-
Die Erfindung betrifft eine Messzellenanordnung für einen mit hohen Drücken belastbaren Drucksensor, insbesondere Hochdrucksensor, mit einer mit einem Druck von 40 bar oder größer, vorzugsweise oberhalb von 600 bar, insbesondere mehr als 1000 bar, belastbaren Messzelle aus Metall, an welcher Messzelle integral eine Membran ausgebildet ist, und einem Biegebalken zum Erfassen einer Auslenkung der Membran. Außerdem betrifft die Erfindung einen mit einer solchen Messzellenanordnung versehenen Drucksensor.
-
Eine solche Messzellenanordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 023 724 B4 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt einen Drucksensor und eine Messzellenanordnung hierfür, wobei die Messzellenanordnung eine Messzelle aus Metall, nämlich insbesondere aus Stahl, mit integrierter Membran aufweist. Die Messzelle ist insbesondere hutförmig ausgebildet. Mit derartigen Stahlmesszellen lassen sich auch sehr hohe Drücke oberhalb von 600 bar und mehr insbesondere oberhalb von 1000 bar messen. Beispielsweise sind solche Messzellen bis zu Nenndrücken von 2000 bar ausgelegt. Der aus der
DE 10 2006 023 724 B4 bekannte Sensor weist eine Messzelle in Form eines Stahlhohlzylinders mit integrierter Stahlmembran, einen Glasbiegebalken und Dünnfilm-Dehnmessstreifen auf. Dabei wird auf dem Glasbiegebalken ein metallischer Dünnfilm zu Mäandern strukturiert und das Glas anschließend auf die Stahlmembran gebondet.
-
Der bekannte Drucksensor hat sich als hervorragend geeignet für hohe Drücke herausgestellt und ist insbesondere auch nach einer sehr großen Vielfalt von unterschiedlichen Lastwechseln immer noch zuverlässig. Allerdings ist es schwierig, mit der bekannten Messzellenanordnung auch noch genaue Messungen bei geringeren Drücken durchzuführen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Messzellenanordnung und einen Drucksensor, der aus der
DE 10 2006 023 724 B4 genannten Art, die dazu ausgebildet ist, hohe Drücke auszuhalten (z.B. zum Messen von sehr hohen Drücken oberhalb von 600 bar und vorzugsweise auch oberhalb von 2000 bar verwendbar ist), derart zu verbessern, dass damit auch tiefere Drücke genauer messbar sind. Mit anderen Worten soll der Messbereich, in dem der auch hohe Drücke aushaltende Drucksensor zuverlässig und genau arbeitet, nach unten hin erweitert werden.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Messzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Ein damit versehener Drucksensor ist Gegenstand des Nebenanspruches.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Messzellenanordnung für einen Drucksensor mit einer mit einem Druck von 40 bar oder mehr, insbesondere 600 bar oder mehr, mehr insbesondere mehr als 100 bar belastbaren Messzelle aus Metall, an welcher Messzelle eine Membran ausgebildet ist, und einem mit der Messzelle verbundenen Biegeelement zum Erfassen einer Auslenkung der Membran, gekennzeichnet durch ein Biegeelement aus einem Basismaterial mit piezoresistiven Eigenschaften.
-
Es ist bevorzugt, dass das Basismaterial ausgewählt ist aus einer Gruppe von Materialien, die Halbleitermaterial, einkristallines Material, Silizium, SiGe, Germanium und GaAs enthält.
-
In bevorzugter Ausgestaltung schafft die Erfindung eine Messzellenanordnung für einen Drucksensor mit einer mit Druck oberhalb von 600 bar, insbesondere mehr als 1000 bar, mehr insbesondere mehr als 2000 bar, – dauerhaft und ohne Schäden – belastbaren Messzelle aus Metall, an welcher Messzelle integral eine Membran ausgebildet ist, und einem Biegeelement zum Erfassen einer Auslenkung der Membran, wobei die Messzellenanordnung gekennzeichnet ist durch ein Biegeelement aus Silizium oder einem anderen bevorzugt einkristallinen Basismaterial, das piezoresistives Verhalten zeigt. Zum Beispiel kann ein Biegeelement aus Si, SiGe, Ge, GaAs verwendet werden.
