DE10036433A1 - Kapazitiver Drucksensor - Google Patents

Abstract

Membran 30 und Grundkörper 20 eines Drucksensors 10 sind über eine Fügung F miteinander verbunden. Zur Verringerung der Spannungskonzentration im Bereich der Fügung F ist im Grundkörper 20 eine Nut 26 vorgesehen (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor.

Derartige Drucksensoren werden vielfach in der Prozeßautomation eingesetzt, um den Druck von unterschiedlichen Prozeßmedien zu messen, die als Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe vorliegen können.

Im wesentlichen bestehen derartige Drucksensoren aus einem Grundkörper und einer Membran, welche beide vorzugsweise aus einem keramischen oder einkristallinen Material bestehen. Am Grundkörper ist eine flache Ausnehmung vorgesehen, die auch als Membranbett bezeichnet wird und die von der Membran vollständig überdeckt wird.

Das Membranbett und die Membran begrenzen eine Messkammer, die vom eigentlichen Prozeßmedium getrennt ist und die in der Regel mit Luft oder mit einem Silikonöl als Druckübertragungsmedium gefüllt ist. Die Druckkammer ist gas- bzw. flüssigkeitsdicht. Dies erfordert einen erheblichen Aufwand bei der Herstellung der Verbindung Membran Grundkörper.

Am Membranbett und der dem Membranbett zugewandten Unterseite der Membran sind jeweils Elektroden vorgesehen, die meist in Sputtertechnik, Aufdampfverfahren oder z. B. im Siebdruckverfahren, wie z. B. in der US-A 50 50 035 beschrieben, aufgebracht werden. Diese beiden Elektroden bilden zusammen den eigentlichen Meßkondensator, dessen Meßsignal ausgewertet wird.

Wirkt auf die Membran ein Referenzdruck PR und ist dieser Druck unterschiedlich zu dem in der Druckkammer herrschenden Druck, so verformt sich die Membran elastisch. Dies führt zur Änderung des Abstandes der beiden Elektroden und damit zu einer Kapazitätsänderung des Meßkondensators. Die Kapazität des Meßkondensators ist ein Maß für die Druckdifferenz. Sie wird als Meßsignal mit Hilfe einer Auswerteelektronik, an die beide Elektroden angeschlossen sind, erfaßt und ausgewertet.

Man unterscheidet zwischen Drucksensoren für Relativdruck, Absolutdruck und Differenzdruck, je nachdem welcher Referenzdruck in der Druckkammer bzw. an der Membranaußenseite vorliegt.

Meist spricht man einfach nur vom Druck, der gemessen wird und nicht von der Druckdifferenz, wie es eigentlich zutreffend wäre.

Neben einfachen Drucksensoren sind auch sogenannte Differenzdrucksensoren bekannt, die die Differenz zweier Prozeßdrücke erfassen. Derartige Differenzdrucksensoren bestehen z. B. aus zwei solchen beschriebenen Drucksensoren mit dem Unterschied, daß sie einen gemeinsamen Grundkörper aufweisen. Die Meßkammern befinden sich an den gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers. Sie sind durch einen Verbindungskanal, der dem Druckausgleich dient, miteinander verbunden.

Bei einem weiteren Differenzdrucksensor sind in einem Grundkörper zwei Messkammern durch eine gemeinsame Membran voneinander getrennt.

In beiden Fällen ist jeweils die Druckdifferenz der an den beiden Seiten des Grundkörpers herrschenden Prozeßdrücke die interessierende Meßgröße.

Membran und Grundkörper sind über eine Fügung miteinander verbunden. Bei einem keramischen Sensor kann die Fügung z. B. mittels Aktivlot oder einer Glasfritte erfolgen. Bei einem Sensor aus monokristallinem Material kann z. Bsp. eutektisches Bonden, anodisches Bonden oder Fusion Bonden als Fügetechnik verwendet werden.

An der Fügestelle werden Membran, Grundkörper sowie die Fügestelle selbst durch eine Spannungskonzentration infolge von Kerbspannungen sehr stark belastet, wenn in einer der Meßkammern oder auch in beiden Meßkammern ein hoher Druck herrscht. Im Extremfall kann es zur Rißbildung in der Membran oder in dem Grundkörper oder zu einem Auseinanderreißen der Verbindung Membran-Grundkörper kommen, was zu einem Ausfall des Drucksensors führt.

