DE3787651T2

DE3787651T2 - Vom medium isolierte sensoren für druck.

Info

Publication number: DE3787651T2
Application number: DE87905079T
Authority: DE
Inventors: Thomas Knecht; Mark Romo
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1986-07-28
Filing date: 1987-07-23
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2007-07-24
Also published as: EP0316343A1; US4773269A; CA1300925C; EP0316343A4; WO1988001049A1; EP0316343B1; JPH01503326A; JP2686441B2; IL83297A; DE3787651D1; IL83297A0; BR8707761A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drucksensoren, bei denen die Wandlungs- oder Erfassungselemente und die elektrischen Leitungen von den erfaßten Druckfluids oder -medien ohne Verwendung von getrennten Isoliermembranen isoliert sind.

2. Stand der Technik

Halbleitermembranen, die Widerstände aufweisen, die Dehnungsmeßsensoren ausbilden, die auf der Membranoberfläche angebracht sind, werden für billige, präzise Drucksensoren verwendet. Die erfaßten Druckmedien sind gewöhnlich korrodierend, und somit ist das Isolieren der Erfassungselemente, der Schaltung und der elektrischen Verbindungen vom direkten Kontakt mit den Druckmedien für einen zuverlässigen Betrieb wünschenswert. Verschiedene Isolieranordnungen sind entwickelt worden, aber sie bringen zusätzliche Kosten mit sich, durch den Bau von Isolierabschnitten in Sensorgehäusen, in denen separate Isoliermembranelemente verwendet werden, um Druck auf ein nicht verdichtbares Fluid gegen eine Erfassungsmembran aus zuüben. Zusätzliche Gehäuse und eine zusätzliche Membran, um Isolierung zu erreichen, erhöhen die Herstellungskosten und können die Präzision des Sensors verringern. Ein Beispiel eines Miniatur-Druckwandlers, bei dem eine Siliziummembran verwendet wird, mit einem Siliziumdeckel für absolute Druckmessungen, und der eine piezoresistente Brücke aufweist, die durch Diffusion von Widerständen auf der Oberfläche einer Seite der Membran ausgebildet wird, ist im US-Patent Nr. 4 023 562 dargestellt. Die vorliegende Erfindung offenbart Vorrichtungen, um Sensoren dieser allgemeinen Art von Medien zu isolieren.
Darüberhinaus ist ein Siliziumdioxid- oder Parylenüberzug in der US-A-4 222 277 offenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Drucksensoren, bei denen Silizium oder ein anderer spröder Werkstoff verwendet wird, um eine Auslenkungsmembran auszubilden, auf der Fühlvorrichtungen angeordnet sind, zum Beispiel durch Diffusion oder Dünnschichtanordnung, zur Schaffung einer Dehnungsmeßbrücke, die die Auslenkung der Membran mit Präzision mißt. Die Membrananordnung ist in eine Druckerfassungszelle ausgebildet, die leicht anzubringen ist, und sie schafft für die Erfassungselemente und die elektrischen Leiter auf dem Sensor eine Isolierung vom direkten Kontakt mit den Druckmedien. Der Schutz für die Fühlvorrichtung und die Leiter in der Membranschicht kann durch Schaffen einer passivierenden (inerten) Schicht über der Fühlvorrichtung und den Leitern erreicht werden oder durch die eigentliche Ausbildung der Membran in zwei Abschnitten oder Schichten, von denen die eine eine darüberliegende Schutzschicht auf der Oberfläche der Membran, die die Fühlvorrichtung trägt, aufweist.
Darüberhinaus schafft die vorliegende Erfindung eine Isolierung für die elektrischen Verbindungsdrähte und Kontaktflächen, selbst wenn die Druckfluids beide von einer Seite der Druckerfassungszelle zugelassen werden. Die Anordnung ermöglicht es, daß die Druckerfassungszelle eine ebene Lageroberfläche aufweist, mit koplanaren Drucköffnungen, so daß die Sensorzelle hart oder elastisch auf einer Lagerfläche oder -oberfläche angebracht werden kann.
Bei der vorliegenden Druckerfassungszelle können auch Befestigungen zur Belastungsisolierung verwendet werden, so daß Spannungen auf der Befestigungsoberfläche nicht unter Erzeugung falscher Ausgangssingale zur Erfassungsmembran übertragen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, die eine Oberfläche einer Membranschicht zeigt, die piezoresistive Dehnungsmesser und elektrische Kontakt flächen auf diesen aufweist;
Fig. 4 eine Ansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 4A eine teilweise vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts eines Membranelements, um eine passivierende Schicht zu zeigen, die Dehnungsmeßwiderstände auf dem Membranelement überlagert;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer abgeänderten erfindungsgemäßen Sensorzelle;
Fig. 6 eine Ansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 5;
Fig. 7 eine Schnittansicht durch die Mitte einer weiter abgeänderten Form der erfindungsgemäßen Druckerfassungszelle;
Fig. 8 eine Schnittansicht durch die Mitte einer erfindungsgemäßen Druckerfassungszelle, die ein Paar von Membranelementen aufweist;
Fig. 9 eine Ansicht entlang der Linie 9-9 in Fig. 8;
Fig. 10 eine mittlere Schnittansicht einer Druckerfassungszelle, die der in Fig. 8 gezeigten ähnlich, aber auf einer Befestigungsplatte gelagert ist, und eines mehrfachen Elements, das die zu erfassenden Differenzdrücke liefert;
