WO2008151972A2 - Capacitative and piezoresistive differential pressure sensor - Google Patents

Capacitative and piezoresistive differential pressure sensor Download PDF

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WO2008151972A2
WO2008151972A2 PCT/EP2008/056900 EP2008056900W WO2008151972A2 WO 2008151972 A2 WO2008151972 A2 WO 2008151972A2 EP 2008056900 W EP2008056900 W EP 2008056900W WO 2008151972 A2 WO2008151972 A2 WO 2008151972A2
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differential pressure
measuring
pressure sensor
measuring diaphragm
piezoresistive
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Dieter Stolze
Anh Tuan Tham
Friedrich Schwabe
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Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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Publication date
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    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
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    • G01L9/0075Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass

Definitions

  • the invention relates to a differential pressure sensor.
  • Differential pressure sensors are used to detect a pressure difference between two pressures acting on the differential pressure sensor and are used for example in differential pressure gauges that are used in industrial metrology.
  • semiconductor sensors e.g. Silicon sensors used.
  • semiconductor sensors There are various types of semiconductor sensors on the market, which are usually distinguished by the measuring principle used.
  • the two most common sensor types are capacitive and piezoresistive differential pressure sensors.
  • Piezoresistive differential pressure sensors have piezoresistive elements whose resistance changes as a function of a pressure acting thereon or a mechanical stress to which they are exposed.
  • the piezoresistive elements are usually connected together to form a bridge circuit, in particular a Wheatstone bridge, and arranged on a measuring diaphragm, which is exposed to the differential pressure to be measured.
  • a differential pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm is detected by means of the piezoresistive elements and converted into an electrical output signal dependent on the differential pressure.
  • Capacitive pressure sensors contain at least one capacitor formed by two oppositely arranged electrodes. Typically, the electrodes are arranged on the inner sides of two mutually parallel membranes. In measuring mode, a first pressure acts on the outside of the first diaphragm and a second pressure on the outside of the second diaphragm. The pressures cause a deflection of the membranes and thus a differential pressure dependent change in the distance between the two electrodes. This change in distance causes a differential pressure dependent change in the capacitance of the capacitor. The capacity is detected by means of a capacitance measuring circuit and in a converted by the differential pressure dependent electrical output signal.
  • Differential pressure sensors provided. They should esp. Have a very high accuracy and a low susceptibility to errors.
  • Redundant measuring devices offer the advantage that two independently obtained measuring signals are available for the derivation of the quantity to be measured. This makes it possible on the one hand by external influences, such as. Temperature, humidity or static pressure, better compensated for measuring errors, on the other hand, it is possible to select that measurement signal that is more suitable under the given conditions of use. Another advantage is that the measuring operation can still be maintained even if one of the two measuring devices fails.
  • Silicon differential pressure sensor is described in EP 0 896 658 B1.
  • This differential pressure sensor comprises a base plate and two membrane plates arranged on both sides of the base plate parallel to the base plate and spaced from the base plate.
  • the membrane plates are connected by at least one coupling element in terms of force such that a pressure difference between the outside of the Membrane plates adjacent pressures leads to a movement of the membrane plates, which causes a change in the distance between the membrane plates and arranged between the membrane plates base plate.
  • This change is detected by means of capacitive sensor elements, and converted into a dependent of the differential pressure electrical output signal.
  • the capacitive sensor elements each comprise at least one electrode arranged on the base plate and an associated counterelectrode arranged opposite one another on the inside of the respective membrane plate.
  • the invention consists in a differential pressure sensor with a arranged on a first carrier first measuring diaphragm, on the outer side facing the carrier during measurement operation, a first pressure acts on the side facing away from the first carrier inside at least a first electrode and at least one piezoresistive sensor element Detection of a differential pressure-dependent deflection of the first
  • Measuring diaphragm are arranged, arranged on a second carrier second measuring diaphragm which extends parallel to the first measuring diaphragm, acting on the outside of the carrier during measurement a second pressure acting on the side facing away from the second carrier inside at least one second electrode is arranged, which together with an associated arranged on the first measuring membrane first electrode forms a capacitive sensor element for detecting a present between the first and the second pressure differential pressure, wherein the first and the second measuring membrane via an outer edge of the inside of the first measuring membrane with a outer edge of the inside of the second measuring membrane connecting mechanical connection and connected to the membrane centers of the two measuring membranes spacers of the same height are arranged parallel to each other and are firmly connected.
  • Measuring diaphragm at least one further piezoresistive sensor element for detecting a differential pressure dependent deflection of the second diaphragm arranged.
  • first measuring diaphragm Provided on the first measuring diaphragm two identical first electrodes, which are arranged on opposite sides of the spacer,
  • Each first electrode is associated with a same shape of the second electrode, which is arranged parallel to the associated first electrode of this directly opposite one another.
  • each piezoresistive sensor element consists of several piezoresistive elements, which are joined together to form a resistance bridge.
  • the piezoresistive elements of a sensor element are arranged in a line symmetrical to both sides of the spacer.
  • the differential pressure sensor consists of two identical sections, which are connected to each other via the mechanical connection and the spacer, wherein the mechanical connection and the spacer are each composed of two identical elements, one of which is part of the first section and is a part of the second part and which are firmly connected to each other.
  • the carrier with the measuring membranes arranged thereon each consist of a BESOI wafer, the one first silicon layer, a thinner second silicon layer and an oxide layer disposed therebetween, in which
  • a recess is provided in the first silicon layer which is surrounded on the outside by a part of the first silicon layer forming the respective carrier, and over which a region of the BESOI wafer forming the respective measuring diaphragm is exposed,
  • a recess is provided, through which the oxide layer is exposed to an outer edge and a region in the middle of the oxide layer, wherein at least portions of the remaining outer edge of the second silicon layer are part of the mechanical connection and in the middle remaining
  • Portion of the second silicon layer forms a part of the spacer
  • At least one electrode is applied to the exposed oxide layer
  • a piezoresistive sensor element is arranged on the exposed oxide layer
  • Bonding material are firmly attached, which is applied to serving as connecting surfaces Operabzz the outer edges of the second silicon layers and on the remaining areas in the middle of the second silicon layers.
  • the connecting surfaces are arranged with the same shape and symmetrically on the respective outer edge of the respective second silicon view.
  • the first and second exist
  • the differential pressure sensor according to the invention has the advantage that it has at least two mutually independent sensor elements for detecting the differential pressure. This ensures a reliable measurement even in case of failure of a sensor element by the remaining independent thereof sensor elements, and thus ensures a high degree of measurement security.
  • Differential pressure sensor has at least one capacitive sensor element and at least one piezoresistive sensor element. As a result, the advantages of both measuring principles can be exploited. This increases the achievable measurement accuracy and the field of application in which the differential pressure sensor according to the invention can be used is expanded.
  • differential pressure sensor is a microelectromechanical system based on silicon, which can be produced with standard methods currently used in semiconductor technology.
  • Fig. 1 shows a section through a differential pressure sensor according to the invention along a cutting plane containing a first central axis A-A 'of the differential pressure sensor;
  • Fig. 2 shows a section through the invention
  • Fig. 3 shows a view of the inside of the first measuring diaphragm of the differential pressure sensor of Fig. 1 and 2;
  • Fig. 4 is a view of the inside of the second measuring diaphragm of the differential pressure sensor of Figs. 1 and 2;
  • FIG. 5 shows a BESOI wafer of a portion of the FIG.
  • Differential pressure sensor with a measuring membrane exposing recess in the first silicon layer
  • FIG. 6 shows the BESOI wafer of FIG. 5 with a recess in its second silicon layer
  • Fig. 7 shows a section through a portion of the differential pressure sensor in the sectional plane shown in Fig. 1;
  • FIG. 8 shows a section through a section of the differential pressure sensor in the sectional plane shown in FIG. 2; FIG. and
  • Fig. 9 shows a differential pressure sensor according to the invention, in which the first and the second measuring diaphragm in each case a pressure transmitter is connected upstream.
  • Fig. 1 shows a section through an inventive
  • FIG. 2 shows a section through the differential pressure sensor according to the invention along a sectional plane containing a second central axis B-B 'of the differential pressure sensor, which is perpendicular to the sectional plane shown in FIG.
  • the central axes A-A 'and B-B' are perpendicular to each other and intersect at the center of the differential pressure sensor.
  • the differential pressure sensor consists of two preferably identical interconnected sections 1a, 1b.
  • the first section 1a comprises a first measuring diaphragm 5a arranged on a first carrier 3a and the second section 1b a second measuring diaphragm 5b arranged on a second carrier 3b.
  • the sections 1a, 1b are connected to one another such that the two measuring membranes 5a, 5b are arranged parallel to one another and spaced apart from one another.
  • In measuring mode acts on one
  • a first pressure p1 is applied to the outside of the first measuring diaphragm 5a facing the first carrier 3a and a second pressure p2 to an outside of the second measuring diaphragm 3b facing the second carrier 3b.
  • Measuring diaphragm 5a at least one first electrode E1 and at least one piezoresistive sensor element R is arranged. 3 shows a view of the inside of the first measuring diaphragm 5a.
  • two rectangular electrodes E1 and EV of the same shape are provided, which are arranged symmetrically on both sides of the central axis A-A 'passing through the middle of the measuring diaphragm.
  • the central axis A-A 'lies centrally in the sectional plane of the section shown in FIG.
  • the piezoresistive sensor element R comprises at least one piezoresistive element R11, R12, R13, R14 applied to the first measuring diaphragm 5a and serves to detect a deflection of the first measuring diaphragm 5a which is dependent on the differential pressure.
  • the piezoresistive sensor element R consists of a plurality of piezoresistive elements R11, R12, R13, R14, which are connected together to form a resistance bridge.
  • four piezoresistive elements R11, R12, R13, R14, which are connected together to form a resistance bridge are provided. The connection takes place via printed conductors L applied to the inside of the first measuring diaphragm 5a.
  • the piezoresistive sensor element R is connected to a connecting lines KR1, KR2 and KR3, KR4 which are not shown in FIGS. 1 to 4 and are applied externally from the differential pressure sensor to the first measuring diaphragm 5a Connected measuring circuit which provides a differential pressure corresponding measurement signal .DELTA.PR.
  • Measuring diaphragm 5b is arranged at least a second electrode E2. 4 shows a view of the inside of the second measuring diaphragm 5b.
  • the central axis BB ' is located centrally in the sectional plane of the section shown in Fig. 2 and is perpendicular to the central axis A-A'.
  • the second electrode E2 forms, together with the same opposite the same form on the first measuring diaphragm 5a arranged first electrode E1 a capacitive sensor element E for detecting a between the first and the second pressure p1, p2 existing differential pressure.
  • the second electrode E2 ' forms, together with the first electrode EV disposed opposite the same shape on the first measuring diaphragm 5a, a further capacitive sensor element E' for detecting a differential pressure existing between the first and the second pressure p1, p2.
  • Electrodes E1, E1 'and E2, E2' described here it is of course also possible to use other electrode pairs which differ from those described here by their number, their arrangement and their geometry.
  • At least one further piezoresistive sensor element R 'for detecting a differential pressure-dependent deflection of the second measuring diaphragm 5b is arranged on the inside of the second measuring diaphragm 5b.
  • This further piezoresistive sensor element R ' is preferably constructed identically to the piezoresistive sensor element R arranged on the first measuring diaphragm 5a.
  • it comprises at least one piezoresistive element R21, R22, R23, R24 applied to the second measuring membrane 5b.
  • it consists of a plurality of piezoresistive elements R21, R22, R23, R24, which are connected together via applied on the second measuring membrane 5b interconnects L to a resistance bridge.
  • piezoresistive elements R21, R22, R23, R24 are provided, which are connected together to form a resistance bridge.
  • the piezoresisitive sensor element R ' is applied to the second measuring diaphragm 5b connected outside of the differential pressure sensor connecting lines KR1 ', KR2', KR3 ', KR4' connected to a measuring circuit, not shown in the figures 1 to 4, which provides a differential pressure corresponding to the measurement signal ⁇ PR '.
  • sensor elements R, R ' can also be used with additional or differently dimensioned piezoresistive sensor elements. It is e.g. It is possible to design individual piezoresistive sensor elements by positioning and dimensioning their piezoresistive elements for different differential pressure measuring ranges.
  • Sensor elements R, R ', E, E' can additionally be adjusted by a corresponding dimensioning of the thickness of the individual measuring membranes 5a, 5b.
  • the first and the second measuring membrane 5a, 5b are connected via an outer edge of the inside of the first measuring membrane 5a with an outer edge of the inside of the second measuring membrane 5b connecting mechanical connection P and one connected to the membrane centers of the two measuring membranes 5a, 5b Spacer 7 of the same height parallel to each other from each other and firmly connected.
  • the spacer 7 is made of two identical shape
  • Elements 7a and 7b composed of which is a part of the first portion 1a and a part of the second portion 1 b and which are fixedly connected to each other. The same applies analogously to the mechanical connection P. described in more detail below.
  • the two measurement membranes 5a, 5b mechanically coupled in this way form a membrane composite.
  • This symmetrical double diaphragm construction significantly increases the bursting strength of the differential pressure sensor, so that it is also suitable for measuring very high differential pressures.
  • the resulting high mechanical stability offers a high degree of measurement reliability.
  • a differential pressure acting on this membrane composite leads to a substantially synchronous identical deflection of the two measuring membranes 5a, 5b.
  • Each of the two measuring membranes 5a, 5b thus experiences a deflection dependent on the differential pressure.
  • both the piezoresistive sensor element R arranged on the first measuring diaphragm 5a and the further piezoresistive sensor element R 'arranged on the second measuring diaphragm 5b detect the differential pressure acting on the differential pressure sensor.
  • the piezoresistive sensor elements R and R ' are connected via connecting leads KR1, KR2, KR3, KR4 or KR1', KR2 ⁇ KR3 ⁇ KR4 ', which are brought out of the differential pressure sensor on the first and the second measuring diaphragm 5a, 5b, to one in the figures 1 to 4 measuring circuit, not shown, each of which provides a pressure signal corresponding to the differential pressure.
  • a separate measuring circuit is provided for each sensor element R, R '.
  • two differential pressure measuring signals ⁇ PR and ⁇ PR 'generated independently of one another are generated by two completely independent sensor elements R, R'.
  • a differential pressure-induced deflection of the two measuring membranes 5a, 5b leads to a parallel displacement of the respective first electrodes E1, EV of the capacitive sensor elements E, E 'relative to the respective associated second electrodes E2, E2' of the respective capacitive sensor element E or E.
  • 'Which has a substantially linear differential pressure dependent change in the capacitance of the respective sensor element E2, E2' result.
  • the capacitive sensor elements E and E ' are connected to a measuring circuit, not shown in FIGS. 1 to 4, via connecting leads KE1, KE2 and KEV, KE2' applied outside the differential pressure sensor and applied to the first and second measuring diaphragm 5a, 5b which supplies a measurement signal corresponding to the differential pressure.
  • a separate measuring circuit is also provided here for each capacitive sensor element E, E '.
  • the differential pressure sensor according to the invention shown here thus provides four completely independent differential pressure measuring signals ⁇ PR, ⁇ PR ', ⁇ PE and ⁇ PE'.
  • ⁇ PR differential pressure measuring signals
  • ⁇ PR ' differential pressure measuring signals
  • ⁇ PE differential pressure measuring signals
  • ⁇ PE' differential pressure measuring signals
  • the four available differential pressure measuring signals ⁇ PR, ⁇ PR ', ⁇ PE and ⁇ PE' can be processed and / or processed completely independently of one another and subjected to different compensation and / or treatment methods both as individual signals and in combination with each other.
