DE102018210850A1

DE102018210850A1 - Mikromechanische Drucksensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102018210850A1
Application number: DE102018210850.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2020-01-02
Also published as: DE102018210850A8

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung zur Absolutdruckmessung mit einem Einlass, einem oder mehreren Rohrfederelementen, die jeweilig ein offenes erstes Ende und ein geschlossenes zweites Ende aufweisen, wobei das oder die jeweiligen ersten Enden an einer Verankerung auf einem Substrat befestigt sind und den Einlass ausbilden, wobei das oder die jeweiligen zweiten Enden an einer seismischen Masse befestigt sind, wobei das oder die Rohrfederelemente so ausgelegt sind, dass die seismische Masse bei einer Druckänderung eines Drucks am Einlass zu einem Umgebungsdrucks P₀ translatorisch oder rotatorisch ausgelenkt wird, einer Auslenkerfassungseinrichtung zum Erfassen eines elektrischen Signals, das die Auslenkung wiedergibt. Die Erfindung schafft außerdem eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung zur Relativdruckmessung und eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung zur Staudruckmessung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung.
Stand der Technik
In den letzten Jahren werden mikromechanische Drucksensoren, z.B. in Airbags oder Smartphones, verwendet, weil sie insbesondere durch ihre geringe Größe kostengünstig in großer Stückzahl hergestellt und daher flexibel eingesetzt werden können. Dabei lassen sich bei den Drucksensoren mehrere Gruppen unterschiedlicher Ausleseverfahren einteilen, von denen Drucksensoren mit piezoresistivem und mit kapazitivem Ausleseverfahren die beiden typischsten Vertreter sind. Der Artikel von W. P. Eaton et al., „Micromachined Pressure Sensors: Review and Recent Developments“ Smart Materials and Structures, vol. 6, pp. 530-539, 1997 fasst die wichtigsten Bauarten und Funktionsweisen zusammen.
Kapazitive Drucksensoren verwenden für gewöhnlich eine druckempfindliche Membran, die einen Referenzdruck einschließt und mit einer daran angebrachten Elektrode und einer zweiten druckunempfindlichen, unbeweglichen Elektrode einen Plattenkondensator bildet. Bei Änderung des Umgebungsdrucks verformt sich die Membran, wodurch sich die Kapazität des Plattenkondensators ändert. Diese Kapazität kann mit einer elektronischen Schaltung in ein elektrisches Signal, wie z.B. einer Spannung, umgewandelt werden, womit sich die Druckänderung messtechnisch erfassen lässt. Druckempfindliche Membranen lassen sich sehr flexibel gestalten, sind allerdings in der Regel anfällig gegenüber Umwelteinflüssen, die die Membran kontaminieren und damit Messergebnisse verfälschen können.
Ein anderes Prinzip der Druckbestimmung funktioniert über ein Bourdonrohr- oder Rohrfeder-Manometer, welches in handelsüblichen Druckmessgeräten regelmäßig eingesetzt wird. Dieses basiert auf einem hohlen, gekrümmten Element, einer Rohrfeder, die ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist. Wird ein Druck z.B. eines Gases mit einem Druck in die Rohrfeder eingeführt, so verändert sich der Krümmungsradius der Rohrfeder gemäß der Druckdifferenz zwischen dem Druck innerhalb und außerhalb der Rohrfeder.
Die US 2005/0268722 A1 wendet dieses Messprinzip in biologischem Gewebe an, in dem durch dieses ein Augendruck ermittelt wird. Hier kommt eine mikrobearbeitete Rohrfeder zur Anwendung, die ein hohes Verhältnis zwischen Höhe und Breite der Rohrfeder im Querschnitt aufweist. Das Ausleseverfahren erfolgt hierbei durch optische Beobachtung des Ausschlags eines am äußeren Ende der spiralförmigen Rohrfeder geformten Arms.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1, 2 bzw. 3 sowie ein mikromechanisches Herstellungsverfahren einer der Drucksensorvorrichtungen. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung gemäß der unabhängigen Ansprüche 1, 2, 3 bzw. des hierfür notwendigen mikromechanischen Herstellungsverfahrens zugrundeliegende Idee liegt darin, eine Druckänderung eines Fluides durch eine mikromechanische Rohrfeder in eine Auslenkung einer seismischen Masse umzuwandeln, die durch eine Auslenkerfassungseinrichtung in ein elektrisches Signal verwandelt wird. Bei dem Fluid kann es sich dabei um ein Gas oder auch um eine Flüssigkeit handeln. Dieses Grundprinzip ermöglicht flexible Sensorstrukturen und spannt einen sehr weiten Anwendungsbereich auf.
Die mikromechanische Struktur ermöglicht mit ihrem elektrischen Ausleseverfahren eine Fertigung in sehr kleinen Dimensionen. Dazu wird bevorzugt Wafer-Technologie auf Silizium-Basis verwendet. Weiterhin ermöglicht die Erfindung eine kombinierte Messung von einem Druck, einem Staudruck und einer Beschleunigung. Während der Druck mit einstellbarem Referenzdruck absolut oder auch relativ zu einem zweiten Druck gemessen werden kann, kann aus dem Staudruck ein Massenfluss oder eine Viskosität des durchfließenden Stoffes bei Kenntnis der anderen Größe abgeleitet werden. Die Messung der Beschleunigung wird durch die Trägheit der verwendeten seismischen Masse ermöglicht.
Ein solcher Sensor mit Verwendung einer mikromechanischen Rohrfeder weist die Vorteile auf, dass der Druckbereich durch Manipulation der Federkonstante leicht an die Anwendung angepasst werden kann. Weitere Vorteile werden durch eine hohe Überlastfestigkeit, die Verwendung bis zu einer Temperatur von 400°C und eine hermetisch dichte Trennung von Fluidik und Messelektronik erreicht, wodurch der Drucksensor grundsätzlich medienverträglich ist.
Die Verpackung des Sensors wird dabei so gestaltet, dass sie durch Moldgehäuse realisierbar ist, was Kosteneinsparungen in der Massenfertigung mit sich bringt. Weiterhin bietet der Sensor durch unterschiedliche Druckanschlussmöglichkeiten, wie z.B. an der Vorderseite, an der Rückseite oder auch seitlich des Substrats eine flexible Grundstruktur. Ein besonderer Vorteil, der sich aus einem Drucksensor mit Druckanschluss an der Rückseite ergibt, ist die Möglichkeit, die Druckempfindlichkeit noch vor der Vereinzelung im Waferverbund zu messen. Dadurch entfällt der kostenintensive Endabgleich unter gesonderter Druckbeaufschlagung. Durch Anspritzen eines Anschlussröhrchens an die Druckanschlüsse ist der Sensor wasserdicht gestaltbar.
Auch haben die realisierbaren Druckanschlüsse mit ihrem relativ kleinen Durchmesser (um die 10 µm) und der daraus resultierenden kleinen beanspruchte Verbindungsfläche nach Außen einen Vorteil in der Aufbau und Verbindungstechnik. So sind Kräfte, wie z.B. mechanischer Stress auf die Bauteile, begrenzt, und deren Einfluss auf die Charakteristik des Sensors ist bestimmbar.
Somit kann mit der Erfindung ein Druck-, Beschleunigungs- oder Drehratensensor auf einem Chip mit gleicher oder leicht modifizierter Aufbau- und Verbindungstechnik integriert werden. Die dazugehörigen elektronischen Schaltungen (sog. ASICs) sind dabei von gleicher oder sehr ähnlicher Struktur, so dass hier keine neue Entwicklungsarbeit notwendig ist. Diese haben neben der Auslesung die Funktion, eine Linearisierung des Auslenksignals zur Druckänderung vorzunehmen. Außerdem erlaubt solch eine Schaltung eine FunktionsÜberprüfung, die über einen offenen Anschlusskanal mittels einer frequenzabhängigen Dämpfung unternommen werden kann. Solch ein Selbsttest ist insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie z.B. Seitenairbagsensoren, sehr erwünscht.