Fig. 11 eine Schnittansicht einer Druckerfassungszelle, die eine Auslenkmembran und eine Kappe aufweist, die den in Fig. 2 dargestellten ähnlich sind, aber auf einem Druckkrümmer oder einer Druckquelle gelagert sind;
Fig. 12 eine vertikale Schnittansicht einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung, die eine Zwischenschicht zwischen zwei Membranabschnitten aufweist, um die Dehnungsmeßwiderstände, die auf einer der Membranen angebracht sind, von den Medien zu isolieren;
Fig. 13 eine Ansicht entlang der Linie 13-13 in Fig. 12;
Fig. 14 eine vertikale Schnittansicht einer weiter abgeänderten erfindungsgemäßen Druckerfassungszelle, die in einem äußerem Gehäuseelement gelagert ist; und
Fig. 15 eine Schnittansicht entlang der Linie 15-15 in Fig. 14, wobei Teile aus Gründen der Übersichtlichkeit entfernt wurden.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Eine Druckerfassungszelle, die im wesentlichen bei 10 in Fig. 1 und 2 bezeichnet wird, ist auf einem teilweise bei 11 gezeigten Gehäuseelement gelagert, mit einer ersten Einlaßöffnung 12 und einer zweiten Einlaßöffnung 13, von denen jeder ein eigenes Fluid mit Drücken P&sub1; bzw. P&sub2; führt. Der Unterschied zwischen den Drücken P&sub1; und P&sub2; soll erfaßt werden. Die Erfassungszelle 10 umfaßt eine Grundplatte 15 aus einem starren Werkstoff, wie z. B. Glas oder Silizium, und die Grundplatte 15 weist Durchtrittsausnehmungen 16 bzw. 19 durch sich, zur Ausrichtung mit den Öffnungen oder Durchtrittsausnehmungen 12 bzw. 13, auf.
Die Erfassungszelle 10 umfaßt weiterhin eine Membrananordnung 20, die, wie gezeigt, einen Rand 21, und ein dünneres mittleres Auslenkmembranelement 22 aufweist, das durch Ätzen ausgebildet wird, oder anderweitig eine Aussparung oder Kammer 23 ausbildet. Der Rand 21 weist eine Seite 21A auf, die seitlich breiter ist als die andere, und eine Durchtrittsausnehmung 24 verläuft durch diesen Rand zu einer Oberfläche 25 der Membran. Aus einem Abdeckelement 26 wird eine kleine Aussparung 27 darin geätzt, die die Oberfläche 25 im Bereich des Auslenkmembranelements 22 überlagert und eine Kammer bildet. Die Oberfläche 25 von Fig. 3 weist, wie zu sehen ist, auf ihr angebrachte piezoresistive Elemente 30A-30D auf, die eine Dehnungsmeßbrücke bilden. Elektrische Leiter, die bei 31A-31D bezeichnet sind, sind auf der Oberfläche 25 angebracht und leiten zu Verbindungs- oder Kontaktflächen 32A-32D, die auf einer Seite der Oberfläche 25 angebracht sind, wobei sie einen Bereich der Seite 21A des Randes 21 überlagern. Der Hohlraum oder die Kammer ist in Fig. 3 aus Darstellungsgründen mit gestrichelten Linien gezeigt.
Das Abdeckelement 26 weist somit einen Randabschnitt 28 auf, der eine Umfangsoberfläche 28A aufweist, die (vorzugsweise durch Schmelzdichtung) mit der Oberfläche 25 entlang einer Linie, die die piezoresistenten Dehnungsmeßelemente 30A-30D umgibt, verklebt ist. Das Verkleben der Oberfläche 28A dichtet die Kammer 27 hermetisch gegen außen ab, was die Abdichtung der Randoberfläche 28A mit der Oberfläche 25 und über die Leitungen 31A-31D auf der Seite 21A des Randes 21 neben den Kontakt- oder Verbindungsflächen 32A-32D einschließt.
Die Widerstände 30A-30D, die Leitungen 31A-31D und die Verbindungsflächen 32A-32D können auf bekannte Weise ausgebildet werden, z. B. durch Diffusion oder Aufbringung in der oberen Schicht des Membranelements 22 und Randes 21, oder, wenn gewünscht, durch Aufdampfen oder mittels Kathodenzerstäubung. Die Flächen 32A-32D sind angehoben, um ein Verschweigen mit äußeren Verbindungsdrähten, die bei 34A-34D bezeichnet sind, zu ermöglichen (Fig. 1).
Somit weist die Druckerfassungszelle 10 unter Verwendung der Befestigungsschicht 15 koplanare Druckeinlaßöffnungen auf, die durch die Durchtrittsausnehmungen 16 und 19 festgelegt sind, die zu den jeweiligen Kammern 23 und 27 führen. Die Oberfläche 35 ist eine ebene Oberfläche, die für die Lagerung des Sensors geeignet ist. Die Fluidmedien liegen in den Kammern 23 und 27 vor, aber sie sind von den metallischen Verbindungs- oder Kontaktflächen 32A-32D bzw. -leitungen 34A-34D isoliert.
Eine passivierende Schicht aus inertem Werkstoff, die nur durch eine dickere Linie auf der Oberfläche 25 in Fig. 2 bezeichnet ist, die aber in Fig. 4A bei 29 übertrieben dargestellt ist, ist in der Kammer 27 ausgebildet und ist über der Oberfläche 25 angebracht, um die piezoresistiven Dehnungsmeßelemente 30A-30D vor korrodierenden Fluids, die erfaßt werden, zu schützen. Die passivierende Schicht kann aus mehreren dünnen Werkstoffschichten bestehen, die, wie dargestellt, aufeinanderfolgend aufgebracht sind, aber die erste Schicht auf der Oberfläche 25 muß eine Isolierschicht sein, so daß die Dehnungsmeßwiderstände, wie der Widerstand 30A, der im oberen Abschnitt der Membran 22 aufdiffundiert dargestellt ist, nicht durch irgendeine darauffolgende metallische Schicht kurzgeschlossen wird. Die aufgebrachten Schichten können ein Parylenüberzug, Gold, Chrom, Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid oder Kombinationen aus diesen Werkstoffen sein. Die Auswahl der passivierenden Schichtwerkstoffe hängt wiederum von den Arten von Verunreinigungen für einen bestimmten Verwendungszweck ab, die man in den Druckmedien vorfindet, die durch P&sub1; dargestellt sind.
