DE10130372A1

DE10130372A1 - Differenzdrucksensor

Info

Publication number: DE10130372A1
Application number: DE10130372A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Scholz; Albrecht Vogel; Peter Krippner; Dieter Binz
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2001-06-23
Filing date: 2001-06-23
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2021-06-24
Also published as: US20020194920A1; DE10130372B4; US6536288B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik mit einer zwischen zwei Trägerplatten (3, 4) angeordneten Membranplatte (2). Zur Erzielung einer hohen Auflösung am Messbereichsanfang bei hoher Überlastfestigkeit wird vorgeschlagen, dass die Membranplatte (2) für einen vorgegebenen Messbereich innerhalb derselben Messkammern (30, 40) eine Mehrzahl voneinander unabhängiger auslenkbarer Bereiche als Messmembranen (22, 24) für jeweils einen Teilsensor (12, 14) mit einem Teilmessbereich aufweist, wobei die Überlagerung aller Teilmessbereiche der Teilsensoren (12, 14) gleich dem vorgegebenen Messbereich des Differenzdrucksensors (1) ist, wobei die Hubhöhe der Messmembran (22, 24) jedes Teilsensors (12, 14) außerhalb seines Teilmessbereichs mechanisch durch die Trägerplatten (3, 4) begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik mit hoher Überlasttestigkeit für industrielle Anwendungen.

Zur Messung von Differenzdrücken werden üblicherweise piezoresistive oder kapazitive Drucksensoren eingesetzt. Gemeinsames Kennzeichen beider ist, dass druckabhängig eine Membran verformt wird. Das Maß der Verformung ist dabei ein Maß für den Druck.

Piezoresistive Drucksensoren zeichnen sich durch eine hohe Langzeitstabilität, einen weiten Einsatztemperaturbereich und eine großen Messbereich bei geringer Temperaturabhängigkeit und hoher Messdynamik aus. Jedoch weisen piezoresistive Drucksensoren insbesondere bei hohen Drücken beziehungsweise Differenzdrücken eine unzureichende Überlastfestigkeit auf.

Aus der DE 20 01 9067 ist eine Druckmesseinrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor und hydraulischer Kraftübertragung bekannt, bei der der Prozessdruck des Messmediums unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf den Drucksensor übertragen wird, wobei die prozessdruckabhängige, druckmittlerverdrängende Auslenkung der Trennmembran auf einen den Messbereich vorgebbar übersteigenden Betrag mechanisch begrenzt ist und der Drucksensor in der Druckmesseinrichtung beweglich an einer mechanisch vorgespannten Überlastmembran angeordnet ist, die in Abhängigkeit von den Messbereich übersteigendem Prozessdruck einen volumenvariablen Ausgleichsraum zur Aufnahme überschüssigen Druckmittlers begrenzt.

Dieser Aufbau ist aufwändig und darüber hinaus durch eine Vielzahl von Fügeprozessen zwischen druckbeaufschlagten Bauteilen gekennzeichnet, die insbesondere bei hohen Grenzdrücken extreme Anforderungen an die Fügestelle stellen. Industrielle Anwendungen von Differenzdrucksensoren verlangen Überlastsicherheit bis 400 bar.

Aus der DE 42 07 949 ist ein kapazitiver Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik bekannt, bei dem eine als druckempfindliche Membran und als erste Elektrode dienende Platte aus Silizium zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Platte und die Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der als Membran dienenden Platte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Platte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, dass die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden.

