Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, eine Drucksensoranordnung und ein Verfahren zur Detektion eines Druckes.The invention relates to a pressure sensor, a pressure sensor arrangement and a method for detecting a pressure.
Stand der TechnikState of the art
In DE 10 2008 041 937 A1 wird eine Drucksensoranordnung mit einem Substrat, einer Membran und einer Zwischenschicht, relativ zu der die Membran in Abhängigkeit einer Kraftwirkung auf die Membran zumindest in Teilbereichen der Membran beweglich vorgesehen ist, vorgeschlagen. Die Membran und die Zwischenschicht sind in Form einer Kontaktfläche in mechanischem Kontakt miteinander vorgesehen. In Abhängigkeit der Kraftwirkung auf die Membran ist eine Größenänderung der Kontaktfläche vorgesehen. Ferner ist die Membran mit dem Substrat verbunden. Bei dem niedrigsten zu messenden Druck wird gerade ein Kontakt in Form einer Kontaktfläche zwischen der Membran und der Elektrode vorzugsweise über die Zwischenschicht hergestellt. Bei einer größeren Druckbeaufschlagung der Membran wird diese in Richtung der Elektrode stärker ausgelenkt und die Fläche der Kontaktfläche wird größer. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche erzeugt eine Reduzierung des elektrischen Widerstands zwischen der Membran und der Zwischenschicht. Diese Änderung des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit des Drucks ist beispielsweise in Form eines elektrischen Spannungssignals messbar.In DE 10 2008 041 937 A1 a pressure sensor arrangement with a substrate, a membrane and an intermediate layer, relative to which the membrane is provided in response to a force acting on the membrane at least in partial regions of the membrane is proposed. The membrane and the intermediate layer are provided in the form of a contact surface in mechanical contact with each other. Depending on the force acting on the membrane, a change in size of the contact surface is provided. Furthermore, the membrane is connected to the substrate. At the lowest pressure to be measured, a contact in the form of a contact surface between the membrane and the electrode is preferably produced via the intermediate layer. With a larger pressurization of the membrane, it is deflected more strongly in the direction of the electrode and the area of the contact surface becomes larger. An increase in the contact area produces a reduction in the electrical resistance between the membrane and the intermediate layer. This change in the electrical resistance as a function of the pressure can be measured, for example, in the form of an electrical voltage signal.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung gibt einen Drucksensor, eine Drucksensoranordnung und ein Verfahren zur Detektion eines Druckes an.The present invention provides a pressure sensor, a pressure sensor assembly and a method for detecting a pressure.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Drucksensor kaum bzw. keinen mechanischen Verschleiß, sowie eine hohe Temperaturstabilität aufweist. Zudem weist er einen sehr großen Dynamikumfang auf. Des Weiteren ist er robust gegenüber Störeinflüssen.The invention with the features of the independent claim has the advantage that the pressure sensor according to the invention has little or no mechanical wear and high temperature stability. In addition, it has a very large dynamic range. Furthermore, it is robust against disturbing influences.
Dies wird erreicht mit einem Drucksensor, umfassend eine erste Membran, die dazu ausgelegt ist, sich in Abhängigkeit eines auf die erste Membran wirkenden Druckes zu verformen, wobei der Drucksensor zudem eine zweite Membran umfasst, wobei die zweite Membran beabstandet zu der ersten Membran gehalten ist, sodass die erste Membran und die zweite Membran einen Kondensator bilden und sich eine Kapazität des Kondensators bei der Verformung der ersten Membran ändert und der Drucksensor des Weiteren eine Regelungseinheit zur Einstellung einer vorgegebenen Kapazität des Kondensators aufweist, wobei ein Stellsignal der Regelungseinheit zur Einstellung der vorgegebenen Kapazität ein Maß für den auf die erste Membran wirkenden Druck ist. Weitere Vorteile sind, dass der Drucksensor einen sehr kleinen Bauraum einnimmt und eine kostengünstige Integration des Drucksensors am Applikationsort möglich ist, da er sehr robust gegenüber Störeinflüssen und Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Temperaturänderungen, ist. So ist es beispielsweise möglich den Drucksensor in einem Kraftfahrzeug direkt in die Zylinderkopfkomponente, insbesondere in eine Glühstiftkerze oder in einen Injektor zu integrieren. Störeinflüsse sind beispielsweise Streukapazitäten, die bei einer kapazitiven Messung zu einer Verfälschung von Messergebnissen führen können. Streukapazitäten werden bei einem erfindungsgemäßen Drucksensor durch die Einstellung der vorgegebenen Kapazität mittels der Regelungseinheit kompensiert. Der Dynamikbereich beschreibt den Druckbereich, der mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Drucksensors messbar ist. Mit einem erfindungsgemäßen Drucksensor können sowohl kleine als auch große Drücke gemessen werden. Der Dynamikbereich ist hauptsächlich durch die maximal mögliche, elastische Verformung der ersten Membran begrenzt, daher weist der Drucksensor einen großen Dynamikbereich auf. Nichtlinearitäten in Folge von mechanischen Eigenschaften der Membrane können mittels der Einstellung einer vorgegebenen Kapazität kompensiert werden. Der Drucksensor weist vorteilhafterweise keine Hysterese auf, da bei anliegendem Druck eine vorgegebene Kapazität eingestellt wird und das zugehörige Stellsignal dem zu messenden Druck zugeordnet wird. Unter Hysterese wird die Differenz des Ausgangssignals beim Anfahren eines festen Messwertes im Auf- und Abwärtsgang, das heißt bei steigendem und bei fallendem Druck, verstanden.This is accomplished with a pressure sensor comprising a first diaphragm configured to deform in response to a pressure acting on the first diaphragm, the pressure sensor further comprising a second diaphragm, the second diaphragm being spaced from the first diaphragm such that the first diaphragm and the second diaphragm form a capacitor and a capacitance of the capacitor changes upon deformation of the first diaphragm, and the pressure sensor further comprises a control unit for setting a predetermined capacitance of the capacitor, wherein an actuating signal of the control unit for setting the predetermined Capacity is a measure of the pressure acting on the first diaphragm. Further advantages are that the pressure sensor occupies a very small space and a cost-effective integration of the pressure sensor at the application is possible because it is very robust against interference and environmental influences, such as temperature changes. For example, it is possible to integrate the pressure sensor in a motor vehicle directly into the cylinder head component, in particular into a glow plug or into an injector. Disturbing influences are, for example, stray capacitances, which can lead to a falsification of measurement results in the case of a capacitive measurement. Stray capacitances are compensated in a pressure sensor according to the invention by adjusting the predetermined capacity by means of the control unit. The dynamic range describes the pressure range, which can be measured with the aid of a pressure sensor according to the invention. With a pressure sensor according to the invention, both small and large pressures can be measured. The dynamic range is limited mainly by the maximum possible elastic deformation of the first diaphragm, therefore, the pressure sensor has a large dynamic range. Non-linearities due to mechanical properties of the membrane can be compensated by setting a given capacity. The pressure sensor advantageously has no hysteresis, since a predetermined capacity is set when the pressure is applied and the associated control signal is assigned to the pressure to be measured. Hysteresis is understood to be the difference between the output signal when approaching a fixed measured value in the up and down gear, that is to say in the case of rising and falling pressure.
In einer Ausführungsform bildet die zweite Membran zumindest einen Teil einer ersten Begrenzungsfläche einer ersten Kavität, in welcher ein Referenzdruck eingeschlossen ist. Somit kann vorteilhafterweise die Stärke der Verformung der ersten Membran bei Beaufschlagung mit einem Druck eingestellt werden. Der Referenzdruck kann so gewählt werden, dass er in der Größenordnung der zu messenden Drücke liegt. Somit kann eine inelastische Verformung der Membrane oder ein Reißen der Membrane bei Druckbeaufschlagung vermieden werden.In one embodiment, the second membrane forms at least part of a first boundary surface of a first cavity in which a reference pressure is included. Thus, advantageously, the amount of deformation of the first diaphragm upon application of pressure can be adjusted. The reference pressure can be chosen to be on the order of the pressures to be measured. Thus, inelastic deformation of the membrane or rupture of the membrane upon pressurization can be avoided.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine Haltestruktur, wobei die Haltestruktur die erste Membran und die zweite Membran beabstandet, und die erste Membran, die zweite Membran und die Haltestruktur Begrenzungsflächen einer zweiten Kavität bilden. Die zweite Membran bildet zumindest einen Teil einer ersten Begrenzungsfläche einer ersten Kavität. Die zweite Membran weist Perforationen auf, sodass die zweite Kavität den gleichen Druck wie die erste Kavität aufweist. Somit können die erste und die zweite Kavität einen identischen und bekannten Referenzdruck aufweisen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Absolutdruckmessung.In another embodiment, the pressure sensor includes a support structure, wherein the support structure spaces the first diaphragm and the second diaphragm, and the first diaphragm, the second diaphragm, and the support structure form boundary surfaces of a second cavity. The second membrane forms at least a part of a first boundary surface of a first cavity. The second membrane has perforations, so that the second Cavity has the same pressure as the first cavity. Thus, the first and the second cavity may have an identical and known reference pressure. This advantageously allows an absolute pressure measurement.
Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite Membran des Drucksensors aus einem elektrisch leitfähigen, magnetischen Material ausgebildet. Ein Vorteil ist, dass die zweite Membran als Elektrode verwendet werden kann, um beispielsweise die Kapazität des Kondensators zu messen und zudem durch Anlegen eines Magnetfeldes verformt werden. kann.According to one embodiment, the second membrane of the pressure sensor is formed from an electrically conductive, magnetic material. One advantage is that the second membrane can be used as an electrode, for example, to measure the capacitance of the capacitor and also be deformed by applying a magnetic field. can.
In einer weiterführenden Gestaltungsform umfasst die Regelungseinheit einen Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welcher auf einer von der ersten Membran abgewandten Seite der zweiten Membran angeordnet ist. Ein Vorteil ist, dass der Elektromagnet ein über einen elektrischen Strom einstellbares Magnetfeld bereitstellen kann. Das Stellsignal, welches ein Maß für den auf die erste Membran wirkenden Druck ist, kann demnach der elektrische Strom sein, der mit einfachen, bekannten Mitteln bestimmt werden kann. Somit ist eine einfache, schnelle Ermittlung des Drucks möglich. Zudem ist ein kompakter, robuster Aufbau des Drucksensors möglich, da keine aufwendigen Messeinheiten für das Stellsignal bereitgestellt werden müssen.In a further embodiment, the control unit comprises an electromagnet for generating a magnetic field which is arranged on a side of the second diaphragm remote from the first diaphragm. One advantage is that the electromagnet can provide an electric current adjustable magnetic field. The control signal, which is a measure of the pressure acting on the first diaphragm, can therefore be the electric current that can be determined by simple, known means. Thus, a simple, rapid determination of the pressure is possible. In addition, a compact, robust construction of the pressure sensor is possible because no complex measuring units for the control signal must be provided.