Die passivierende Schicht 29, die, wie in Fig. 4A gezeigt, aus einer Vielzahl von einzelnen Werkstoffschichten ausgebildet sein kann, kann bei einer Serienfertigung eingesetzt werden, wobei mehrere Membranelemente 22 auf einer einzigen Scheibe aus Silizium (oder aus einem anderen Werkstoff) ausgebildet werden. Die Membranelemente 22 werden durch Ätzen von Hohlräumen 23 ausgebildet. Bei Verwendung der aufgelisteten passivierenden Werkstoffe (außer dem Parylenüberzug) können die Bereiche auf der Oberfläche 25, die von der passivierenden Schicht frei sein sollen (die Kontaktflächen), abgedeckt werden. Der Schichtwerkstoff wird dann in den unmaskierten Bereichen der Oberfläche 25 aufgebracht. Die Randoberfläche 28A ist ganz oben auf der aufgebrachten Schicht verklebt, somit sind die Erfassungsbauteile von den Druckmedien abgedichtet. Die Verbindung der passivierenden Schicht 29 mit der Oberfläche 25 wird durch die Verklebung mit der Oberfläche 28A gefestigt und sie ist stark genug, um unter Druck einen ausreichenden Zusammenhalt zu gewährleisten. Ein bevorzugter Werkstoff für die passivierende Schicht ist undotiertes Polysilizium, das ein Isolator ist.
Wenn ein Parylenüberzug als eine passivierende Schicht verwendet wird, wird die gesamte Zelle 10 wie vorher gezeigt ausgebildet. Die isolierende, passivierende Schicht wird nach der Ausbildung der einzelnen Zellen hinzugefügt und nachdem der Rand 28 an seinem Platz verklebt worden ist. Die Diffusion des Parylen wird auf eine bekannte Weise durch die Durchtrittsausnehmungen 16 und 24 ausgeführt. Die gesamte innere Oberfläche der Kammer 27 ist somit von der Parylenüberzugsschicht überzogen und durch sie geschützt.
Ein vollständig isolierter Sensor ist vorgesehen. Das bedeutet, daß die Druckmedien nicht mit den elektrischen Erfassungsbauteilen oder Leitern in Berührung kommen, die das Sensorausgangssignal mit der vom Sensor beabstandeten Schaltung koppeln.
Fig. 4 zeigt die Grundschicht 15, die aus Glas oder Silizium bestehen kann. Vorzugsweise werden die Schichten 20 und 26 aus ähnlichen Werkstoffen, wie z. B. Silizium, hergestellt. Andere spröde Werkstoffe können für diese Schichten verwendet werden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß Druckunterschiede auf das Auslenkmembranelement 22 zur Auslenkung der Membran führen, was wiederum eine Veränderung des Widerstands der Dehnungsmeßwiderstände 30A-30D mit sich bringt, wenn eine geeignete Erregungsspannung auf die Kontakte 32B und 32D angelegt wird. Eine derartige Veränderung des Widerstands liefert ein Ausgangssignal von der Brücke an den Kontaktflächen 32A und 30C, die durch die Dehnungsmeßwiderstände ausgebildet wird.
Die Kontaktflächen und die damit verbundenen Drähte sind von den Druckmedien vollständig isoliert und somit werden jegliche nachteilige Auswirkungen der Druckmedien an den Kontaktflächen und den Verbindungsdrähten, wo eine Korrosion sehr schädlich sein kann, vermieden. Die Flächen und Drähte werden durch eine relativ dicke Schicht des Siliziums isoliert, die durch den Rand 28 der Deckschicht 26 festgelegt wird, und somit ergibt sich eine beträchtliche Oberfläche aus Verbindungsmaterial, die die Druckmedien gegen diese Kontaktflächen und Drähte abdichtet. Die passivierende Schicht 29 kann, wenn sie sich über die Bereiche der Kontaktflächen 32A-32D erstreckt, weggeätzt oder -geschliffen werden, um Drähte oder Leitungen 34A-34C anzubringen.
Darüberhinaus sind die Druckeinlaßöffnungen für den Differenzdrucksensor koplanar entlang einer ebenen Befestigungsoberfläche 35. Die Oberfläche 35 unterstützt die Schicht 15 auf dem Gehäuse oder dem anderen Träger 11.
Die Druckerfassungszelle 10 kann in Serienfertigung hergestellt werden, wobei die Membranschicht 21, wie angegeben, in Form einer Scheibe vorliegt, und auch die Abdeckung 26 in Form einer Scheibe vorliegen kann und dann die Aussparungen geätzt, die Löcher ausgebildet, die Widerstände und Leitungen hinzugefügt, die passivierende Schicht hinzugegeben und dann sie in Serienfertigung miteinander verklebt werden, so daß viele Zellen gleichzeitig hergestellt werden können. Die Schicht 15 wird als eine Scheibe oder Schicht aus Glas, Silizium oder einem anderen Werkstoff hinzugefügt und die Ränder 21 werden an ihrem Platz auf der Schicht 15 verklebt.
Bei der Serienfertigung wird die eine Schicht bildende Abdeckung 26 so hergestellt, daß der Werkstoff gleich oberhalb der Kontaktflächen 32A-32D weggeschnitten wird. Die eine Schicht bildende Abdeckung 26 kann mit einem Sägeschnitt entfernt oder geätzt werden, so daß die beiden Schichten nicht mit dem Randabschnitt 21A verkleben, der die Kontaktflächen trägt, und dann kann das Stück der Abdeckung oberhalb der Kontaktflächen leicht entfernt werden, wenn die einzelnen Sensorzellen getrennt werden. Die einzusetzenden Löcher können während des Herstellungsverfahrens entweder geätzt oder mit einem Laser gebohrt werden.