Die flexible Anwendbarkeit ermöglicht eine allgemeine Vereinheitlichung der Mikromechanik-Prozesse. So lässt sich ein Prozess für die drei verschiedenen Sensorarten definieren, was eine Reduzierung oder Einschränkung der Prozessvielfalt und der dazugehörigen Prüfverfahren bedeutet. Daraus resultieren erhebliche Kosteneinsparungen durch die damit verbunden Skalierungseffekt und Nutzung gleicher Anlagen in der Herstellung. Außerdem ermöglicht die Erfindung dadurch eine schnellere Markteinführung eines entwickelten Produktes.
Weitere Vorteile
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Auslenkerfassungseinrichtung eine oder mehrere an der beweglichen Masse ausgebildete erste Elektroden, die jeweilig zu feststehenden zweiten Elektroden und feststehenden dritten Elektroden interdigital angeordnet sind, wobei die jeweiligen ersten Elektroden und die jeweiligen zweiten Elektroden eine erste Kapazität bilden, und die jeweiligen ersten Elektroden und die jeweiligen dritten Elektroden eine zweite Kapazität bilden, und wobei die Drückänderung über Änderungen der ersten Kapazität und zweiten Kapazität erfassbar ist. Diese auf einem kapazitativen Wandler-Prinzip basierende Erfassungsmethode ermöglicht einen großen Signal-zu-Rausch Abstand bei sehr geringem Stromverbrauch. Die Anordnung der Elektroden ist dabei „Interdigital“, was bedeutet, dass eine bewegliche erste Elektrode zwischen feststehenden und elektrisch voneinander isoliert stehenden zweiten Elektroden und/oder dritten Elektroden angeordnet ist. So entstehen eine erste Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und eine zweite Kapazität zwischen der ersten und der dritten Elektrode. Bei einer Auslenkung der seismischen Masse, an die die erste Elektrode angebracht ist, verringert sich eine Kapazität, während die andere Kapazität sich erhöht. Somit kann mit einer entsprechenden elektronischen Schaltung durch eine Differenzbildung der beiden Kapazitäten ein relativ hoher Signal-zu-Rausch Abstand erzielt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung bildet die seismische Masse eine Kammstruktur, wobei die ersten Elektroden an den Kammzinken der Kammstruktur ausgebildet sind und zu den feststehenden zweiten Elektroden und den feststehenden dritten Elektroden interdigital angeordnet sind. Diese ebenfalls auf dem kapazitativen Wandler-Prinzip basierende Erfassungsmethode ermöglicht aufgrund der großen Anzahl der Elektroden einen großen Signal-zu-Rausch Abstand. Dies wird dadurch erreicht, dass die durch die interdigitale Anordnung der Elektrode realisierten Einzelkapazitäten zu einer Gesamtkapazität mit dann erhöhtem Signal-zu-Rausch Abstand aufaddiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erstrecken sich die ein oder mehreren Rohrfederelemente von dem jeweiligen ersten Ende spiralförmig nach außen, wobei die seismische Masse ringförmig gestaltet ist und das oder die Rohrelemente einschließt, wobei die seismische Masse bei einer Druckänderung rotatorisch ausgelenkt wird. Die spiralförmige Struktur der Rohrfeder bietet die Vorteile von einem kleinen Krümmungsradius und einer langen Rohrfeder, die eine große Auslenkung der Masse bewirkt. Dadurch lässt sich wiederum die Sensitivität der Druckmessung erhöhen. Weiterhin bietet es sich an, eine zum Mittelpunkt symmetrische Mehrfachspirale zu verwenden. Auch kann die Struktur umgekehrt werden, indem die ringförmige Masse feststehend ist und Einlässe aufweist, und an die Enden der Spiralen am Mittelpunkt eine seismischen Masse angebracht wird, die rotatorisch ausgelenkbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Auslenkerfassungseinrichtung einen oder mehrere Arme auf, die die ersten Elektroden mit der seismischen Masse verbindet. Mittels des Arms kann die Auslenkerfassungseinrichtung weiter nach außen versetzt werden, was bei einem auf einer rotatorischen Auslenkung der Rohrfeder basierten Sensor zu einer größeren Auslenkung der ersten Elektroden führt. Somit kann auf diese einfache Art die Sensitivität des Sensors erhöht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung spalten sich die ein oder mehreren Rohrfederelemente in jeweilige U-förmige erste Abschnitte und jeweilige U-förmige zweite Abschnitte auf und vereinen sich wieder, wobei die jeweiligen ersten Abschnitte und die jeweiligen zweiten Abschnitte entgegengesetzt umlaufend zueinander orientiert sind, wobei die seismische Masse bei einer Druckänderung translatorisch ausgelenkt wird. Eine translatorische Bewegung erfolgt hier, weil gleich viele Elemente mit „Linksbiegungen“ und „Rechtsbiegungen“ und gleicher Krümmungsstärke verwendet werden. Durch die U-förmigen Rohrfederelemente kann eine relativ kompakte Form der Rohrfeder mit translatorischer Auslenkung gestaltet werden. Diese ermöglicht eine kompakte Anordnung der Elektroden in der Auslenkerfassungseinrichtung, weil die Elektroden dadurch geradlinig und exakt parallel zueinander angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die ein oder mehreren Rohrfederelemente eine oder mehrere Kammern auf, die an den jeweiligen zweiten Enden ausgebildet sind und an die seismische Masse angrenzen. Die Kammer bildet hier einen mechanischen und pneumatischen Anschluss an die seismische Masse. So ist sichergestellt, dass die Auslenkung der Rohrfederelement auch auf die Masse übertragen wird und der Relativdruck messbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Kappe auf das Substrat gebondet und schließt mit dem Substrat einen Zwischenraum ein, wobei mindestens ein Einlass mit einem jeweiligen Druckanschluss im Substrat oder der Kappe vorgesehen ist. Die Kappe ermöglicht zunächst einen Schutz der Drucksensorvorrichtung vor Kontaminierungen. Insbesondere kann auch mittels eines Laserschweißprozesses beim Bonden ein einstellbarer Referenzdruck in dem Zwischenraum eingeschlossen werden. So ermöglicht diese Weiterbildung weiterhin die Ausbildung von Druckanschlüssen im Substrat oder der Kappe, wodurch die Drucksensorvorrichtung flexibel einsetzbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die eine oder mehreren Öffnungen an der Rückseite des Substrats, und/oder seitlich des Substrats, und/oder im seitlich der Kappe befindlichen Bondbereich des Substrats, und/oder an der Vorderseite der Kappe, und/oder im Zwischenraum ausgebildet. So können Differenzdrücke durch die Kombination von zwei oder mehr Druckanschlüssen am Substrat oder der Kappe erreicht werden. Z.B. kann über einen ersten Druckanschluss der Umgebungsdruck und über einen zweiten Druckanschluss ein Über-oder Unterdruck eingeführt werden, wodurch letzterer relativ gegenüber dem Atmosphärendruck gemessen werden kann. Der Druckanschluss an der Rückseite ermöglicht, die Druckempfindlichkeit noch vor der Vereinzelung im Waferverbund zu messen, wodurch im Herstellungsverfahren aufwändige Einzelkalibrierungsschritte überflüssig werden.
