TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Entwurf eines Silizium Hochdrucksensors

Stavroulis, Stefanos (1998):
Entwurf eines Silizium Hochdrucksensors.
Technische Universität Darmstadt, [Diploma Thesis or Magisterarbeit]

Abstract

Zusammenfassung:

In dieser Arbeit soll ein neuartiger piezoresistiver Primärsensor für Hochdruckanwendungen (p > 100bar) mit dem Finite Elementen Programm ANSYS untersucht werden. Bei diesem Primärsensor sollen die mechanischen Spannungen zur Änderung der piezoresistiven Widerstände durch eine gezielte mechanische Fehlanpassung aufgrund unterschiedlicher Elastizitätsmoduln des Siliziumchips mit einem Glaskörper erfolgen.

Das Grundprinzip des Primärsensors ist relativ einfach. Eine Siliziumscheibe wird mit einem Verformungskörper aus Pyrex durch anodisches Bonden verbunden. Das Gehäuse des Sensors ist so dimensioniert, daß zwischen Primärsensor und Gehäuse ein Leerraum existiert. Dieser Leerraum wird mit Öl gefüllt. Das Gehäuse wird mit einer Membran abgeschlossen. Diese Membran übernimmt auch die Rolle der Übertragung der zu messenden Größe auf den Primärsensor.

Die Vorteile dieser Lösung gegenüber den herkömmlichen Sensoren, die eine Siliziumplatte als Verformungskörper aufweisen, liegen in der Fertigungskostenreduzierung und der Vergrößerung der zulässigen Bruchspannung und damit des Nenndruckbereiches.

Für diese Arbeit wurde eine zylindrische Ausführung des Primärsensors untersucht. Dabei wurden die geometrische Abmessungen des Sensors, seine Form und seine Lagerung variiert. Alle Simulationen wurden für einen Druck von 100bar durchgeführt.

Die Simulationen haben gezeigt, daß die relative Widerstandsänderung größer wird, wenn der Primärsensor:

* an seiner Unterseite ganzflächig fixiert wird,

* das Siliziumchip möglichst dünn ist und

* eine durchgehende Bohrung entlang seiner Mittelachse aufweist.

* Die relative Widerstandsänderung wird außerdem mit zunehmendem Primärsensordurchmesser und abnehmendem Bohrungsdurchmesser größer.

Die Simulationen haben gezeigt, daß mit dem neuartigen Primärsensor, je nach Konstruktionsvariante, relative Widerstandsänderungen im Bereich von ca. 0,2 bis 0,92% für 100bar, erzielt werden können. Diese Werte liegen im Bereich der typischen relativen Widerstandsänderung (0,5 bis 3%) von piezoresistiven Meßwiderständen.

Item Type: Diploma Thesis or Magisterarbeit
Erschienen: 1998
Creators: Stavroulis, Stefanos
Title: Entwurf eines Silizium Hochdrucksensors
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

In dieser Arbeit soll ein neuartiger piezoresistiver Primärsensor für Hochdruckanwendungen (p > 100bar) mit dem Finite Elementen Programm ANSYS untersucht werden. Bei diesem Primärsensor sollen die mechanischen Spannungen zur Änderung der piezoresistiven Widerstände durch eine gezielte mechanische Fehlanpassung aufgrund unterschiedlicher Elastizitätsmoduln des Siliziumchips mit einem Glaskörper erfolgen.

Das Grundprinzip des Primärsensors ist relativ einfach. Eine Siliziumscheibe wird mit einem Verformungskörper aus Pyrex durch anodisches Bonden verbunden. Das Gehäuse des Sensors ist so dimensioniert, daß zwischen Primärsensor und Gehäuse ein Leerraum existiert. Dieser Leerraum wird mit Öl gefüllt. Das Gehäuse wird mit einer Membran abgeschlossen. Diese Membran übernimmt auch die Rolle der Übertragung der zu messenden Größe auf den Primärsensor.

Die Vorteile dieser Lösung gegenüber den herkömmlichen Sensoren, die eine Siliziumplatte als Verformungskörper aufweisen, liegen in der Fertigungskostenreduzierung und der Vergrößerung der zulässigen Bruchspannung und damit des Nenndruckbereiches.

Für diese Arbeit wurde eine zylindrische Ausführung des Primärsensors untersucht. Dabei wurden die geometrische Abmessungen des Sensors, seine Form und seine Lagerung variiert. Alle Simulationen wurden für einen Druck von 100bar durchgeführt.

Die Simulationen haben gezeigt, daß die relative Widerstandsänderung größer wird, wenn der Primärsensor:

* an seiner Unterseite ganzflächig fixiert wird,

* das Siliziumchip möglichst dünn ist und

* eine durchgehende Bohrung entlang seiner Mittelachse aufweist.

* Die relative Widerstandsänderung wird außerdem mit zunehmendem Primärsensordurchmesser und abnehmendem Bohrungsdurchmesser größer.

Die Simulationen haben gezeigt, daß mit dem neuartigen Primärsensor, je nach Konstruktionsvariante, relative Widerstandsänderungen im Bereich von ca. 0,2 bis 0,92% für 100bar, erzielt werden können. Diese Werte liegen im Bereich der typischen relativen Widerstandsänderung (0,5 bis 3%) von piezoresistiven Meßwiderständen.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Drucksensoren piezoresistiv, Kostenreduzierung, Silizium-Glas-Verbindung, Simulationsprogramm ANSYS
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 09 Sep 2011 14:17
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1410

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 16-02-1998

Ende Datum: 22-05-1998

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik (ET)

Vertiefungsrichtung: Elektromechanische Konstruktionen (EMK)

Abschluss: Diplom (EMK)

Identification Number: 17/24 EMKD 1410
Referees: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
Related URLs:
Export:

Optionen (nur für Redakteure)

View Item View Item