DE69424557T2

DE69424557T2 - Druckwandler mit aufgehangter membran

Info

Publication number: DE69424557T2
Application number: DE69424557T
Authority: DE
Inventors: L. Frick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-20
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2014-07-23
Also published as: US5483834A; EP0720731A1; CA2169723A1; CN1131460A; DE69424557D1; WO1995008757A1; EP0720731B1; JPH09503056A; SG44487A1; JP3447295B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Membran-Drucksensor, welcher zur Schaffung von Spannungsisolierung aufgehängt ist.
Der Stand der Technik zeigt verschiedene Festkörper-Drucksensoren, welche eine ablenkbare Membran für die Erfassung des Drucks aufweisen. Einige können serienmäßig hergestellt werden. Es ist wünschenswert, daß Festkörper-Drucksensoren aus relativ starren Werkstoffen, wie z. B. Halbleiterwerkstoffe, hergestellt sind, andererseits jedoch fest angebracht sind, was bedeutet, daß die Drucksensoren eine Befestigungsfläche aufweisen, die nicht-federnd auf einer Stützfläche angebracht ist. Ferner ist es erwünscht, daß das Erfassungs-Bauelement vollständig von dem zu erfassenden Fluiddruck umgeben ist und daß der gesamte Sensor und das Stützgefüge aus dem gleichen Werkstoff aufgebaut sind. Diese Art des Aufbau reduziert die durch Abweichungen des Leitungsdrucks verursachten Fehler auf ein Minimum. Mit anderen Worten spricht der Sensor zwar auf den Differenzdruck an, erfaßt auf der anderen Seite jedoch keine Veränderungen des herkömmlichen Drucks. Während des Betriebs werden derartige Sensoren häufig Spannungsbelastungen von externen Quellen ausgesetzt. Es traten Probleme bei der Reduzierung der Auswirkungen von externer Spannungsbelastung auf die Stützfläche auf, wobei diese Spannungsbelastung von außen eine unerwünschte Spannungsquelle für die Erfassungsmembran ist. Dies hat falsche oder ungenaue Druckablesungen zur Folge. Das am 16. September 1986 erteilte US-Patent 4,612,599 mit der Bezeichnung "Kapazitiver Drucksensor" beschreibt einen Drucksensor, der aus Silizium hergestellt ist. Das am 3. Januar 1989 erteilte US-Patent 4,800,758 mit der Bezeichnung "Druckmeßwandler mit Spannungsisolierung bei fester Anbringung" beschreibt einen in Serie hergestellten Drucksensor mit Spannungsisolierung.
Die am 18. Oktober 1990 veröffentlichte internationale Patentanmeldung WO 90/12298 mit der Bezeichnung "Resonanz-Drucksensor" beschreibt einen Drucksensor, der "eine druckempfindliche, flache Kapsel, die so angepaßt ist, daß sie durch einen zu erfassenden Druck gesteuert wird, und so erregt wird, daß sie in mechanischer Resonanz mit einer von diesem Druck abhängigen Resonanzfrequenz oszilliert, sowie eine durch diesen Druck verursachte Verformung erfährt, wodurch eine Veränderung der Steifigkeit der gesamten Kapsel erfolgt und folglich eine Veränderung der Resonanzfrequenz der Kapsel", Seite 4, Zeilen 14 bis 22, umfaßt. Das deutsche Patent 41 32 391 beschreibt einen Drucksensor mit zwei Membranen und zwei Druckeinlaßöffnungen zur Erfassung des Differenzdrucks. Die deutsche Patentanmeldung 41 11 119 beschreibt einen Drucksensor, welcher ein Vielzahl planarer, miteinander verbundener Substrate, einen aus zwei der Substrate gebildeten Sensorkörper und ein Gehäuse umfaßt, das den Sensorkörper umgibt und den zu erfassenden Druck aufnimmt, wobei das Gehäuse aus einer Vielzahl von Sub straten gebildet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Isolierung in einem in Serie hergestellten Drucksensor mit aufgehängter Membran und schafft eine verbesserte Meßgenauigkeit, wenn statische Druckabweichungen vorliegen. Eine Membrananordung umfaßt ein Membranenpaar, wobei die beiden Membranen entlang einem nach außen umgebogenen Rand miteinander verbunden sind. Die Membranen weisen Mittelpunkte auf, welche zur Bildung eines Hohlraums dazwischen voneinander beabstandet sind. Die Erfassungsvorrichtung ist zumindest auf einer der Membranen für die Erfassung deren Ablenkung und für die Lieferung eines Ausgangssignals angeordnet. Durch die Druckbeaufschlagung der Außenflächen der Membrananordnung verändert sich die Größe des Hohlraums und die Membranen wölben sich. Diese Ablenkung gibt den aufgebrachten Druck wieder. Die Membrananordnung ist über ein mit dem nach außen umgebogenen Rand der Membran verbundenen Verbindungselement an einem Befestigungsblock befestigt, wodurch der Hohlraum und der verbleibende Abschnitt des nach außen umgebogenen Rand keiner weiteren festen Befestigung unterzogen sind.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:
