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Konzept eines Differenzdruck-sensors in Oberflächen-Mikromechanik

IP.com Disclosure Number: IPCOM000018353D
Original Publication Date: 2002-Jun-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-23
Document File: 2 page(s) / 530K

Publishing Venue

Siemens

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Dr. Dieter Maier-Schneider: AUTHOR

Abstract

Die Herstellung eines echten Differenzdrucksensors ist in der Oberflächenmikromechanik technisch schwierig zu realisieren. Differenzdrucksensoren, deren Ausgangssignal einem Differenzdruck

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Bauelemente

Konzept eines Differenzdruck-sensors in Oberflächen-Mikromechanik

Idee: Dr. Dieter Maier-Schneider, München

Die Herstellung eines echten Differenzdrucksensorsist in der Oberflächenmikromechanik technischschwierig zu realisieren. Differenzdrucksensoren,deren Ausgangssignal einem Differenzdruck

2

1). Dort kann man auf beiden Seiten einer druckemp-findlichen Membran die beiden Drücke p1 und p2anlegen.  Die  Auslenkung  der Membran ist danndirekt proportional der Druckdifferenz  p

D   . Druck-sensoren in Bulkmikromechanik lassen sich im Ver-gleich zu  Drucksensoren  in  Oberflächenmikrome-chanik nur schwer in eine Standard CMOS-Fertigungintegrieren. Dies  ist  aber  Voraussetzung  für  eineIntegration von Drucksensor und Auswerteschaltungauf  einem  Chip.  Intelligente Bulkmikromechanik-Sensoren sind daher meist 2-Chip Lösungen.

Abb. 1:

=D   direktin eine Kapazität 2

1  ppp    -

=D   proportional ist, werden vorzugsweisein Bulkmikromechanik  realisiert  (siehe  Abbildung

Abb. 2:

Im Folgendem  wird  eine  Lösung  vorgeschlagen,welche die  Realisierung  eines  echten  Differenz-drucksensors als Oberflächenmikromechanik ermög-licht. Der vorgeschlagene Differenzdrucksensor ist inder Lage, einen Differenzdruck 2

=D    umzuwandeln.Dadurch ist eine einfache Integration in eine elektri-sche Auswerteschaltung auf einem Chip möglich undeine Fertigung in einer Standard CMOS-Umgebungmöglich.

Der  Sensor  (siehe  Abbildung  3)  besteht  aus zweigetrennten Hohlräumen, die übereinander angeordnetsind. Jeder Hohlraum hat eine eigene Druckanbin-dung. Über die Öffnung A wird der Druck  p1  einge-koppelt und über die Öffnung B wird der Druck  p2eingekoppelt. Die beiden Hohlräume teilen sich eineGrenzfläche (Trennschicht 1), die von der einen Seitemit dem Druck  p1  und von der anderen Seite mitdem  Druck  p2  beaufschlagt wird.  Jeder  Hohlraumhat  eine  eigene  Gegenelektrode.  Dadurch  ergebensich  zwei  Kapazitäten  C1   und  C2   mit  der  Eigen-schaft, dass bei Druckänderung  p

1  ppp    -

1  CCC    -

D    sich die Kapazi-

tät  C1  um das gleiche  C

D    erhöht, um das sich  C2erniedrigt. Damit lässt sich sehr einfach eine kapazi-tive  Halb-  oder  Voll-Brückenschaltung  realisieren,deren Ausgangsspannung direkt proportional zu  p

D

Differenzdrucksensor in  Bulkmikromechanik.  DieAuslenkung der Membran ist direkt proportional der

Druckdifferenz 2

In Form einer Oberflächenmikromechanik läßt sicheine Beaufschlagung der beiden Drücke auf beidenSeiten einer druckempfindlichen Membran nurschwierig realisieren. Eine vorgeschlagene Realisie-rungsvariante zeigt Abbildung 2. Dort ist jedoch eineAbsolutkapazität  C   direkt  proportional  zum  Diffe-renzdruck  p

D   . Dadurch ist bei dieser Realisierungeine druckunempfindliche Referenzzelle und einAbgleich  zwischen  Sensorzelle  und Referenzzelleerforderlich. Außerdem  ist  bei  dieser  Lî..