsleitung vorgesehen ist, und
– ein durch den Schichtbereich des Fügepartners hindurch verlaufendes Leitungssegment der Druckübertragungsleitung durch einen oder mehrere im Schichtbereich verbleibendes Teilbereiche der Oberflächenschicht außenseitlich allseitig abgeschlossen ist.

Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein im Schichtbereich verbleibendes Teilsegment der Oberflächenschicht eine Formgebung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Teilsegment in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist, als in mindestens einer senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtung.
Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass im Schichtbereich vorgesehene Ausnehmungen ein Aspektverhältnis von größer gleich 5 aufweisen.
Eine siebte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Ausnehmungen einen oder mehrere Gräben umfassen, deren Grabentiefe größer als deren Grabenbreite ist, wobei die vorgesehenen Gräben insb. eine Grabentiefe im Bereich von 300 µm bis 700 µm und eine Grabenbreite in der Größenordnung 10 µm bis 100 µm aufweisen, und/oder
– die Ausnehmungen Sacklochbohrungen umfassen, deren Bohrlochtiefe größer als deren Bohrungsdurchmesser ist, wobei die Sacklochbohrungen insb. eine Bohrlochtiefe von 300 µm bis 700 µm und einen Bohrungsdurchmesser von 10 µm bis 100 µm aufweisen, und/oder
– im Schichtbereich verbleibende Teilbereiche säulenförmige Teilsegmente und/oder durch Gräben abgetrennte Segmente umfassen, deren Höhe größer als deren senkrecht zur Höhe verlaufenden Abmessungen sind, wobei diese Teilbereiche insb. eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, insb. einen Durchmesser oder Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen, und/oder
– im Schichtbereich verbleibende Stege eine Steghöhe aufweisen, die Größer als deren Stegbreite ist, wobei die Stege insb. eine Steghöhe von 300 µm bis 700 µm und eine Stegbreite von größer gleich 50 µm, insb. größer gleich 30 µm, aufweisen.

Eine erste Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fügung eine Klebung, insb. eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis, einem thermoplastischen Kleber oder einem Silikon-Kleber, insb. einem Silikon-Kautschuk, ausgeführte Klebung ist.
Eine zweite Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Stützkörper aus einem Metall, insb. einem Edelstahl oder Kovar, aus Keramik, insb. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC), aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, oder aus Glas, insb. Borosilikatglas, besteht, und/oder
– der Grundkörper aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, aus Glas oder aus Keramik besteht.

Eine achte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schichtbereich aus schwarzem Silizium besteht.
Eine dritte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Stützkörper ein sockelförmiger Stützkörper, insb. ein auf einem Träger angeordneter sockelförmiger Stützkörper, ist, dessen Grundfläche kleiner als eine Grundfläche des Drucksensors ist.
Eine neunte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, der einen, auf einer dem Grundkörper gegenüberliegenden Seite der Messmembran angeordneten, unter Einschluss einer zweiten Druckkammer mit der Messmembran verbundenen zweiten Grundkörper umfasst,
– ein zweiter Stützkörper und eine den zweiten Grundkörper mit dem zweiten Stützkörper verbindende zweite Fügung vorgesehen ist,
– eine dem zweiten Grundkörper zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Stützkörpers oder eine dem zweiten Stützkörper zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Grundkörpers einen unmittelbar an die zweite Fügung angrenzenden Schichtbereich umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der zweiten Fügung ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist, wobei diese Oberflächentopographie insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs über den Schichtbereich verteilt angeordnete, in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der zweiten Fügung ist.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Fügepartner bereit gestellt werden und in der Oberflächenschicht eines der beiden Fügepartner die Oberflächentopographie des Schichtbereichs erzeugt wird, insb. mittels eines Ätzverfahren, insb. mittels reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE), oder einem elektrochemischem Ätzverfahren, oder mittels Materialabtrags durch gezielte Laserbestrahlung, erzeugt wird.
Eine Weiterbildung dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einem Metall, insb. aus Edelstahl oder aus Kovar, aus Keramik oder aus einem Glas, insb. einem Borosilikatglas, besteht und die Ausnehmungen im Schichtbereich durch gezielte, räumlich auf die Bereiche der Ausnehmungen begrenzte Laserbestrahlung erzeugt wird, oder
– der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis besteht und die Ausnehmungen im Schichtbereich durch ein Ätzverfahren, insb. durch reaktives Ionentiefenätzen (DRIE) erzeugt werden, oder
– der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einkristallinem Silizium besteht und die Oberflächentopographie des Schichtbereichs durch eine Umwandlung von einkristallinem Silizium in schwarzes Silizium erzeugt wird.

Die Erfindung bieten den Vorteil, dass aufgrund der durch die Oberflächentopographie bewirkten Reduktion der Fügefläche des Schichtbereichs über die Fügung deutlich geringere Kräfte auf die Messmembran des Drucksensors ausgeübt und/oder übertragen werden, als das der Fall wäre, wenn die Fügeflächen beider Fügepartner eine der Grundfläche der Fügung entsprechende Größe aufweisen würden. Zugleich wird über die Verteilung der Teilflächen der Fügefläche über den Schichtbereich in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine mechanische Abstützung gewährleistet, die durchaus mit einer durch eine Fügefläche von der Größe der Grundfläche der Fügung bewirkten Abstützung vergleichbar ist.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Komponenten unterschiedlicher Größe darstellen zu können wurde in den Figuren eine nicht immer maßstabsgetreue Darstellung gewählt.