-
Es ist bevorzugt, dass das Biegeelement ein längliches Element, insbesondere ein Biegebalken oder ein rundes Element, insbesondere eine Biegemembran ist.
-
Es ist bevorzugt, dass das Biegeelement an wenigstens zwei Verbindungsstellen fest mit der Messzelle verbunden ist.
-
Es ist bevorzugt, dass das Biegeelement an zwei äußeren Verbindungsstellen außerhalb der Membran mit der Messzelle verbunden ist und mit einer mittleren Verbindungsstelle mit einem Zentrum der Membran verbunden ist.
-
Es ist bevorzugt, dass das Biegeelement zwischen den Verbindungsstellen wesentlich dünner als an den Verbindungsstellen ausgebildet ist.
-
Es ist bevorzugt, dass eine Verbindung zwischen dem Metall der Messzelle und dem Basismaterial des Biegeelements eine
- a) Klebverbindung und/oder
- b) eine Anglasverbindung und/oder
- c) eine Lötverbindung und/oder
- d) eine eutektische Verbindung und/oder
- e) eine Thermokompressionsverbindung aufweist.
-
Es ist bevorzugt, dass die Klebverbindung einen Epoxidharzklebstoff aufweist.
-
Es ist bevorzugt, dass die Verbindung nicht flächendeckend, sondern nur bereichsweise oder punktförmig ausgebildet ist.
-
Es ist bevorzugt, dass das Biegeelement Bereiche geringerer Breite und Bereiche größerer Breite aufweist, die entlang der Erstreckung des Biegeelements aufeinanderfolgend angeordnet sind.
-
Es ist bevorzugt, dass das Biegeelement zwischen zwei benachbarten Verbindungsstellen wenigstens zwei Bereiche geringerer Breite mit wenigstens einem Bereich größerer Breite dazwischen aufweist. Vorzugsweise ist an wenigstens einem Bereich geringerer Breite ein Dehnmesselement angeordnet.
-
Eine der Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, ein Biegeelement aus einem Basismaterial zu schaffen, das vorzugsweise piezoresistives Verhalten aufzeigt und/oder mit MEMS-Technologie leicht formbar und verarbeitbar ist, welches Biegematerial mit der Metallmembran verbunden wird. Vorzugsweise wird ein Biegeelement aus einem Halbleiter-Basismaterial vorgesehen. Vorzugweise ist das Basismaterial derart, dass aus dem Basismaterial piezoresistive Elemente gefertigt werden können. Man kann daher piezoresistive Sensoren in dem Basismaterial selbst schaffen und muss keine zusätzlichen Schichten aufbringen. Vorzugsweise ist das Basismaterial ausgewählt aus einer Gruppe von Materialien, die Silizium, SiGe, Germanium, GeAs enthält. Vorzugsweise ist das Basismaterial einkristallin.
-
Auf dem Biegeelement aus dem Basismaterial befinden sich vorzugsweise piezoresistive Sensoren, die die Auslenkung bzw. die dadurch auftretende mechanische Spannung des Basismaterials bei einer Auslenkung der Membran durch Druckbelastung messen. Wie dies bereits gut bekannt ist, werden die piezoresistiven Sensoren vorzugsweise zu einer Wheatstonebrücke zusammengeschaltet, um Temperatureinflüsse und Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
-
In bevorzugter Ausgestaltung wird das Biegelement aus dem Basismaterial dreidimensional derart strukturiert, dass die auftretenden mechanischen Spannungen auf kleine Stege fokussiert werden, auf denen sich Dehnmess-Elemente befinden.