Bei einem Druckanschluss an der Vorderseite an der Kappe oder seitlich des Substrats erfolgt die Vereinzelung der Chips vorteilhafterweise durch einen Prozess, der kein Wasser verwendet, wie z.B. dem Schneiden via Laser. Bei einem Druckanschluss auf der Vorderseite im Bondbereich oder auf der Rückseite kann Trenchätzen verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung schließt das Substrat eine Kavität ein, die einen Referenzdruck enthält, und die an einem weiteren Einlass angeschlossen ist. Hierbei kann schon während der Herstellung ein definierter Referenzdruck, wie z.B. Vakuum, in die Kavität eingeschlossen werden. Dies kann z.B. durch Abscheidung einer Polysilizium-Funktionsschicht unter Hochtemperatur geschehen, was nach der Abkühlung einen sehr niedrigen Referenzdruck zulässt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:

1a)-1b) schematische Querschnittsdarstellungen zur einleitenden Erläuterung der Wirkungsweise eines Rohrfederelements;
2a)-2b) schematische Querschnittsdarstellungen zur einleitenden Erläuterung der Wirkungsweise eines Rohrfederelements mit rotatorischer Auslenkung;
3a)-3c) schematische Querschnittsdarstellungen zur einleitenden Erläuterung der Wirkungsweise eines Rohrfederelements mit translatorischer Auslenkung;
4 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5a)-5b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8a)-8b) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10a)-10d) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit einer Kappe gemäß weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)-1b) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur einleitenden Erläuterung der Wirkungsweise eines Rohrfederelements.
Gezeigt wird das allgemeine Funktionsprinzip einer Rohrfedervorrichtung 10; 10'. Dabei zeigt 1a) eine Rohrfeder R, dessen Krümmung sich durch einen am Einlass E angelegten Druck P_A verändert. So weist die Rohrfeder R bei einem angelegten Druck P_A=P₁ eine Krümmung r auf, die kleiner ist als eine Krümmung r', die sich bei einem angelegten Druck P_A=P₂ einstellt, wobei P₂ > P₁ gilt. Dies ist eine direkte Folge der unterschiedlich großen Kräfte, die bei einer Druckdifferenz zwischen angelegtem, innerhalb der Rohrfeder befindlichem Druck P_A und Außendruck P₀ auf die Innen-und Außenwand wirken. Die Druckdifferenz ergibt sich aus der unterschiedlichen Größe dieser Wandflächen. Ist ein erstes Ende Ra der Rohrfeder R fixiert und das zweite Ende Rb beweglich ausgestaltet, so findet eine Auslenkung S statt. Die Auslenkung S des beweglichen zweiten Endes Rb ist dabei abhängig vom angelegten Druck P_A , von einer Rohrfederlänge L, vom Krümmungsradius r, r' und von einem Querschnittsprofil der Rohrfeder R; R'; R".
1b) zeigt ein Querschnittsprofil der Rohrfeder R'; R", das durch eine Rohrfederhöhe h_R , einer Rohrfederbreite b_R und einer Wanddicke d_R charakterisiert ist. Ist Innendruck P₁ gleich dem Außendruck P₀ , so wird die Rohrfeder nicht verformt. Bei großer Federhöhe h_R und kleiner Wanddicke d_R können sich die Seitenwände bei Druckbeaufschlagung mit einem Druck P1' ausbeulen. Die aus dieser Verformung resultierenden zusätzlichen Kräfte erhöhen die Kraft auf die Rohrfeder R, R', R" und vergrößern damit dessen Krümmungsradius r, r' zusätzlich.
Bei gleicher Rohrfederlänge L, Rohrfederhöhe h_R , Rohrfederbreite R_b und Wandstärke d_R ist die Auslenkung S des beweglich ausgestalteten zweiten Endes Rb der Rohrfeder R, R', R" umso größer, je kleiner der Krümmungsradius r ist. Für eine große Auslenkung sind eine dünne Wanddicke d_R , eine möglichst große Rohrfederlänge L und ein kleiner Krümmungsradius r bei möglichst großer Rohrfederbreite b_R vorteilhaft. Diese Vorteile können bei Miniaturisierung solcher Rohrfedern R, R', R" durch entsprechende Herstellung in Silizium-Mikromechanik-Verfahren genutzt werden.
2a)-2b) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur einleitenden Erläuterung der Wirkungsweise eines Rohrfederelements mit rotatorischer Auslenkung.
So zeigen 2a) und 2b) Rohrfedervorrichtungen 20; 20', die bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck eine reine rotatorische Auslenkung S_rot , S_rot' des beweglichen Endes Rb; R1b, R2b bewirken. Dabei ist die Rohrfeder R in 2a) spiralförmig geformt und ist an einem ersten, im Inneren der Spirale befindlichem offenen Ende Ra' an eine Verankerung VA angebracht und bildet dort einen Einlass E' aus. Ein außen befindliches geschlossenes zweites Ende Rb'" ist frei beweglich und bildet optional einen Zeiger aus, anhand dessen die rotatorische Auslenkung S_rot ablesbar ist. An den Zeiger können Elektroden angebracht werden, die ein elektrisches Auslesen ermöglichen.
Die Anordnung in der 2b) unterscheidet sich von der vorigen Anordnung in 2a) darin, dass hier zwei Rohrfederelemente R1, R2 verwendet werden. Auch hier werden die offenen, im Innern der Spirale befindlichen ersten Enden R1a, R2a an einer Verankerung VA angebracht und bilden einen Einlass E" aus. Dabei sind die Enden R1a, R2a um 180° versetzt, d.h. die ersten Enden R1a, R2a werden an gegenüberliegenden Seiten der Verankerung VA angebracht und winden sich von dort mit gleicher Krümmungsänderung nach außen. An geschlossenen äußeren zweiten Enden R1b, R2b ist eine ringförmige Masse M_R so angebracht, dass sie die Rohrfederelemente R1, R2 mit Einlass E und der Verankerung VA einschließt. Die ringförmige Masse M_R erfährt auch hier bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck eine rotatorische Auslenkung S_rot'. Auch wenn die Anordnung der 2b) zwei Rohrfedern R1, R2 enthält, ist eine Anordnung mit mehr als zwei Rohrfederelementen R1, R2 vorstellbar. Darüber hinaus ist es vorstellbar, die Anordnung in ihrer Wirkung umzukehren, was bedeuten würde, dass die äußeren zweiten Enden R1b, R2b der spiralförmigen Rohrfederelemente R1, R2 feststehend, und die inneren ersten Enden R1a, R2a beweglich gestaltet werden können.
3a)-3c) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur einleitenden Erläuterung der Wirkungsweise eines Rohrfederelements R mit translatorischer Auslenkung.
3a)-3c) zeigen Rohrfedervorrichtungen 30, 30', 30" mit einer translatorischer Ausrichtung S_T , S_T ', S_T ". Werden gleich viele Elemente mit „Linksbiegungen“ und „Rechtsbiegungen“ gleicher Krümmungsstärke verwendet, so entsteht eine translatorische Auslenkung. In 3a) ist dies durch ein S-förmiges Rohrfederelement RS erreicht, das aus zwei zueinander entgegengesetzten Abschnitten einer Rohrfeder R aus 1a) zusammengesetzt ist. Nach Anbringung eines, den Einlass E'" ausbildenden offenen ersten Endes RSa an eine Verankerung VA', erfährt das geschlossene zweite Ende RSb bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck die translatorische Auslenkung S_T .