1 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem auf einem sockelförmigen Stützkörper montierten Drucksensor;
2 zeigt: eine Ausführungsform des Verbunds von Drucksensor und Stützkörper von 1, bei der der Stützkörper einen Schichtbereich mit dreidimensionaler Oberflächentopographie umfasst;
3 zeigt: eine Ausführungsform des Verbunds von Drucksensor und Stützkörper von 1, bei der der Drucksensor einen Schichtbereich mit dreidimensionaler Oberflächentopographie umfasst;
4–9 zeigen: Ausführungsbeispiele des Schichtbereichs von 2;
10–11 zeigen: Ausführungsbeispiele des Schichtbereichs von 3;
12 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem zwischen zwei Stützkörper angeordneten Differenzdrucksensor; und
13 zeigt: eine vergrößerte Ansicht des Drucksensors und der Stützkörper von 12.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung mit einem über eine Fügung 1 mit einem Stützkörper 3 verbundenen Drucksensor 5. Der Drucksensor 5 umfasst einen Grundkörper 7 und eine unter Einschluss einer Druckkammer 9 auf dem Grundkörper 7 angeordnete Messmembran 11. Der Drucksensor 5 ist z.B. ein sogenannter Halbleiter-Drucksensor, z.B. ein auf Siliziumbasis hergestellten Drucksensor-Chip. In dem Fall bestehen Grundkörper 7 und Messmembran 11 jeweils aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stützkörper 3 ein auf einem Träger 13 angeordneter sockelförmiger Stützkörper 3, dessen Grundfläche kleiner als eine Grundfläche des Drucksensors 5 ist. Über diese Geometrie wird bereits eine Entkopplung von Messmembran 11 und Stützkörper 3 bewirkt, die den Drucksensor 5 vor über die Fügung 1 auf die Messmembran 11 ausgeübten und/oder übertragenen Kräften, insb. vor thermomechanischen Spannungen, schützt. Alternativ können in erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen aber auch Stützkörper eingesetzt werden, deren Grundfläche größer oder gleich der Grundfläche des Drucksensors 5 ist.
Als Halbleiter-Chips hergestellte Drucksensoren 5 weisen üblicher Weise eine rechteckige oder quadratische Grundfläche mit einer Seitenlängen in der Größenordnung von 1 mm bis 10 mm auf. In Verbindung mit diesen Drucksensoren 5 kann der sockelförmige Stützkörper 3 z.B. eine kreisscheibenförmige, eine rechteckige oder eine quadratische Grundfläche aufweisen, deren Seitenlängen bzw. deren Außendurchmesser je nach Größe des Drucksensors 5 in der Größenordnung von 0,5 mm bis 7 mm liegt.
Der durch den Stützkörper 3 und den damit verbundenen Drucksensor 5 gebildete Verbund kann auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stützkörper 3 auf einem Träger 13 montiert, der derart in ein Gehäuse 15 eingesetzt ist, dass der Träger 13 eine im Gehäuse 15 eingeschlossene, den Drucksensor 5 außenseitlich allseitig umgebende Druckmesskammer 17 nach außen abschließt. Dabei wird die Druckmesskammer 17 und damit auch die Messmembran 11 vorzugsweise über einen der Druckmesskammer 17 vorgeschalteten Druckmittler 19 mit einem vom Drucksensor 5 zu erfassenden Druck p beaufschlagt. Der Druckmittler 19 umfasst eine Trennmembran 21, deren Außenseite mit dem zu messenden Druck p beaufschlagbar ist, der dann über eine den Druckmittler 19 und die mit dessen Innenraum verbundene Druckmesskammer 17 ausfüllende Druck übertragende Flüssigkeit auf die Messmembran 11 des Drucksensors 5 übertragen wird.
Stützkörper 3 und Träger 13 können als einteiliges Bauelement ausgebildet sein. In dem Fall bestehen Stützkörper 3 und Träger 13 z.B. aus einem Metall, z.B. aus Edelstahl. Dabei kann eine ggfs. benötigte elektrische Isolation des Drucksensors 5 gegenüber dem Träger 13 dadurch bewirkt werden, dass der Grundkörper 7 aus einem Isolator, z.B. einem Quarzglas, besteht. Alternativ können Stützkörper 3 und Träger 13 als separate Bauteile ausgebildet sein. In dem Fall kann der Stützkörper 3 z.B. mittels einer – in 1 als eine mögliche Variante dargestellten – Einglasung 23 in eine Bohrung im Träger 13 eingesetzt sein. Eine weitere Alternative besteht darin, den Stützkörper 3 mittels einer Fügung, vorzugsweise einer Klebung, auf dem Träger 13 zu befestigen. Sind Stützkörper 3 und Träger 13 separate Bauteile, so können sie aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Auch in diesem Fall besteht der Träger 13 vorzugsweise aus einem Metall, z.B. einem Edelstahl. Demgegenüber kann der Stützkörper 3 ebenfalls aus einem Metall, z.B. einem Edelstahl oder Kovar, aus Keramik, z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC), aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, oder aus Glas, z. B. Borosilikatglas, bestehen. Dabei wird eine ggfs. benötigte elektrische Isolation des Drucksensors 5 gegenüber dem Träger 13 vorzugsweise dadurch bewirkt, dass der Stützkörper 3 aus einem Isolator, z.B. aus Keramik oder aus Glas, besteht.
Alternativ zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können natürlich auch andere Stützkörperformen, andere Formen der Stützkörpermontage und/oder andere Formen der Druckbeaufschlagung des Drucksensors vorgesehen werden.
