Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung mit einem Stützkörper, einem mit dem Stützkörper verbundenen Drucksensor, der einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran umfasst, und einer die beiden Fügepartner, nämlich den Stützkörper und den Grundkörper, verbindenden Fügung, wobei jeder der beiden Fügepartner eine dem jeweils anderen Fügepartner zugewandte Oberflächenschicht umfasst.The invention relates to a pressure measuring device comprising a supporting body, a pressure sensor connected to the supporting body, which comprises a base body and a measuring membrane connected to the base body including a pressure chamber, and a joint connecting the two joining partners, namely the supporting body and the base body, each of them the two joining partners comprises a surface layer facing the respective other joining partner.
Druckmesseinrichtungen dienen zur messtechnischen Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik verwendet.Pressure measuring devices are used for the metrological detection of pressures, esp. Of absolute pressures, relative pressures and differential pressures, and are used in industrial metrology.
Druckmesseinrichtungen können hierzu als Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensoren ausgebildete, regelmäßig als sogenannte Halbleitersensoren oder Sensor-Chips bezeichnete Drucksensoren umfassen, die unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen hergestellt werden. Diese Drucksensoren sind jedoch mechanisch empfindlich und dürfen deshalb nicht unmittelbar einem unter dem zu messenden Druck stehenden Medium ausgesetzt werden. Stattdessen werden sie in ein in der Regel metallisches Gehäuse eingesetzt, wo sie über vorgeschaltete mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckmittler mit dem zu messenden Druck beaufschlagt werden.Pressure measuring devices may for this purpose comprise pressure sensors which are designed as absolute, relative or differential pressure sensors and are regularly referred to as so-called semiconductor sensors or sensor chips and which are produced using processes known from semiconductor technology. However, these pressure sensors are mechanically sensitive and therefore must not be exposed directly to a medium under the pressure to be measured. Instead, they are used in a generally metallic housing, where they are acted upon by upstream with a pressure-transmitting liquid-filled diaphragm seal with the pressure to be measured.
Absolut- und Relativdrucksensoren umfassen üblicher Weise einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran. Diese Drucksensoren werden regelmäßig mittels einer Fügung auf einem sockelförmigen Stützkörper auf einem Träger montiert. Dieser Verbund wird dann derart in ein Gehäuse eingesetzt wird, dass der Träger eine den Drucksensor außenseitlich umgebende Druckmesskammer nach außen abschließt, die über einen der Druckmesskammer vorgeschalteten Druckmittler mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird.Absolute and relative pressure sensors conventionally comprise a base body and a measuring diaphragm connected to the base body including a pressure chamber. These pressure sensors are regularly mounted by means of a joint on a pedestal-shaped supporting body on a support. This composite is then inserted into a housing in such a way that the support terminates a pressure measuring chamber surrounding the pressure sensor on the outside, which is acted upon by the pressure to be measured via a pressure transmitter arranged upstream of the pressure measuring chamber.
Als Differenzdrucksensoren ausgebildete Drucksensoren weisen üblicher Weise eine zwischen zwei Grundkörpern angeordnete Messmembran auf, wobei in jedem der beiden Grundkörper jeweils eine Druckkammer unter der Messmembran eingeschlossen ist. Diese Differenzdrucksensoren werden regelmäßig zwischen zwei Stützkörpern angeordnet, von denen einer über eine erste Fügung mit dem ersten Grundkörper und der andere über eine zweite Fügung mit dem zweiten Grundkörper verbunden ist. Bei diesen Druckmesseinrichtungen wird jede Seite der Messmembran jeweils über einen der zugehörigen Druckkammer vorgeschalteten Druckmittler mit einem der beiden Drücke, deren Differenz gemessen werden soll, beaufschlagt.Normally, pressure sensors designed as differential pressure sensors have a measuring diaphragm arranged between two basic bodies, wherein in each case one pressure chamber is enclosed under the measuring diaphragm in each of the two basic bodies. These differential pressure sensors are regularly arranged between two support bodies, one of which is connected via a first joint with the first base body and the other via a second joint with the second base body. In these pressure measuring devices, each side of the measuring diaphragm is in each case acted upon via a pressure transmitter arranged upstream of the associated pressure chamber with one of the two pressures whose difference is to be measured.
Bei Druckmesseinrichtungen mit über Fügungen mit Stützkörpern verbundenen Drucksensoren besteht das Problem, dass über die Fügungen mechanische Kräfte auf den Drucksensor ausgeübt und/oder übertragen werden können, die die Messeigenschaften des Drucksensors beeinträchtigen können. Hierzu zählen insb. auf unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Drucksensor und Stützkörper, sowie ggfs. Träger und/oder Gehäuse zurückzuführende thermomechanische Spannungen, die sich auf die druckabhängige Verformbarkeit der Messmembran auswirken und damit die erzielbare Messgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für eine temperaturabhängige Hysterese der Messergebnisse.In pressure measuring devices connected via joints with supporting bodies pressure sensors, the problem is that exerted on the joints mechanical forces on the pressure sensor and / or can be transmitted, which may affect the measurement characteristics of the pressure sensor. These include esp. On different thermal expansion coefficients of pressure sensor and support body, and if necessary. Carrier and / or housing attributable thermo-mechanical stresses that affect the pressure-dependent deformability of the measuring membrane and thus deteriorate the achievable accuracy and their reproducibility. This applies esp. For a temperature-dependent hysteresis of the measurement results.
Diesem Problem kann bei Absolut- und Relativdruckmesseinrichtungen dadurch entgegen gewirkt werden, dass der Drucksensor auf einem sockelförmigen Stützkörper montiert wird, dessen Grundfläche deutlich kleiner als die Grundfläche des darauf montierten Drucksensors ist. Hierzu sind zwei verschiedene Ausführungsformen bekannt, die z.B. in der DE 34 36 440 A1 beschrieben sind. Bei einer Ausführungsform ist der sockelförmige Stützkörper integraler Bestandteil eines metallischen Trägers und besteht aus dem Material des Trägers. Bei der zweiten Ausführungsform ist der sockelförmige Stützkörper als separates Bauteil ausgebildet, das mittels einer Einglasung in eine Bohrung im Träger eingesetzt ist.This problem can be counteracted in absolute and relative pressure measuring devices in that the pressure sensor is mounted on a pedestal-shaped supporting body whose base is significantly smaller than the base of the pressure sensor mounted thereon. For this purpose, two different embodiments are known, for example, in the DE 34 36 440 A1 are described. In one embodiment, the socket-shaped support body is an integral part of a metallic support and is made of the material of the support. In the second embodiment, the socket-shaped supporting body is formed as a separate component, which is inserted by means of a glazing into a bore in the carrier.
Bei beiden Varianten weist die Fügung zwischen Stützkörper und Drucksensor eine Grundfläche auf, die der Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers entspricht und geringer als die Grundfläche des Drucksensors ist. Dabei sind über die Fügung auf den Drucksensor ausgeübte und/oder übertragene Kräfte umso geringer, je geringer die Grundfläche der Fügung ist. Die Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers und damit auch der Fügung kann jedoch nicht beliebig reduziert werden, da über den Stützkörper eine druckfeste Abstützung des Drucksensors gewährleisten sein muss. Darüber hinaus ergeben sich auch über die Wahl des Fügeverfahrens Beschränkungen, die eine Mindestgröße der Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers erforderlich machen. Werden Stützkörper und Drucksensor über eine Klebung verbunden, so muss die der Größe der Fügefläche entsprechende Grundfläche des sockelförmigen Stützkörpers groß genug sein, um sicher zu stellen, dass eine für die Herstellung der Fügung erforderlichen Menge an Kleber in kontrollierbarer Weise aufgebracht werden kann. Über die Fügung auf den Drucksensor ausgeübte und/oder übertragene Kräfte können somit über eine Verringerung der Grundfläche des Stützkörpers nur in begrenztem Maße reduziert werden. Damit fallen durch über die Fügung übertragene Kräfte verursachte Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit, umso stärker ins Gewicht, je kleiner der Drucksensor ist.In both variants, the joining between the support body and the pressure sensor has a base area which corresponds to the base area of the socket-shaped support body and is smaller than the base area of the pressure sensor. In this case, the forces exerted on the pressure sensor via the join and / or transmitted forces are lower, the lower the base area of the joint is. However, the base of the pedestal-shaped support body and thus also the joint can not be reduced arbitrarily, since over the support body a pressure-resistant support of the pressure sensor must be guaranteed. In addition, there are also restrictions on the choice of the joining process, which make a minimum size of the base of the socket-shaped support body required. If the support body and the pressure sensor are connected via an adhesive bond, the base area of the socket-shaped supporting body corresponding to the size of the joining surface must be large enough to ensure that an amount of adhesive required for the production of the joint can be applied in a controllable manner. The forces exerted on the pressure sensor via the joining and / or transmitted forces can thus only be limited via a reduction in the base area of the supporting body Dimensions are reduced. As a result, impairments in the measurement accuracy caused by forces transmitted via the joint fall, the more significant the smaller the pressure sensor is.
Eine weitere, in der DE 34 36 440 A1 beschriebene Maßnahme zur Reduktion von auf die Messmembran übertragenen Spannungen besteht darin, im Grundkörper eine Ringnut vorzusehen, die die Fügefläche des Drucksensors außenseitlich allseitig umschließt. Diese Maßnahme setzt jedoch voraus, dass die Grundfläche des Drucksensors die Größe der Fügefläche um ein Maß übersteigt, dass die Unterbringung der Ringnut im Drucksensor ermöglicht. Ist der Drucksensor zu klein hierfür, scheidet diese Maßnahme aus. Der Trend geht jedoch heute dahin, Drucksensoren immer weiter zu verkleinern. Ein Grund hierfür ist, dass kleinere Drucksensoren kostengünstiger hergestellt werden können, da die Anzahl der im Waferverband erzeugbaren Drucksensoren pro Wafer bzw. Wafersatz umso größer ist, je kleiner die Sensoren sind. Bei Druckmesseinrichtungen, die eine durch den sockelförmigen Stützkörper und den Grundkörper verlaufende Druckzufuhrleitung umfassen, kommt erschwerend hinzu, dass die Querschnittsfläche der Druckzufuhrleitung hier nicht als Teil der Fügefläche zur Verfügung steht. Da die Fügefläche auch hier eine gewisse Mindestgröße aufweisen muss, führt die Druckzufuhrleitung zu einer Vergrößerung des Außendurchmesser des sockelförmigen Stützkörpers, was bei gleichbleibender Grundfläche des Drucksensors den für eine Ringnut nutzbaren Platz reduziert.Another, in the DE 34 36 440 A1 described measure for the reduction of voltages transmitted to the measuring membrane is to provide an annular groove in the base body, which surrounds the joining surface of the pressure sensor on all sides on the outside. However, this measure presupposes that the base area of the pressure sensor exceeds the size of the joining surface by an amount that allows accommodation of the annular groove in the pressure sensor. If the pressure sensor is too small for this, this measure is eliminated. However, the trend today is to downsize pressure sensors ever further. One reason for this is that smaller pressure sensors can be produced more cost-effectively, since the smaller the sensors, the larger the number of pressure sensors that can be produced in the wafer assembly per wafer or wafer set. In pressure measuring devices which comprise a pressure supply line extending through the socket-shaped supporting body and the main body, it is aggravated that the cross-sectional area of the pressure feed line is not available here as part of the joining surface. Since the joining surface also has to have a certain minimum size here, the pressure supply line leads to an enlargement of the outer diameter of the pedestal-shaped supporting body, which reduces the usable space for an annular groove with the same base area of the pressure sensor.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit einem über eine Fügung mit einem Stützkörper verbundenen Drucksensor anzugeben, bei dem über die Fügung auf den Drucksensor ausgeübte und/oder übertragene Kräfte möglichst gering sind.It is an object of the invention to provide a pressure measuring device with a connected via a joint with a support body pressure sensor, in which over the addition to the pressure sensor exerted and / or transmitted forces are minimized.
