Titel

DRUCKSENSOR MIT KONTAKTERKENNUNG DER AUSLENKUNG DER MEMBRAN SOWIE DRUCKSENSORSYSTEM UND VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES DRUCKSIGNALS

Die Erfindung betrifft ein Drucksensorelement, das eine Kontakterkennung der Auslenkung der Membran in Folge eines anliegenden Drucks aufweist, sowie ein Drucksensorsystem mit einem derartigen Drucksensorelement und ein Verfahren zur Erzeugung eines Drucksensorsignals mit einem derartigen Drucksensorelement.

Stand der Technik

Ein typischer mikromechanischer Drucksensor weist üblicherweise eine Membran auf, die durch den anliegenden Druck durchgebogen wird. Diese druckabhängige Durchbiegung der Membran kann durch auf oder an der Membran angebrachte Piezoelemente erfasst werden. Alternativ kann die Bewegung der Membran auch durch eine Kondensatoranordnung erfasst werden, in dem eine an der Membran bewegliche Elektrode und eine am Gehäuse oder dem Träger des Drucksensorelements starre bzw. nicht bewegliche Gegenelektrode angebracht ist. Das druckabhängige Sensorsignal kann dabei durch die Änderung der Kapazität zwischen den beiden Elektroden abgeleitet werden.

Generell besteht die Gefahr, dass die Membran zu weit durchgebogen wird, so dass es zu einer Beschädigung der Membran kommen kann. Darüber hinaus stellt die Durchbiegung der Membran nur in bestimmten Auslenkungsbereiche eine lineare Abhängigkeit von dem anliegenden Druck dar, insbesondere wenn ein Teil der Membran auf dem Boden der zugehörigen Kaverne aufliegt. Somit muss das Sensorsignal außerhalb eines bestimmten Druckbereichs entsprechend angepasst werden, um den tatsächlich anliegenden Druck zu erfassen. Bei kapazitiv arbeitenden Drucksensoren kann es zusätzlich zu einer Beschädigung der Elektroden kommen, wenn sich diese berühren, insbesondere durch einen kurzen heftigen Druckstoß.

Aus der Schrift DE 102010040373 Al ist ein mikromechanischer Drucksensor bekannt, bei dem mittels Anschlagselementen auf einem Gegenelement ein gezieltes Aufsetzen der Membran bei einer ausreichenden Durchbiegung ermöglicht wird. Weiterhin wird durch eine federnde Aufhängung des als Dämpfungselements wirkenden Gegenelements eine zweistufige Erfassung des Drucks mit unterschiedlichen Kennlinien beziehungsweise Druckabhängigkeiten der Membranbewegung ermöglicht.

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Drucksensor beschrieben werden, der die Annäherung der Membran an einen Anschlag erkennt, um die Auswertung des Drucksensorsignals zu erleichtern.

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird sowohl ein mikromechanisches Drucksensorelement als auch ein Drucksensorsystem mit einem derartigen Drucksensorelement beansprucht, bei dem das Drucksensorelement bei einem vorbestimmten anliegenden ersten Druck einen elektrischen Kontakt schließt. Hierzu ist vorgesehen, dass das Drucksensorelement eine Membran aufweist, die durch einen anliegenden Druck bewegt beziehungsweise ausgelenkt werden kann. Unter der Membran ist eine erste Kaverne vorgesehen, in die die Membran ausgelenkt werden kann. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass zwei Kontaktelemente vorgesehen sind, die in Abhängigkeit der Überschreitung des ersten anliegenden Drucks miteinander in Kontakt treten, insbesondere über einen mechanischen Kontakt, so dass ein elektrischer Kontakt geschlossen wird. Hierbei ist wenigstens ein erstes Kontaktelement, welches direkt oder indirekt mit der Membran verbunden ist, sowie ein zweites Kontaktelement, welches direkt oder indirekt mit dem Kavernenboden verbunden ist, vorgesehen. Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist, dass durch eine geeignete Anbringung der beiden Kontaktelemente der Abstand der Membran vom Anschlag auf dem Kavernenboden erfasst werden kann. So kann eine entsprechende Positionierung und Ausgestaltung der beiden Kontaktelemente vorgesehen sein, bei der der elektrische Kontakt geschlossen wird, noch bevor die Membran derart weit ausgelenkt wird, dass sie auf den Kavernenboden aufsetzt.