Die Druckmesseinrichtung kann z.B. als Relativdruck- oder als Absolutdruckmesseinrichtung ausgestaltet sein. Zur Erfassung von Absolutdrücken ist die unter der Messmembran 11 eingeschlossene Druckkammer 9 evakuiert und durch die Messmembran 11 und den Grundkörper 7 vollständig nach außen abgeschlossen. In dem Fall bewirkt ein auf die Außenseite der Messmembran 11 einwirkender Druck p eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 11. Zur Erfassung von Relativdrücken wird die Außenseite der Messmembran 11 mit dem Druck p beaufschlagt und deren Innenseite über eine durch den Stützkörper 3 und den Grundkörper 7 hindurch verlaufende, in der Druckkammer 9 mündende – in 1 als Option gestrichelt dargestellte – Druckübertragungsleitung 25 mit einem Referenzdruck p_ref, z.B. einem Umgebungsdruck, beaufschlagt, bezogen auf den der auf die Außenseite der Messmembran 11 einwirkende Druck p gemessen werden soll. Dabei bewirkt die auf die Messmembran 11 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem Druck p und dem Referenzdruck p_ref eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 11. Die resultierende Auslenkung der Messmembran 11 wird in beiden Fällen mittels eines elektromechanischen Wandlers, z. B. über auf oder in der Messmembran 11 angeordnete Sensorelemente S, z.B. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente, erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass eine dem Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers 3 oder eine dem Stützkörper 3 zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 einen unmittelbar an die Fügung 1 angrenzenden Schichtbereich 27, 29 umfasst, dessen Grundfläche gleich der Grundfläche der Fügung 1 ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist.
2 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung einer Variante des Verbunds von Stützkörper 3 und Drucksensor 5 von 1, bei der die dem Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers 3 den die dreidimensionale Oberflächentopographie aufweisenden Schichtbereich 27 umfasst. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer alternativen Variante dieses Verbunds, bei der die dem Stützkörper 3 zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 den die dreidimensionale Oberflächentopographie aufweisenden Schichtbereich 29 umfasst. Dabei ist die Oberflächentopographie des Schichtbereichs 27, 29 der Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 bzw. alternativ des Stützkörpers 3 vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine der Oberflächenschicht des jeweils anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 über den gesamten Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete, in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung 1 ist.
Die Erfindung bieten den Vorteil, dass aufgrund der durch die Oberflächentopographie bewirkten Reduktion der Fügefläche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 über die Fügung 1 deutlich geringere Kräfte auf die Messmembran 11 des Drucksensors 5 ausgeübt und/oder übertragen werden, als das der Fall wäre, wenn die Fügeflächen beider Fügepartner eine der Grundfläche der Fügung 1 entsprechende Größe aufweisen würden. Zugleich wird über die Verteilung der Teilflächen über den Schichtbereich 27 bzw. 29 in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine mechanische Abstützung gewährleistet, die durchaus mit einer durch eine Fügefläche von der Größe der Grundfläche der Fügung 1 bewirkten Abstützung vergleichbar ist.
Zur Erzeugung von Fügeflächen mit über den gesamten Schichtbereich verteilt angeordneten Teilflächen, deren Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung 1 ist, können unterschiedlichste Formen von dreidimensionalen Oberflächentopographien eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Oberflächentopographien unterscheiden sich jeweils durch Anzahl, Tiefe, Formgebung und/oder Anordnung von im Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehenen in Richtung der Fügung 1 bzw. der gegenüberliegenden Oberflächenschicht hin offenen Ausnehmungen. Dabei bilden die in der Ebene der Stirnfläche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 liegenden Stirnflächen der an die Ausnehmungen angrenzenden verbleibenden Teilbereiche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 die Teilflächen der Fügefläche. Zur Erzeugung einer dreidimensionalen Oberflächentopographie genügt bereits eine einzige zusammenhängende Ausnehmung, die mehrere über den Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete, im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Teilbereiche der Oberflächenschicht des Stützkörpers 3 bzw. des Grundkörpers 7 umgibt. Alternativ können natürlich auch zwei oder mehr voneinander getrennte Ausnehmungen vorgesehen sein.
Bei Druckmesseinrichtungen, die eine in der Druckkammer 9 mündende Druckübertragungsleitung 25 umfassen ist die Oberflächentopographie darüber hinaus derart auszubilden, dass das durch den Schichtbereich 27 bzw. 29 verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 durch einen oder mehrere im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Teilbereiche des Stützkörpers 3 bzw. des Grundkörpers 7 außenseitlich allseitig abgeschlossen ist. Bei Druckmesseinrichtungen ohne Druckübertragungsleitung 25 kann diese Maßnahme entfallen.
Einige Ausführungsbeispiele möglicher Oberflächentopographien sind in den 4 bis 9 am Beispiel des in 2 nur schematisch dargestellten, im Stützkörper 3 vorgesehenen Schichtbereichs 27 gezeigt. Die Figuren zeigen jeweils eine Draufsicht auf die dem Drucksensor 5 zugewandte Stirnseite des Stützkörpers 3.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der Stützkörpers 3 eine kreisringscheibenförmige Grundfläche aufweist und die Oberflächentopographie durch im Schichtbereich 27 vorgesehene Ausnehmungen erzeugt wurde, die konzentrisch zur Schichtbereichsmitte angeordnete kreisringförmige Gräben 31 umfassen. Dementsprechend umfassen die im Schichtbereich 27 verbleibenden Teilbereiche des Stützkörpers 3 konzentrische, kreisringförmige Stege 33. Hier schließt der innerste Steg 33 das durch den Schichtbereich 27 des Stützkörper 3 hindurch verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich allseitig ab.
5 zeigt eine Abwandlung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem zusätzlich zu den kreisringförmigen Gräben 31 sternförmig zur Schichtbereichsmitte angeordnete, gerade Gräben 35 vorgesehen sind, durch die die zwischen den kreisförmigen Gräben 31 verbleibenden kreisringförmigen Teilbereiche des Schichtbereichs 27 in kreisringsegmentförmige Stege 37 unterteilt sind. Ist eine Druckübertragungsleitung 25 vorgesehen, so wird diese auch hier durch den innersten, kreisringförmigen Steg 33 nach außen abgeschlossen. Entfällt die Druckübertragungsleitung 25 können die geraden Gräben 31 alternativ auch durch den innersten, kreisringförmigen Steg 33 hindurch verlaufen.