Alternativ kann die Regelungseinheit eine Erregerelektrode umfassen, welche auf einer von der ersten Membran abgewandten Seite der zweiten Membran angeordnet ist.Alternatively, the control unit may comprise an exciter electrode, which is arranged on a side remote from the first membrane side of the second membrane.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite Membran eine erste Schicht mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine zweite Schicht mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei der erste Wärmeausdehnungskoeffizient und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient verschieden sind. Ein Vorteil ist, dass somit ein sehr kompakter Aufbau des Drucksensors möglich ist, da die Einstellung der vorgegebenen Kapazität direkt durch einen elektrischen Strom, der die zweite Membran zumindest teilweise durchfließt, erfolgen kann.According to one embodiment, the second membrane comprises a first layer having a first thermal expansion coefficient and a second layer having a second thermal expansion coefficient, wherein the first thermal expansion coefficient and the second thermal expansion coefficient are different. One advantage is that a very compact design of the pressure sensor is thus possible, since the setting of the predetermined capacity can be effected directly by an electric current which at least partially flows through the second diaphragm.
In einer Gestaltungsform umfasst die zweite Membran eine dritte Schicht und mindestens eine piezoelektrische Schicht, wobei die dritte Schicht aus einem Metall ausgebildet ist. Ein Vorteil ist, dass somit ein sehr kompakter Aufbau des Drucksensors möglich ist, da die Einstellung der vorgegebenen Kapazität direkt durch Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgen kann.In one embodiment, the second membrane comprises a third layer and at least one piezoelectric layer, wherein the third layer is formed from a metal. An advantage is that thus a very compact construction of the pressure sensor is possible because the setting of the predetermined capacity can be done directly by applying an electrical voltage.
Alternativ oder ergänzend kann die zweite Membran mindestens eine magnetostriktive Schicht umfassen. Die zweite Membran kann auch mehrere magnetostriktive Schichten umfassen, um bei gleichem anliegendem Magnetfeld eine größere effektive Verformung zu erzielen. Dadurch werden vorteilhafterweise kleinere Magnetfelder benötigt. Dies kann insbesondere bei der Messung großer Drücke vorteilhaft sein, da dort teilweise starke Verformungen der zweiten Membran benötigt werden.Alternatively or additionally, the second membrane may comprise at least one magnetostrictive layer. The second membrane may also include multiple magnetostrictive layers to achieve greater effective deformation for the same applied magnetic field. As a result, advantageously smaller magnetic fields are required. This can be advantageous, in particular, in the measurement of high pressures, since partial strong deformations of the second membrane are required there.
Eine erfindungsgemäße Drucksensoranordnung, umfasst einen Drucksensor und eine Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Drucks aus dem Stellsignal.A pressure sensor arrangement according to the invention comprises a pressure sensor and an evaluation unit for determining a pressure from the actuating signal.
Ein Verfahren zur Detektion eines Drucks mittels der Drucksensoranordnung umfasst die nachfolgenden Schritte:
- – Verformung der ersten Membran durch Beaufschlagung der ersten Membran mit einem Druck,
- – Einstellung der vorgegebenen Kapazität des Kondensator durch die Regelungseinheit, Ermittlung des auf die erste Membran wirkenden Druckes aus dem Stellsignal der Regelungseinheit.
Ein Vorteil ist, dass durch die Einstellung einer vorgegebenen Kapazität Störeinflüsse reduziert werden können und somit die Genauigkeit und Sensitivität des Drucksensors erhöht werden kann. Zudem ist das Verfahren robust gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Temperaturänderungen, da diese auf beide Membrane wirken und sich damit Eigenschaften beider Membrane meist in ähnlicher Weise ändern und somit Umwelteinflüsse kaum bzw. keinen Einfluss auf die Messung haben.
A method for detecting a pressure by means of the pressure sensor arrangement comprises the following steps: - Deformation of the first membrane by applying pressure to the first membrane,
- - Setting the predetermined capacity of the capacitor by the control unit, determining the pressure acting on the first diaphragm pressure from the control signal of the control unit. One advantage is that by setting a given capacity disturbances can be reduced and thus the accuracy and sensitivity of the pressure sensor can be increased. In addition, the method is robust against environmental influences, such as temperature changes, since these act on both membranes and thus usually change properties of both membranes in a similar manner and thus environmental influences have little or no effect on the measurement.
Die Einstellung der vorgegebenen Kapazität des Kondensators durch die Regelungseinheit, kann durch einen Elektromagnet erfolgen, den die Regelungseinheit umfasst. Der Elektromagnet stellt ein einstellbares Magnetfeld bereit. Der Elektromagnet ist auf einer von der ersten Membran abgewandten Seite der zweiten Membran angeordnet, wobei das Stellsignal ein elektrischer Strom ist, der den Elektromagnet durchfließt. Vorteilhafterweise kann durch Anlegen eines Magnetfeldes sowohl eine Verformung der zweiten Membran hin zur ersten Membran als auch eine Verformung der zweiten Membran weg von der ersten Membran bewirkt werden.The adjustment of the predetermined capacitance of the capacitor by the control unit, can be done by an electromagnet, which comprises the control unit. The electromagnet provides an adjustable magnetic field. The electromagnet is arranged on a side remote from the first membrane side of the second membrane, wherein the actuating signal is an electric current flowing through the electromagnet. Advantageously, by applying a magnetic field both a deformation of the second membrane towards the first membrane and a deformation of the second membrane away from the first membrane can be effected.
Die Einstellung der vorgegebenen Kapazität des Kondensators kann durch die Regelungseinheit, welche eine Erregerelektrode umfasst, erfolgen. Die Erregerelektrode ist auf einer von der ersten Membran abgewandten Seite der zweiten Membran angeordnet, wobei das Stellsignal eine elektrische Spannung ist, die zwischen der Erregerelektrode und der zweiten Membran angelegt wird. Dies ist vorteilhaft, da die elektrische Spannung auf einfache Weise durch einen Auswerteschaltkreis generiert und gemessen werden kann. The setting of the predetermined capacitance of the capacitor can be done by the control unit, which comprises an excitation electrode. The exciter electrode is arranged on a side of the second diaphragm which faces away from the first diaphragm, wherein the actuating signal is an electrical voltage which is applied between the exciter electrode and the second diaphragm. This is advantageous because the electrical voltage can be generated and measured in a simple manner by an evaluation circuit.
Die Einstellung der vorgegebenen Kapazität des Kondensators kann durch Erwärmen der zweiten Membran erfolgen, wobei das Stellsignal ein elektrischer Strom ist, der die zweite Membran zumindest teilweise durchfließt. Dies ist vorteilhaft, da der elektrische Strom einfach erzeugt werden kann.The setting of the predetermined capacitance of the capacitor can be effected by heating the second membrane, wherein the actuating signal is an electric current which flows through the second membrane at least partially. This is advantageous because the electric current can be easily generated.
Alternativ kann die Einstellung der vorgegebenen Kapazität des Kondensators durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht erfolgen, wobei das Stellsignal die elektrische Spannung ist. Dies ist vorteilhaft, da die elektrische Spannung auf einfache Weise durch einen Auswerteschaltkreis generiert und gemessen werden kann.Alternatively, the setting of the predetermined capacitance of the capacitor can be effected by applying an electrical voltage to the piezoelectric layer, wherein the actuating signal is the electrical voltage. This is advantageous because the electrical voltage can be generated and measured in a simple manner by an evaluation circuit.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Like reference numerals in the figures indicate the same or equivalent elements.
Es zeigenShow it
1 einen Querschnitt eines Drucksensors, der mit keinem zu messenden Druck beaufschlagt ist, 1 a cross section of a pressure sensor which is subjected to no pressure to be measured,
2 einen Querschnitt des Drucksensors aus 1, der mit einem zu messenden Druck beaufschlagt ist, 2 a cross section of the pressure sensor 1 which is subjected to a pressure to be measured,
3 eine Draufsicht auf eine Planarspule auf einem Substrat, 3 a plan view of a planar coil on a substrate,
4 einen Querschnitt eines Drucksensors mit Kontaktierungen der ersten Membran und der zweiten Membran, 4 a cross section of a pressure sensor with contacts of the first membrane and the second membrane,
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung eines Drucks, 5 a flow chart of a method for determining a pressure,
6 ein Flussdiagramm, welches eine Funktion der Regelungseinheit zeigt, 6 a flow chart showing a function of the control unit,
7–21 ein Herstellungsverfahren eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, 7 - 21 a manufacturing method of a pressure sensor according to an embodiment,
22 einen Querschnitt eines Drucksensors mit Erregerelektrode, 22 a cross section of a pressure sensor with excitation electrode,
23 einen Querschnitt eines Drucksensors mit einer zweiten Membran, die aus zwei Schichten aufgebaut ist, 23 a cross section of a pressure sensor with a second membrane, which is composed of two layers,
24 eine Draufsicht auf die zweiten Membran, die Perforationen aufweist 24 a plan view of the second membrane having perforations
25 einen Querschnitt eines Drucksensors mit einer zweiten Membran, die aus zwei Schichten aufgebaut ist, 25 a cross section of a pressure sensor with a second membrane, which is composed of two layers,
26 einen Querschnitt eines Drucksensors mit einer zweiten Membran, die aus zwei Schichten aufgebaut ist, und einer Planarspule, 26 a cross section of a pressure sensor with a second membrane, which is composed of two layers, and a planar coil,
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Das den nachfolgenden Ausführungsbeispielen zugrundeliegende Prinzip besteht darin, dass eine erste Membran mit einem Druck beaufschlagt wird und dass ein Abstand zwischen der ersten Membran und einer zweiten Membran, die zusammen einen Kondensator bilden, derart nachgeregelt wird, dass die Kapazität des Kondensators konstant gehalten wird. Die Kapazität kann mit bekannten Mitteln bestimmt werden. Beispielsweise kann der Kondensator in einem Schwingkreis mit einer Spule verschaltet werden. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist durch gegeben, wobei C die Kapazität und L die Induktivität der Spule bezeichnet. Aus der Messung der Resonanzfrequenz kann bei bekannter Induktivität der Spule die Kapazität des Kondensators berechnet werden. Die Messung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise über einen Zähler realisiert werden, wobei als Referenztakt der ohnehin vorhandene Systemtakt einer Schaltung der Auswerteeinheit verwendet wird.The underlying principle of the following embodiments is that a first membrane is pressurized and that a distance between the first membrane and a second membrane, which together form a capacitor, is readjusted such that the capacitance of the capacitor is kept constant. The capacity can be determined by known means. For example, the capacitor can be connected in a resonant circuit with a coil. The resonant frequency of the resonant circuit is through where C is the capacitance and L is the inductance of the coil. From the measurement of the resonance frequency, the capacitance of the capacitor can be calculated with known inductance of the coil. The measurement of the resonance frequency can be realized, for example, via a counter, the reference clock used being the already existing system clock of a circuit of the evaluation unit.
