CH680392A5 - Capacitive differential pressure transducer - has central electrode between two membranes each with applied electrode layer - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Differenzdruckwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. 



  Solche Differenzdruckwandler eignen sich beispielsweise zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Heizwasserkreisen. 



  Ein Differenzdruckwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der DE-OS 3 820 418 bekannt. 



  Ferner ist ein mikromechanisch herstellbarer Differenzdruckwandler mit einem Paar Membranen bekannt (EP-B1 0 164 413), von denen die eine einem Druck p1 und die andere einem Druck p2 ausgesetzt ist. Beide Membranen sind in derselben Ebene an einer mit inkompressibler Flüssigkeit gefüllten Kapsel ausgebildet. Mindestens eine Membran beinhaltet eine leitende Schicht, die zusammen mit einer weiteren leitenden Schicht an einer zur Membran parallelen Seite der Kapsel einen Kondensator bildet. Eine Druckdifferenz p1-p2 verursacht Kräfte auf beide Membranen, so dass die Membranen in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausgelenkt werden. Die dadurch erfolgende Kapazitätsänderung am Kondensator ist ein Mass für die Druckdifferenz p1-p2. 



  Der Einfluss der Temperatur auf die Form und die Funktion der einzelnen Elemente und deren Verbindungsstellen im Wandler muss bei der Auswertung eines Ausgangssignals berücksichtigt werden. Gelangen konstruktionsbedingt verschiedene Werkstoffe mit unterschiedlichem thermischem Verhalten zur Anwendung, und ändert sich die Temperatur des Druckmediums wie beispielsweise in Heizwasserkreisen, wird die für eine genaue Differenzdruckmessung notwendige Korrektur des Ausgangssignals aufwendig und unter Umständen praktisch unmöglich. 



  Ausserdem müssen Form und Material der einzelnen Wandlerteile sowie die angewendeten Verbindungstechniken sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, damit der Wandler verspannungsfrei hergestellt werden kann. 



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Differenzdruckwandler so zu verbessern, dass er sehr genau, langzeitstabil, klein und in grosser Stückzahl mit kleiner Streuung der Parameter herstellbar ist. 



  Die Erfindung besteht in den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. 



  Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. 



  Es zeigen: 
 
   Fig. 1 einen Differenzdruckwandler, bei dem die Erfassungsmembranen mit einem Stützelement verbunden sind, im Querschnitt, 
   Fig. 2 einen Membranträger, bei dem durch eine Vertiefung ein dehnbarer Rahmen in die Erfassungsmembran geformt ist, in der Draufsicht, 
   Fig. 3 eine Variante des Differenzdruckwandlers, bei dem eine Flüssigkeit den Kraftschluss zwischen den Erfassungsmembranen bewirkt, und 
   Fig. 4 eine Variante des Membranträgers, bei dem durch eine Vertiefung die Erfassungsmembran ausgebildet ist. 
 



  In der Fig. 1 bedeutet 1 einen scheibenförmigen Elektrodenträger mit mindestens einem vorteilhaft im Zentrum des Elektrodenträgers 1 angeordneten Loch 2 und zwei Mittelelektroden 3a und 3b. Der Elektrodenträger 1 ist abständig und gasdicht zwischen einem ersten Membranträger 4 und einem zweiten Membranträger 5 angeordnet. Beide Membranträger 4 und 5 haben einen gleichen, zum Elektrodenträger 1 symmetrischen Aufbau. Die Membranträger 4  und 5 halten je eine dehnbare, im wesentlichen in Richtung ihrer Zentrumsachse bewegbare Erfassungsmembran 8 bzw. 9. Je eine durch Abtragen von Material entstandene Vertiefung 6 bzw. 7 rahmt einen inneren, in der Draufsicht (Fig. 2) quadratischen Teil (16) der Erfassungsmembran 8 bzw. 9 ein. Die der Mittelelektrode 3a bzw. 3b zugewandte Stirnfläche der Erfassungsmembran 8 bzw. 9 ist mit einer elektrisch leitenden Schicht 10 bzw. 11 versehen.