Die in 4 und 5 dargestellten Topographien sind natürlich völlig analog auch in Verbindung mit Stützkörpern 3 mit rechteckiger oder quadratischer Grundfläche einsetzbar. Da die kreisförmigen Gräben 31 in dem Fall nicht bis in die Ecken des Schichtbereichs 27 reichen, können in den Ecken zusätzliche Ausnehmungen vorgesehen werden. 6 zeigt als ein Beispiel hierzu eine Abwandlung der in 4 gezeigten Ausführungsform, bei der in den vier Ecken des Schichtbereichs 27 jeweils ein weiterer kreisringförmiger Graben 39 vorgesehen ist. Anstelle kreisringförmiger Gräben 39 können in den Ecken aber auch Ausnehmungen anderer Anzahl und/oder anderer Formgebung vorgesehen werden. So können in den Ecken z.B. ellipsenförmige Gräben und/oder Sacklochbohrungen vorgesehen sein. Alternativ können sich aber auch die in 5 dargestellten sternförmig angeordneten geraden Gräben 35 vorgesehen werden, die sich in dem Fall vorzugsweise bis in die Ecken des in 6 dargestellten Schichtbereichs 27 erstrecken.
Alternativ können natürlich auch andere Grabenformen einzeln oder in Kombinationen miteinander eingesetzt werden. 7 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines Schichtbereichs 27 eines Stützkörpers 3 mit quadratischer Grundfläche, der einen konzentrisch zur Schichtbereichsmitte angeordneten kreisringförmigen Graben 31 umfasst, der außenseitlich von einem zu einem quadratischen oder rechteckförmigen Ring geschlossenen Graben 41 umgeben ist. Dabei schließt der von dem kreisringförmigen Graben 31 außenseitlich allseitig umschlossene kreisringförmige Steg 33 das durch den Schichtbereich 27 verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich allseitig ab. Auch bei dieser Ausführungsform sind die beiden Gräben 31, 41 vorzugsweise durch sternförmig zur Schichtbereichsmitte verlaufende gerade Gräben 35 verbunden, die den zwischen dem kreisförmigen und dem quadratischen Graben 31, 41 eingeschlossenen Teilbereich des Schichtbereichs 27 in voneinander getrennte Segmente unterteilen. Entfällt die Druckübertragungsleitung 25 kann der kreisringförmige Steg 33 entfallen und/oder entsprechend längere, gerade Gräben 35 vorgesehen werden, die durch den innersten kreisringförmigen Steg 33 und/oder den äußeren Rand des Schichtbereichs 27 hindurch verlaufen.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stützkörpers 3 mit kreisringscheibenförmiger Grundfläche, bei dem die Oberflächentopographie durch Ausnehmungen erzeugt wurde, die über den Schichtbereich 27 verteilt angeordnete Sacklochbohrungen 43 umfassen. Hier schließt der die Sacklochbohrungen 43 umgebende verbleibende Teilbereich des Schichtbereichs 27 das durch den Schichtbereich 27 verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich allseitig ab.
9 zeigt eine hierzu komplementäre Ausführungsform, bei der im Schichtbereich 27 eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen ist, die über den Schichtbereich 27 verteilt angeordnete, säulenförmige verbleibende Teilsegmente 45 des Schichtbereichs 27 umgibt. Bei dieser Variante ist in Verbindung mit Druckmesseinrichtungen, die eine in der Druckkammer mündende Druckübertragungsleitung 25 umfassen, zusätzlich ein zu einem Ring geschlossenes im Schichtbereich 27 verbleibendes Teilsegment 47, z.B. ein kreisringförmiger Steg, vorzusehen, dass das durch den Schichtbereiche 27 hindurch verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich abschließt.
Auch die in 8 und 9 dargestellten Topographien sind natürlich völlig analog in Verbindung mit Stützkörpern 3 mit rechteckiger oder quadratischer Grundfläche einsetzbar.
Die anhand der 4 bis 9 beschriebenen Oberflächentopographien sind völlig analog auch in Verbindung mit Druckmesseinrichtungen einsetzbar, bei denen der die Oberflächentopographie aufweisende Schichtbereich 29 in der Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 des Drucksensors 5 vorgesehen ist.
10 und 11 zeigen als Beispiel Grundkörper 7, deren Schichtbereiche 29 die anhand von 6 bzw. 8 beschriebene Oberflächentopographie aufweisen. In 10 und 11 erstreckt sich erstreckt sich der im Grundkörper 7 vorgesehene Schichtbereich 29 jeweils nur über einen unmittelbar an die Fügung 1 angrenzenden Teilbereich der dem Stützkörper 3 zugewandten Oberflächenschicht des Grundkörpers 7, deren Grundfläche in dem Fall vorzugsweise gleich der Grundfläche des Stützkörpers 3 ist. Zusätzlich kann sich die in der Oberflächenschicht vorgesehene Oberflächentopographie aber auch über weitere Bereiche der Oberflächenschicht, insb. über die gesamte Oberflächenschicht, des Grundkörpers 7 erstrecken.
Auch bei Druckmesseinrichtungen mit im Grundkörper 7 vorgesehenem Schichtbereich 29 kann dessen dreidimensionale Oberflächentopographie durch im Schichtbereiche 29 vorgesehene zur Fügung 1 hin offene Ausnehmungen unterschiedlichster Anzahl, Tiefe und Formgebung erzeugt werden. Dabei können die Ausnehmungen auch hier Gräben 31, 35, 39, 41 und/oder Sachlochbohrungen 43 umfassen und/oder es kann mindestens eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen sein, die säulenförmige verbleibende Teilsegmente 45 des Schichtbereichs 29 umgibt, wobei die Teilsegmente 45 Grundflächen unterschiedlichster Form aufweisen können. Dabei ist die Oberflächentopographie bei Druckmesseinrichtungen, die eine in der Druckkammer 9 mündende Druckzuleitung 25 umfassen, auch hier derart auszubilden, dass das durch den Grundkörper 7 hindurch verlaufende Leitungssegment der Druckzuleitung 25 durch einen oder mehrere im Schichtbereich 29 verbleibende Teilbereiche des Grundkörpers 7 außenseitlich allseitig abgeschlossen ist.