Aus der US 5520054 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem zur Verringerung der Belastung der Fügestelle, die Wandung im Bereich der Fügestelle verbreitert wird. Diese Maßnahme ist herstellungstechnisch sehr aufwendig. Außerdem verringert sich die Steifigkeit der an die Fügestelle angrenzenden Bereiche der Keramik. Dadurch wird nur die Spannung unmittelbar an der Fügestelle verringert. Das Spannungsmaximum befindet sich trotzdem weiterhin im Bereich der Fügestelle.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor zu schaffen, der die infolge von Kerbspannungen an der Fügestellenwurzel entstehenden Spannungskonzentrationen in den Grundkörper verlagert, da die Verbindung Membran-Grundkörper meistens schwächer ist als das Bulk-Material des Grundkörpers. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, nicht nur den Ort der Spannungskonzentration zu verlagern, sondern die maximalen Spannungen zu reduzieren. Außerdem soll der Drucksensor einfach und kostengünstig herstellbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Drucksensor mit einem Grundkörper, einer mit dem Grundkörper über eine Fügung verbundenen Membran, einem Meßkondensator zur Erzeugung eines Meßsignals mit einer ersten und zweiten Elektrode, die jeweils einander gegenüberliegend an der Membran bzw. am Grundkörper aufgebracht sind, wobei sich am Ende der Fugestellenwurzel im Grundkörper eine Nut anschließt.

Durch die Nut werden Spannungskonzentrationen im Bereich der Fügung verringert.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die nachfolgenden Ausführungen gelten für kapazitive Drucksensoren und kapazitive Differenzdrucksensoren entsprechend, so daß der Einfachheit halber nur noch kapazitive Drucksensoren behandelt werden.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Aufsicht dreier kapazitiver Drucksensoren,

Fig. 2 Ausschnittvergrößerung A gemäß Fig. 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel

Fig. 3 Ausschnittvergrößerung A gemäß Fig. 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel

Fig. 4 Ausschnittvergrößerung A gemäß Fig. 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel

Fig. 5 Ausschnittvergrößerung A gemäß Fig. 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel

In Fig. 1a ist ein erster kapazitiver Drucksensor 10 in Aufsicht dargestellt, der im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Grundkörper 20 und einer kreisförmigen Membran 30 besteht. Die Membran 30, die eine Druckkammer 40 überdeckt, ist mit dem Grundkörper 20 verbunden. Die Verbindung zwischen der Unterseite 32 der Membran 30 und dem Grundkörper 20 erfolgt entlang einer Fügung F.

In Fig. 1b ist ein zweiter kapazitiver Drucksensor 10 in Aufsicht dargestellt, der im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Grundkörper 20 und einer kreisförmigen Membran 30 besteht. Die Membran 30, die eine Druckkammer 40 überdeckt, ist mit dem Grundkörper 20 verbunden. Die Unterseite 32 der Membran 30 und der Grundkörper 20 sind durch Bonden fest miteinander verbunden.

In Fig. 1c ist ein dritter kapazitiver Drucksensor 10 in Aufsicht dargestellt, der im wesentlichen aus einem zylinderförmigen Grundkörper 20 und einer kreisförmigen Membran 30 besteht. Die Membran 30, die ein am Grundkörper vorgesehenes Membranbett 22 überdeckt, ist mit dem Grundkörper 20 verbunden. Die Verbindung zwischen der Unterseite 32 der Membran 30 und dem Grundkörper 20 erfolgt entlang einer Fügung F.

Grundkörper 20 und Membran 30 bestehen aus einem spröden keramischen oder einkristallinen Material, z. Bsp. Aluminiumoxid-Keramik (Fig. 1a, Fig. 1c) bzw. Silizium- Material (Fig. 1b).

Als gas- und flüssigkeitsdichte Fügung ist bei Keramik z. B. eine Aktivhartlotverbindung denkbar, die unter Vakuum bei ca. 900 C hergestellt wird. Bei Silizium kann z. Bsp. Fusion Bonden als Verbindungstechnik gewählt werden. Im verbundenen Zustand begrenzen die Membran 30 und der Grundkörper 20 eine Druckkammer 40, die entweder mit Luft oder mit einer nahezu inkompressiblen Flüssigkeit z. B. einem Silikonöl gefüllt ist. In der Druckkammer 40 herrscht im unbelasteten Zustand der Referenzdruck PR. Die Druckkammer 40 wird über einen Kanal 42 mit Druck beaufschlagt.

Auf der Unterseite 32 der Membran 30 ist eine erste Elektrode 40a aufgebracht. Eine zweite Elektrode 40b ist auf das Membranbett 22 aufgebracht. Das Aufbringen kann z. B. durch Sputtern, Aufdampfen oder in Siebdrucktechnik erfolgen. Bestehen Membran und Grundkörper aus einem Halbleitermaterial, so kann das Halbleitermaterial direkt, ohne Aufbringen einer Metallschicht, als Elektrode verwendet werden. Die zweite Elektrode 40b überdeckt im wesentlichen die konkave Zentralfläche 60. Sie muß diese aber nicht notwendigerweise vollständig überdecken.

Die beiden sich gegenüberliegenden Elektroden 40a, 40b bilden einen Meßkondensator, dessen Kapazität vom herrschenden Prozeßdruck P abhängt. Die Schichtdicken der Elektroden 40a bzw. 40b sind zur Verdeutlichung übertrieben stark dargestellt. Die Elektroden 40a, 40b sind über nicht näher dargestellte Anschlußleitungen mit einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteelektronik verbunden.

