DE3505926C2 - Kapazitiver Druckmesser für Absolutdruck - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckmesser für Absolutdruck.

In einem kapazitiven Druckmesser erzeugt der Druck­ unterschied eine Durchbiegung einer elastischen Membran und ändert den Abstand einer an der Membran angebrachten Kondensatorplatte zu einer auf dem Grundgerüst der Geräte­ anordnung aufgebrachten Kondensatorplatte oder zu einer auf einer zweiten Membran angeordneten beweglichen Platte. Die Bewegung kann mit den Platten entweder so verbunden werden, daß eine Druckerhöhung den Plattenabstand ver­ größert oder den Plattenabstand verkleinert.

Wenn die Plattenbewegung proportional zum Druck ist, wird die Druckempfindlichkeit der Kapazität des Druckmessers bei Drücken größer, bei denen die Platten näher beiein­ ander sind, als bei Drücken, bei denen sie einen größeren Abstand voneinander aufweisen. Dieser Umstand wur­ de bei Druckmessern, die in einem großen Druckbe­ reich arbeiten, dadurch ausgenutzt, daß die Platten bei einem tiefen Druck den geringsten Abstand voneinander aufweisen und sich dieser Abstand bei vergrößerndem Druck erhöht.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsformen derartiger Druckmesser nach dem Stand der Technik. In Fig. 1 sind die Kondensatorplatten außerhalb der Aneroidkapsel und in Fig. 2 innerhalb der Kapsel angeordnet. Ein derartiger Stand der Technik ergibt sich aus den Druckschriften: K. E. Bean, "Anisotropic Etching of Silicon", IEEE Trans­ actions on Electron Devices, Heft ED-25 (1978) Nr. 10, Seiten 1185-93, US 4,386,453, US 4,257,274, US 4,332,000, US 4,390,925 und US 3,397,278.

Aus dem vorgenannten Aufsatz "Anisotropic Etching of Silicon" ist es bekannt, miniaturisierte kapazitive Druckmesser aus Silizium und Glas unter Verwendung von Mikro-Photolithographie und Ätzverfahren herzustellen. In der US 4 386 453 ist ein Druckmesser für Absolutdruck beschrieben, bei dem die Kondensatorplatten innerhalb der Aneroidkapsel angeordnet sind und sich bei Druckerhöhung einander nähern.

Aus der DE 20 21 479 A1 ist ein kapazitiver Druckmesser bekannt, der mit einer oder zwei Membranen ausgestattet ist und eine Absolutdruckmessung erlaubt. Die Membranen beste­ hen aus Quarzglas oder quarzähnlichem Glas und tragen an ihrer innenliegenden oder außenliegenden Seite zumindest eine Kondensatorplatte, deren Abstand zu einer festen Kon­ densatorplatte druckabhängig variiert.

In der DE 32 36 848 A1 ist ein kapazitiver Druckgeber beschrieben, bei dem auf einem Siliziumsubstrat Borsilikat­ glas als Stützmaterial aufgebracht ist, auf dem eine dünne Siliziumplatte montiert ist. Die Siliziumplatte kann planar ausgebildet sein oder an ihrer dem Siliziumsubstrat zuge­ wandten Seite einen dickeren, als Kondensatorplatte wirken­ den Mittelteil besitzen, dessen Abstand zum gegenüberlie­ genden Siliziumsubstrat bzw. einer dort aufgebrachten Elek­ trode sich druckabhängig verändert.

In JP-Abstract 56-98630 A ist ein Drucksensor beschrie­ ben, bei dem zwischen zwei Borsilikatglas-Platten eine Si­ liziumscheibe mit verdünntem, eine Membran ausbildendem Mittelteil angeordnet ist. Die beiden Borsilikatglas-Plat­ ten sind mit Löchern zur Zuführung des Drucks zur Silizium­ membran sowie mit die Löcher und die Platteninnenseiten auskleidenden Elektrodenschichten versehen, so daß ein Dif­ ferenzdruckmesser gebildet ist.