1 zeigt einen Querschnitt eines Drucksensors 100. Der Drucksensor 100 umfasst eine erste Membran 103, die dazu ausgelegt ist sich in Abhängigkeit eines auf die erste Membran 103 wirkenden Drucks 1 zu verformen. Der Drucksensor 100 umfasst des Weiteren eine zweite Membran 104. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Drucksensor 100 zudem eine Haltestruktur 107, welche die erste Membran 103 und die zweite Membran 104 beabstandet. Die erste Membran 103 ist in einer ersten Ebene parallel zur x-y-Ebene ausgebildet. Die zweite Membran 104 ist in einer zweiten Ebene parallel zur x-y-Ebene ausgebildet. Die erste Ebene und die zweite Ebene stimmen hierbei nicht überein. Die zweite Membran 104 wird durch die Haltestruktur 107 parallel zu der ersten Membran 103 gehalten. Die erste Membran 103, die zweite Membran 104 und die Haltestruktur 107 bilden Begrenzungsflächen einer zweiten Kavität 105, wobei die zweite Kavität 105 einen ersten Referenzdruck einschließt. Auf einer von der ersten Membran abgewandten Seite 301 der zweiten Membran 104 bildet die zweite Membran 104 eine erste Begrenzungsfläche 300 einer ersten Kavität 106. Alternativ kann die zweite Membran 104 nur teilweise die erste Begrenzungsfläche 300 der ersten Kavität 106 bilden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Haltestruktur 107 zusammen mit der zweiten Membran 104 die erste Begrenzungsfläche 300 bilden. Parallel zur zweiten Membran 104 und in einem Abstand zur zweiten Membran 104 ist ein Substrat 101 angeordnet. Der Abstand zwischen der zweiten Membran 104 und dem Substrat 101 wird durch eine Tragestruktur 108 bestimmt. Dieser Abstand beträgt hierbei insbesondere zwischen 100 nm und 5 μm. Die Tragestruktur 108 sollte aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet werden. Beispielsweise ist die Tragestruktur 108 aus Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (SiNx) ausgebildet, da diese Materialien leicht abgeschieden werden können und zudem eine niedrige thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Tragestruktur 108 bildet eine Verbindung zwischen dem Substrat 101 und der ersten Begrenzungsfläche 300. Die Tragestruktur 108, die erste Begrenzungsfläche 300 und das Substrat 101 bilden Begrenzungsflächen der ersten Kavität 106. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel schließt die erste Kavität 106 einen Referenzdruck ein. Dieser kann mit dem ersten Referenzdruck übereinstimmen oder sich von diesem unterscheiden. Wenn der erste Referenzdruck und der Referenzdruck übereinstimmen sollen, kann als zweite Membran 104 eine Membran mit Perforationen 112 angeordnet werden, wie sie beispielsweise in 21 oder 24 gezeigt ist, sodass sich ein gemeinsamer, identischer, insbesondere bekannter Referenzdruck in der ersten Kavität 106 und der zweiten Kavität 105 einstellt. Somit wird eine Absolutdruckmessung ermöglicht. Das Substrat 101 umfasst vorzugsweise eine Regelungseinheit 200 (hier nicht dargestellt) zur Einstellung einer vorgegebenen Kapazität 201. Des Weiteren kann eine Auswerteeinheit 203 in das Substrat 101 integriert sein. In diesem Fall zeigt die 1 dann eine Drucksensoranordnung, die den Drucksensor 100 und die Auswerteeinheit 203 umfasst. Das Substrat 101 kann kostengünstig in CMOS-Technologie auf Siliziumbasis hergestellt werden. 1 shows a cross section of a pressure sensor 100 , The pressure sensor 100 includes a first membrane 103 which is designed to be a function of one on the first membrane 103 acting pressure 1 to deform. The pressure sensor 100 further comprises a second membrane 104 , In this embodiment, the pressure sensor comprises 100 also a holding structure 107 which is the first membrane 103 and the second membrane 104 spaced. The first membrane 103 is formed in a first plane parallel to the xy plane. The second membrane 104 is formed in a second plane parallel to the xy plane. The first level and the second level do not match. The second membrane 104 gets through the holding structure 107 parallel to the first membrane 103 held. The first membrane 103 , the second membrane 104 and the support structure 107 form boundary surfaces of a second cavity 105 , wherein the second cavity 105 includes a first reference pressure. On a side facing away from the first membrane 301 the second membrane 104 forms the second membrane 104 a first boundary surface 300 a first cavity 106 , Alternatively, the second membrane 104 just partly the first boundary surface 300 the first cavity 106 form. For example, at least a part of the support structure 107 together with the second membrane 104 the first boundary surface 300 form. Parallel to the second membrane 104 and at a distance to the second membrane 104 is a substrate 101 arranged. The distance between the second membrane 104 and the substrate 101 is through a support structure 108 certainly. This distance is in this case in particular between 100 nm and 5 microns. The carrying structure 108 should be formed of an electrically insulating material. For example, the support structure 108 made of silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN x ), since these materials can be easily deposited and also have a low thermal and electrical conductivity. The carrying structure 108 forms a bond between the substrate 101 and the first boundary surface 300 , The carrying structure 108 , the first boundary surface 300 and the substrate 101 form boundary surfaces of the first cavity 106 , In the in 1 shown embodiment, the first cavity closes 106 a reference pressure. This may coincide with or differ from the first reference pressure. If the first reference pressure and the reference pressure are to match, the second membrane may be used 104 a membrane with perforations 112 be arranged, as for example in 21 or 24 is shown, so that a common, identical, in particular known reference pressure in the first cavity 106 and the second cavity 105 established. Thus, an absolute pressure measurement is possible. The substrate 101 preferably comprises a control unit 200 (not shown here) for setting a predetermined capacity 201 , Furthermore, an evaluation unit 203 in the substrate 101 be integrated. In this case, the shows 1 then a pressure sensor assembly, the pressure sensor 100 and the evaluation unit 203 includes. The substrate 101 can be inexpensively manufactured in silicon-based CMOS technology.
Alternativ kann die Auswerteeinheit 203 als separates Element ausgebildet sein. Ein Stellsignal 202 der Regelungseinheit 200, welches zur Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität 201 dient und welches damit ein Maß für den auf die erste Membran 103 wirkenden Druck 1 ist, wird vom Drucksensor 100 an die Auswerteeinheit 203 übermittelt und dort ausgewertet. Die Übermittlung kann beispielsweise über eine Internetanbindung, WLAN, USB, Bluetooth oder Infrarotstrahlung realisiert werden. Der Drucksensor 100 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kommunikationsschnittstelle auf, um Daten zu senden und die Auswerteeinheit 203 ist in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgelegt Daten vom Drucksensor 100 zu empfangen.Alternatively, the evaluation unit 203 be formed as a separate element. A control signal 202 the control unit 200 which is for adjustment 3 the predetermined capacity 201 serves and which thus a measure of the on the first membrane 103 acting pressure 1 is, is from the pressure sensor 100 to the evaluation unit 203 transmitted and evaluated there. The transmission can be realized for example via an Internet connection, WLAN, USB, Bluetooth or infrared radiation. The pressure sensor 100 has in this embodiment, a communication interface to send data and the evaluation 203 is in this embodiment designed to data from the pressure sensor 100 to recieve.
1 zeigt einen Drucksensor 100 mit magnetischer Aktuierung. Daher ist innerhalb der ersten Kavität 106 auf einer der zweiten Membran 104 gegenüberliegenden Begrenzungsfläche auf dem Substrat 101 eine Planarspule 102'' angeordnet, wie sie in 3 in einer Draufsicht gezeigt ist. Um Kurzschlüsse zu vermeiden ist die Planarspule 102'' durch eine elektrisch isolierende Schicht 102' vom Substrat 101 isoliert. Zur elektrischen Kontaktierung ist die Planarspule 102'', wie in 3 gezeigt, in einem ersten Kontaktierungspunkt 109' und einem zweiten Kontaktierungspunkt 109'' mit dem Substrat 101 elektrisch verbunden und kann über diese Kontaktierungspunkte 109', 109'' durch eine im Substrat 101 integrierte Schaltungstechnik mit Strom versorgt werden. Die Planarspule 102'' ist ein Elektromagnet 102. Alternativ können auch andere Elektromagneten 102 statt der Planarspule 102'' angeordnet werden. 1 shows a pressure sensor 100 with magnetic actuation. Therefore, within the first cavity 106 on one of the second membrane 104 opposite boundary surface on the substrate 101 a planar coil 102 '' arranged as they are in 3 is shown in a plan view. To avoid short circuits is the planar coil 102 '' through an electrically insulating layer 102 ' from the substrate 101 isolated. For electrical contacting is the planar coil 102 '' , as in 3 shown in a first contact point 109 ' and a second contact point 109 '' with the substrate 101 electrically connected and can via these contact points 109 ' . 109 '' through one in the substrate 101 integrated circuit technology to be powered. The planar coil 102 '' is an electromagnet 102 , Alternatively, other electromagnets can be used 102 instead of the planar coil 102 '' to be ordered.
