DE4111118A1

DE4111118A1 - Micro-mechanical capacitative pressure transducer - has diaphragm spring with frame coupled to movable electrode plate ia diaphragm

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

Abstract

The transducer is pref. mfd. from monocrystalline silicon, glass or ceramic by planar microstructure etching technique. The diaphragm (1b) of the diaphragm spring component (1) has column and/or strip shaped or strip-form spacers (7) of insulating material or covered with insulating material on the side of the movable electrode plate (1c). The height of the space limiters is lower than the thickness of the frame (1a) of the diaphragm spring component. Alternatively, the electrode cover (2) possesses the space limiter having a height lower than the difference between the frame (1a) and the thickness of the diaphragm (1b). The cover (2) has a temp. dependent resistive path (8) near the fixed electrodes (2a) or circling it. Temp. dependent elements on the side of the diaphragm spring component and/or the cover (2) limit the counter pressure chamber (5). USE/ADVANTAGE - Detecting pressures in appts. and installations where control functions must be derived, e.g. consumer goods mfg. industries, motor vehicle mfr., appts. construction etc. Protected against damage from overloading. Compensates for errors arising from temp. variations.

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.The increase affects a capacitively working and after micromechanical manufacturing technology Pressure transducer used to convert those acting on it Pressing serves in electrical signals. He is everywhere applicable where pressures in devices and systems are determined and control functions must be derived from this. Such Pressure transducers are among others for use in the Consumer goods industry as well as in vehicle construction, tool and Suitable for textile machinery and apparatus engineering.

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.In DE-OS 35 05 925 a temperature-dependent capacitive Pressure gauge described, one base plate, one on this Base plate attached solid capacitor plate and a silicon plate applied in this way to the base plate has, so that the silicon plate is the fixed Surrounds capacitor plate, the middle part of the Silicon plate was made thinner so that it was a membrane-like structure that acts as a movable Capacitor plate serves. The base plate consists of a Silicon layer and an applied thereon and on the Silicon plate attached glass layer, the glass layer essentially thinner than the silicon layer. In this way is in the plate combination due to the elasticity and thermal expansion coefficient of the different The difference in thermal expansion of the layers Plate combination and the silicon membrane essential decreased. By changing the ratio of the thickness of Glass and silicon layer it is possible to use the pressure gauge for adapt certain use cases. Overload protection, that protects the pressure gauge from mechanical destruction not provided. Nor is there a possibility direct temperature measurement in the pressure chamber. Another pressure transmitter that works on the same principle will described in DE-OS 38 14 110. This has a capacitive Sensor arrangement, a housing in which the sensor arrangement is arranged, channels in the housing for introducing a measuring medium in the sensor arrangement and electrical conductors on which the pressure-dependent sensor information after make available to the outside. The capacitive sensor arrangement is held in the housing by means of elastic arrangements, so that the capacitive sensor arrangement floating between the Orders are held. So it should be possible to Eliminate errors caused by temperature fluctuations. A Overload protection against mechanical destruction is not provided see. Measurement errors caused by temperature fluctuations arise, are only partially compensated.

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.The object of the invention is to provide a pressure transducer that has a simple mechanical overload protection that the pressure transducer from mechanical destruction in the event of overpressure protects, works with high reliability and the Er Increase in measurement accuracy the errors caused by temperature fluctuations are compensated.

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.According to the invention, the object is achieved by a pressure transducer solved that of the elements membrane spring part, electrodes cover and connection cover, where the diaphragm of the diaphragm spring part on the side of the movable electrode plate columnar and / or strip-shaped or connected strip-shaped Distance limiters, which consist of an insulating material or covered with insulating material, whose height less than the thickness of the frame of the diaphragm spring part is, or that the electrode cover this distance has limiters whose height is less than the difference between frame and membrane thickness, that the electrode cover has a temperature-dependent resistance has a track next to the fixed electrode or is arranged around these, whose outer dimensions are smaller than the internal dimensions of the frame of the diaphragm spring part are and which is provided with external connections or that temperature-dependent elements on the side of the mem branch spring part and / or on the side of the electrode cover are arranged, which limit the back pressure chamber and that electrical connections depend on the temperature elements are led outwards and that in the connection cover columnar and / or afford shaped or connected strip-shaped stops existing are those whose height is less than the thickness of the edge of the Connection cover is.

Entsprechende Ausführungsvarianten sind in den Unteransprü chen 2 bis 6 beschrieben.Corresponding design variants are in the subclaims Chen 2 to 6 described.

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.An advantage of the solution according to the invention is that the distance limiters in the diaphragm spring part and by the An strike in stop cover a simple but very effective mechanical overload protection was developed, in the manufacturing technology of the pressure transducer without any problems can be integrated. By measuring the temperature immediately in the pressure chamber it is easily possible through the Temperature fluctuations caused inaccuracies balance.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigtThe invention is illustrated by an embodiment explained. In the accompanying drawings

Fig. 1 Schnitt durch den kapazitiven Drucksensor, Fig. 1-sectional view of the capacitive pressure sensor,

Fig. 2 Membrananteil in der Draufsicht, Fig. 2 membrane portion in plan view,

Fig. 3 Elektrodendeckel in der Draufsicht, Fig. 3 electrode cover in plan view,

Fig. 4 dreiseitige Darstellung des Druckwandlers. Fig. 4 three-sided representation of the pressure transducer.