Hierzu umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung, mit
- – einem Stützkörper,
- – einem mit dem Stützkörper verbundenen Drucksensor, der einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran umfasst, und
- – einer die beiden Fügepartner, nämlich den Stützkörper und den Grundkörper, verbindenden Fügung,
- – wobei jeder der beiden Fügepartner eine dem jeweils anderen Fügepartner zugewandte Oberflächenschicht umfasst,
der sich dadurch auszeichnet, dass
- – eine dem Grundkörper zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers oder eine dem Stützkörper zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers einen unmittelbar an die Fügung angrenzenden Schichtbereich umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der Fügung ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist,
- – wobei die Oberflächentopographie des Schichtbereichs insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs über den Schichtbereich verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung ist.
For this purpose, the invention comprises a pressure measuring device, with - A support body,
- A pressure sensor connected to the support body, which comprises a base body and a measuring diaphragm connected to the base body including a pressure chamber, and
- One of the two joining partners, namely the supporting body and the main body, connecting joining,
- Wherein each of the two joining partners comprises a surface layer facing the respective other joining partner, which is characterized in that
- A surface layer of the support body facing the base body or a surface layer of the base body facing the support body comprises a layer area directly adjoining the joint, the base area of which is equal to a base area of the joint and has a three-dimensional surface topography,
- - wherein the surface topography of the layer region esp. Is formed such that one of the surface layer of the other joining partner facing joining surface of the layer region distributed over the layer region arranged in a plane lying partial surfaces comprises whose total area formed by the sum of the partial surfaces is smaller than the base surface of the joint ,
Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- – im Schichtbereich eine oder mehrere in Richtung der Fügung hin offene Ausnehmungen vorgesehen sind, und
- – über den Schichtbereich verteilt angeordnete im Schichtbereich verbleibende Teilsegmente der Oberflächenschicht des Fügepartners vorgesehen sind, deren dem anderen Fügepartner zugewandten Stirnflächen die Teilflächen der Fügefläche bilden.
A first development is characterized by the fact that - - One or more in the direction of the join open recesses are provided in the layer region, and
- - Provided over the layer area distributed in the layer area remaining sub-segments of the surface layer of the joining partner are provided, the other joining partners facing end faces form the faces of the joint surface.
Eine zweite Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmungen Gräben, insb. zu einem Ring, insb. zu einem kreisringförmigen, einem rechteckförmigen und/oder einem quadratischen Ring, geschlossene Gräben, insb. konzentrisch angeordnete zu einem Ring geschlossene Gräben, gerade Gräben, insb. sternförmig zur Schichtbereichsmitte verlaufende gerade Gräben, und/oder Sacklochbohrungen umfassen.A second development is characterized in that the recesses trenches, esp. To a ring, esp. To an annular, a rectangular and / or a square ring, closed trenches, esp. Concentrically arranged closed to a ring trenches, straight trenches, in particular star-shaped straight to the middle of the layer region extending straight trenches, and / or include blind holes.
Eine dritte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass im Schichtbereich eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen ist, die mehrere im Schichtbereich verbleibende Teilsegmente, insb. säulenförmige Teilsegmente, der Oberflächenschicht des Fügepartners umgibt.A third development is characterized in that a continuous recess is provided in the layer region, which surrounds a plurality of subsegments remaining in the layer region, in particular columnar subsegments, of the surface layer of the joining partner.
Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dassA fourth development is characterized by the fact that
-
– eine durch den Stützkörper und den Grundkörper verlaufende, in der Druckkammer mündende Druckübertragungsleitung vorgesehen ist, und- A running through the support body and the base body, opening into the pressure chamber pressure transmission line is provided, and
-
– ein durch den Schichtbereich des Fügepartners hindurch verlaufendes Leitungssegment der Druckübertragungsleitung durch einen oder mehrere im Schichtbereich verbleibendes Teilbereiche der Oberflächenschicht außenseitlich allseitig abgeschlossen ist.- A line segment of the pressure transmission line extending through the layer region of the joining partner is completed on all sides on the outside by one or more partial regions of the surface layer remaining in the layer region.
Eine fünfte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein im Schichtbereich verbleibendes Teilsegment der Oberflächenschicht eine Formgebung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Teilsegment in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist, als in mindestens einer senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtung.A fifth development is characterized in that at least one sub-segment of the surface layer remaining in the layer region has a shape which is designed in such a way that the respective sub-segment is parallel to the surface Surface normal on the joining surface extending direction has a higher mechanical stiffness, as in at least one perpendicular to the surface normal to the joining surface extending direction.
Eine sechste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass im Schichtbereich vorgesehene Ausnehmungen ein Aspektverhältnis von größer gleich 5 aufweisen.A sixth development is characterized in that recesses provided in the layer region have an aspect ratio of greater than or equal to 5.
Eine siebte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- – die Ausnehmungen einen oder mehrere Gräben umfassen, deren Grabentiefe größer als deren Grabenbreite ist, wobei die vorgesehenen Gräben insb. eine Grabentiefe im Bereich von 300 µm bis 700 µm und eine Grabenbreite in der Größenordnung 10 µm bis 100 µm aufweisen, und/oder
- – die Ausnehmungen Sacklochbohrungen umfassen, deren Bohrlochtiefe größer als deren Bohrungsdurchmesser ist, wobei die Sacklochbohrungen insb. eine Bohrlochtiefe von 300 µm bis 700 µm und einen Bohrungsdurchmesser von 10 µm bis 100 µm aufweisen, und/oder
- – im Schichtbereich verbleibende Teilbereiche säulenförmige Teilsegmente und/oder durch Gräben abgetrennte Segmente umfassen, deren Höhe größer als deren senkrecht zur Höhe verlaufenden Abmessungen sind, wobei diese Teilbereiche insb. eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, insb. einen Durchmesser oder Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen, und/oder
- – im Schichtbereich verbleibende Stege eine Steghöhe aufweisen, die Größer als deren Stegbreite ist, wobei die Stege insb. eine Steghöhe von 300 µm bis 700 µm und eine Stegbreite von größer gleich 50 µm, insb. größer gleich 30 µm, aufweisen.
A seventh development is characterized by the fact that - - The recesses comprise one or more trenches, the trench depth is greater than the trench width, the trenches provided esp. Have a trench depth in the range of 300 microns to 700 microns and a trench width in the order 10 microns to 100 microns, and / or
- - The recesses include blind holes, the borehole depth is greater than the bore diameter, the blind holes have esp. A borehole depth of 300 microns to 700 microns and a bore diameter of 10 .mu.m to 100 .mu.m, and / or
- - In the layer area remaining partial areas include columnar sub-segments and / or separated by trenches segments whose height are greater than their perpendicular to the height dimensions, these sub-areas esp. A height of 300 microns to 700 microns and perpendicular thereto dimensions, esp Diameter or side lengths, from 100 microns to 500 microns, and / or
- - In the layer area remaining webs have a web height which is greater than the web width, the webs esp. A web height of 300 microns to 700 microns and a web width greater than or equal to 50 microns, esp. Wherein equal to 30 microns.
Eine erste Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fügung eine Klebung, insb. eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis, einem thermoplastischen Kleber oder einem Silikon-Kleber, insb. einem Silikon-Kautschuk, ausgeführte Klebung ist.A first embodiment is characterized in that the joint is a bond, in particular an adhesive applied with an epoxy resin-based adhesive, a thermoplastic adhesive or a silicone adhesive, in particular a silicone rubber.
Eine zweite Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dassA second embodiment is characterized in that
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– der Stützkörper aus einem Metall, insb. einem Edelstahl oder Kovar, aus Keramik, insb. Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC), aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, oder aus Glas, insb. Borosilikatglas, besteht, und/oder- The support body of a metal, esp. A stainless steel or Kovar, ceramic, esp. Alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon carbide (SiC), made of silicon or a silicon-based material, or Glass, esp. Borosilicate glass, consists, and / or
-
– der Grundkörper aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, aus Glas oder aus Keramik besteht.- The base body made of silicon or a material based on silicon, glass or ceramic.
Eine achte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schichtbereich aus schwarzem Silizium besteht.An eighth development is characterized in that the layer region consists of black silicon.
Eine dritte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Stützkörper ein sockelförmiger Stützkörper, insb. ein auf einem Träger angeordneter sockelförmiger Stützkörper, ist, dessen Grundfläche kleiner als eine Grundfläche des Drucksensors ist.A third embodiment is characterized in that the support body is a pedestal-shaped supporting body, in particular a pedestal-shaped support body arranged on a support, the base area of which is smaller than a base area of the pressure sensor.
Eine neunte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass
- – der Drucksensor ein Differenzdrucksensor ist, der einen, auf einer dem Grundkörper gegenüberliegenden Seite der Messmembran angeordneten, unter Einschluss einer zweiten Druckkammer mit der Messmembran verbundenen zweiten Grundkörper umfasst,
- – ein zweiter Stützkörper und eine den zweiten Grundkörper mit dem zweiten Stützkörper verbindende zweite Fügung vorgesehen ist,
- – eine dem zweiten Grundkörper zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Stützkörpers oder eine dem zweiten Stützkörper zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Grundkörpers einen unmittelbar an die zweite Fügung angrenzenden Schichtbereich umfasst, dessen Grundfläche gleich einer Grundfläche der zweiten Fügung ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist, wobei diese Oberflächentopographie insb. derart ausgebildet ist, dass eine der Oberflächenschicht des anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs über den Schichtbereich verteilt angeordnete, in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der zweiten Fügung ist.
