DE3003111A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Nissan

ER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Ober>begriff des Hauptanspruchs.
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Die Erfindung befaßt sich mit einem Differentialdrucksensor, der unter Ausnutzung des Piezowiderstandseffekts arbeitet, und insbesondere mit einem derartigen Sensor, der eine Membran aufweist, auf der ein diffundierter Widerstand als druckempfindliches Element ausgebildet ist und dem ein Fluid, dessen Druck zu messen ist, zugeführt wird.

Bei einem herkömmlichen Halbleiter-Differentialdrucksensor sind zwei Sensoreinheiten für absolute Druckmessungen vorgesehen, die eine Membran aufweisen, auf die der Druck des zu messenden Fluids einwirkt. Die Differenz zwischen den absoluten Druckmeßergebnissen der beiden Sensoreinheiten wird bestimmt. Ein anderer herkömmlicher Halbleiter-Differentialdrucksensor weist eine Membran auf, auf deren beide gegenüberliegende Oberflächen der Druck des zu messenden Fluids einwirkt. Es wird ein Signal geliefert, das repräsentativ für die Differenz zwischen den beiden aufgebrachten Fluiddrücken ist.

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In Fig. 1 der beigefügten Zeichnung, auf die bereits hier bezug genommen wird, ist ein Sensor für absolute Druckmessungen der ersteren Art gezeigt, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Dieser Sensor umfaßt einen Membran-Block 12 mit einer Membran 14. Der Block ist als Silizium-Chip ausgebildet und trägt auf der vorderen Oberfläche 16 diffundierte Widerstände 18. Die rückwärtige Oberfläche 20 der Membran ist den zu messenden Fluiddrücken ausgesetzt. Der Block 12 ist auf einer Aluminium-Grundplatte 22 mit Hilfe einer Klebstoffschicht 24 aufgeklebt und durch eine Kappe 26 abgedeckt, die ebenfalls an der Grundplatte 22 befestigt ist, so daß die vordere Ober-

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fläche 16 der Membran 14, auf der die diffundierten Widerstände 18 ausgebildet sind, innerhalb einer Unterdruckkammer 28 liegt, die durch die Grundplatte 22 und die Kappe 26 gebildet wird. Die Grundplatte 22 weist eine Bohrung 30 auf, die mit einem Einlaßrohr 32 in Verbindung steht, das mit der äußeren Oberfläche der Grundplatte verbunden ist. Wenn ein Fluiddruck durch das Einlaßrohr 32 und die Bohrung 30 an die rückwärtige Oberfläche 20 der Membran 14 gelangt, wird dieser Druck in ein entsprechendes elektrisches Signal entsprechend der Spannungs-Widerstands-Charakteristik der Widerstände 18 umgewandelt. Wenn daher zwei Fluiddruck an die jeweilige Membran 14 zweier Sensoreinheiten gelangen, erzeugen diese Sensor-Einheiten entsprechende Ausgangssignale, aus denen die Druckdifferenz ermittelt werden kann. Die Verwendung von zwei Sensoreinheiten ist jedoch aufwendig und bedingt einen vergörßerten Raumbedarf.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der oben genannten zweiten Art. Ein Differentialdrucksensor weist eine einzige Membran 14 auf und ist im übrigen in gleicher Weise wie der Sensor der Fig. 1 aufgebaut. Es ist jedoch in Abweichung von Fig. 1 ein zusätzliches Einlaßrohr 34 vorgesehen, das mit einer Bohrung in der Kappe 26 verbunden ist und über das ein weiterer Fluiddruck an die vordere Oberfläche 16 der Membran 14 gelangt. Wenn die beiden Fluiddrücke P₁ und P₂ durch die Einlaßrohre 32 und 34 an gegenüberliegende Oberflächen der Membran 14 gelangen, erzeugen die diffundierten Widerstände 18 auf der Membran ein elektrisches Signal, das der Druckdifferenz zwischen den Fluiddrücken P- und P- entspricht. Der Sensor 10 ist kleiner als derjenige der Fig. 1. Da jedoch die diffundierten Widerstände 18 einem der zu messenden Fluide ausgesetzt sind, können sie durch Feuchtigkeit und korrosive Gase, die in dem Fluid enthalten sein können, zerstört werden,

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Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, einen Halb« leiter-Differentialdrucksensor zu schaffen, bei dem die Membran nicht den zu messenden Fluiden ausgesetzt ist, so daß die Haltbarkeit verbessert wird. Im übrigen soll der Sensor so kompakt wie möglich ausgebildet sein.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert .
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Fig. 1 und 2 sind Querschnitte durch bekannte

Drucksensoren;

Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäs-

sen Halbleiter-Differentialdrucksensors;

Fig. 4 zeigt eine Explosionsdarstellung zu Fig. 3;

Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung

zu Fig. 3.

Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10. Der Drucksensor 10 umfaßt zwei Halbleiter-Membranblöcke mit Membranen 14a und 14b, die gebildet werden durch die diffundierte Widerstände 18a und 18b auf den vorderen Oberflächen 16a und 16b eines flachen Silizium-Chips, und zwar durch bekannte Verfahren einschließlich eines Ausätzens der gegenüberliegenden Oberflächen der Chips zur Bildung der rückwärtigen Oberflächen 20a und 20b der Membranen 14a und Hb, auf die Fluiddrücke der zu messenden Fluide einwirken. Die rückwärtigen Membranflächen sind durch umlaufende Stützringe 17a und 17b umgeben. Derartige Membranblöcke werden mit den umlaufenden Stützrinqen 17a

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und 17b auf gegenüberliegende innere Flächen eines ka«·* stenförmigen Gehäuses 27 durch Klebstoffschichten 24a und 24b befestigt, so daß die rückwärtigen Oberflächen 20a und 20b der Membranen den inneren Oberflächen 26a und 26b des Gehäuses gegenüberliegen. Das Gehäuse 27 besteht aus zwei Grundplatten 38a,38b, auf denen die Membran-Blöcke 12a,12b befestigt sind, und weist im übrigen zwei umlaufende Stützränder 40a,40b auf, die ebenfalls auf den Grundplatten 38a,38b befestigt sind. Das Gehäuse 27 ist mit einer Anzahl von Klemmen 42a,42b versehen, die zur Außenseite des Gehäuses verlaufen. Die Grundplatte 38a und der Stützrand 40a sind miteinander unter Verwendung herkömmlicher Brennverfahren verbunden, und das gleiche gilt für die Grundplatte 38b und den Stützrand 40b. Zur Vermeidung thermischer Spannungen in den Membranen aufgrund von Temperaturänderungen sollten die Materialien der Grundplatten und der Stützränder den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der SiIi- · zium-Chip haben. Beispielsweise kommen Mullit, Zirkon, Pyrex (Handelsname), Glas oder dgl. in Betracht. Die Blöcke 12a und 12b und die entsprechenden Grundplatten 38a,38b sind mit Hilfe von Klebstoffschichten 24a und 24b verbunden, die aus einer Schicht aus Wolfram (W) oder Molybdän-Mangan (Mo-Mn), die auf die Grundplatte 38a oder 38b aufmetallisiert ist, oder eine Schicht aus Nickel (Ni), die auf die Grundplatte aufgebracht ist, ggf. auch einer zusätzlichen Gold-Schicht auf der Nickel-Schicht, Die Gold-Schicht und die entsprechenden Membran-Blocke bilden eine eutektische Au-Si-Legierung bei Temperaturen von 380-400⁰C. Die Grundplätten weisen Einlaßrohre 34a, 34b auf, die durch Bohrungen 35a,35b im Mittelpunkt der Grundplatte 38a,38b verlängert sind und Drücke P. und P₂ an die rückwärtigen Oberflächen 20a,20b der Membranen gelangen lassen. Auf die Stützrändern 40a und 40b sind Leiter oder Klemmen 44a,44b aus Wolfram oder Molybdän-Mangan aufmetallisiert und gold-überzogen und elektrisch mit den Klemmen 42a und 42b mit Hilfe von Lot 46a,46b

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verbunden. Die Klemmen 44a,44b sind elektrisch mit den diffundierten Widerständen 18a und 18b auf den Membranen 14a,14b über Gold-Drähte 48a,48b verbunden.