  • the differential pressure to be measured can be derived from an average value of the four differential pressures available via the four differential pressure measurement signals ⁇ PR, ⁇ PR ', ⁇ PE and ⁇ PE'.
  • the characteristic curves of the four sensor elements R, R ', E', E can be measured as part of a calibration and subsequently individual differential pressure measuring signals for the derivation of the differential pressure to be measured are selected, for example, appear particularly reliable or whose characteristic curve has the most linear course. This significantly simplifies subsequent compensation of measurement errors and achieves higher measurement accuracy.
  • the measurement results derived by means of the individual sensor elements R, R ', E, E' can be compared with one another and, if appropriate, with their mean value. If a single measurement result shows a clear deviation from the other measurement results or from the mean value, then this measurement result can be sorted out as outliers and from the derivative of the differential pressure to be measured be excluded. In this way, damage to a single sensor element can be detected early and their influence on the measurement accuracy can be excluded.
  • the differential pressure sensor according to the invention has a highly symmetrical structure.
  • it preferably consists of two completely identical sections 1a / 1b and is as symmetrical as possible with regard to the arrangement of the components of the sensor elements R, R 'and E, E'.
  • the static pressure refers to a reference or output pressure acting equally on both measuring membranes 5a / 5b, to which the pressure difference to be measured is superimposed.
  • the static pressure thus corresponds to the lower of the two pressures p1, p2, the difference of which is to be measured. Due to the highly symmetrical structure caused by the static pressure mechanical stresses are largely avoided.
  • first electrodes E1 and EV Measuring diaphragm 5a arranged first electrodes E1 and EV equal in shape and symmetrical to the central axis A-A 'on opposite sides of the spacer 7 is arranged.
  • the second electrodes E2 and E2 'arranged on the second measuring diaphragm 5b are arranged with the same shape and symmetrical to the central axis A-A' on opposite sides of the spacer 7.
  • first and second electrodes E1, EV and E2, E2 ' have the same shape and each first electrode E1, EV is assigned a shape-identical second electrode E2, E2', which is arranged parallel to the associated first electrode E1, EV this immediately opposite ,
  • This high degree of symmetry is preferably also with respect to the Arrangement of the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 of the piezoresistive sensor elements R, R 'complied with.
  • the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 or R21, R22, R23, R24 of each piezoresistive sensor element R or R ' are preferably arranged in a line symmetrical to the central axis BB' on both sides of the spacer 7.
  • the linearity error denotes a measure of the deviation of the differential pressures measured with the individual sensor elements R, R ', E, E' from their ideal linear dependence on the differential pressure.
  • Another advantage is that the piezoresistive elements R11, R12, R13 and R14 of the piezoresistive sensor R with respect to each in the same position oppositely disposed piezoresistive elements R21, R22, R23 and R24 of the piezoresistive sensor R 'in each case with the opposite sign behavior.
  • a differential pressure acting on the differential pressure sensor which causes an expansion of the piezoresistive elements R11, R12, R13 and R14 of the piezoresistive sensor R, causes a compression of the oppositely arranged piezoresistive elements R21, R22, R23 and R24 of the piezoresistive sensor R ', and vice versa.
  • the symmetrical structure causes an opposing movement of the electrodes E1, E2 and EV, E2 'at an acting differential pressure.
  • a differential pressure causes either a parallel displacement of the electrode pairs, in which first electrodes E1, EV are displaced outwards relative to the opposing second electrodes E2, E2 ', or a parallel displacement, in which the second electrodes E2, E2 'are shifted outward with respect to the opposing first electrodes E1, EV.
  • This opposite behavior can be exploited, for example, in the compensation of static pressure and / or temperature-dependent measurement errors. Likewise, this can compensate for measurement errors caused by asymmetries caused by manufacturing tolerances. The same applies to the linearity error of the individual capacitive sensor elements E, E '.
  • differential pressure sensor according to the invention can be formed as a microelectromechanical system (MEMS) based on silicon, which can be produced by standard methods known from semiconductor technology. As a result, a cost-effective production of the differential pressure sensor according to the invention is possible.
  • MEMS microelectromechanical system
  • BESOI wafers bonded and etched silicon on insulator
  • BESOI wafers are manufactured using silicon direct bonding.
  • two oxidized silicon wafers are aligned against each other and bonded under pressure and high temperature. This results in a three-layered wafer, in which there is an oxide layer between two silicon layers.
  • the buried oxide layer known as BOX (buried oxide layer) has a thickness of a few nm to a few ⁇ m. This composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side later forms the active layer.
  • the active layer may be a few microns thick and is known in the English speaking art e.g. referred to as device wafer or as silicone overlayer (SOL).
  • SOL silicone overlayer
  • BESOI wafers for the production of pressure sensors are stacked.
  • BOX buried oxide layer
  • Such a method is, for example, in the article published in 2000 in the Journal of Micromechanical Engineering, Volume 10, pages 204 to 208: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', by A. Merlos, J. Santander , MD Alvares and F. Campabadal.
  • Differential pressure sensors are also preferably each made of a BESOI wafer, which has a first silicon layer 9, a thinner second silicon layer 11 and an oxide layer 13 arranged between the first and the second silicon layer 9, 11.
  • the oxide layer 13 preferably has a thickness of at least 1 ⁇ m.
  • the carriers 3a and 3b, respectively, with the measuring membranes 5a and 5b disposed thereon are each made from a BESOI wafer.
  • the section 1a / 1b has a recess 15 in the first silicon layer 9, which is surrounded on the outside by a part of the first silicon layer 9 forming the respective carrier 3a / 3b, and via which a region of the BESOI wafer forming the respective measuring membrane 5a / 5b is released.
  • the recess 15 preferably has an inner lateral surface 17, which tapers conically in the direction of the oxide layer 13. This shape offers the advantage of increased mechanical stability of the differential pressure sensor.
  • 5 shows the BESOI wafer with the recess 15.
  • the recess 15 is produced, for example, by means of an etching process.
  • Recess 19 is provided, through which the oxide layer 13 is exposed to an outer edge 21 and a region 23 in the middle of the oxide layer 13.
  • the recess 19 is produced, for example, by an etching process with which the silicon present in the region of the recess 19 is removed.
  • the buried oxide layer is used for this purpose 13 as an etch stop.
  • a KOH etching solution is used, since this has a very different selectivity between silicon and silicon dioxide.
  • At least portions of the remaining outer edge 21 of the second silicon layer 11 form part of the mechanical connection P.
  • the remaining in the middle region 23 of the second silicon layer 11 forms a part of the spacer. 7
  • a piezoresistive sensor element in the illustrated embodiment, the two piezoresistive sensor elements R and R ', on the respective exposed oxide layer 13, as shown in Fig. 7, arranged on at least one of the two BESOI wafer.
  • the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 consist for example of poly-silicon, silicon carbide (SiC) or diamond-like carbon (DLC).
  • the oxide layer 13 forms an insulating layer between the piezoresistive elements and the underlying first silicon layer 9.
  • This insulating layer causes the differential pressure sensor can be used even at relatively high temperatures of up to 350 ° C, since even at these high temperatures by insulation layer sufficient insulation the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 is guaranteed. Without the oxide layer 13 serving as the insulating layer, a pn junction would exist in the region of the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 or R21, R22, R23, R24, which would effect a sufficient insulation only at significantly lower temperatures.
  • the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 can of course also be produced in other ways known from semiconductor technology.
  • At least one electrode is applied to the exposed oxide layer 13 of each section 1a, 1b.
  • the oxide layer 13 serves again as an insulating layer, which causes an electrical insulation of the electrodes E1, E1 ⁇ E2, E2 'relative to the respective measuring membrane 5a, 5b.
  • the two sections 1a and 1a are firmly connected to each other by the two BESOI wafers are firmly connected to each other via a bonding material serving as connecting surfaces P1, P2, P3, P4 Operabzz the outer edges 21 of the second silicon layers 11 and is applied to the area remaining in the middle areas 23 of the second silicon layers 11 surface.
  • the first and second electrodes E1, E1 '; E2, E2 'of the same material which is also used as a connecting material.
  • the bonding material is also gold, which is applied with a layer thickness of at least 500 nm.
  • the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 or R21, R22, R23, R24 of the piezoresistive sensor elements R and R ' provided conductor tracks L and the connecting lines KE1, KE2 and KE1', KE2 'for the capacitive sensor elements E, E' and the connecting lines KR1, KR2, KR3, KR4, KR1 ', KR2', KR3 ', KR4' for the piezoresistive sensor elements R, R 'of the same Werststoff, preferably also for the electrodes E, E ' and the mechanical connection P is used.
  • a joining material G is applied to the central portion 23 of the second silicon layer 11 of each measuring membrane 5a, 5b.
  • a joining material G is applied to the central portion 23 of the second silicon layer 11 of each measuring membrane 5a, 5b.
  • a gold layer with a thickness of 500 nm used that is also used for the mechanical connection P.
  • connection surfaces P1, P2, P3, P4 on the outer edges 21 is selectable.
  • the connecting surfaces P1, P2, P3, P4 are arranged in the same shape and symmetrically on the respective outer edge 21 of the respective second silicon view 11. This has an advantageous effect on the linearity of the achievable measurement results.
  • the four connecting surfaces P1, P2, P3, P4 are provided, which, as seen from the views of the inner sides of the first and second measuring diaphragm 5a, 5b shown in Figures 3 and 4, in the four corners of the respective sections 1a, 1b are applied to the outer edge 23.
  • the connecting surface P1 is on the upper right, the connecting surface P2 on the upper left, the connecting surface P3 on the lower right and the connecting surface P4 on the lower left on the second Measuring diaphragm 5b is located.
  • the two sections 1a and 1b are brought together so that the applied on the first measuring diaphragm 5a connecting surfaces P1, P2, P3 and P4 on the same name on the second measuring diaphragm 5b applied connecting surfaces P1, P2, P3 lie flat and the connecting surfaces G of the elements 7a and 7b of the spacer 7 are superimposed.
  • the mechanical connection P the two sections 1a, 1b is then preferably by bonding. In this case, the sections 1a, 1b are pressed together under forces in effect and exposed to a temperature of about 400 ° C to 420 ° C.
  • connection surfaces P1, P2, P3, P4 and G are formed.
  • the differential pressure sensor formed in this way is stored for several hours at this high temperature. This leads to an additional diffusion of gold into the silicon, so that a very strong mechanical connection is formed.
  • Sensor elements E, E 'and KR1, KR2, KR3, KR4, KRf, KRZ, KR3' and KR4 'for the piezoresistive sensor elements R, R', which are applied to the inner sides of the respective measuring membranes 5a, 5b, are centered between each two the connection surfaces P1, P2, P3 and P4 outwardly guided out of the differential pressure sensor, and each end have a widened portion disposed on the respective outer edge 21 of the second silicon layer 11, which serves as a contact surface.
  • Each individual contact surface is assigned to the respective opposite measuring membrane 5a, 5b an identical identical shape consisting of the same material counter surface GR1, GR2, GR3, GR4, GR1 ', GR2', GR3 ', GR4 ⁇ GE1, GE2, GE1 ⁇ GE2', each connected exclusively with the respectively associated contact surface of the connecting lines KE1, KE2, KEV KE2 'KR1, KR2, KR3, KR4, KRV, KR2', KR3 'KR4', but not with the sensor elements R, R ', E, E' is.
  • This connection takes place at the same time and in the same way as the connection of the connecting surfaces P1, P2, P3, P4 and G.
  • the contacts formed in this way are electrically, thermally and mechanically stable, since only firmly defined proportions of gold and silicon in enter into the eutectic connection.
  • the differential pressure sensor according to the invention is extremely stable due to the highly symmetrical double membrane and thus also suitable for the measurement of very high differential pressures.
  • the double membrane construction according to the invention offers the advantage that the sensitive capacitive and piezoresistive sensor elements R, R ', E, E' are protected against external influences inside the differential pressure sensor.
  • This makes it possible to use the differential pressure sensor directly, without having to be connected upstream of diaphragm seal.
  • the measuring membranes 5a, 5b can be exposed directly to the media whose pressure difference is to be measured.
  • the disadvantages associated with the use of upstream diaphragm seals typically filled with oil as a pressure transmission medium, such as e.g. the temperature dependence of the pressure transmission avoided.
  • the differential pressure sensor according to the invention can of course also be used in conjunction with upstream diaphragm seals.
  • Fig. 9 shows an embodiment thereof.
  • the differential pressure sensor according to the invention is inserted into a measuring unit 25.
  • the measuring unit 25 comprises a first, the first measuring diaphragm 5a upstream of a pressure transmitter 27a and an identical second measuring diaphragm 5b upstream second pressure transmitter 27b.
  • the pressure averagers 27a and 27b each comprise a pressure-receiving chamber 31a, 31b which is closed off from a separating diaphragm 29a, 29b and which is connected via a pressure transmission line 33a, 33b to a pressure measuring chamber 35a, 35b adjacent to the respective measuring diaphragm 5a, 5b from the respective carrier 3a, 3b limited recess 15 is formed.
  • the Druckempfangskammem 31a, 31b, the pressure transmission lines 33a, 33b and the pressure measuring chambers 35a, 35b are filled with a pressure-transmitting liquid, which preferably has a low coefficient of thermal expansion, and is as incompressible. For this purpose, e.g. a silicone oil.
  • the measuring unit 25 further comprises a measuring mechanism housing 37 in the Differential pressure sensor and the pressure averagers 27a, 27b, leaving the separation membranes 29a, 29b are used.
  • a bore 39 is provided in the measuring mechanism housing 37, via which there is a gas-permeable connection between the interior of the measuring mechanism housing 37 and the environment.
  • the interior is preferably protected by a bore 39 to the outside covering splash water protection 41 and / or a filter inserted into the bore 39 43 from penetrating moisture and from penetrating particles.
  • the first separation membrane 29a is supplied with the first pressure p1 and the second separation membrane 29b with the second pressure p2.
  • the pressures p1 and p2 are transmitted through the diaphragm seals 27a and 27b to the measuring diaphragms 5a, 5b, which thereby experience a deflection dependent on the differential pressure, which is detected by means of the differential pressure sensor.

Abstract

The invention relates to a differential pressure sensor, comprising a first measuring diaphragm (5a), arranged on a first support (3a), on the exterior of which facing the support (3a) a first pressure (p1) acts, on the interior of which facing away from the first support (3a) at least one electrode (E1, E1') and at least one piezoresistive sensor element (R) for detecting a differential pressure-dependent deflection of the first measuring diaphragm (5a) are arranged, a second measuring diaphragm (5b), arranged on a second support (3b), which extends in parallel to the first measuring diaphragm (5a), on the exterior of which facing the support (3b) a second pressure (p2) acts, on the interior of which facing away from the second support (3b) at least one second electrode (E2, E2') is arranged which together with a dedicated first electrode (E1, E1') arranged on the first measuring diaphragm (5a) forms a capacitative sensor element, the first and the second measuring diaphragm (5a, 5b) being arranged in parallel and being firmly interconnected via a mechanical connection (P) that connects an outer edge (21) of the interior of the first measuring diaphragm (5a) to an outer edge (21) of the interior of the second measuring diaphragm (5b) and a spacer (7) of the same height connected to the diaphragm centers of the two measuring diaphragms (5a, 5b).