Fig. 1 eine bruchstückartige Perspektivansicht eines erfin dungsgemäßen Drucksensors mit aufgehängter Membran;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht von Fig. 1, welche entlang der mit 2-2 bezeichneten Linie aufgenommen wurde;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht von Fig. 1, welche entlang der mit 3-3 bezeichneten Linie aufgenommen wurde;
Fig. 4 eine Querschnitts-Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors;
Fig. 5 eine vergrößerte Perspektivansicht des Differenzdrucksensors von Fig. 4;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors mit aufgehängter Membran entsprechend einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors mit aufgehängter Membran entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors mit aufgehängter Membran entsprechend einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors mit aufgehängter Membran entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 10 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors mit aufgehängter Membran entsprechend einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Membranenpaars, wobei die elektrische Kapazität des Sy stems dargestellt ist; und
Fig. 12 eine Prinzipskizze eines Kapazitäts-Überwachungsschaltkreises.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Drucksensor-Schichten der vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe von Serienfertigungsverfahren hergestellt. Eine Scheibe oder Schicht aus Silizium wird auf herkömmliche Art und Weise zur Bildung der gewünschten Merkmale geätzt und anschließend in Sandwichbauweise mit zusätzlichen geeigneten Werkstoffschichten zur Bildung des Sensors geformt. Nach der Bildung der Scheiben oder Schichten werden diese in individuelle Sensoren zerteilt. Derartige Serienherstellungsverfahren sind im allgemeinen erwünscht. Die gegenwärtig bekannten Verarbeitungsverfahren umfassen die Fähigkeit, Glas, Isolatoren, Metalle, Halbleiter, wie z. B. Silizium und andere geeignete Halbleiter, oder Saphire entweder durch anodische Bindung, Schmelzbindung oder die Verwendung von Werkstoffen mit einer Erdglasur miteinander zu verbinden. Es können auch geeignete Epoxide oder andere Arten von Bindewerkstoffen verwendet werden. Bei der Erörterung der Verbindung von Werkstoffschichten miteinander werden spezifische Bindungsformen nicht unbedingt erwähnt, umfassen jedoch die oben beschriebenen bekannten Bindungsarten.
Ferner schließt die Bildung von dünneren Membranabschnitten in einer Siliziumscheibe mit integrierten nach außen umgebogenen Rändern um die Membrankanten herum wohlbekannte Ätzverfahren mit ein. Die Ausbildung von Öffnungen und Ansätzen, welche die Öffnungen in solchen Scheiben mit Hilfe eines Ätzverfahrens oder anderen bekannten Verfahren umgeben, liegt im Rahmen der technischen Fertigkeit.
Fig. 1 ist eine bruchstückartige Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10 mit aufgehängter Membran. Der Drucksensor 10 mit aufgehängter Membran umfaßt ein unteres Substrat 12 und ein oberes Substrat 14. Das untere Membransubstrat 16 ist mit dem unteren Substrat 12 verbunden, und das obere Membransubstrat 18 ist mit dem oberen Substrat 14 verbunden. Das untere Membransubstrat 16 und das obere Membransubstrat 18 sind ebenfalls miteinander verbunden. Das untere Membransubstrat 16 führt den Kanal 20 und die elektrischen Kontake 22 und 24. Der Druckeinlaß 26 erstreckt sich durch das obere Substrat 14. Das obere Membransubstrat 18 umfaßt die obere Membran 28, die vom Stützvorsprung 30 getragen wird.
