DD262282A1 - Drucksensorelement fuer kleine druecke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Drucksensorelement fuer kleine Druecke, das aufgabengemaess nur aus einem einzigen Bauteil bestehen soll und dessen konstruktiver Aufbau die Wirkung aeusserer Stoerkraefte erheblich unterdrueckt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die Druckmembran und die Biegefeder, die aus Halbleitermaterial bestehen, monolithisch mit einander verbunden und als Einheit monolithisch in einem festen Einspannungsrahmen aufgehangen sind. Die Dicke der Druckmembran ist dabei wesentlich kleiner als die der Biegefeder, waehrend die Dicke der Biegefeder wesentlich kleiner als die des Einspannungsrahmens ist. Die Biegefeder enthaelt Teile eines elektromechanischen Wandlers (z. B. piezoresistive Widerstaende, piezoelektrische Schichten), die ein druckproportionales elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von statischen und dynamischen Drücken, insbesondere in gasförmigen und flüssigen Medien. Ihr Einsatz ist vor allem für Meßaufgaben sinnvoll, die kleine Druckbereiche erfordern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Druckwandler auf Halbleiterbasis realisieren vorzugsweise ein piezoresistives oder kapazitives Meßprinzip/1/. Dabei werden die Auslenkungen einer durch lokales Abdünnen eines Halbleitersubstrates gewonnenen Druckmembran in elektrische Signale umgesetzt. Für kleine Nenndruckbereiche wächst jedoch der Linearitätsfehler solcher Druckwandler stark an/2,3/. Diesem Effekt kann durch besonders konstruktive Ausführungen von Halbleiterdruckwandlern für kleine Meßbereiche auf mehreren Wegen entgegengewirkt werden, indem das Auftreten von Membranspannungen im Verformungskörper des Meßelements verringert oder verhindert wird: 1" In der Druckmembran befindet sich ein biegesteifes Zentrum. Der mechanische Verformungskörper ist damit z.B. eine

Kreisringplatte/4/

Z. In der Druckmembran werden zwei biegesteife Bereiche realisiert. Das Gebiet zwischen diesen beiden Bereichen wirkt als

Biegefeder/5/

33 Die Druckmembran ist an eine Biegefeder gekoppelt, deren elektromechanisches Wandlerelement, meistens piezoresistiv, ein druckproportionales elektrisches Ausgangssignal erzeugt/6/.

Letztere Variante besitzt den Vorteil, daß im federnd ausgeführten Biegeelement nahezu keine Linearitätsfehler der mechanischen Spannung erzeugt werden und das durch die Druckmembran verdrängte Volumen sehr klein gehalten werden kann. Sowohl Druckmembran als auch Biegefeder können aus Halbleitermaterial ausgeführt sein. Als besonders problematisch für diese konstruktive Variante stellt sich jedoch die Kopplungsstelle dar, die die Druckmembran und die Biegefeder verbindet, um die Kraftübertragung zwischen beiden Elementen kriech- und hysteresefrei sowie funktionssicher zu realisieren. In/7/ ist eine Anordnung beschrieben, bei der die Zahl der erforderlichen Bauteile auf zwei verringert werden konnte. Ebenfalls auf zwei funktionserforderliche Bauteile beschränken sich die Anordnungen nach/8/ und/9/, wobei hier die Biegefeder und die Druckmembran fest miteinander verbunden sein können, jedoch nicht monolithisch ausgeführt sind/10/. Durchdie Gestaltung der Verkopplung zwischen Biegefeder und festem Einspannrahmen der Druckmembran ist die Übertragung äußerer Störkräfte oder anderer Störeinflüsse auf die Biegefeder möglich, so daß eine Verfälschung der Messung eintreten kann.

1 S. K. CLARK; K. D. WISE: Pressure Sensitivity in Anssotropically Etched Thin-Diaphragm Pressure Sensors. IEEE Transactions on Electron Devices ED-26 (1979) 12, S. 1887-1895.