Aus der US 4 203 128 ist ein kapazitiver Druckmesser bekannt, bei dem auf einem Silizium-Trägersubstrat eine se­ lektiv abgetragene Siliziumdioxidschicht zur Bildung eines Hohlraums 40 und oberhalb der Siliziumdioxidschicht eine weitere Siliziumplatte angeordnet ist. Die oberseitige Si­ liziumplatte ist im Bereich des Hohlraums derart bearbei­ tet, daß sich ein verdünnter Bereich ergibt, der als Sili­ ziummembran wirkt. Hierbei ist es möglich, oberhalb der oberseitigen Siliziumplatte eine Schicht aus transparentem Material wie etwa Pyrex aufzubringen, so daß sich eine zweite, jedoch offene Kammer auf der dem Hohlraum gegen­ überliegenden Membranseite ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazi­ tiven Druckmesser für Absolutdruck zu schaffen, der sich in einfacher, zuverlässiger Weise herstellen läßt und eine präzise Druckmessung erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genann­ ten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung werden etliche Vorteile er­ zielt. Im Vergleich zu der aus der US 4 386 453 be­ kannten Konstruktion weist der Druckmesser gemäß der vor­ liegenden Erfindung eine höhere Empfindlichkeit bei niedri­ gen Drücken auf, das Volumen der Aneroidkapsel ist ver­ größert - der Abstand zwischen den Kondensatorplatten be­ trägt typischerweise 1/100 der Tiefe der Ausführung - und es werden keine aus der Vakuumkapsel heraustretenden Leiter­ bahnen benötigt.

Andererseits werden im Vergleich zu den herkömmlichen Konstruktionen gemäß den Fig. 1 und 2 eine geringe Bau­ größe, stabilere Materialien, schnelleres Ansprechen, geringe interne Temperaturunterschiede und die Möglichkeit zur Massenproduktion ermöglicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mehreren Ausführungsformen der Erfindung anhand der Fig. 3 und 4.

Es zeigen

Fig. 3a eine seitliche Schnittansicht eines Druckmessers gemäß der vorliegenden Er­ findung,

Fig. 3b einen Schnitt des Druckmessers gemäß Fig. 3a entlang der Ebene A-A, und

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines Druckmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.

Bei der Herstellung eines Druckmessers für Absolutdruck mit einem großen Druckmeßbereich muß die Bewegung der Kondensatorplatten entgegengesetzt zur Bewegung der Platten sein, wie es in der US 4 386 453 beschrieben ist. Die Fig. 3a und 3b zeigen eine solche Konstruktion eines Druckmessers. Der Druckmesser weist eine erste Glasplatte 3, eine Siliziumplatte 2 und eine zweite Glasplatte 1 auf. Diese Komponenten sind zum Beispiel mittels eines aus der US 3 397 278 bekannten Verfahrens miteinander ver­ bunden. Auf einer Seite der Siliziumplatte 2 wurde durch Ätzen eine Aushöhlung 4 geschaffen, die durch die zweite Glasplatte 1 unter Vakuum hermetisch abgeschlossen wird. Die durch die zweite Glasplatte 1 abgeschlossene Aushöhlung 4 stellt die Aneroidkapsel des Druckmessers dar.

Die andere Seite der Siliziumplatte 2 wurde ebenfalls be­ arbeitet, so daß ein Membranteil 5 mit einem dickeren Mit­ telteil 6 geformt wird. Der Membranteil 5 ist druckempfind­ lich und der Mittelteil 6 dient als bewegliche Kondensa­ torplatte.

Auf der ersten Glasplatte 3 befindet sich eine feste Kondensatorplatte 7, die durch Aufbringen eines dünnen Metallfilms auf die Glasplatte und entsprechendes Formen des Films ausgebildet worden ist. Die Kondensatorplatte 7 ist mittels einer Leiterbahn 12 galvanisch mit einem Anschluß 10 verbunden. Ein anderer Anschluß 11 steht in leitendem Kontakt mit der Siliziumplatte 2. Die Leiterbahn 12 durchläuft einen Kanal 9, der in die Siliziumplatte 2 eingearbeitet ist, über den der zu messende Druck auf die Membran 5 wirken kann. Die Bereiche 10, 11 und 12 werden in gleicher Weise wie die Kondensatorplatte 7 hergestellt.