-
Durch die Verwendung von Silizium oder dergleichen Basismaterialien lässt sich bereits ein besseres Messen von auch nur geringen Auslenkungen erreichen. Dies lässt sich noch weiter dadurch verbessern, dass nur punktförmige oder bereichsweise Verbindungen verwendet werden. Durch Strukturierungen der Stege zwischen den Verbindungsstellen kann das Biegeverhalten des Biegeelements für sehr kleine Auslenkungen weiter verbessert werden, so dass auch sehr kleine Auslenkungen zuverlässig erfassbar sind.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine Prinzipdarstellung einer Messzellenanordnung mit metallischer Messzelle und Biegeelement in neutralem Zustand;
-
2 die Schnittdarstellung zum Darstellen des Prinzips der Messzelle mit Biegeelement bei Beaufschlagung durch einen Hochdruck;
-
3 eine schematische, perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung einer Messzelle aus Metall, nämlich insbesondere eine Stahlmesszelle;
-
4 einen Schnitt durch die Messzelle von 3 entlang einer Querschnittsmittelebene;
-
5 einen Längsquerschnitt durch eine Ausführungsform des Biegeelements in Form eines Biegebalkens aus Silizium für die Messzellenanordnung;
-
6 eine Draufsicht auf den Biegebalken;
-
7 eine Ansicht des Details VII aus 6;
-
8 eine schematische Darstellung von in dem Biegebalken von 6 verwirklichten Entkopplungsöffnungen;
-
9 eine Unteransicht auf den Biegebalken von 6;
-
10 eine Ansicht vergleichbar von 9, wobei jedoch nur die Kontur der Verbindungsstellen an Füßen des Siliziumbalkens dargestellt ist;
-
11 eine Schnittdarstellung vergleichbar der 4 durch die Messzellenanordnung mit Messzelle und daran befestigtem Biegebalken;
-
12 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Biegeelements in Form einer Biegemembran; und
-
13 einen Schnitt durch die Biegemembran von 12.
-
Die 1 und 2 zeigen Prinzipskizzen zur Darstellung einer Messzellenanordnung 10, die zur Verwendung in einem Hochdrucksensor 12 (nicht im Detail dargestellt) zum Messen auch sehr hoher Drücke von oberhalb 1000 bar, mehr insbesondere oberhalb 2000 bar, ausgebildet ist. Dabei zeigt 1 den neutralen Zustand und 2 zeigt den Zustand, in dem die Messzellenanordnung 10 mit einem Hochdruck 14 beaufschlagt ist.
-
Die Messzellenanordnung 10 weist eine Messzelle 16 aus Metall, hier insbesondere eine Stahlmesszelle 18, und ein Biegeelement 20 als Sensor zur Erfassung einer Membranauslenkung auf.
-
Die Stahlmesszelle 18 ist hutförmig ausgebildet und weist einen Zylinderwandbereich 22 auf, der an einem Ende durch eine Membran 24 verschlossen ist. Der Zylinderwandbereich 22 und die Membran 24 sind einstückig aus einem Stück Stahl ausgeformt. Das Innere der hohlen Stahlmesszelle 18 wird, wie aus 2 ersichtlich, mit dem Hochdruck 14 beaufschlagt, wodurch sich die Membran 24 auslenkt.
-
Das Biegeelement 20 ist an der druckabgewandten Seite an der Stahlmesszelle 18 befestigt und verbiegt sich somit bei Auslenkung der Membran 24 mit der Membran-Mitte. Das Biegeelement 20 weist Dehnmesselemente 26 in Form von piezoresistiven Sensoren 28 auf, die bei Auslenkung des Biegebalkens 20 ihren elektrischen Widerstand verändern. Das Biegeelement 20 ist aus einem Substrat gefertigt, welches aus einem Basismaterial besteht, das piezoresistive Eigenschaften aufweist. Insbesondere ist das Biegeelement 20 aus einem Halbleiter als Basismaterial gefertigt. Das Basismaterial kann insbesondere Silizium, SiGe, Germanium oder GaAs sein. Es sind Basismaterialien bevorzugt, aus denen in einfacher Weise bereichsweise die Dehnmesselemente 26 gefertigt werden können. Insbesondere können die Dehnmesselemente 26 durch Dotierung gewünschter Bereiche des Substrats, aus dem das gesamte Biegeelement 20 gebildet ist, gefertigt werden. Demnach ist es nicht notwendig, zum Vorsehen von Dehnmesselementen zusätzliche Schichten auf entsprechende Stellen aufzubringen.
-
Durch die Verwendung eines Substratmaterials oder Basismaterials mit piezoresistiven Eigenschaften kann das Biegeelement auch für auf sehr kleine Auslenkungen empfindlich ausgebildet werden.
-
In den 3 und 4 ist ein Ausführungsbeispiel für die Stahlmesszelle 18 dargestellt.