Nun können, wie in 3b) dargestellt, zwei entgegengesetzt geformte S-förmige Rohrabschnitte zu einem effektiv U-förmigen Rohrfederelement RUr, RUI zusammengesetzt werden. Durch den verlängerten Teil an der Außenseite entstehen hier ein effektiv rechtsorientiertes Rohrfederelement RUr und ein effektiv links-orientiertes Rohrfederelement RUI. Das bedeutet, dass ein Fluid mit Druck P_A nach Einführung in den Einlass E"" und Eintritt in das rechts-orientierte Rohrelement RUr in einer Draufsicht eine stärkere Rechts- als Links-Krümmung erfährt. Entsprechendes gilt für das links-orientierte Rohrfederelement RUI. Sind die Krümmung außer den Umlaufrichtungen gleich und sind offene erste Enden der Rohrfederelemente RUr, RUI an einer gemeinsamen Verankerung VA" befestigt und bilden den Einlass E"" aus, und befestigt man nun eine Masse M_B an die beiden beweglichen zweiten Enden RUra, RUrb, so erfährt die Masse M_B bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck die translatorische Bewegung S_T '.
In der Anordnung von 3c) wird eine translatorische Bewegung mit spiralförmigen Rohrfederelementen R1r, R2l erreicht. Hierbei ist das spiralförmige erste Rohrfederelement R1r rechts-umlaufend orientiert während das spiegel-gleiche spiralförmige zweite Rohrfederelement R2l links-umlaufend orientiert ist. Hierbei bilden die an jeweiligen Verankerungen VA1, VA2 angebrachten offene erste Enden R1a, R2a einen jeweiligen Einlass E1, E2 aus. Eine seismische Masse M_B ' ist an die zweiten geschlossenen Enden R1rb, R2lb angebracht, die bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck die translatorische Bewegung S_T " erfährt.
4 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in 4 dargestellte erste Ausführungsform einer mikromechanischen Druckvorrichtung 40 mit kapazitivem Ausleseverfahren basiert auf dem Prinzip der Rohrfedervorrichtung 20' aus 2b). Dabei werden zwei spiralförmige Rohrfederelemente R1, R2 verwendet, deren offene, im Innern der spiralförmigen Rohrfeder R1, R2 befindliche erste Enden R1a, R2a an einer Verankerung VA angebracht sind und einen Einlass E" ausbilden. Dabei sind die ersten Enden R1a, R2a um 180° versetzt, d.h. die ersten Enden R1a, R2a werden an gegenüberliegenden Seiten der Verankerung VA angebracht und winden sich von dort mit gleicher Krümmungsänderung nach außen. An geschlossenen äußeren zweiten Enden R1b, R2b ist eine ringförmige Masse M_R so angebracht, dass sie die Rohrfederelemente R1, R2 mit dem Einlass E" und der Verankerung VA einschließt, welche auf dem Substrat 41 befestigt ist. Die ringförmige seismische Masse M_R erfährt bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck eine rotatorische Auslenkung S_rot'. Die seismische Masse M_R weist an seiner Außenseite eine Kammstruktur auf, an deren Kammzinken ersten Elektroden E1_1-8 einer Auslenkerfassungseinrichtung E1_1-8 , E2_1-8 , E3_1-8 ausgebildet sind. So sind an der Außenseite der seismischen Masse M_R in regelmäßigem Abstand zueinander eine Mehrzahl, in dieser Ausführungsform acht sich nach außen erstreckende erste Elektroden E1_1-8 vorgesehen, die sich jeweils zwischen feststehenden zweiten Elektroden E2_1-8 und feststehenden dritten Elektroden E3_1-8 angeordnet sind, die sich beide ebenfalls längs nach Außen erstrecken.
Dabei sind die feststehenden zweiten Elektroden E2_1-8 und dritten Elektroden E3_1-8 auf dem Substrat 41 befestigt und voneinander elektrisch isoliert. So entsteht eine erste Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-8 und den jeweiligen zweiten Elektroden E2_1-8 und eine zweite Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-8 und den jeweiligen dritten Elektroden E3_1-8 . Diese interdigitale Anordnung lässt mit einer angepassten elektronischen Schaltung ein Auslesen der Kapazitäten und Umwandlung in ein elektrisches Signal, wie z.B. einer Spannung, zu, die die Auslenkung wiedergibt. Dabei wird in der Regel eine Linearisierung durchgeführt, so dass das elektrische Signal linear zur Druckänderung gestaltet wird. So bewirkt eine Auslenkung eine jeweilige Annäherung einer der beiden Elektronenpaare aus ersten Elektroden E1_1-8 und zweiten Elektroden E2_1-8 und ersten Elektroden E1_1-8 und dritten Elektroden E3_1-8 , und einer Entfernung der anderen der beiden Elektronenpaare aus ersten Elektroden E1_1-8 und zweiten Elektroden E2_1-8 und ersten Elektroden E1_1-8 und dritten Elektroden E3_1-8 . Dies führt zu einer entsprechenden Verringerung einer der ersten oder der zweiten Kapazitäten und einer gleichzeitigen Erhöhung der anderen der ersten oder der zweiten Kapazitäten gemäß einer Abstandsänderung zwischen den Platten der Plattenkondensatoren. In der Ausführungsform in 4 bedeutet eine Druckerhöhung in den Rohrfederelementen R1, R2 eine Vergrößerung ihrer Radien, was zu einer Auslenkung im Uhrzeigersinn führt. Dadurch entfernen sich die ersten Elektroden E1_1-8 von den zweiten Elektroden E2_1-8 und nähern sich den dritten Elektroden E3_1-8 an. Somit verringert sich die erste Kapazität und vergrößert sich die zweite Kapazität gemäß den Gesetzen eines Plattenkondensators.
Ein Auslesen dieses Kapazitätsunterschieds ermöglicht bereits einen großen Signal-zu-Rausch Abstand. Ferner hat eine, wie in dieser Ausführungsform verwendete Mehrzahl von Elektroden E1_1-8 , E2_1-8 , E3_1-8 den Vorteil, dass die jeweiligen ersten Kapazitäten und zweiten Kapazitäten sich zu großen ersten und zweiten Gesamtkapazitäten summieren lassen, aus diesen sich ein Signal mit erhöhtem Signal-zu-Rausch Abstand erzeugen lässt.
5a)-5b) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Querschnittdarstellungen in 5a) und 5b) zeigen die mikromechanische Drucksensorvorrichtung 40 aus 4 in zwei verschiedenen Seitenansichten. In 5a) wurde der Querschnitt a-b so gewählt, dass dieser außen durch die ersten Elektroden E1₃ und E1₇ verläuft, während der zweite Querschnitt c-d durch die zweiten Elektroden E2₃ und E2₇ verläuft. Man erkennt, dass an dem Einlass E" ein Druck P_A in die Rohrfederelemente R1, R2 eingelassen wird, die an der Verankerung VA mittig angebracht ist. Der Einlass E" ist hierbei auf der Vorderseite der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 40 ausgebildet, kann aber optional auch mit Durchführung durch die Isolationsschicht 42 und des Substrats 41 auf der Rückseite ausgebildet werden. Die Verankerung VA ist auf dem Substrat 41 über eine Isolationsschicht 42 befestigt, die das Substrat 41 und die Verankerung VA elektrisch isoliert. In der Querschnittsansicht sind die ersten und zweiten Rohrfederelement R1, R2 alternierend angeordnet, was durch ihre Spiralform und dem 180° Versatz bedingt ist. Außen befindet sich die bewegliche Masse M_R an der die ersten Elektroden E1₃ , E1₇ beweglich angebracht sind. Entsprechendes gilt für die hier nicht abgebildeten übrigen ersten Elektroden E1_1-2 , E1_4-6 , E1₈ .
