CH684808A5 - Drucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung. - Google Patents
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Description
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CH 684 808 A5
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Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Gehäuse, einer einen Membranbereich aufweisenden Platte und einem Zwischenträger, auf dem die Platte montiert ist und der mit dem Gehäuse mit Hilfe eines Klebstoffs verbunden ist, und ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors, bei dem eine einen Membranbereich aufweisende Platte und ein Zwischenträger miteinander verbunden werden und der Zwischenträger mit einem Gehäuse verklebt wird, wobei ein Klebstoff auf das Gehäuse und/oder den Zwischenträger aufgetragen wird.
Ein derartiger Drucksensor und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise aus EP 0 140 992 A1 bekannt. Der Zwischenträger besteht hierbei aus einem Glassubstrat, während die Platte aus einem Halbleitermaterial, wie Silizium, gefertigt sein kann. Der Zwischenträger hat hierbei die Aufgabe, die Platte von dem Gehäuse zu isolieren. Das Gehäuse besteht in der Regel aus einem Metall, beispielsweise aus Stahl.
Problematisch bei derartigen Drucksensoren ist die Tatsache, dass die Platte und das Gehäuse stark unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten haben. Wenn sich das Gehäuse bei einer Temperaturerhöhung stärker ausdehnt als die Platte mit der Membran, kann dies zu Verspannungen in der Membran führen, wodurch die Messergebnisse verfälscht werden. Man versucht nun, einen Teil der durch die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten verursachten Spannungen über den Zwischenträger bzw. dessen Befestigung abzubauen. Hierbei reicht es bei kleineren Drücken aus, einen elastischen Klebstoff zu verwenden, der mechanische Spannungen ausgleichen kann, also eine gewisse Relatiwerschiebung zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse zulässt.
Für höhere Drücke wird in EP 0 140 992 A1 jedoch zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse eine weitere Schicht verwendet, die etwa den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie die Platte haben soll, um die durch eine Temperaturveränderung erzeugten Spannungen zu verringern.
Ein ähnlicher Aufbau ist in EP 0 317 664 A1 beschrieben. Hierbei sind eine Trägerplatte und eine Basisplatte mit Hilfe einer elastischen Klebschicht verklebt. Die Basisplatte, auf der der Zwischenträger und die die Membran aufweisende Platte montiert sind, sind mit Hilfe eines Klemmteils mit der Trägerplatte verspannt.
US 4 364 276 beschreibt einen Differenzdruckmesser für relativ grosse Systemdrücke. Die als eigentlicher Sensor dienende Siliziumplatte ist auf einem Glassubstrat montiert, das auf einer Trägerschicht aus Metall, z.B. einer Eisen-Nickel-Legierung befestigt ist, wobei die Verbindung der drei Schichten mit Hilfe einer Bonding-Technik erfolgt. Bei diesem Drucksensor soll das Metallteil als Unterstützungsschicht für das Glassubstrat wirken, so dass der Sensor auch bei hohen Systemdrücken stets ein genaues Messergebnis abgeben kann, ohne durch die auftretenden hohen hydrostatischen Drücke deformiert zu werden.
DE 3 937 522 A1 beschreibt einen weiteren Halbleiter-Drucksensor, der ebenfalls für verhältnismässig hohe Drücke verwendet werden kann. Hierzu wird der die Membrane tragende Zwischenträger unter Verwendung einer Elastomerdichtung mit dem Gehäuse verbunden. Bei einer Erhöhung des Drucks auf die Membran erhöht sich auch der Druck auf die Elastomerdichtung, so dass bei einem höheren Druck die Dichtigkeit verbessert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor anzugeben, der möglichst einfach aufgebaut ist und bei grossen statischen und pulsierenden Druckbelastungen verwendet werden kann sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Drucksensors anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Drucksensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Klebstoff in einer Fuge zwischen Gehäuse und Zwischenträger angeordnet ist, die eine Bewegung des Klebstoffs zumindest in eine in Längserstreckung der Fuge verlaufenden Richtung begrenzt.