Description

Beschreibung description
DifferenzdrucksensorDifferential Pressure Sensor
[0001] Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor.The invention relates to a differential pressure sensor.
[0002] Differenzdrucksensoren dienen zur Erfassung einer Druckdifferenz zwischen zwei auf den Differenzdrucksensor einwirkenden Drücken und werden beispielsweise in Differenzdruckmessgeräten eingesetzt, die in der industriellen Messtechnik verwendeten werden.Differential pressure sensors are used to detect a pressure difference between two pressures acting on the differential pressure sensor and are used for example in differential pressure gauges that are used in industrial metrology.
[0003] In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren, z.B. Siliziumsensoren eingesetzt. Es sind verschiedene Arten von Halbleiter-Sensoren auf dem Markt, die in der Regel nach dem verwendeten Messprinzip unterschieden werden. Die beiden gängigsten Sensortypen sind kapazitive und piezoresistive Differenzdrucksensoren.In pressure measurement technology, so-called semiconductor sensors, e.g. Silicon sensors used. There are various types of semiconductor sensors on the market, which are usually distinguished by the measuring principle used. The two most common sensor types are capacitive and piezoresistive differential pressure sensors.
[0004] Piezoresistive Differenzdrucksensoren weisen piezoresistive Elemente auf, deren Widerstand sich in Abhängigkeit von einem darauf einwirkenden Druck bzw. einer mechanischen Spannung, der sie ausgesetzt sind, verändert. Die piezoresisitiven Elemente werden üblicher Weise zu einer Brückenschaltung, insb. einer Wheatstone-Brücke, zusammengeschaltet und auf einer Messmembran angeordnet, die dem zu messenden Differenzdruck ausgesetzt wird. Eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung der Messmembran wird mittels der piezoresistiven Elemente erfasst und in ein vom Differenzdruck abhängiges elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.Piezoresistive differential pressure sensors have piezoresistive elements whose resistance changes as a function of a pressure acting thereon or a mechanical stress to which they are exposed. The piezoresistive elements are usually connected together to form a bridge circuit, in particular a Wheatstone bridge, and arranged on a measuring diaphragm, which is exposed to the differential pressure to be measured. A differential pressure-dependent deflection of the measuring diaphragm is detected by means of the piezoresistive elements and converted into an electrical output signal dependent on the differential pressure.
[0005] Kapazitive Drucksensoren enthalten mindestens einen durch zwei einander gegenüberliegend angeordnete Elektroden gebildeten Kondensator. Typischer Weise sind die Elektroden auf den Innenseiten von zwei parallel zueinander angeordneten Membranen angeordnet. Im Messbetrieb wirkt auf die Außenseite der ersten Membran ein erster Druck und auf die Außenseite der zweiten Membran ein zweiter Druck ein. Die Drücke bewirken eine Auslenkung der Membranen und damit eine vom Differenzdruck abhängige Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Elektroden. Diese Abstandsänderung bewirkt eine vom Differenzdruck abhängige Änderung der Kapazität des Kondensators. Die Kapazität wird mittels einer Kapazitätsmessschaltung erfasst und in ein vom Differenzdruck abhängiges elektrisches Ausgangssignal umgewandelt.Capacitive pressure sensors contain at least one capacitor formed by two oppositely arranged electrodes. Typically, the electrodes are arranged on the inner sides of two mutually parallel membranes. In measuring mode, a first pressure acts on the outside of the first diaphragm and a second pressure on the outside of the second diaphragm. The pressures cause a deflection of the membranes and thus a differential pressure dependent change in the distance between the two electrodes. This change in distance causes a differential pressure dependent change in the capacitance of the capacitor. The capacity is detected by means of a capacitance measuring circuit and in a converted by the differential pressure dependent electrical output signal.
[0006] In vielen Anwendungen werden sehr hohe Anforderungen anIn many applications very high demands
Differenzdrucksensoren gestellt. Sie sollen insb. eine sehr hohe Messgenauigkeit und eine geringe Fehleranfälligkeit aufweisen.Differential pressure sensors provided. They should esp. Have a very high accuracy and a low susceptibility to errors.
[0007] Diesen Anforderungen kann beispielsweise durch die Verwendung redundanter Messeinrichtungen begegnet werden. Redundante Messeinrichtungen bieten den Vorteil, dass zwei unabhängig voneinander gewonnene Messsignale für die Ableitung der zu messenden Größe zur Verfügung stehen. Hierdurch ist es zum einen möglich durch äußere Einflüsse, wie z.B. Temperatur, Feuchte oder statischen Druck, verursachte Messfehler besser zu kompensieren, zum anderen besteht die Möglichkeit, dasjenige Messsignal auszuwählen, das unter den gegebenen Einsatzbedingungen besser geeignet ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Messbetrieb auch dann noch aufrecht erhalten werden kann, wenn eine der beiden Messeinrichtungen ausfällt.These requirements can be met for example by the use of redundant measuring devices. Redundant measuring devices offer the advantage that two independently obtained measuring signals are available for the derivation of the quantity to be measured. This makes it possible on the one hand by external influences, such as. Temperature, humidity or static pressure, better compensated for measuring errors, on the other hand, it is possible to select that measurement signal that is more suitable under the given conditions of use. Another advantage is that the measuring operation can still be maintained even if one of the two measuring devices fails.
[0008] Bei konventionellen piezoresistiven Siliziumdifferenzdrucksensoren werden heute bereits zwei Varianten mit redundanter Messtechnik verwendet. Die eine Variante besteht darin, zwei oder mehr unabhängige piezoresistive Messbrücken auf einer Messmembran anzuordnen. Diese Variante weist jedoch den Nachteil auf, dass bei einem Bruch der Messmembran beide Messbrücken ausfallen. Die zweite Variante besteht darin, zwei unabhängige Messmembranen mit darauf angeordneten piezoresistiven Messbrücken in einem Messwerk anzuordnen. Diese Variante erfordert jedoch einen in der Regel sehr komplizierten und damit kostenintensiven Aufbau des Messwerks.In conventional piezoresistive silicon differential pressure sensors, two variants with redundant measurement technology are already used today. One variant consists of arranging two or more independent piezoresistive measuring bridges on a measuring membrane. However, this variant has the disadvantage that fail in a fraction of the measuring diaphragm both bridges. The second variant consists in arranging two independent measuring membranes with piezoresistive measuring bridges arranged in a measuring mechanism. However, this variant requires a usually very complicated and therefore expensive construction of the measuring unit.
[0009] Ein Beispiel für einen mikromechanischen kapazitivenAn example of a micromechanical capacitive
Silizium-Differenzdrucksensor ist in der EP 0 896 658 B1 beschrieben. Dieser Differenzdrucksensor umfasst eine Grundplatte und zwei zu beiden Seiten der Grundplatte parallel zur Grundplatte angeordnete von der Grundplatte beabstandete Membranplatten. Die Membranplatten sind durch mindestens ein Koppelelement kraftmäßig derart miteinander verbunden, dass eine Druckdifferenz zwischen außenseitig an den Membranplatten anliegenden Drücken zu einer Bewegung der Membranplatten führt, die eine Änderung des Abstandes zwischen den Membranplatten und der zwischen den Membranplatten angeordneten Grundplatte bewirkt. Diese Änderung wird mittels kapazitiver Sensorelemente erfasst, und in ein vom Differenzdruck abhängiges elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Die kapazitiven Sensorelemente umfassen jeweils mindestens eine auf der Grundplatte angeordnete Elektrode und eine zugehörige auf der Innenseite der jeweiligen Membranplatte gegenüberliegend angeordnete Gegenelektrode.Silicon differential pressure sensor is described in EP 0 896 658 B1. This differential pressure sensor comprises a base plate and two membrane plates arranged on both sides of the base plate parallel to the base plate and spaced from the base plate. The membrane plates are connected by at least one coupling element in terms of force such that a pressure difference between the outside of the Membrane plates adjacent pressures leads to a movement of the membrane plates, which causes a change in the distance between the membrane plates and arranged between the membrane plates base plate. This change is detected by means of capacitive sensor elements, and converted into a dependent of the differential pressure electrical output signal. The capacitive sensor elements each comprise at least one electrode arranged on the base plate and an associated counterelectrode arranged opposite one another on the inside of the respective membrane plate.
[0010] Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Differenzdrucksensor anzugeben, der ein hohes Maß an Messsicherheit bietet.It is an object of the invention to provide a differential pressure sensor which offers a high degree of measurement reliability.
[0011] Hierzu besteht die Erfindung in einem Differenzdrucksensor mit einer auf einem ersten Träger angeordneten ersten Messmembran, auf deren dem Träger zugewandten Außenseite im Messbetrieb ein erster Druck einwirkt, auf deren vom ersten Träger abgewandten Innenseite mindestens eine erste Elektrode und mindestens ein piezoresistives Sensorelement zur Erfassung einer vom Differenzdruck abhängigen Auslenkung der erstenFor this purpose, the invention consists in a differential pressure sensor with a arranged on a first carrier first measuring diaphragm, on the outer side facing the carrier during measurement operation, a first pressure acts on the side facing away from the first carrier inside at least a first electrode and at least one piezoresistive sensor element Detection of a differential pressure-dependent deflection of the first
Messmembran angeordnet sind, einer auf einem zweiten Träger angeordneten zweiten Messmembran, die parallel zur ersten Messmembran verläuft, auf deren dem Träger zugewandten Außenseite im Messbetrieb ein zweiter Druck einwirkt, auf deren vom zweiten Träger abgewandten Innenseite mindestens eine zweite Elektrode angeordnet ist, die zusammen mit einer zugeordneten auf der ersten Messmembran angeordneten ersten Elektrode ein kapazitives Sensorelement zur Erfassung eines zwischen dem ersten und dem zweiten Druck bestehenden Differenzdrucks bildet, bei dem die erste und die zweite Messmembran über eine einen äußeren Rand der Innenseite der ersten Messmembran mit einem äußeren Rand der Innenseite der zweiten Messmembran verbindende mechanische Verbindung und einen mit den Membranmitten der beiden Messmembranen verbundenen Abstandshalter gleicher Bauhöhe parallel zueinander angeordnet sind und miteinander fest verbunden sind.Measuring diaphragm are arranged, arranged on a second carrier second measuring diaphragm which extends parallel to the first measuring diaphragm, acting on the outside of the carrier during measurement a second pressure acting on the side facing away from the second carrier inside at least one second electrode is arranged, which together with an associated arranged on the first measuring membrane first electrode forms a capacitive sensor element for detecting a present between the first and the second pressure differential pressure, wherein the first and the second measuring membrane via an outer edge of the inside of the first measuring membrane with a outer edge of the inside of the second measuring membrane connecting mechanical connection and connected to the membrane centers of the two measuring membranes spacers of the same height are arranged parallel to each other and are firmly connected.
[0012] Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Innenseite der zweitenAccording to a development is on the inside of the second
Messmembran mindestens ein weiteres piezoresistives Sensorelement zur Erfassung einer vom Differenzdruck abhängigen Auslenkung der zweiten Messmembran angeordnet.Measuring diaphragm at least one further piezoresistive sensor element for detecting a differential pressure dependent deflection of the second diaphragm arranged.
[0013] Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind[0013] According to a further development
- auf der ersten Messmembran zwei formgleiche erste Elektroden vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters angeordnet sind,- Provided on the first measuring diaphragm two identical first electrodes, which are arranged on opposite sides of the spacer,
- auf der zweiten Messmembran zwei formgleiche zweite Elektroden vorgesehen, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters angeordnet sind, und- Provided on the second measuring diaphragm two identical-shaped second electrodes, which are arranged on opposite sides of the spacer, and
- jeder ersten Elektroden ist eine formgleiche zweite Elektrode zugeordnet, die parallel zu der zugeordneten ersten Elektrode dieser unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.- Each first electrode is associated with a same shape of the second electrode, which is arranged parallel to the associated first electrode of this directly opposite one another.
[0014] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht jedes piezoresistive Sensorelement aus mehreren piezoresistiven Elementen, die zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossen sind.According to a preferred embodiment, each piezoresistive sensor element consists of several piezoresistive elements, which are joined together to form a resistance bridge.
[0015] Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung sind die piezoresistiven Elemente eines Sensorelementes in einer Linie symmetrisch zu beiden Seiten des Abstandshalters angeordnet.According to one embodiment of this embodiment, the piezoresistive elements of a sensor element are arranged in a line symmetrical to both sides of the spacer.
[0016] Gemäß einer weiteren Weiterbildung besteht der Differenzdrucksensor aus zwei identischen Teilstücken, die miteinander über die mechanische Verbindung und den Abstandshalter verbunden sind, wobei die mechanische Verbindung und der Abstandshalter jeweils aus zwei formgleichen Elementen zusammengesetzt sind, von denen eines Bestandteil des ersten Teilstücks und eines Bestandteil des zweiten Teilstücks ist und die miteinander fest verbunden sind.According to a further development of the differential pressure sensor consists of two identical sections, which are connected to each other via the mechanical connection and the spacer, wherein the mechanical connection and the spacer are each composed of two identical elements, one of which is part of the first section and is a part of the second part and which are firmly connected to each other.
[0017] Gemäß einer weiteren Weiterbildung bestehen die Träger mit den darauf angeordneten Messmembranen jeweils aus einem BESOI Wafer, der eine erste Siliziumschicht, eine dünnere zweite Siliziumschicht und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht aufweist, bei demAccording to a further development, the carrier with the measuring membranes arranged thereon each consist of a BESOI wafer, the one first silicon layer, a thinner second silicon layer and an oxide layer disposed therebetween, in which
- in der ersten Siliziumschicht eine Ausnehmung vorgesehen ist, die außenseitlich von einem den jeweiligen Träger bildenden Teil der ersten Siliziumschicht umgeben ist, und über die ein die jeweilige Messmembran bildender Bereich des BESOI Wafers frei gelegt ist,a recess is provided in the first silicon layer which is surrounded on the outside by a part of the first silicon layer forming the respective carrier, and over which a region of the BESOI wafer forming the respective measuring diaphragm is exposed,
- in der zweiten Siliziumschicht eine Ausnehmung vorgesehen ist, durch die die Oxidschicht bis auf einen äußeren Rand und einen Bereich in der Mitte der Oxidschicht freigelegt ist, wobei zumindest Teilbereiche des verbleibenden äußeren Randes der zweiten Siliziumschicht Bestandteil der mechanischen Verbindung sind und der in der Mitte verbleibende- In the second silicon layer, a recess is provided, through which the oxide layer is exposed to an outer edge and a region in the middle of the oxide layer, wherein at least portions of the remaining outer edge of the second silicon layer are part of the mechanical connection and in the middle remaining
Bereich der zweiten Siliziumschicht einen Teil des Abstandshalters bildet,Portion of the second silicon layer forms a part of the spacer,
- mindestens eine Elektrode auf der freigelegten Oxidschicht aufgebracht ist,at least one electrode is applied to the exposed oxide layer,
- auf mindestens einem der beiden BESOI Wafer ein piezoresisitives Sensorelement auf der freigelegten Oxidschicht angeordnet ist, undon at least one of the two BESOI wafers a piezoresistive sensor element is arranged on the exposed oxide layer, and
- die beiden BESOI Wafer miteinander über ein- the two BESOI wafers together over one
Verbindungsmaterial fest verbunden sind, das auf als Verbindungsflächen dienenden Teilbreichen der äußeren Ränder der zweiten Siliziumschichten und auf den in der Mitte verbliebenen Bereichen der zweiten Siliziumschichten flächig aufgebracht ist.Bonding material are firmly attached, which is applied to serving as connecting surfaces Teilbreichen the outer edges of the second silicon layers and on the remaining areas in the middle of the second silicon layers.