A ninth further education is characterized by the fact that - The pressure sensor is a differential pressure sensor which comprises a second basic body, which is arranged on a side of the measuring diaphragm opposite the basic body and which is connected to the measuring diaphragm, including a second pressure chamber,
- A second supporting body and a second joining joining the second basic body to the second supporting body are provided,
- A surface layer of the second support body facing towards the second base body or a surface layer of the second base body facing the second support body comprises a layer area immediately adjacent to the second joint whose base area is equal to a base area of the second joint and which has a three-dimensional surface topography, this surface topography esp is formed such that one of the surface layer of the other joining partner facing joining surface of the layer region distributed over the layer region arranged, lying in a plane faces, whose formed by the sum of the partial surfaces total area is smaller than the base area of the second joint.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Fügepartner bereit gestellt werden und in der Oberflächenschicht eines der beiden Fügepartner die Oberflächentopographie des Schichtbereichs erzeugt wird, insb. mittels eines Ätzverfahren, insb. mittels reaktivem Ionentiefenätzen (DRIE), oder einem elektrochemischem Ätzverfahren, oder mittels Materialabtrags durch gezielte Laserbestrahlung, erzeugt wird.The invention further comprises a method for producing a pressure measuring device according to the invention, which is characterized in that the joining partners are provided and the surface topography of the layer region is produced in the surface layer of one of the two joining partners, in particular by means of an etching method, in particular by means of reactive ion etching (US Pat. DRIE), or an electrochemical etching process, or by means of material removal by targeted laser irradiation is generated.
Eine Weiterbildung dieses Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass
- – der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einem Metall, insb. aus Edelstahl oder aus Kovar, aus Keramik oder aus einem Glas, insb. einem Borosilikatglas, besteht und die Ausnehmungen im Schichtbereich durch gezielte, räumlich auf die Bereiche der Ausnehmungen begrenzte Laserbestrahlung erzeugt wird, oder
- – der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis besteht und die Ausnehmungen im Schichtbereich durch ein Ätzverfahren, insb. durch reaktives Ionentiefenätzen (DRIE) erzeugt werden, oder
- – der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einkristallinem Silizium besteht und die Oberflächentopographie des Schichtbereichs durch eine Umwandlung von einkristallinem Silizium in schwarzes Silizium erzeugt wird.
A development of this method is characterized in that - - The joining partner, in which the surface topography is to be produced, made of a metal, esp. Of stainless steel or Kovar, ceramic or glass, esp. A borosilicate glass, and the recesses in the layer area by targeted, spatially on the areas the recesses generated limited laser irradiation, or
- The joining partner in which the surface topography is to be produced consists of silicon or a silicon-based material and the recesses in the layer region are produced by an etching process, in particular by reactive ion etching (DRIE), or
- The joining partner in which the surface topography is to be produced consists of monocrystalline silicon and the surface topography of the layer region is produced by a conversion of monocrystalline silicon into black silicon.
Die Erfindung bieten den Vorteil, dass aufgrund der durch die Oberflächentopographie bewirkten Reduktion der Fügefläche des Schichtbereichs über die Fügung deutlich geringere Kräfte auf die Messmembran des Drucksensors ausgeübt und/oder übertragen werden, als das der Fall wäre, wenn die Fügeflächen beider Fügepartner eine der Grundfläche der Fügung entsprechende Größe aufweisen würden. Zugleich wird über die Verteilung der Teilflächen der Fügefläche über den Schichtbereich in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine mechanische Abstützung gewährleistet, die durchaus mit einer durch eine Fügefläche von der Größe der Grundfläche der Fügung bewirkten Abstützung vergleichbar ist.The invention offers the advantage that because of the surface topography caused reduction of the joining surface of the layer area on the joint significantly lower forces on the measuring membrane of the pressure sensor exercised and / or transferred, as would be the case if the joining surfaces of both joining partners one of the base the addition would have corresponding size. At the same time, a mechanical support is ensured via the distribution of the partial surfaces of the joining surface over the layer region in a direction parallel to the surface normal to the joining surface, which is comparable to a support effected by a joining surface of the size of the base surface of the joint.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Um Komponenten unterschiedlicher Größe darstellen zu können wurde in den Figuren eine nicht immer maßstabsgetreue Darstellung gewählt.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which several embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals. In order to represent components of different sizes, a not always to scale representation was selected in the figures.
1 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem auf einem sockelförmigen Stützkörper montierten Drucksensor; 1 shows: a pressure measuring device with a mounted on a pedestal-shaped support body pressure sensor;
2 zeigt: eine Ausführungsform des Verbunds von Drucksensor und Stützkörper von 1, bei der der Stützkörper einen Schichtbereich mit dreidimensionaler Oberflächentopographie umfasst; 2 shows an embodiment of the composite of pressure sensor and support body of 1 in which the support body comprises a layer area with three-dimensional surface topography;
3 zeigt: eine Ausführungsform des Verbunds von Drucksensor und Stützkörper von 1, bei der der Drucksensor einen Schichtbereich mit dreidimensionaler Oberflächentopographie umfasst; 3 shows an embodiment of the composite of pressure sensor and support body of 1 in which the pressure sensor comprises a layer area with three-dimensional surface topography;
4–9 zeigen: Ausführungsbeispiele des Schichtbereichs von 2; 4 - 9 show: embodiments of the layer region of 2 ;
10–11 zeigen: Ausführungsbeispiele des Schichtbereichs von 3; 10 - 11 show: embodiments of the layer region of 3 ;
12 zeigt: eine Druckmesseinrichtung mit einem zwischen zwei Stützkörper angeordneten Differenzdrucksensor; und 12 shows: a pressure measuring device with a arranged between two support body differential pressure sensor; and
13 zeigt: eine vergrößerte Ansicht des Drucksensors und der Stützkörper von 12. 13 shows: an enlarged view of the pressure sensor and the support body of 12 ,
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung mit einem über eine Fügung 1 mit einem Stützkörper 3 verbundenen Drucksensor 5. Der Drucksensor 5 umfasst einen Grundkörper 7 und eine unter Einschluss einer Druckkammer 9 auf dem Grundkörper 7 angeordnete Messmembran 11. Der Drucksensor 5 ist z.B. ein sogenannter Halbleiter-Drucksensor, z.B. ein auf Siliziumbasis hergestellten Drucksensor-Chip. In dem Fall bestehen Grundkörper 7 und Messmembran 11 jeweils aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis. 1 shows a first embodiment of a pressure measuring device according to the invention with one over a Fufgung 1 with a support body 3 connected pressure sensor 5 , The pressure sensor 5 includes a main body 7 and one including a pressure chamber 9 on the body 7 arranged measuring diaphragm 11 , The pressure sensor 5 is, for example, a so-called semiconductor pressure sensor, for example, a silicon-based pressure sensor chip. In this case, there are basic bodies 7 and measuring membrane 11 each made of silicon or a silicon-based material.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stützkörper 3 ein auf einem Träger 13 angeordneter sockelförmiger Stützkörper 3, dessen Grundfläche kleiner als eine Grundfläche des Drucksensors 5 ist. Über diese Geometrie wird bereits eine Entkopplung von Messmembran 11 und Stützkörper 3 bewirkt, die den Drucksensor 5 vor über die Fügung 1 auf die Messmembran 11 ausgeübten und/oder übertragenen Kräften, insb. vor thermomechanischen Spannungen, schützt. Alternativ können in erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen aber auch Stützkörper eingesetzt werden, deren Grundfläche größer oder gleich der Grundfläche des Drucksensors 5 ist.At the in 1 illustrated embodiment is the support body 3 one on a carrier 13 arranged socket-shaped support body 3 whose base is smaller than a base of the pressure sensor 5 is. About this geometry is already a decoupling of measuring membrane 11 and supporting body 3 causes the pressure sensor 5 over the coincidence 1 on the measuring membrane 11 exerted and / or transmitted forces, esp. Before thermo-mechanical stresses protects. Alternatively, supporting bodies can also be used in pressure-measuring devices according to the invention whose base area is greater than or equal to the base area of the pressure sensor 5 is.
Als Halbleiter-Chips hergestellte Drucksensoren 5 weisen üblicher Weise eine rechteckige oder quadratische Grundfläche mit einer Seitenlängen in der Größenordnung von 1 mm bis 10 mm auf. In Verbindung mit diesen Drucksensoren 5 kann der sockelförmige Stützkörper 3 z.B. eine kreisscheibenförmige, eine rechteckige oder eine quadratische Grundfläche aufweisen, deren Seitenlängen bzw. deren Außendurchmesser je nach Größe des Drucksensors 5 in der Größenordnung von 0,5 mm bis 7 mm liegt.Pressure sensors manufactured as semiconductor chips 5 have a conventional rectangular or square base with a side lengths of the order of 1 mm to 10 mm. In conjunction with these pressure sensors 5 can the socket-shaped support body 3 For example, have a circular disk-shaped, a rectangular or a square base surface, the side lengths and the outer diameter depending on the size of the pressure sensor 5 is on the order of 0.5 mm to 7 mm.
Der durch den Stützkörper 3 und den damit verbundenen Drucksensor 5 gebildete Verbund kann auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stützkörper 3 auf einem Träger 13 montiert, der derart in ein Gehäuse 15 eingesetzt ist, dass der Träger 13 eine im Gehäuse 15 eingeschlossene, den Drucksensor 5 außenseitlich allseitig umgebende Druckmesskammer 17 nach außen abschließt. Dabei wird die Druckmesskammer 17 und damit auch die Messmembran 11 vorzugsweise über einen der Druckmesskammer 17 vorgeschalteten Druckmittler 19 mit einem vom Drucksensor 5 zu erfassenden Druck p beaufschlagt. Der Druckmittler 19 umfasst eine Trennmembran 21, deren Außenseite mit dem zu messenden Druck p beaufschlagbar ist, der dann über eine den Druckmittler 19 und die mit dessen Innenraum verbundene Druckmesskammer 17 ausfüllende Druck übertragende Flüssigkeit auf die Messmembran 11 des Drucksensors 5 übertragen wird.The through the support body 3 and the associated pressure sensor 5 formed composite can be used in different ways. In the embodiment shown here is the support body 3 on a carrier 13 mounted, the so in a housing 15 is used that the carrier 13 one in the housing 15 enclosed, the pressure sensor 5 outside on all sides surrounding pressure measuring chamber 17 closes to the outside. At the same time, the pressure measuring chamber becomes 17 and thus also the measuring membrane 11 preferably via one of the pressure measuring chamber 17 upstream diaphragm seal 19 with one from the pressure sensor 5 acted upon to be detected pressure p. The diaphragm seal 19 includes a separation membrane 21 , whose outer side is acted upon by the pressure to be measured p, which then via a pressure transmitter 19 and the pressure measuring chamber connected to the interior thereof 17 filling pressure-transmitting liquid on the measuring membrane 11 of the pressure sensor 5 is transmitted.