In 1 befindet sich der Drucksensor 100 in einem Ruhezustand. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die erste Membran 103 und die zweite Membran 104 im Ruhezustand keine Verformung auf. Die erste Membran 103 und die zweite Membran 104 sind jeweils aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und bilden somit einen Kondensator. Eine Kapazität des Kondensators hängt vom Abstand der Membrane 103, 104 zueinander ab. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen den Membranen 103, 104 durch die Haltestruktur 107 bestimmt. Die Haltestruktur 107 ist aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet. Beispielsweise ist die Haltestruktur 107 aus Siliziumdioxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (SiNx) ausgebildet, da diese Materialien leicht abgeschieden werden können und eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da somit darunterliegende Schichten, insbesondere die Schaltung der Auswerteeinheit 203, vor hohen Temperaturen geschützt werden, auch wenn die erste Membran 103 hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Drucksensor 100 direkt in eine Glühstiftkerze integriert wird. Der Drucksensor 100 ist somit robust gegenüber Temperatureinflüssen. Die Dicke der Haltestruktur 107 wird derart gewählt, dass die erste Membran 103 und die zweite Membran 104 im Ruhezustand in einem Abstand im Bereich von 10 nm bis einige wenige μm zueinander angeordnet sind. Im Ruhezustand weist der Kondensator somit eine erste Kapazität auf, deren Wert aufgrund dieser Wahl des Abstands der Membrane 103, 104 in einem gut messbaren Bereich liegt. Die erste Kapazität kann wie vorstehend beschrieben gemessen werden. In diesem und auch in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, wenn nicht anders beschrieben, ist die vorgegebene Kapazität 201 gleich der ersten Kapazität. Die gemessene erste Kapazität wird daher an die Regelungseinheit 200 übermittelt und dient dort als Sollwert. Die Funktion der Regelungseinheit 200 ist weiter unten detaillierter beschrieben.In 1 is the pressure sensor 100 in a resting state. In this embodiment, the first membrane 103 and the second membrane 104 at rest, no deformation. The first membrane 103 and the second membrane 104 are each formed of an electrically conductive material and thus form a capacitor. A capacitance of the capacitor depends on the distance of the diaphragm 103 . 104 to each other. In this embodiment, the distance between the membranes 103 . 104 through the support structure 107 certainly. The holding structure 107 is formed of an electrically insulating material. For example, the holding structure 107 of silicon dioxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN x ), since these materials are easily deposited and have low thermal conductivity. This is advantageous because underlying layers, in particular the circuit of the evaluation unit 203 , be protected from high temperatures, even if the first membrane 103 is exposed to high temperatures. This is the case, for example, when the pressure sensor 100 is integrated directly into a glow plug. The pressure sensor 100 is therefore robust against temperature influences. The thickness of the support structure 107 is chosen such that the first membrane 103 and the second membrane 104 are arranged in the rest state at a distance in the range of 10 nm to a few microns to each other. At rest, the capacitor thus has a first capacity whose value due to this choice of the distance of the membrane 103 . 104 in a well measurable area. The first capacity can be measured as described above. In this and also in the following embodiments, unless otherwise described, the predetermined capacity 201 equal to the first capacity. The measured first capacity is therefore sent to the control unit 200 transmitted and serves as setpoint. The function of the control unit 200 is described in more detail below.
Alternativ kann der Ruhezustand so gewählt werden, dass die erste Membran 103 und/oder die zweite Membran 104 eine initiale Verformung aufweisen. Die erste Membran 104 kann beispielsweise in Richtung der positiven oder der negativen z-Richtung gewölbt sein. Alternatively, the resting state can be chosen so that the first membrane 103 and / or the second membrane 104 have an initial deformation. The first membrane 104 may be curved in the direction of the positive or the negative z-direction, for example.
2 zeigt einen Querschnitt des Drucksensors 100 bzw. der Drucksensoranordnung aus 1, wobei der Drucksensor 100 mit einem Druck 1 beaufschlagt ist, der gemessen werden soll. Der Druck 1 wirkt von einer von der zweiten Membran 104 abgewandten Seite der ersten Membran 103 entlang der negativen z-Richtung auf die ersten Membran 103. Der Druck 1 wird in 2 durch einen dicken Pfeil symbolisiert. Durch den Druck 1 wird die erste Membran 103 verformt, wie dies in 2 skizziert ist. In dem in 2 gezeigten Fall ist der Druck 1 größer als der Referenzdruck, der in diesem Ausführungsbeispiel in der beiden Kavitäten 105, 106 vorliegt, sodass sich die erste Membran 103 in Richtung der zweiten Membran 104 durchbiegt. 2 shows a cross section of the pressure sensor 100 or the pressure sensor arrangement 1 , wherein the pressure sensor 100 with a pressure 1 is applied, which is to be measured. The pressure 1 acts from one of the second membrane 104 opposite side of the first membrane 103 along the negative z-direction to the first membrane 103 , The pressure 1 is in 2 symbolized by a thick arrow. By the pressure 1 becomes the first membrane 103 deformed, as in 2 outlined. In the in 2 case shown is the pressure 1 greater than the reference pressure, which in this embodiment in the two cavities 105 . 106 is present, so that the first membrane 103 in the direction of the second membrane 104 sags.
Durch die Verformung der ersten Membran 103 ändert sich die Kapazität des Kondensators. Die Regelungseinheit 200 regelt mittels des Stellsignals 202 die Kapazität des Kondensators derart, dass sich eine vorgegebene Kapazität 201 einstellt. Diese stimmt in diesem Ausführungsbeispiel mit der ersten Kapazität überein. Die Einstellung der vorgegebenen Kapazität 201 kann insbesondere über eine Aktuierung der zweiten Membran 104 durch die Regelungseinheit 200 erfolgen. Die Aktuierung kann je nach Ausführungsform des Drucksensors 100 mittels verschiedener nachfolgend beschriebener Verfahren erfolgen. Mittels des Stellsignals 202 wird die zweite Membran 104 derart verformt, dass sich die vorgegebene Kapazität 201 des Kondensators einstellt. Das zugehörige Stellsignal 202, welches beispielsweise je nach Aktuierung ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein kann, ist ein Maß für den auf die erste Membran 103 wirkenden Druck 1. In 2 ist die vorgegebene Kapazität 201 bereits eingestellt. Die zweite Membran ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch leitfähigen, magnetischen Material ausgebildet, welches parallel oder antiparallel zur z-Richtung, also out-of-plane, magnetisiert ist. Die zweite Membran 104 weist eine Schichtdicke im Bereich von einigen 10 nm bis zu etwa 20 μm, je nach gewünschtem Druckmessbereich, auf. Die zweite Membran 104 kann beispielsweise aus Kobalt-Eisen-Bor (CoFeBx) ausgebildet sein. Dieses Material weist eine inhärente out-of-plane Anisotropie auf und kann mittels standardmäßig verfügbarer Prozesse wie Ionenstrahlzerstäubung abgeschieden werden. Alternativ kann die zweite Membran 104 aus Permalloy ausgebildet sein. Hierbei sollte die out-of-plane Magnetisierung während des Abscheidevorgangs realisiert werden. Weitere geeignete Materialien sind beispielsweise Neodym-Eisen-Bor (NdFeBx), Nickel (Ni), Kobalt (Co) und Samarium-Kobalt (SmCo5).By the deformation of the first membrane 103 the capacitance of the capacitor changes. The control unit 200 controls by means of the control signal 202 the capacitance of the capacitor such that a given capacity 201 established. This agrees in this embodiment with the first capacity. The setting of the given capacity 201 can in particular via an actuation of the second membrane 104 through the control unit 200 respectively. The actuation may, depending on the embodiment of the pressure sensor 100 done by various methods described below. By means of the control signal 202 becomes the second membrane 104 deformed so that the given capacity 201 of the capacitor. The associated control signal 202 which can be, for example, depending on the Aktuierung an electric current or an electrical voltage is a measure of the on the first membrane 103 acting pressure 1 , In 2 is the given capacity 201 already set. The second membrane is formed in this embodiment of an electrically conductive, magnetic material which is parallel or anti-parallel to the z-direction, ie out-of-plane, magnetized. The second membrane 104 has a layer thickness in the range of a few 10 nm up to about 20 μm, depending on the desired pressure measuring range. The second membrane 104 For example, it may be formed of cobalt-iron-boron (CoFeB x ). This material has inherent out-of-plane anisotropy and can be deposited by standard available processes such as ion beam sputtering. Alternatively, the second membrane 104 be formed of permalloy. In this case, the out-of-plane magnetization should be realized during the deposition process. Other suitable materials include neodymium-iron-boron (NdFeB x ), nickel (Ni), cobalt (Co) and samarium cobalt (SmCo 5 ).
Die erste Membran 103 ist in allen Ausführungsbeispielen, sofern nicht anders beschrieben, aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) ausgebildet ist, wobei das Siliziumkarbid je nach Druckmessbereich Schichtdicken im Bereich einiger hundert nm bis einiger 10 μm aufweist. Siliziumkarbid zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und für die Anwendung als drucksensierende Membran vorteilhafte mechanische und elektrische Eigenschaften aus. Alternativ kann die erste Membran 103 auch aus Silizium (Si) oder einem Metall ausgebildet sein.The first membrane 103 is in all embodiments, unless otherwise stated, formed of an electrically conductive material, such as silicon carbide (SiC), wherein the silicon carbide depending on the pressure measurement range has layer thicknesses in the range of several hundred nm to several 10 microns. Silicon carbide is characterized by a high thermal conductivity and advantageous for use as a pressure-sensitive membrane mechanical and electrical properties. Alternatively, the first membrane 103 also be formed of silicon (Si) or a metal.
Die erste Membran 103 und die zweite Membran 104 weisen in einer Draufsicht auf die erste Ebene bzw. die zweite Ebene vorzugsweise eine runde oder alternativ eine quadratische Form auf. Andere Formen sind ebenfalls möglich. Typische Abmessungen der Formen liegen im Bereich von 10 μm bis zu einigen 100 μm. Durch die kleinen Abmessungen ist eine einfache Integration des Drucksensors 100 am Applikationsort, wie beispielsweise direkt in die Zylinderkopfkomponente, insbesondere in eine Glühstiftkerze oder in einen Injektor, möglich.The first membrane 103 and the second membrane 104 In a plan view of the first plane and the second plane preferably have a round or alternatively a square shape. Other shapes are also possible. Typical dimensions of the molds are in the range of 10 microns to several 100 microns. Due to the small dimensions is a simple integration of the pressure sensor 100 at the application, such as directly into the cylinder head component, in particular in a glow plug or in an injector, possible.
Material bzw. Materialien und Dicke der zweiten Membran 104 hängen stark davon ab, mit welchen Mitteln die Regelungseinheit 200 eine vorgegebene Kapazität 201 einstellt, d. h. mit welchen Mitteln eine Aktuierung der zweiten Membran 104 erfolgt.Material or materials and thickness of the second membrane 104 depend strongly on the means by which the regulatory unit 200 a predetermined capacity 201 adjusts, ie by what means an actuation of the second membrane 104 he follows.
Die verschiedenen Mittel zur Aktuierung sind unter anderem Gegenstand der in 22 bis 26 gezeigten Ausführungsbeispiele.The various means of actuation are among others the subject of 22 to 26 shown embodiments.