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Drucksensors 10 mit aufgehängter Membran, wobei der Querschnitt entlang der mit 2- 2 in Fig. 1 bezeichneten Linie genommen worden ist. Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht des Drucksensors 10 mit aufgehängter Membran, welche entlang der mit 3-3 bezeichneten Linie in Fig. 1 genommen worden ist. Die Fig. 2 und 3 zeigen die untere Membran 32, welche mit der oberen Membran 28 verbunden ist. Die obere Membran 28 und die untere Membran 32 bilden eine Membrananordung mit einem Membranhohlraum 34, welcher typischerweise einen Vergleichsdruck aufweist, der über den Kanal 20 aufgebracht wird. Die obere und untere Membran 28 bzw. 32 sind entlang ihrer nach außen umgebogenen Ränder miteinander verbunden. Die obere Membran 28 und die untere Membran 32 sind in dem Druckeingangshohlraum 36, welcher mit dem Druckeinlaß 26 verbunden ist, aufgehängt.
Im Betrieb wird der Drucksensor mit aufgehängter Membran dazu verwendet, den Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 34 und dem Hohlraum 36 zu erfassen. Der Membranhohlraum 34 dehnt sich aus bzw. verkleinert sich in dem Druckeingangshohlraum 36 ansprechend auf den durch den Druckeinlaß 26 aufgebrachten Druck. Dies bewirkt, daß sich die obere Membran 28 und die untere Membran 32 einwärts in den Membranhohlraum 34 hinein oder sich nach außen weg vom Membranhohlraum 34 wölben. Das Fluid strömt durch den Kanal 20, der sich durch das Verbindungselement 30 erstreckt, in den Hohlraum 34 oder aus dem Hohlraum 34 hinaus. Die Ablenkung der Membranen 28 und 32 (und aus diesem Grund der aufgebrachte Druck) wird mit Hilfe der elektrischen Kontakte 22 und 24 erfaßt. Diese Kontakte sind mit von den Membranen 28 und 32 getragenen Sensoren verbunden. In einer Ausführungsform sind diese Sensoren Kondensatorplatten oder aufgebrachte Metallbeläge. Die Membran 28 trägt eine Kondensatorplatte und die Membran 32 trägt eine Kondensatorplatte. Die Kapazität zwischen diesen beiden Platten verändert sich durch die örtliche Verlagerung aufgrund des durch den Einlaß 26 aufgebrachten Druck. In einer weiteren Ausführungsform sind die elektrischen Kontakte 22 und 24 mit einem Dehnungsmeßgerät auf einer Membran gekoppelt, dessen Widerstand sich aufgrund der Verformung der Membranen 28 und 32 verändert.
Wie es in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, ist die Membrananordnung, die den Druck erfaßt (Membranen 28 und 32 und Hohlraum 34) im wesentlichen von den Substraten 12 und 16, welche das Stützgefüge bilden, spannungsisoliert. Dies ist so, da die Membrananordung, welche von den Membranen 28 und 32 gebildet wird, mit dem umgebenden Stützgefüge lediglich durch das Verbindungselement 30 verbunden ist. Dadurch wird die Verformung der Membranen 28 und 32, welche durch die an den Substraten 12 und 14 angelegte Spannung verursacht wird, erheblich reduziert. Dies verbessert die Meßgenauigkeit bei der Druckerfassung und vermindert die Größe des Hohlraums 34, welcher für den Erhalt von Druckablesungen mit der gewünschten Meßgenauigkeit erforderlich ist. Die Erfindung liefert insofern einen weiteren Vorteil, daß bei Aufbringung eines Überdrucks, welcher den Meßbereich des Drucksensors 10 mit aufgehängter Membran übersteigt, der Sensor 10 nicht beschädigt wird, da die Membranen 28 und 32 einerseits zusammenfallen, andererseits aber nicht zerreißen. Bei Überdruckbedingungen wird der Werkstoff in den Mittelabschnitten der Membranen eher komprimiert als unter Zugspannung gesetzt. Spröde Werkstoffe, wie z. B. Silizium, tendieren zu hoher Druckfestigkeit, sind andererseits schwach bei Spannungen. Darüberhinaus erfordert die Erfindung eine relativ kleines Ölfüllungsvolumen für den Betrieb, wodurch auch eine verbesserte Meßgenauigkeit geschaffen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor 10 mit aufgehängter Membran aus spröden Werkstoffen gebildet, beispielsweise aus Einkristall-Silizium oder aus Saphirwerkstoffen und in Serie hergestellt. Diese Werkstoffe liefern eine verbesserte Meßgenauigkeit aufgrund verminderter Hysterese und verbesserte Abmessungsstabilität. Darüberhinaus sind Werkstoffe, wie z. B. Silizium, Keramik und Glas durch die Verwendung bekannter Herstellungsverfahren einfach serienmäßig herstellbar.