  Die Schichten 10, 11 sowie die Mittelelektroden 3a, 3b sind ausserhalb des Differenzdruckwandlers kontaktierbar, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Durch ein rahmenförmiges Abstandsmittel 12 zwischen dem Elektrodenträger 1 und dem Membranträger 4 und ein weiteres solches Abstandsmittel 13 zwischen dem Elektrodenträger 1 und dem Membranträger 5 ist ein Hohlraum 14 zwischen den beiden Erfassungsmembranen 8, 9 gasdicht abgeschlossen und zudem ist sichergestellt, dass die Erfassungsmembranen 8 und 9 bewegbar und die leitenden Schichten 10 und 11 von den Mittelelektroden 3a, 3b isoliert sind. Die beiden Erfassungsmembranen 8 und 9 sind durch ein Stützelement 15 miteinander kraftschlüssig verbunden, so dass keine der beiden Erfassungsmembranen 8, 9 unabhängig von der anderen Erfassungsmembran 8 bzw. 9 auslenkbar ist. 



  Die Mittelelektrode 3a bzw. 3b bildet mit der elektrisch leitenden Schicht 10 einen Kondensator mit einer Kapazität C1 und mit der leitenden Schicht 11 einen weiteren Kondensator mit einer Kapazität C2. Ist die Erfassungsmembran 8 einem Druck p1 eines Messguts und die Erfassungsmembran 9 einem Druck p2 des Messguts ausgesetzt, verursacht eine Druckdifferenz p1-p2 eine Kraft auf die Erfassungsmembranen 8, 9, die entgegen einer Rückstellungskraft der Erfassungsmembranen 8, 9 wirkt und die ein Durchbiegen der Erfassungsmembranen 8, 9 auf jene Seite des Differenzdruckwandlers verursacht, deren Erfassungsmembran 8 bzw. 9 mit dem niedrigeren Wert der beiden Drücke p1 und p2 beaufschlagt ist.

  Ein Überdehnen der Erfassungsmembranen 8, 9 wird durch den steifen Elektrodenträger 1 verhindert, der bei einem vorbestimmten Betrag der Druckdifferenz p1-p2 als Anschlag für die gegen ihn ausgelenkte Erfassungsmembran 8 oder 9 wirkt. 



  Durch den Elektrodenträger 1 ist der Differenzdruckwandler symmetrisch überdrucksicher. 



  Das Durchbiegen verändert die Kapazitäten C1 und C2 komplementär. Ist beispielsweise der Druck p1 grösser als der Druck p2, wird die Kapazität C1 vergrössert, während die Kapazität C2 verkleinert wird. Bei gleichen Drücken p1 und p2 sind die Kapazitäten C1 und C2 vorzugsweise gleich gross. Die Kapazitäten C1 und C2 können beispielsweise als frequenzbestimmende Elemente in Oszillatoren eingesetzt werden, deren Frequenzen dadurch von der Druckdifferenz p1-p2 gesteuert sind. 



  Die Membranträger 4, 5 weisen eine quadratische Form mit einer Kantenlänge von etwa 1 mm bis 4 mm und einer Dicke von ungefähr 0,4 mm auf. Zum Vermeiden von mechanischen Verspannungen ist jede Erfassungsmembran 8 bzw. 9 Teil des sie umfassenden Membranträgers 4 bzw. 5 und aus einkristallinem Silizium gefertigt. Die Vertiefungen 6, 7 sind durch Abtragen von Material derart mikromechanisch erzeugt, dass das Material des Membranträgers 4 bzw. 5 nahtlos und ohne zusätzliche Störungen im kristallinen Bau in das Material der Erfassungsmembran 8 bzw. 9 übergeht, die daher praktisch frei von Restspannungen ist, welche die Genauigkeit der Messung verfälschen. Ein anisotropes Ätzen der Vertiefungen 6, 7 bewirkt eine in definiertem Winkel zueinander stehende Anordnung von je zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden der Vertiefungen 6, 7. 