Bei erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen kann der Schutz der Messmembran 11 des Drucksensors 5 vor darauf ausgeübten und/oder übertragengen Kräften zusätzlich dadurch verbessert werden, dass der Schichtbereich 27 bzw. 29 eine Oberflächentopographie aufweist, bei der mindestens ein im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibendes Teilsegment der Oberflächenschicht eine Formgebung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Teilsegment in axialer, also parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist, als in mindestens einer radialen, also senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtung. Über diese Formgebung wird die Elastizität des Schichtbereichs 27 bzw. 29 in den entsprechenden radialen Richtungen in Relation zu dessen Elastizität axialer Richtung erhöht. Dabei bewirkt die höhere Steifigkeit bzw. die geringere Elastizität des Schichtbereichs 27 bzw. 29 in axialer Richtung eine stabile druckfeste Abstützung des Drucksensors 5. Zugleich bewirkt die größere Elastizität des Schichtbereich 27 bzw. 29 in radialer Richtung, dass der Schichtbereich 27 bzw. 29 in radialer Richtung wirkende Kräfte absorbieren kann, die andernfalls auf die Messmembran 11 übertragen würden. Dieser Effekt natürlich umso größer ist, je mehr Teilsegmente eine die Elastizität des Schichtbereichs 27 bzw. 29 in radialer Richtung erhöhende Formgebung aufweisen und je größer das Spektrum an senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtungen ist, in denen die Teilsegmente die geringere Steifigkeit aufweisen.
Entsprechende Oberflächentopographien werden vorzugsweise dadurch erzielt, dass im Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehene Ausnehmungen ein Aspektverhältnis von größer gleich 5 aufweisen. Analog weisen auch im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Teilbereiche, wie Stege 33, durch Gräben 31, 35 abgetrennte Segmente oder säulenförmige Teilsegmente 45 ein Aspektverhältnis auf, dass vorzugsweise möglichst groß ist. Hierzu weisen im Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehene Gräben 31, 35, 39, 41 vorzugsweise eine Grabentiefe auf, die größer als deren Grabenbreite ist. Dabei können die Gräben 31, 35, 39, 41 beispielsweise eine Grabentiefe im Bereich von 300 µm bis 700 µm und eine Grabenbreite in der Größenordnung 10 µm bis 100 µm aufweisen. Analog weisen Sacklochbohrungen 43 vorzugsweise eine Bohrlochtiefe auf, die größer als deren Bohrungsdurchmesser ist. Dabei können die Sacklochbohrungen 43 beispielsweise eine Bohrlochtiefe von 300 µm bis 700 µm und einen Bohrungsdurchmesser von 10 µm bis 100 µm aufweisen. Bei der hierzu komplementären Ausführungsform mit im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibenden säulenförmigen Teilsegmenten 45 weisen die säulenförmigen Teilsegmente 45 vorzugweise eine Höhe auf, die größer als deren senkrecht zur Höhe verlaufenden Abmessungen sind. Dabei können die säulenförmigen Teilsegmente 45 beispielsweise eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, wie z.B. einen Durchmesser oder Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen. Analog können durch Gräben abgetrennte im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Segmente beispielsweise eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, wie z.B. Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen. Im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Stege 33 weisen beispielsweise eine Steghöhe von 300 µm bis 700 µm und eine vorzugsweise geringe Stegbreite auf. Dabei können je nach Wahl des Herstellungsverfahrens Stegbreiten von größer gleich 50 µm, in einigen Fällen sogar größer gleich 30 µm, erzielt werden.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Druckmesseinrichtungen wird vorzugsweise derart Verfahren, dass die Fügepartner, also bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Drucksensor 5 und der damit zu verbindende Stützkörper 3, bereit gestellt werden. Anschließend wird in der Oberflächenschicht eines der beiden Fügepartner die Oberflächentopographie des Schichtbereichs 27 bzw. 29 erzeugt. Hierzu sind je nach Material dieses Fügepartners und der Formgebung der zu erzeugenden Oberflächentopographie unterschiedliche Verfahren einsetzbar, mit denen die die Oberflächentopographie bestimmenden Ausnehmungen im Schichtbereich 27 bzw. 29 erzeugt werden. Hierzu eignen sich je nach Material des Fügepartners z.B. Ätzverfahren, wie z.B. das Reaktive Ionentiefenätzen, elektrochemische Ätzverfahren, sowie Verfahren, bei denen ein Materialabtrag durch gezielte Laserbestrahlung bewirkt wird.
Besteht der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einem Metall, z.B. aus Edelstahl oder aus Kovar, aus Keramik oder aus einem Glas, z.B. einem Borosilikatglas, so werden die Ausnehmungen vorzugsweise durch gezielte, räumlich auf die Bereiche der Ausnehmungen begrenzte Laserbestrahlung erzeugt. Durch Laserbestrahlung lassen sich Ausnehmungen mit einer Ausnehmungstiefe von bis zu 700 µm und senkrecht zur Tiefe verlaufenden Abmessungen, wie z.B. Grabenbreiten, Bohrungsdurchmessern oder Seitenlängen quadratischer oder rechteckiger Ausnehmungen, von größer gleich 25 µm erzeugen. Dabei sind mit heute bekannten Verfahren bereits Aspektverhältnisse von bis zu 15 erzielbar, wobei die erzielbaren Aspektverhältnisse in der Regel umso größer sind, je kleiner die senkrecht zur Tiefe verlaufenden Abmessungen der Ausnehmungen sind.