Eine abgeänderte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt einer Druckerfassungszelle 40. In der Druckerfassungszelle 40 wird wiederum ein Differenzdruck gemessen, und eine erste Membranschicht 41 ist so ausgebildet, daß sie durch Herausätzen einer Kammer 43 ein Auslenkmembranelement 42 auf sich aufweist, wobei ein Rand 44 übrigbleibt, der einen breiteren Randabschnitt 44A umfaßt, der dem Abschnitt 21A in der ersten Ausführungsform der Erfindung entspricht. Das Membranelement 42 wird somit an den Ecken vom Rand 44 unterstützt, der das Membranelement umgibt, und die Kammer 43 weist im wesentlichen eine rechteckige Form auf.
Die Membranschicht 41 weist piezoresistive Dehnungsmesser auf, die auf einer Oberfläche, die mit 45 bezeichnet ist, aufgebracht sind, und diese können, wie oben erklärt, aufdiffundiert sein. Die Oberfläche 45 trägt auch Leiter, die zu den Kontaktflächen 46 führen, an denen Verbindungsdrähte 47 angebracht sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine zweite isolierende, abdichtende Membranschicht 48 vorgesehen. Die Schicht 48 liegt über der Oberfläche 45 und weist eine sehr dünne mittlere Schicht 49 auf, die darin durch Ätzen eines Hohlraums oder einer Kammer 50 ausgebildet wird, um einen Rand 51 außen herum übrigzulassen. Der Rand 51 weist einen Abschnitt 51A auf, der nicht so breit ist wie der Abschnitt 44A, um einen Bereich übrigzulassen, in dem die Kontaktflächen 46 freiliegen. Der Rand 51A lädt die Verbindungs- oder Kontaktflächen auf die gleiche Weise freiliegend wie in Fig. 1 gezeigt.
Der Randabschnitt 44A weist eine Durchtrittsausnehmung 53 durch sich auf, die mit einer im Randabschnitt 51A festgelegten Durchtrittsausnehmung 54 ausgerichtet ist. Ein Abdeckelement 55 ist über der zweiten Membranschicht 51 vorgesehen, um die Kammer 50 zu umschließen. Das Abdeckelement 55 weist eine sehr flache Aussparung im mittleren Abschnitt auf, so daß ein Rand 56 ausgebildet wird, der um seinen Umfang herum mit dem Rand 51 verklebt und abgedichtet ist. Der Rand 56 ist so ausgebildet, daß er nicht die Durchtrittsausnehmung 54 abdeckt. Somit öffnet sich die Durchtrittsausnehmung 54 in die Kammer 50, so daß durch die Durchtrittsausnehmung 53 und 54 geleiteter Druck (wie gezeigt) auf die obere Oberfläche der dünnen Membran 49 der zweiten Membranschicht 51 wirkt.
Die untere Oberfläche des Randes 44 ist auf eine steife Grundschicht 60 verklebt, die aus Glas oder Silizium bestehen kann, und die, in dieser Ausführungsform der Erfindung, vor dem Verkleben mit der ersten Membranschicht 41 geätzt wird, um einen Träger oder einen Befestigungsvorsprung 61 auf einer Seite dieser, gegenüberliegend der ersten Membranschicht 41 auszubilden. Der Befestigungsvorsprung 61 bietet eine Befestigungsoberfläche 62, die auf einem Gehäuse 63 abgestützt werden kann. Die Befestigungsoberfläche 62 ist kleiner als die Membranschicht 41, um dazu zu führen, die vom Gehäuse 63 verursachten Spannungen zu isolieren. Spannungen im Gehäuse oder Befestigungselement 63 neigen dazu, das Membranelement 42 mit Belastungen oder Beanspruchungen im Gehäuse 63 zu belasten und verursachen falsche Ausgangssignale.
Eine Durchtrittsausnehmung 65 ist im Vorsprungsabschnitt 61 in Ausrichtung mit den Durchtrittsausnehmungen 53 und 54 festgelegt, so daß ein Fluid unter Druck, das durch das Gehäuse 63 eintritt und das bei P&sub1; bezeichnet ist, in die Kammer 50 gelangt und auf die Isolierschicht 49 wirkt, die über den Sensorelementen auf der oberen Seite des Membranelements 42 liegt.
Der Vorsprung 61 weist auch eine Durchtrittsausnehmung 66 auf, die für eine Quelle von Fluid unter Druck P&sub2; aus dem Gehäuse 63 geöffnet ist. Der Druck P&sub2; wirkt in der umschlossenen Kammer 43 auf die Unterseite des Membranelements 42.
Es sollte festgehalten werden,daß die Isolierschicht 49, die ebenfalls aus Silizium besteht, wesentlich dünner als der Membranabschnitt 42 ist, so daß sich die Dehnungsmeßelemente, die die Widerstände auf der Oberfläche 45 umfassen, nicht auf einer spannungs-neutralen Achse der sich daraus ergebenden Anordnung aus aufgeklebter Isolierschicht 49 und Membranelement 42 befinden.
Die Membranschicht 41 und die Isolierschicht 51 sind an der Oberfläche 45 fest miteinander verschmolzen oder verklebt, so daß sie miteinander ausgelenkt werden. Die Schicht 51 dient dadurch, daß das Verkleben mit der Oberfläche 45 eine Barriere bildet, als Isolierschicht gegen die Druckmedien, so daß Fluid in Kammer 50 nicht mit den Kontaktflächen 46 oder den Leitungs- oder Verbindungsdrähten 47 in Berührung kommt.
In Fig. 6 ist eine Ansicht der Grundschicht 60 gezeigt und die Form der Öffnung 66 ist dargestellt, die wie gezeigt geätzt wird. Die Öffnung 65 kann ein lasergebohrtes Loch sein. Es ist zu sehen, daß das Vorsprungselement wesentlich kleiner ist als der Umfang oder die Kantentabschnitte der Grundschicht 60, so daß der Rand 44 der Membranschicht, die auf die Grundschicht 60 geklebt ist, hauptsächlich auf dünneren Abschnitten der Grundschicht abgestützt wird. Dies hilft bei der Spannungsisolierung, die Übertragung von Spannungen von der Befestigungsoberfläche des Gehäuses 63 auf das Erfassungsmembranelement 42 zu verhindern.