Der Querschnitt c-d aus 5b) unterscheidet sich von dem Querschnitt a-b von 5a) lediglich dadurch, dass statt der ersten Elektrode E1₃ und E1₇ die zweiten Elektroden E2₃ und E2₇ an den Außenseiten angeordnet sind, wobei diese physisch von der seismischen Masse M_R getrennt und durch die Isolationsschicht 42 von dem Substrat elektrisch isoliert ist. Entsprechendes gilt für die hier nicht abgebildeten übrigen zweiten Elektroden E2_1-2 , E2_4-6 , E2₈ und die hier nicht abgebildeten dritten Elektroden E3_1-8 .
6 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die in 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 40' basiert ebenfalls auf der Rohrfedervorrichtung aus 2b). Dabei werden ebenfalls zwei spiralförmige Rohrfederelemente R1, R2 verwendet, deren offene, im Innern der spiralförmigen Rohrfeder R1, R2 befindliche ersten Ende R1a, R2a an einer Verankerung VA angebracht sind und einen Einlass E" ausbilden. Dabei sind die ersten Enden R1a, R2a um 180° versetzt, d.h. die ersten Enden R1a, R2a werden an gegenüberliegenden Seiten der Verankerung VA angebracht und winden sich von dort mit gleicher Krümmungsänderung nach außen. An geschlossenen äußeren zweiten Enden R1b, R2b ist eine ringförmige Masse M_R so angebracht, dass sie die Rohrfederelemente R1, R2 mit dem Einlass E" und der Verankerung VA einschließt, welche auf dem Substrat 41' befestigt ist. Die ringförmige Masse M_R erfährt bei einer Druckänderung zwischen innerem und äußerem Druck eine rotatorische Auslenkung S_rot'. Die seismische Masse M_R weist an seiner Außenseite eine Kammstruktur auf, an deren Kammzinken Arme H_1-8 einer Auslenkerfassungseinrichtung E1_1-8 ', E2_1-8 ', E3_1-8 ', H_1-8 ausgebildet sind.
So sind in der im Vergleich zur ersten Ausführungsform variierten Auslenkerfassungseinrichtung E1_1-8 ', E2_1-8 ', E3_1-8 ', H_1-8 eine in regelmäßigem Abstand zueinander angebrachte Mehrzahl, in dieser Ausführungsform acht, Arme H_1-8 vorgesehen, die sich nach Außen erstrecken und an denen die ersten Elektroden E1_1-8 ' angebracht sind. Die ersten Elektroden E1_1-8 ' erstrecken sich längs in Drehrichtung und sind jeweils zwischen feststehenden, sich längs in Drehrichtung erstreckenden zweiten Elektroden E2_1-8 ' auf der einen Seite und feststehenden, sich ebenfalls längs in Drehrichtung erstreckenden dritten E3_1-8 ' auf der anderen Seite angeordnet. Dabei sind die feststehenden zweiten Elektroden E2_1-8 ' und dritten Elektroden E3_1-8 ' auf dem Substrat 41' befestigt und voneinander elektrisch isoliert. So entstehen hier ebenfalls eine erste Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-8 und den jeweiligen zweiten Elektrode E2_1-8 und eine zweite Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E3_1-8 und den jeweiligen dritten Elektroden E3_1-8 gemäß einem Plattenkondensator.
Diese Elektrodenanordnung fällt hier ebenfalls unter den Begriff „interdigitale Anordnung“ und lässt mit einer ähnlichen angepassten elektronischen Schaltung das Auslesen der Kapazitäten und die Umwandlung in ein elektrisches Signal, wie z.B. einer Spannung, zu, die die Auslenkung wiedergibt. Dabei wird in der Regel eine Linearisierung durchgeführt, so dass das elektrische Signal linear zur Druckänderung gestaltet wird. So bewirkt hier eine Auslenkung ein Einschieben und eine Herausnahme der ersten Elektroden E1_1-8 ' aus den jeweiligen Elektronenpaaren gebildet aus zweiten Elektroden E2_1-8 ' und dritten Elektroden E2_1-8 '. Dies führt zu einer entsprechenden Verringerung einer der ersten oder der zweiten Kapazität und einer gleichzeitigen Erhöhung der anderen der ersten oder der zweiten Kapazität gemäß der Veränderung der effektiven Fläche der Plattenkondensatoren. Ein Auslesen dieses Kapazitätsunterschieds ermöglicht bereits einen großen Signal-zu-Rausch Abstand. Ferner hat eine große Anzahl von Elektroden E1_1-8 ', E2_1-8 ', E3_1-8 ' noch den Vorteil, dass die jeweiligen ersten Kapazitäten und zweiten Kapazitäten sich zu großen ersten und zweiten Gesamtkapazitäten summieren lassen, aus diesen sich wiederum ein Signal mit erhöhtem Signal-zu-Rausch Abstand erzeugen lässt.
7 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen zunächst darin, dass die seismische Masse M_T nicht rotatorisch, sondern rein translatorisch ausgelenkt wird. Dies wird durch U-förmige Rohrfederelemente R1', R2' ermöglicht, die an jeweiligen Verankerungen VA1', VA2' angebracht sind, und deren erste jeweilige Enden R1a', R2a' Einlässe E1', E2' ausbilden. Die Verankerungen VA1', VA2' sind auf einem Substrat 51 befestigt. Die Rohrelemente R1' und R2' spalten sich nach Durchlauf eines an den Verankerungen angebrachten Abschnitts in jeweilig ein links-umlaufendes Rohrfederelement RUI', RUI" und ein rechts-umlaufendes Rohrfederelement RUr', RUr" auf. Hierbei sind die jeweiligen links-umlaufenden Rohrfederelemente RUI', RUI" und rechts-umlaufenden Rohrfederelemente RUr', RUr" umlaufend entgegengesetzt angeordnet und weisen gleiche Krümmungsradien und Längen auf. An den jeweiligen zweiten Enden R1b', R2b' laufen jeweilig die beiden entgegengesetzt-umlaufenden Rohrfederelemente RUr', RUr", RUI', RUI" wieder zusammen. Dort können Kammern ausgebildet sein, die an die seismische Masse M_T angrenzen und mit dieser verbunden sind.
Die seismische Masse M_T weist an seiner Außenseite eine Kammstruktur auf, deren Kammzinken sich senkrecht zu einer Auslenkung S_T '" nach zwei Seiten erstrecken, und an denen ersten Elektroden E1_1-16" einer Auslenkerfassungseinrichtung E1_1-16", E2_1-14", E3_1-14" ausgebildet sind. So sind an der Außenseite der seismischen Masse M_T in regelmäßigem Abstand voneinander eine Mehrzahl, in dieser Ausführungsform 16, erste Elektroden E1_1-8 vorgesehen. Dazu sind sich ebenfalls senkrecht zur Auslenkungsrichtung erstreckende feststehende zweiten Elektroden E2_1-14 und dritten Elektroden E3_1-14 zwischen den außen angebrachten ersten Elektroden E1₁ , E1₈ , E1₉ , E1₁₆ mit den übrigen ersten Elektroden E1_2-7 , E1_10-15 alternierend angeordnet. Dabei sind die feststehenden zweiten Elektroden E2_1-8 und dritten Elektroden E3_1-8 auf dem Substrat 51 befestigt und voneinander elektrisch isoliert. So entsteht eine erste Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-16 und den jeweiligen zweiten Elektroden E2_1-14 und eine zweite Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-16 und den jeweiligen dritten Elektrode E3_1-14 . So hat diese interdigitale Anordnung den Vorteil, dass die Elektroden parallel zueinander angeordnet sind und durch die daraus resultierende, kompakte wie auch leichter erweiterbare Anordnung eine erhöhte Elektrodenzahl ermöglicht. Durch die damit verbundene Erhöhung des Signal-zu-Rausch Abstands wird schließlich ein Sensor mit erhöhter Druckempfindlichkeit ermöglicht.