Die differenzdruckabhängige Verformung der als Membran dienenden Platte bewirkt eine Kapazitätsänderung der Kondensatoranordnung, wobei die Kapazitätsänderung direkt ein Maß für den Differenzdruck ist. Die Kapazitätsänderung wird elektrisch gemessen. Um einen weiten Messbereich mit ausreichender Messgenauigkeit überstreichen zu können, ist für den auslenkbaren Bereich der als Membran dienenden Platte eine Hubhöhe erforderlich, die der überlastungsfesten Ausbildung des Differenzdrucksensor entgegensteht. Industrielle Anwendungen von Differenzdrucksensoren verlangen Überlastsicherheit bis 400 bar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Differenzdrucksensor anzugeben, der bei hoher Auflösung am Messbereichsanfang eine hohe Überlastfestigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung geht von einem bekannten kapazitiven Differenzdrucksensor in Glas- Silizium-Technik aus, bei dem eine als erste Elektrode dienende Membranplatte aus Silizium mit einem druckempfindlich auslenkbaren Bereich zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Membranplatte und jede Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membranplatte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Membranplatte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der Membranplatte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, dass die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Membranplatte für einen vorgegebenen Messbereich innerhalb derselben Messkammern eine Mehrzahl voneinander unabhängiger auslenkbarer Bereiche als Messmembranen für jeweils einen Teilsensor mit einem Teilmessbereich aufweist, wobei die Überlagerung aller Teilmessbereiche der Teilsensoren gleich dem vorgegebenen Messbereich des Differenzdrucksensors ist, wobei die Hubhöhe der Messmembran jedes Teilsensors außerhalb seines Teilmessbereichs mechanisch begrenzt ist.

Der Messbereich des Differenzdrucksensors setzt sich aus den Teilmessbereichen der einzelnen Teilsensoren zusammen. Dabei geht die im Teilmessbereich jedes Teilsensors hohe Auflösung in die Auflösung des Differenzdrucksensors über den gesamten Messbereich ein. Dementsprechend wird die Auflösung am Messbereichsanfang des Differenzdrucksensors durch die Auflösung des Teilsensors mit dem Teilmessbereich für geringste Differenzdrücke bestimmt. Je nach Weite des Messbereichs des Differenzdrucksensors und geforderter Auflösung über den Messbereich bestimmt sich die Anzahl der Teilsensoren. Mit steigender Anzahl von Teilsensoren wird bei gleichbleibender Auflösung der Messbereich des Differenzdrucksensors erhöht und innerhalb eines vorgegebenen Messbereichs des Differenzdrucksensors die Auflösung erhöht.

Vorteilhafterweise genügt damit ein einziger Differenzdrucksensor für eine Vielzahl unterschiedlicher industrieller Anwendungen. Dadurch reduziert sich der Aufwand in der Fertigung und Lagerhaltung durch eine geringere Anzahl verschiedener Einzelteile und höhere Stückzahlen des einzigen Differenzdrucksensors sowie im Service.

Soweit der anliegende Differenzdruck den Messbereich eines Teilsensors um einen vorgebbaren Betrag überschreitet, legt sich die Messmembran dieses Teilsensors an die nächstliegende Trägerplatte an. Damit ist die Messmembran dieses Teilsensors wirksam gegen Beschädigung durch Überlast geschützt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Teilmessbereiche von im Messbereich aufeinanderfolgenden Teilsensoren an den Messbereichsgrenzen einander überlappend ausgeführt. In dem dadurch entstehenden Messbereichsgrenzband wird der Differenzdruck von zwei Teilsensoren benachbarter Teilmessbereiche gemessen. Dabei ist offensichtlich, dass die beiden Teilsensoren für Differenzdrücke im Messbereichsgrenzband aufeinanderfolgender Teilmessbereiche denselben Messwert liefern müssen.

Vorteilhafterweise wird durch diese partielle Redundanz eine Bestätigung von Messwerten der Teilsensoren für Differenzdrücke in den Messbereichsgrenzbändern aufeinanderfolgender Teilmessbereiche erreicht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die verschiedenen Teilmessbereiche der Teilsensoren durch den jeweiligen Teilmessbereich angepasste Steifigkeit der Messmembran eingestellt. Durch die Abhängigkeit des jeweiligen Teilmessbereichs von der Steifigkeit der Messmembran wird die gleiche maximale Hubhöhe für alle Teilsensoren des Differenzdrucksensors erreicht.

