Mikromechanischer kapazitiver Differenzdrucksensor mit hoher Überlastfestigkeit in Silicium-Glas-Technologie

Beschreibung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein kapazitiver Differenzdrucksensor für einen Nenndifferenzdruck von 1 bar (105 Pa) und einem einseitigen Überlastdruck bis 250 bar (25 MPa) entwickelt. Der Sensor ist in sich stabil und kann ohne ein externes Überlastsystem betrieben werden. Der realisierte Sensor besteht aus einem Dreifachaufbau aus Pyrex-Glas und Silicium, der mittels anodischem Bonden verbunden wird. Neben dem Sensorentwurf, der auf die Ergebnisse umfangreicher Simulationen mit der Finite-Elemente-Mothode (FEM) und zahlreicher Vorversuche gestützt ist, wird die technologische Realisierung diskutiert und die meßtechnische Charakterisierung des Sensors vorgestellt. Mit Hilfe der FE-Simulationen konnte die Festigkeit der Silicium/Glas- Verbindung anhand verschiedener Teststrukturen für unterschiedliche Belastungsfälle analysiert und ein geeigneter Sensoraufbau ausgewählt werden. Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse wurden geeignete Teststrukturen entwickelt und durch Berstversuche auf ihre Festigkeit hin untersucht. Die Meßergebnisse an den realisierten Sensoren zeigen, daß die gehäusten und ölbefüllten Sensoren für einen Differenzdruck von 1 bar (105 Pa) eine relative Kapazitätsänderung von typ. 13 % und einen Linearitäts- und Hysteresefehler unter 0,1 % aufweisen. Die Temperaturkoeffizienten des Nullpunktsignals und Spannensignals liegen im Temperaturbereich von -30 oC. +80oC unter 0,2 %/10 K. Der Einfluß des statischen Drucks auf das Nullpunktsignal beträgt ca. 1 %/100 bar und auf das Spannensignal ca. 0,5%/100 bar. Diese Werte liegen um einen Faktor fünf über den angestrebten Werten; sie können durch eine Optimierung der Montagetechnik deutlich verringert werden. Die Meßergebnisse wurden mit einer off-chip- Elektronik ermittelt. Der entwickelte kapazitive Differenzdrucksensor weist gegenüber den bisher verfügbaren Lösungen in Aluminiumoxid-Keramik einen deutlichen Kostenvorteil auf, da die hohe Oberlastfestigkeit ohne ein aufwendiges externes Überlastsystem erreicht wird. Der Meßumformer ist zur Messung von Druck, Differenzdruck, Durchfluß und Füllstand von Flüssigkeiten und Gasen geeignet.

Autor*in

Stefan Hein

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