Fig. 4 ist eine Perspektiv-Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors 40 mit aufgehängter Membran. Der Sensor 40 wird durch Zusammenlegen eines Paars von Drucksensoren, welche ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Drucksensor 10 sind, gebildet, wobei dieses Drucksensorenpaar einen Kanal aufweist (in Fig. 4 nicht dargestellt), wie z. B. Kanal 20 in Fig. 1, der sich zwischen den Membrananordnungen erstreckt.
Der Differenzdruckmesser 40 weist ein unteres Substrat 42, ein oberes Substrat 44, ein unteres Membransubstrat 46 sowie ein oberes Membransubstrat 48 auf. Der Differenzdruck wird durch die Druckeinlässe 50A und 50B aufgebracht. Die Druckeinlässe 50A und 50B sind mit den Membrananordnungen 54A bzw. 54B verbunden. Die Membrananordnung 54A weist eine obere Membran 58A und eine untere Membran 60A auf, wobei die beiden Membranen den Membranhohlraum 62A bilden. Der Membranhohlraum 62A ist in dem Druckeingangshohlraum 64A angeordnet, welcher mit den Druckeinlaß 50A verbunden ist. Der Aufbau der Membrananordnung 54B ist ähnlich dem Aufbau der Membrananordnung 54A.
Im Differenzdruckmesser 40 ist der Membranhohlraum 62A mit dem Membranhohlraum 62B über einen in Fig. 4 nicht dargestellten Kanal verbunden, wobei dieser Kanal jedoch ähnlich dem in Fig. 1 dargestellten Kanal 20 ist. Der die Hohlräume 62A und 62B verbindende Kanal erstreckt sich durch die Verbindungselemente, welche die Membrananordnungen 54A bzw. 54B in dem jeweiligen Hohlraum 64A bzw. 64B abstützen. Die Hohlräume 62A und 62B sind mit einer eingeschlossenen Menge an einem relativ nicht zusammendrückbaren Fluid gefüllt, so daß sich bei der Ausdehnung eines Hohlraums aufgrund des aufgebrachten Drucks der andere Hohlraum verkleinert.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Differenzdrucksensors 40. Fig. 5 zeigt Druckrohre 66A und 66B, welche mit den Druckeinlässen 50A und 50B verbunden sind. Das obere Substrat weist Zugangslöcher 68A, 68B, 68C und 68D auf, welche in Fig. 4 nicht gezeigt sind. Die Zugangslöcher 68A, 68B und 68D werden zur Bildung des elektrischen Kontakts mit den Membrananordnungen verwendet und das Zugangsloch 68C dient für das Einfüllen von Öl in die Membranhohlräume 62A und 62B.
Das untere Membransubstrat 46 umfaßt die Kondensatorplatten 70A und 70B, welche auf der unteren Membran 60A bzw. 60B angeordnet sind und jeweils mit dem Leiter 72A bzw. 72B verbunden sind. Das obere Membransubstrat 48 weist die elektrischen Kontakte 76A, 76B und 76C auf. Der Kontakt 76A stellt eine Verbindung mit dem Leiter 72A her, und der Kontakt 76C stellt eine Verbindung mit dem Leiter 72B her. Der Kontakt 76B verbindet mit einem leitfähigen Kanal 74, welcher durch eine gestrichelte Linie auf dem Substrat 48 dargestellt ist. Der leitfähige Kanal 74 ist elektrisch mit den Kondensatorplatten 71A und 71B verbunden, welche auf der Unterseite der oberen Membranen 58A und 58B angeordnet sind und in Fig. 5 durch die gestrichelten Linien dargestellt sind. Ferner schafft der Ka nal 74 eine Fluidverbindung zwischen den Membranhohlräumen 62A und 62B sowie dem Oleinfülleinlaß 78. Die Substrate 46 und 48 weisen darüberhinaus Laserschnittwege 80 auf, welche die Kanten der oberen Membranen 58A und 58B und der unteren Membranen 60A und 60B definieren.