-
Die Stahlmesszelle 18 weist den Zylinderwandbereich 22 auf, der einen Druckanschlussbereich 30, einen verdickten Bereich 32 und einen Membranbereich 34 aufweist. Am Membranbereich 34 ist die Membran 24 einstückig oder integral mit der im Zylinderwandbereich 22 ausgeformt.
-
Wird z.B. ein Edelstahl verwendet kann die Stahlmesszelle 18 auch für aggressive Medien kompatibel ausgebildet werden.
-
Die Dicke der Membran 24 liegt beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,25 mm bis 0,75 mm, und ist bevorzugt 0,5 mm.
-
Im Folgenden wird anhand der Darstellungen der 5 bis 10 eine bevorzugte Ausgestaltung des Biegeelements 20 in Form eines Biegebalkens 20a näher erläutert.
-
5 zeigt einen Querschnitt entlang einer Längsmittelebene durch den Biegebalken 20a. Der Biegebalken 20a ist aus Silizium als Siliziumbiegebalken 36 ausgeformt. Hierzu wird eine Vielzahl von Biegebalken 20a auf einem Siliziumwafer gemeinsam gefertigt und später vereinzelt. Auf dem (nicht dargestellten) Siliziumwafer werden entsprechend in MEMS-Technologie die piezoresistiven Sensoren 28 hergestellt und außerdem entsprechende elektrische Leitungen 38 – Leitungspfade – und Anschlusspads 40 durch Metallisierungen 42 hergestellt. Die durch die piezoresistiven Sensoren 28 gebildeten Sensorwiderstände 44 und ein Temperaturwiderstand 46 sind in an sich gut bekannter Weise zu einer Wheatstonebrücke verschaltet.
-
Wie aus den 5, 9 und 10 ersichtlich, sind an dem Siliziumbalken 36 mehrere Verbindungsstellen 48 in Form von dicker ausgeführten Siliziumfüßen 50 ausgebildet, die Bondstellen von punktförmigen Verbindungen bilden.
-
Wie in 5 angedeutet, sind die Verbindungsflächen der Siliziumfüße 50 optional, d.h. in einer möglichen Ausgestaltung mit Metallisierungen 54 versehen. Diese optionale Ausgestaltung mit Metallisierungen 54 an den Bondstellen 52 kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn die Verbindung zwischen Stahlmesszelle 18 und Siliziumbiegebalken 36 durch Löten erfolgen soll.
-
In einer anderen möglichen Ausgestaltung sind die optionalen Metallisierungen 54 nicht vorhanden. In diesem Falle sind an den Bondstellen 52 z.B. Siliziumoberflächen ausgebildet. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Siliziumbiegebalkens 36 kann der Siliziumbiegebalken 36 z.B. durch Verkleben, beispielsweise mittels Epoxidharz, mit der Stahlmesszelle 18 verbunden werden.
-
Zum Herstellen der Messzellenanordnung 10 werden zwei äußere Verbindungsstellen 48a des Biegebalkens 20a mit dem Randbereich der Membran 24, wo der Zylinderwandbereich 22 ausgebildet ist, verbunden. Eine mittlere Verbindungsstelle 48b wird mit dem Zentrum 56 der Membran 24 verbunden.
-
Zwischen den Verbindungsstellen 48a, 48b ist der Siliziumbalken 36 z.B. durch Ätzen derart verdünnt ausgebildet, dass dünnere Membranbereiche 58 ausgebildet sind. Beispielsweise hat der Membranbereich 58 (wie z.B. auch ein übriger Plattenbereich außerhalb der Siliziumfüße 50) eine Dicke unterhalb von 0,5 mm. Insbesondere ist das Silizium überall, außer an den durch die Füße 50 gebildeten Verbindungsstellen auf einen dünnen Membranbereich von ca. 100 µm Dicke geätzt. Die Dicke des Membranbereichs 34 könnte aber auch noch dünner, z.B. 0,05 mm, ausgestaltet sein
-
Dieser dünnere Membranbereich 58 weist in bevorzugter Ausgestaltung, wie am besten aus den 6 und 8 ersichtlich, noch Entkopplungsöffnungen 60 auf, die einen auszulenkenden Bereich 62 des Membranbereiches 58 von einem nicht auszulenkenden Bereich 64 entkoppeln. Die Entkopplungsöffnungen 60 sind in bevorzugter Ausgestaltung durch dünne Schlitze 66 gebildet. In einer hier nicht näher dargestellten Ausführung sind die Schlitze 66 geradlinig in Längsrichtung parallel zueinander verlaufend ausgebildet, so dass der auszulenkende Bereich 62 ein etwa rechtwinkliger Streifen ist.