Stützkörper 3 und Träger 13 können als einteiliges Bauelement ausgebildet sein. In dem Fall bestehen Stützkörper 3 und Träger 13 z.B. aus einem Metall, z.B. aus Edelstahl. Dabei kann eine ggfs. benötigte elektrische Isolation des Drucksensors 5 gegenüber dem Träger 13 dadurch bewirkt werden, dass der Grundkörper 7 aus einem Isolator, z.B. einem Quarzglas, besteht. Alternativ können Stützkörper 3 und Träger 13 als separate Bauteile ausgebildet sein. In dem Fall kann der Stützkörper 3 z.B. mittels einer – in 1 als eine mögliche Variante dargestellten – Einglasung 23 in eine Bohrung im Träger 13 eingesetzt sein. Eine weitere Alternative besteht darin, den Stützkörper 3 mittels einer Fügung, vorzugsweise einer Klebung, auf dem Träger 13 zu befestigen. Sind Stützkörper 3 und Träger 13 separate Bauteile, so können sie aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Auch in diesem Fall besteht der Träger 13 vorzugsweise aus einem Metall, z.B. einem Edelstahl. Demgegenüber kann der Stützkörper 3 ebenfalls aus einem Metall, z.B. einem Edelstahl oder Kovar, aus Keramik, z.B. Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC), aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, oder aus Glas, z. B. Borosilikatglas, bestehen. Dabei wird eine ggfs. benötigte elektrische Isolation des Drucksensors 5 gegenüber dem Träger 13 vorzugsweise dadurch bewirkt, dass der Stützkörper 3 aus einem Isolator, z.B. aus Keramik oder aus Glas, besteht.support body 3 and carriers 13 can be formed as a one-piece component. In that case there are supporting bodies 3 and carriers 13 eg from a metal, eg from stainless steel. In this case, if necessary. Required electrical insulation of the pressure sensor 5 opposite the carrier 13 be effected by the basic body 7 consists of an insulator, such as a quartz glass. Alternatively, support body 3 and carriers 13 be designed as separate components. In that case, the support body 3 eg by means of a - in 1 presented as a possible variant - glazing 23 into a hole in the carrier 13 be used. Another alternative is the support body 3 by means of a joint, preferably a bond, on the support 13 to fix. Are supporting body 3 and carriers 13 separate components, so they can consist of different materials. Also in this case, the carrier exists 13 preferably of a metal, eg a stainless steel. In contrast, the support body 3 also made of a metal, such as a stainless steel or Kovar, ceramic, eg alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or silicon carbide (SiC), silicon or a silicon-based material, or glass, for. B. borosilicate glass exist. In this case, if necessary. Required electrical insulation of the pressure sensor 5 opposite the carrier 13 preferably thereby causes the support body 3 made of an insulator, such as ceramic or glass.
Alternativ zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können natürlich auch andere Stützkörperformen, andere Formen der Stützkörpermontage und/oder andere Formen der Druckbeaufschlagung des Drucksensors vorgesehen werden.Alternatively to the in 1 illustrated embodiment, of course, other support body shapes, other forms of support body assembly and / or other forms of pressurization of the pressure sensor can be provided.
Die Druckmesseinrichtung kann z.B. als Relativdruck- oder als Absolutdruckmesseinrichtung ausgestaltet sein. Zur Erfassung von Absolutdrücken ist die unter der Messmembran 11 eingeschlossene Druckkammer 9 evakuiert und durch die Messmembran 11 und den Grundkörper 7 vollständig nach außen abgeschlossen. In dem Fall bewirkt ein auf die Außenseite der Messmembran 11 einwirkender Druck p eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 11. Zur Erfassung von Relativdrücken wird die Außenseite der Messmembran 11 mit dem Druck p beaufschlagt und deren Innenseite über eine durch den Stützkörper 3 und den Grundkörper 7 hindurch verlaufende, in der Druckkammer 9 mündende – in 1 als Option gestrichelt dargestellte – Druckübertragungsleitung 25 mit einem Referenzdruck pref, z.B. einem Umgebungsdruck, beaufschlagt, bezogen auf den der auf die Außenseite der Messmembran 11 einwirkende Druck p gemessen werden soll. Dabei bewirkt die auf die Messmembran 11 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem Druck p und dem Referenzdruck pref eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 11. Die resultierende Auslenkung der Messmembran 11 wird in beiden Fällen mittels eines elektromechanischen Wandlers, z. B. über auf oder in der Messmembran 11 angeordnete Sensorelemente S, z.B. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente, erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.The pressure measuring device can be designed, for example, as a relative pressure or as an absolute pressure measuring device. For the detection of absolute pressures, that is below the measuring diaphragm 11 enclosed pressure chamber 9 evacuated and through the measuring membrane 11 and the main body 7 completely closed to the outside. In the case one causes on the outside of the measuring diaphragm 11 acting pressure p is dependent on the absolute pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm 11 , To detect relative pressures, the outside of the measuring diaphragm 11 subjected to the pressure p and the inside of a through the support body 3 and the main body 7 passing through, in the pressure chamber 9 opening - in 1 dashed line option - pressure transmission line 25 with a reference pressure p ref , for example, an ambient pressure, applied, based on the on the outside of the measuring diaphragm 11 acting pressure p is to be measured. The effect on the measuring membrane 11 acting pressure difference between the pressure p and the reference pressure p ref a dependent of the measured relative pressure deflection of the measuring diaphragm 11 , The resulting deflection of the measuring membrane 11 is in both cases by means of an electromechanical transducer, z. B. on or in the measuring membrane 11 arranged sensor elements S, for example piezoresistive elements interconnected to a resistance measuring bridge, detected and converted into an electrical signal, which is then available for further processing and / or evaluation.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass eine dem Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers 3 oder eine dem Stützkörper 3 zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 einen unmittelbar an die Fügung 1 angrenzenden Schichtbereich 27, 29 umfasst, dessen Grundfläche gleich der Grundfläche der Fügung 1 ist und der eine dreidimensionale Oberflächentopographie aufweist.Pressure measuring devices according to the invention are characterized in that one of the basic body 7 facing surface layer of the support body 3 or a support body 3 facing surface layer of the body 7 one directly to the coincidence 1 adjacent layer area 27 . 29 whose base area is equal to the base area of the joint 1 and which has a three-dimensional surface topography.
2 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung einer Variante des Verbunds von Stützkörper 3 und Drucksensor 5 von 1, bei der die dem Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers 3 den die dreidimensionale Oberflächentopographie aufweisenden Schichtbereich 27 umfasst. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung einer alternativen Variante dieses Verbunds, bei der die dem Stützkörper 3 zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 den die dreidimensionale Oberflächentopographie aufweisenden Schichtbereich 29 umfasst. Dabei ist die Oberflächentopographie des Schichtbereichs 27, 29 der Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 bzw. alternativ des Stützkörpers 3 vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine der Oberflächenschicht des jeweils anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 über den gesamten Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete, in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung 1 ist. 2 shows an enlarged view of a variant of the composite of supporting body 3 and pressure sensor 5 from 1 in which the body 7 facing surface layer of the support body 3 the layer area having the three-dimensional surface topography 27 includes. 3 shows an enlarged view of an alternative variant of this composite, in which the support body 3 facing surface layer of the body 7 the layer area having the three-dimensional surface topography 29 includes. The surface topography of the layer area is 27 . 29 the surface layer of the body 7 or alternatively the support body 3 preferably designed such that one of the surface layer of the respective other joining partner facing joining surface of the layer region 27 respectively. 29 over the entire layer area 27 respectively. 29 comprises distributed, lying in a plane faces, their total area formed by the sum of the partial areas smaller than the base area of the joint 1 is.
Die Erfindung bieten den Vorteil, dass aufgrund der durch die Oberflächentopographie bewirkten Reduktion der Fügefläche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 über die Fügung 1 deutlich geringere Kräfte auf die Messmembran 11 des Drucksensors 5 ausgeübt und/oder übertragen werden, als das der Fall wäre, wenn die Fügeflächen beider Fügepartner eine der Grundfläche der Fügung 1 entsprechende Größe aufweisen würden. Zugleich wird über die Verteilung der Teilflächen über den Schichtbereich 27 bzw. 29 in parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine mechanische Abstützung gewährleistet, die durchaus mit einer durch eine Fügefläche von der Größe der Grundfläche der Fügung 1 bewirkten Abstützung vergleichbar ist.The invention offers the advantage that due to the surface topography caused reduction of the joining surface of the layer region 27 respectively. 29 about the coincidence 1 significantly lower forces on the measuring diaphragm 11 of the pressure sensor 5 exercised and / or transferred, as would be the case if the joining surfaces of both joining partners one of the base area of the joint 1 would have the appropriate size. At the same time, the distribution of the sub-areas over the layer area becomes 27 respectively. 29 in parallel to the surface normal to the joint surface extending direction ensures a mechanical support, quite with a through a joint surface of the size of the base of the joint 1 caused support is comparable.
Zur Erzeugung von Fügeflächen mit über den gesamten Schichtbereich verteilt angeordneten Teilflächen, deren Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung 1 ist, können unterschiedlichste Formen von dreidimensionalen Oberflächentopographien eingesetzt werden. Die unterschiedlichen Oberflächentopographien unterscheiden sich jeweils durch Anzahl, Tiefe, Formgebung und/oder Anordnung von im Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehenen in Richtung der Fügung 1 bzw. der gegenüberliegenden Oberflächenschicht hin offenen Ausnehmungen. Dabei bilden die in der Ebene der Stirnfläche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 liegenden Stirnflächen der an die Ausnehmungen angrenzenden verbleibenden Teilbereiche des Schichtbereichs 27 bzw. 29 die Teilflächen der Fügefläche. Zur Erzeugung einer dreidimensionalen Oberflächentopographie genügt bereits eine einzige zusammenhängende Ausnehmung, die mehrere über den Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete, im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Teilbereiche der Oberflächenschicht des Stützkörpers 3 bzw. des Grundkörpers 7 umgibt. Alternativ können natürlich auch zwei oder mehr voneinander getrennte Ausnehmungen vorgesehen sein.To produce joining surfaces with partial surfaces distributed over the entire layer region, the total area of which is smaller than the base area of the joint 1 is, a variety of forms of three-dimensional surface topographies can be used. The different surface topographies differ in each case by number, depth, shape and / or arrangement of in the layer area 27 respectively. 29 provided in the direction of the addition 1 or the opposite surface layer towards open recesses. In this case, they form in the plane of the end face of the layer region 27 respectively. 29 lying end faces of the adjacent to the recesses remaining portions of the layer region 27 respectively. 29 the partial surfaces of the joining surface. To produce a three-dimensional surface topography, a single contiguous recess, which several over the layer region, is sufficient 27 respectively. 29 distributed, in the layer area 27 respectively. 29 remaining portions of the surface layer of the support body 3 or of the basic body 7 surrounds. Alternatively, of course, two or more mutually separate recesses may be provided.