Während der Herstellung werden die Substrate 42, 44, 46 und 48 mit Hilfe von Standard-Ätz- und Glättverfahren bei der Serienfertigung gebildet. Die Kondensatorplatten 70A und 70B sowie 71A und 71B werden auf den Membrenen 60A und 60B bzw. 58A und 58B angeordnet. Die Membranen 58A, 58B, 60A und 60B werden durch das Ätzen der Rückseiten (d. h. der Seite, welche den Hohlräumen 64A und 64B zugewandt ist) der Membranen zur Schaffung einer flexibleren Membran gebildet. Die Substrate 46 und 48 werden aneinandergefügt, so daß eine für das Fluid dichte Verbindung geschaffen wird. Diese Bindung verbindet ferner den nach außen umgebogenen Rand der Membran 58A mit dem nach außen umgebogenen Rand der Membran 60A, und den nach außen umgebogenen Rand der Membran 58B mit dem der Membran 60B. Als "nach außen umgebogener Rand" wird der Bereich der Membran bezeichnet, der unmittelbar unterhalb der Kanten der Kondensatorplatten 70A, 70B, 71A und 71B liegt. Nach dem Bindeschritt werden die Substrate 46 und 48 von den Membrananordnungen 54A und 54B durch Bohren eines Weges entlang des Laserschnittwegs 80 mit Hilfe eines Lasers losgelöst, mit Ausnahme des Bereichs um die Stützverbindungselemente 82A und 82B herum, so daß die Membrananordnungen 54A und 54B mit den Substraten 46 und 48 über die Stützverbindungselemente 82A und 82B verbunden sind. Nach dem Verbinden der Substrate 46 und 48 erfolgt das Verbinden der Substrate 42 und 44 mit den Substraten 46 bzw. 48. Die Verbindung erfolgt überall, mit Ausnahme der ausgesparten Bereiche 62A und 62B, welche die Membranen 58A, 58B, 60A und 60B definieren. Diese Aussparungen werden so klein wie möglich hergestellt, so daß die Spannung während Überbelastung auf ein Minimum reduziert wird. Die ausgesparten Bereiche 62A und 62B weisen typischerweise eine Stärke von ungefähr 0,0025 mm auf.
Nach der Verbindung der Substrate 42 bis 48 werden die Membrananordnungen 54A und 54B vorzugsweise mit Öl gefüllt. Die Ölfüllung erfolgt durch das Zugangsloch 68C, das mit dem Öleinfülleinlaß 78, dem Kanal 74 sowie den Membranhohlräumen 62A und 62B verbunden ist. Unter Druck gesetztes Öl wird durch den Einlaß 78 zur Füllung der Hohlräume 62A und 62B injiziert. Der Einlaß 78 wird dann abgedichtet, um ein Ausströmen des Öls zu verhindern. In einer Ausführungsform wird der Einlaß mit Hilfe eines Stöpsels aus Gold, der in das Loch 68C eingeführt wird, abgedichtet.
In einer Ausführungsform weisen die Substrate 42 und 44 eine Stärke von ungefähr 1,25 mm auf und die Substrate 46 und 48 sind in etwa 0,25 mm dick. Die endgültigen Sensorabmessungen belaufen sich bei der Breite auf 9 mm, bei der Länge auf 18 mm und bei der Stärke auf 2,9 mm.