[0018] Gemäß einer Weiterbildung sind die Verbindungsflächen formgleich und symmetrisch auf dem jeweiligen äußeren Rand der jeweiligen zweiten Siliziumsicht angeordnet.According to a further development, the connecting surfaces are arranged with the same shape and symmetrically on the respective outer edge of the respective second silicon view.
[0019] Gemäß einer Weiterbildung bestehen die ersten und die zweitenAccording to a development, the first and second exist
Elektroden aus dem gleichen Werkstoff, insb. aus Gold, der auch als Verbindungsmaterial verwendet wird.Electrodes of the same material, esp. Of gold, which is also used as a connecting material.
[0020] Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind Anschlussleitungen für die kapazitiven und die piezoresisitiven Sensorelemente auf die Innenseiten der beiden Messmembranen aufgebracht, und zwischen den Verbindungsflächen aus dem Differenzdrucksensor heraus geführt. [0021] Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor bietet den Vorteil, dass er mindestens zwei voneinander unabhängige Sensorelemente zur Erfassung des Differenzdrucks aufweist. Damit ist auch bei einem Ausfall eines Sensorelements durch die verbleibenden davon unabhängigen Sensorelemente eine zuverlässige Messung gewährleistet, und damit ein hohes Maß an Messsicherheit gewährleistet.According to a further development connecting lines for the capacitive and the piezoresistive sensor elements are applied to the inner sides of the two measuring membranes, and guided out between the connecting surfaces of the differential pressure sensor. The differential pressure sensor according to the invention has the advantage that it has at least two mutually independent sensor elements for detecting the differential pressure. This ensures a reliable measurement even in case of failure of a sensor element by the remaining independent thereof sensor elements, and thus ensures a high degree of measurement security.
[0022] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mindestens zwei unabhängigeAnother advantage is that at least two independent
Messsignale zur Verfügung stehen, die eine optimale Kompensation von äußeren Einflüssen, wie z.B. der Temperatur, Feuchtigkeit oder einem statischen Druck, abhängige Messfehlern erlauben. Entsprechend ist mit dem erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielbar.Measuring signals are available, the optimal compensation of external influences, such. temperature, humidity or static pressure, allow for dependent measurement errors. Accordingly, a very high measuring accuracy can be achieved with the differential pressure sensor according to the invention.
[0023] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäßeAnother advantage is that the inventive
Differenzdrucksensor mindestens ein kapazitives Sensorelement und mindestens ein piezoresistives Sensorelement aufweist. Hierdurch können die Vorzüge beider Messprinzipien ausgenutzt werden. Damit erhöht sich die erzielbare Messgenauigkeit und der Anwendungsbereich, in dem der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor, einsetzbar ist, wird erweitert.Differential pressure sensor has at least one capacitive sensor element and at least one piezoresistive sensor element. As a result, the advantages of both measuring principles can be exploited. This increases the achievable measurement accuracy and the field of application in which the differential pressure sensor according to the invention can be used is expanded.
[0024] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors besteht darin, dass der Differenzdrucksensor ein mikroelektromechanisches System auf Siliziumbasis ist, das mit heute in der Halbleitertechnologie üblichen Standard-Verfahren herstellbar ist.Another advantage of the differential pressure sensor according to the invention is that the differential pressure sensor is a microelectromechanical system based on silicon, which can be produced with standard methods currently used in semiconductor technology.
[0025] Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.
[0026] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor entlang einer entlang einer eine erste Zentralachse A-A' des Differenzdrucksensors enthaltenden Schnittebene;Fig. 1 shows a section through a differential pressure sensor according to the invention along a cutting plane containing a first central axis A-A 'of the differential pressure sensor;
[0027] Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßenFig. 2 shows a section through the invention
Differenzdrucksensor entlang einer eine zweite Zentralachse B-B' enthaltenden Schnittebene des Differenzdrucksensors, die senkrecht gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schnittebene verläuft;Differential pressure sensor along a second central axis BB 'containing sectional plane of the differential pressure sensor, the vertical opposite to the sectional plane shown in Figure 1;
[0028] Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Innenseite der ersten Messmembran des Differenzdrucksensors von Fig. 1 und 2;Fig. 3 shows a view of the inside of the first measuring diaphragm of the differential pressure sensor of Fig. 1 and 2;
[0029] Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Innenseite der zweiten Messmembran des Differenzdrucksensors von Fig. 1 und 2;Fig. 4 is a view of the inside of the second measuring diaphragm of the differential pressure sensor of Figs. 1 and 2;
[0030] Fig. 5 zeigt einen BESOI Wafer eines Teilstücks desFIG. 5 shows a BESOI wafer of a portion of the FIG
Differenzdrucksensors mit einer dessen Messmembran freilegenden Ausnehmung in dessen ersten Siliziumschicht;Differential pressure sensor with a measuring membrane exposing recess in the first silicon layer;
[0031] Fig. 6 zeigt den BESOI Wafer von Fig. 5 mit einer Ausnehmung in dessen zweiten Siliziumschicht;FIG. 6 shows the BESOI wafer of FIG. 5 with a recess in its second silicon layer; FIG.
[0032] Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch ein Teilstück des Differenzdrucksensors in der in Fig. 1 dargestellten Schnittebene;Fig. 7 shows a section through a portion of the differential pressure sensor in the sectional plane shown in Fig. 1;
[0033] Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch ein Teilstück des Differenzdrucksensors in der in Fig. 2 dargestellten Schnittebene; undFIG. 8 shows a section through a section of the differential pressure sensor in the sectional plane shown in FIG. 2; FIG. and
[0034] Fig. 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor, bei dem der ersten und der zweiten Messmembran jeweils ein Druckmittler vorgeschaltet ist.Fig. 9 shows a differential pressure sensor according to the invention, in which the first and the second measuring diaphragm in each case a pressure transmitter is connected upstream.
[0035] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßenFig. 1 shows a section through an inventive
Differenzdrucksensor entlang einer eine erste Zentralachse A-A' des Differenzdrucksensors enthaltenden Schnittebene. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor entlang einer eine zweite Zentralachse B-B' des Differenzdrucksensors enthaltenden Schnittebene, die senkrecht gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Schnittebene verläuft. Die Zentralachsen A-A' und B-B' verlaufen senkrecht zueinander und kreuzen sich in der Mitte des Differenzdrucksensors.Differential pressure sensor along a first central axis A-A 'of the differential pressure sensor containing cutting plane. FIG. 2 shows a section through the differential pressure sensor according to the invention along a sectional plane containing a second central axis B-B 'of the differential pressure sensor, which is perpendicular to the sectional plane shown in FIG. The central axes A-A 'and B-B' are perpendicular to each other and intersect at the center of the differential pressure sensor.
[0036] Der Differenzdrucksensor besteht aus zwei vorzugsweise identischen miteinander verbunden Teilstücken 1a, 1 b. Das erste Teilstück 1a umfasst eine auf einem ersten Träger 3a angeordnete erste Messmembran 5a und das zweite Teilstück 1 b eine auf einem zweiten Träger 3b angeordnete zweite Messmembran 5b. Die Teilstücke 1a, 1b sind miteinander derart verbunden, dass die beiden Messmembranen 5a, 5b parallel zueinander voneinander beabstandet angeordnet sind. Im Messbetrieb wirkt auf eine dem ersten Träger 3a zugewandte Außenseite der ersten Messmembran 5a ein erster Druck p1 und auf eine dem zweiten Träger 3b zugewandte Außenseite der zweiten Messmembran 3b ein zweiter Druck p2 ein.The differential pressure sensor consists of two preferably identical interconnected sections 1a, 1b. The first section 1a comprises a first measuring diaphragm 5a arranged on a first carrier 3a and the second section 1b a second measuring diaphragm 5b arranged on a second carrier 3b. The sections 1a, 1b are connected to one another such that the two measuring membranes 5a, 5b are arranged parallel to one another and spaced apart from one another. In measuring mode acts on one A first pressure p1 is applied to the outside of the first measuring diaphragm 5a facing the first carrier 3a and a second pressure p2 to an outside of the second measuring diaphragm 3b facing the second carrier 3b.
[0037] Auf einer vom ersten Träger 3a abgewandten Innenseite der erstenOn a side facing away from the first carrier 3a inside of the first
Messmembran 5a ist mindestens eine erste Elektrode E1 und mindestens ein piezoresistives Sensorelement R angeordnet. Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Innenseite der ersten Messmembran 5a.Measuring diaphragm 5a, at least one first electrode E1 and at least one piezoresistive sensor element R is arranged. 3 shows a view of the inside of the first measuring diaphragm 5a.
[0038] In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei formgleiche rechteckige Elektroden E1 und EV vorgesehen, die symmetrisch zu beiden Seiten der durch die Messmembranmitte führenden Zentralachse A-A' angeordnet sind. Die Zentralachse A-A' liegt mittig in der Schnittebene des in Fig. 1 dargestellten Schnitts.In the exemplary embodiment illustrated here, two rectangular electrodes E1 and EV of the same shape are provided, which are arranged symmetrically on both sides of the central axis A-A 'passing through the middle of the measuring diaphragm. The central axis A-A 'lies centrally in the sectional plane of the section shown in FIG.
[0039] Das piezoresistive Sensorelement R umfasst mindestens ein auf der ersten Messmembran 5a aufgebrachtes piezoresistives Element R11 , R12, R13, R14 und dient dazu, eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung der ersten Messmembran 5a zu erfassen. Vorzugsweise besteht das piezoresistive Sensorelement R aus mehreren piezoresistiven Elementen R11 , R12, R13, R14, die zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossen sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossene piezoresistive Elemente R11 , R12, R13, R14 vorgesehen. Der Zusammenschluss erfolgt über auf die Innenseite der ersten Messmembran 5a aufgebrachte Leiterbahnen L. Das piezoresisitive Sensorelement R ist über auf die erste Messmembran 5a aufgebrachte außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte Anschlussleitungen KR1 , KR2 und KR3, KR4 an eine in den Figuren 1 bis 4 nicht dargestellte Messschaltung angeschlossen, die ein dem Differenzdruck entsprechendes Messsignal ΔPR liefert.The piezoresistive sensor element R comprises at least one piezoresistive element R11, R12, R13, R14 applied to the first measuring diaphragm 5a and serves to detect a deflection of the first measuring diaphragm 5a which is dependent on the differential pressure. Preferably, the piezoresistive sensor element R consists of a plurality of piezoresistive elements R11, R12, R13, R14, which are connected together to form a resistance bridge. In the illustrated embodiment, four piezoresistive elements R11, R12, R13, R14, which are connected together to form a resistance bridge, are provided. The connection takes place via printed conductors L applied to the inside of the first measuring diaphragm 5a. The piezoresistive sensor element R is connected to a connecting lines KR1, KR2 and KR3, KR4 which are not shown in FIGS. 1 to 4 and are applied externally from the differential pressure sensor to the first measuring diaphragm 5a Connected measuring circuit which provides a differential pressure corresponding measurement signal .DELTA.PR.
[0040] Auf der vom zweiten Träger 3b abgewandten Innenseite der zweitenOn the side facing away from the second carrier 3b inside the second
Messmembran 5b ist mindestens eine zweite Elektrode E2 angeordnet. Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Innenseite der zweiten Messmembran 5b. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei formgleiche rechteckige Elektroden E2 und E2' vorgesehen, die symmetrisch zu beiden Seiten einer durch die Differenzdrucksensormitte geführten Zentralachse B-B' angeordnet sind. Die Zentralachse B-B' liegt mittig in der Schnittebene des in Fig. 2 dargestellten Schnitts und verläuft senkrecht zur Zentralachse A-A'.Measuring diaphragm 5b is arranged at least a second electrode E2. 4 shows a view of the inside of the second measuring diaphragm 5b. In the embodiment shown here, two identical rectangular electrodes E2 and E2 'are provided, which are symmetrical to both sides of a guided through the differential pressure sensor center central axis BB 'are arranged. The central axis BB 'is located centrally in the sectional plane of the section shown in Fig. 2 and is perpendicular to the central axis A-A'.
[0041] Die zweite Elektrode E2 bildet zusammen mit der ihr gegenüberliegenden formgleichen auf der ersten Messmembran 5a angeordneten ersten Elektrode E1 ein kapazitives Sensorelement E zur Erfassung eines zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1 , p2 bestehenden Differenzdrucks.The second electrode E2 forms, together with the same opposite the same form on the first measuring diaphragm 5a arranged first electrode E1 a capacitive sensor element E for detecting a between the first and the second pressure p1, p2 existing differential pressure.
[0042] Analog bildet die zweite Elektrode E2' zusammen mit der ihr gegenüberliegenden formgleichen auf der ersten Messmembran 5a angeordneten ersten Elektrode EV ein weiteres kapazitives Sensorelement E' zur Erfassung eines zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p1 , p2 bestehenden Differenzdrucks.Analogously, the second electrode E2 'forms, together with the first electrode EV disposed opposite the same shape on the first measuring diaphragm 5a, a further capacitive sensor element E' for detecting a differential pressure existing between the first and the second pressure p1, p2.
[0043] Alternativ zu den hier beschriebenen Elektroden E1 , E1 ' und E2, E2' können natürlich auch andere Elektrodenpaare eingesetzt werden, die sich von den hier beschriebenen durch deren Anzahl, deren Anordnung und deren Geometrie unterscheiden.As an alternative to the electrodes E1, E1 'and E2, E2' described here, it is of course also possible to use other electrode pairs which differ from those described here by their number, their arrangement and their geometry.
[0044] Vorzugsweise ist auf der Innenseite der zweiten Messmembran 5b mindestens ein weiteres piezoresistives Sensorelement R' zur Erfassung einer differenzdruck-abhängigen Auslenkung der zweiten Messmembran 5b angeordnet. Dieses weitere piezoresisitve Sensorelement R' ist vorzugsweise identisch zu dem auf der ersten Messmembran 5a angeordneten piezoresisitiven Sensorelement R aufgebaut. Hierzu umfasst es mindestens ein auf der zweiten Messmembran 5b aufgebrachtes piezoresistives Element R21 , R22, R23, R24. Vorzugsweise besteht es aus mehreren piezoresistiven Elementen R21 , R22, R23, R24, die über auf der zweiten Messmembran 5b aufgebrachte Leiterbahnen L zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossen sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier piezoresistive Elemente R21 , R22, R23, R24 vorgesehen, die zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossen sind. Das piezoresisitive Sensorelement R' ist über auf die zweite Messmembran 5b aufgebrachte außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte Anschlussleitungen KR1 ', KR2', KR3', KR4' an eine in den Figuren 1 bis 4 nicht dargestellte Messschaltung angeschlossen, die ein dem Differenzdruck entsprechendes Messsignal ΔPR' liefert.Preferably, at least one further piezoresistive sensor element R 'for detecting a differential pressure-dependent deflection of the second measuring diaphragm 5b is arranged on the inside of the second measuring diaphragm 5b. This further piezoresistive sensor element R 'is preferably constructed identically to the piezoresistive sensor element R arranged on the first measuring diaphragm 5a. For this purpose, it comprises at least one piezoresistive element R21, R22, R23, R24 applied to the second measuring membrane 5b. Preferably, it consists of a plurality of piezoresistive elements R21, R22, R23, R24, which are connected together via applied on the second measuring membrane 5b interconnects L to a resistance bridge. In the illustrated embodiment, four piezoresistive elements R21, R22, R23, R24 are provided, which are connected together to form a resistance bridge. The piezoresisitive sensor element R 'is applied to the second measuring diaphragm 5b connected outside of the differential pressure sensor connecting lines KR1 ', KR2', KR3 ', KR4' connected to a measuring circuit, not shown in the figures 1 to 4, which provides a differential pressure corresponding to the measurement signal ΔPR '.