Vorteilhafterweise ist damit die mechanische Hubhöhenbegrenzung für alle Teilsensoren des Differenzdrucksensors zum Überlastschutz identisch in einer Ebene gelegen.

Nach einem ausgestaltenden Merkmal der Erfindung ist die Steifigkeit der Messmembran durch die Membranfläche eingestellt. Dabei ist die Membranstärke der Messmembran für alle Teilsensoren gleich. Bei gleicher Membranstärke weisen Messmembranen mit kleinerer Membranfläche eine größere Steifigkeit als Messmembranen mit größerer Membranfläche auf. Die Messmembranen der Teilsensoren, deren Teilmessbereiche für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, weisen eine größere Steifigkeit als die Messmembranen der Teilsensoren auf, deren Teilmessbereiche für geringe Differenzdrücke ausgelegt sind.

Vorteilhafterweise sind dabei alle Messmembranen bei Herstellung mit einem einzigen Tiefenstrukturierungsprozess formbar. Bei einer Membranplatte aus Silizium ist es vorteilhaft, die Tiefenstrukturierung durch Ätzen zu bewirken. Dabei ist die Ätztiefe proportional zur Ätzdauer. Bei gleicher Membranstärke der Messmembran für alle Teilsensoren werden alle Messmembranen in einem einzigen Ätzprozess mit gleicher Dauer für alle Messmembranen strukturiert.

Nach einem alternativen ausgestaltenden Merkmal der Erfindung ist die Membranstärke und die Fläche der Messmembran für alle Teilsensoren gleich und jede Messmembran weist in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich Versteifungsstrukturen auf.

Vorteilhafterweise gelingt es dadurch, auf einer Membranplatte geringer Fläche eine Vielzahl von Teilsensoren unterzubringen. Besonders vorteilhaft ist dieses Merkmal bei Differenzdrucksensoren für einen weiten Messbereich bei hoher Auflösung über den gesamten Messbereich.

Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren in erster Ausführungsform;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 0-0 in Fig. 1;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren in zweiter Ausführungsform;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdrucksensors mit mehreren Teilsensoren in dritter Ausführungsform;
Fig. 5 eine Detaildarstellung einer Messmembran mit Versteifungsstrukturen;
Fig. 6 eine grafische Darstellung des Messbereichs des Differenzdrucksensors und dessen Teilsensoren;
In Fig. 1 ist der laterale Aufbau eines Differenzdrucksensors 1 mit sechs Teilsensoren 11 bis 16 in einer ersten Ausführungsform prinzipiell dargestellt. In Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 0-0 in Fig. 1 gezeigt. Im weiteren wird auf die Fig. 1 und 2 gleichzeitig Bezug genommen.
Der Differenzdrucksensor 1 besteht im wesentlichen aus einer Membranplatte 2 aus Silizium, die zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten 3 und 4 angeordnet ist, wobei die Membranplatte 2 und jede Trägerplatte 3 und 4 in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte 3 und 4 zusammen mit der Membranplatte 2 jeweils eine Messkammer 30 und 40 bildet.
Jede Trägerplatte 3, 4 weist einen senkrecht zur Ebene der Berührungsflächen der Membranplatte 2 und der Trägerplatten 3, 4 verlaufenden zentralen Druckzuleitungskanal 37, 47 auf, an den jeweils sechs radial ausgerichtete Kapillare 5 angeschlossen sind. Jede Kapillare 5 mündet in einen Sektor 31 bis 36 und 41 bis 46. Bezogen auf die Ebene der Membranplatte 2 sind jeweils ein an die Trägerplatte 3 angrenzender Sektor 31 bis 36 und ein an die Trägerplatte 4 angrenzender Sektor 41 bis 46 als zusammengehöriges Sektorpaar 31/41 bis 36/46 deckungsgleich angeordnet.
Dementsprechend ist die von der Trägerplatte 3 begrenzte Messkammer 30 in sechs Sektoren 31 bis 36 und sechs an den Druckzuleitungskanal 37 angeschlossene Kapillare 5 geliedert. Die von der Trägerplatte 4 begrenzte Messkammer 40 ist in sechs Sektoren 41 bis 46 und sechs an den Druckzuleitungskanal 47 angeschlossene Kapillare 5 gegliedert.
Die Membranplatte 2 ist im Deckungsbereich jedes Sektorpaares 31/41 bis 36/46 als druckempfindlich auslenkbare Messmembran 21 bis 26 ausgestaltet. Jeweils ein Sektorpaar 31/41 bis 36/46 und die zugehörige Messmembran 21 bis 26 bilden einen der sechs Teilsensoren 11 bis 16.
Die Teilsensoren 11 bis 16 sind sternförmig im Differenzdrucksensor 1 verteilt. Jedem Teilsensor 11 bis 16 sind zur Erfassung der druckabhängigen Auslenkung seiner Messmembran 21 bis 26 insgesamt vier Elektroden zugeordnet. In der Fig. 2 sind für die Teilsensoren 12 und 14 die zugehörigen Elektroden 121 bis 124 und 141 bis 144 dargestellt, die als dünne Metallisierungsschichten ausgebildet sind. Für jeden Teilsensor 12 und 14 ist jeweils eine Elektroden 121 und 141 an der Trägerplatte 3 und eine Elektroden 124 und 144 an der Trägerplatte 4 angebracht. Die Elektroden 122 und 142 sind an der der Trägerplatte 3 zugewandten Seite der Messmembranen 22 und 24 und die Elektroden 123 und 143 an der der Trägerplatte 4 zugewandten Seite der der Messmembranen 22 und 24 angeordnet.
Die in demselben Sektor 32, 42, 34 und 44 angeordneten Elektrodenpaare 121/122, 123/124 und 141/142 und 143/144 bilden jeweils einen Kondensator, wobei das Kapazitätsverhältnis der Kondensatoren desselben Teilsensors 12 und 14 ein Maß für die Differenz zwischen den Drücken in den Messkammern 30 und 40 ist.
Die Kapazitätsverhältnisse werden für jeden Teilsensor 11 bis 16 separat auf elektronischem Wege ausgewertet. Die Messwerte der Teilsensoren 11 bis 16 werden auf Plausibilität geprüft und zu einem Messwert für den Differenzdrucksensor 1 zusammengeführt.