In 1 und 2 ist ein Drucksensor 100 mit magnetischer Aktuierung gezeigt. Die zweite Membran 104 ist aus einem magnetischen, elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Die Aktuierung der zweiten Membran zur Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität 201 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel mittels eines Elektromagneten 102, der auf dem Substrat 101 gegenüber der zweiten Membran 104 angeordnet ist. Der Elektromagnet 102 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Planarspule 102'' realisiert. Um Kurzschlüsse zu vermeiden ist die Planarspule 102'' durch eine elektrisch isolierende Schicht 102' vom Substrat 101 elektrisch isoliert. Die isolierende Schicht 102' ist in nachfolgenden Figuren nicht mehr explizit dargestellt. In 3 ist eine Draufsicht auf das Substrat 101 mit der Planarspule 102'' dargestellt. Zur elektrischen Kontaktierung ist die Planarspule 102'', wie in 3 gezeigt, in einem ersten Kontaktierungspunkt 109' und einem zweiten Kontaktierungspunkt 109'' mit dem Substrat 101 elektrisch verbunden. Über diese Kontaktierungspunkte 109', 109'' kann die Planarspule 102'' beispielsweise durch eine im Substrat 101 integrierte Schaltungstechnik mit Strom versorgt werden. Durchfließt ein elektrischer Strom die Planarspule 102'', so ist die Planarspule 102'' von einem Magnetfeld umgeben, dessen Stärke proportional zur elektrischen Stromstärke ist. Die Magnetfeldlinien weisen aus einer zur x-y-Ebene parallelen Ebene, in der die Planarspule 102'' angeordnet ist, heraus. Die Planarspule 102'' generiert somit ein out-of-plane Magnetfeld. Entsprechend der Gesetze der Magnetostatik verformt sich die zweite Membran 104 in diesem Magnetfeld. Durch die Stärke des Magnetfelds, welche durch den elektrischen Strom eingestellt werden kann, ist die Verformung der zweiten Membran 104 einstellbar. Folglich ist die Kapazität des Kondensators einstellbar. Durch Einstellung eines geeigneten elektrischen Stroms, der die Planarspule 102'' durchfließt, kann somit die Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität 201 erfolgen. Der hierfür benötigte Strom ist ein Maß für den Druck 1, der die Verformung der ersten Membran 103 hervorgerufen hat.In 1 and 2 is a pressure sensor 100 shown with magnetic actuation. The second membrane 104 is formed of a magnetic, electrically conductive material. The actuation of the second membrane for adjustment 3 the predetermined capacity 201 takes place in this embodiment by means of an electromagnet 102 that on the substrate 101 opposite the second membrane 104 is arranged. The electromagnet 102 is in this embodiment by a planar coil 102 '' realized. To avoid short circuits is the planar coil 102 '' through an electrically insulating layer 102 ' from the substrate 101 electrically isolated. The insulating layer 102 ' is no longer explicitly shown in subsequent figures. In 3 is a plan view of the substrate 101 with the planar coil 102 '' shown. For electrical contacting is the planar coil 102 '' , as in 3 shown in a first contact point 109 ' and a second contact point 109 '' with the substrate 101 electrically connected. About these contact points 109 ' . 109 '' can the planar coil 102 '' for example one in the substrate 101 integrated circuit technology to be powered. An electric current flows through the planar coil 102 '' so is the planar coil 102 '' surrounded by a magnetic field whose magnitude is proportional to the electric current. The magnetic field lines point from a plane parallel to the xy plane in which the planar coil 102 '' is arranged out. The planar coil 102 '' thus generates an out-of-plane magnetic field. According to the laws of magnetostatics deforms the second membrane 104 in this magnetic field. Due to the strength of the magnetic field, which can be adjusted by the electric current, the deformation of the second membrane 104 adjustable. Consequently, the capacitance of the capacitor is adjustable. By setting a suitable electrical current, the planar coil 102 '' flows through, so can the setting 3 the predetermined capacity 201 respectively. The required power is a measure of the pressure 1 that the deformation of the first membrane 103 has caused.
Ist der Druck 1 kleiner als der Referenzdruck, so erfährt die erste Membran 103 in 2 eine Durchbiegung in Richtung positiver z-Richtung (nicht dargestellt). In diesem Fall kann durch Anlegen des elektrischen Stromes an die Planarspule 102'' ein Magnetfeld erzeugt werden, welches die zweite Membran 104 abstößt, sodass auch diese eine Durchbiegung in Richtung positiver z-Achse erfährt. Somit ist auch in diesem Fall die Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität 201 und damit eine Bestimmung des Drucks 1 analog zum in 2 gezeigten Fall möglich.Is the pressure 1 Less than the reference pressure, so learns the first membrane 103 in 2 a deflection in the direction of the positive z-direction (not shown). In this case, by applying the electric current to the planar coil 102 '' a magnetic field is generated, which is the second membrane 104 repels, so that this also undergoes a deflection in the direction of the positive z-axis. Thus, in this case is the setting 3 the predetermined capacity 201 and thus a determination of the pressure 1 analogous to in 2 possible case shown.
4 zeigt den Drucksensor 100 aus 1 und 2, wobei die erste elektrische Kontaktierung 110' der ersten Membran 103 und die zweite elektrische Kontaktierung 110'' der zweiten Membran 104 dargestellt sind. Die erste Kontaktierung 110' ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und stellt eine elektrische Verbindung zwischen einer in dem Substrat 101 integrierten Schaltungstechnik und der ersten Membran 103 dar. Die erste Kontaktierung 110' durchdringt in 4 die Haltestruktur 107 und die Tragestruktur 108. Analog dazu ist auch die zweite Kontaktierung 110'' aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Sie stellt eine elektrische Verbindung zwischen einer in dem Substrat 101 integrierten Schaltungstechnik und der zweiten Membran 104 dar. In 4 ist die zweite Kontaktierung 110'' in der Tragestruktur 108 angeordnet. Durch die erste Kontaktierung 110' und die zweite Kontaktierung 110'' ist es möglich die Kapazität des Kondensators, beispielsweise durch Verschaltung des Kapazität des Kondensators in einen Schwingkreis mit einer Spule, wie oben beschrieben, zu ermitteln. 4 shows the pressure sensor 100 out 1 and 2 , wherein the first electrical contact 110 ' the first membrane 103 and the second electrical contact 110 '' the second membrane 104 are shown. The first contact 110 ' is formed of an electrically conductive material and provides an electrical connection between one in the substrate 101 integrated circuit technology and the first membrane 103 dar. The first contact 110 ' penetrates into 4 the holding structure 107 and the carrying structure 108 , Analogous to this is the second contact 110 '' formed of an electrically conductive material. It provides an electrical connection between one in the substrate 101 integrated circuit technology and the second membrane 104 in this 4 is the second contact 110 '' in the carrying structure 108 arranged. Through the first contact 110 ' and the second contact 110 '' it is possible to determine the capacitance of the capacitor, for example by interconnecting the capacitance of the capacitor in a resonant circuit with a coil, as described above.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ermittlung 3 des Drucks 1 mittels einer Drucksensoranordnung, die einen Drucksensor 100 und eine Auswerteeinheit 203 zur Ermittlung 3 des Drucks 1 aus dem Stellsignal 202 umfasst, beschreibt. Das Verfahren umfasst die Verformung 2 der ersten Membran 103 durch Beaufschlagung der ersten Membran 103 mit dem Druck 1, die Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität 201 des Kondensator durch die Regelungseinheit 200, Ermittlung 4 des auf die erste Membran 103 wirkenden Drucks 1 aus dem Stellsignal 202. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität 201 durch die Regelungseinheit 200. Die Wirkweise der Regelungseinheit 200 ist in der Beschreibung zur 6 dargelegt. Die Ermittlung 4 des auf die erste Membran 103 wirkenden Drucks 1 aus dem Stellsignal 202 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch die Auswerteeinheit 203. In der Auswerteeinheit 203 wird das Stellsignal 202, welches die vorgegebene Kapazität 201 einstellt, dem Druck 1 zugeordnet. Diese Zuordnung kann insbesondere über eine Kennlinie erfolgen. Um eine Kennlinie zu erstellen wird eine Kalibrationsmessung durchgeführt, die dem Stellsignal 202 den Druck 1 zuordnet. Diese Kennlinie wird in der Auswerteeinheit 203 hinterlegt. 5 shows a flowchart illustrating a method for determining 3 the pressure 1 by means of a pressure sensor arrangement comprising a pressure sensor 100 and an evaluation unit 203 for investigation 3 the pressure 1 from the control signal 202 includes, describes. The method involves deformation 2 the first membrane 103 by applying the first membrane 103 with the pressure 1 , the attitude 3 the predetermined capacity 201 of the capacitor through the control unit 200 , Detection 4 on the first membrane 103 acting pressure 1 from the control signal 202 , In this embodiment, the adjustment takes place 3 the predetermined capacity 201 through the control unit 200 , The mode of action of the control unit 200 is in the description of 6 explained. The investigation 4 on the first membrane 103 acting pressure 1 from the control signal 202 takes place in this embodiment by the evaluation unit 203 , In the evaluation unit 203 becomes the control signal 202 which is the given capacity 201 adjusts the pressure 1 assigned. This assignment can be made in particular via a characteristic curve. In order to create a characteristic, a calibration measurement is carried out, which corresponds to the actuating signal 202 the pressure 1 assigns. This characteristic curve is in the evaluation unit 203 deposited.