Bei Druckmesseinrichtungen, die eine in der Druckkammer 9 mündende Druckübertragungsleitung 25 umfassen ist die Oberflächentopographie darüber hinaus derart auszubilden, dass das durch den Schichtbereich 27 bzw. 29 verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 durch einen oder mehrere im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Teilbereiche des Stützkörpers 3 bzw. des Grundkörpers 7 außenseitlich allseitig abgeschlossen ist. Bei Druckmesseinrichtungen ohne Druckübertragungsleitung 25 kann diese Maßnahme entfallen.In pressure measuring devices, the one in the pressure chamber 9 opening pressure transmission line 25 In addition, the surface topography is to be formed such that through the layer region 27 respectively. 29 extending line segment of the pressure transmission line 25 by one or more in the layer area 27 respectively. 29 remaining portions of the support body 3 or of the basic body 7 outside on all sides is completed. For pressure measuring devices without pressure transmission line 25 this measure can be omitted.
Einige Ausführungsbeispiele möglicher Oberflächentopographien sind in den 4 bis 9 am Beispiel des in 2 nur schematisch dargestellten, im Stützkörper 3 vorgesehenen Schichtbereichs 27 gezeigt. Die Figuren zeigen jeweils eine Draufsicht auf die dem Drucksensor 5 zugewandte Stirnseite des Stützkörpers 3.Some embodiments of possible surface topographies are disclosed in U.S. Pat 4 to 9 using the example of in 2 shown only schematically, in the support body 3 provided layer area 27 shown. The figures each show a plan view of the pressure sensor 5 facing end face of the support body 3 ,
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem der Stützkörpers 3 eine kreisringscheibenförmige Grundfläche aufweist und die Oberflächentopographie durch im Schichtbereich 27 vorgesehene Ausnehmungen erzeugt wurde, die konzentrisch zur Schichtbereichsmitte angeordnete kreisringförmige Gräben 31 umfassen. Dementsprechend umfassen die im Schichtbereich 27 verbleibenden Teilbereiche des Stützkörpers 3 konzentrische, kreisringförmige Stege 33. Hier schließt der innerste Steg 33 das durch den Schichtbereich 27 des Stützkörper 3 hindurch verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich allseitig ab. 4 shows an embodiment in which the support body 3 has an annular disk-shaped base surface and the surface topography in the layer area 27 provided recesses was created, the concentric with the middle layer region arranged annular trenches 31 include. Accordingly, those in the layer area include 27 remaining portions of the support body 3 concentric, circular webs 33 , This is where the innermost footbridge closes 33 through the layer area 27 of the supporting body 3 passing through the line segment of the pressure transmission line 25 on the outside on all sides.
5 zeigt eine Abwandlung des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem zusätzlich zu den kreisringförmigen Gräben 31 sternförmig zur Schichtbereichsmitte angeordnete, gerade Gräben 35 vorgesehen sind, durch die die zwischen den kreisförmigen Gräben 31 verbleibenden kreisringförmigen Teilbereiche des Schichtbereichs 27 in kreisringsegmentförmige Stege 37 unterteilt sind. Ist eine Druckübertragungsleitung 25 vorgesehen, so wird diese auch hier durch den innersten, kreisringförmigen Steg 33 nach außen abgeschlossen. Entfällt die Druckübertragungsleitung 25 können die geraden Gräben 31 alternativ auch durch den innersten, kreisringförmigen Steg 33 hindurch verlaufen. 5 shows a modification of the in 4 illustrated embodiment, in addition to the annular trenches 31 Star-shaped to the middle of the layer arranged, straight trenches 35 are provided by which the between the circular trenches 31 remaining annular portions of the layer region 27 in circular segment-shaped webs 37 are divided. Is a pressure transmission line 25 provided, this is also here by the innermost, annular web 33 completed to the outside. Does not the pressure transmission line 25 can the straight trenches 31 alternatively, by the innermost, annular web 33 pass through.
Die in 4 und 5 dargestellten Topographien sind natürlich völlig analog auch in Verbindung mit Stützkörpern 3 mit rechteckiger oder quadratischer Grundfläche einsetzbar. Da die kreisförmigen Gräben 31 in dem Fall nicht bis in die Ecken des Schichtbereichs 27 reichen, können in den Ecken zusätzliche Ausnehmungen vorgesehen werden. 6 zeigt als ein Beispiel hierzu eine Abwandlung der in 4 gezeigten Ausführungsform, bei der in den vier Ecken des Schichtbereichs 27 jeweils ein weiterer kreisringförmiger Graben 39 vorgesehen ist. Anstelle kreisringförmiger Gräben 39 können in den Ecken aber auch Ausnehmungen anderer Anzahl und/oder anderer Formgebung vorgesehen werden. So können in den Ecken z.B. ellipsenförmige Gräben und/oder Sacklochbohrungen vorgesehen sein. Alternativ können sich aber auch die in 5 dargestellten sternförmig angeordneten geraden Gräben 35 vorgesehen werden, die sich in dem Fall vorzugsweise bis in die Ecken des in 6 dargestellten Schichtbereichs 27 erstrecken.In the 4 and 5 Of course, the topographies shown are completely analogous even in connection with supporting bodies 3 can be used with a rectangular or square base. Because the circular trenches 31 in this case not to the corners of the layer area 27 rich, additional recesses can be provided in the corners. 6 shows as an example to this a modification of the in 4 shown embodiment, in which in the four corners of the layer region 27 in each case a further annular trench 39 is provided. Instead of circular trenches 39 can be provided in the corners but also recesses of other numbers and / or different shape. For example, elliptical trenches and / or blind holes may be provided in the corners. Alternatively, however, the in 5 illustrated star-shaped arranged straight trenches 35 are provided, which in the case preferably in the corners of the in 6 layer area shown 27 extend.
Alternativ können natürlich auch andere Grabenformen einzeln oder in Kombinationen miteinander eingesetzt werden. 7 zeigt hierzu ein Ausführungsbeispiel eines Schichtbereichs 27 eines Stützkörpers 3 mit quadratischer Grundfläche, der einen konzentrisch zur Schichtbereichsmitte angeordneten kreisringförmigen Graben 31 umfasst, der außenseitlich von einem zu einem quadratischen oder rechteckförmigen Ring geschlossenen Graben 41 umgeben ist. Dabei schließt der von dem kreisringförmigen Graben 31 außenseitlich allseitig umschlossene kreisringförmige Steg 33 das durch den Schichtbereich 27 verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich allseitig ab. Auch bei dieser Ausführungsform sind die beiden Gräben 31, 41 vorzugsweise durch sternförmig zur Schichtbereichsmitte verlaufende gerade Gräben 35 verbunden, die den zwischen dem kreisförmigen und dem quadratischen Graben 31, 41 eingeschlossenen Teilbereich des Schichtbereichs 27 in voneinander getrennte Segmente unterteilen. Entfällt die Druckübertragungsleitung 25 kann der kreisringförmige Steg 33 entfallen und/oder entsprechend längere, gerade Gräben 35 vorgesehen werden, die durch den innersten kreisringförmigen Steg 33 und/oder den äußeren Rand des Schichtbereichs 27 hindurch verlaufen.Alternatively, of course, other trench shapes can be used individually or in combinations with each other. 7 shows an embodiment of a layer region for this purpose 27 a supporting body 3 with a square base, which has a concentric with the middle of the layer arranged annular trench 31 comprising, on the outside, a trench closed into a square or rectangular ring 41 is surrounded. This includes the of the annular trench 31 outside on all sides enclosed circular bridge 33 through the layer area 27 extending line segment of the pressure transmission line 25 on the outside on all sides. Also in this embodiment, the two trenches 31 . 41 preferably by straight to the middle of the layer extending straight trenches 35 connected to that between the circular and the square ditch 31 . 41 enclosed partial area of the layer area 27 divide into separate segments. Does not the pressure transmission line 25 may be the annular bridge 33 omitted and / or correspondingly longer, straight trenches 35 be provided by the innermost annular ridge 33 and / or the outer edge of the layer region 27 pass through.
8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Stützkörpers 3 mit kreisringscheibenförmiger Grundfläche, bei dem die Oberflächentopographie durch Ausnehmungen erzeugt wurde, die über den Schichtbereich 27 verteilt angeordnete Sacklochbohrungen 43 umfassen. Hier schließt der die Sacklochbohrungen 43 umgebende verbleibende Teilbereich des Schichtbereichs 27 das durch den Schichtbereich 27 verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich allseitig ab. 8th shows a further embodiment of a support body 3 with an annular disk-shaped base surface, in which the surface topography was produced by recesses which extend beyond the layer region 27 distributed arranged blind holes 43 include. Here he closes the blind holes 43 surrounding remaining partial area of the layer area 27 through the layer area 27 extending line segment of the pressure transmission line 25 on the outside on all sides.
9 zeigt eine hierzu komplementäre Ausführungsform, bei der im Schichtbereich 27 eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen ist, die über den Schichtbereich 27 verteilt angeordnete, säulenförmige verbleibende Teilsegmente 45 des Schichtbereichs 27 umgibt. Bei dieser Variante ist in Verbindung mit Druckmesseinrichtungen, die eine in der Druckkammer mündende Druckübertragungsleitung 25 umfassen, zusätzlich ein zu einem Ring geschlossenes im Schichtbereich 27 verbleibendes Teilsegment 47, z.B. ein kreisringförmiger Steg, vorzusehen, dass das durch den Schichtbereiche 27 hindurch verlaufende Leitungssegment der Druckübertragungsleitung 25 außenseitlich abschließt. 9 shows a complementary embodiment, in which in the layer area 27 a contiguous recess is provided which extends over the layer area 27 distributed, columnar remaining remaining sub-segments 45 of the layer area 27 surrounds. In this variant, in conjunction with pressure measuring devices, which opens a pressure transmission line opening into the pressure chamber 25 include, in addition to a closed ring in the layer area 27 remaining subsegment 47 , For example, an annular ridge, provide that through the layer areas 27 passing through the line segment of the pressure transmission line 25 closes on the outside.