Besteht der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, so werden vorzugsweise aus der Halbleitertechnologie bekannte Ätzverfahren, wie z.B. das Reaktive Ionentiefenätzen (DRIE) eingesetzt. Durch Reaktives Ionentiefenätzen lassen sich Ausnehmungen mit einer Ausnehmungstiefe von bis zu 500 µm und senkrecht zur Tiefe verlaufenden Abmessungen, wie z.B. Grabenbreiten, Bohrungsdurchmessern oder Seitenlängen quadratischer oder rechteckiger Ausnehmungen, von größer gleich 10 µm erzeugen. Damit sind sogar Aspektverhältnisse von bis zu 50 erzielbar.
Besteht der Fügepartner aus einkristallinem Silizium kann die Oberflächentopographie alternativ auch durch ein Verfahren erzeugt werden, mit dem das Silizium im Schichtbereichs 27, 29 in sogenanntes Schwarzes Silizium umgewandelt wird. Schwarzes Silizium kann z.B. durch hochenergetischen Beschuss mit Ionen oder ultrakurzen Laserpulsen erzeugt werden. Hierzu eignet sich z.B. ein von Eric Mazur und James Carey an der Harvard Universität entwickeltes Verfahren, bei dem schwarzes Silizium durch Beschuss von einkristallinem Silizium mit einem extrem energiereichen gepulsten Femtosekunden-Laser erzeugt wird. Schwarzes Silizium weist eine Oberflächentopographie auf, bei der über den Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete säulenförmige verbleibende Teilsegmente des Schichtbereichs 27 bzw. 29 nadelförmig sind. Die nadelförmigen Teilsegmente weisen typischer Weise eine Höhe in der Größenordnung von größer gleich 10 µm und einen Durchmesser von kleiner gleich 1 µm auf.
Die Erfindung ist nicht auf als Absolut- oder Relativdruckmesseinrichtungen ausgebildete Druckmesseinrichtungen beschränkt, sondern kann völlig analog auch in Verbindung mit Differenzdruckmesseinrichtungen eingesetzt werden, die dazu dienen eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten der Messeinrichtung zugeführten Druck p₁, p₂ zu messen.
Grundsätzlich können auch mit der in 1 dargestellten Druckmesseinrichtung Differenzdrücke gemessen werden. Hierzu wird die Außenseite der Messmembran 11 mit dem ersten Druck p₁ und deren Innenseite über die Druckübertragungsleitung 25 mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagt. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die auf die Messmembran 11 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p₁, p₂ eine vom zu messenden Differenzdruck Δp abhängige Auslenkung der Messmembran 11.
Vorzugsweise werden zur Differenzdruckmessung Differenzdrucksensoren 49 mit einem unter Einschluss einer Druckkammer 9 mit einer Messmembran 11 verbundenen Grundkörper 7 eingesetzt, bei denen auf der dem Grundkörper 7 gegenüberliegenden Seite der Messmembran 11 ein zweiter Grundkörper 7 vorgesehen ist, der unter Einschluss einer zweiten Druckkammer 9 mit der Messmembran 11 verbunden ist. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Druckmesseinrichtung mit einem solchen Differenzdrucksensor 49. Genau wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch hier eine Fügung 1 vorgesehen, über die der Grundkörper 7 mit einem Stützkörper 51 verbunden ist. Zusätzlich ist auf einer dem Stützkörper 51 gegenüberliegenden Seite des Drucksensors 49 ein zweiter Stützkörper 51 vorgesehen, der über eine zweite Fügung 1 mit dem zweiten Grundkörper 7 verbunden ist. 13 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung des mit den beiden Stützkörpern 51 verbundenen Differenzdrucksensors 49 von 12.
Erfindungsgemäß weist auch hier die dem Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers 51 oder die dem Stützkörper 51 zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 in einem der Grundfläche der Fügung 1 entsprechenden, unmittelbar an die Fügung 1 angrenzenden Schichtbereich 27, 29 eine dreidimensionale Oberflächentopographie auf. Zusätzlich weist auch die dem zweiten Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Stützkörpers 51 oder die dem zweiten Stützkörper 51 zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Grundkörpers 7 in einem der Grundfläche der zweiten Fügung 1 entsprechenden, unmittelbar an die zweite Fügung 1 angrenzenden Schichtbereich 27, 29 eine dreidimensionale Oberflächentopographie auf. Zur Veranschaulichung der Wahlmöglichkeit hinsichtlich der Position der beiden Schichtbereiche 27, 29 zeigt 13 in der linken Hälfte einen im Stützkörper 51 vorgesehenen Schichtbereich 27 und in der rechten Hälfte einen im zweiten Grundkörper 7 vorgesehenen Schichtbereich 29. Zur Erzielung eines in Bezug auf die Messmembran 11 symmetrischen Aufbaus wird jedoch vorzugsweise eine Ausgestaltung gewählt, bei der die Schichtbereiche 27, 29 entweder beide in den Grundkörpern 7 oder beide in den Stützkörpern 51 vorgesehen sind. Auch hier sind die Oberflächentopographien der beiden Schichtbereiche 27 bzw. 29 vorzugsweise jeweils derart ausgebildet, dass eine der Oberflächenschicht des jeweils anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des jeweiligen Schichtbereichs 27 bzw. 29 über den gesamten Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung 1 ist. Insoweit gelten die obigen Ausführungen zu möglichen Oberflächentopographien, zu in dem jeweiligen Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehenen Ausnehmungen und zur Formgebung und den elastischen Eigenschaften der im jeweiligen Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibenden Teilsegmente des jeweiligen Schichtbereich 27 bzw. 29 hier entsprechend.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem der Drucksensor 5 auf einem sockelförmigen Stützkörper 3 angeordnet ist, dessen Grundfläche kleiner als die des Drucksensors 5 ist, werden Differenzdrucksensoren 49 vorzugsweise zwischen zwei Stützkörpern 51 angeordnet, die eine Grundfläche aufweisen, die größer gleich, vorzugsweise gleich der Grundfläche der Grundkörper 7 ist. Dementsprechend weisen die Fügung 1 und die zweite Fügung 1 und damit einhergehend auch die beiden Schichtbereiche 27, 29 jeweils eine Grundfläche auf, die im Wesentlichen gleich der Grundfläche der beiden Grundkörper 7 ist.