6 illustriert die Wirkweise der Regelungseinheit 200, die einen Regler 206, eine Messeinheit 207 und ein Differenzelement 208 umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel stimmt die vorgegebene 201 Kapazität mit der ersten Kapazität überein. Die erste Kapazität wird im Ruhezustand wie oben beschrieben gemessen. Die erste Kapazität wird als vorgegebene Kapazität 201, d. h. als Sollwert, der Regelungseinheit 200 übermittelt. Die Messeinheit 207 misst am Kondensator des Drucksensors 100 einen Wert für die Kapazität, der eine Messgröße 209 darstellt. Das Differenzelement 208 der Regelungseinheit 200 bildet die Differenz der vorgegebenen Kapazität 201 und der Messgröße 209. Diese Differenz wird als Regeldifferenz 201' an den Regler 206 übergeben. Dieser ermittelt aus der Regeldifferenz 201' das Stellsignal 202. Das Stellsignal 202 kann beispielsweise ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung sein. Das Stellsignal 202 wird an den Drucksensor 100 bzw. die Drucksensoranordnung übermittelt. Dort bewirkt das Stellsignal 202 eine Änderung der Kapazität des Kondensators. In einem Ausführungsbeispiel bewirkt das Stellsignal 202 eine Verformung der zweiten Membran 104, sodass über die Verformung der zweiten Membran 104 die vorgegebene Kapazität 201 eingestellt werden kann. Stimmt die Kapazität des Kondensators, also die Regelgröße 210 mit der vorgegebenen Kapazität 201 überein, so ist die Regeldifferenz 201' gleich Null. Das Stellsignal 202, bei dem die Regelgröße 210 mit der vorgegebenen Kapazität 201 übereinstimmt, wird an die Auswerteeinheit 203 übermittelt, die dem Stellsignal wie zuvor beschrieben den Druck 1 zuordnet. Welcher physikalischen Größe das Stellsignal 202 entspricht, ist unter anderem davon abhängig, wie die Aktuierung zur Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität erfolgen soll. Das Stellsignal 202 ist im Ausführungsbeispiel aus 2 der elektrische Strom, der durch die Planarspule 102'' fließt, sodass diese von einem Magnetfeld umgeben ist. Dadurch wird die magnetische zweite Membran 104 derart verformt, dass sich am Kondensator die vorgegebene Kapazität 201 einstellt. Die elektrische Stromstärke des elektrischen Stroms, der diese Verformung hervorruft, wird in der Auswerteeinheit 203 dem Druck 1, der auf die erste Membran 103 wirkt, zugeordnet. Die Drucksensoranordnung gibt somit den Druck 1 an, der auf die erste Membran 103 wirkt. Der Druck 1 kann relativ zum Ruhezustand ausgegeben werden oder als Absolutwert. Letzteres ist insbesondere dann möglich, wenn die erste Kavität 106 und die zweite Kavität 105 einen identischen, bekannten Referenzdruck aufweisen. Dies kann beispielsweise mittels Perforationen 112 in der zweiten Membran 104 erreicht werden, wie dies beispielsweise in 21 gezeigt ist. 6 illustrates the mode of action of the control unit 200 that a regulator 206 , a measurement unit 207 and a difference element 208 includes. In this embodiment, the default is correct 201 Capacity with the first capacity match. The first capacity is measured at rest as described above. The first capacity is given as a predetermined capacity 201 , ie as the setpoint, the control unit 200 transmitted. The measuring unit 207 measures at the condenser of the pressure sensor 100 a value for the capacity of a measurand 209 represents. The difference element 208 the control unit 200 forms the difference of the given capacity 201 and the measurand 209 , This difference is called a control difference 201 ' to the controller 206 to hand over. This determines from the control difference 201 ' the control signal 202 , The control signal 202 may be, for example, an electrical current or an electrical voltage. The control signal 202 gets to the pressure sensor 100 or the pressure sensor arrangement transmitted. There, the actuating signal causes 202 a change in the capacitance of the capacitor. In one embodiment, the actuating signal causes 202 a deformation of the second membrane 104 so that over the deformation of the second membrane 104 the given capacity 201 can be adjusted. Is the capacity of the capacitor, that is the controlled variable 210 with the given capacity 201 match, so is the rule difference 201 ' equals zero. The control signal 202 in which the controlled variable 210 with the given capacity 201 matches, is sent to the evaluation unit 203 transmitted to the control signal as described above the pressure 1 assigns. What physical size the control signal 202 depends, among other things, on how the Actuation for adjustment 3 the predetermined capacity is to take place. The control signal 202 is in the embodiment 2 the electric current flowing through the planar coil 102 '' flows, so that it is surrounded by a magnetic field. This becomes the magnetic second membrane 104 deformed so that the capacitance on the capacitor 201 established. The electric current of the electric current that causes this deformation is in the evaluation unit 203 the pressure 1 that on the first membrane 103 acts, assigned. The pressure sensor arrangement thus gives the pressure 1 on, on the first membrane 103 acts. The pressure 1 can be output relative to the idle state or as an absolute value. The latter is possible in particular if the first cavity 106 and the second cavity 105 have an identical, known reference pressure. This can be done, for example, by means of perforations 112 in the second membrane 104 be achieved, as for example in 21 is shown.
Die 7 bis 21 zeigen ein Herstellungsverfahren des in 1 und 2 gezeigten Drucksensors 100 bzw. der dort gezeigten Drucksensoranordnung. 7 zeigt das bereitgestellte Substrat 101, auf dem bereits eine Planarspule 102'' mit isolierender Schicht 102' (hier nicht explizit dargestellt) als Elektromagnet 102 angeordnet ist. In 8 wurde eine erste Opferschicht 10', beispielsweise aus Silizium (Si) oder Siliziumgermanium (SiGe), auf dem Substrat 101 mit der Planarspule 102'' abgeschieden. Die Dicke der ersten Opferschicht 10' definiert den Abstand zwischen der später abgeschiedenen zweiten Membran 104 und dem Substrat 101. Die erste Opferschicht 10' wird derart strukturiert, dass insbesondere der Teil des Substrats 101, auf dem der Elektromagnet 102 angeordnet ist, von der ersten Opferschicht 10' bedeckt bleibt, wohingegen die Substratoberfläche, auf der kein Elektromagnet 102 angeordnet ist, zumindest teilweise freigelegt wird. In 9 ist eine weitere Schicht abgeschieden, die die Tragestruktur 108 bildet. Diese weitere Schicht füllt die freigelegten Bereiche der Substratoberfläche auf, sodass die Tragestruktur 108 bündig mit der ersten Opferschicht 10' abschließt. Gegebenenfalls kann letzteres durch Planarisieren entlang einer Ebene parallel zur Substratoberfläche erreicht werden. Die Tragestruktur 108 wird beispielsweise mittels eines Trenchprozesses (Bosch-Prozess) im Bereich der elektrischen Kontaktierungen der ersten Membran 103 und der zweiten Membran 104 geöffnet. Dieser Schritt ist in 10 dargestellt. Diese Öffnungen werden, wie in 11 gezeigt, mit einem Metall, beispielsweise Aluminium (Al) gefüllt. Diese mit Metall gefüllten Öffnungen bilden die erste Kontaktierung 110' und die zweite Kontaktierung 110''. Es wird die zweite Membran 104 auf die erste Opferschicht 10' und die Tragestruktur 108 abgeschieden, sodass die zweite Membran elektrisch mit der zweiten Kontaktierung 110'' verbunden ist. Die Bereiche der ersten Kontaktierung 110' bleiben hierbei frei, sodass die zweite Membran 104 nicht elektrisch mit der ersten Kontaktierung 110' verbunden ist. Dies ist in 12 gezeigt. In 13 wird die zweite Membran 104 mit Perforationen 112 versehen, um einen Ätzzugang zur ersten Opferschicht 10' bereitzustellen. Auf die zweite Membran 104 wird eine zweite Opferschicht 10'' abgeschieden und derart strukturiert, dass ihre Abmessungen in der Ebene parallel zur Substratoberfläche mit denen der ersten Opferschicht 10' übereinstimmen, wie dies in 14 zu sehen ist. Es wird in 15 eine Schicht, die die Haltestruktur 107 bilden wird, abgeschieden und eventuell planarisiert, sodass sie zusammen mit der zweiten Opferschicht 10'' eine ebene Fläche parallel zur Substratoberfläche bildet. Die Haltestruktur 107 wird im Bereich der ersten Kontaktierung 110', beispielsweise durch einen Trench-Prozess (Bosch-Prozess) geöffnet (16) und mit Metall, beispielsweise Aluminium (Al) gefüllt (17). In 18 ist die erste Membran 103 auf die Oberfläche parallel zur Substratoberfläche aufgebracht. Zur Herstellung eines Zugangs 11 zur zweiten Opferschicht 10'' wird beispielsweise mittels eines Lasers die erste Membran 103 geöffnet, wie in 19 dargestellt ist. Die zweite Opferschicht 10'' und die erste Opferschicht 10' werden beispielsweise durch Einleiten eines Ätzgases durch den Zugang 11 entfernt. Als Ätzgas eignen sich beispielsweise fluorhaltige Gase wie Xenondifluorid (XeF2) oder Chlorfluorid (ClF3). Es ergibt sich der in 20 gezeigte Aufbau. Der Zugang 11 wird verschlossen. Dies kann beispielsweise mittels eines Lasers erreicht werden. Beim Verschließen sollte der Drucksensor 100 bzw. die Drucksensoranordnung in einer Umgebung mit konstantem, vorzugsweise bekanntem Druck, der als Referenzdruck gewählt wurde, verbleiben, sodass durch das Verschließen dieser Druck in den Kavitäten 105, 106 eingeschlossen wird. Somit kann der Drucksensor 100 anschließend auch für Absolutdruckmessungen verwendet werden.The 7 to 21 show a manufacturing method of in 1 and 2 shown pressure sensor 100 or the pressure sensor arrangement shown there. 7 shows the substrate provided 101 , on which already a planar coil 102 '' with insulating layer 102 ' (not explicitly shown here) as an electromagnet 102 is arranged. In 8th became a first sacrificial layer 10 ' For example, of silicon (Si) or silicon germanium (SiGe), on the substrate 101 with the planar coil 102 '' deposited. The thickness of the first sacrificial layer 10 ' defines the distance between the later deposited second membrane 104 and the substrate 101 , The first sacrificial layer 10 ' is structured such that in particular the part of the substrate 101 on which the electromagnet 102 is arranged from the first sacrificial layer 10 ' remains covered, whereas the substrate surface on which no electromagnet 102 is arranged, at least partially exposed. In 9 Another layer is deposited, which is the support structure 108 forms. This additional layer fills the exposed areas of the substrate surface so that the support structure 108 flush with the first sacrificial layer 10 ' concludes. Optionally, the latter can be achieved by planarizing along a plane parallel to the substrate surface. The carrying structure 108 is for example by means of a trench process (Bosch process) in the field of electrical contacts of the first membrane 103 and the second membrane 104 open. This step is in 10 shown. These openings will, as in 11 shown filled with a metal, for example aluminum (Al). These metal-filled openings form the first contact 110 ' and the second contact 110 '' , It becomes the second membrane 104 on the first sacrificial layer 10 ' and the carrying structure 108 deposited so that the second membrane is electrically connected to the second contact 110 '' connected is. The areas of the first contact 110 ' stay free, so that the second membrane 104 not electrically with the first contact 110 ' connected is. This is in 12 shown. In 13 becomes the second membrane 104 with perforations 112 provided an etch access to the first sacrificial layer 10 ' provide. On the second membrane 104 becomes a second sacrificial layer 10 '' deposited and structured such that their dimensions in the plane parallel to the substrate surface with those of the first sacrificial layer 10 ' match, as in 14 you can see. It will be in 15 a layer containing the holding structure 107 is formed, deposited and possibly planarized, so that they together with the second sacrificial layer 10 '' forms a flat surface parallel to the substrate surface. The holding structure 107 will be in the area of the first contact 110 ' , for example, opened by a trench process (Bosch process) ( 16 ) and filled with metal, for example aluminum (Al) ( 17 ). In 18 is the first membrane 103 applied to the surface parallel to the substrate surface. For making an access 11 to the second sacrificial layer 10 '' For example, by means of a laser, the first membrane 103 open, as in 19 is shown. The second sacrificial layer 10 '' and the first sacrificial layer 10 ' for example, by introducing an etching gas through the access 11 away. For example, fluorine-containing gases such as xenon difluoride (XeF 2 ) or chlorofluoride (ClF 3 ) are suitable as the etching gas. It results in the 20 shown construction. Access 11 is closed. This can be achieved for example by means of a laser. When closing the pressure sensor should 100 or the pressure sensor assembly in an environment of constant, preferably known pressure, which has been selected as the reference pressure, remain, so by closing this pressure in the cavities 105 . 106 is included. Thus, the pressure sensor 100 subsequently also be used for absolute pressure measurements.