Die Einstellung des Abstands der Membran vom Kavernenboden lässt sich beispielsweise über die Verwendung und Dimensionierung wenigstens eines Abstandselement erreichen. Ein derartiges Abstandselement kann beispielsweise direkt oder indirekt an der Membran angebracht sein. Wird die Membran dabei durch einen anliegenden Druck ausgelenkt, bewegt sich das Abstandselement ebenfalls mit der Auslenkung der Membran in Richtung des Kavernenboden, bis es aufsetzt. Indem am unteren Ende des Abstandselements das erste Kontaktelement angebracht ist und entsprechend im Bereich der Aufsetzstelle auf dem Kavernenboden das zweite Kontaktelement vorgesehen ist, wird durch ein Aufsetzen ein elektrischer Kontaktschluss erreicht.

In einer alternativen Ausgestaltung wird auf dem Kavernenboden wenigstens ein Abstandselement aufgebracht, an dessen Ende, zur Membran hin, das zweite Kontaktelement angebracht ist. Indem an der Membran das erste Kontaktelement angebracht ist, welches bei einer Auslenkung der Membran auf das zweite Kontaktelement gebracht wird, kann auch mit dieser Ausgestaltung ein Kontaktschluss erreicht werden. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine kleinere Masse mit der Membran bewegt werden muss.

Das erfindungsgemäße Drucksensorelement kann sowohl eine Erfassung der Auslenkung mittels Piezoelementen auf oder in der Membran als auch eine Erfassung mittels einer kapazitiven Sensorauswertung aufweisen. Bei der Verwendung einer kapazitiven Auswertung ist vorgesehen, dass die Membran direkt oder indirekt eine erste Elektrode aufweist. Dabei kann die erste Elektrode direkt in die Membran integriert sein oder in Form einer Aufhängung, zum Beispiel als Amboss, am unteren Ende angeordnet sein. Letzteres hat den Vorteil, dass eine ebene erste Elektrode erzeugt werden kann, die sich parallel zur Verbiegung der Membran auf eine am oder im Kavernenboden vorgesehene zweite Elektrode bewegen lässt. Gemeinsam bilden somit die erste und zweite Elektrode eine erste Messkapazität, die sich in Abhängigkeit des an die Membran anliegenden Drucks und somit des Abstands beider Elektroden ändert.

Bei der Verwendung von Elektroden als Messwerterfassung des Drucksensorelements kann vorgesehen sein, dass das wenigstens erste Kontaktelement seitlich an der ersten Elektrode und das wenigstens zweite Kontaktelement seitlich an der zweiten Elektrode angebracht ist. Da sowohl die Elektroden als auch die Kontaktelemente elektrische Signale liefern sollen, ist dabei darauf zu achten, dass wenigstens eine der Elektroden elektrisch von den Kontaktelementen getrennt ist.