Hierdurch wird verhindert, dass der Klebstoff bei grossen Druckbelastungen zwischen dem Gehäuse und dem Träger herausgepresst wird. Dies würde zu einer Verminderung oder gar zu einem Verlust der durch den Klebstoff vermittelten Haftkraft zwischen Gehäuse und Zwischenträger führen. Dadurch, dass die Bewegung des Klebstoffs in mindestens eine in Längserstreckung der Fuge verlaufenden Richtung begrenzt ist, wird zwar ein Ausweichen des Klebstoffs bei einer Druckerhöhung grundsätzlich zugelassen, ein vollständiges Entfernen des Klebstoffs aus dem Zwischenraum zwischen Gehäuse und Zwischenträger wird jedoch verhindert. Bei niedrigen Drücken ist der Klebstoff, der in ausreichendem Mass elastisch sein muss, aber in der Lage, die Spannungen zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse aufzunehmen, so dass keine Verspannungen der Platte auftreten und somit Verspannungen der Membran vermieden werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Zwischenträger einen Mittelbereich aufweist, um den herum die Fuge angeordnet ist, wobei die Fuge eine Begrenzungsfläche aufweist, die eine Bewegung des Klebstoffs in den Mittelbereich hinein verhindert. Im Mittelbereich des Zwischenträgers ist also mit anderen Worten ein Anschlag gebildet, der vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander die Bewegung von Zwischenträger und Gehäuse aufeinander zu begrenzt. Um den Mittelbereich herum existiert also in jedem Fall ein Raum, in dem der Klebstoff verbleiben kann. Die von den auf die Platte und auf die Membran wirkenden hydrostatischen Drücken verursachten Kräfte können also aufgenommen werden, ohne dass der Klebstoff vollständig aus der Fuge herausgepresst wird. Hierdurch entsteht eine Art selbstsperrender Effekt.
Die Begrenzungsfläche kann auf verschiedene Arten gebildet werden. Zum einen kann die Begrenzungsfläche der Fuge durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs gebildet sein, der aus dem Gehäuse in Richtung auf den Zwischenträger hervorragt. Der Vorsprung kann auch am Zwischenträ-
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ger ausgebildet sein und in Richtung auf das Gehäuse hervorragen. Schliesslich lässt sich zur Erzeugung der Begrenzungsfläche auch eine Zwischenplatte verwenden, die zwischen Gehäuse und Zwischenträger angeordnet ist und deren Um-fangsfläche als Begrenzungsfläche dient. In allen drei Fällen wird erreicht, dass vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander, das zu einem Verdrängen des Klebstoffs führen würde, eine mechanische Sperre errichtet wird, die sicherstellt, dass die Fuge ein vorbestimmtes Mindestvolumen behält.
Weiterhin ist von grossem Vorteil, dass die Begrenzungsfläche einen klebstofffreien Bereich umgrenzt, durch den ein Gegendruckkanal im Gehäuse geführt ist. Bei der Ausbildung des Drucksensors als Differenzdrucksensor können somit von beiden Seiten Drücke an die Membran herangeführt werden. Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass durch die Begrenzungsfläche verhindert wird, dass der Klebstoff beim Herstellen in den Gegendruckkanal gelangt und diesen ver-schliesst oder verengt.
Bevorzugterweise weisen an dem Gehäuse bzw. dem Zwischenträger anliegende Reibeflächen eine erhöhte Glätte auf. Dies verringert die Reibung zwischen Zwischenträger und Gehäuse, so dass bei unterschiedlichen Ausdehnungen von Gehäuse und Zwischenträger aufgrund von Temperaturschwankungen eine relativ freie Beweglichkeit der beiden Teile zueinander sichergestellt ist.
Die Fuge hat vorteiihafterweise eine Stärke im Bereich weniger hundertstel Millimeter. Eine Stärke in diesem Bereich reicht aus, um genügend Klebstoff unterzubringen, so dass einerseits eine zuverlässige Befestigung von Zwischenträger und Gehäuse aneinander gewährleistet ist, die Schicht andererseits aber bei niedrigen Drücken noch elastisch genug ist, um mechanische Spannungen zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse auszugleichen.
