Titel

Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung mit mindestens einem ersten mikromechanischen Sensorelement, in dessen Vorderseite eine erste druckempfindliche Membran ausgebildet ist, und mit einem Moldge- häuse für das Sensorelement, wobei in dem Moldgehäuse mindestens eine Öffnung zur Druckbeaufschlagung ausgebildet ist.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 038 443 A1 wird eine derartige Sensoranordnung beschrieben. Das mikromechanische Sensorelement ist hier auf einem Träger montiert und zusammen mit dem Träger in ein Moldgehäuse eingebettet. Um den Einfluss von montage- und gehäusebedingten mechanischen Spannungen auf die druckempfindliche Membran des Sensorelements möglichst gering zu halten, ist das Sensorelement so auf dem Träger montiert, dass der aktive Bereich des Sensorelements, d.h. der Bereich, in dem die druckempfindliche Membran ausgebildet ist, seitlich über den Träger hinausragt. Zudem ist im Moldgehäuse eine Öffnung ausgebildet, in die der aktive Bereich des Sensorelements hineinragt und über die auch die Druckbeaufschlagung der Membran erfolgt. Die bekannte Sensoranordnung hat sich in der Praxis insbe- sondere für Absolutdruckmessungen mit Sensorelementen bewährt, deren

Membran in der Vorderseite des Sensorelements über einer rückseitig geschlossenen Kaverne ausgebildet ist.

Zudem ist es bekannt, zur Differenzdruckerfassung Sensorelemente mit einer druckempfindlichen Membran einzusetzen, die beidseitig mit Druck beaufschlagt werden kann. Auch bei diesen Sensorelementen ist die Membran in der Regel in der Vorderseite ausgebildet. Die rückseitige Druckbeaufschlagung erfolgt meist über einen engen Kanal, der mit bekannten Verfahren, wie z.B. durch KOH-Ätzen oder Trenchen, in der Rückseite des Sensorelements erzeugt worden ist. Je nach den Umgebungsbedingungen, denen das Sensorelement in der Applikation ausgesetzt ist, können sich Partikel in diesem engen Kanal absetzen oder es kann eine Vereisung des Kanals auftreten, was letztlich zu einem Bruch der Membran führen kann. Um dies zu verhindern, werden derartige Sensorelemente in der Praxis mit einer aufwendigen Rückseitenvergelung versehen.

Es ist ferner bekannt, zwei Messdrücke unabhängig voneinander mit Hilfe zweier

Absolutdrucksensoren zu erfassen, um den Differenzdruck anschließend durch entsprechende Verschaltung der Messsignale elektrisch zu ermitteln. Die Messgenauigkeit dieser Zweichip-Differenzdrucksensoren hängt wesentlich von der thermischen Kopplung der beiden Sensorelemente ab, da die Messsignale der einzelnen Absolutdrucksensoren stark temperaturabhängig sind.

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung vorgeschlagen, die einfach im Aufbau, robust in der Applikation und zuverlässig in der Messwerterfassung ist.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung umfasst dazu ein erstes und ein zweites mikromechanisches Sensorelement, in deren

Vorderseite jeweils eine druckempfindliche Membran ausgebildet ist. Die beiden Sensorelemente sind über ihre Rückseiten miteinander verbunden. Dieser Verbund ist so in ein Moldgehäuse eingebettet, dass die Membran des ersten Sensorelements mit einem ersten Messdruck und die Membran des zweiten Sensor- elements mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist. Außerdem sind schaltungstechnische Mittel zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck vorgesehen.

Erfindungsgemäß wird durch den rückseitigen Verbund eine sehr gute thermi- sehe Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen hergestellt. Dadurch werden thermisch bedingte Hystereseeffekte bei der Messwerterfassung mit den beiden Sensorelementen minimiert, was wesentlich zur Zuverlässigkeit der Messergebnisse beiträgt. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung treten jeweils nur die Vorderseiten der Sensorelemente mit den Messmedien in Kontakt. Diese Oberflächen sind im Vergleich zu rückseitigen Druckzuführungskanä- len unanfällig gegen Verschmutzung oder Vereisung. Erfindungsgemäß ist schließlich noch erkannt worden, dass sich der Verbund der beiden Sensorelemente sehr gut in ein Moldgehäuse mit Druckanschlüssen einbetten lässt. Da Moldgehäuse mit unterschiedlichsten Geometrien herstellungstechnisch einfach realisiert werden können und zudem einen guten Schutz gegen mechanische Einflüsse und eine chemisch aggressive Messumgebung bieten, kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung durch entsprechende Auslegung des Moldge- häuses sehr gut für den Einsatz im Rahmen spezieller Applikationen konfigurieren werden.

Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit unterschiedlichen Sensorelementen realisiert werden, solange sich ein rückseitiger Verbund zwischen den beiden Sensorelementen herstellen lässt und eine unabhängige Messdruckerfassung gewährleistet ist.