Diese Ausführungsform weist zwei Einlässe E1' und E2' auf, wodurch zwei Drücke P_A , P_B angeschlossen und vergleichend gemessen werden können. So wird in der Anordnung von 7 die seismischen Masse M_T zur rechten Seite ausgelenkt, wenn P_A>P_B gilt, und zur linken Seite, wenn P_A<P_B gilt. Solch eine relative Druckbestimmung lässt sich in abgeänderter Form auch mit spiralförmigen Rohrfederelementen R1r, R2l realisieren, wie sie z.B. in 3c) dargestellt sind. Somit können auch Modifikationen an Sensoren mit rotatorischer Auslenkung unternommen werden, so dass sie eine Mehrzahl von Einlässen aufweist und eine relative Druckbestimmung zulassen.
8a)-8b) ist schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Querschnittdarstellungen in 8a) und 8b) zeigen die mikromechanische Drucksensorvorrichtung 50 aus 7 in zwei verschiedenen Seitenansichten. In 8a) wurde der Querschnitt e-f so gewählt, dass dieser durch die Kammzinken, d.h. die Elektroden E1_1-8 ", E2_1-7 ", E3_1-7 " im oberen Teil der Kammstruktur verläuft. Eine alternierende Anordnung von ersten, zweiten und dritten Elektroden E1_1-8 ", E2_1-7 ", E3_1-7 " ist zu erkennen, wobei die ersten Elektroden E1₁ , E1₈ den Anfang und das Ende der Kammstruktur bilden. Weiterhin sind die ersten Elektroden E1_1-8 " frei beweglich und nicht mit dem Substrat 51 direkt verbunden, während die zweiten Elektroden E2_1-8 " und dritten Elektroden E3_1-8 " über eine Isolationsschicht 52, die zwischen Substrat 51 und den Elektroden E2_1-8 ", E3_1-8" aufgetragen wurde, mit dem Substrat 52 verbunden sind. An den Außenseiten oberhalb des Substrats 51 sind die Querschnitte der Rohrfederelemente R1', R2' zu finden.
Der in 8b) dargestellte Querschnitt g-h verläuft etwas unterhalb der Einlässe E₁ ', E₂ ' durch die Verankerungen VA1', VA2', die an den Außenseiten oberhalb des Substrats 51 dargestellt sind. Dort angebracht sind die Rohrfederelemente R1', R2', deren jeweiliges zweites Ende R1b', R2b' sich an eine jeweilige Kammer K1, K2 anschließt. Diese grenzen an die seismische Masse M_T an und verbinden so die beiden Rohrfederelemente R1', R2' mechanisch miteinander. Es ist zu erkennen, dass lediglich die Verankerungen VA1', VA2' über eine Isolierschicht 52 mit dem Substrat 51 verbunden sind, während die übrigen Elemente, d.h. die Rohrfederelemente R1', R2', deren jeweiliges zweites Ende R1b', R2b', die Kammern K1, K2 und die seismische Masse M_T , frei beweglich gestaltet sind.
9 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die mikromechanische Drucksensorvorrichtung 60 der vierten Ausführungsform gleicht der vorhergehenden mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 50 der dritten Ausführungsform zunächst darin, dass die seismische Masse M_T rein translatorisch ausgelenkt wird. Dies wird ebenfalls durch U-förmige Rohrfederelemente R1', R2' ermöglicht, die an den jeweiligen Verankerungen VA1', VA2' angebracht sind, die auf einem Substrat 61 befestigt sind. Die Rohrelemente R1' und R2' spalten sich nach Durchlauf eines an den Verankerungen angebrachten Abschnitts in jeweilig ein links-umlaufendes Rohrfederelement RUI', RUI" und ein rechts-umlaufendes Rohrfederelement RUr', RUr" auf. Hierbei sind die jeweiligen links-umlaufenden Rohrfederelemente RUI', RUI" und rechts-umlaufenden Rohrfederelemente RUr', RUr" umlaufend entgegengesetzt angeordnet und weisen gleiche Krümmungsradien und Längen auf. An den jeweiligen zweiten Enden R1b', R2b' laufen jeweilig die beiden entgegengesetzt-umlaufenden Rohrfederelemente RUr', RUr", RUI', RUI" wieder zusammen. Der Unterschied zur dritten Ausführungsform liegt darin, dass die jeweiligen Enden R1b', R2b' der Rohrfederelemente R1', R2' über Verbindungselemente V1, V2 so miteinander verbunden werden, dass ein Massenfluss vom einem Einlass E₁ ' zu einem Auslass A₁ ermöglicht ist. Der Einlass E₁ ist dabei an dem ersten Ende R1a' des ersten Rohrfederelements R1' und der Auslass A₁ an dem zweiten Ende R1b' des zweiten Rohrfederelements R2b' ausgebildet.
Die Verbindungselemente V1, V2 verlaufen dabei parallel in der seismischen Masse M_T . Die seismische Masse M_T ist ansonsten ähnlich gestaltet wie in der dritten Ausführungsform und weist an seiner Außenseite eine Kammstruktur auf, deren Kammzinken sich senkrecht zu einer Auslenkung S_T "" nach zwei Seiten erstrecken, und an denen ersten Elektroden E1_1-16 " einer Auslenkerfassungseinrichtung E1_1-16", E2_1-14", E3_1-14" ausgebildet sind. So sind an der Außenseite der seismischen Masse M_T in regelmäßigem Abstand voneinander eine Mehrzahl, in dieser Ausführungsform ebenfalls 16, erste Elektroden E1_1-8 vorgesehen. Dazu sind sich ebenfalls senkrecht zur Auslenkungsrichtung erstreckende feststehende zweiten Elektroden E2_1-14 und dritten Elektroden E3_1-14 zwischen den außen angebrachten ersten Elektroden E1₁ , E1₈ , E1₉ , E1₁₆ mit den übrigen ersten Elektroden E1_2-7 , E1_10-15 alternierend angeordnet. Dabei sind die feststehenden zweiten Elektroden E2_1-8 und dritten Elektroden E3_1-8 auf dem Substrat 51 befestigt und voneinander elektrisch isoliert. So entsteht eine erste Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-16 und den jeweiligen zweiten Elektroden E2_1-14 und eine zweite Kapazität zwischen den jeweiligen ersten Elektroden E1_1-16 und den jeweiligen dritten Elektrode E3_1-14. So hat diese interdigitale Anordnung den Vorteil, dass die Elektroden parallel zueinander angeordnet sind und durch die daraus resultierende, kompakte wie auch leichter erweiterbare Anordnung eine erhöhte Elektrodenzahl ermöglicht. Durch die damit verbundene Erhöhung des Signal-zu-Rausch Abstands wird schließlich ein Sensor mit erhöhter Druckempfindlichkeit ermöglicht.
