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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 2 1 p p [g68] [g61] p [g45] proportional ist, werden vorzugsweise in Bulkmikromechanik realisiert (siehe Abbildung 1). Dort kann man auf beiden Seiten einer druckemp- findlichen Membran die beiden Drücke p1 und p2 anlegen. Die Auslenkung der Membran ist dann [g68] direkt proportional der Druckdifferenz p . Druck- sensoren in Bulkmikromechanik lassen sich im Ver- gleich zu Drucksensoren in Oberflächenmikrome- chanik nur schwer in eine Standard CMOS-Fertigung integrieren. Dies ist aber Voraussetzung für eine Integration von Drucksensor und Auswerteschaltung auf einem Chip. Intelligente Bulkmikromechanik- Sensoren sind daher meist 2-Chip Lösungen.

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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� L�...