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.The micromechanical capacitive pressure transducer shown in FIG. 1 consists of a diaphragm spring part 1 , an electrode cover 2 and a connection cover 3 , these individual parts being positioned in a sandwich construction. The membrane spring part 1 , which is preferably made of single-crystal silicon, consists of the frame 1 b and the movable electrode plate 1 c. The electrode cover 2 , which is preferably made of glass, carries the fixed electrode 2 a arranged opposite the electrode plate 1 c. In this arrangement, the electrode plate 1 c and the fixed electrode 2 a form a measuring capacitor with a variable capacitance. The connection cover 3 and the electrode cover 2 are separated from one another by the diaphragm spring part 1 and form the inlet pressure chamber 4 and the counter-pressure chamber 5 . The capacitive pressure transducer shown is particularly suitable for measuring a pressure difference if pressures are supplied via the through openings 13 and 13 a and can act on the diaphragm spring part 1 .

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.The membrane spring part 1 has around the electrode plate 1 c arranged columnar or strip-shaped spacers 7 , which are covered with an insulating layer. These distance limiters 7 are supported at a corresponding overpressure in the inlet pressure chamber 4 on the electrode cover 2 and thus prevent the membrane from bending beyond its elastic range. This arrangement is analogously provided with the stops 9 on the connection cover 3 for the counter pressure.

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.As can be seen from FIG. 3, a temperature-dependent resistance layer 8 and its connections 8 a are arranged around the fixed electrode 2 a with its electrical feed line 6 to the edge of the electrode cover 2 . The connections 8 a and the electrical supply line 6 are, as shown in FIG. 4, passed through the recess 19 in the frame 1 a of the diaphragm spring part 1 to the outside. The recess 19 is closed with an electrically non-conductive medium. Another arrangement for detecting the temperature during the temperature and pressure measurement consists in the arrangement according to FIG. 2 of temperature-dependent elements 18 on the side of the electrode cover 2 , the connection of which takes place to the outside via the electrical connections 18 a.

In Fig. 1 werden Möglichkeiten zur Druckminderung oder zur Begrenzung des wirkenden Maximaldruckes dargestellt wie Düsen loch 10, Überdruckventil 11 und Membranloch 12.In Fig. 1, options for reducing pressure or for limiting the effective maximum pressure are shown such as nozzle hole 10 , pressure relief valve 11 and membrane hole 12th

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.With the invention, a pressure transducer is created has various possibilities of overload protection and with its measures for temperature detection during measurement pressure as a converter or sensor element significantly expanded.

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference numerals used

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 1 diaphragm spring part
1 a frame
1 b membrane
1 c movable electrode plate
2 electrode covers
2 a fixed electrode
3 connection covers
4 inlet pressure chamber
5 back pressure chamber
6 electrical supply
7 distance limiters
8 temperature-dependent resistance track
8 a connections
9 stops
10 nozzle hole
11 pressure relief valve
12 membrane hole
13 through opening
13 a through opening
18 temperature-dependent elements
18 a electrical connections
19 recess

Claims

1. Micromechanical capacitive pressure transducer, which preferably consists of single-crystalline silicon, glass or ceramic and is produced in planar microstructure etching technology, consisting of a diaphragm spring part which has a frame which is connected to a movable electrode plate via a membrane, with an electrode cover Fixed electrode, the fixed electrode of the electrode cover and the movable electrode plate of the diaphragm spring part forming a plate capacitor, and a connection cover, a membrane separating an input pressure chamber from a counter-pressure chamber and the movable electrode plate being electrically insulated from the fixed electrode and provided with external connections is, the individual parts being connected by electrostatic bonding or suitable adhesive processes, characterized in that
that the membrane ( 1 b) of the membrane spring part ( 1 ) on the side of the movable electrode plate ( 1 c) has column-shaped and / or strip-shaped or strip-shaped spacers ( 7 ) which are made of an insulating material or are covered with insulating material, the Height is less than the thickness of the frame ( 1 a) of the diaphragm spring part ( 1 ), or that the electrode cover ( 2 ) has this Abstandsbe limiter ( 7 ), the height of which is less than the difference between the frame ( 1 a) and membrane thickness ( 1 b) is
that the electrode cover (2) was ground a temperature-dependent reflection (8) which is arranged or therearound in addition to the fixed electrode (2a) whose external dimensions are smaller than the inner dimensions of the frame (1 a) of the diaphragm portion (1) and the is provided with external connections or
that temperature-dependent elements ( 18 ) on the side of the membrane branch spring part ( 1 ) and / or on the side of the electrode cover ( 2 ) are arranged which limit the back pressure chamber ( 5 ) and
that electrical connections ( 18 a) of the temperature-dependent elements ( 18 ) are guided to the outside and
that in the connection cover ( 3 ) columnar and / or strip-shaped or connected strip-shaped stops ( 9 ) are present, the height of which is less than the thickness of the edge of the connection cover ( 3 ).

2. Micromechanical capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that at least one pressure reducing device is present in the connection cover ( 3 ), wherein a nozzle hole ( 10 ) and / or a pressure relief valve ( 11 ) is preferably used as the pressure reducing device.

3. Micromechanical capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that in the frame ( 1 a) of the diaphragm spring part ( 1 ) and / or in the membrane ( 1 b) and / or in the movable electrode plate ( 1 c) of the diaphragm spring part ( 1 ) Holes ( 12 ) are present.

4. Micromechanical capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that in the connection cover ( 3 ) and / or in the electrode cover ( 2 ) each have a through opening ( 13 ).

5. Micromechanical capacitive pressure transducer according to claim 1, characterized in that in the frame ( 1 a) of the diaphragm spring part ( 1 ) there is a recess ( 19 ) which is larger than the electrical leads ( 6 ), connections ( 8 a) and possibly present electrical connections ( 18 a).

6. Micromechanical capacitive pressure transducer according to claim 1 and 5, characterized in that the recess ( 19 ) is hermetically sealed with an electrically non-conductive medium.