[0045] Neben den oder anstelle der hier beschriebenen piezoresistivenIn addition to or instead of the piezoresistive described here
Sensorelemente R, R' können natürlich auch zusätzliche oder anders dimensionierte piezoresistive Sensorelemente eingesetzt werden. Dabei ist es z.B. möglich einzelne piezoresistive Sensorelemente durch die Positionierung und die Dimensionierung von deren piezoresistiven Elementen für unterschiedliche Differenzdruckmessbereiche auszulegen.Of course, sensor elements R, R 'can also be used with additional or differently dimensioned piezoresistive sensor elements. It is e.g. It is possible to design individual piezoresistive sensor elements by positioning and dimensioning their piezoresistive elements for different differential pressure measuring ranges.
[0046] Die Messbereiche der kapazitiven und der piezoresistivenThe measuring ranges of the capacitive and the piezoresistive
Sensorelemente R, R', E, E' können zusätzlich durch eine entsprechende Dimensionierung der Dicke der einzelnen Messmembranen 5a, 5b eingestellt werden.Sensor elements R, R ', E, E' can additionally be adjusted by a corresponding dimensioning of the thickness of the individual measuring membranes 5a, 5b.
[0047] Die erste und die zweite Messmembran 5a, 5b sind über eine einen äußeren Rand der Innenseite der ersten Messmembran 5a mit einem äußeren Rand der Innenseite der zweiten Messmembran 5b verbindende mechanische Verbindung P und einen mit den Membranmitten der beiden Messmembranen 5a, 5b verbundenen Abstandshalter 7 gleicher Bauhöhe parallel zueinander voneinander beabstandet und miteinander fest verbunden.The first and the second measuring membrane 5a, 5b are connected via an outer edge of the inside of the first measuring membrane 5a with an outer edge of the inside of the second measuring membrane 5b connecting mechanical connection P and one connected to the membrane centers of the two measuring membranes 5a, 5b Spacer 7 of the same height parallel to each other from each other and firmly connected.
[0048] Vorzugsweise ist der Abstandshalter 7 jeweils aus zwei formgleichenPreferably, the spacer 7 is made of two identical shape
Elementen 7a und 7b zusammengesetzt, von denen eines Bestandteil des ersten Teilstücks 1a und eines Bestandteil des zweiten Teilstücks 1 b ist und die miteinander fest verbunden sind. Das gleiche gilt analog für die nachfolgend ausführlicher beschriebene mechanische Verbindung P.Elements 7a and 7b composed of which is a part of the first portion 1a and a part of the second portion 1 b and which are fixedly connected to each other. The same applies analogously to the mechanical connection P. described in more detail below.
[0049] Die beiden auf diese Weise mechanisch gekoppelten Messmembranen 5a, 5b bilden einen Membranverbund. Diese symmetrische Doppelmembrankonstruktion erhöht entscheidend die Berstfestigkeit des Differenzdrucksensors, so dass dieser auch für die Messung sehr hoher Differenzdrücke geeignet ist. Die hierdurch gegebene hohe mechanische Stabilität bietet ein hohes Maß an Messsicherheit.The two measurement membranes 5a, 5b mechanically coupled in this way form a membrane composite. This symmetrical double diaphragm construction significantly increases the bursting strength of the differential pressure sensor, so that it is also suitable for measuring very high differential pressures. The resulting high mechanical stability offers a high degree of measurement reliability.
[0050] Ein auf diesen Membranverbund einwirkender Differenzdruck führt zu einer im Wesentlichen synchronen formgleichen Auslenkung der beiden Messmembranen 5a, 5b. Jede der beiden Messmembranen 5a, 5b erfährt also eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung. Dementsprechend erfasst sowohl das auf der ersten Messmembran 5a angeordnete piezoresisitive Sensorelement R als auch das auf der zweiten Messmembran 5b angeordnete weitere piezoresisitive Sensorelement R' den auf den Differenzdrucksensor einwirkenden Differenzdruck. Die piezoresistiven Sensorelemente R und R' sind über auf die erste bzw. die zweite Messmembran 5a, 5b aufgebrachte außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte Anschlussleitungen KR1 , KR2, KR3, KR4 bzw. KR1', KR2\ KR3\ KR4' an eine in den Figuren 1 bis 4 nicht dargestellte Messschaltung angeschlossen, die jeweils ein dem Differenzdruck entsprechendes Messsignal liefert. Vorzugsweise wird für jedes Sensorelement R, R' eine eigene Messschaltung vorgesehen. Damit stehen zwei von zwei völlig unabhängigen Sensorelementen R, R' generierte unabhängig voneinander aufbereitete Differenzdruckmesssignale ΔPR und ΔPR' zur Verfügung.A differential pressure acting on this membrane composite leads to a substantially synchronous identical deflection of the two measuring membranes 5a, 5b. Each of the two measuring membranes 5a, 5b thus experiences a deflection dependent on the differential pressure. Accordingly, both the piezoresistive sensor element R arranged on the first measuring diaphragm 5a and the further piezoresistive sensor element R 'arranged on the second measuring diaphragm 5b detect the differential pressure acting on the differential pressure sensor. The piezoresistive sensor elements R and R 'are connected via connecting leads KR1, KR2, KR3, KR4 or KR1', KR2 \ KR3 \ KR4 ', which are brought out of the differential pressure sensor on the first and the second measuring diaphragm 5a, 5b, to one in the figures 1 to 4 measuring circuit, not shown, each of which provides a pressure signal corresponding to the differential pressure. Preferably, a separate measuring circuit is provided for each sensor element R, R '. Thus, two differential pressure measuring signals ΔPR and ΔPR 'generated independently of one another are generated by two completely independent sensor elements R, R'.
[0051] Eine differenzdruck-bedingte Auslenkung der beiden Messmembranen 5a, 5b führt zu einer Parallelverschiebung der jeweiligen ersten Elektroden E1 , EV der kapazitiven Sensorelemente E, E' gegenüber den jeweiligen zugeordneten zweiten Elektroden E2, E2' des jeweiligen kapazitiven Sensorelements E bzw. E', die eine im Wesentlichen lineare vom Differenzdruck abhängig Änderung der Kapazität des jeweiligen Sensorelements E2, E2' zur Folge hat.A differential pressure-induced deflection of the two measuring membranes 5a, 5b leads to a parallel displacement of the respective first electrodes E1, EV of the capacitive sensor elements E, E 'relative to the respective associated second electrodes E2, E2' of the respective capacitive sensor element E or E. 'Which has a substantially linear differential pressure dependent change in the capacitance of the respective sensor element E2, E2' result.
[0052] Die kapazitiven Sensorelemente E und E' sind über auf die erste bzw. die zweite Messmembran 5a, 5b aufgebrachte außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor herausgeführte Anschlussleitungen KE1 , KE2 und KEV, KE2' an eine in den Figuren 1 bis 4 nicht dargestellte Messschaltung angeschlossen, die ein dem Differenzdruck entsprechendes Messsignal liefert. Vorzugsweise wird auch hier für jedes kapazitive Sensorelement E, E' eine eigene Messschaltung vorgesehen. Damit stehen zwei weitere von zwei völlig unabhängigen Sensorelementen E, E' generierte unabhängig voneinander aufbereitete Differenzdruckmesssignale ΔPE und ΔPE' zur Verfügung.[0052] The capacitive sensor elements E and E 'are connected to a measuring circuit, not shown in FIGS. 1 to 4, via connecting leads KE1, KE2 and KEV, KE2' applied outside the differential pressure sensor and applied to the first and second measuring diaphragm 5a, 5b which supplies a measurement signal corresponding to the differential pressure. Preferably, a separate measuring circuit is also provided here for each capacitive sensor element E, E '. Thus, two more of two completely independent sensor elements E, E 'generated independently prepared differential pressure measurement signals .DELTA.PE and .DELTA.PE' to Available.
[0053] Insgesamt liefert der hier dargestellte erfindungsgemäße Differenzdrucksensor also vier völlig unabhängige Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE und ΔPE'. Hierdurch besteht ein hohes Maß an Redundanz, die die Messsicherheit deutlich erhöht. Sollte eines der Sensorelemente R, R', E, E' ausfallen, so ist durch die verbleibenden intakten Sensorelemente immer noch eine zuverlässige Differenzdruckmessung gewährleistet.Overall, the differential pressure sensor according to the invention shown here thus provides four completely independent differential pressure measuring signals ΔPR, ΔPR ', ΔPE and ΔPE'. As a result, there is a high degree of redundancy, which significantly increases the measurement reliability. Should one of the sensor elements R, R ', E, E' fail, a reliable differential pressure measurement is still guaranteed by the remaining intact sensor elements.
[0054] Des Weiteren besteht ein hohes Maß an Flexibilität im Hinblick auf die Aufbereitung und/oder Auswertung der zur Verfügung stehenden Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE und ΔPE'. Die vier zur Verfügung stehenden Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE und ΔPE' können völlig unabhängig voneinander aufbereitet und/oder verarbeitet werden und sowohl als Einzelsignale als auch in Kombination miteinander unterschiedlichsten Kompensations- und/oder Aufbereitungsverfahren unterzogen werden. So kann der zu messende Differenzdruck zum Beispiel anhand eines Mittelwerts der vier über die vier Differenzdruckmesssignale ΔPR, ΔPR', ΔPE und ΔPE' zur Verfügung stehenden gemessenen Differenzdrücke abgeleitet werden. Alternativ können die Kennlinien der vier Sensorelemente R, R', E', E im Rahmen einer Kalibration ausgemessen werden und nachfolgend einzelne Differenzdruckmesssignale für die Ableitung des zu messenden Differenzdrucks ausgewählt werden, die beispielsweise besonders zuverlässig erscheinen oder deren Kennlinie den linearsten Verlauf aufweist. Damit lässt sich eine nachfolgende Kompensation von Messfehlern deutlich vereinfachen und eine höhere Messgenauigkeit erzielen.Furthermore, there is a high degree of flexibility with regard to the preparation and / or evaluation of the available differential pressure measuring signals ΔPR, ΔPR ', ΔPE and ΔPE'. The four available differential pressure measuring signals ΔPR, ΔPR ', ΔPE and ΔPE' can be processed and / or processed completely independently of one another and subjected to different compensation and / or treatment methods both as individual signals and in combination with each other. For example, the differential pressure to be measured can be derived from an average value of the four differential pressures available via the four differential pressure measurement signals ΔPR, ΔPR ', ΔPE and ΔPE'. Alternatively, the characteristic curves of the four sensor elements R, R ', E', E can be measured as part of a calibration and subsequently individual differential pressure measuring signals for the derivation of the differential pressure to be measured are selected, for example, appear particularly reliable or whose characteristic curve has the most linear course. This significantly simplifies subsequent compensation of measurement errors and achieves higher measurement accuracy.
[0055] Zusätzlich können die mittels der einzelnen Sensorelemente R, R', E, E' abgeleiteten Messergebnisse miteinander und gegebenenfalls mit deren Mittelwert verglichen werden. Sollte ein einzelnes Messergebnis eine deutliche Abweichung von den anderen Messergebnissen oder vom Mittelwert aufweisen, so kann dieses Messergebnis als Ausreißer aussortiert und von der Ableitung des zu messenden Differenzdrucks ausgeschlossen werden. Auf diese Weise können Beschädigungen eines einzelnen Sensorelements frühzeitig erkannt und deren Einfluss auf die Messgenauigkeit ausgeschlossen werden.In addition, the measurement results derived by means of the individual sensor elements R, R ', E, E' can be compared with one another and, if appropriate, with their mean value. If a single measurement result shows a clear deviation from the other measurement results or from the mean value, then this measurement result can be sorted out as outliers and from the derivative of the differential pressure to be measured be excluded. In this way, damage to a single sensor element can be detected early and their influence on the measurement accuracy can be excluded.
[0056] Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor einen hochsymmetrischen Aufbau auf. Hierzu besteht er vorzugsweise aus zwei völlig identischen Teilstücken 1a/1b und ist möglichst symmetrisch im Hinblick auf die Anordnung der Komponenten der Sensorelemente R, R' und E, E' aufgebaut. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der durch die Geometrie des Aufbaus des Differenzdrucksensors und der durch die physikalischen Eigenschaften der Sensorelemente R, R', E, E' bedingten Nichtlinearität der Messergebnisse und damit zu einer Erhöhung der erzielbaren Messgenauigkeit.Preferably, the differential pressure sensor according to the invention has a highly symmetrical structure. For this purpose, it preferably consists of two completely identical sections 1a / 1b and is as symmetrical as possible with regard to the arrangement of the components of the sensor elements R, R 'and E, E'. This leads to a significant reduction in the nonlinearity of the measurement results caused by the geometry of the structure of the differential pressure sensor and by the physical properties of the sensor elements R, R ', E, E' and thus to an increase in the measurement accuracy achievable.
[0057] Ein weiterer Vorteil des hochsymmetrischen Aufbaus besteht darin, dass sich hierdurch der Einfluss des statischen Drucks reduziert. Der statische Druck bezeichnet hierbei einen auf beide Messmembranen 5a/5b gleichermaßen einwirkenden Bezugs- bzw. Ausgangsdruck, dem die zu messende Druckdifferenz überlagert ist. Der statische Druck entspricht damit dem niedrigeren der beiden Drücke p1, p2, deren Differenz gemessen werden soll. Aufgrund des hochsymmetrischen Aufbaus werden durch den statischen Druck bedingte mechanische Verspannungen weitgehend vermieden.Another advantage of the highly symmetrical structure is that this reduces the influence of the static pressure. In this case, the static pressure refers to a reference or output pressure acting equally on both measuring membranes 5a / 5b, to which the pressure difference to be measured is superimposed. The static pressure thus corresponds to the lower of the two pressures p1, p2, the difference of which is to be measured. Due to the highly symmetrical structure caused by the static pressure mechanical stresses are largely avoided.
[0058] Zur Erzielung des hochsymmetrischen Aufbaus sind die auf der erstenTo achieve the highly symmetrical structure, those on the first
Messmembran 5a angeordneten ersten Elektroden E1 und EV formgleich und symmetrisch zur Zentralachse A-A' auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 7 angeordnet. Entsprechend sind die auf der zweiten Messmembran 5b angeordneten zweiten Elektroden E2 und E2' formgleich und symmetrisch zur Zentralachse A-A' auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters 7 angeordnet. Außerdem sind die ersten und die zweiten Elektroden E1 , EV und E2, E2' formgleich und jeder ersten Elektrode E1 , EV ist eine formgleiche zweite Elektrode E2, E2' zugeordnet, die parallel zu der zugeordneten ersten Elektrode E1 , EV dieser unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.Measuring diaphragm 5a arranged first electrodes E1 and EV equal in shape and symmetrical to the central axis A-A 'on opposite sides of the spacer 7 is arranged. Correspondingly, the second electrodes E2 and E2 'arranged on the second measuring diaphragm 5b are arranged with the same shape and symmetrical to the central axis A-A' on opposite sides of the spacer 7. In addition, the first and second electrodes E1, EV and E2, E2 'have the same shape and each first electrode E1, EV is assigned a shape-identical second electrode E2, E2', which is arranged parallel to the associated first electrode E1, EV this immediately opposite ,
[0059] Dieses hohe Maß an Symmetrie wird vorzugsweise auch im Bezug auf die Anordnung der piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13, R14 und R21 , R22, R23, R24 der piezoresistiven Sensorelemente R, R' eingehalten. Hierzu sind die piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21, R22, R23, R24 jedes piezoresistiven Sensorelements R bzw. R' vorzugsweise in einer Linie symmetrisch zur Zentralachse B-B' zu beiden Seiten des Abstandshalters 7 angeordnet.This high degree of symmetry is preferably also with respect to the Arrangement of the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 of the piezoresistive sensor elements R, R 'complied with. For this purpose, the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 or R21, R22, R23, R24 of each piezoresistive sensor element R or R 'are preferably arranged in a line symmetrical to the central axis BB' on both sides of the spacer 7.