Die Fig. 6, 7, 8, 9 und 10 zeigen Querschnittsansichten einer Reihe von alternativen erfindungsgemäßen Membrankonfigurationen. Fig. 6 zeigt einen Drucksensor 86 mit aufgehängter Membran, welcher Abstandsschichten 88 und 90 umfaßt. Die Abstandsschichten 88 und 90 werden dazu verwendet, die äußeren Substratschichten von der Membrananordnung zu trennen. Fig. 7 zeigt den Sensor 92 mit aufgehängter Membran, in welchem die äußeren Substrate nicht zur Schaffung von Raum für die Membrananordnungen geätzt worden sind. Die in Fig. 7 gezeigte Anordnung ist eine der bevorzugten Ausführungsformen. Fig. 8 zeigt einen Drucksensor 94 mit aufgehängter Membran, in welchem Abstandsschichten 96, 98 und 100 angeordnet sind, welche eher für das Beabstanden als für das Ätzen von Aussparungen in die Substratschichten vorgesehen sind. Fig. 9 zeigt einen Drucksensor 102 mit aufgehängter Membran, in welchem die obere und untere Membranschicht nicht zur Bildung des Membranhohlraums geätzt worden sind, sondern eher zur Trennung der Membranen mit Öl gefüllt sind. Ferner sind das obere und untere Substrat geätzt. Fig. 10 zeigt den Drucksensor 104 mit aufge hängter Membran, in welchem der Membranhohlraum nicht maximal mit Öl gefüllt ist. Dies ermöglicht dem Sensor, bei einem unterschiedlichen Druckbereich zu arbeiten.
Bei der vorliegenden Erfindung steht die Ablenkung der aufgehängten Membranen in Zusammenhang mit dem aufgebrachten Druck, wobei es sich entweder um einen Differenzdruck oder absoluten Druck handelt. Durch die Erfassung dieser Verformung ist es möglich, den Druck zu bestimmen. Die Ablenkung kann mit Hilfe jeglicher geeigneten Vorrichtung erfaßt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Membranverformung durch die Messung der Kapazitätsveränderung zwischen zwei Platten eines Kondensators erfaßt, wobei jeweils eine Kondensatorplatte auf einer Membran angeordnet ist. Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht einer aufgehängten Membran 108, welche eine obere Membran 110 sowie eine untere Membran 112 aufweist, auf welchen die obere Kondensatorplatte 114 bzw. die untere Kondensatorplatte 116 angeordnet sind. Die Platten 114 und 116 sind an den Membranen 110 und 112 mit Hilfe von Isolierschichten 118 bzw. 120 befestigt. Der Bereich zwischen den Membranen 110 und 112 bildet den Hohlraum 122, der vorzugsweise mit Öl gefüllt ist.
Fig. 11 zeigt die Kapazität CA, welche die Kapazität zwischen den Platten 114 und 116 darstellt. Die Größe der Kapazität CA hängt mit dem an der aufgehängten Membran 108 aufgebrachten Druck zusammen. Aus diesem Grund kann durch die Messung der Kapazität der Druck bestimmt werden. Jedoch können Streukapazitäten CS1 und CS2 die Messung störend beeinflussen. Diese Kapazität beruht auf der Kapazität zwischen der Platte 114 und der Membran 110 bzw. zwischen der Platte 116 und der Membran 112. Die Kapazität entsteht, da die Isolierschichten 118 und 120 die Platten 114 bzw. 116 von der jeweiligen Membran 110 bzw. 112 trennen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die Streukapazität bei der Messung der Kapazität CA zu eliminieren.
Fig. 12 zeigt eine Schaltkreisanordnung 124 zur Beseitigung der Störung bei der Messung der Kapazität CA aufgrund der Streukapazitäten CS1 und CS2. Die Schaltkreisanordnung 124 umfaßt einen Rechteckwellentreiber 130, der mit einer Antriebsseite des Kondensators CA verbunden ist. Eine Seite des Kondensators CS1 (d. h. das Substrat 110) ist mit der elektrischen Masse verbunden, ebenso wie eine Seite des Kondensators CS2 (d. h das Substrat 112). Eine Meßseite des Kondensators CA ist mit dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 132 verbunden. Der Operationsverstärker 132 weist eine negative Rückkopplung durch einen integrierenden Kondensator 136 auf. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 132 liefert eine virtuelle Masse. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 132 ist für eine kapazitive Meßschaltkreisanordnung vorgesehen, die für das Berechnen des Drucks verwendet wird.