Durch die Verwendung der Kontaktelemente sowie deren mechanischen und elektrischen Kontakts beim Erreichen der ersten Druckgröße kann darüber hinaus eine zweistufige Druckerfassung realisiert werden. So kann vorgesehen sein, dass bei Vorliegen des Aufsetzens des ersten auf dem zweiten Kontaktelement die Membran noch nicht den darunter befindlichen Kavernenboden berührt sondern stattdessen noch ausreichend Abstand für eine weitere Auslenkung der Membran vorliegt. Entsprechend kann bei einem kapazitiven Messprinzip vorgesehen sein, dass die beiden Elektroden inklusive einer eventuell vorhandenen Isolierungsschicht sich noch nicht berühren. In diesem Fall kann das Drucksensorelement derart vorgesehen sein, dass sich durch das Aufsetzen der Kontaktelemente die effektive Membranfläche, auf die der anliegenden Druck zur Auslenkung der Membran wirkt, lediglich verkleinert. So ist vorgesehen, dass bei einem weiter ansteigende Druck die Membran weiter ausgelenkt wird und somit ein weiteres druckabhängiges Signal erzeugt werden kann, bis die Membran endgültig auf dem Kavernenboden aufsitzt oder sich die beiden Elektroden mechanisch berühren. Alternativ kann auch ein Anschlag vorgesehen sein, um eventuell die Membran vor eine Schädigung zu bewahren. Durch die verkleinerte Membranfläche ist jedoch oberhalb der ersten Druckgröße eine veränderte Druckabhängigkeit zu berücksichtigen. Bei der entsprechenden Sensorauswertung kann dieser Übergang anhand des erzeugten Kontaktschlusses erkannt werden. Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung liegt darin, dass mit einem Drucksensorelement die Erfassung zweier unterschiedlicher und insbesondere angrenzender Druckbereiche insbesondere lückenlos realisiert werden kann.

Hierbei kann in einem ersten Druckbereich bis zu dem ersten Druck eine höhere Auflösung realisiert werden, wobei im zweiten, höheren Druckbereich eine robustere Ausgestaltung vorliegt. Kurzzeitige Druckspitzen oberhalb eines bevorzugten Druckbereichs können somit ebenfalls erfasst und ausgewertet werden, ohne die Funktion des Drucksensorelements zu gefährden.

Zusätzlich wird eine Ausgestaltung beansprucht, bei der neben einem ersten erfindungsgemäßen mikromechanischen Drucksensorelement ein zweites mikromechanisches Drucksensorelements verwendet wird. Dabei weist das zweite mikromechanische Drucksensorelement einen gleichen oder zumindest ähnlichen Aufbau aus. Das bedeutet, dass auch das zweite mikromechanische Drucksensorelement eine Membran aufweist, die durch einen anliegenden Druck bewegt werden kann, insbesondere in Richtung einer unter der Membran befindlichen Kaverne. Dieses zweite Drucksensorelement hat zudem ebenfalls zwei Kontaktelemente, die sowohl direkt oder indirekt an der Membran als auch an oder auf dem Kavernenboden angebracht sind.

Der Vorteil einer derartigen Ausgestaltung mittels wenigstens zweier Drucksensorelemente ist, die beispielsweise als Wheatstonesche Vollbrücke beschältet werden, dass die Dimensionen der Drucksensorelemente sowie die Bedingungen die zu einem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt der jeweiligen Kontaktflächen führen, unterschiedlich gestaltet sein können. So kann beispielsweise bei dem zweiten Drucksensorelement ebenfalls ein somit drittes Abstandselement welches direkt oder indirekt an der dann zweiten Membran angeordnet ist. Das vorgesehene dritte Kontaktelement kann dabei derart am zum Kavernenboden hin gerichteten Ende des dann dritten Abstandselement angeordnet sein, dass es bei einer Durchbiegung auf ein viertes Kontaktelement trifft, welches auf dem Kavernenboden angebracht ist, um den elektrischen Kontakt zu schließen. Alternativ kann selbstverständlich auch ein viertes Abstandselement vorgesehen sein, welches auf dem Kavernenboden angebracht ist und an seinem zur Membran hin gerichteten Ende das vierte Kontaktelement aufweist. In diesem Fall ist an der Membran das dritte Kontaktelement vorgesehen. Die beiden Drucksensorelemente können das gleiche oder unterschiedliche Druckerfassungsprinzip aufweisen. Bei der Verwendung eines kapazitiven Messprinzips auch beim zweiten Drucksensorelement können bei diesem ebenfalls eine dritte Elektrode, gegebenenfalls mit einem zugeordneten dritten Kontaktelement vorgesehen sein. Entsprechend kann auf dem Kavernenboden eine vierte Elektrode mit einem gegebenenfalls vierten Kontaktelement vorgesehen sein. Auch in diesem Fall ist darauf zu achten, dass die Elektroden und die Kontaktelemente elektrisch voneinander isoliert sind.