   Es ist auch möglich, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt, dass die Vertiefung 6 bzw. 7 auf jener Seite des Membranträgers 4 bzw. 5 angebracht ist, die dem Messgut zugewandt ist. Dadurch ist mehr Platz für eine Anordnung der leitenden Schichten 10, 11 verfügbar. 



  Die leitenden Schichten 10, 11 sind durch ein Dünnfilmverfahren, beispielsweise durch Aufdampfen von Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall, angefertigt. Um zusammen mit den Mittelelektroden 3a und 3b definierte Kapazitäten C1 und C2 zu erhalten, sind die Vertiefungen 6, 7 im wesentlichen nicht  beschichtet. 



  Der Elektrodenträger 1 hat vorzugsweise die gleichen äusseren Abmessungen wie die Membranträger 4, 5 und ist aus Silizium. Die Mittelelektroden 3a und 3b sind vorteilhaft Dünnfilmschichten, die den elektrisch leitenden Schichten 10 bzw. 11 genau gegenüber liegen und welche dieselbe Form der Schichten 10, 11 haben und damit parasitäre Kapazitäten minimieren. Es ist auch möglich, anstelle der beiden Mittelelektroden 3a, 3b eine einzige, gemeinsame Mittelelektrode vorzusehen. 



  Die Abstandsmittel 12, 13 sind aus Silizium oder Siliziumdioxid. Die Verwendung von Silizium hat den Vorteil, dass der Elektrodenträger 1 ohne ein Fremdmaterial mit den beiden Membranträgern 4, 5 durch sogenanntes silicon-fusion-bonding verbindbar ist. Damit ist ein Auftreten von Verspannungen, welche die Genauigkeit und die Langzeitstabilität des Differenzdruckwandlers verschlechtern, auf ein Minimum vermindert. Zudem wird eine thermische Abhängigkeit des Differenzdruckwandlers einfacher korrigierbar, da nur ein Material zu berücksichtigen ist. Die Abstandsmittel 12, 13 können beispielsweise durch einen zusätzlichen Ätzschritt aus dem Ausgangsmaterial der Membranträger 4, 5 erzeugt werden. 



  Die Abstandsmittel 12, 13 können auch in Siliziumdioxid ausgebildet sein. 



  Das Stützelement 15 besteht mit Vorteil aus Silizium und ist durch silicon-fusion-bonding zwischen den Erfassungsmembranen 8, 9 befestigt. Eine mögliche Temperaturänderung bewirkt damit nur eine äusserst geringe Auslenkung der Erfassungsmembranen 8, 9. Es ist auch möglich, dass zwischen dem Stützelement 15 und den Erfassungsmembranen 8, 9 je eine Schicht Siliziumdioxid angeordnet ist. Diese Schichten stellen vor allem eine prozesstechnische Vereinfachung dar, falls die Abstandsmittel 12, 13 auch aus Siliziumdioxid gefertigt sind. 



  Der Hohlraum 14 ist mit einem chemisch neutralen Schutzgas gefüllt oder evakuiert. 



  Die Seite der Erfassungsmembran 4; 5, die dem Messgut zugewandt ist, kann zum Schutz gegen korrosive Medien mit einer Passivierungsschicht versehen sein. 



  Eine Vielzahl der beschriebenen Differenzdrucksensoren ist kostengünstig gleichzeitig herstellbar, wenn als Ausgangsmaterialien polierte Wafer aus Silizium mit den entsprechend erforderlichen Dicken für die Membranträger 4 bzw. 5 und den Elektrodenträger 1 dienen. 