Bei der Herstellung werden die Stützränder 40a und 40b mit den entsprechenden Grundplatten 38a und 39b durch Brennverfahren verbunden. Die Blöcke 12a und 12b werden mit den entsprechenden Grundplatten verklebt. Die Leiter und Drähte 44a,44b und 48a,48b werden mit den entsprechenden Klemmen 42a,42b und den diffundierten Widerständen 18a,18b verbunden. Sodann werden die Stützränder 40a,40b miteinander ausgerichtet und hermetisch durch Glas 50a,50b mit niedrigem εσηπιβίζρμη^ innerhalb eines nicht gezeigten Vakuumbehälters verklebt, so daß die vorderen Oberflächen 16a und 16b der Membranen, auf denen die diffundierten Widerstände ausgebildet sind, innerhalb einer Unterdruckkammer 28 liegen, die durch die Grundplatten 38a und 38b und die Stützringe 40a und 40b gebildet wird.

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Ein Vorteil der Konstruktion gemäß dieser Ausführungsform besteht darin, daß unabhängig von der Richtung der Leiter und Drähte die Anordnung im wesentlichen symmetrisch ist. Es kann daher dasselbe Verfahren zur Herstellung jeder Hälfte des Sensors verwendet werden. Obgleich auch andere Ausführungen möglich sind, kann die Symmetrie vielfach im genannten Sinne zur Einsparung von Kosten ausgenutzt werden.

Wenn das gesamte Gehäuse mit den beiden Membran-Blöcken 14a und 14b auf einer nicht gezeigten Grundplatte angebracht wird und die Einlaßrohre 34a und 34b über Schlau-ehe 52a und 52b mit zwei zu vergleichenden Fluiddrücken verbunden werden, gelangen diese Fiuiddrücke an die rückwärtigen Oberflächen 20a und 20b der Membranen, und die diffundierten Widerstände 18a und 18b erzeugen Ausgangssignale, die den zu vergleichenden Fluiddrücken Ρ* und

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P₂ entsprechen. Die Differenz der Meßwerte ergibt den Differentialdruck. Wenn beispielsweise die beiden Drücke an verschiedenen Positionen eines Fluidkanals gemessen werden, kann der Differentialdrucksensor die Druckdifferenz ermittein, aus der der Strömungsdurchsatz dann ermittelt werden kann.

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Claims (5)

1. TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

   Beim EuropSlschen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandatalres agrees pros !'Office european des brevets

   Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer DIpl.-lng. H. Steinmeister

   DiPWn₉-RE. Müller Siekerwall 7

   Triftstrasse 4, bieKerwaii 7,

   D-8000 MÖNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

   WG 9210/278(3)/SH
   St/ri

   NISSAN MOTOR CO., LTD.

   No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

   Yokohama-shi, Kanagawa-ken,

   Japan

   DRÜCKSENSOR

   PRIORITÄT: 31. Januar 1979, Japan, No. 54-10009 (Gbm)

   PATENTANSPRÜCHE

   1 J Drucksensor zur Messung von Druckdifferenzen, g e Jc ennzeichnet durch ein dicht verschlossenes Gehäuse (38a,38b,40a,40b) mit einem Unterdruck aufweisenden Innenraum und wenigstens zwei öffnungen (35a,35b) in den Wänden zur Einleitung von Fluiddrücken, wenigstens zwei Membranen (14a,14b), die jeweils zwischen dem auf Unterdruck befindlichen Innenraum des Gehäuses und einer der öffnungen in den Wänden des Gehäuses derart angeord"

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   TER MEER - MÜLLER . STEINMEISTER

   net sind, daß der durch die öffnungen eintretende Fluiddruck eine Seite der Membran erreicht, wenigstens zwei diffundierte Widerstände (18a,18b) als druckempfindliche Elemente auf der Oberfläche der Membranen, die dem auf Unterdruck befindlichen Inneren des Gehäuses zugewandt ist, und Verbindungseinrichtungen (42a,42b,44a,44b) zwischen den diffundierten Widerständen und einer elektrischen Schaltung.
2. 2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zwei gegenüberliegende, im wesentlichen flache Grundplatte (38a,38b) und einen umlaufenden Stützrand (40a,40b) zwischen den Grundplatten umfaßt.

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3. 3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder der Grundplatten (38a,38b) eine Membran (14a,14b) angebracht ist.
4. 4. Drucksensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der umlaufende Stützrand (4Oa,4Ob) aus zwei Schichten besteht, die jeweils auf einer der Grundplatte (38a,38b) angebracht sind.
5. 5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor aus zwei im wesentlichen gleichen Teilen besteht.

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