In dieser Ausführungsform wird ein Staudruck P_A am Einlass E₁ ' angeschlossen und mit dem am Auslass A₁ austretenden Druck P_A ' vergleichend gemessen. So kann mit dieser mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 60 ein Staudruck gemessen werden, mit dem man dann auf den Massenfluss oder die Viskosität des verwendeten Fluides schließen kann, je nachdem welches dieser beiden Größen bekannt ist. Die Auslenkung erfolgt hierbei aufgrund der Reibung an den Wänden der Rohrfederelement R1', R2'. Durch die Röhrengeometrie und die Oberflächenrauigkeit ist für eine genaue Messung eine Kalibrierung notwendig. Jedoch kann auch ein solcher Sensor zur qualitativen Bestimmung eines Medienflusses oder seiner Flussrichtung verwendet werden. Ferner lässt sich solch eine Staudruckmessung in abgeänderter Form z.B. auch mit spiralförmigen Rohrfederelementen R1r, R2l darstellen, wie sie in 3c) dargestellt sind. Somit lassen sich auch Modifikationen von Sensoren mit rotatorischer Auslenkung und einem Einlass und einem Auslass realisieren, die eine Staudruckbestimmung zulassen.
10a)-10d) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung mit einer Kappe gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die hier dargestellten vier Ausführungsformen von mikromechanischen Drucksensorvorrichtungen 70; 70'; 70"; 70'" mit einer Kappe 72 weisen verschiedene Möglichkeiten von Druckanschlüssen 75a; 75b, 75e; 75a', 75c; 75d auf. Hierbei werden Drucksensorvorrichtungen 50; 60; 73 verwendet, die zwei Anschlüsse E1", E1" besitzen, wie sie z.B. die Drucksensorvorrichtung 50 der dritten Ausführungsform mit den Einlässen E₁ ', E₂ ' aufweist.
Die ersten beiden Ausführungsformen der mikromechanische Drucksensorvorrichtung 70; 70' mit Kappe 72 sind so gewählt, dass ein Außendruck angeschlossen ist, der mit einem eingeschlossenen Referenzdruck R_K , R_K ' vergleichend gemessen wird. So ist in 10a) eine mikromechanische Drucksensorvorrichtung 73 vorgesehen, die über einen ersten Einlass E1" an einem Druckanschluss 75a angeschlossen ist, der sich auf der Rückseite des Substrats 71 befindet und über den ein Außendruck P_R an der Rückseite des Substrats 71 in die mikromechanische Drucksensorvorrichtung 73 eingeführt wird. Eine Kavität 76, die in dem Substrat 71 eingeschlossen ist und einen Referenzdruck P_K enthält, ist hier an den zweiten Einlass E2" angeschlossen.
In der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 70' mit einer Kappe 72 dargestellt in 10b) hingegen ist der Druckanschluss 75b auf der Vorderseite in der Kappe 72 ausgebildet. Durch diesen Druckanschluss 75b kann das Fluid mit einem Druck Pv über den ersten Einlass E1" in die mikromechanische Drucksensorvorrichtung 73 gelangen. Der Druck Pv wird mit einem Referenzdruck P_K ', der sich in dem Zwischenraum 74 zwischen Substrat 71 und Kappe 72 eingeschlossen ist und über einen Druckanschluss 75e zum Zwischenraum 74 in den zweiten Einlass E2" eingeführt wird, vergleichend ermittelt.
Bei weiteren beiden Ausführungsformen der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 70"; 70'" mit Kappe 72 hingegen werden Außendrücke P_V , P_R , P_S untereinander vergleichend gemessen. Dies kann wieder mittels einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 73 mit zwei Einlässen geschehen, wie sie die mikromechanische Drucksensorvorrichtung 50 der dritten Ausführungsform aufweist. Ferner können die Außendrücke P_V , P_R , P_S auch über eine Staudruckmessung mittels einer Drucksensorvorrichtung 60 gemäß der vierten Ausführungsform ermittelt werden.
So wird in der in 10c) dargestellten Ausführungsform der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 70" mit einer Kappe 72 der Druck P_R an der Rückseite des Substrats 71 über einen Druckanschluss 75a' an den ersten Einlass E1" der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 73 eingeführt. Der Druck Pv wird an der Vorderseite des Substrats 71 über einen Druckanschluss 75c, der im seitlich der Kappe befindlichen Bondbereich des Substrats ausgebildet ist, an den zweiten Einlass E2" der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 73 angeschlossen.
In der Drucksensorvorrichtung 70'" mit Kappe 72 der Ausführungsform nach 10d) wird der Druck P_S seitlich des Substrats über einen Druckanschluss 75d seitlich des Substrats 71 in den ersten Einlass E1"der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 73 eingeführt, während der Druck P_V an der Vorderseite des Substrats 71 über den Druckanschluss 75c, der im seitlich der Kappe befindlichen Bondbereich des Substrats ausgebildet ist, in den zweiten Einlass E2"der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 73 eingeführt wird.
Die Kombinationen der Druckanschlüsse in den vier Ausführungsformen der mikromechanischen Drucksensorvorrichtung 70; 70'; 70"; 70"'mit einer Kappe 72 sind dabei nur Beispielhaft gewählt worden und können in beliebiger Kombination angewendet werden. Insbesondere können auch mikromechanische Drucksensorvorrichtungen 40; 40'; 50; 60 zur Anwendung kommen, die nur einen Einlass E₁ " oder über mehr als zwei Einlässe E₁ ", E₂ " verfügen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Insbesondere können andere Neigungsrichtungen Winkel, Geometrien etc. für die einzelnen Elemente gewählt werden. Weiterhin ist zu beachten, dass sowohl eine Rohrfeder als auch ein Rohrfederelement ein hohles und gekrümmtes Rohr oder Rohrabschnitt im Sinne der Erfindung des Bourdonrohrs beschreiben.
