DE4111118A1

DE4111118A1 - Mikromechanischer kapazitiver druckwandler

Info

Publication number: DE4111118A1
Application number: DE19914111118
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Sc Techn Rauch; Bernd Dr Ing Kuettner; Matthias Dipl Ing Dittmann; Peter Dipl Ing Lorenz; Egbert Dr Rer Nat Vetter; Martin Dipl Ing Wetzel; Henry Dipl Ing Domack
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1992-10-08

Description

Die Erhöhung betrifft einen kapazitiv arbeitenden und nach mikromechanischer Fertigungstechnologie hergestellten Druckwandler, der zur Umwandlung von auf ihn wirkenden Drücken in elektrische Signale dient. Er ist überall dort anwendbar, wo Drücke in Geräten und Anlagen ermittelt und daraus Steuerfunktionen abgeleitet werden müssen. Solche Druckwandler sind unter anderem für den Einsatz in der Konsumgüterindustrie sowie im Fahrzeugbau, Werkzeug- und Textilmaschinenbau und Apparatebau geeignet.

In DE-OS 35 05 925 wird ein temperaturabhängiger kapazitiver Druckmesser beschrieben, der eine Grundplatte, eine auf dieser Grundplatte aufgebrachten festen Kondensatorplatte und eine derart auf der Grundplatte aufgebrachten Siliziumplatte aufweist, so daß die Siliziumplatte die feste Kondensatorplatte umgibt, wobei der Mittelteil der Siliziumplatte dünner gemacht wurde, so daß er eine membranähnliche Struktur bildet, die als bewegliche Kondensatorplatte dient. Die Grundplatte besteht aus einer Siliziumschicht und einer darauf aufgebrachten und an der Siliziumplatte angebrachten Glasschicht, wobei die Glasschicht wessentlich dünner als die Siliziumschicht ist. Auf diese Weise wird in der Plattenkombination auf Grund der Elastitäts- und thermischen Expansionskoeffizienten der unterschiedlichen Schichten die Differenz der thermischen Expansion der Plattenkombination und der Siliziummembran wesentlich verringert. Durch Veränderung des Verhältnisses der Dicke von Glas- und Siliziumschicht ist es möglich, den Druckmesser für bestimmte Anwendungsfälle anzupassen. Ein Überlastungsschutz, der den Druckmesser vor mechanischer Zerstörung schützt, ist nicht vorgesehen. Ebensowenig besteht nicht die Möglich keit der direkten Temperaturmessung in der Druckkammer. Ein anderer, nach gleichem Prinzip arbeitender Druckgeber wird in DE-OS 38 14 110 beschrieben. Dieser weist eine kapazitive Sensoranordnung, ein Gehäuse, in der die Sensoranordnung angeordnet ist, Kanäle in dem Gehäuse zum Einbringen eines zu messenden Mediums in die Sensoranordnung und elektrische Leiter auf, welche die druckabhängigen Sensorinformationen nach außen hin verfügbar machen. Die kapazitive Sensoranordnung ist in dem Gehäuse mittels elastischer Anordnungen gehalten, so daß die kapazitive Sensoranordnung schwimmend zwischen den Anordnungen gehalten wird. Damit soll es möglich sein, durch Temperaturschwankungen verursachte Fehler zu elemenieren. Ein Überlastschutz gegen mechanische Zerstörung ist nicht vorge sehen. Meßfehler, die durch auftretende Temperaturschwankungen entstehen, werden nur teilweise kompensiert.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Druckwandler zu schaffen, der einen einfachen mechanischen Überlastschutz besitzt, der den Druckwandler vor mechanischer Zerstörung bei Überdruck schützt, mit hoher Zuverlässigkeit arbeitet und der zur Er höhung der Meßgenauigkeit die Fehler, die durch Temperatur schwankungen verursacht werden kompensiert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Druckwandler gelöst, der aus den Elementen Membranfederteil, Elektroden deckel und Anschlußdeckel besteht, wobei die Membran des Membranfederteils auf der Seite der beweglichen Elektrodenplatte säulenförmige und/oder leistenförmige oder miteinander verbundene leistenförmige Abstandsbegrenzer, die aus einem Isoliermatertial bestehen oder mit Isoliermaterial bedeckt sind, besitzt, deren Höhe geringer als die Dicke des Rahmens des Membranfederteils ist, oder daß der Elektrodendeckel diese Abstandsbe grenzer besitzt, deren Höhe geringer als die Differenz zwischen Rahmen- und Membrandicke ist, daß der Elektrodendeckel eine temperaturabhängige Wider standsbahn besitzt, die neben der Festelektrode oder um diese herum angeordnet ist, deren Außenabmessungen kleiner als die Innenmaße des Rahmens des Membranfederteils sind und die mit Außenanschlüssen versehen ist oder daß temperaturabhängige Elemente auf der Seite des Mem branfederteils und/oder auf der Seite des Elektrodendeckels angeordnet sind, die die Gegendruckkammer begrenzen und daß elektrische Anschlüsse von den temperaturabhängi gen Elementen nach außen geführt sind und daß im Anschlußdeckel säulenförmige und/oder leisten förmige oder verbundene leistenförmige Anschläge vorhan den sind, deren Höhe geringer als die Dicke des Randes des Anschlußdeckels ist.