-
In der in den 6 und 8 dargestellten Ausgestaltung sind die Entkopplungsöffnungen 60 als mäandrierende Schlitze 66 ausgebildet, so dass an dem auszulenkenden Bereich 62 Einschnürungen 68 in Form von schmäleren Stegen 70 und Versteifungen 72 ausgebildet sind.
-
Die schmalen Stege 70 bilden Bereiche 74 geringerer Breite und die Versteifungen 72 sind durch Bereiche größerer Breite 76 gebildet. Zwischen jeder äußeren Verbindungsstelle 48a und der mittleren Verbindungsstelle 48b ist zunächst ein erster schmaler Steg 70a und somit ein erster Bereich 74 geringerer Breite, dann ein Bereich 76 größerer Breite und dann ein zweiter Steg 70b und somit ein zweiter Bereich 74 geringerer Breite ausgebildet.
-
Die durch die Sensorwiderstände 44 gebildeten Dehnmesselemente 26 sind an den Stegen 70a, 70b angeordnet.
-
7 zeigt im Detail entsprechende Dehnmesselemente 26, wobei zwei als Dehnmesssensoren ausgebildete Sensorwiderstände 44 parallel zueinander angeordnet und durch elektrische Leitungen 38, die durch Metallisierungen 42 gebildet sind, in Reihe miteinander verschaltet sind. Insbesondere sind zwei Dehnmesselemente 26 in Reihe geschaltet, die parallel zu zwei weiteren in Reihe geschalteten Dehnmesselemente verschaltet sind. Eine Messung erfolgt jeweils zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen.
-
8 zeigt die Einschnürungen
78 und die Versteifungen
72. Die folgende Tabelle zeigt mögliche Variationen der Einschnürung
78 bzw. Verjüngung und der entsprechenden Versteifung. Dabei sind in der ersten Zeile die Breite der Bereiche
74 geringerer Breite (Verjüngung oder Einschnürung
68) und in der zweiten Zeile die Breite der Versteifung
72 (Breite der Bereiche
76) wiedergegeben.
| | Erste Ausgestaltung | Zweite Ausgestaltung | Dritte Ausgestaltung | Vierte Ausgestaltung |
| Breite der Einschnürung 68 | 0,5 mm | 0,2 mm | 0,2 mm | keine Einschnürung |
| Breite der Versteifung 72 | 0,7 mm | 0,7 mm | 0,5 mm | 0,7 mm |
-
11 zeigt den Querschnitt durch die Längsmittelebene der Messzellenanordnung 10 mit der Messzelle 16 und dem Siliziumbiegebalken 36.
-
Die äußere Geometrie des in den 5 bis 10 näher dargestellten Siliziumbiegebalkens 36 ist einerseits gegeben durch die Größe der Membran 24 der Messzelle 16, andererseits ist das Design auch auf Messung von kleinen Auslenkungen hin optimiert.
-
Im Gegensatz zu der aus der
DE 10 2006 023 724 B4 bekannten Messzellenanordnung ist bei der hier dargestellten Messzellenanordnung
10 der Biegebalken
20a nicht mit der ganzen Rückseite an der Stahlmembran befestigt, sondern nur an ausgewählten Verbindungsstellen
48. Weiter besteht der Biegebalkena
20 im Wesentlichen aus einem Material mit piezoresistiven Eigenschaften, wie z.B. Halbleitermaterial, insbesondere Silizium oder vergleichbarem Material. Solche Materialien wie insbesondere Silizium lassen sich durch aus der Halbleiterfertigungstechnik bekannte mikrotechnische Verfahren hervorragend in gewünschter Weise strukturieren.