[0060] Dieses hohe Maß an Symmetrie bewirkt, dass alle Sensorelemente R, R', E, E' einen sehr geringen Linearitätsfehler aufweisen. Der Linearitätsfehler bezeichnet dabei ein Maß für die Abweichung der mit den einzelnen Sensorelementen R, R', E, E' gemessenen Differenzdrücke von deren idealer Weise linearen Abhängigkeit vom Differenzdruck.This high degree of symmetry causes all sensor elements R, R ', E, E' have a very low linearity error. The linearity error denotes a measure of the deviation of the differential pressures measured with the individual sensor elements R, R ', E, E' from their ideal linear dependence on the differential pressure.
[0061] Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13 und R14 des piezoresitiven Sensors R gegenüber den jeweils in gleicher Position gegenüberliegend angeordneten piezoresisitiven Elemente R21 , R22, R23 und R24 des piezoresitiven Sensors R' jeweils mit umgekehrtem Vorzeichen verhalten. Ein auf den Differenzdrucksensor einwirkender Differenzdruck, der eine Dehnung der piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13 und R14 des piezoresitiven Sensors R bewirkt, bewirkt eine Stauchung der gegenüberliegend angeordneten piezoresisitiven Elemente R21 , R22, R23 und R24 des piezoresistiven Sensors R', und umgekehrt. Dieses gegenläufige Verhalten kann beispielsweise bei der Kompensation von vom statischen Druck und/oder der Temperatur abhängigen Messfehlern ausgenutzt werden. Ebenso lassen sich hierdurch Messfehler kompensieren, die durch Fertigungstoleranzen verursachte Asymmetrien entstehen. Das gleiche gilt für den Linearitätsfehler der einzelnen piezoresisitiven Sensorelemente R, R'.Another advantage is that the piezoresistive elements R11, R12, R13 and R14 of the piezoresistive sensor R with respect to each in the same position oppositely disposed piezoresistive elements R21, R22, R23 and R24 of the piezoresistive sensor R 'in each case with the opposite sign behavior. A differential pressure acting on the differential pressure sensor, which causes an expansion of the piezoresistive elements R11, R12, R13 and R14 of the piezoresistive sensor R, causes a compression of the oppositely arranged piezoresistive elements R21, R22, R23 and R24 of the piezoresistive sensor R ', and vice versa. This opposite behavior can be exploited, for example, in the compensation of static pressure and / or temperature-dependent measurement errors. Likewise, this can compensate for measurement errors caused by asymmetries caused by manufacturing tolerances. The same applies to the linearity error of the individual piezoresistive sensor elements R, R '.
[0062] Des Weiteren bewirkt der symmetrische Aufbau bei einem einwirkenden Differenzdruck eine gegenläufige Bewegung der Elektroden E1 , E2 und EV, E2'. Ein Differenzdruck bewirkt entweder eine Parallelverschiebung der Elektrodenpaare, bei der ersten Elektroden E1 , EV gegenüber den gegenüberliegenden zweiten Elektroden E2, E2' nach außen verschoben werden, oder eine Parallelverschiebung, bei der die zweiten Elektroden E2, E2' gegenüber den gegenüberliegenden ersten Elektroden E1 , EV nach außen verschoben werden. Dieses gegenläufige Verhalten kann beispielsweise bei der Kompensation von vom statischen Druck und/oder der Temperatur abhängigen Messfehlern ausgenutzt werden. Ebenso lassen sich hierdurch Messfehler kompensieren, die durch Fertigungstoleranzen verursachte Asymmetrien entstehen. Das gleiche gilt für den Linearitätsfehler der einzelnen kapazitiven Sensorelemente E, E'.Furthermore, the symmetrical structure causes an opposing movement of the electrodes E1, E2 and EV, E2 'at an acting differential pressure. A differential pressure causes either a parallel displacement of the electrode pairs, in which first electrodes E1, EV are displaced outwards relative to the opposing second electrodes E2, E2 ', or a parallel displacement, in which the second electrodes E2, E2 'are shifted outward with respect to the opposing first electrodes E1, EV. This opposite behavior can be exploited, for example, in the compensation of static pressure and / or temperature-dependent measurement errors. Likewise, this can compensate for measurement errors caused by asymmetries caused by manufacturing tolerances. The same applies to the linearity error of the individual capacitive sensor elements E, E '.
[0063] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors besteht darin, dass er als mikroelektromechanisches System (MEMS) auf Siliziumbasis ausgebildet werden kann, das mit aus der Halbleitertechnik bekannten Standardverfahren herstellbar ist. Hierdurch ist eine kostengünstige Produktion des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor möglich.Another advantage of the differential pressure sensor according to the invention is that it can be formed as a microelectromechanical system (MEMS) based on silicon, which can be produced by standard methods known from semiconductor technology. As a result, a cost-effective production of the differential pressure sensor according to the invention is possible.
[0064] Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z.B. unter Verwendung von Silicon-on-lnsulator (SOI) Technologie hergestellt. Dabei werden bevorzugt BESOI-Wafer (Bonded and etchback Silicon on insulator) als Ausgangsmaterial verwendet. BESOI-Wafer werden mittels Siliziumdirektbonden hergestellt. Hierzu werden zwei oxidierte Silizium-Wafer gegeneinander ausgerichtet und unter Druck und hoher Temperatur gebonded. Hierdurch entsteht ein dreischichtiger Wafer, bei dem sich zwischen zwei Siliziumschichten eine Oxidschicht befindet. Die unter der Bezeichnung BOX (buried oxide layer) bekannte vergrabene Oxidschicht hat eine Dicke von wenigen nm bis zu wenigen μm. Dieser Verbund wird von einer Seite abgedünnt und poliert. Die abgedünnte polierte Seite bildet im weiteren Verlauf die Aktivschicht. Die Aktivschicht kann wenige μm dick sein und wird in der englischsprachigen Fachwelt z.B. als device wafer oder als Silicon overlayer (SOL) bezeichnet. Die Dicke der Aktivschicht kann mit heutigen Herstellungsverfahren bereits sehr genau und gleichmäßig und mit hoher Reproduzierbarkeit hergestellt werden.Semiconductor sensors are now regularly silicon-based, e.g. manufactured using silicon-on-insulator (SOI) technology. In this case, BESOI wafers (bonded and etched silicon on insulator) are preferably used as the starting material. BESOI wafers are manufactured using silicon direct bonding. For this purpose, two oxidized silicon wafers are aligned against each other and bonded under pressure and high temperature. This results in a three-layered wafer, in which there is an oxide layer between two silicon layers. The buried oxide layer known as BOX (buried oxide layer) has a thickness of a few nm to a few μm. This composite is thinned and polished from one side. The thinned polished side later forms the active layer. The active layer may be a few microns thick and is known in the English speaking art e.g. referred to as device wafer or as silicone overlayer (SOL). The thickness of the active layer can already be produced very accurately and uniformly and with high reproducibility using today's production methods.
[0065] Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung von BESOI-Wafern für die Herstellung von Drucksensoren besteht darin, dass die vergrabene Oxidschicht (BOX) einen zuverlässigen Ätzstopp bildet. Dies wird vor allem für die Herstellung beweglicher Elektroden von kapazitiven Drucksensoren ausgenutzt.A significant advantage of the use of BESOI wafers for the production of pressure sensors is that the buried oxide layer (BOX) forms a reliable etch stop. This will happen all used for the production of movable electrodes of capacitive pressure sensors.
[0066] Es sind aber auch Verfahren bekannt, bei denen BESOI-Wafer für die Herstellung von piezoresistiven Drucksensoren eingesetzt werden.However, methods are also known in which BESOI wafers are used for the production of piezoresistive pressure sensors.
[0067] Ein solches Verfahren ist beispielsweise in dem im Jahr 2000 im Journal of Micromechanical Engineering, Band 10, Seite 204 bis 208, erschienenen Artikel: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', von A. Merlos, J. Santander, M. D. Alvares und F. Campabadal beschrieben.Such a method is, for example, in the article published in 2000 in the Journal of Micromechanical Engineering, Volume 10, pages 204 to 208: 'Optimized technology for the fabrication of piezoresistive pressure sensors', by A. Merlos, J. Santander , MD Alvares and F. Campabadal.
[0068] Die beiden Teilstücke 1a und 1b des erfindungsgemäßenThe two sections 1a and 1b of the invention
Differenzdrucksensors werden vorzugsweise ebenfalls jeweils aus einem BESOI Wafer hergestellt, der eine erste Siliziumschicht 9, eine dünnere zweite Siliziumschicht 11 und eine zwischen der ersten und der zweiten Siliziumschicht 9, 11 angeordnete Oxidschicht 13 aufweist. Die Oxidschicht 13 weist vorzugsweise eine Dicke von mindestens 1 μm auf. Die Träger 3a bzw. 3b mit den darauf angeordneten Messmembranen 5a bzw. 5b werden jeweils aus einem BESOI Wafer gefertigt. Das Teilstück 1a/1b weist in der ersten Siliziumschicht 9 eine Ausnehmung 15 auf, die außenseitlich von einem den jeweiligen Träger 3a/3b bildenden Teil der ersten Siliziumschicht 9 umgeben ist, und über die ein die jeweilige Messmembran 5a/5b bildender Bereich des BESOI Wafers frei gelegt ist. Vorzugsweise weist die Ausnehmung 15 eine in Richtung der Oxidschicht 13 sich konisch verjüngende innere Mantelfläche 17 auf. Diese Formgebung bietet den Vorteil, einer erhöhten mechanischen Stabilität des Differenzdrucksensors. Fig. 5 zeigt den BESOI Wafer mit der Ausnehmung 15. Die Ausnehmung 15 wird beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens hergestellt.Differential pressure sensors are also preferably each made of a BESOI wafer, which has a first silicon layer 9, a thinner second silicon layer 11 and an oxide layer 13 arranged between the first and the second silicon layer 9, 11. The oxide layer 13 preferably has a thickness of at least 1 μm. The carriers 3a and 3b, respectively, with the measuring membranes 5a and 5b disposed thereon are each made from a BESOI wafer. The section 1a / 1b has a recess 15 in the first silicon layer 9, which is surrounded on the outside by a part of the first silicon layer 9 forming the respective carrier 3a / 3b, and via which a region of the BESOI wafer forming the respective measuring membrane 5a / 5b is released. The recess 15 preferably has an inner lateral surface 17, which tapers conically in the direction of the oxide layer 13. This shape offers the advantage of increased mechanical stability of the differential pressure sensor. 5 shows the BESOI wafer with the recess 15. The recess 15 is produced, for example, by means of an etching process.
[0069] In der zweiten Siliziumschicht 11 ist eine in Fig. 6 dargestellteIn the second silicon layer 11, one shown in Fig. 6 is shown
Ausnehmung 19 vorgesehen, durch die die Oxidschicht 13 bis auf einen äußeren Rand 21 und einen Bereich 23 in der Mitte der Oxidschicht 13 freigelegt ist. Die Ausnehmung 19 wird beispielsweise durch ein Ätzverfahren erzeugt, mit dem das im Bereich der Ausnehmung 19 vorhandene Silizium entfernt wird. Dabei dient die vergrabene Oxidschicht 13 als Ätzstopp. Vorzugsweise wird dabei eine KOH-Ätzlösung verwendet, da diese eine stark unterschiedliche Selektivität zwischen Silizium und Siliziumdioxid aufweist.Recess 19 is provided, through which the oxide layer 13 is exposed to an outer edge 21 and a region 23 in the middle of the oxide layer 13. The recess 19 is produced, for example, by an etching process with which the silicon present in the region of the recess 19 is removed. The buried oxide layer is used for this purpose 13 as an etch stop. Preferably, a KOH etching solution is used, since this has a very different selectivity between silicon and silicon dioxide.
[0070] Zumindest Teilbereiche des verbleibenden äußeren Randes 21 der zweiten Siliziumschicht 11 bilden einen Bestandteil der mechanischen Verbindung P. Der in der Mitte verbleibende Bereich 23 der zweiten Siliziumschicht 11 bildet einen Teil des Abstandshalters 7.At least portions of the remaining outer edge 21 of the second silicon layer 11 form part of the mechanical connection P. The remaining in the middle region 23 of the second silicon layer 11 forms a part of the spacer. 7
[0071] Anschließend wird auf mindestens einem der beiden BESOI Wafer ein piezoresisitives Sensorelement, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden piezoresisitiven Sensorelemente R und R', auf der jeweiligen freigelegten Oxidschicht 13, wie in Fig. 7 dargestellt, angeordnet. Hierzu werden die piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21 , R22, R23, R24 des jeweiligen Sensorelements R, R' beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf die Oxidschicht 13 aufgebracht. Die piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21 , R22, R23, R24 bestehen beispielsweise aus Poly-Silizium, Siliziumcarbid (SiC) oder diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Oxidschicht 13 bildet eine Isolationsschicht zwischen den piezoresisitiven Elementen und der darunter befindlichen ersten Siliziumschicht 9. Diese Isolationsschicht bewirkt, das der Differenzdrucksensor auch bei verhältnismäßig hohen Temperaturen von bis zu 350°C einsetzbar ist, da auch bei diesen hohen Temperaturen durch Isolationsschicht eine ausreichende Isolierung der piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21 , R22, R23, R24 gewährleistet ist. Ohne die als Isolationsschicht dienende Oxidschicht 13 würde im Bereich der piezoresistiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21 , R22, R23, R24 ein pn-Übergang bestehen, der nur bei deutlich niedrigeren Temperaturen eine ausreichende Isolation bewirken würde.Subsequently, a piezoresistive sensor element, in the illustrated embodiment, the two piezoresistive sensor elements R and R ', on the respective exposed oxide layer 13, as shown in Fig. 7, arranged on at least one of the two BESOI wafer. For this purpose, the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 of the respective sensor element R, R 'applied to the oxide layer 13, for example by means of chemical vapor deposition. The piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 consist for example of poly-silicon, silicon carbide (SiC) or diamond-like carbon (DLC). The oxide layer 13 forms an insulating layer between the piezoresistive elements and the underlying first silicon layer 9. This insulating layer causes the differential pressure sensor can be used even at relatively high temperatures of up to 350 ° C, since even at these high temperatures by insulation layer sufficient insulation the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 is guaranteed. Without the oxide layer 13 serving as the insulating layer, a pn junction would exist in the region of the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 or R21, R22, R23, R24, which would effect a sufficient insulation only at significantly lower temperatures.