Fig. 7 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, die der in Fig. 2 gezeigten ähnlich ist, abgesehen davon, daß die Grundschicht zum Zweck der Spannungsisolierung mit einer Verstärkung ausgebildet ist. Die Erfassungszelle 70 in Fig. 7 umfaßt eine Membranschicht 20 (die gleiche wie in Fig. 2), die einen Auslenkmembranabschnitt 22 aufweist, bei dem die Dehnungsmeßwiderstände 30A-30D auf der Oberfläche 25 wie oben beschrieben aufdiffundiert sind. Der Rand 21 unterstützt die Auslenkmembran 25. Die Schicht 26 weist einen Rand 28 auf, der mit der Oberfläche 25 verklebt ist, um die in Fig. 7 bei 32B gezeigten Kontaktflächen und die bei 34B gezeigten Drähte von den Druckmedien zu isolieren, die den Druck P&sub1; durch die Öffnung 24 im Randabschnitt 21 des Membranelements zuführen. Bei diesem Beispiel ist jedoch die Grundschicht 15 durch eine Grundschicht 72, die einen dünnen Umfangsabschnitt oder einen vorstehenden Rand 73 aufweist, und einen Abstützvorsprung 74 ersetzt. Der Vorsprung 74 ist kleiner als der Umfang der Schicht 72 und ist dem in Fig. 5 gezeigten Vorsprung ähnlich. Der Vorsprung 74 weist eine Durchtrittsausnehmung 75 in sich auf, die zu der Durchtrittsausnehmung 24 ausgerichtet ist und die von einer Druckquelle P&sub1; herführt, die durch eine Durchtrittsausnehmung 76 in einer Gehäusebefestigung 77 wirkt, um Druck in den Hohlraum 27 zu leiten, der durch die Isolierschicht 26 ausgebildet ist.
Der Vorsprung 74 weist auch eine Druckdurchtrittsausnehmung 78 auf, die mit der Öffnung 79 im Gehäuse 77 ausgerichtet ist und Druck P&sub2; von einer Quelle von Fluid unter Druck durch die Öffnungen 78 und 79 in die Kammer 23 unterhalb der Auslenkmembran 22 führt.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erreicht man durch das Vorhandensein einer passivierenden Schicht über den Dehnungsmeßwiderständen 30A-30D die gleiche Isolierung wie oben beschrieben. Der Vorsprung 74 sorgt auf die gleiche Weise für Spannungsisolierung wie der Vorsprung 61 in Fig. 5. Der Membranrand 21 ist mit den Abschnitten 73 der Grundschicht 74 verklebt, deren Querschnitt zur Schaffung dieser Spannungsisolierung dünner ist . .
Fig. 8 zeigt eine weiter abgeänderte Druckerfassungszelle, die bei 85 bezeichnet ist. Die Zelle 85 weist eine Membrananordnung 86 aus zwei Schichten auf. Die Schichten der Anordnung 86 werden wie vorher aus Silizium hergestellt. Die Erfassungsmembranschicht 87 weist einen Umfangsrand 88 auf, der ein mittleres Auslenkmembranelement 89 umgibt. Eine zweite Isolier- oder Dichtungsschicht 90 weist einen Randabschnitt 91 auf, der im wesentlichen über dem Rand 87 liegt oder mit diesem ausgerichtet ist, und ein mittleres dünneres Auslenkelement 92. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Isolierschicht eine Kammer 92A auf, die das Auslenkelement 92 ausbildet, das einen einstückigen (einstückig damit verbundenen) mittleren Vorsprung 93 aufweist, der eine mit einer Oberfläche 94 auf dem Auslenkmembranelement 89 im Eingriff stehende Oberfläche aufweist, so daß ein auf die obere Oberfläche 95 des Auslenkelements 92 der Isolierschicht wirkender Druck nicht nur zu einer Auslenkung des Auslenkelements 92, sondern auch des Membranelements 89 führt. Die Bewegung eines Auslenkelements wird durch den Vorsprung 93 auf das andere übertragen. Druck, der auf die untere Oberfläche des Membranelements 89 wirkt, führt ebenso zu einer Auslenkung des Auslenkisolierelements 92.
Ein Abdeckelement 98 ist über der Oberfläche 95 der Isolierschicht vorgesehen. Die Abdeckung 98 weist in sich eine flache Aussparung zur Ausbildung einer geschlossenen Kammer 99 auf. Die Kammer 99 ist so groß, daß sie über einer Druckdurchtrittsausnehmung 100 liegt, die in einem Abschnitt des Randes 91 der Isolierschicht 90 festgelegt ist. Die Durchtrittsausnehmung 100 ist zu einer anderen Durchtrittsausnehmung 101 in dem darunterliegenden Abschnitt des Randes 88 der Membranschicht 87 ausgerichtet.
Wie gezeigt, weist die Membranschicht 87 eine Befestigungsoberfläche auf, die auf einem Gehäuse 105 abgestützt ist. Das Gehäuse 105 weist eine Druckdurchtrittsausnehmung oder Öffnung 106 auf, die von einer Druckquelle P&sub1; herführt. Die Druckdurchtrittsausnehmung 106 ist mit den Durchtrittsausnehmungen 101 und 100 ausgerichtet, so daß Druck P&sub1; in die Kammer 99 eintritt und auf die Oberfläche 95 der Membranschicht 90 wirkt.
Das Gehäuse 105 weist weiterhin eine Druckdurchtrittsausnehmung 107 auf, die in einen unter dem Erfassungsmembranelement 89 der Membranschicht 87 ausgebildeten Hohlraum geöffnet ist. Die Durchtrittsausnehmung 107 ist geöffnet für eine Druckquelle P&sub2;.