Die Schaltkreisanordnung 124 gewährleistet, daß das Substrat 110 und das Substrat 112 das "gleiche Potential" wie die Meßelektrode 116 aufweisen. Dies ist der Fall, da die Meßelektrode 116 durch den Operationsverstärker 132, welcher eine negative Rückkopplung aufweist, mit virtueller Masse verbunden bleibt. Dies reduziert die Fehler bei Druckmessungen aufgrund der Streukapazität, da CS2 nicht mit Hilfe der mit der Elektrode 116 verbundenen Schaltkreisanordnung gemessen wird.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Drucksensor mit aufgehängter Membran, welcher für die serienmäßige Herstellung geeignet ist, und welcher eine verbesserte Spannungsisolierung aufweist. Es ist eine relativ geringe Ölfüllung des Membranhohlraums erforderlich, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird. Ferner schafft der Aufbau des Drucksensors insofern seinen eigenen Überdruck-Schutz, da bei der Aufbringung eines hohen Drucks die Membranen zusammenfallen. Die Erfindung schafft ein dreidimensinales Gefüge, das aus planaren Werkstoffen serienmäßig gefertigt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Technik erkennen, daß Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann das Verbindungselement, das die Membrananordnung stützt, in eine Reihe von dicht beabstandeten Verbindungselemente geteilt werden. Darüberhinaus können die Membrananordnungen aus Saphir hergestellt werden. Saphir reduziert zudem im Vergleich zu Halbleitern die Streukapazität, da es weniger leitfähig ist. Darüberhinaus kann sich eine einzelne Membran relativ zu einem fest angebrachten Substrat zur Erfassung des Drucks bewegen.

Claims

1. Drucksensor (10), welcher eine erste Membrananordnung mit einer Membran (28) aufweist, die entlang einem nach außen umgebogenen Rand mit einem Substrat (32) verbunden ist, wobei die Membran (28) und das Substrat (32) zur Bildung eines ersten Hohlraums (34) dazwischen voneinander beabstandete Mittelpunkte aufweisen, ferner eine Einlaßvorrichtung (26) für das Leiten eines unter Druck gesetzten Fluids an die äußeren Oberflächen der Membran, eine Erfassungsvorrichtung, welche auf der Membran (28) zur Erfassung deren Wölbung angeordnet ist und ein Ausgangssignal liefert, das den Fluiddruck darstellt, und weiter einen Befestigungsblock, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestigungsblock einen einzelnen Vorsprung (30), welcher eine Verbindung zum nach außen umgebogenen Rand Kante schafft, umfaßt, wobei die Mittelpunkte der Membran (28) und des Substrats (32) sowie der verbleibende nach außen umgebogene Rand keiner weiteren festen Befestigung unterzogen sind.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (30) Leitungen für die Übertragung der Ausgangssignale des Sensors aufweist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (28) und das Substrat (32) miteinander über eine Abstandsschicht (98) entlang dem nach außen umgebogenen Rand verbunden sind.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, welcher eine zweite Membrananordnung (54B) mit einem zweiten Hohlraum (62B), der in Fluidverbindung mit dem ersten Hohlraum (62A) ist, umfaßt, wobei sich die Größe des ersten Hohlraums (62A) umgekehrt zur Größe des zweiten Hohlraums (62B) ansprechend auf einen Differenzdruck verändert.

5. Sensor für die Erfassung des Differenzdrucks, welcher eine erste Membrananordnung (54A) mit einer Membran (58A) und ein Substrat (60A), welche entlang einem nach außen umgebogenen Rand miteinander verbunden sind und zur Bildung eines ersten Hohlraums (62A) dazwischen voneinander beabstandet sind, umfaßt, ferner eine zweite Membrananordnung (54B) mit einer Membran (58B) und einem Substrat (60B), welche entlang einem nach außen umgebogenen Rand miteinander verbunden sind und zur Bildung eines zweiten Hohlraums (62B) dazwischen beabstandet sind, weiter eine erste Einlaßvorrichtung (50A) für das Leiten des Fluids an die äußeren Oberflächen der ersten Membrananordnung (54A) sowie eine zweite Einlaßvorrichtung (50B) für das Leiten des Fluids an die äußeren Oberflächen der zweiten Membrananordnung (54B), eine Erfassungsvorrichtung, welche mit der ersten Membrananordnung (54A) zur Erfassung der Membranablenkung und zur Lieferung eines Ausgangssignals, welches den Fluiddruck wiedergibt, verbunden ist, und weiter eine Stützanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützanordnung ein erstes Verbindungselement (82A), welches mit der dem nach außen umgebogenen Rand der ersten Membrananordnung (54A) verbunden ist und einen mit dem nach außen umgebogenen Rand der zweiten Memberananordnung (54B) verbundenes zweites Verbindungselement (82B) aufweist, wobei das erste und zweite Verbindungselement (82A, 82B) miteinander verbunden sind und in Fluidverbindung mit dem ersten und zweiten Hohlraum (62A, 62B) sind, wobei sich die Volumenveränderung des ersten Hohlraums (62A) umgekehrt zur Volumenveränderung des zweiten Hohlraums (62B) verhält.