Die Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass vor dem Auftrag des Klebestoffs eine Klebeflächenbegrenzung erzeugt wird. Diese Klebeflächenbegrenzung kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass, wie oben ausgeführt, Vorsprünge auf dem Gehäuse oder auf dem Zwischenträger erzeugt werden oder eine Zwischenplatte verwendet wird, die vor dem Aufbringen des Klebstoffs auf das Gehäuse und/ oder den Zwischenträger aufgebracht wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Drucksensor,
Fig. 2 einen Teilschnitt A-A nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt B-B nach Fig. 2,
Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform nach Fig. 3 und
Fig. 5 eine weitere abgewandelte Ausführungsform.
Ein Drucksensor 1 weist eine Platte 2 mit einer
Membran 3 auf, die mit einem Zwischenträger 4 verbunden sind. Der Zwischenträger 4 wiederum ist mit Hilfe eines elastischen Klebstoffs 5 mit einem Gehäuse 6 verbunden.
Das Gehäuse 6 besteht aus Metall. Der Zwischenträger 4 ist durch ein Glassubstrat gebildet. Die Platte 2 mit Membran 3 besteht aus Silizium. In die Membran 3 sind in bekannter und nicht dargestellter Weise Widerstände oder andere elektrische Bauelemente eingebaut, beispielsweise durch Dotierung. Die elektrischen Eigenschaften dieser Bauelemente ändern sich bei einer mechanischen Belastung oder Durchbiegung der Membran 3. Die Grösse der Änderung der elektrischen Eigenschaften dieser Bauelemente ist ein Mass für den Druck, dem die Membran 3 ausgesetzt ist.
Von den nicht dargestellten elektrischen Bauelementen gehen elektrische Leitungen 7 durch einen Anschluss 8 zu einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung.
Der Zwischenträger 4 mit der Platte 2 ist in einem im Gehäuse 6 vorgesehenen Druckraum 9 angeordnet, der von einer Hilfsmembran 10 verschlossen und mit einem Druckmedium 11, beispielsweise Silikonöl, gefüllt ist. Auf die Hilfsmembran 10 wirkende Drücke pflanzen sich über das Druckmedium 11 auf die Membran 3 der Platte 2 fort und führen dort zu einer Durchbiegung und somit zu einer Änderung der elektrischen Eigenschaften der elektrischen Bauelemente, die ein Mass für den wirkenden Druck sind. Die Hilfsmembran 10 ihrerseits kann von aussen durch eine Öffnung 13 im Gehäuse 6 mit Druck beaufschlagt werden.
Zur Verwendung des Drucksensors 1 als Differenzdruckmesser ist ein Gegendruckkanal 12 vorgesehen, der durch das Gehäuse 6 und den Zwischenträger 4 geführt ist. Durch den Gegendruckkanal 12 können Drücke auf die andere Seite der Membran 3 gelangen. Die Ausbiegung der Membrane 3 erfolgt dann in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen den beiden Drücken auf beiden Seiten der Membrane 3.
Zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4 ist eine Zwischenplatte 14 angeordnet, die beispielsweise eine Stärke von 0,04 mm, einen Aussendurchmesser von 2 mm und eine Bohrung von 1 mm Durchmesser hat und aus Stahl hergestellt sein kann. Die Zwischenplatte 14 hat einen Aussenumfang 15, der als Begrenzungsfläche für den Klebstoff 5 dient. Gleichzeitig dient die Zwischenplatte 14 als Anschlag bei einer Bewegung von Gehäuse 6 und Zwischenträger 4 aufeinander zu. Auch bei stärksten Drücken verbleibt eine Klebstoff-Fuge 16 zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4, aus der der Klebstoff 5 nicht herausgepresst oder gequetscht werden kann. Die Bewegung von Gehäuse 6 und Zwischenträger 4 aufeinander zu wird durch die Zwischenplatte 14 begrenzt. Gleichzeitig verhindert die Zwischenplatte 14 mit ihrem Aussenumfang 15, dass selbst bei hohen Drücken Klebstoff in den mittleren Bereich des Zwischenträgers vordringen kann. Auch wenn bei hohen Drücken Klebstoff nach aussen gepresst wird, verbleibt in der Fuge 16 immer noch eine ausreichende Menge, um die Haftkraft zwischen dem Ge5
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häuse 6 und dem Zwischenträger 4 aufrechtzuerhalten. Als Klebstoff kann beispielsweise ein Silikonkleber, z.B. Silikonkautschuk, verwendet werden.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 3 und entsprechende Teile mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen sind. Die Zwischenplatte 14 ist hier ersetzt worden durch einen im Gehäuse 106 ausgebildeten Vorsprung 17, der in Richtung auf den Zwischenträger 4 vorsteht. Der Vorsprung 17 bildet einerseits den Anschlag für die Bewegung von Zwischenträger 4 und Gehäuse 106 aufeinander zu, er begrenzt andererseits die Fuge 16, so dass der Klebstoff zwar aus der Fuge 16 nach aussen herausgedrückt werden kann, jedoch nicht in einen mittleren Bereich des Zwischenträgers 4 vordringen kann. Wenn der Klebstoff 5 auf das Gehäuse 106 aufgetragen wird, verhindert der Vorsprung 17 gleichzeitig ein Vordringen des Klebstoffs in den Gegendruckkanal 12.
In Fig. 5, in der gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und entsprechende Teile mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind, ist die Zwischenplatte 14 ersetzt worden durch einen Vorsprung 18, der am Zwischenträger 204 ausgebildet ist und in Richtung auf das Gehäuse 6 vorsteht. Dieser Vorsprung 18 hat im Prinzip die gleiche Aufgabe wie der Vorsprung 17 in Fig. 3 oder die Zwischenplatte 14 in den Fig. 1 bis 3.
Claims (9)
1. Drucksensor mit einem Gehäuse, einer einen Membranbereich aufweisenden Platte und einen Zwischenträger, auf dem die Platte montiert ist und der mit dem Gehäuse mit Hilfe eines Klebstoffs verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (5) in einer Fuge (16) zwischen Gehäuse (6, 106) und Zwischenträger (4, 204) angeordnet ist, die eine Bewegung des Klebstoffs (5) zumindest in eine von Längserstreckung der Fuge (16, Fig. 4) verlaufenden Richtung begrenzt.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (4, 204) einen Mittelbereich aufweist, um den herum die Fuge (16) angeordnet ist, wobei die Fuge (16) eine Begrenzungsfläche (15) aufweist, die eine Bewegung des Klebstoffs (5) in den Mittelbereich hinein verhindert.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs (17) gebildet ist, der aus dem Gehäuse (106) in Richtung auf den Zwischenträger (4) hervorragt.
4. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs (18) gebildet ist, der aus dem Zwischenträger (204) in Richtung auf das Gehäuse (6) hervorragt.
5. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch die Umfangsfläche einer Zwischenplatte (14) gebildet ist, die zwischen Gehäuse (6) und Zwischenträger (4) angeordnet ist.
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsfläche (15) einen klebstofffreien Bereich umgrenzt, durch den ein Gegendruckkanal (12) im Gehäuse (6) geführt ist.
7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitigen Berührungsflächen des Gehäuses (6, 106) und des Zwischenträgers (4, 204) gegenüber der andern Rächen derselben eine erhöhte Glätte aufweisen.
8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fuge (16) eine Stärke im Bereich weniger hundertstel Millimeter aufweist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine einen Membranbereich aufweisende Platte und ein Zwischenträger miteinander verbunden werden und der Zwischenträger mit einem Gehäuse verklebt wird, wobei ein Klebstoff auf das Gehäuse und/oder den Zwischenträger aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftrag des Klebestoffs (5) eine Klebeflächenbegrenzung erzeugt wird.
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