Auch die in 8 und 9 dargestellten Topographien sind natürlich völlig analog in Verbindung mit Stützkörpern 3 mit rechteckiger oder quadratischer Grundfläche einsetzbar.Also in 8th and 9 Of course, the topographies shown are completely analogous in connection with supporting bodies 3 can be used with a rectangular or square base.
Die anhand der 4 bis 9 beschriebenen Oberflächentopographien sind völlig analog auch in Verbindung mit Druckmesseinrichtungen einsetzbar, bei denen der die Oberflächentopographie aufweisende Schichtbereich 29 in der Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 des Drucksensors 5 vorgesehen ist.The basis of the 4 to 9 described surface topographies are completely analogous also used in conjunction with pressure measuring devices in which the surface topography having layer area 29 in the surface layer of the main body 7 of the pressure sensor 5 is provided.
10 und 11 zeigen als Beispiel Grundkörper 7, deren Schichtbereiche 29 die anhand von 6 bzw. 8 beschriebene Oberflächentopographie aufweisen. In 10 und 11 erstreckt sich erstreckt sich der im Grundkörper 7 vorgesehene Schichtbereich 29 jeweils nur über einen unmittelbar an die Fügung 1 angrenzenden Teilbereich der dem Stützkörper 3 zugewandten Oberflächenschicht des Grundkörpers 7, deren Grundfläche in dem Fall vorzugsweise gleich der Grundfläche des Stützkörpers 3 ist. Zusätzlich kann sich die in der Oberflächenschicht vorgesehene Oberflächentopographie aber auch über weitere Bereiche der Oberflächenschicht, insb. über die gesamte Oberflächenschicht, des Grundkörpers 7 erstrecken. 10 and 11 show as an example basic body 7 , their layer areas 29 the basis of 6 respectively. 8th have described surface topography. In 10 and 11 extends extends in the body 7 provided layer area 29 in each case only one directly to the addition 1 adjacent portion of the support body 3 facing surface layer of the body 7 , The base surface in the case preferably equal to the base surface of the support body 3 is. In addition, however, the surface topography provided in the surface layer can also extend over further regions of the surface layer, in particular over the entire surface layer, of the main body 7 extend.
Auch bei Druckmesseinrichtungen mit im Grundkörper 7 vorgesehenem Schichtbereich 29 kann dessen dreidimensionale Oberflächentopographie durch im Schichtbereiche 29 vorgesehene zur Fügung 1 hin offene Ausnehmungen unterschiedlichster Anzahl, Tiefe und Formgebung erzeugt werden. Dabei können die Ausnehmungen auch hier Gräben 31, 35, 39, 41 und/oder Sachlochbohrungen 43 umfassen und/oder es kann mindestens eine zusammenhängende Ausnehmung vorgesehen sein, die säulenförmige verbleibende Teilsegmente 45 des Schichtbereichs 29 umgibt, wobei die Teilsegmente 45 Grundflächen unterschiedlichster Form aufweisen können. Dabei ist die Oberflächentopographie bei Druckmesseinrichtungen, die eine in der Druckkammer 9 mündende Druckzuleitung 25 umfassen, auch hier derart auszubilden, dass das durch den Grundkörper 7 hindurch verlaufende Leitungssegment der Druckzuleitung 25 durch einen oder mehrere im Schichtbereich 29 verbleibende Teilbereiche des Grundkörpers 7 außenseitlich allseitig abgeschlossen ist.Also with pressure measuring devices in the main body 7 provided layer area 29 can its three-dimensional surface topography through in the layer areas 29 provided for the purpose 1 open recesses of different numbers, depth and shape are produced. The recesses can also trenches here 31 . 35 . 39 . 41 and / or blind holes 43 comprise and / or it can be provided at least one contiguous recess, the columnar remaining sub-segments 45 of the layer area 29 surrounds, with the subsegments 45 Base surfaces of different shapes may have. The surface topography is at pressure measuring devices, the one in the pressure chamber 9 opening pressure feed 25 include, also here in such a way that through the body 7 passing through the line segment of the pressure supply line 25 by one or more in the layer area 29 remaining parts of the body 7 outside on all sides is completed.
Bei erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen kann der Schutz der Messmembran 11 des Drucksensors 5 vor darauf ausgeübten und/oder übertragengen Kräften zusätzlich dadurch verbessert werden, dass der Schichtbereich 27 bzw. 29 eine Oberflächentopographie aufweist, bei der mindestens ein im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibendes Teilsegment der Oberflächenschicht eine Formgebung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das jeweilige Teilsegment in axialer, also parallel zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufender Richtung eine höhere mechanische Steifigkeit aufweist, als in mindestens einer radialen, also senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtung. Über diese Formgebung wird die Elastizität des Schichtbereichs 27 bzw. 29 in den entsprechenden radialen Richtungen in Relation zu dessen Elastizität axialer Richtung erhöht. Dabei bewirkt die höhere Steifigkeit bzw. die geringere Elastizität des Schichtbereichs 27 bzw. 29 in axialer Richtung eine stabile druckfeste Abstützung des Drucksensors 5. Zugleich bewirkt die größere Elastizität des Schichtbereich 27 bzw. 29 in radialer Richtung, dass der Schichtbereich 27 bzw. 29 in radialer Richtung wirkende Kräfte absorbieren kann, die andernfalls auf die Messmembran 11 übertragen würden. Dieser Effekt natürlich umso größer ist, je mehr Teilsegmente eine die Elastizität des Schichtbereichs 27 bzw. 29 in radialer Richtung erhöhende Formgebung aufweisen und je größer das Spektrum an senkrecht zur Flächennormale auf die Fügefläche verlaufenden Richtungen ist, in denen die Teilsegmente die geringere Steifigkeit aufweisen.In pressure measuring devices according to the invention, the protection of the measuring diaphragm 11 of the pressure sensor 5 be additionally improved before and then exercised by the fact that the layer area 27 respectively. 29 has a surface topography, wherein at least one in the layer area 27 respectively. 29 remaining sub-segment of the surface layer has a shape that is formed such that the respective sub-segment in axial, ie parallel to the surface normal to the joining surface extending direction has a higher mechanical stiffness, as in at least one radial, ie perpendicular to the surface normal to the joining surface extending direction , This shape is the elasticity of the layer area 27 respectively. 29 increases in the corresponding radial directions in relation to the elasticity of the axial direction. This causes the higher stiffness or the lower elasticity of the layer area 27 respectively. 29 in the axial direction, a stable pressure-resistant support of the pressure sensor 5 , At the same time, the greater elasticity of the layer area 27 respectively. 29 in the radial direction, that of the layer area 27 respectively. 29 can absorb forces acting in the radial direction, otherwise on the measuring diaphragm 11 would transfer. This effect is of course greater, the more subsegments one the elasticity of the layer area 27 respectively. 29 have in the radial direction increasing shape and the larger the spectrum at perpendicular to the surface normal to the joint surface extending Directions is in which the sub-segments have the lower stiffness.
Entsprechende Oberflächentopographien werden vorzugsweise dadurch erzielt, dass im Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehene Ausnehmungen ein Aspektverhältnis von größer gleich 5 aufweisen. Analog weisen auch im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Teilbereiche, wie Stege 33, durch Gräben 31, 35 abgetrennte Segmente oder säulenförmige Teilsegmente 45 ein Aspektverhältnis auf, dass vorzugsweise möglichst groß ist. Hierzu weisen im Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehene Gräben 31, 35, 39, 41 vorzugsweise eine Grabentiefe auf, die größer als deren Grabenbreite ist. Dabei können die Gräben 31, 35, 39, 41 beispielsweise eine Grabentiefe im Bereich von 300 µm bis 700 µm und eine Grabenbreite in der Größenordnung 10 µm bis 100 µm aufweisen. Analog weisen Sacklochbohrungen 43 vorzugsweise eine Bohrlochtiefe auf, die größer als deren Bohrungsdurchmesser ist. Dabei können die Sacklochbohrungen 43 beispielsweise eine Bohrlochtiefe von 300 µm bis 700 µm und einen Bohrungsdurchmesser von 10 µm bis 100 µm aufweisen. Bei der hierzu komplementären Ausführungsform mit im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibenden säulenförmigen Teilsegmenten 45 weisen die säulenförmigen Teilsegmente 45 vorzugweise eine Höhe auf, die größer als deren senkrecht zur Höhe verlaufenden Abmessungen sind. Dabei können die säulenförmigen Teilsegmente 45 beispielsweise eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, wie z.B. einen Durchmesser oder Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen. Analog können durch Gräben abgetrennte im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Segmente beispielsweise eine Höhe von 300 µm bis 700 µm und senkrecht dazu verlaufende Abmessungen, wie z.B. Seitenlängen, von 100 µm bis 500 µm aufweisen. Im Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibende Stege 33 weisen beispielsweise eine Steghöhe von 300 µm bis 700 µm und eine vorzugsweise geringe Stegbreite auf. Dabei können je nach Wahl des Herstellungsverfahrens Stegbreiten von größer gleich 50 µm, in einigen Fällen sogar größer gleich 30 µm, erzielt werden.Corresponding surface topographies are preferably achieved in that in the layer area 27 respectively. 29 provided recesses have an aspect ratio greater than or equal to 5. Analog also show in the layer area 27 respectively. 29 remaining parts, such as bars 33 through ditches 31 . 35 separated segments or columnar sub-segments 45 an aspect ratio that is preferably as large as possible. For this purpose point in the layer area 27 respectively. 29 provided trenches 31 . 35 . 39 . 41 preferably a trench depth which is greater than the trench width. In doing so, the trenches 31 . 35 . 39 . 41 For example, have a trench depth in the range of 300 microns to 700 microns and a trench width in the order of 10 microns to 100 microns. Analog have blind holes 43 preferably a borehole depth which is greater than the bore diameter. The blind holes can 43 For example, have a hole depth of 300 microns to 700 microns and a bore diameter of 10 microns to 100 microns. In the case of the complementary embodiment with in the layer area 27 respectively. 29 remaining columnar sub-segments 45 have the columnar sub-segments 45 preferably a height which are greater than their perpendicular to the height dimensions. In this case, the columnar sub-segments 45 For example, have a height of 300 microns to 700 microns and perpendicular to it running dimensions, such as a diameter or side lengths of 100 microns to 500 microns. Analog can be separated by trenches in the layer area 27 respectively. 29 remaining segments, for example, have a height of 300 microns to 700 microns and perpendicular to extending dimensions, such as side lengths, from 100 microns to 500 microns. In the layer area 27 respectively. 29 remaining bridges 33 For example, have a ridge height of 300 microns to 700 microns and a preferably small ridge width. Depending on the choice of the manufacturing process, web widths of greater than or equal to 50 μm, in some cases even greater than or equal to 30 μm, can be achieved.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Druckmesseinrichtungen wird vorzugsweise derart Verfahren, dass die Fügepartner, also bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Drucksensor 5 und der damit zu verbindende Stützkörper 3, bereit gestellt werden. Anschließend wird in der Oberflächenschicht eines der beiden Fügepartner die Oberflächentopographie des Schichtbereichs 27 bzw. 29 erzeugt. Hierzu sind je nach Material dieses Fügepartners und der Formgebung der zu erzeugenden Oberflächentopographie unterschiedliche Verfahren einsetzbar, mit denen die die Oberflächentopographie bestimmenden Ausnehmungen im Schichtbereich 27 bzw. 29 erzeugt werden. Hierzu eignen sich je nach Material des Fügepartners z.B. Ätzverfahren, wie z.B. das Reaktive Ionentiefenätzen, elektrochemische Ätzverfahren, sowie Verfahren, bei denen ein Materialabtrag durch gezielte Laserbestrahlung bewirkt wird.In the production of pressure measuring devices according to the invention, it is preferable to use methods such that the joining partners, that is to say in the case of in 1 illustrated embodiment of the pressure sensor 5 and the supporting body to be connected therewith 3 , to be provided. Subsequently, in the surface layer of one of the two joining partners, the surface topography of the layer region 27 respectively. 29 generated. Depending on the material of this joining partner and the shaping of the surface topography to be produced, different methods can be used for this, with which the recesses determining the surface topography in the layer region 27 respectively. 29 be generated. For this purpose, depending on the material of the joining partner, for example, etching methods, such as, for example, the reactive ion etching, electrochemical etching methods, as well as methods in which a material removal is effected by targeted laser irradiation.