   Die Fig. 3 zeigt eine Variante des Differenzdruckwandlers, bei dem der Hohlraum 14 min  durch eine inkompressible dielektrische Flüssigkeit, wie z.B. Silikonöl, ausgefüllt ist, womit die beiden Erfassungsmembranen 8 min , 9 min  miteinander kraftschlüssig verbunden sind. Ein Vorteil dieser Variante ist die einfachere Fertigung, das Stützelement 15 (Fig. 1) aus Silizium entfällt. In dieser Variante ist das Loch 2 min  vorteilhaft nicht im Zentrum des Elektrodenträgers 1 min . 



  Zudem zeigt die Fig. 3 eine mögliche Ausgestaltung der Erfassungsmembranen 8 min , 9 min  mit einer im Flächenzentrum des Membranträgers 4 min , 5 min  angebrachten, in der Draufsicht vorzugsweise quadratischen Vertiefung 6 min  bzw. 7 min  (Fig. 4). 

Claims (5)

1. Kapazitiver Differenzdruckwandler, bei dem ein scheibenförmiger, mit mindestens einem Loch (2) versehener Elektrodenträger (1 bzw. 1 min ) mit mindestens einer Mittelelektrode (3a; 3b) abständig zwischen einer ersten Erfassungsmembran (8) mit einer elektrisch leitenden Schicht (10) auf einem ersten Membranträger (4) und einer zweiten Erfassungsmembran (9) mit einer elektrisch leitenden Schicht (11) auf einem zweiten Membranträger (5) derart angeordnet ist, dass zwischen den beiden Erfassungsmembranen (8; 9) ein gasdichter Hohlraum (14) ausgebildet ist, und bei dem die beiden Erfassungsmembranen (8; 9) so miteinander kraftschlüssig verbunden sind, dass keine der beiden Erfassungsmembranen (8; 9 bzw. 8 min ; 9 min ) unabhängig von der anderen Erfassungsmembran (8; 9 bzw. 8 min ;

9 min ) auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vermeiden von mechanischen Verspannungen jede Erfassungsmembran (8; 9 bzw. 8 min ; 9 min ) Teil des sie umfassenden Membranträgers (4; 5 bzw. 4 min ; 5 min ) ist, dass das Ausgangsmaterial für die Membranträger (4; 5 bzw. 4 min ; 5 min ) mit den Erfassungsmembranen (8; 9 bzw. 8 min ; 9 min ) und für den Elektrodenträger (1) Silizium ist und dass der Elektrodenträger (1 bzw. 1 min ) über ein erstes Abstandsmittel (12) aus Silizium oder Siliziumdioxid mit dem ersten Membranträger (4) und über ein zweites Abstandsmittel (13) ebenfalls aus Silizium oder Siliziumdioxid mit dem zweiten Membranträger (5) verbunden ist.

2.

Kapazitiver Differenzdruckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Erfassungsmembranen (8; 9) durch ein Stützelement (15) aus Silizium, welches durch das Loch (2) im Elektrodenträger (1) geführt ist, mechanisch miteinander verbunden sind, ohne dass dadurch eine elektrische Verbindung zwischen den leitenden Schichten (10; 11) der Erfassungsmembranen (8; 9) besteht.

3. Kapazitiver Differenzdruckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (14 min ) mit einer inkompressiblen dielektrischen Flüssigkeit ausgefüllt ist.

4.

Kapazitiver Differenzdruckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Membranträger (4; 5 bzw. 4 min ; 5 min ) durch eine Vertiefung (6; 7 bzw. 6 min ; 7 min ) im Bereich der Erfassungsmembran (8; 9 bzw. 8 min ; 9 min ) derart mikromechanisch auf einen vorbestimmten Wert verringert ist, dass das Material des Membranträgers (4; 5 bzw. 4 min ; 5 min ) ohne Störungen im kristallinen Bau nahtlos in das Material der Erfassungsmembran (8; 9 bzw. 8 min ; 9 min ) übergeht.

5. Kapazitiver Differenzdruckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Membranträger (4; 5) über die Abstandsmittel (12; 13) durch silicon-fusion-bonding am Elektrodenträger (1) befestigt sind.