Die vorstehenden Merkmale der Drucksensorvorrichtung können beispielsweise mit mikromechanischen Verfahren in einem Substrat, insbesondere in einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/0268722 A1 [0005]

Claims

Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 73) zur Absolutdruckmessung mit einem Einlass (E"), einem oder mehreren Rohrfederelementen (R1, R2), die jeweilig ein offenes erstes Ende (R1a, R2a) und ein geschlossenes zweites Ende (R1b, R2b) aufweisen, wobei das oder die jeweiligen ersten Enden (R1a, R2a) an einer Verankerung (VA) auf einem Substrat (41; 71) befestigt sind und den Einlass (E") ausbilden, wobei das oder die jeweiligen zweiten Enden (R1b, R2b) an einer seismischen Masse (M_R) befestigt sind, wobei das oder die Rohrfederelemente (R1, R2) so ausgelegt sind, dass die seismische Masse (M_R) bei einer Druckänderung eines Drucks (P_A) am Einlass (E") zu einem Umgebungsdrucks P₀ translatorisch oder rotatorisch ausgelenkt wird, einer Auslenkerfassungseinrichtung (E1_1-8, E2_1-8, E3_1-8; E1_1-8', E2_1-8', E3_1-8', H_1-8) zum Erfassen eines elektrischen Signals, das die Auslenkung (S_rot') wiedergibt.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (50; 73) zur Relativdruckmessung mit einer Mehrzahl Einlässen (E₁', E₂') und einer Mehrzahl von Rohrfederelementen (R1', R2'), die jeweilig ein offenes erstes Ende (R1a', R2a') und ein geschlossenes zweites Ende (R1b', R2b') aufweisen, wobei die jeweiligen ersten Enden (R1a', R2a') an jeweiligen Verankerungen (VA1', VA2') auf einem Substrat (51; 71) befestigt sind und die jeweiligen Einlässe (E₁', E₂') ausbilden, wobei die jeweiligen zweiten Enden (R1b', R2b') an einer seismischen Masse (M_T) befestigt sind, wobei die Rohrfederelemente (R1', R2') so ausgelegt sind, dass die seismische Masse (M_T) bei einer relativen Druckänderung von Drücken (P_A, P_B) an den jeweiligen Einlässen (E₁', E₂') translatorisch oder rotatorisch ausgelenkt wird, einer Auslenkerfassungseinrichtung (E1_1-16", E2_1-14", E3_1-14") zum Erfassen eines elektrischen Signals, das die Auslenkung (S_T'") wiedergibt.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (60; 73) zur Staudruckmessung mit einem Einlass (E₁'), einem Auslass (A₁) und einem ersten Rohrfederelemente (R1') und einem zweiten Rohrfederelement (R2') jeweilig mit einem offenen ersten Ende (R1a', R2a') und einem offenen zweitem Ende (R1b', R2b'), wobei das erste Ende (R1a') des ersten Rohrfederelements (R1') an einer ersten Verankerung (VA1') auf einem Substrat (51; 71) befestigt ist und den Einlass (E₁') ausbildet, wobei das erste Ende (R2a") des zweiten Rohrfederelements (R2') an einer zweiten Verankerung (VA2') auf dem Substrat (51; 71) befestigt sind und den Auslass (A₁) ausbildet, wobei ein oder mehr Verbindungselemente (V1, V2) die jeweiligen zweiten Enden (R1b', R2b') der Rohrfederelemente (R1', R2') untereinander verbindet, so dass ein Massenfluss vom Einlass (E₁') zum Auslass (A₁) ermöglicht ist, wobei eine seismische Masse (M_T') an dem oder den Verbindungselementen (V1, V2) befestigt ist, wobei die Rohrfederelemente (R1', R2') so ausgelegt sind, dass die seismische Masse (M_T') bei einer relativen Druckänderung eines Drucks (P_A) am Einlass (E₁') zu einem Druck (P_A') am Auslass (A₁) translatorisch oder rotatorisch ausgelenkt wird, einer Auslenkerfassungseinrichtung (E1_1-16", E2_1-14", E3_1-14") zum Erfassen eines elektrischen Signals, das die Auslenkung (S_T"") wiedergibt.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 50; 60; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auslenkerfassungseinrichtung (E1_1-8, E2_1-8, E3_1-8; E1_1-8', E2_1-8', E3_1-8', H_1-8; E1_1-16", E2_1-14", E3_1-14") eine oder mehrere an der beweglichen Masse (M_R; M_T; M_T') ausgebildete erste Elektroden (E1_1-8; E1_1-8'; E1_1-16") umfasst, die jeweilig zu feststehenden zweiten Elektroden (E2_1-8, E2_1-8'; E2_1-14") und feststehenden dritten Elektroden (E3_1-8, E3_1-8'; E3_1-14") interdigital angeordnet sind, wobei die jeweiligen ersten Elektroden (E1_1-8; E1_1-8'; E1_1-16") und die jeweiligen zweiten Elektroden (E2_1-8, E2_1-8'; E2_1-14") eine erste Kapazität bilden, und die jeweiligen ersten Elektroden und die jeweiligen dritten Elektroden (E3_1-8, E3_1-8'; E3_1-14") eine zweite Kapazität bilden, und wobei die Drückänderung über Änderungen der ersten Kapazität und zweiten Kapazität erfassbar ist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (50; 60; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die seismische Masse (M_T; M_T') eine Kammstruktur bildet, wobei die ersten Elektroden (E1_1-16") an den Kammzinken der Kammstruktur ausgebildet sind und zu den feststehenden zweiten Elektroden (E2_1-8, E2_1-8'; E2_1-14") und den feststehenden dritten Elektroden (E3_1-8, E3_1-8'; E3_1-14") interdigital angeordnet sind.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ein oder mehreren Rohrfederelemente (R1, R2) sich von dem jeweiligen ersten Ende (R1a, R1b) spiralförmig nach außen erstrecken, wobei die seismische Masse (M_R) ringförmig gestaltet ist und das oder die Rohrelemente (R1, R2) einschließt, wobei die seismische Masse (M_R) bei einer Druckänderung rotatorisch ausgelenkt wird.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 73) nach Anspruch 6, wobei die Auslenkerfassungseinrichtung (E1_1-8', E2_1-8', E3_1-8', H_1-8) einen oder mehrere Arme (H_1-8) aufweist, die die ersten Elektroden (E1_1-8', E2_1-8', E3_1-8') mit der seismischen Masse (M_R) verbindet.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (50; 60; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die ein oder mehreren Rohrfederelemente (R1', R2') in jeweilige U-förmige erste Abschnitte (RUr', RUr") und jeweilige U-förmige zweite Abschnitte (RUI', RUI") aufspalten und wieder vereinen, wobei die jeweiligen ersten Abschnitte (RUr', RUr") und die jeweiligen zweiten Abschnitte (RUI', RUI") entgegengesetzt umlaufend zueinander orientiert sind, wobei die seismische Masse (M_T; M_T') bei einer Druckänderung translatorisch ausgelenkt wird.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (50; 73) nach Anspruch 8, wobei die ein oder mehreren Rohrfederelemente (R1', R2', K1, K2) eine oder mehrere Kammern (K1, K2) aufweisen, die an den jeweiligen zweiten Enden (R1b', R2b') ausgebildet sind und an die seismische Masse (M_T) angrenzen.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 50; 60; 73) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Kappe (72) auf das Substrat (41; 51; 61; 71) gebondet ist und mit dem Substrat (41; 51; 61; 71) einen Zwischenraum (74) einschließt, wobei mindestens ein Einlass (E"; E1, E2; E1', E2') mit einem jeweiligen Druckanschluss (75a; 75b, 75e; 75a', 75c; 75d) im Substrat (41; 51; 61; 71) oder der Kappe (72) vorgesehen ist.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 50; 60; 73) nach Anspruch 10, wobei die einer oder mehreren Druckanschlüsse (75a; 75b, 75e; 75a', 75c; 75d) an der Rückseite des Substrats (41; 51; 61; 71), und/oder seitlich des Substrats (41; 51; 61; 71), und/oder im seitlich der Kappe befindlichen Bondbereich des Substrats (41; 51; 61; 71), und/oder an der Vorderseite der Kappe (72), und/oder im Zwischenraum (74) ausgebildet sind.
Mikromechanische Drucksensorvorrichtung (40; 40'; 50; 60; 73) nach Anspruch 10, wobei das Substrat (41; 51; 61; 71) eine Kavität (76) einschließt, die einen Referenzdruck R_K enthält, und die an einem weiteren Einlass (E"; E1, E2; E₁', E2') angeschlossen ist.
Mikromechanisches Herstellungsverfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Drucksensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mittels mikromechanischer Verfahren in einem Substrat ein Einlass (E") und ein oder mehrere Rohrfederelementen (R1, R2), die jeweilig ein offenes erstes Ende (R1a, R2a) und ein geschlossenes zweites Ende (R1b, R2b) aufweisen, ausgebildet werden, wobei das oder die jeweiligen ersten Enden (R1a, R2a) an einer Verankerung (VA) auf einem Substrat (41; 71) befestigt sind und den Einlass (E") ausbilden, wobei das oder die jeweiligen zweiten Enden (R1b, R2b) an einer seismischen Masse (M_R) befestigt sind, wobei das oder die Rohrfederelemente (R1, R2) so ausgelegt sind, dass die seismische Masse (M_R) bei einer Druckänderung eines Drucks (P_A) am Einlass (E") zu einem Umgebungsdrucks P₀ translatorisch oder rotatorisch ausgelenkt wird, wobei eine Auslenkerfassungseinrichtung (E1_1-8, E2_1-8, E3_1-8; E1_1-8', E2_1-8', E3_1-8', H_1-8) zum Erfassen eines elektrischen Signals ausgebildet wird, das die Auslenkung (S_rot') wiedergibt.