Die nachfolgenden Drucksensoren 100 bzw. Drucksensoranordnungen können in einem ähnlichen Verfahren hergestellt werden.The following pressure sensors 100 or pressure sensor assemblies can be made in a similar process.
Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ist jeweils ein Drucksensor 100 mit verschiedenen Aktuierungen beschrieben. Durch Integration der Auswerteeinheit 203 in das Substrat 101 wird aus dem jeweiligen Drucksensor 100 eine Drucksensoranordnung, auch wenn dies nicht explizit beschrieben ist.In the following embodiments, in each case a pressure sensor 100 described with different actuations. By integration of the evaluation unit 203 in the substrate 101 is from the respective pressure sensor 100 a pressure sensor arrangement, although this is not explicitly described.
22 zeigt einen Drucksensor 100 bzw. Drucksensoranrodnung mit elektrostatischer Aktuierung. Der Drucksensor 100 kann bezüglich Materialien und/oder Abmessungen baugleich zu dem Drucksensor 100 aus 1 und 2 sein, allerdings wird statt des Elektromagneten 102 eine Erregerelektrode 111 auf dem Substrat 101 auf der von der ersten Membran abgewandten Seite 301 der zweiten Membran 104 angeordnet. In 22 ist die zweite Membran 104 aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet. Beispielsweise sind hierfür thermisch beständige Metalle wie Titan (Ti) oder Platin (Pt) geeignet. Alternativ kann die zweite Membran 104 aus Siliziumkarbid (SiC) ausgebildet werden. Die Einstellung 3 der vorgegebenen Kapazität erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die zweite Membran 104 und die Erregerelektrode 111. Dadurch wirkt auf die zweite Membran 104 eine elektrostatische Kraft, sodass die zweite Membran 104 in Richtung der Erregerelektrode 111, abhängig von der Stärke der anliegenden Spannung verformt wird. Hier ist das Stellsignal 202, aus dem der Druck 1 ermittelt werden kann, die elektrische Spannung, bei der sich die zweite Membran derart verformt, dass der Kondensator die vorgegebene Kapazität 201 aufweist. Die Regelung und Auswertung erfolgt analog zur Regelung und Auswertung bei magnetischer Aktuierung, die vorstehend beschrieben ist. 22 shows a pressure sensor 100 or Drucksensoranrodnung with electrostatic actuation. The pressure sensor 100 can with respect to materials and / or dimensions identical to the pressure sensor 100 out 1 and 2 be, however, instead of the electromagnet 102 an excitation electrode 111 on the substrate 101 on the of the first membrane opposite side 301 the second membrane 104 arranged. In 22 is the second membrane 104 formed of an electrically conductive material. For example, thermally stable metals such as titanium (Ti) or platinum (Pt) are suitable for this purpose. Alternatively, the second membrane 104 be formed of silicon carbide (SiC). The attitude 3 the predetermined capacity is effected by applying an electrical voltage to the second membrane 104 and the excitation electrode 111 , This acts on the second membrane 104 an electrostatic force, so that the second membrane 104 in the direction of the excitation electrode 111 , is deformed depending on the strength of the applied voltage. Here is the control signal 202 from which the pressure 1 can be determined, the electrical voltage at which deforms the second membrane such that the capacitor has the predetermined capacity 201 having. The control and evaluation is analogous to the control and evaluation in magnetic actuation, which is described above.
In einer Variante des in 22 gezeigten Ausführungsbeispiels ist das Material zudem magnetisch.In a variant of in 22 In the embodiment shown, the material is also magnetic.
23 zeigt einen Querschnitt eines Drucksensors 100 bzw. Drucksensoranordnung mit thermischer Aktuierung. Der Drucksensor 100 kann bis auf die zweite Membran 104 bezüglich Materialien und/oder Abmessungen baugleich zu dem Drucksensor 100 aus 1 und 2 sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch weder eine Erregerelektrode 111 noch ein Elektromagnet 111 auf dem Substrat angeordnet. Zudem umfasst die zweite Membran 104 in 23 zwei Schichten 1041, 1042 und Perforationen 112, wie in 24 gezeigt ist. Die zweite Schicht 1042 ist beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2) ausgebildet und weist einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Auf der zweiten Schicht 1042 ist die erste Schicht 1041 aufgebracht, die einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Der erste und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient stimmen nicht überein und sollten möglichst stark voneinander abweichen. Die erste Schicht 1041 und die zweite Schicht 1042 weisen jeweils eine Schichtdicke von etwa einigen 10 nm bis wenige μm auf. Beispielsweise sind die zweite Schicht 1042 aus Siliziumdioxid (SiO2) und die erste Schicht 1041 aus Titan (Ti) ausgebildet. Titan (Ti) dehnt sich bei einer Erwärmung deutlich stärker aus als Siliziumdioxid (SiO2). Wird die zweite Membran 104 erwärmt, so kommt es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Verformung der zweiten Membran 104. Durchfließt ein elektrischer Strom die zweite Membran 104 zumindest teilweise, so kommt es aufgrund von der Enstehung von Joulscher Wärme abhängig von der elektrischen Stromstärke zu einer Erwärmung der zweiten Membran 104. In 23 ist die erste Schicht 1041 mittels der ersten Kontaktierung 110' elektrisch kontaktiert. Alternativ können auch beide Schichten 1041, 1042 elektrisch kontaktiert werden. Die erste Kontaktierung 110' dient in diesem Ausführungsbeispiel sowohl zur Kapazitätsmessung als auch zur Bestromung der ersten Schicht 1041, sodass sich die erste Schicht 1041 und die zweite Schicht 1042 erwärmen. Die Verformung der zweiten Membran 104 mittels thermischer Aktuierung kann somit durch die Einstellung der elektrischen Stromstärke des elektrischen Stroms, der die erste Schicht durchfließt, derart eingestellt werden, dass der Kondensator die vorgegebene Kapazität 201 aufweist. Hier ist das Stellsignal 202, aus dem der Druck 1 ermittelt werden kann, die Stromstärke des elektrischen Stroms, bei der sich die zweite Membran 104 derart verformt, dass der Kondensator die vorgegebene Kapazität 201 aufweist. Die Regelung und Auswertung erfolgt analog zur Regelung und Auswertung bei magnetischer Aktuierung, die vorstehend beschrieben ist. 23 shows a cross section of a pressure sensor 100 or pressure sensor arrangement with thermal actuation. The pressure sensor 100 can be down to the second membrane 104 with regard to materials and / or dimensions identical to the pressure sensor 100 out 1 and 2 be. In this embodiment, however, neither an excitation electrode 111 another electromagnet 111 arranged on the substrate. In addition, the second membrane includes 104 in 23 two layers 1041 . 1042 and perforations 112 , as in 24 is shown. The second layer 1042 For example, it is formed of silicon dioxide (SiO 2 ) and has a second thermal expansion coefficient. On the second layer 1042 is the first layer 1041 applied, which has a first thermal expansion coefficient. The first and second coefficients of thermal expansion do not match and should differ as much as possible. The first shift 1041 and the second layer 1042 each have a layer thickness of about a few 10 nm to a few microns. For example, the second layer 1042 of silicon dioxide (SiO 2 ) and the first layer 1041 made of titanium (Ti). Titanium (Ti) expands significantly more when heated than silicon dioxide (SiO 2 ). Will the second membrane 104 heated, so it comes to the deformation of the second membrane due to the different thermal expansion coefficients 104 , An electric current flows through the second membrane 104 At least in part, so it comes to heating of the second membrane due to the emergence of Joulian heat depending on the electric current strength 104 , In 23 is the first layer 1041 by means of the first contact 110 ' electrically contacted. Alternatively, both layers can be used 1041 . 1042 be contacted electrically. The first contact 110 ' serves in this embodiment, both for capacitance measurement and for energizing the first layer 1041 so that the first layer 1041 and the second layer 1042 heat. The deformation of the second membrane 104 By means of thermal actuation can thus be adjusted by adjusting the electric current of the electric current flowing through the first layer, so that the capacitor of the predetermined capacity 201 having. Here is the control signal 202 from which the pressure 1 can be determined, the current intensity of the electric current at which the second diaphragm 104 deformed such that the capacitor has the predetermined capacity 201 having. The control and evaluation is analogous to the control and evaluation in magnetic actuation, which is described above.