Der Abstand der jeweils einen Kondensator bildenden Elektrodenpaare 121/122, 123/124 und 141/142 und 143/144 begrenzt den differenzdruckabhängigen Hub der Messmembranen 21 bis 26. Dabei ist der Abstand so eng bemessen, dass bei Elektrodenflächen von weniger als 1/10 mm² noch verwertbare Kapazitätswerte der Kondensatoren erreicht werden.
Sobald der Differenzdruck den Teilmessbereich 101 bis 106 eines Teilsensors 11 bis 16 nachhaltig übersteigt, führt die adäquate Auslenkung der zugehörigen Messmembran 21 bis 26 dazu, dass sich in der Messkammer 30 oder 40 niederen Drucks die Elektroden zunächst punktuell und mit steigendem Differenzdruck flächig berühren. Der geringe Abstand zwischen den jeweils einen Kondensator bildenden Elektrodenpaaren 121/122, 123/124 und 141/142 und 143/144 bewirkt einen beschädigungsfreien Überlastschutz jedes Teilsensors 11 bis 16.
Die Teilmessbereiche 101 bis 106 der Teilsensoren 11 bis 16 sind durch eine angepasste Steifigkeit der Messmembranen 21 bis 26 eingestellt.
In der ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Membranstärke der Messmembranen 21 bis 26 für alle Teilsensoren 11 bis 16 gleich ist. Bei gleicher Membranstärke weisen Messmembranen 21, 22 und 23 mit kleinerer Membranfläche eine größere Steifigkeit als Messmembranen 24, 25 und 26 mit größerer Membranfläche auf. Die Messmembranen 21, 22 und 23 der Teilsensoren 11, 12 und 13, deren Teilmessbereiche 101, 102 und 103 für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, weisen eine größere Steifigkeit als die Messmembranen 24, 25 und 26 der Teilsensoren 14, 15 und 16 auf, deren Teilmessbereiche 104, 105 und 106 für geringe Differenzdrücke ausgelegt sind.
Vorteilhafterweise sind dabei alle Messmembranen 21 bis 26 bei Herstellung mit einem einzigen Tiefenstrukturierungsprozess formbar. Bei einer Membranplatte 2 aus Silizium ist es vorteilhaft, die Tiefenstrukturierung durch Ätzen zu bewirken. Dabei ist die Ätztiefe proportional zur Ätzdauer. Die Ätztiefe wird durch eine Stopschicht begrenzt. Zweckmäßigerweise besteht diese Stopschicht aus Siliziumoxid. Bei gleicher Membranstärke der Messmembranen 21 bis 26 für alle Teilsensoren 11 bis 16 werden alle Messmembranen 21 bis 26 in einem einzigen Ätzprozess mit gleicher Dauer für alle Messmembranen 21 bis 26 strukturiert.
Der Differenzdrucksensor 1 ist in einem druckfesten Mantel aus keramischem Spritzguß eingebettet. Der Mantel umschließt den Differenzdrucksensor 1 einstückig und umfasst Anschlussstutzen zur Verbindung des Messwerks mit Prozessdruckleitungen. Vorteilhafterweise werden dadurch druckbelastete Fügestellen im Messwerk vermieden.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Differenzdrucksensor 1 weist sechs Teilsensoren 11 bis 16, die kreisförmig im Differenzdrucksensor 1 verteilt sind, und für jede Messkammer einen Druckzuleitungskanal 37 und 47 auf. Jeder Teilsensor 11 bis 16 ist im Deckungsbereich eines Sektorpaares 31/41 bis 36/46 mit einer druckempfindlich auslenkbaren Messmembran 21 bis 26 ausgestaltet.
Die Druckzuleitungskanäle 37 und 47 sind exzentrisch angeordnet und über jeweils eine als Ringleitung ausgebildete Kapillare 5 mit den Sektorpaaren 31/41 bis 36/46 verbunden.
Dementsprechend ist die von der Trägerplatte 3 begrenzte Messkammer 30 in sechs Sektoren 31 bis 36 und eine an den Druckzuleitungskanal 37 angeschlossene ringförmige Kapillare 5 geliedert. Die von der Trägerplatte 4 begrenzte Messkammer 40 ist in sechs Sektoren 41 bis 46 und eine an den Druckzuleitungskanal 47 angeschlossene ringförmige Kapillare 5 gegliedert.