Entsprechende Ausführungsvarianten sind in den Unteransprü chen 2 bis 6 beschrieben.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß durch die Abstandsbegrenzer im Membranfederteil sowie durch die An schläge in Anschlagdeckel eine einfache, aber sehr wirkungsvolle mechanische Überlastsicherung entwickelt wurde, die in die Herstellungstechnologie des Druckwandlers problemlos integrierbar ist. Durch die Messung der Temperatur unmittelbar in der Druckkammer ist es leicht möglich, die durch Temperaturschwankungen verursachte Ungenauigkeiten auszugleichen.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 Schnitt durch den kapazitiven Drucksensor,

Fig. 2 Membrananteil in der Draufsicht,

Fig. 3 Elektrodendeckel in der Draufsicht,

Fig. 4 dreiseitige Darstellung des Druckwandlers.

Der in Fig. 1 dargestellte mikromechanische kapazitive Druckwandler besteht aus einem Membranfederteil 1, einem Elektrodendeckel 2 und einem Anschlußdeckel 3, wobei diese Einzelteile in Sandwichbauweise zueinander positioniert sind. Das Membranfederteil 1, das vorzugsweise aus einkristallinem Silizium hergestellt wird, besteht aus dem Rahmen 1b und der beweglichen Elektrodenplatte 1c. Der Elektrodendeckel 2, der vorzugsweise aus Glas besteht, trägt gegenüber der Elektrodenplatte 1c angeordnet die Festelektrode 2a. Die Elektrodenplatte 1c und die Festelektrode 2a bilden in dieser Anordnung einen in seiner Kapazität veränderlichen Meßkondensator. Der Anschlußdeckel 3 und der Elektrodendeckel 2 sind durch das Membranfederteil 1 voneinander getrennt und bilden die Eingangsdruckkammer 4 sowie die Gegendruckkammer 5. Der dargestellte kapazitive Druckwandler ist insbesondere zur Messung einer Druckdifferenz geeignet, wenn über die Durchgangsöffnungen 13 und 13a Drücke zugeführt und auf das Membranfederteil 1 einwirken können.

Das Membranfederteil 1 besitzt um die Elektrodenplatte 1c angeordnet säulen- oder leistenförmige Abstandsbegrenzer 7, die mit einer Isolierschicht abgedeckt sind. Diese Abstandsbegrenzer 7 stützen sich bei einem entsprechenden Überdruck in der Eingangsdruckkammer 4 am Elektrodendeckel 2 ab und verhindern somit ein Durchbiegen der Membran über deren elastischen Bereich hinaus. Diese Anordnung ist sinngemäß mit den Anschlägen 9 am Anschlußdeckel 3 für die Gegendruckeinwirkung vorgesehen.

Wie aus Fig. 3 zu entnehmen, ist um die Festelektrode 2a mit ihrer elektrischen Zuleitung 6 zum Rand des Elektrodendeckels 2 eine temperaturabhängige Widerstandsschicht 8 und ihren Anschlüssen 8a angeordnet. Die Anschlüsse 8a und die elektri sche Zuleitung 6 werden, wie in Fig. 4 dargestellt, durch die Aussparung 19 im Rahmen 1a des Membranfederteils 1 nach außen geführt. Die Aussparung 19 ist mit einem elektrisch nicht leitenden Medium verschlossen. Eine weitere Anordnung zur Er fassung der Temperatur bei der Temperatur- und Druckmessung besteht in der Anordnung gemäß Fig. 2 von temperaturabhängi gen Elementen 18 auf der Seite des Elektrodendeckels 2, deren Verbindung nach außen über die elektrischen Anschlüsse 18a erfolgt.

In Fig. 1 werden Möglichkeiten zur Druckminderung oder zur Begrenzung des wirkenden Maximaldruckes dargestellt wie Düsen loch 10, Überdruckventil 11 und Membranloch 12.