-
Bei der Herstellung des Siliziumbalkens wird nicht nur die Vorderseite strukturiert, um z.B. die Sensorwiderstände 44 und die elektrischen Leitungen 38 sowie Anschlusspads 40 herzustellen, sondern es wird auch die Rückseite strukturiert, um die Füße 50 herzustellen.
-
Das Design wird vorzugsweise derart ausgewählt, dass der Einfluss des Siliziumbalkens 36 auf das Biegeverhalten der Membran 24 möglichst gering ist. Deshalb wird das Silizium überall, außer an den Verbindungsstellen 48, auf einen vorzugsweise ca. 100 µm dünnen Membranbereich 58 hin geätzt. Die Befestigungspunkte – hier Siliziumfüße 50 genannt – liegen im befestigten Zustand, wie in 11 gezeigt, außerhalb der Membran 24 und in deren Rotationszentrum. Die Verbindung der mittleren Verbindungsstelle 48b mit dem Rotationszentrum der Membran 24 dient der Übertragung der Auslenkung des Stahls auf den Siliziumbiegebalken 36. Durch die Auslenkungen entstehen mechanische Spannungen im Silizium.
-
Um diese Spannungen möglichst zu lokalisieren und groß zu halten, wird an den entsprechenden Stellen – Stege 70 – der auszulenkende Bereich 62 eingeschnürt. Aus diesem Grunde der Lokalisierung und Vergrößerung der Spannungen sind auch die Versteifungen 72 ausgeformt. Diese durch Verbreiterungen gebildeten Versteifungen 72 führen zu einer lokalen Versteifung des Siliziumbiegebalkens 36. Das Silizium verbiegt sich an diesen Bereichen 76 größerer Breite fast nicht mehr. Dafür treten stärkere Krümmungen in den Bereichen 74 geringerer Breite auf. Aufgrund der Erhöhung der Spannungen in diesen Bereichen wird die Widerstandsänderung in den vier Sensorwiderständen 44, die sich genau an diesen Stellen befinden, vergrößert. Die nicht auszulenkenden Bereiche 64 – Flügel außerhalb des aktiven Teils – dienen einerseits der Stabilität, andererseits bieten sie Platz für die Leiterbahnen – Leitungen 38. Die Stabilität ist vor allem beim Packaging von Vorteil, da sich die dünnen Siliziumbiegebalken 36 sonst verdrehen könnten.
-
Die vier Sensorwiderstände 44 werden über Leiterbahnen 38 miteinander zu einer Wheatstonebrücke geschaltet. Diese Anordnung liefert eine Kompensation erster Ordnung von der Temperatur und von möglichen Fertigungstoleranzen. Die Anschlüsse – Anschlusspads 40 – werden dabei alle auf eine Seite des Siliziumbiegebalkens 36 gelegt, um eine elektrische Kontaktierung zu vereinfachen. Unter diesen Anschlusspads 40 befindet sich ein Siliziumfuß 50, damit beim Kontaktieren keine Membran zerstört wird. Zusätzlich befindet sich ein weiterer Widerstand zur Temperaturmessung – Temperaturwiderstand 46 – auf dem Siliziumbiegebalken 36. Dieser Temperaturwiderstand 46 wird auf dem gegenüberliegenden äußeren Siliziumfuß 50 platziert, so dass keine mechanischen Spannungen auf ihn wirken.
-
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Siliziumbiegebalken 36 sowohl mit äußeren Verbindungsstellen 48a als auch mit einer mittleren Verbindungsstelle 48b mit der Messzelle 16 verbunden. Die Verbindung an der mittleren Verbindungsstelle 48b hat den Vorteil, dass beim Bonden entsprechende Höhenunterschiede, z.B. durch dickere Glaslotschichten oder Epoxidschichten, kompensiert werden können.
-
In einer anderen Ausgestaltung ist der mittlere Siliziumfuß 50 nicht mit der Membran 24 verbunden; diese Ausgestaltung ist jedoch weniger bevorzugt, da die Möglichkeit besteht, dass sie bei sehr kleinen Auslenkungen eine geringere Genauigkeit bietet.
-
Bei einer anderen möglichen, nicht gezeigten Ausgestaltung ist ein kürzerer Biegebalken mit nur einer äußeren Verbindungsstelle 48a und der zentralen Verbindungsstelle 48b, die etwa der einen Hälfte des dargestellten Biegebalkens 20 entspricht, vorgesehen.