Besteht der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus einem Metall, z.B. aus Edelstahl oder aus Kovar, aus Keramik oder aus einem Glas, z.B. einem Borosilikatglas, so werden die Ausnehmungen vorzugsweise durch gezielte, räumlich auf die Bereiche der Ausnehmungen begrenzte Laserbestrahlung erzeugt. Durch Laserbestrahlung lassen sich Ausnehmungen mit einer Ausnehmungstiefe von bis zu 700 µm und senkrecht zur Tiefe verlaufenden Abmessungen, wie z.B. Grabenbreiten, Bohrungsdurchmessern oder Seitenlängen quadratischer oder rechteckiger Ausnehmungen, von größer gleich 25 µm erzeugen. Dabei sind mit heute bekannten Verfahren bereits Aspektverhältnisse von bis zu 15 erzielbar, wobei die erzielbaren Aspektverhältnisse in der Regel umso größer sind, je kleiner die senkrecht zur Tiefe verlaufenden Abmessungen der Ausnehmungen sind.If the joining partner in which the surface topography is to be produced consists of a metal, e.g. stainless steel or kovar, ceramic or glass, e.g. a borosilicate glass, the recesses are preferably generated by targeted laser irradiation spatially limited to the areas of the recesses. By laser irradiation can be recesses with a recess depth of up to 700 microns and perpendicular to the depth dimensions, such. Create trench widths, bore diameters or side lengths of square or rectangular recesses of greater than or equal to 25 μm. Aspect ratios of up to 15 can already be achieved with methods known today, wherein the achievable aspect ratios are generally greater, the smaller the dimensions of the recesses extending perpendicular to the depth.
Besteht der Fügepartner, in dem die Oberflächentopographie erzeugt werden soll, aus Silizium oder einem Werkstoff auf Siliziumbasis, so werden vorzugsweise aus der Halbleitertechnologie bekannte Ätzverfahren, wie z.B. das Reaktive Ionentiefenätzen (DRIE) eingesetzt. Durch Reaktives Ionentiefenätzen lassen sich Ausnehmungen mit einer Ausnehmungstiefe von bis zu 500 µm und senkrecht zur Tiefe verlaufenden Abmessungen, wie z.B. Grabenbreiten, Bohrungsdurchmessern oder Seitenlängen quadratischer oder rechteckiger Ausnehmungen, von größer gleich 10 µm erzeugen. Damit sind sogar Aspektverhältnisse von bis zu 50 erzielbar.If the joining partner in which the surface topography is to be produced consists of silicon or a silicon-based material, it is preferable to use etching methods known from semiconductor technology, such as e.g. Reactive Ion Depletion (DRIE) is used. By means of reactive ion etching, recesses with a recess depth of up to 500 μm and dimensions running perpendicular to the depth, such as e.g. Create trench widths, bore diameters or side lengths of square or rectangular recesses greater than or equal to 10 μm. Thus, even aspect ratios of up to 50 can be achieved.
Besteht der Fügepartner aus einkristallinem Silizium kann die Oberflächentopographie alternativ auch durch ein Verfahren erzeugt werden, mit dem das Silizium im Schichtbereichs 27, 29 in sogenanntes Schwarzes Silizium umgewandelt wird. Schwarzes Silizium kann z.B. durch hochenergetischen Beschuss mit Ionen oder ultrakurzen Laserpulsen erzeugt werden. Hierzu eignet sich z.B. ein von Eric Mazur und James Carey an der Harvard Universität entwickeltes Verfahren, bei dem schwarzes Silizium durch Beschuss von einkristallinem Silizium mit einem extrem energiereichen gepulsten Femtosekunden-Laser erzeugt wird. Schwarzes Silizium weist eine Oberflächentopographie auf, bei der über den Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete säulenförmige verbleibende Teilsegmente des Schichtbereichs 27 bzw. 29 nadelförmig sind. Die nadelförmigen Teilsegmente weisen typischer Weise eine Höhe in der Größenordnung von größer gleich 10 µm und einen Durchmesser von kleiner gleich 1 µm auf.Alternatively, if the joining partner consists of monocrystalline silicon, the surface topography can also be produced by a method with which the silicon in the layer region 27 . 29 is converted into so-called black silicon. Black silicon can be generated, for example, by high-energy bombardment with ions or ultrashort laser pulses. For example, a method developed by Eric Mazur and James Carey at Harvard University that produces black silicon by bombarding monocrystalline silicon with an extremely high-energy, pulsed femtosecond laser is suitable. Black silicon has a surface topography over the layer area 27 respectively. 29 distributed arranged columnar remaining sub-segments of the layer region 27 respectively. 29 are needle-shaped. The needle-shaped sub-segments typically have a height of the order of magnitude greater than or equal to 10 μm and a diameter of less than or equal to 1 μm.
Die Erfindung ist nicht auf als Absolut- oder Relativdruckmesseinrichtungen ausgebildete Druckmesseinrichtungen beschränkt, sondern kann völlig analog auch in Verbindung mit Differenzdruckmesseinrichtungen eingesetzt werden, die dazu dienen eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten der Messeinrichtung zugeführten Druck p1, p2 zu messen. The invention is not limited to designed as absolute or relative pressure measuring pressure measuring devices, but can be used completely analogously in conjunction with differential pressure measuring devices, which serve to measure a pressure difference between a first and a second of the measuring device supplied pressure p 1 , p 2 .
Grundsätzlich können auch mit der in 1 dargestellten Druckmesseinrichtung Differenzdrücke gemessen werden. Hierzu wird die Außenseite der Messmembran 11 mit dem ersten Druck p1 und deren Innenseite über die Druckübertragungsleitung 25 mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die auf die Messmembran 11 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 eine vom zu messenden Differenzdruck Δp abhängige Auslenkung der Messmembran 11.Basically, also with the in 1 shown pressure measuring device differential pressures are measured. For this purpose, the outside of the measuring membrane 11 with the first pressure p 1 and the inside thereof via the pressure transmission line 25 subjected to a second pressure p 2 . In this embodiment, the effect on the measuring membrane 11 acting pressure difference between the first and the second pressure p 1 , p 2 a dependent of the differential pressure to be measured Δp deflection of the measuring diaphragm 11 ,
Vorzugsweise werden zur Differenzdruckmessung Differenzdrucksensoren 49 mit einem unter Einschluss einer Druckkammer 9 mit einer Messmembran 11 verbundenen Grundkörper 7 eingesetzt, bei denen auf der dem Grundkörper 7 gegenüberliegenden Seite der Messmembran 11 ein zweiter Grundkörper 7 vorgesehen ist, der unter Einschluss einer zweiten Druckkammer 9 mit der Messmembran 11 verbunden ist. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Druckmesseinrichtung mit einem solchen Differenzdrucksensor 49. Genau wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch hier eine Fügung 1 vorgesehen, über die der Grundkörper 7 mit einem Stützkörper 51 verbunden ist. Zusätzlich ist auf einer dem Stützkörper 51 gegenüberliegenden Seite des Drucksensors 49 ein zweiter Stützkörper 51 vorgesehen, der über eine zweite Fügung 1 mit dem zweiten Grundkörper 7 verbunden ist. 13 zeigt hierzu eine vergrößerte Darstellung des mit den beiden Stützkörpern 51 verbundenen Differenzdrucksensors 49 von 12.Preferably, the differential pressure measurement differential pressure sensors 49 with one including a pressure chamber 9 with a measuring membrane 11 connected basic body 7 used in which on the body 7 opposite side of the measuring diaphragm 11 a second basic body 7 is provided, which includes a second pressure chamber 9 with the measuring membrane 11 connected is. 12 shows an embodiment of a pressure measuring device with such a differential pressure sensor 49 , Just like the one in 1 illustrated embodiment is also a coincidence 1 provided over which the main body 7 with a support body 51 connected is. In addition, on one is the support body 51 opposite side of the pressure sensor 49 a second support body 51 provided, over a second joint 1 with the second main body 7 connected is. 13 shows an enlarged view of this with the two support bodies 51 associated differential pressure sensor 49 from 12 ,
Erfindungsgemäß weist auch hier die dem Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des Stützkörpers 51 oder die dem Stützkörper 51 zugewandte Oberflächenschicht des Grundkörpers 7 in einem der Grundfläche der Fügung 1 entsprechenden, unmittelbar an die Fügung 1 angrenzenden Schichtbereich 27, 29 eine dreidimensionale Oberflächentopographie auf. Zusätzlich weist auch die dem zweiten Grundkörper 7 zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Stützkörpers 51 oder die dem zweiten Stützkörper 51 zugewandte Oberflächenschicht des zweiten Grundkörpers 7 in einem der Grundfläche der zweiten Fügung 1 entsprechenden, unmittelbar an die zweite Fügung 1 angrenzenden Schichtbereich 27, 29 eine dreidimensionale Oberflächentopographie auf. Zur Veranschaulichung der Wahlmöglichkeit hinsichtlich der Position der beiden Schichtbereiche 27, 29 zeigt 13 in der linken Hälfte einen im Stützkörper 51 vorgesehenen Schichtbereich 27 und in der rechten Hälfte einen im zweiten Grundkörper 7 vorgesehenen Schichtbereich 29. Zur Erzielung eines in Bezug auf die Messmembran 11 symmetrischen Aufbaus wird jedoch vorzugsweise eine Ausgestaltung gewählt, bei der die Schichtbereiche 27, 29 entweder beide in den Grundkörpern 7 oder beide in den Stützkörpern 51 vorgesehen sind. Auch hier sind die Oberflächentopographien der beiden Schichtbereiche 27 bzw. 29 vorzugsweise jeweils derart ausgebildet, dass eine der Oberflächenschicht des jeweils anderen Fügepartners zugewandte Fügefläche des jeweiligen Schichtbereichs 27 bzw. 29 über den gesamten Schichtbereich 27 bzw. 29 verteilt angeordnete in einer Ebene liegende Teilflächen umfasst, deren durch die Summe der Teilflächen gebildete Gesamtfläche kleiner als die Grundfläche der Fügung 1 ist. Insoweit gelten die obigen Ausführungen zu möglichen Oberflächentopographien, zu in dem jeweiligen Schichtbereich 27 bzw. 29 vorgesehenen Ausnehmungen und zur Formgebung und den elastischen Eigenschaften der im jeweiligen Schichtbereich 27 bzw. 29 verbleibenden Teilsegmente des jeweiligen Schichtbereich 27 bzw. 29 hier entsprechend.According to the invention, here also the basic body 7 facing surface layer of the support body 51 or the support body 51 facing surface layer of the body 7 in one of the bases of the Fiegung 1 appropriate, immediately at the disposal 1 adjacent layer area 27 . 