Durch den mittleren Teil 6 und die Kondensatorplatte 7 mit dem dazwischen befindlichen Luftspalt 8 wird die druckempfindliche Kapazität gebildet. Diese Kapazität kann über die Anschlüsse 10 und 11 bzw. die daran angeschlossenen Leiter elektrisch gemessen werden.

Typische Dimensionsangaben für den Druckmesser sind 4 mm × 6 mm × 2,5 mm. Die Dicke der Membrane 5 beträgt 10 bis 100 µm. Die Breite des Luftspaltes 8 beträgt 1 bis 10 µm. Die Fläche der Kondensatorplatten 6 und 7 beträgt 1 bis 10 mm².

In der in Fig. 4 gezeigten zweiten Ausführungs­ form sind für entsprechende Teile analoge Bezugszeichen wie in den Fig. 3a und 3b verwendet.

Die Fig. 4 zeigt eine Abänderung der in den Fig. 3a und 3b gezeigten Konstruktion, bei der der Hohlraum 4 der Aneroid­ kapsel und der Luftspalt 8 statt in die Siliziumplatte 2 in die Glasplatten 1 und 3 eingearbeitet sind.

Beispielsweise ist es aber auch möglich, entweder den Hohlraum 4 in die Glasplatte 1 und den Luftspalt in die Siliziumplatte 8 einzuarbeiten oder den Hohlraum in die Siliziumplatte 2 und den Luft­ spalt in die Glasplatte 3.

Claims (5)

1. Kapazitiver Druckmesser für Absolutdruck mit einer er­ sten Glasplatte (3), einer auf der Glasplatte (3) aufge­ brachten festen Kondensatorplatte (7) und einer auf dersel­ ben Seite mit der Glasplatte (3) verbundenen Siliziumplatte (2), die eine als bewegliche Kondensatorplatte wirkende, durch Ausbilden eines dünnen Bereichs (5, 6) hergestellte Siliziummembran (5, 6) aufweist, deren Abstand zur festen Kondensatorplatte (7) durch den Druck verändert wird, mit einer zur Bildung einer Aneroidkapsel (4) auf der Silizium­ platte (2) hermetisch aufgebrachten zweiten Glasplatte, de­ ren Bodenbereich durch die Siliziummembran (5, 6) definiert ist, wobei die Siliziummembran (5, 6) im Zentrum einen fe­ sten Bereich (6) aufweist und in die Siliziumplatte (2) ein seitlich verlaufender Kanal (9) eingearbeitet ist, in dem eine Leiterbahn (12), die mit der festen Kondensatorplatte (7) verbunden ist und auf der ersten Glasplatte (3) ange­ ordnet ist, verläuft und über den der zu messende Druck zum Raum zwischen den Kondensatorplatten (5, 6, 7) geführt wird, und wobei auf der ersten Glasplatte (3) neben einem mit der Leiterbahn (12) verbundenen äußeren Anschluß (10) ein weiterer Anschluß (11) angebracht ist, der mit der Si­ liziummembran (5, 6) leitend verbunden ist.

2. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (4) der Aneroidkapsel wenigstens teilweise in die Oberfläche der Siliziumplatte (2), die der zweiten Glasplatte (1) gegenüberliegt, eingearbeitet ist.

3. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (4) der Aneroidkapsel wenigstens teilweise in die Oberfläche der zweiten Glasplatte (1) eingearbeitet ist, die der Siliziumplatte (2) gegenüberliegt.

4. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (8) zwischen den Kondensatorplatten (12 und 6) wenigstens teilweise in diejenige Oberfläche der er­ sten Glasplatte (3) eingearbeitet ist, die der Silizium­ platte (2) gegenüberliegt.

5. Druckmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (8) zwischen den Kondensatorplatten (12 und 6) wenigstens teilweise in diejenige Oberfläche der Si­ liziumplatte (2) eingearbeitet ist, die der ersten Glas­ platte (3) gegenüberliegt.