-
Bei der Herstellung mehrerer Siliziumbiegebalken 36 gemeinsam auf einem Nutzen – insbesondere auf einem Siliziumwafer – werden die schmalen Enden des Siliziumbalkens mit Sollbruchstellen noch verbunden ausgebildet, wobei die Siliziumbiegebalken ansonsten bei der letzten Ätzung freigestellt werden. Damit sind die Siliziumbiegebalken 36 nur noch über die Sollbruchstellen am Wafer befestigt. Beim Herausnehmen, z.B. mit einer Pinzette, brechen diese Sollbruchstellen durch. Die einzelnen Siliziumbiegebalken 36 können dann weiter prozessiert, insbesondere gepackaged, werden. Durch die Verwendung von Sollbruchstellen vermeidet man eine Vereinzelung durch Sägen, so dass die Gefahr von Zerstörungen der Membranbereiche durch Sägeschwingungen verringert wird und Verschmutzungen beim Sägen umgangen werden.
-
Durch das Verwenden eines Ätzschritts zur Vereinzelung kann man die äußere Kontur des Siliziumbiegebalkens 36 frei wählen. Insbesondere werden die schmalen Enden mit einer Rundung versehen, deren Radius dem Radius der Stahlmesszelle im Bereich der Membran entspricht. Außerdem entspricht die Länge des Siliziumbalkens dem Durchmesser des Membranbereiches 34 der Messzelle 16. So kann einfach durch mechanischen Anschlag eine exakte Positionierung des Siliziumbiegebalkens 36 erfolgen.
-
Verschiedene weitere Ausführungsformen für das Biegeelement 20 und die damit gebildete Messzellenanordnung 10 sind denkbar.
-
In einer weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform kann die Versteifung 72 auch durch einen Bereich größerer Dicke anstatt einem Bereich größerer Breite gebildet sein. Auch kann die Versteifung 72 sowohl dicker als auch breiter als der schmale Steg 70 ausgebildet sein.
-
Anstelle Silizium als Basis- oder Substratmaterial kann auch ein anderes Material mit besonderen piezoresistiven Eigenschaften ausgewählt werden, wie z.B. SiGe, Ge, GaAs oder dergleichen.
-
Das Biegeelement 20 ist in einer möglichen Ausgestaltung wie dargestellt als längliches rechteckiges Element ausgeführt (balkenförmig). Darauf ist die Erfindung aber nicht beschränkt, auch andere grundsätzliche Formen sind möglich. So ist in 12 und 13 eine weitere Ausführungsform für das Biegeelement 20 in einer runden Bauform dargestellt. Das Biegeelement 20 kann insbesondere entsprechend der Form der Membran 24 oder der Messzelle (16) angepasst sein. Insbesondere kann das Biegeelement als Kreismembran oder als Scheibe ausgebildet sein.
-
In der in 12 und 13 gezeigten Ausgestaltung ist das Biegeelement als Biegemembran 20b ausgestaltet.
-
Die Biegemembran 20b weist entsprechend kreisförmig oder runde verdickte Bereiche 32 zum Bilden der Verbindungsstellen 48a, 48b und einen ringförmigen dünneren Membranbereich 58 dazwischen auf.
-
Z.B. ist bei einer mit der Biegemembran 20b versehenen Messzellenanordnung eine rotationssymmetrische Bauform mit ringförmigem Membranbereich 58 und mehreren, z.B. vier, parallel ausgerichteten Dehnmesselementen 26 an den Orten höchster Spannung vorgesehen.
-
Die Herstellung der Biegemembran 20b erfolgt analog zu der oben geschilderten Herstellung des Biegebalkens 20a. Auch können die gleichen Basismaterialien verwendet werden.
-
Das in den 12 und 13 gezeigte Biegeelement 20 bildet im Betrieb einen im Wesentlichen rotationssymmetrischer piezoresistiver Sensor, welcher am ringförmigen Rand und in der Mitte auf dem Stahlkörper aufliegt und dort mit diesem verbunden ist. Eine solche Ausbildung ist insbesondere für Druckmesszellen mit kleinem Durchmesser attraktiv.