Die Membranstärke der Messmembranen 21 bis 26 ist für alle Teilsensoren 11 bis 16 gleich. Bei gleicher Membranstärke weisen Messmembranen 21, 22 und 23 mit kleinerer Membranfläche eine größere Steifigkeit als Messmembranen 24, 25 und 26 mit größerer Membranfläche auf. Die Messmembranen 21, 22 und 23 der Teilsensoren 11, 12 und 13, deren Teilmessbereiche 101, 102 und 103 für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, weisen eine größere Steifigkeit als die Messmembranen 24, 25 und 26 der Teilsensoren 14, 15 und 16 auf, deren Teilmessbereiche 104, 105 und 106 für geringe Differenzdrücke ausgelegt sind.
Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Differenzdrucksensor 1 weist sechs Teilsensoren 11 bis 16, die kreisförmig im Differenzdrucksensor 1 verteilt sind, und für jede Messkammer einen zentral angeordneten Druckzuleitungskanal 37 und 47 auf, an den jeweils sechs radial ausgerichtete Kapillare 5 angeschlossen sind. Jede Kapillare 5 mündet in einen Sektor 31 bis 36 und 41 bis 46. Jeder Teilsensor 11 bis 16 ist im Deckungsbereich eines Sektorpaares 31/41 bis 36/46 mit einer druckempfindlich auslenkbaren Messmembran 21 bis 26 ausgestaltet.
Dabei ist die Membranstärke und die Fläche der Messmembran 21 bis 26 für alle Teilsensoren 11 bis 16 gleich und jede Messmembran 21 bis 26 weist in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich 101 bis 106 in Fig. 5 für die Messmembran 22 vergrößert dargestellte Versteifungsstrukturen 20 auf.
Ausgehend von einer vorgegebenen Materialstärke der Membranplatte 2 sind die Messmembranen 21 bis 26 durch Materialabtrag von geringerer Materialstärke als die Membranplatte 2. Die Versteifungsstrukturen 20 sind durch partiellen Materialabtrag über die Fläche der Messmembran 22 gebildet. Im einzelnen ist eine Versteifungsstruktur 20 durch einen mittig der Messmembran 22 angeordneten Zentralkörper größerer Materialstärke ausgebildet. Je mehr Flächenanteil der Messmembran 22 von dem Zentralkörper belegt ist, um so größer ist die Steifigkeit der Messmembran 22.
Darüber hinaus können Versteifungsstrukturen 20 in Form von radialen Stegen vorgesehen sein. Mit zunehmender Höhe und Breite der Stege wächst die Steifigkeit der Messmembran 22.
Für Messmembranen 21, 22 und 23 der Teilsensoren 11, 12 und 13, deren Teilmessbereiche 101, 102 und 103 für hohe Differenzdrücke ausgelegt sind, ist es vorteilhaft, die Versteifungsstrukturen 20 in Form einer Kombination aus einem Zentralkörper und radialen Stegen auszubilden.
Jeder Teilsensor 11 bis 16 ist zur Messung in einen Teilmessbereich 101 bis 106 ausgelegt. In Fig. 6 sind die Teilmessbereiche 101 bis 106 der Teilsensoren 11 bis 16 und der Messbereich 10 des Differenzdrucksensors 1 grafisch dargestellt. Die Überlagerung aller Teilmessbereiche 101 bis 106 ergibt den Messbereich 10 des Differenzdrucksensors 1. Dabei sind die Teilmessbereiche 101 bis 106 von im Messbereich aufeinanderfolgenden Teilsensoren 11 bis 16 an den Messbereichsgrenzen einander überlappend ausgeführt. In dem dadurch entstehenden Messbereichsgrenzband wird der Differenzdruck von zwei Teilsensoren 11/12 bis 15/16 benachbarter Teilmessbereiche 101/102 bis 105/106 gemessen. Dabei ist offensichtlich, dass die beiden Teilsensoren 11/12 bis 15/16 für Differenzdrücke im Messbereichsgrenzband aufeinanderfolgender Teilmessbereiche 101/102 bis 105/106 denselben Messwert liefern müssen.
Zur Validierung von Messwerten kann es zweckmäßig sein, den Teilmessbereich 106 des Teilsensors 16 für geringste Differenzdrücke durch den nächsthöheren Teilmessbereich 105 des Teilsensors 15 vollständig zu überdecken. Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, den Teilsensor 11 mit dem Teilmessbereich 101 für höchste Differenzdrücke doppelt auszuführen. Bezugszeichenliste 1 Differenzdrucksensor
10 Messbereich
101 bis 106 Teilmessbereich
11 bis 16 Teilsensor
121 bis 124, 141 bis 144 Elektrode
2 Membranplatte
20 Versteifungsstruktur
21 bis 26 Messmembran
3, 4 Trägerplatte
30, 40 Messkammer
31 bis 36, 41 bis 46 Sektor
37, 47 Druckzuleitungskanal
5 Kapillare