Die Oberfläche 94 der Membran 89 weist auf sich angebrachte piezoresistive Dehnungsmesser 110 mit geeigneten Leitern auf, die zu den auf dem Randabschnitt 88A angebrachten Kontaktflächen 111 führen. Die Kontaktflächen 111 befinden sich auf der Außenseite des Randes 91 der Isolierschicht 90 und somit sind die Kontaktflächen vom Druckmedium P&sub1; isoliert, das auf die Oberfläche 95 der Isolierschicht wirkt. Geeignete Drähte 112 sind an den Verbindungs- oder Kontaktflächen befestigt. Die elektrischen Verbindungen sind von den Medien vollständig isoliert. Ein anderes Merkmal dieser Ausführungsform der Erfindung ist dem in Fig. 5 gezeigten ähnlich, nämlich, daß die piezoresistiven Dehnungsmesser 110 ebenso durch die Isolierschicht 90 vollständig vom Medium isoliert sind, und daß die elektrischen Verbindungen für die Kontaktflächen und Drähte auch isoliert sind, dadurch, daß sie sich außerhalb des dicken Randes 91 befinden.
Fig. 10 zeigt eine weiter abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, die eine Druckerfassungszelle offenbart, bei der die Membranschicht und die Isolierschichtanordnung aus Fig. 8 auf einer starren Grundschicht anstatt direkt auf einem Gehäuse 105 angebracht sind. Für die Membranschicht und die Isolierschicht und für den Kraftübertragungsvorsprung 93 sind die gleichen Bezugszeichen dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Befestigungsoberfläche 115 unter dem Rand 88 für die Membranschicht 87 direkt auf einer Grundschicht 116 aus einem starren Werkstoff angebracht, die aus Glas, Silizium oder einem anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein kann. Die Grundschicht 116 weist einen Vorsprungsabschnitt 117 auf, der kleiner ist als der Umfang der Grundschicht, so daß dort dünnere Kantenabschnitte 119 vorliegen, die die Randabschnitte 88 für die Membranschicht 87 unterstützen.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche 115 der Membranschicht 87 mit der Grundschicht 116 verklebt. Die Grundschicht 116 ist wiederum auf einem Gehäuse oder Träger 120 angebracht, die eine Druckdurchtrittsausnehmung 121 für Druck P&sub1; und eine Druckdurchtrittsausnehmung 122 für Druck P&sub2; aufweisen. Die Durchtrittsausnehmung 121 ist mit einer Durchtrittsausnehmung 123 ausgerichtet, die sich durch das Verstärkungselement 117 erstreckt. Die Durchtrittsausnehmung 123 ist mit der Durchtrittsausnehmung 101 im Rand 88 ausgerichtet und diese ist durch die Durchtrittsausnehmung 100 in die Kammer 99 geöffnet. Die Durchtrittsausnehmung 122 ist mit einer Durchtrittsausnehmung 124 im Verstärkungselement 117 ausgerichtet, die zur Kammer 89A unterhalb des Auslenkerfassungsmembranelements 89 führt. Dies führt Druck P&sub2; zur Oberfläche 95 des Auslenkelements 92, das mit dem Erfassungsmembranelement 89 verbunden ist&sub1; zur Schaffung von Auslenkung als eine Funktion der Druckdifferenz zwischen P&sub1; und P&sub2;. Die Grundschicht 116 erfüllt somit eine ähnliche Funktion wie die in Fig. 5 gezeigte Grundschicht 60.
Fig. 11 zeigt eine weiter abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, die der in Fig. 2 gezeigten ähnlich ist, abgesehen davon, daß die Membranschicht direkt auf einem Gehäuse angebracht ist. Die bei 125 bezeichnete Erfassungszelle umfaßt eine Membranschicht 20, wobei eine Abdeckschicht oder -element 26 eine umschlossene Kammer 27 über der Isolierschicht ausbildet, die die Erfassungs-Dehnungsmeßwiderstände abdeckt. Die Befestigungsoberfläche 126 unter dem Randabschnitt 21 der Membranschicht 20 ist direkt mit einer Oberfläche eines Gehäuses 127 verklebt oder verschweißt, das Druckdurchtrittsausnehmungen 128 für Druck P&sub1; und 129 für Druck P&sub2; aufweist. Die Durchtrittsausnehmung 128 ist mit der Öffnung oder Durchtrittsausnehmung 24 im Rand 21 ausgerichtet, die zur Kammer 27 führt, und die Durchtrittsausnehmung 129 führt zur Kammer 23, die unterhalb des Auslenkmembranelements 22 ausgebildet ist. Hier sind ebenfalls die elektrischen Verbindungs- oder Kontaktflächen 32A-D und die Leiter 34A-D vom Druck P&sub1; und vom Druck P&sub2; durch den Isolierungsrand 28 isoliert. Die passivierende Schicht wird in Kammer 27, wie oben in Verbindung mit Fig. 2 und 4A erklärt, verwendet.
Fig. 12 zeigt eine weiter abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, wobei die im allgemeinen bei 135 bezeichnete Druckerfassungszelle zwischen zwei, im allgemeinen bei 136 bzw. 137 bezeichneten, getrennten Gehäuseabschnitten angebracht ist. Die Druckerfassungszelle 135 sorgt auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung für eine Isolierung vom Medium und umfast eine Membrananordnung 134, die eine Erfassungsschicht 138 umfaßt, die ein Auslenkerfassungsmembranelement 139 mit einem Rand 140 aufweist, der das Membranelement 139 zur Ausbildung einer Kammer 139A umgibt. Das Auslenkmembranelement 139 weist piezoresistive Dehnungsmesser 141 auf, die auf einer Oberfläche von diesem angebracht sind. Elektrische Leiter erstrecken sich von dem Dehnungsmeßwiderstand zu den Verbindungs- oder Kontaktflächen 142 oberhalb eines Randabschnitts 138A. Die Dehnungsmesser sind auf einer Oberfläche 143 des Auslenkmembranelements 139 angebracht.