Als vorteilhaft im Hinblick auf eine zuverlässige Messdruckerfassung erweist sich eine Kombination von zwei in Oberflächenmikromechanik (OMM) gefertigten Absolutdruck-Sensorelementen, bei denen die Membran jeweils einen abgeschlossenen Hohlraum im Schichtaufbau des Sensorelements überspannt. In diesem Falle kann der Verbund zwischen den beiden Sensorelementen einfach in Klebe- technik realisiert werden. Dazu sollte ein thermisch gut leitender Klebstoff verwendet werden, um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen zu erzielen.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das erste und das zweite Sensorelement zudem eine im wesentlichen identische Dimensionierung und Sensorstruktur aufweisen und aus denselben Halbleitermaterialien aufgebaut sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich thermische Einflüsse auf die Sensoranordnung auch in gleicher weise auf die beiden Sensorelemente auswirken.

An dieser Stelle sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung auch andere Kombinationen von Sensorele- menten umfassen kann. Möglich wäre beispielsweise auch die Kombination eines in OMM realisierten ersten Sensorelements, dessen Membran einen abgeschlossenen Hohlraum im Schichtaufbau überspannt, mit einem in BuIk- Mikromechanik realisierten zweiten Sensorelement, dessen Membran eine Ka- verne in der Rückseite überspannt. In diesem Fall muss der Verbund zwischen den beiden Sensorelementen allerdings durch Bonden hergestellt werden, um die Kaverne des zweiten Sensorelements druckdicht abzuschließen und so eine unabhängige Messdruckerfassung zu gewährleisten.

Aus aufbautechnischen Gründen erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Verbund aus erstem und zweitem Sensorelement auf einem Träger über einer Druckanschlussöffnung in diesem Träger montiert ist. Dazu kann die aus der Halbleitertechnik bekannte Flip-Chip-Montagetechnik verwendet werden. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall auch zumindest ein Abschnitt des Trägers in das Moldgehäuse integriert.

Ein komplettes Sensormodul zum Ermitteln des Differenzdrucks kann einfach dadurch geschaffen werden, dass neben dem Verbund der Sensorelemente auch die schaltungstechnischen Mittel zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck auf dem Träger angeordnet werden und mit dem entsprechenden Trägerabschnitt in das Moldgehäuse integriert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nach- geordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 10. Ausführungsform der Erfindung

Die in der einzigen Figur dargestellte Sensoranordnung 10 dient der Differenzdruckmessung. Dazu umfasst die Sensoranordnung 10 zwei mikromechanische Sensorelemente 1 und 2 zur Absolutdruckmessung und schaltungstechnische

Mittel 3 zum Ermitteln eines Differenzdrucks aus den voneinander unabhängigen Messsignalen der beiden Sensorelemente 1 und 2. Die Sensorelemente 1 und 2 sind zusammen mit den schaltungstechnischen Mitteln 3 in einem Moldgehäuse 4 mit zwei voneinander unabhängigen Druckanschlussöffnungen 5 und 6 ange- ordnet.

Die Sensorstruktur beider Sensorelemente 1 und 2 umfasst eine druckempfindlichen Membran 1 1 bzw. 12, die einen abgeschlossenen Hohlraum 13 bzw. 14 im Schichtaufbau des Sensorelements 1 bzw. 2 überspannt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurden diese Sensorstrukturen in OMM erzeugt. Dementsprechend sind die beiden Membranen 1 1 bzw. 12 jeweils in der Vorderseite des Sensorelements 1 bzw. 2 ausgebildet.

Die beiden Sensorelemente 1 und 2 sind über ihre Rückseiten miteinander ver- bunden, so dass die beiden Membranen 1 1 und 12 einander gegenüber angeordnet sind. Da die Geometrie und Dimensionierung sowie der Schichtaufbau der beiden Sensorstrukturen im wesentlichen identisch sind, ist der Verbund der beiden Sensorelemente 1 und 2 hier spiegelsymmetrisch. Zudem wirken sich thermische Einflüsse dadurch in gleicher weise auf die Sensorstrukturen und damit die Messsignale der beiden Sensorelemente 1 und 2 aus. Um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorstrukturen zu erzielen, wurde ein thermisch gut leitender Klebstoff 15 zur Herstellung des Verbunds verwendet.

Der Verbund der beiden Sensorelementen 1 und 2 ist in Flip-Chip-Technik auf einem Träger 16 montiert, der eine Druckanschlussöffnung 17 aufweist. Die Membran 1 1 des dem Träger 16 zugewandten Sensorelements 1 ist über dieser Druckanschlussöffnung 17 im Träger 16 positioniert. Die schaltungstechnischen Mittel zum Ermitteln eines Differenzdrucks sind hier in Form eines ASICs 3 reali- siert, der ebenfalls auf dem Träger 16 angeordnet ist und über Drahtbonds 18 mit den Sensorelementen 1 und 2 verbunden ist. Der Verbund der beiden Sensor- elemente 1 und 2 wurde zusammen mit dem ASIC 3 und den Drahtbonds 18 in die Moldmasse 19 des Gehäuses 4 eingebettet. Dabei wurden die Druckanschlussöffnungen 5 und 6 für die Membranen 1 1 und 12 durch Verwendung der Film-Moldtechnik ausgebildet.