25 zeigt einen Querschnitt eines Drucksensors 100 bzw. einer Drucksensoranrordnung mit piezoelektrischer Aktuierung. Der Drucksensor 100 kann bezüglich Materialien und/oder Abmessungen baugleich zu dem Drucksensor 100 aus 1 und 2 sein, wobei die zweite Membran 104 jedoch aus anderen Materialien ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist weder eine Erregerelektrode 111 noch ein Elektromagnet 111 auf dem Substrat 101 angeordnet. Die zweite Membran in 25 umfasst eine dritte Schicht 1043, die aus einem Metall, wie beispielsweise Titan (Ti) oder Aluminium (Al), ausgebildet ist und eine piezoelektrische Schicht 1044, 1042. Die zweite Membran 104 weist in diesem Ausführungsbeispiel Perforationen 112, wie sie beispielsweise in 24 gezeigt sind, auf. Die dritte Schicht 1043 dient zur Messung der Kapazität des Kondensator und ist hierzu elektrisch mit der zweiten Kontaktierung 110'' verbunden. Die zweite Kontaktierung 1102'' verbindet die dritte Schicht mechanisch und elektrisch mit dem Substrat 101 bzw. der Schaltungstechnik, die in das Substrat 101 integriert sein kann. Die piezoelektrische Schicht 1044 ist aus einem piezoelektrischen Material, wie beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), ausgebildet. Die piezoelektrische Schicht 1044 ist über eine dritte elektrische Kontaktierung 110''' mit dem Substrat, in das eine Schaltungstechnik integriert sein kann, verbunden. Die piezoelektrische Schicht 1044 ändert ihre Länge, das heißt sie verformt sich mechanisch, wenn eine elektrische Spannung an die piezoelektrische Schicht 1044 angelegt wird. Die elektrische Spannung kann über die dritte Kontaktierung 110''' an die piezoelektrische Schicht 1044 angelegt werden. Die Verformung der piezoelektrischen Schicht 1044 führt auch zu einer Verformung der dritten Schicht 1043, da die dritte Schicht 1043 auf die piezoelektrische Schicht 1044 aufgebracht ist und sich die Verformung über eine Verbindung der Schichten 1043, 1044 überträgt. Somit kann über Anlegen der elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht 1044 eine Verformung der zweiten Membran 104 und damit eine Änderung der Kapazität des Kondensators eingestellt werden. Das Stellsignal 202, aus dem der Druck 1 bestimmt werden kann, ist hier die elektrische Spannung, die angelegt werden muss, um die zweite Membran 104 derart zu verformen, dass der Kondensator die vorgegebene Kapazität 201 aufweist. Die Regelung und Auswertung erfolgt analog zur Regelung und Auswertung bei magnetischer Aktuierung, die vorstehend beschrieben ist. 25 shows a cross section of a pressure sensor 100 or a pressure sensor arrangement with piezoelectric actuation. The pressure sensor 100 can with respect to materials and / or dimensions identical to the pressure sensor 100 out 1 and 2 be, with the second membrane 104 however, is formed of other materials. In this embodiment, neither an excitation electrode 111 another electromagnet 111 on the substrate 101 arranged. The second membrane in 25 includes a third layer 1043 formed of a metal such as titanium (Ti) or aluminum (Al) and a piezoelectric layer 1044 . 1042 , The second membrane 104 has perforations in this embodiment 112 as they are for example in 24 are shown on. The third layer 1043 serves to measure the capacitance of the capacitor and is electrically connected to the second contact 110 '' connected. The second contact 1102 '' mechanically and electrically connects the third layer to the substrate 101 or the circuitry used in the substrate 101 can be integrated. The piezoelectric layer 1044 is formed of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT). The piezoelectric layer 1044 is via a third electrical contact 110 ''' connected to the substrate, in which a circuit technology can be integrated. The piezoelectric layer 1044 changes its length, that is, it mechanically deforms when an electrical voltage is applied to the piezoelectric layer 1044 is created. The electrical voltage can via the third contact 110 ''' to the piezoelectric layer 1044 be created. The deformation of the piezoelectric layer 1044 also leads to deformation of the third layer 1043 because the third layer 1043 on the piezoelectric layer 1044 is applied and the deformation via a compound of the layers 1043 . 1044 transfers. Thus, by applying the electrical voltage to the piezoelectric layer 1044 a deformation of the second membrane 104 and thus a change in the capacitance of the capacitor can be adjusted. The control signal 202 from which the pressure 1 can be determined, here is the electrical voltage that must be applied to the second membrane 104 to deform such that the capacitor has the predetermined capacity 201 having. The control and evaluation is analogous to the control and evaluation in magnetic actuation, which is described above.
Ein Drucksensor 100 bzw. eine Drucksensoranordnung mit magnetostriktiver Aktuierung ist in 26 in einem Querschnitt dargestellt. Der Drucksensor 100 kann bezüglich Materialien und/oder Abmessungen baugleich zu dem Drucksensor 100 aus 1 und 2 sein, wobei die zweite Membran 104 jedoch aus anderen Materialien ausgebildet ist. Die zweite Membran 104 umfasst in 26 eine erste magnetostriktive Schicht 1045', die beispielsweise aus Eisen-Gallium-Legierungen, Terfenol-D, Kobalt-Eisen (Co1-xFex) oder Kobalt-Eisen-Oxid (CoFe2O4) mit Schichtdicken im Bereich einiger 10 nm bis einiger μm, ausgebildet sein kann. Im Allgemeinen ist es vorteilhaft die erste magnetostriktive Schicht 1045' aus einem magnetostriktiven Material mit relativ hohem Ausdehnungskoeffizient und einer hohen Curie-Temperatur auszubilden, wie dies beispielsweise bei den zuvor genannten Materialien der Fall ist. Denn solche Materialien ändern ihre magnetischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen nicht. Somit ist der Drucksensor 100 robust gegenüber sich ändernden Temperaturen und großen Temperaturdifferenzen. Wird die zweite Membran 104 von einem Magnetfeld zumindest teilweise durchdrungen, so ändert die zweite Membran 104 aufgrund von Magnetostriktion ihre Länge. Magnetostriktion bezeichnet im Allgemeinen eine Längenänderung eines magnetostriktiven Materials entlang der Achse, in deren Richtung die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes im Material weisen. Die Magnetfeldlinien in 26 haben eine Komponente in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene. Dadurch kommt es zu einer Längenänderung der zweiten Membran 104 und damit zu einer Verformung der zweiten Membran 104, wodurch sich die Kapazität des Kondensators ändert. Der Elektromagnet 102 in 26 kann insbesondere eine Planarspule 102'' sein, wie sie in 1, 2 und 3 gezeigt ist. Diese erzeugt jedoch ein out-of-plane Magnetfeld. Daher wird die Haltestruktur 107 im Fall, dass eine Planarspule 102'' verwendet wird, aus einem magnetisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Permalloy oder Eisen (Fe) ausgebildet. Die Haltestruktur 107 wirkt dann zudem als Flussführung zur Umlenkung des von der Planarspule 102'' erzeugten Magnetfeldes. In diesem Fall werden die erste Kontaktierung 110' und die zweite Kontaktierung 110'' durch dünne, elektrisch isolierende Schichten voneinander isoliert. Durchfließt ein elektrischer Strom die Planarspule 102'' bzw. den Elektromagneten 102, so ist diese bzw. dieser von einem Magnetfeld umgeben. Die zweite Membran 104 ist diesem Magnetfeld ausgesetzt. Wird die Stromrichtung umgekehrt, so wird auch die Richtung des Magnetfeldes umgekehrt. Über die elektrische Stromstärke kann die Verformung der zweiten Membran 104 und damit die Kapazität des Kondensators eingestellt werden. Das Stellsignal 202, aus dem der Druck 1 bestimmt werden kann, ist hier die elektrische Stromstärke, die aufgebracht werden muss, um die zweite Membran 104 derart zu verformen, dass der Kondensator die vorgegebene Kapazität 201 aufweist. Die Regelung und Auswertung erfolgt analog zur Regelung und Auswertung bei magnetischer Aktuierung, die vorstehend beschrieben ist.A pressure sensor 100 or a pressure sensor arrangement with magnetostrictive actuation is in 26 shown in a cross section. The pressure sensor 100 can with respect to materials and / or dimensions identical to the pressure sensor 100 out 1 and 2 be, with the second membrane 104 however, is formed of other materials. The second membrane 104 includes in 26 a first magnetostrictive layer 1045 ' , for example, of iron-gallium alloys, terfenol-D, cobalt iron (Co 1-x Fe x ) or cobalt-iron oxide (CoFe 2 O 4 ) with layer thicknesses in the range of some 10 nm to several microns, be formed can. In general, it is advantageous to use the first magnetostrictive layer 1045 ' form a magnetostrictive material with a relatively high expansion coefficient and a high Curie temperature, as is the case for example with the aforementioned materials. Because such materials do not change their magnetic properties even at high temperatures. Thus, the pressure sensor 100 robust against changing temperatures and large temperature differences. Will the second membrane 104 at least partially penetrated by a magnetic field, so changes the second membrane 104 due to magnetostriction their length. Magnetostriction generally refers to a change in length of a magnetostrictive material along the axis, in the direction of which the magnetic field lines of the magnetic field point in the material. The magnetic field lines in 26 have a component in a plane parallel to the xy plane. This results in a change in length of the second membrane 104 and thus to a deformation of the second membrane 104 , which changes the capacitance of the capacitor. The electromagnet 102 in 26 can in particular a planar coil 102 '' be like her in 1 . 2 and 3 is shown. However, this generates an out-of-plane magnetic field. Therefore, the holding structure becomes 107 in the case of a planar coil 102 '' is formed of a magnetically conductive material such as permalloy or iron (Fe). The holding structure 107 then acts as a flux guide for the deflection of the of the planar coil 102 '' generated magnetic field. In this case, the first contact 110 ' and the second contact 110 '' isolated from each other by thin, electrically insulating layers. An electric current flows through the planar coil 102 '' or the electromagnet 102 , this or this is surrounded by a magnetic field. The second membrane 104 is exposed to this magnetic field. If the current direction is reversed, the direction of the magnetic field is reversed. About the electric current, the deformation of the second membrane 104 and thus the capacity of the capacitor can be adjusted. The control signal 202 from which the pressure 1 can be determined, here is the electric current that must be applied to the second membrane 104 to deform such that the capacitor has the predetermined capacity 201 having. The control and evaluation is analogous to the control and evaluation in magnetic actuation, which is described above.
In 26 ist auf einer von der ersten Membran abgewandten Seite der ersten magnetostriktiven Schicht 1045' eine zweite magnetostriktive Schicht 1045'' aufgebracht. Diese kann optional für eine effektivere Verformung der zweiten Membran 104 angeordnet werden. Die zweite magnetostriktive Schicht 1045'' ist beispielsweise aus Samarium-Eisen (SmFe2) oder Samfenol-D ausgebildet und weist vorzugsweise einen zur ersten magnetostriktiven Schicht 1045' entgegengesetzten Ausdehnungskoeffizienten auf. Letzteres bedeutet, dass sich die zweite magnetostriktive Schicht 1045'' zusammenzieht, wenn sich die erste magnetostriktive Schicht 1045'' ausdehnt und umgekehrt. Da die zwei Schichten 1045', 1045'' miteinander verbunden sind, wird die Verformung somit bei gleichem Magnetfeld verstärkt.In 26 is on a side facing away from the first membrane side of the first magnetostrictive layer 1045 ' a second magnetostrictive layer 1045 '' applied. This may optionally be for more effective deformation of the second membrane 104 to be ordered. The second magnetostrictive layer 1045 '' For example, it is formed of samarium iron (SmFe 2 ) or samfenol-D, and preferably has a first magnetostrictive layer 1045 ' opposite expansion coefficients. The latter means that the second magnetostrictive layer 1045 '' contracts when the first magnetostrictive layer 1045 '' expands and vice versa. Because the two layers 1045 ' . 1045 '' connected to each other, the deformation is thus amplified at the same magnetic field.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102008041937 A1 [0002] DE 102008041937 A1 [0002]