2 H.-M. HELM u.a.: Zur Nichtlinearität dünner Rechteckwandler-Platten. Feingerätetechnik 28 (1979) 3, S. 126-129.

3 A. LENK; U.MENZEL: Nichtlinearität dünner Kreisplatten als Wandler von Drücken in mechanische Spannungen und Anschläge. Feingerätetechnik 30 (1981) 2, S.56-60.

4 H. SANDMEIER, E. OBERMEIER: Reduzierung der Nichtlinearität von Siliziumdrucksensoren für kleine Drücke. In: Sensoren-Technologie und Anwendung. NTG Fachberichte 93. Berlin u.a.: VDE-Verlag 1986, S. 159.

5^: L. B. WILNER: A Diffused Silicon Pressure Transducer with Stress Concentrated at Transverse Gages. ISA Transactions 17 (1978)1, S. 83-87.

6 DE-OS 3.004.031.

7 U. GÜLDENPFENNIG u.a.: Druckwandler für kleine Drücke. Wirtschaftspatent DD 213.758.

8- W.SCHULZ: Druckaufnehmer mit einer druckempfindlichen Membran. Offenlegungsschrift DE 3.310.538 &W.SCHULZ: Druckaufnehmer mit druckempfindlicher Membran. Offenlegungsschrift DE 3.336.094. 10 G.KOWALSKI: Fehlerkompensierte Drucksensoren für einfache Verknüpfung mit Mikroelektronik. Technische Messen 53 (1986)6,S.236-241.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verringerung der Meßfehler, insbesondere der Kriech- und Hysteresefehler sowie der Fehler durch äußere Störkräfte, bei Drucksensorelement zur Messung kleiner Drücke.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein monolithisches Drucksensorelement für die Messung kleiner Drücke zu schaffen, das aus nur einem einzigen Bauteil besteht und dessen konstruktiver Aufbau die Wirkung äußerer Störkräfte erheblich unterdrückt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Druckmembran und die Biegefeder, die aus Halbleitermaterial bestehen, monolithisch verbunden sind und als Einheit monolithisch in einem festen Einspannungsrahmen aufgehangen sind. Die Dicke der Druckmembran ist dabei wesentlich kleiner als die der Biegefeder, während die Dicke der Biegefeder wiederum wesentlich kleiner als die des Einspannungsrahmens ist. Die Biegefeder enthält Teile eines elektromechanischen Wandlers (z.B. piezoresistive Widerstände, piezoelektrische Schichten), die ein druckproportionales elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Da Druckmembran und Biegefeder monolithisch eine Einheit bilden und sowohl Druckmembran, Biegefeder und Einspannrahmen ein einziges, komplexes Bauteil aus einem homogenen Halbleiterwerkstoff bilden, verringert sich der Hysterese-und der Kriechfehler des Drucksensorelementes bei steigender Funktionssicherheit erheblich. Durch die funktioneile Entkopplung der Biegefeder vom Einspannungsrahmen, bedingt durch ihre im Vergleich zum Einspannungsrahmen wesentlich geringere Dicke, wird der Einfluß von Störkräften, die über den Einspannungsrahmen auf die Biegefeder wirken, verringert, so daß das druckproportionale elektrische Ausgangssignal nur vernachlässigbar gestört wird.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll an Hand nachfolgender Ausführungsformen näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1: den Querschnitt und

Figur 2: die räumliche Darstellung eines Teiles eines erfindungsgemäß ausgeführten piezoresistiven Drucksensorelementes, Figur 3 und Figur 4: Schnittdarstellungen der in den

Figur 5 bis Figur 9: von der Rückseite gezeigten Varianten erfindungsgemäß ausgeführter Drucksensorelemente