[0072] Die piezoresistiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21 , R22, R23, R24 können selbstverständlich auch auf andere aus der Halbleitertechnik bekannte Weise hergestellt werden. So ist es beispielsweise durch Verwendung entsprechender Masken möglich, die zweite Siliziumschicht 11 in den Bereichen der piezoresistiven Elemente R11 , R12, R13, R14 und R21 , R22, R23, R24 zu erhalten und diese Bereiche nachfolgend mit einer entsprechenden Dotierung, beispielsweise mit Bor, zu versehen.The piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 can of course also be produced in other ways known from semiconductor technology. Thus, for example, by using corresponding masks, it is possible to obtain the second silicon layer 11 in the regions of the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 and R21, R22, R23, R24 and subsequently to include these regions to provide a corresponding doping, for example with boron.
[0073] Ebenso wird auf der freigelegten Oxidschicht 13 jedes Teilsstücks 1a, 1 b mindestens eine Elektrode aufgebracht. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel werden auf der freigelegten Oxidschicht 13 auf der ersten Messmembran 5a die beiden ersten Elektroden E1 und E1' und auf der freigelegten Oxidschicht 13 der zweiten Messmembran 5b die beiden zweiten Elektroden E2 und E2' aufgebracht. Dies ist in Fig. 8 dargestellt. Die Elektroden E1 , E1\ E2, E2' bestehen vorzugsweise aus einer Goldschicht mit einer Dicke von mindestens 500 nm, die auf die jeweilige Oxidschicht 13 aufgesputtert oder aufgedampft wird.Likewise, at least one electrode is applied to the exposed oxide layer 13 of each section 1a, 1b. In the exemplary embodiment described, the two first electrodes E1 and E1 'are applied to the exposed oxide layer 13 on the first measuring diaphragm 5a, and the two second electrodes E2 and E2' are applied to the exposed oxide layer 13 of the second measuring diaphragm 5b. This is shown in FIG. 8. The electrodes E1, E1 \ E2, E2 'are preferably made of a gold layer with a thickness of at least 500 nm, which is sputtered onto the respective oxide layer 13 or vapor-deposited.
[0074] Die Oxidschicht 13 dient auch hier wieder als Isolationsschicht, die eine elektrische Isolierung der Elektroden E1 , E1\ E2, E2' gegenüber der jeweiligen Messmembran 5a, 5b bewirkt.The oxide layer 13 serves again as an insulating layer, which causes an electrical insulation of the electrodes E1, E1 \ E2, E2 'relative to the respective measuring membrane 5a, 5b.
[0075] Abschließend werden die beiden Teilstücke 1a und 1a fest miteinander verbunden, indem die beiden BESOI Wafer miteinander über ein Verbindungsmaterial fest verbunden werden, das auf als Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 dienenden Teilbreichen der äußeren Ränder 21 der zweiten Siliziumschichten 11 und auf den in der Mitte verbliebenen Bereichen 23 der zweiten Siliziumschichten 11 flächig aufgebracht ist. Vorzugsweise bestehen die ersten und die zweiten Elektroden E1 , E1 '; E2, E2' aus dem gleichen Werkstoff, der auch als Verbindungsmaterial verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich das Verbindungsmaterial für die Verbindung der beiden Teilstücke 1a, 1b zusammen mit den Elektroden E1, E1\ E2, E2' in einem Arbeitsgang aufzubringen. Vorzugsweise ist das Verbindungsmaterial ebenfalls Gold, dass mit einer Schichtdicke von mindestens 500 nm aufgebracht ist.Finally, the two sections 1a and 1a are firmly connected to each other by the two BESOI wafers are firmly connected to each other via a bonding material serving as connecting surfaces P1, P2, P3, P4 Teilbreichen the outer edges 21 of the second silicon layers 11 and is applied to the area remaining in the middle areas 23 of the second silicon layers 11 surface. Preferably, the first and second electrodes E1, E1 '; E2, E2 'of the same material, which is also used as a connecting material. In this way, it is possible to apply the connecting material for the connection of the two sections 1a, 1b together with the electrodes E1, E1 \ E2, E2 'in one operation. Preferably, the bonding material is also gold, which is applied with a layer thickness of at least 500 nm.
[0076] Vorzugsweise bestehen auch die für den Zusammenschluss der piezoresisitiven Elemente R11 , R12, R13, R14 bzw. R21 , R22, R23, R24 der piezoresisitiven Sensorelemente R und R' vorgesehenen Leiterbahnen L und die Anschlussleitungen KE1 , KE2 und KE1', KE2' für die kapazitiven Sensorelemente E, E' und die Anschlussleitungen KR1 , KR2, KR3, KR4, KR1 ', KR2', KR3', KR4' für die piezoresisitiven Sensorelemente R, R' aus dem gleichen Werststoff, der vorzugsweise auch für die Elektroden E, E' und die mechanische Verbindung P verwendet wird.Preferably, there are also for the combination of the piezoresistive elements R11, R12, R13, R14 or R21, R22, R23, R24 of the piezoresistive sensor elements R and R 'provided conductor tracks L and the connecting lines KE1, KE2 and KE1', KE2 'for the capacitive sensor elements E, E' and the connecting lines KR1, KR2, KR3, KR4, KR1 ', KR2', KR3 ', KR4' for the piezoresistive sensor elements R, R 'of the same Werststoff, preferably also for the electrodes E, E ' and the mechanical connection P is used.
[0077] Zusätzlich wird ein Verbindungsmaterial G auf den in der Mitte verbliebene Bereich 23 der zweiten Siliziumschicht 11 jeder Messmembran 5a, 5b aufgebracht. Auch hier wird vorzugsweise das gleiche Material, hier eine Goldschicht mit einer Dicke von 500 nm, verwendet, dass auch für die mechanische Verbindung P eingesetzt wird. Das Verbindungsmaterial G bildet zusammen mit dem Bereich 23 der jeweiligen Messmembran 5a, 5b jeweils ein Element 7a bzw. 7b des Abstandshalters 7.In addition, a joining material G is applied to the central portion 23 of the second silicon layer 11 of each measuring membrane 5a, 5b. Again, preferably the same material, here a gold layer with a thickness of 500 nm, used that is also used for the mechanical connection P. The connecting material G, together with the region 23 of the respective measuring diaphragm 5a, 5b, respectively form an element 7a or 7b of the spacer 7.
[0078] Die Geometrie der Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 auf den äußeren Rändern 21 ist wählbar. Vorzugsweise sind die Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 formgleich und symmetrisch auf dem jeweiligen äußeren Rand 21 der jeweiligen zweiten Siliziumsicht 11 angeordnet. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Linearität der erzielbaren Messergebnisse aus. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die vier Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 vorgesehen, die, wie aus den in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ansichten der Innenseiten der ersten und der zweiten Messmembran 5a, 5b ersichtlich, in den vier Ecken der jeweiligen Teilstücke 1a, 1b auf dem äußeren Rand 23 aufgebracht sind. Dabei befindet sich die Verbindungsfläche P1 in der Darstellung von Fig. 3 links oben auf der ersten Messmembran 5a, die Verbindungsfläche P2 rechts oben, die Verbindungsfläche P3 links unten und die Verbindungsfläche P4 rechts unten. Die jeweiligen Gegenflächen sind, wie in Fig. 4 dargestellt, auf der zweiten Messmembran 5b entsprechend spiegelsymmetrisch angeordnet, so dass sich die Verbindungsfläche P1 rechts oben, die Verbindungsfläche P2 links oben, die Verbindungsfläche P3 rechts unten und die Verbindungsfläche P4 links unten auf der zweiten Messmembran 5b befindet.The geometry of the connecting surfaces P1, P2, P3, P4 on the outer edges 21 is selectable. Preferably, the connecting surfaces P1, P2, P3, P4 are arranged in the same shape and symmetrically on the respective outer edge 21 of the respective second silicon view 11. This has an advantageous effect on the linearity of the achievable measurement results. In the illustrated embodiment, the four connecting surfaces P1, P2, P3, P4 are provided, which, as seen from the views of the inner sides of the first and second measuring diaphragm 5a, 5b shown in Figures 3 and 4, in the four corners of the respective sections 1a, 1b are applied to the outer edge 23. In this case, the connection surface P1 in the representation of FIG. 3 is located at the top left on the first measuring diaphragm 5a, the connecting surface P2 at the top right, the connecting surface P3 at the bottom left and the connecting surface P4 at the bottom right. As shown in FIG. 4, the respective opposing surfaces are arranged mirror-symmetrically on the second measuring diaphragm 5b so that the connecting surface P1 is on the upper right, the connecting surface P2 on the upper left, the connecting surface P3 on the lower right and the connecting surface P4 on the lower left on the second Measuring diaphragm 5b is located.
[0079] Anschließend werden die beiden Teilstücke 1a und 1 b derart aufeinander gebracht, dass die auf der ersten Messmembran 5a aufgebrachten Verbindungsflächen P1 , P2, P3 und P4 auf den namensgleichen auf der zweiten Messmembran 5b aufgebrachten Verbindungsflächen P1 , P2, P3 flächig aufliegen und die Verbindungsflächen G der Elemente 7a und 7b des Abstandshalters 7 aufeinander liegen. Die mechanische Verbindung P der beiden Teilstücke 1a, 1b erfolgt dann vorzugsweise durch Bonden. Dabei werden die Teilstücke 1a, 1 b unter Kräfte in Wirkung aufeinander gepresst und einer Temperatur von ca. 400°C bis 420°C ausgesetzt. Hierdurch bildet sich eine leitende eutektische Phase aus, und es entsteht eine mechanisch stabile Verbindung der jeweils gegenüberliegenden Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 und G. Vorzugsweise wird der auf diese Weise gebildete Differenzdrucksensor für mehrere Stunden bei dieser hohen Temperatur ausgelagert. Dies führt zu einer zusätzlichen Diffusion von Gold ins Silizium, so dass eine sehr feste mechanische Verbindung entsteht.Subsequently, the two sections 1a and 1b are brought together so that the applied on the first measuring diaphragm 5a connecting surfaces P1, P2, P3 and P4 on the same name on the second measuring diaphragm 5b applied connecting surfaces P1, P2, P3 lie flat and the connecting surfaces G of the elements 7a and 7b of the spacer 7 are superimposed. The mechanical connection P the two sections 1a, 1b is then preferably by bonding. In this case, the sections 1a, 1b are pressed together under forces in effect and exposed to a temperature of about 400 ° C to 420 ° C. As a result, a conductive eutectic phase is formed, and a mechanically stable connection of the respectively opposite connection surfaces P1, P2, P3, P4 and G is formed. Preferably, the differential pressure sensor formed in this way is stored for several hours at this high temperature. This leads to an additional diffusion of gold into the silicon, so that a very strong mechanical connection is formed.
[0080] Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 und G wird der Einfluss der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Gold und Silizium komplett kompensiert.Due to the symmetrical arrangement of the connecting surfaces P1, P2, P3, P4 and G, the influence of the different thermal expansion coefficients of gold and silicon is completely compensated.
[0081] Die Anschlussleitungen KE1 , KE2, KE1' und KE2' für die kapazitivenThe connection lines KE1, KE2, KE1 'and KE2' for the capacitive
Sensorelemente E, E' und KR1 , KR2, KR3, KR4, KRf, KRZ , KR3' und KR4' für die piezoresisitiven Sensorelemente R, R', die auf die Innenseiten der jeweiligen Messmembranen 5a, 5b aufgebracht sind, sind mittig zwischen jeweils zwei der Verbindungsflächen P1, P2, P3 und P4 außenseitlich aus dem Differenzdrucksensor heraus geführt, und weisen endseitig jeweils einen auf dem jeweiligen äußeren Rand 21 der zweiten Siliziumschicht 11 angeordneten verbreiterten Abschnitt auf, der als Kontaktfläche dient. Jeder einzelnen Kontaktfläche ist auf der jeweils gegenüberliegenden Messmembran 5a, 5b eine identische formgleiche aus dem gleichen Werkstoff bestehende Gegenfläche GR1 , GR2, GR3, GR4, GR1', GR2', GR3', GR4\ GE1 , GE2, GE1\ GE2' zugeordnet, die jeweils ausschließlich mit der jeweils zugehörigen Kontaktfläche der Anschlussleitungen KE1 , KE2, KEV KE2' KR1 , KR2, KR3, KR4, KRV, KR2', KR3' KR4', nicht aber mit den Sensorelementen R, R', E, E' verbunden ist. Diese Verbindung erfolgt zeitgleich und auf die gleiche Weise, wie die Verbindung der Verbindungsflächen P1 , P2, P3, P4 und G. Die auf diese Weise gebildeten Kontakte sind elektrisch, thermisch und mechanisch stabil, da hier nur fest definierte Anteile von Gold und Silizium in die eutektische Verbindung eingehen. [0082] Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor ist aufgrund der hochsymmetrischen Doppelmembran äußerst stabil und damit auch für die Messung sehr hoher Differenzdrücke geeignet.Sensor elements E, E 'and KR1, KR2, KR3, KR4, KRf, KRZ, KR3' and KR4 'for the piezoresistive sensor elements R, R', which are applied to the inner sides of the respective measuring membranes 5a, 5b, are centered between each two the connection surfaces P1, P2, P3 and P4 outwardly guided out of the differential pressure sensor, and each end have a widened portion disposed on the respective outer edge 21 of the second silicon layer 11, which serves as a contact surface. Each individual contact surface is assigned to the respective opposite measuring membrane 5a, 5b an identical identical shape consisting of the same material counter surface GR1, GR2, GR3, GR4, GR1 ', GR2', GR3 ', GR4 \ GE1, GE2, GE1 \ GE2', each connected exclusively with the respectively associated contact surface of the connecting lines KE1, KE2, KEV KE2 'KR1, KR2, KR3, KR4, KRV, KR2', KR3 'KR4', but not with the sensor elements R, R ', E, E' is. This connection takes place at the same time and in the same way as the connection of the connecting surfaces P1, P2, P3, P4 and G. The contacts formed in this way are electrically, thermally and mechanically stable, since only firmly defined proportions of gold and silicon in enter into the eutectic connection. The differential pressure sensor according to the invention is extremely stable due to the highly symmetrical double membrane and thus also suitable for the measurement of very high differential pressures.
[0083] Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Doppelmembrankonstruktion den Vorteil, dass die empfindlichen kapazitiven und piezoresistiven Sensorelemente R, R', E, E' vor äußeren Einflüssen geschützt im Inneren des Differenzdrucksensors angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, den Differenzdrucksensor unmittelbar einzusetzen, ohne dass Druckmittler vorgeschaltet werden müssen. Die Messmembranen 5a, 5b können unmittelbar den Medien ausgesetzt werden, deren Druckdifferenz gemessen werden soll. Hierdurch werden die mit dem Einsatz von in der Regel mit Öl als Druckübertragungsmedium gefüllten vorgeschalteten Druckmittlern verbundenen Nachteile, wie z.B. die Temperaturabhängigkeit der Druckübertragung, vermieden.Furthermore, the double membrane construction according to the invention offers the advantage that the sensitive capacitive and piezoresistive sensor elements R, R ', E, E' are protected against external influences inside the differential pressure sensor. This makes it possible to use the differential pressure sensor directly, without having to be connected upstream of diaphragm seal. The measuring membranes 5a, 5b can be exposed directly to the media whose pressure difference is to be measured. As a result, the disadvantages associated with the use of upstream diaphragm seals typically filled with oil as a pressure transmission medium, such as e.g. the temperature dependence of the pressure transmission, avoided.