Die Anordnung 134 weist eine zweite isolierende, abdichtende Schicht 145 auf, die einen Rand 146 und ein mittleres dünnes Auslenkelement 147 aufweist. Ein dazwischenliegender Glasumfangsrand 149 und ein Mittelblock 150 sind sowohl mit der Isolierschicht 145 als auch mit der oberen Oberfläche der Membranschicht 138 verklebt. Der Umfangsrand 149 und die Isolierschicht 145 sorgen für die Isolierung der elektrischen Verbindung, der Verbindungs- oder Kontaktflächen und der aufdiffundierten Dehnungsmeßwiderstände von den Druckmedien. Der Mittelblock 150 ist mit dem Auslenkisolierelement 147 und dem Membranelement 139 verklebt, so daß Bewegung von einem Auslenkelement auf das andere übertragen wird. Der Rand 149 und der Block 150 sind Teil einer einzelnen Glasschicht, die bei der Serienfertigung verwendet wird, und die Glasschicht wird in den Bereichen, wo sie nicht benötigt wird, entfernt.
Bei einem Herstellungsverfahren wird die Isolierschicht 145 mit einer Glasschicht einschließlich des Randes 149 und des Blocks 150 verklebt, bevor sie auf die Membranschicht 138 gesetzt wird. Die Glasschicht kann geätzt werden, so daß der Rand 149 und der Mittelblock 150 nach der Verklebung mit der Isolierschicht 145 an ihrem Platz bleiben.
Das Gehäuse 136 weist eine Druckdurchtrittsausnehmung oder Öffnung 153 auf, die von der Druckquelle P&sub1; in die Kammer 139A unterhalb des Membranelements 139 führt. Das Gehäuse 137 weist eine Druckdurchtrittsausnehmung oder Öffnung 154 auf, die Druck P&sub2; von einer Druckquelle zu einer Oberfläche des Isolierauslenkelements 147 auf einer Seite desselben, gegenüber des Erfassungs-Dehnungsmessers 141 führt. Die elektrischen Verbindungen und die Dehnungsmeßwiderstände sind von den Druckmedien isoliert.
Die Form des Glasrandes 149 und des Mittelblocks 150 ist in Fig. 13 gezeigt. Das Auslenkelement 147 und das Membranelement 138 sind miteinander verklebt, so daß sie als eine Einheit ausgelenkt werden. Die Auslenkung wird durch die Verwendung der auf der isolierten Oberfläche 143 des einen Membranelements ausgebreiteten Dehnungsmesser erfaßt.
Fig. 14 und 15 zeigen eine weiter abgeänderte Ausführungsform der Erfindung, wobei die Druckerfassungszelle 160 eine Membrananordnung 161 umfaßt, die eine erste Membranschicht 162 mit einem mittleren Auslenkmembranelement 163 und einen Umfangsstützrand 164 darauf aufweist. Das mittlere Auslenkmembranelement 163 weist eine Oberfläche 165 auf, auf der Dehnungsmesser und Leitungen, wie oben erklärt, angeordnet sind, und Verbindungs- oder Kontaktflächen 166 sind nahe einer Kante derselben angebracht. Die Membrananordnung 161 weist eine Isolierschicht 168 mit einem Rand 169 und einem sehr dünnen mittleren Auslenkelement 170 auf, die über dem Auslenkelement 163 der Membranschicht 162 liegt und mit dieser verklebt ist. Der Auslenkabschnitt 170 isoliert den Erfassungs-Dehnungsmesser von den Druckmedien und wird mit dem Membranelement ausgelenkt.
Die äußere Oberfläche des Randes 162 der Membranschicht 161 ist wiederum auf eine Grundschicht 174 aufgeklebt, und die Grundschicht 174 ist mit einer Druckdurchtrittsausnehmung 175 versehen, die nicht in der Mitte der durch den Rand 164 ausgebildeten Kammer liegt. Es ist zu erkennen, daß das Auslenkmembranelement 163 ein darauf ausgebildetes Überdruck-Stopelement 176 aufweist, das der Grundschicht 174 gegenüberliegt.
Die Erfassungszelle 160 ist zwischen zwei Gehäuseabschnitten 180 und 181 festgeklemmt, die Durchtrittsausnehmungen 182 bzw. 183 zur Leitung der Drücke P&sub1; und P&sub2; aufweisen. Geeignete O-Ringe 184 werden zur Abdichtung der Öffnungen zu diesen Durchtrittsausnehmungen im Bezug auf die Grundschicht 174 verwendet. "O"-Ringe 185 werden zur Abdichtung des Randes 168 im Bezug auf das Gehäuseelement 181 verwendet.
Der Membranabschnitt 170 weist im wesentlichen eine andere Dicke auf als der Membranabschnitt 163; somit befinden sich die Dehnungsmesser auf der Oberfläche des Membranelements 163 nicht auf der neutralen Achse der Anordnung aus Isolierschicht und Erfassungsmembranelement. Die Dehnungsmesser liefern somit ein Ausgangssignal, das den Grad der Auslenkung der Membrananordnung angibt. Die Auslenkung der Membran wird durch die Druckunterschiede zwischen P&sub1; und P&sub2; verursacht.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung sind die elektrischen Elemente durch Schichten aus festem Werkstoff von den Druckmedien isoliert; somit wirken die Druckmedien direkt auf die Membran ohne eine dazwischenliegende Isoliermembran, die wiederum ein nicht-verdichtbares Fluid gegen die Erfassungsmembran bewegt. Somit wird eine einfache Bauweise und ebenso eine Isolierung von den Druckmedien erreicht, während der Einsatz von Serienfertigungsverfahren ermöglicht wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennen Fachleute, daß Änderungen der Form und von Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.
Während in den bevorzugten Ausführungsformen Widerstandsdehnungsmeßsensoren gezeigt worden sind, können andere Erfassungsvorrichtungen, wie z. B. kapazitive Sensoren, auf der Membran angeordnet werden. Titandioxid oder andere Metalloxide können ebenfalls als passivierende Schichten verwendet werden. Auch eine dehnbare Metallfolie kann als eine passivierende Schicht verwendet werden.