6. Sensor für die Erfassung des Differenzdrucks nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Verbindungselement (82A) Leitungen (74) für die Übertragung der Ausgangssignale des Sensors aufweist.

7. Sensor für die Erfassung des Differenzdrucks nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste als auch die zweite Membrananordung (54A, 54B) aus einem auf Silizium basierenden Werkstoff gebildet sind.

8. Sensor für die Erfassung des Differenzdrucks nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung einen Kondensator aufweist, wobei dieser mit einer ersten Platte (71A), die mit der Membran (58A) verbunden ist, und einer zweiten Platte (70A), welche mit dem Substrat (60A) verbunden ist, versehen ist.

9. Sensor für die Erfassung des Differenzdrucks nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (58A, 58B) und die Substrate (60A, 60B) der ersten bzw. zweiten Membrananordnung (54A, 54B) über eine Abstandsschicht (98) miteinander verbunden sind.

10. Vorrichtung für die Erfassung eines Drucks, welche eine Vielzahl von im wesentlichen planaren Substraten (12, 14, 16, 18), die zur Bildung einer dreidimensionalen Anordnung (10) miteinander verbunden sind, einen Drucksensor (28, 32), der ansprechend auf den Druck aus dieser Vielzahl von Substraten gebildet wird, und ferner ein Gehäuse aufweist, das den Drucksensor umgibt, sowie aus einer Vielzahl von Substraten, welche den zu erfassenden Druck aufnehmen, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (28, 32) mit dem Gehäuse über ein einzelnes Verbindungselement (30) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (28, 32) eine Membrananordnung mit einer Membran (28), die entlang einem nach außen umgebogenen Rand mit einem Substrat (32) verbunden ist, aufweist, wobei die Membran (28) und das Substrat (32) zur Bildung eines Hohlraums (34) dazwischen beabstandet voneinander angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran mit Ausnahme des Stützvorsprungs (30) nicht mit dem Gehäuse umgeben ist, und somit eine Spannungsisolierung geschaffen wird.

13. Vorrichtung für die Erfassung des Drucks eines Prozeßfluids, welche einen Sensorkörper (28, 32) aus einem spröden, korrosionsbeständigen Werkstoff aufweist, wobei der Sensorkörper (28, 32) auf den Druck des Prozeßfluids anspricht, ferner eine Abstützung (16, 18) sowie ein Erfassungsbauelement vorgesehen sind, wobei letzteres auf dem Sensorkörper (28, 32) angeordnet ist und auf die Verformung des Sensorkörpers (28, 32) anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein einzelner verlängerter Spannungsisolator (30), der aus dem gleichen Werkstoff wie der Sensorkörper (28, 32) hergestellt ist, zwischen der Abstützung (16, 18) und dem Sensorkörper (28, 32) erstreckt, wobei der Spannungsisolator (30) ein Isolierrohr für die Aufnahme eines elektrischen Leiters (22), der mit der Erfassungsbauelement verbunden ist, aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützung (16, 18) aus dem gleichen Werkstoff wie der Sensorkörper (28, 32) hergestellt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützanordnung (16, 18), der Sensorkörper (28, 32) und der Spannungsisolator (30) mit Hilfe im wesentlichen planarer Substrate, welche zur Bildung einer dreidimensionalen Anordung (10) miteinander verbunden sind, gebildet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (28, 32) eine erste Membran (28) sowie eine zweite Membran (32) aufweist, wobei die beiden Membranen entlang einem nach außen umgebogenen Rand miteinander verbunden sind und dazwischen einen Hohlraum (34) bilden.