Analog zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch der in 13 dargestellte Verbund aus Differenzdrucksensor 49 und den beiden Stützkörper 51 in einem Gehäuse 53 angeordnet und über den Druckkammern 9 vorgeschaltete Druckmittler 19 mit dem ersten und dem zweiten Druck p₁, p₂ beaufschlagt werden. Auch hier wird die Trennmembran 21 des jeweiligen Druckmittlers 19 mit dem zugehörigen Druck p₁ bzw. p₂ beaufschlagt, der dann über eine durch den zugehörigen Stützkörper 51 und den Grundkörper 7 verlaufende, in der zugehörigen Druckkammer 9 mündende Druckübertragungsleitung 55 auf die zugehörige Seite der Messmembran 11 übertragen wird. Die daraus resultierende vom zu messenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 11 wird auch hier mittels eines elektromechanischen Wandlers, z.B. eines kapazitiven oder eines piezoresisitiven Wandlers, in eine elektrische Größe umgewandelt anhand derer dann – z.B. mittels einer an den Wandler angeschlossenen Messelektronik 57 – der zu messende Differenzdruck bestimmt wird.
Bei erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen ist die Fügung 1 zwischen dem Grundkörper 7 und dem Stützkörper 3 bzw. 51, sowie bei Differenzdruckmesseinrichtungen auch die Fügung 1 zwischen dem zweiten Grundkörper 7 und dem zweiten Stützkörper 51 vorzugsweise eine Klebung. Zur Herstellung dieser Klebungen eignen sich insb. Kleber auf Epoxidharzbasis, thermoplastische Kleber oder Silikon-Kleber, wie zum Beispiel Silikon-Kautschuk. Klebungen sind je nach Wahl des Klebers deutlich elastischer als starre Verbindungen, wie zum Beispiel Glaslötungen, Bond-Verbindungen, Lötungen oder Schweißungen, und somit in der Lage aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten der Druckmesseinrichtung entstehende Spannungen auszugleichen. Klebungen bewirken somit eine zusätzliche Reduktion thermomechanischer Spannungen, die andernfalls auf die Messmembran 11 übertragen würden. Aufgrund des bei erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen über die Oberflächentopographie der Schichtbereiche 27, 29 bewirkten Schutzes der Drucksensors 5 vor darauf übertragenen Kräften können alternativ aber auch Fügeverfahren eingesetzt werden, die vergleichsweise starre Fügungen ausbilden. Hierzu zählen insb. Lötverfahren, wie z.B. das Glaslöten, oder Bondverfahren, wie z.B. das anodische Bonden.
Bezugszeichenliste

1: Fügung
3: Stützkörper
5: Drucksensor
7: Grundkörper
9: Druckkammer
11: Messmembran
13: Träger
15: Gehäuse
17: Druckmesskammer
19: Druckmittler
21: Trennmembran
23: Einglasung
25: Druckübertragungsleitung
27: Schichtbereich des Stützkörpers
29: Schichtbereich des Grundkörpers
31: kreisringfömiger Graben
33: kreisringförmige Stege
35: gerader Graben
37: kreisringsegmentförmige Stege
39: kreisförmiger Graben
41: quadratischer Graben
43: Sacklochbohrungen
45: säulenförmige verbleibende Teilsegmente
47: Teilsegment
49: Differenzdrucksensor
51: Stützkörper
53: Gehäuse
55: Druckübertragungsleitung
57: Messelektronik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3436440 A1 [0007, 0009]

Claims

Druckmesseinrichtung, mit – einem Stützkörper (3, 51), – einem mit dem Stützkörper (3, 51) verbundenen Drucksensor (5, 49), der einen Grundkörper (7) und eine unter Einschluss einer Druckkammer (9) mit dem Grundkörper (7) verbundene Messmembran (11) umfasst, und – einer die beiden Fügepartner, nämlich den Stützkörper (3, 51) und den Grundkörper (7), verbindenden Fügung (1), – wobei jeder der beiden Fügepartner eine dem jeweils anderen Fügepartner zugewandte Oberflächenschicht umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – eine dem Grundkörper (7) zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers (3, 51) oder eine dem Stützkörper (3, 51) zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers (7) einen unmittelbar an die Fügung (1) angrenzenden Schichtbereich (27, 29) umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der Fügung (1) ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist, – wobei die Oberflächentopographie des Schichtbereichs (27, 29) insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs (27, 29) über den Schichtbereich (27, 29) verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung (1) ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – im Schichtbereich (27, 29) eine oder mehrere in Richtung der Fügung (1) hin offene Ausnehmungen vorgesehen sind, und – über den Schichtbereich (27, 29) verteilt angeordnete im Schichtbereich (27, 29) verbleibende Teilsegmente der Oberflächenschicht des Fügepartners vorgesehen sind, deren dem anderen Fügepartner zugewandten Stirnflächen die Teilflächen der Fügefläche bilden.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen Gräben (31, 35, 39, 41), insb. zu einem Ring, insb. zu einem kreisringförmigen, einem rechteckförmigen und/oder einem quadratischen Ring, geschlossene Gräben (31, 39, 41), insb. konzentrisch angeordnete, zu einem Ring geschlossene Gräben (31, 41), gerade Gräben (35), insb. sternförmig zur Schichtbereichsmitte verlaufende gerade Gräben (35), und/oder Sacklochbohrungen (43) umfassen.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schichtbereich (27, 29) eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen ist, die mehrere im Schichtbereich (27, 29) verbleibende Teilsegmente (45), insb. säulenförmige Teilsegmente (45), der Oberflächenschicht des Fügepartners umgibt.