Claims

1. Kapazitiver Differenzdrucksensor in Glas-Silizium-Technik, bei dem eine als erste Elektrode dienende Membranplatte aus Silizium mit einem druckempfindlich auslenkbaren Bereich zwischen zwei aus Glas bestehenden Trägerplatten angeordnet ist, wobei die Membranplatte und jede Trägerplatte in ihrem Randbereich stoffschlüssig durch anodisches Bonden so miteinander verbunden sind, dass jeweils eine Trägerplatte zusammen mit der Membranplatte eine Messkammer bildet, jede Trägerplatte einen senkrecht zu den Berührungsflächen der Membranplatte und der Trägerplatten einen Druckzuleitungskanal aufweist, über den die jeweilige Messkammer mit Druck beaufschlagbar ist, und die dem auslenkbaren Bereich der Membranplatte gegenüberliegenden Oberflächen der Trägerplatten mit je einer als zweite Elektrode dienenden Metallisierung derart versehen sind, dass die erste Elektrode und die zweiten Elektroden eine differenzdruckabhängige Kondensatoranordnung bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranplatte (2) für einen vorgegebenen Messbereich innerhalb derselben Messkammern (30, 40) eine Mehrzahl voneinander unabhängiger auslenkbarer Bereiche als Messmembranen (21 bis 26) für jeweils einen Teilsensor (11 bis 16) mit einem Teilmessbereich (101 bis 106) aufweist, wobei die Überlagerung aller Teilmessbereiche (101 bis 106) der Teilsensoren (11 bis 16) gleich dem vorgegebenen Messbereich (10) des Differenzdrucksensors (1) ist, und dass die Hubhöhe der Messmembranen (21 bis 26) jedes Teilsensors (11 bis 16) außerhalb seines Teilmessbereichs (101 bis 106) mechanisch begrenzt ist.

2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Teilmessbereiche (101 bis 106) von im Messbereich (10) aufeinanderfolgenden Teilsensoren (11 bis 16) an den Messbereichsgrenzen einander überlappend ausgeführt sind.

3. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Teilmessbereiche (101 bis 106) der Teilsensoren (11 bis 16) durch den jeweiligen Teilmessbereich (101 bis 106) angepasste Steifigkeit der Messmembran (21 bis 26) eingestellt sind.

4. Differenzdrucksensor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstärke der Messmembran (21 bis 26) für alle Teilsensoren (11 bis 16) gleich ist und die Fläche jeder Messmembran (21 bis 26) in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich (101 bis 106) eingestellt ist.

5. Differenzdrucksensor nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstärke und die Fläche der Messmembran (21 bis 26) für alle Teilsensoren (11 bis 16) gleich ist und jede Messmembran (21 bis 26) in Abhängigkeit vom jeweiligen Teilmessbereich (101 bis 106) Versteifungsstrukturen (20) aufweist.

6. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Teilsensor (11) mit dem höchsten Teilmessbereich (101) doppelt ausgeführt ist.

7. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammern (30, 40) in hydropneumatisch miteinander verbundene Sektoren (31 bis 36 und 41 bis 46) eingeteilt sind, wobei in jedem Sektorpaar (31/41 bis 36/46) ein Teilsensor (11 bis 16) angeordnet ist.

8. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (31/41 bis 36/46) einer Messkammer (30, 40) ausgehend von dem Druckzuleitungskanal (37, 47) sternförmig miteinander hydropneumatisch verbunden sind.

9. Differenzdrucksensor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (31/41 bis 36/46) einer Messkammer (30, 40) unter Einbeziehung des Druckzuleitungskanals (37, 47) ringförmig miteinander hydropneumatisch verbunden sind.

10. Differenzdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdrucksensor (1) in einem druckfesten Mantel aus keramischem Spritzguß eingebettet ist.