Claims

1. Vom Medium isolierter Drucksensor (19, 40, 70, 85, 125, 135, 160) für die Beaufschlagung durch ein Fluid unter Druck und für das Schaffen eines Ausgangssignals, das den Druck wiedergibt, mit:

einer Membranvorrichtung (20, 41, 87, 134, 162), die mit dem Fluid für das Erfassen des Drucks verbunden ist und einen festen Rand (21, 44, 88, 140, 164) aufweist, der eine Membran (22, 42, 89, 139, 163) umgibt, die ansprechend auf den Druck ausgelenkt wird, und mit einer Fühlvorrichtung (30A, 110, 141), die in einer ersten Oberfläche (25, 45, 94, 165) der Membran (22, 42, 89, 139, 163) für das Erfassen der Auslenkung und für das Schaffen des Ausgangssignals angeordnet ist;

mit einer Isoliervorrichtung (29, 48, 90, 145, 149, 150, 168), die auf der ersten Oberfläche (25, 45, 94, 165) angeordnet ist und weiter Kontakt mit mindestens dem Rand (21, 44, 88, 140, 164) für das Isolieren der Fühlvorrichtung (30A, 110, 141) von der Berührung mit dem Fluid aufweist;

mit einer Verbindungsvorrichtung (32A, 112, 142, 166), die mit der Fühlvorrichtung (30A, 110, 141) für die das elektrische Verbinden des Ausgangs mit einer Stelle verbunden ist, die von dem Sensor (10, 40, 70, 85, 125, 135, 160) beabstandet ist; und

einer Kammervorrichtung (26, 48, 55, 98, 137, 145, 168, 181), die dichtend an dem Rand (21, 44, 88, 140, 164) für das Aufnehmen des Fluids befestigt ist und eine erste Durchtrittsausnehmungskammer (27, 50, 99) für das Verbinden des Fluids mit der Isoliervorrichtung (29, 48, 90, 145, 149, 150, 168) und für das Isolieren der Verbindungsvorrichtung (32A, 112, 142, 166) gegenüber der Berührung mit dem Fluid aufweist.

2. Sensor (10, 40, 70, 85; 125, 135, 160) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranvorrichtung (20, 41, 87, 134, 162) in einer Schicht spröden Materials gebildet ist.

3. Sensor (10, 40, 70, 85, 125, 135, 160) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammervorrichtung (26, 48, 55, 98, 137, 145, 168, 181) in einer Schicht spröden Materials gebildet ist.

4. Sensor (10, 40, 70, 85, 125, 135, 160) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung (32A, 112, 142, 166) sich über einen Bereich der ersten Oberfläche (25, 45, 94, 165) zu der Fühlvorrichtung (30A, 110, 141) erstreckt und von der Berührung mit dem Fluid durch die Isoliervorrichtung (29, 48, 90, 145, 149, 150, 168) isoliert ist.

5. Sensor (10, 40, 70, 85, 125, 135, 160) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22, 42, 89, 139, 163) eine zweite Oberfläche gegenüberliegend der ersten Oberfläche (25, 45, 94, 165) aufweist und der erfaßte Druck einen Differenzdruck zwischen einem ersten Fluid, das mit der ersten Oberfläche (25, 45, 94, 165) in Verbindung steht, und einem zweiten Fluid aufweist, das mit der zweiten Oberfläche in Verbindung steht, aufweist.

6. Sensor (10, 40, 70, 85) nach Anspruch 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine Befestigungsvorrichtung (15, 60, 74, 116) in einer Schicht aus sprödem Material ausgebildet ist und eine erste Befestigungsoberfläche, die dichtend mit dem Rand (21, 44, 88) verklebt ist, und eine zweite Befestigungsoberfläche (35, 62) aufweist, die von der ersten Befestigungsoberfläche für die Lagerung des Sensors (10, 40, 70) an einer Befestigungsoberfläche (11, 63, 77, 120) beabstandet ist, wobei die Befestigungsvorrichtung (15, 60, 74, 116) eine zweite Durchtrittsausnehmung (19, 66, 78, 124) aufweist, die sich von der ersten Befestigungsoberfläche zu der zweiten Befestigungsoberfläche (35, 62) für das Weiterleiten des zweiten Fluids zu der zweiten Oberfläche der Membran (22, 42, 89) erstreckt.

7. Sensor (10, 40, 70, 85, 125) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (21, 44, 88) eine dritte Durchtrittsausnehmung (24, 53, 101) aufweist, die von der Verbindungsvorrichtung (32A, 112) für das Koppeln des ersten Fluids zu der Kammervorrichtung (26, 48, 55, 98) beabstandet ist.

8. Sensor (10, 40, 70, 85) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (21, 44, 88) eine dritte Durchtrittsausnehmung (24, 53, 101) aufweist und die Befestigungsvorrichtung (15, 60, 74, 116) eine vierte Durchtrittsausnehmung (16, 65, 75, 123) aufweist, die von der zweiten Durchtrittsausnehmung (19, 66, 78, 124) beabstandet und mit der dritten Durchtrittsausnehmung (24, 53, 101) verbunden ist, um das erste Fluid zu der ersten Durchtrittsausnehmungskammer (27, 50, 99) zu leiten.