Mit der Erfindung ist ein Druckwandler geschaffen, der vielfältige Möglichkeiten des Überlastschutzes aufweist und mit seinen Maßnahmen zur Temperaturerfassung bei der Messung des Druckes den Einsatz als Wandler bzw. Sensorelement wesentlich erweitert.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Membranfederteil
1a Rahmen
1b Membran
1c bewegliche Elektrodenplatte
2 Elektrodendeckel
2a Festelektrode
3 Anschlußdeckel
4 Eingangsdruckkammer
5 Gegendruckkammer
6 elektrische Zuleitung
7 Abstandsbegrenzer
8 temperaturabhängige Widerstandsbahn
8a Anschlüsse
9 Anschläge
10 Düsenloch
11 Überdruckventil
12 Membranloch
13 Durchgangsöffnung
13a Durchgangsöffnung
18 temperaturabhängige Elemente
18a elektrische Anschlüsse
19 Aussparung

Claims

1. Mikromechanischer kapazitiver Druckwandler, der vorzugsweise aus einkristallinem Silizium, Glas oder Keramik besteht und in planarer Mikrostruktur-Ätztechnik hergestellt wird, bestehend aus einem Menbranfederteil, das einen Rahmen, der über eine Membran mit einer beweglichen Elektrodenplatte verbunden ist, besitzt, einem Elektrodendeckel mit Festelektrode, wobei die Festelektrode des Elektrodendeckels und die bewegliche Elektro denplatte des Membranfederteils einen Plattenkondensator bil den, und einem Anschlußdeckel, wobei eine Membran eine Ein gangsdruckkammer von einer Gegendruckkammer trennt und die bewegliche Elektrodenplatte elektrisch gegenüber der Fest elektrode isoliert ist und sowie mit Außenanschlüssen verse hen ist, wobei die Einzelteile durch elektrostatisches Bonden oder geeignete Klebeverfahren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (1b) des Membranfederteils (1) auf der Seite der beweglichen Elektrodenplatte (1c) säulenförmige und/oder leistenförmige oder miteinander verbundene leistenförmige Abstandsbegrenzer (7), die aus einem Isoliermaterial bestehen oder mit Isoliermaterial bedeckt sind, besitzt, deren Höhe geringer als die Dicke des Rahmens (1a) des Membranfederteils (1) ist, oder daß der Elektrodendeckel (2) diese Abstandsbe grenzer (7) besitzt, deren Höhe geringer als die Differenz zwischen Rahmen- (1a) und Membrandicke (1b) ist,
daß der Elektrodendeckel (2) eine temperaturabhängige Wider standsbahn (8) besitzt, die neben der Festelektrode (2a) oder um diese herum angeordnet ist, deren Außenabmessungen kleiner als die Innenmaße des Rahmens (1a) des Membranfederteils (1) sind und die mit Außenanschlüssen versehen ist oder
daß temperaturabhängige Elemente (18) auf der Seite des Mem branfederteils (1) und/oder auf der Seite des Elektrodendeckels (2) angeordnet sind, die die Gegendruckkammer (5) begrenzen und
daß elektrische Anschlüsse (18a) von den temperaturabhängi gen Elementen (18) nach außen geführt sind und
daß im Anschlußdeckel (3) säulenförmige und/oder leisten förmige oder verbundene leistenförmige Anschläge (9) vorhan den sind, deren Höhe geringer als die Dicke des Randes des Anschlußdeckels (3) ist.

2. Mikromechanischer kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußdeckel (3) mindestens eine Druckreduziereinrichtung vorhanden ist, wobei als Druckreduziereinrichtung vorzugsweise ein Düsenloch (10) und/oder ein Überdruckventil (11) verwen det wird.

3. Mikromechanischer kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen (1a) des Membranfederteils (1) und/oder in der Mem bran (1b) und/oder in der beweglichen Elektrodenplatte (1c) des Membranfederteils (1) Löcher (12) vorhanden sind.

4. Mikromechanischer kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußdeckel (3) und/oder im Elektrodendeckel (2) jeweils eine Durchgangsöffnung (13) vorhanden ist.

5. Mikromechanischer kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen (1a) des Membranfederteils (1) eine Aussparung (19) vorhanden ist, die größer als die elektrischen Zuleitungen (6), Anschlüsse (8a) und eventuell vorhandener elektrischer Anschlüsse (18a) ist.

6. Mikromechanischer kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (19) mit einem elektrisch nicht leitenden Medium hermetisch verschlossen ist.