-
Die Dehnmesselemente 26 liegen am Rand des ringförmigen Membranbereichs 34, symmetrisch bei 0°, 90°, 180° und 270°. Die Dehnmesselemente 26 sind alle parallel orientiert und zu einer Brücke verschaltet. Diese Bauform ist insbesondere wegen der Symmetrie und der einfachen Auslegung der Dehnmesselemente sowie dem Fehlen frei schwebender nicht aktiver Brücken relativ günstig.
-
Bei weiteren hier nicht näher dargestellten Ausführungsformen der Messzellenanordnung 10 kann Folgendes vorgesehen sein:
- • ein Biegebalken ähnlich wie der Biegebalken 20a, jedoch ohne Verbreiterung oder Verdickung, dafür ist der Stempel oder Fuß 50 in der Mitte größer und eventuell zweistufig, so dass nur eine kleiner Fläche eines Teilbereichs auf der Membran aufliegt und mit dieser verbunden ist und ein andere Teilbereich zur Versteifung dient.
- • Die Stahlmembran 24 kann ebenfalls im Zentrum eine Verdickung aufweisen.
- • Die Verbindung an den Verbindungsstellen 48 kann dadurch erfolgen, dass auf die Unterseite des Basismaterials ein dünnes (eventuell vorstrukturiertes) Glas anodisch aufgebondet wird. Diese Glasoberfläche kann dann eventuell leichter mit dem Stahl verbunden werden.
-
Die Messzellenanordnung 10 ist besonders zur Verwendung in einem Hochdrucksensor 12 geeignet. Mit der Messzellenanordnung lässt sich ein Messbereich eines Hochdrucksensors 12 auch auf einen tiefen Messbereich hin, zum Messen niedriger Drücke erweitern. Die Anwendbarkeit ist jedoch nicht auf Anwendungen in Hochdrucksensoren beschränkt. Die Verbindung einer Stahlmesszelle 18 mit einem Biegeelement, das bereichsweise daran befestigt wird und dass Stellen aufweist, an denen eine Auslenkung konzentriert ist und das aus einem Basismaterial mit piezoresistiven Eigenschaften gebildet ist, ist auch für Anwendungen in niedrigeren Druckbereichen interessant. Z.B. kann ein Drucksensor, der nur von 0 bar bis einigen wenigen Bar eingesetzt wird entsprechend aufgebaut sein. Die Stahlmesszelle bietet den Vorteil guter Langzeitstabilität, guter Medienkombabilität und eines hohen Berstdrucks. Eventuell wird bei Niederdruckanwendungen die Dicke der Membran 24 dünner gewählt. Es können Drucksensoren zum Messen von Unterdruck mit einer derartigen Messzellenanordnung 10 bestückt sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Messzellenanordnung
- 12
- Hochdrucksensor
- 14
- Hochdruck
- 16
- Messzelle
- 18
- Stahlmesszelle
- 20
- Biegeelement
- 20a
- Biegebalken
- 20b
- Biegemembran
- 22
- Zylinderwandbereich
- 24
- Membran
- 26
- Dehnmesselement
- 28
- piezoresistiver Sensor
- 30
- Druckanschlussbereich
- 32
- verdickter Bereich
- 34
- Membranbereich
- 36
- Siliziumbiegebalken
- 38
- elektrische Leitung
- 40
- Anschlusspad
- 42
- Metallisierung
- 44
- Sensorwiderstand
- 46
- Temperaturwiderstand
- 48
- Verbindungsstelle
- 48a
- äußere Verbindungsstelle
- 48b
- mittlere Verbindungsstelle
- 50
- Siliziumfuß
- 52
- Bondstellen
- 54
- Metallisierung
- 56
- Zentrum
- 58
- Membranbereich des Biegeelements
- 60
- Entkopplungsöffnung
- 62
- auszulenkender Bereich
- 64
- nicht auszulenkender Bereich
- 66
- Schlitz
- 68
- Einschnürung
- 70
- schmale Stege
- 70a
- erster Steg
- 70b
- zweiter Steg
- 72
- Versteifung
- 74
- Bereiche geringerer Breite
- 76
- Bereiche größerer Breite
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006023724 B4 [0002, 0002, 0004, 0061]