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine durch den Stützkörper (3, 51) und den Grundkörper (7) verlaufende, in der Druckkammer (9) mündende Druckübertragungsleitung (25, 55) vorgesehen ist, und – ein durch den Schichtbereich (27, 29) des Fügepartners hindurch verlaufendes Leitungssegment der Druckübertragungsleitung (25, 55) durch einen oder mehrere im Schichtbereich (27, 29) verbleibende Teilbereiche der Oberflächenschicht außenseitlich allseitig abgeschlossen ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein im Schichtbereich (27, 29) verbleibendes Teilsegment der Oberflächenschicht eine Formgebung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Teilsegment in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist, als in mindestens einer senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtung.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schichtbereich (27, 29) vorgesehene Ausnehmungen ein Aspektverhältnis von größer gleich 5 aufweisen.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ausnehmungen einen oder mehrere Gräben (31, 35, 39, 41) umfassen, deren Grabentiefe größer als deren Grabenbreite ist, wobei die vorgesehenen Gräben (31, 35, 39, 41) insb. eine Grabentiefe im Bereich von 300 µm bis 700 µm und eine Grabenbreite in der Größenordnung 10 µm bis 100 µm aufweisen, und/oder – die Ausnehmungen Sacklochbohrungen (43) umfassen, deren Bohrlochtiefe größer als deren Bohrungsdurchmesser ist, wobei die Sacklochbohrungen (43) insb. eine Bohrlochtiefe von 300 µm bis 700 µm und einen Bohrungsdurchmesser von 10 µm bis 100 µm aufweisen, und/oder – im Schichtbereich (27, 29) verbleibende Teilbereiche säulenförmige Teilsegmente (45) und/oder durch Gräben abgetrennte Segmente umfassen, deren Höhe größer als deren senkrecht zur Höhe verlaufenden Abmessungen sind, wobei diese Teilbereiche insb. eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, insb. einen Durchmesser oder Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen, und/oder – im Schichtbereich (27, 29) verbleibende Stege (33) eine Steghöhe aufweisen, die Größer als deren Stegbreite ist, wobei die Stege (33) insb. eine Steghöhe von 300 µm bis 700 µm und eine Stegbreite (33) von größer gleich 50 µm, insb. größer gleich 30 µm, aufweisen.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügung (1) eine Klebung, insb. eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis, einem thermoplastischen Kleber oder einem Silikon-Kleber, insb. einem Silikon-Kautschuk, ausgeführte Klebung ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stützkörper (3, 51) aus einem Metall, insb. einem Edelstahl oder Kovar, aus Keramik, insb. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid (SiC), aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, oder aus Glas, insb. Borosilikatglas, besteht, und/oder – der Grundkörper (7) aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, aus Glas oder aus Keramik besteht.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtbereich (27, 29) aus schwarzem Silizium besteht.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützkörper (3) ein sockelförmiger Stützkörper (3), insb. ein auf einem Träger (13) angeordneter sockelförmiger Stützkörper (3), ist, dessen Grundfläche kleiner als eine Grundfläche des Drucksensors (5) ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Drucksensor (49) ein Differenzdrucksensor ist, der einen, auf einer dem Grundkörper (7) gegenüberliegenden Seite der Messmembran (11) angeordneten, unter Einschluss einer zweiten Druckkammer (9) mit der Messmembran (11) verbundenen zweiten Grundkörper (7) umfasst, – ein zweiter Stützkörper (51) und eine den zweiten Grundkörper (7) mit dem zweiten Stützkörper (51) verbindende zweite Fügung (1) vorgesehen ist, – eine dem zweiten Grundkörper (7) zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Stützkörpers (51) oder eine dem zweiten Stützkörper (51) zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Grundkörpers (7) einen unmittelbar an die zweite Fügung (1) angrenzenden Schichtbereich (27, 29) umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der zweiten Fügung (1) ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist, wobei diese Oberflächentopographie insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs (27, 29) über den Schichtbereich (27, 29) verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der zweiten Fügung (1) ist.
Verfahren zur Herstellung einer Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner bereit gestellt werden und in der Oberflächenschicht eines der beiden Fügepartner die Oberflächentopographie des Schichtbereichs (27, 29) erzeugt wird, insb. mittels eines Ätzverfahren, insb. mittels reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE) oder einem elektrochemischem Ätzverfahren, oder mittels Materialabtrags durch gezielte Laserbestrahlung, erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass – der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einem Metall, insb. aus Edelstahl oder aus Kovar, aus Keramik oder aus einem Glas, insb. einem Borosilikatglas, besteht und die Ausnehmungen im Schichtbereich (27, 29) durch gezielte, räumlich auf die Bereiche der Ausnehmungen begrenzte Laserbestrahlung erzeugt wird, oder – der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis besteht und die Ausnehmungen im Schichtbereich (27, 29) durch ein Ätzverfahren, insb. durch reaktives Ionentiefenätzen (DRIE), erzeugt werden, oder – der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einkristallinem Silizium besteht und die Oberflächentopographie des Schichtbereichs (27, 29) durch eine Umwandlung von einkristallinem Silizium in schwarzes Silizium erzeugt wird.