Gemäß Figur 1 und 2 besteht das Drucksensorelement aus einer Druckmembran 2 und einer Biegefeder 3, die monolithisch aus einem Halbleitersubstrat, das vorzugsweise aus Silizium besteht, lokal abgedünnt sind, wobei der unabgedünnte Teil des Halbleitersubstrates den Einspannungsrahmen 1 bildet. Einspannungsrahmen 1, Druckmembran 2 und Biegefeder 3 bestehen auf diese Weise homogen aus einem einzigen Material und bilden so ein einzelnes Bauteil. Der zu messende Druck wirkt auf die Druckmembran 2, die eine dem Druck proportionale Kraft auf die Biegefeder 3 einleitet, die dadurch ausgelenkt wird. Die Auslenkung der Biegefeder 3 oder die durch die Auslenkung in oder auf die Biegefeder hervorgerufenen mechanischen Spannungen bzw. Dehnungen werden über einen mechanoelektrischen Wandler, z. B. piezoresistive Widerstände 4, die durch Leitbahnen 5 kontaktiert sind, in ein druckproportionales elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Auf der Druckmembran 2 und der Biegefeder 3 können sich im Vergleich zur Dicke der Druckmembran 2 dünne Schichten 6 befinden, die zur Passivierung der Membranoberfläche oder zur Isolation der elektrischen Schaltungsteile, z. B. der piezoresistiven Widerstände 4 und der Leitbahnen 5, dienen.

In den Figuren 5 bis 9 sind Varianten der Gestaltung der Druckmembran 2 und der Biegefeder 3 dargestellt, während Figur 3 und 4 die zugehörigen Schnittbilder zeigt. Die Druckmembran 2 kann dabei eine rechteckige bzw. quadratische Grundform besitzen (Fig. 5 bis Fig.7) oder kreisförmig sein (Fig. 8 und Fig.9). Die Biegefeder 3 kann einseitig (Fig. 5 und Fig.8) oder zweiseitig (Fig. 6, Fig.7 und Fig.9) im Einspannrahmen 1 eingespannt sein. Üblicherweise wird die Breite der Biegefeder 3 klein gegenüber den Querabmessungen der Druckmembran 2 sein. Zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen in den Ecken rechteckförmiger Druckmembranen 2 und an den Ecken der Biegefedern 3 werden diese als abgerundete Ecken 7 (Fig.5und6) ausgebildet. Für einen Nenndruckbereich von 1OkPa wurden beispielsweise mit einer Kreisplatte und zweiseitig eingespannter Biegefeder gemäß Bild 9 gute Ergebnisse bei folgenden Abmessungen erreicht:

Membranradius 3,4 mm; Dicke der Biegefeder 100 pm; Membrandicke 33 pm; Breite der Biegefeder 0,34 mm. Bei o.g. Nenndruck von 1OkPa und einer dadurch bewirkten Nenndehnung von S_max = 5 10~⁴im Bieger wurde ein Nennausschlag von 3,5 pm festgestellt. Dagegen beträgt der Nennausschlag einer Platte mit S_max = 5 · 20~⁴ etwa 43 pm (Verhältnis Plattendicke/Radius =

——). Die erfindungsgemäße Lösung bringt somit im Vergleich zur Platte ein um Faktor 10 kleinere Auslenkung und verbessert dadurch dieNichtlinearitätum mehr als Faktor 10.

Claims (3)

1. Drucksensorelement aus Halbleitermaterial, bestehend aus einer drucksensitiven Druckmembran, einer Biegefeder, die durch die Druckmembran ausgelenkt wird und die Teile eines mechanoeiektrischen Wandlers enthält, und einem Einspannrahmen, dadurch gekennzeichnet, daß Druckmembran, Biegefeder und Einspannrahmen aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen, daß Druckmembran, Biegefeder und Einspannrahmen monolithisch miteinander verbunden sind, indem die Druckmembran und die Biegefeder innerhalb des Einspannrahmens lokal abgedünnt sind, daß die Dicke der Druckmembran kleiner gegenüber der Dicke der Biegefeder ist und daß die Dicke der Biegefeder klein gegenüber der Dicke des Einspannrahmens ist.

2. Drucksensorelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder im Einspannrahmen ein- oder zweiseitig eingespannt ist.

3: Drucksensorelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmembran die Form

eines Rechtecks, eines Quadrates oder eines Kreises hat.
4, Drucksensorelement nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefeder als mechanoeiektrischen Wandler piezoresistive Widerstände enthält, oder sich auf ihr piezoresistive Widerstände oder piezoelektrische Schichten befinden.