29 a three-dimensional surface topography. In addition, also the second body 7 facing surface layer of the second support body 51 or the second support body 51 facing surface layer of the second body 7 in one of the bases of the second joint 1 corresponding, directly to the second addition 1 adjacent layer area 27 . 29 a three-dimensional surface topography. To illustrate the choice of the position of the two layer areas 27 . 29 shows 13 in the left half in the supporting body 51 provided layer area 27 and in the right half one in the second main body 7 provided layer area 29 , To achieve a with respect to the measuring diaphragm 11 symmetrical structure, however, an embodiment is preferably selected in which the layer areas 27 . 29 either both in the main bodies 7 or both in the support bodies 51 are provided. Again, the surface topographies of the two layer areas are 27 respectively. 29 each preferably formed such that one of the surface layer of the respective other joining partner facing joining surface of the respective layer region 27 respectively. 29 over the entire layer area 27 respectively. 29 comprises distributed lying in a plane faces, whose formed by the sum of the partial areas total area smaller than the base area of the joint 1 is. In that regard, the above statements on possible surface topographies apply to in the respective layer area 27 respectively. 29 provided recesses and the shaping and the elastic properties of the respective layer area 27 respectively. 29 remaining sub-segments of the respective layer area 27 respectively. 29 here accordingly.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem der Drucksensor 5 auf einem sockelförmigen Stützkörper 3 angeordnet ist, dessen Grundfläche kleiner als die des Drucksensors 5 ist, werden Differenzdrucksensoren 49 vorzugsweise zwischen zwei Stützkörpern 51 angeordnet, die eine Grundfläche aufweisen, die größer gleich, vorzugsweise gleich der Grundfläche der Grundkörper 7 ist. Dementsprechend weisen die Fügung 1 und die zweite Fügung 1 und damit einhergehend auch die beiden Schichtbereiche 27, 29 jeweils eine Grundfläche auf, die im Wesentlichen gleich der Grundfläche der beiden Grundkörper 7 ist.Unlike the in 1 illustrated embodiment, in which the pressure sensor 5 on a pedestal-shaped supporting body 3 is arranged, the base area smaller than that of the pressure sensor 5 is, are differential pressure sensors 49 preferably between two support bodies 51 arranged, which have a base area which is greater than or equal to, preferably equal to the base of the body 7 is. Accordingly, the coincidence 1 and the second coincidence 1 and consequently also the two layer areas 27 . 29 each have a base area which is substantially equal to the base area of the two main body 7 is.
Analog zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch der in 13 dargestellte Verbund aus Differenzdrucksensor 49 und den beiden Stützkörper 51 in einem Gehäuse 53 angeordnet und über den Druckkammern 9 vorgeschaltete Druckmittler 19 mit dem ersten und dem zweiten Druck p1, p2 beaufschlagt werden. Auch hier wird die Trennmembran 21 des jeweiligen Druckmittlers 19 mit dem zugehörigen Druck p1 bzw. p2 beaufschlagt, der dann über eine durch den zugehörigen Stützkörper 51 und den Grundkörper 7 verlaufende, in der zugehörigen Druckkammer 9 mündende Druckübertragungsleitung 55 auf die zugehörige Seite der Messmembran 11 übertragen wird. Die daraus resultierende vom zu messenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 11 wird auch hier mittels eines elektromechanischen Wandlers, z.B. eines kapazitiven oder eines piezoresisitiven Wandlers, in eine elektrische Größe umgewandelt anhand derer dann – z.B. mittels einer an den Wandler angeschlossenen Messelektronik 57 – der zu messende Differenzdruck bestimmt wird.Analogous to the in 1 illustrated embodiment may also be in 13 illustrated composite of differential pressure sensor 49 and the two support bodies 51 in a housing 53 arranged and above the pressure chambers 9 upstream diaphragm seal 19 with the first and the second pressure p 1 , p 2 are acted upon. Again, the separation membrane 21 the respective pressure transmitter 19 subjected to the associated pressure p 1 or p 2 , which then via a through the associated support body 51 and the main body 7 extending, in the associated pressure chamber 9 opening pressure transmission line 55 on the associated side of the measuring diaphragm 11 is transmitted. The resulting resulting from the differential pressure to be measured deflection of the diaphragm 11 is also converted here by means of an electromechanical transducer, for example a capacitive or a piezoresistive transducer, into an electrical variable by means of which then - eg by means of a measuring electronics connected to the transducer 57 - The differential pressure to be measured is determined.
Bei erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen ist die Fügung 1 zwischen dem Grundkörper 7 und dem Stützkörper 3 bzw. 51, sowie bei Differenzdruckmesseinrichtungen auch die Fügung 1 zwischen dem zweiten Grundkörper 7 und dem zweiten Stützkörper 51 vorzugsweise eine Klebung. Zur Herstellung dieser Klebungen eignen sich insb. Kleber auf Epoxidharzbasis, thermoplastische Kleber oder Silikon-Kleber, wie zum Beispiel Silikon-Kautschuk. Klebungen sind je nach Wahl des Klebers deutlich elastischer als starre Verbindungen, wie zum Beispiel Glaslötungen, Bond-Verbindungen, Lötungen oder Schweißungen, und somit in der Lage aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Komponenten der Druckmesseinrichtung entstehende Spannungen auszugleichen. Klebungen bewirken somit eine zusätzliche Reduktion thermomechanischer Spannungen, die andernfalls auf die Messmembran 11 übertragen würden. Aufgrund des bei erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtungen über die Oberflächentopographie der Schichtbereiche 27, 29 bewirkten Schutzes der Drucksensors 5 vor darauf übertragenen Kräften können alternativ aber auch Fügeverfahren eingesetzt werden, die vergleichsweise starre Fügungen ausbilden. Hierzu zählen insb. Lötverfahren, wie z.B. das Glaslöten, oder Bondverfahren, wie z.B. das anodische Bonden. In pressure measuring devices according to the invention is the addition 1 between the main body 7 and the support body 3 respectively. 51 , as well as in differential pressure measuring devices also the addition 1 between the second body 7 and the second support body 51 preferably a bond. Particularly suitable for the production of these bonds are adhesives based on epoxy resin, thermoplastic adhesives or silicone adhesives, such as, for example, silicone rubber. Depending on the choice of adhesive, bonds are significantly more elastic than rigid bonds, such as, for example, glass soldering, bond connections, soldering or welding, and thus able to compensate for stresses arising due to different thermal expansion coefficients of the components of the pressure measuring device. Bonding thus causes an additional reduction of thermo-mechanical stresses that would otherwise affect the measuring membrane 11 would transfer. Due to the pressure measuring devices according to the invention over the surface topography of the layer areas 27 . 29 caused protection of the pressure sensor 5 Before transferred thereto forces but also joining methods can be used as an alternative, which form relatively rigid joints. These include esp. Soldering, such as glass soldering, or bonding methods, such as anodic bonding.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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11
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Fügung coincidence
-
33
-
Stützkörper support body
-
55
-
Drucksensor pressure sensor
-
77
-
Grundkörper body
-
99
-
Druckkammer pressure chamber
-
1111
-
Messmembran measuring membrane
-
1313
-
Träger carrier
-
1515
-
Gehäuse casing
-
1717
-
Druckmesskammer Pressure measuring chamber
-
1919
-
Druckmittler Diaphragm Seals
-
2121
-
Trennmembran separating membrane
-
2323
-
Einglasung vitrification
-
2525
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Druckübertragungsleitung Pressure transmission line
-
2727
-
Schichtbereich des Stützkörpers Layer area of the support body
-
2929
-
Schichtbereich des Grundkörpers Layer area of the body
-
3131
-
kreisringfömiger Graben circular trench
-
3333
-
kreisringförmige Stege circular webs
-
3535
-
gerader Graben straight ditch
-
3737
-
kreisringsegmentförmige Stege circular segment-shaped webs
-
3939
-
kreisförmiger Graben circular ditch
-
4141
-
quadratischer Graben square trench
-
4343
-
Sacklochbohrungen Blind holes
-
4545
-
säulenförmige verbleibende Teilsegmente columnar remaining sub-segments
-
4747
-
Teilsegment subsegment
-
4949
-
Differenzdrucksensor Differential Pressure Sensor
-
5151
-
Stützkörper support body
-
5353
-
Gehäuse casing
-
5555
-
Druckübertragungsleitung Pressure transmission line
-
5757
-
Messelektronik measuring electronics
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 3436440 A1 [0007, 0009] DE 3436440 A1 [0007, 0009]