[0084] Alternativ kann der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor natürlich auch in Verbindung mit vorgeschalteten Druckmittlern eingesetzt werden. Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu. Dort ist der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor in ein Messwerk 25 eingesetzt. Das Messwerk 25 umfasst einen ersten, der ersten Messmembran 5a vorgeschalteten Druckmittler 27a und einen identischen der zweiten Messmembran 5b vorgeschalteten zweiten Druckmittler 27b. Die Druckmittler 27a und 27b umfassen jeweils eine nach außen von einer Trennmembran 29a, 29b abgeschlossene Druckempfangskammer 31a, 31b, die jeweils über eine Druckübertragungsleitung 33a, 33b mit einer an die jeweilige Messmembran 5a, 5b angrenzenden Druckmesskammer 35a, 35b verbunden sind, die durch die von dem jeweiligen Träger 3a, 3b begrenzte Ausnehmung 15 gebildet ist. Die Druckempfangskammem 31a, 31b die Druckübertragungsleitungen 33a, 33b und die Druckmesskammern 35a, 35b sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, die vorzugsweise einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, und möglichst inkompressibel ist. Hierzu eignet sich z.B. ein Silikonöl.Alternatively, the differential pressure sensor according to the invention can of course also be used in conjunction with upstream diaphragm seals. Fig. 9 shows an embodiment thereof. There, the differential pressure sensor according to the invention is inserted into a measuring unit 25. The measuring unit 25 comprises a first, the first measuring diaphragm 5a upstream of a pressure transmitter 27a and an identical second measuring diaphragm 5b upstream second pressure transmitter 27b. The pressure averagers 27a and 27b each comprise a pressure-receiving chamber 31a, 31b which is closed off from a separating diaphragm 29a, 29b and which is connected via a pressure transmission line 33a, 33b to a pressure measuring chamber 35a, 35b adjacent to the respective measuring diaphragm 5a, 5b from the respective carrier 3a, 3b limited recess 15 is formed. The Druckempfangskammem 31a, 31b, the pressure transmission lines 33a, 33b and the pressure measuring chambers 35a, 35b are filled with a pressure-transmitting liquid, which preferably has a low coefficient of thermal expansion, and is as incompressible. For this purpose, e.g. a silicone oil.
[0085] Das Messwerk 25 umfasst weiter ein Messwerkgehäuse 37 in das der Differenzdrucksensor und die Druckmittler 27a, 27b unter Freilassung der Trennmembranen 29a, 29b eingesetzt sind. Vorzugsweise ist im Messwerkgehäuse 37 eine Bohrung 39 vorgesehen, über die eine gasdurchlässige Verbindung zwischen dem Innenraum des Messwerkgehäuses 37 und der Umgebung besteht. Der Innenraum ist vorzugsweise durch einen die Bohrung 39 nach außen abdeckenden Spritzwasserschutz 41 und/oder einen in die Bohrung 39 eingesetzten Filter 43 vor eindringender Feuchtigkeit und vor eindringenden Partikeln geschützt. Im Messbetrieb wird der ersten Trennmembran 29a der erste Druck p1 und der zweiten Trennmembran 29b der zweite Druck p2 zugeführt. Die Drücke p1 und p2 werden durch die Druckmittler 27a und 27b auf die Messmembranen 5a, 5b übertragen, die dadurch eine vom Differenzdruck abhängige Auslenkung erfahren, die mittels des Differenzdrucksensors erfasst wird.The measuring unit 25 further comprises a measuring mechanism housing 37 in the Differential pressure sensor and the pressure averagers 27a, 27b, leaving the separation membranes 29a, 29b are used. Preferably, a bore 39 is provided in the measuring mechanism housing 37, via which there is a gas-permeable connection between the interior of the measuring mechanism housing 37 and the environment. The interior is preferably protected by a bore 39 to the outside covering splash water protection 41 and / or a filter inserted into the bore 39 43 from penetrating moisture and from penetrating particles. In measuring operation, the first separation membrane 29a is supplied with the first pressure p1 and the second separation membrane 29b with the second pressure p2. The pressures p1 and p2 are transmitted through the diaphragm seals 27a and 27b to the measuring diaphragms 5a, 5b, which thereby experience a deflection dependent on the differential pressure, which is detected by means of the differential pressure sensor.
Tabelle 1Table 1
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Claims

Ansprüche claims
1. 1. Differenzdrucksensor mit - einer auf einem ersten Träger (3a) angeordneten ersten Messmembran (5a), - auf deren dem Träger (3a) zugewandten Außenseite im Messbetrieb ein erster Druck (p1) einwirkt, - auf deren vom ersten Träger (3a) abgewandten Innenseite mindestens eine erste Elektrode (E1 , EV) und mindestens ein piezoresistives Sensorelement (R) zur Erfassung einer vom Differenzdruck abhängigen Auslenkung der ersten Messmembran (5a) angeordnet sind,1. 1. Differential pressure sensor with - a first carrier (3a) arranged first measuring diaphragm (5a), - on whose the carrier (3a) facing outside in the measuring operation, a first pressure (p1) acts - on the first carrier (3a ) facing away from the inside at least one first electrode (E1, EV) and at least one piezoresistive sensor element (R) for detecting a differential pressure dependent deflection of the first measuring diaphragm (5a) are arranged,
- einer auf einem zweiten Träger (3b) angeordneten zweiten Messmembran (5b),a second measuring diaphragm (5b) arranged on a second carrier (3b),
-- die parallel zur ersten Messmembran (5a) verläuft,which runs parallel to the first measuring diaphragm 5a,
- auf deren dem Träger (3b) zugewandten Außenseite im Messbetrieb ein zweiter Druck (p2) einwirkt,- On whose the carrier (3b) facing outside in measuring operation, a second pressure (p2) acts,
- auf deren vom zweiten Träger (3b) abgewandten Innenseite mindestens eine zweite Elektrode (E2, E2') angeordnet ist, die zusammen mit einer zugeordneten auf der ersten Messmembran (5a) angeordneten ersten Elektrode (E1 , EV) ein kapazitives Sensorelement zur Erfassung eines zwischen dem ersten und dem zweiten Druck (p1 , p2) bestehenden Differenzdrucks bildet, bei dem- At the second carrier (3b) facing away from the inside at least one second electrode (E2, E2 ') is arranged, which together with an associated on the first measuring diaphragm (5a) arranged first electrode (E1, EV) a capacitive sensor element for detecting a forms between the first and the second pressure (p1, p2) existing differential pressure, in which
- die erste und die zweite Messmembran (5a, 5b) über eine einen äußeren Rand (21) der Innenseite der ersten Messmembran (5a) mit einem äußeren Rand (21) der Innenseite der zweiten Messmembran (5b) verbindende mechanische Verbindung (P) und einen mit den Membranmitten der beiden Messmembranen (5a, 5b) verbundenen Abstandshalter (7) gleicher Bauhöhe parallel zueinander angeordnet sind und miteinander fest verbunden sind.- The first and the second measuring diaphragm (5a, 5b) via an outer edge (21) of the inside of the first measuring diaphragm (5a) with an outer edge (21) of the inside of the second measuring diaphragm (5b) connecting mechanical connection (P) and a with the membrane centers of the two measuring membranes (5a, 5b) connected spacers (7) of the same height are arranged parallel to each other and are firmly connected.
2. 2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem auf der Innenseite der zweiten Messmembran (5b) mindestens ein weiteres piezoresistives Sensorelement (R') zur Erfassung einer vom Differenzdruck abhängigen Auslenkung der zweiten Messmembran (5b) angeordnet ist.2. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein on the inside of the second measuring diaphragm (5b) at least one further piezoresistive sensor element (R ') for detecting a differential pressure dependent deflection of the second measuring diaphragm (5b) is arranged.
3. 3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem3. 3. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein
- auf der ersten Messmembran (5a) zwei formgleiche erste Elektroden (E1 , EV) vorgesehen sind, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (7) angeordnet sind,- On the first measuring diaphragm (5a) two identical first electrodes (E1, EV) are provided, which are on opposite sides of the spacer (7) are arranged,
- auf der zweiten Messmembran (5b) zwei formgleiche zweite Elektroden (E2, E2') vorgesehen sind, die auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandshalters (7) angeordnet sind, und- On the second measuring diaphragm (5b) two identical second electrodes (E2, E2 ') are provided, which are arranged on opposite sides of the spacer (7), and
- jeder ersten Elektroden (E1 , ET) eine formgleiche zweite Elektrode (E2, E2') zugeordnet ist, die parallel zu der zugeordneten ersten Elektrode (E1 , EV) dieser unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.- Each first electrode (E1, ET) is associated with a same shape of the second electrode (E2, E2 '), which is arranged parallel to the associated first electrode (E1, EV) of this directly opposite one another.
4. 4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes piezoresistive Sensorelement (R, R') aus mehreren piezoelektrischen Elementen (R11 , R12, R13, R14; R21 , R22, R23, R24) besteht, die zu einer Widerstandsbrücke zusammengeschlossen sind.4. A differential pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein each piezoresistive sensor element (R, R ') consists of a plurality of piezoelectric elements (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) which are connected to form a resistance bridge are.
5. 5. Differenzdrucksensor nach Anspruch 4, bei dem die piezoresistiven Elemente (R11 , R12, R13, R14; R21 , R22, R23, R24) eines Sensorelementes (R, R') in einer Linie symmetrisch zu beiden Seiten des Abstandshalters (7) angeordnet sind.5. The differential pressure sensor according to claim 4, wherein the piezoresistive elements (R11, R12, R13, R14, R21, R22, R23, R24) of a sensor element (R, R ') in a line symmetrical to both sides of the spacer (7 ) are arranged.
6. 6. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem der Differenzdrucksensor aus zwei identischen Teilstücken (1a, 1b) besteht, die miteinander über die mechanische Verbindung (P) und den Abstandshalter (7) verbunden sind, wobei die mechanische Verbindung (P) und der Abstandshalter (7) jeweils aus zwei formgleichen Elementen (7a, 7b) zusammengesetzt sind, von denen eines Bestandteil des ersten Teilstücks (1a) und eines Bestandteil des zweiten Teilstücks (1b) ist, und die miteinander fest verbunden sind.6. The differential pressure sensor according to claim 1, wherein the differential pressure sensor consists of two identical sections (1 a, 1 b), which are connected to each other via the mechanical connection (P) and the spacer (7), wherein the mechanical connection (P) and the spacers (7) are each composed of two identical elements (7a, 7b), one of which is part of the first part (1a) and part of the second part (1b), and which are fixedly connected to each other.
7. 7. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , bei dem die Träger (3a, 3b) mit den darauf angeordneten Messmembranen (5a, 5b) jeweils aus einem BESOI Wafer bestehen, der eine erste, eine dünnere zweite Siliziumschicht (9, 11) und eine dazwischen angeordnete Oxidschicht (13) aufweist, bei dem7. 7. Differential pressure sensor according to claim 1, wherein the carrier (3a, 3b) with the measuring membranes arranged thereon (5a, 5b) each consist of a BESOI wafer having a first, a thinner second silicon layer (9, 11) and a has interposed oxide layer (13), in which
- in der ersten Siliziumschicht (9) eine Ausnehmung (15) vorgesehen ist, die außenseitlich von einem den jeweiligen Träger (3a, 3b) bildenden Teil der ersten Siliziumschicht (9) umgeben ist, und über die ein die jeweilige Messmembran (5a, 5b) bildender Bereich des BESOI Wafers frei gelegt ist, - in der zweiten Siliziumschicht (11) eine Ausnehmung vorgesehen ist, durch die die Oxidschicht (13) bis auf einen äußeren Rand (21) und einen Bereich (23) in der Mitte der Oxidschicht (13) freigelegt ist, wobei zumindest Teilbereiche des verbleibenden äußeren Randes (21) der zweiten Siliziumschicht (11) Bestandteil der mechanischen Verbindung (P) sind und der in der Mitte verbleibende Bereich (23) der zweiten Siliziumschicht (11) einen Teil des Abstandshalters (7) bildet,- In the first silicon layer (9) has a recess (15) is provided, the outside of a respective carrier (3a, 3b) forming part of the first silicon layer (9) is surrounded, and on a the respective measuring membrane (5a, 5b ) forming area of the BESOI wafer is exposed, - In the second silicon layer (11) is provided a recess through which the oxide layer (13) except for an outer edge (21) and a region (23) in the middle of the oxide layer (13) is exposed, wherein at least portions of the remaining outer edge (21) of the second silicon layer (11) are part of the mechanical connection (P) and the central region (23) of the second silicon layer (11) forms part of the spacer (7),
- mindestens eine Elektrode (E1 , E1'; E2, E2') auf der freigelegten Oxidschicht (13) aufgebracht ist,at least one electrode (E1, E1 ', E2, E2') is applied to the exposed oxide layer (13),
- auf mindestens einem der beiden BESOI Wafer ein piezoresisitives Sensorelement (R, R') auf der freigelegten Oxidschicht (13) angeordnet ist, undon at least one of the two BESOI wafers a piezoresistive sensor element (R, R ') is arranged on the exposed oxide layer (13), and
- die beiden BESOI Wafer miteinander über ein- the two BESOI wafers together over one
Verbindungsmaterial fest verbunden sind, das auf als Verbindungsflächen (P1 , P2, P3, P4) dienenden Teilbreichen der äußeren Ränder (21) der zweiten Siliziumschichten (11) und auf den in der Mitte verbliebenen Bereichen (23) der zweiten Siliziumschichten (11) flächig aufgebracht ist.Connection material are fixed, serving as connecting surfaces (P1, P2, P3, P4) Teilbreichen the outer edges (21) of the second silicon layers (11) and on the remaining areas in the center (23) of the second silicon layers (11) is applied.
8. 8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, bei dem die Verbindungsflächen (P1 , P2, P3, P4) formgleich sind und symmetrisch auf dem jeweiligen äußeren Rand (21) der jeweiligen zweiten Siliziumsicht (11) angeordnet sind.8. Differential pressure sensor according to claim 7, wherein the connecting surfaces (P1, P2, P3, P4) are identical in shape and are arranged symmetrically on the respective outer edge (21) of the respective second silicon view (11).
9. 9. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, bei dem die ersten und die zweiten Elektroden (E1 , E1 '; E2, E2') aus dem gleichen Werkstoff, insb. aus Gold, bestehen, der auch als Verbindungsmaterial verwendet wird.9. The differential pressure sensor according to claim 7, wherein the first and second electrodes (E1, E1 ', E2, E2') are made of the same material, esp. Of gold, which is also used as a connecting material.
10. 10. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7, bei dem Anschlussleitungen (KE1 , KEV, KE2, KE2\ KR1 , KR2, KR3, KR4, KR1\ KRZ, KR3', KR4') für die kapazitiven und die piezoresisitiven Sensorelemente (E, E', R, R') auf die Innenseiten der beiden Messmembranen (5a, 5b) aufgebracht sind, und zwischen den Verbindungsflächen (P1 , P2, P3, P4) aus dem Differenzdrucksensor heraus geführt sind. 10. The differential pressure sensor according to claim 7, wherein the connecting lines (KE1, KEV, KE2, KE2 \ KR1, KR2, KR3, KR4, KR1 \ KRZ, KR3 ', KR4') for the capacitive and the piezoresistive sensor elements (E, E ', R, R') on the inner sides of the two measuring membranes (5a, 5b) are applied, and are guided out of the differential pressure sensor between the connecting surfaces (P1, P2, P3, P4).
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