Die Auswerteelektronik für das Meßsignals des Meßkondensators ist Stand der Technik. Die Auswerteelektronik, die nicht Gegenstand dieser Erfindung ist, ist deshalb nicht beschrieben.

Fig. 2 zeigt eine Ausschnittvergrößerung im Bereich der Fügung F gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Unmittelbar an das Ende der Fügestelle (Fügestellenwurzel) schließt sich eine Nut 26 an.

Die Nut 26 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 1 mm breit und 1 mm tief.

Die Fügung des keramischen Sensors besteht aus einer Aktivhartlotverbindung 50. Im Bereich des Steges 24 ist der Abstand Membran 30 und Grundkörper 20 am geringsten.

Dies bedeutet auch, daß hier die Aktivhartlotverbindung extrem dünn ist.

Das Membranbett 22 wird geschliffen und ist nur wenig Mikrometer tief. Mit U ist die äußere Umfangslinie des Membranbetts 22 bezeichnet. Sie verläuft parallel zur Membran 30. Im dargestellten Fall steht die Mittellinie M der Nut 26 senkrecht auf die Umfangslinie U. Die in Fig. 2 dargestellte Nut läßt sich leicht in Keramik einpressen und kann daher praktisch kostenlos beim Pressen der Keramik-Grundkörper hergestellt werden. Mittels eines Ätzprozesses kann diese Form der Nut auch leicht in monokristallines Material, wie z. Bsp. Silizium, eingearbeitet werden.

In den Fig. 3 bis 5 sind weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die sich nur in der jeweiligen Form der Nut 26 unterscheiden.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Nuten mit bauchigen bzw. länglichen Querschnitt, die nachträglich in einen gepreßten Keramik-Grünling eingearbeitet werden kann. Dies Nuten sind daher kostenintensiver als die in Fig. 1 gezeigte Nut, lösen aber die gestellte Aufgabe besser als die Nut aus Fig. 2 wie Simulationen nach der Finite- Elemente Methode zeigen.

Fig. 5 zeigt eine Nut mit kreisförmigem Querschnitt, die durch isotropes Ätzen leicht in Silizium-Grundkörper eingebracht werden kann. Laut Simulationen nach der Finite- Elemente Methode löst die in Fig. 5 gezeigte Nut die gestellte Aufgabe besser als die Nut aus Abb. 2.

Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung anhand eines Drucksensors mit Membranbett näher erläutert.

Das sich in der Druckkammer 40 befindliche Fluid wird über den Kanal 42 mit Druck beaufschlagt. Dadurch steigt der Druck in der Druckkammer 40 an. Bei wachsendem Druck P wird sich die Membran 30 nach außen ausbeulen. Dadurch entstehen erhebliche Spannungen im Grundkörper, in der Membran sowie im Bereich der Fügung F vorzugsweise an der Fugestellenwurzel. Diese Spannungen werden jedoch durch die Nut 26 von der Fügestelle weg in Richtung des Inneren des Grundkörpers 20 abgeleitet. Die Fügung, welche oft einer geringeren Belastung standhält als der Grundkörper, wird dadurch entlastet. Außerdem werden durch die in den Fig. 2, 3, 4, 5 dargestellten Nuten Spannungsspitzen abgebaut. Das heißt die Spannungen werden über einen größeren Bereich verteilt.

Weiterhin wird durch den in der Druckkammer herrschenden Druck P der äußere Rand der Nut in Richtung Rand 21 gedrückt, dadurch wird die Membran 30 etwas gespannt.

Dieser Effekt läßt sich insbesondere bei Differenzdrucksensoren wirkungsvoll einsetzen. Da bei zwei Kammern Differenzdrucksensoren durch den in den Druckkammern herrschenden Druck die Membran im Bereich der Umfangslinie U gestaucht wird, was gerade zu einer Verringerung der Spannung in der Membran 30 führt. Diese beiden gegenläufigen Effekte können in ihrer Stärke so gewählt werden, daß sie sich gerade kompensieren. In diesem Fall ist die Membran 30 bei jedem Nenndruck P spannungsfrei. Der Nenndruck hat dann keinen Einfluß mehr auf die Sensorempfindlichkeit.

Claims (6)

1. Drucksensor mit
einem Grundkörper (20)
einer mit dem Grundkörper (20) über eine Fügung verbundenen Membran (30),
einem Meßkondensator zur Erzeugung eines Meßsignals mit einer ersten und zweiten Elektrode (40a, 40b), die jeweils einander gegenüberliegend am Grundkörper (20) bzw. an der Unterseite (32) der Membran (30) aufgebracht sind,
wobei sich an das Ende der Fügung im Grundkörper (20) eine Nut (26) zum Meßkondensator hin anschließt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (26) einen bauchigen Querschnitt aufweist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (26) einen länglichen Querschnitt aufweist.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (26) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (20) ein Membranbett (22) aufweist.

6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (20) aus keramischen oder monokristallinem Material ist.