Wie bereits ausgeführt, können sich die beiden Drucksensorelemente durch deren unterschiedlich dimensionierten Aufbau voneinander unterscheiden. Hierbei können sich beispielsweise die Abstandselemente beider Drucksensorelemente in ihrer im Wesentlichen vertikalen Ausdehnung in Ihren Abmessungen unterscheiden, während der übrige Aufbau, zum Beispiel die Membranfläche und der Abstand der Membran oder der Elektrode vom Kavernenboden ansonsten gleich ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass sich die Kontaktflächen, die einer der Membranen zugeordnet sind, schon vor den Kontaktflächen der anderen Membran treffen und somit einen elektrischen Kontakt bilden. Hierdurch lassen sich die Abstände zum Beispiel der Elektroden unterschiedlich gestalten, um eine größere Spreizung oder mehrere Druckbereichserfassungen zu realisieren. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass sich die Steifigkeiten, das heißt die Beweglichkeit beider Membranen unterscheiden, so dass auch durch eine derartige Ausgestaltung unterschiedliche Druckabhängigkeiten realisiert werden können, insbesondere zur Realisierung sich überlappender Drucksensorbereiche.

Weiterhin wird für das erfindungsgemäße wenigstens eine Drucksensorelement oder das Drucksensorsystem ein Verfahren zur Erzeugung eines Drucksensorsignals beansprucht. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Bewegung der Membran bis zu einem ersten Druck keinen elektrischen Kontakt des mit der Membran verbundenen ersten Kontaktelements mit dem zweiten Kontaktelement erzeugt. So kann in einem ersten Betriebsmodus das Verfahren das Drucksensorsignal in Abhängigkeit der Bewegung der Membran ableiten, bestimmen oder erzeugen. Bei Erkennung und/oder Vorlage eines elektrischen Kontakts zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement kann das Verfahren weiterhin das Drucksensorsignal auf der Basis der druckabhängigen Bewegung der Membran ableiten, bestimmen oder erzeugen. Da diese Bewegung der Membran jedoch aufgrund der verkleinerten Angriffsfläche des Drucks auf die Membran eine andere Druckabhängigkeit zeigt, wird das Drucksensorsignal im zweiten Betriebsmodus mit einem andere Gewichtungsfaktor oder Parameter als im ersten Betriebsmodus abgeleitet, bestimmt oder erzeugt.

In einer Ausgestaltung der Erfindung können weitere Betriebsmodi in Abhängigkeit der Vorlage oder Erkennung jeweils weiterer elektrischer Kontakte weiterer Kontaktelemente vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um die elektrischen Kontakte von Kontaktelementen handeln, die bei einem zweiten Drucksensorelement vorliegen.

Allgemein kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der verwendeten Betriebsmodi das Drucksensorsignals in Abhängigkeit der druckabhängigen Bewegung zweier unterschiedlicher Drucksensorelemente erzeugt. So kann kann vorgesehen sein, dass im zweiten Betriebsmodus die druckabhängige Bewegung einer zweiten Membran in einem zweiten Drucksensorelement für die Erzeugung des Drucksensorsignals herangezogen wird.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 und 2 zeigen die prinzipiell Funktionsweise der Erfindung am Beispiel eines kapazitiven Drucksensors bestehend aus zwei Drucksensorelementen. Mit den Figuren 3a bis c wird die Verwendung unterschiedlicher Steifigkeiten bei der Durchbiegung der Membran dargestellt, mittels der zwei unterschiedliche Druckbereiche realisiert werden können. Die Ausführungen der Figuren 4a und b zeigen eine Alternative zur Erfassung des Abstands mittels eines Abstandselements. Anhand der Figuren 5a und b wird diese Alternative zur Realisierung der Erfassung unterschiedlicher Druckbereiche erweitert. Mit der Figur 6 wird schematisch eine Auswerteinheit für das Drucksensorelement oder das Drucksensorsystem beschrieben. In der Figur 7 ist beispielhaft eine Beschaltung der Messkapazitäten des erfindungsgemäßen Drucksensors in Form einer Wheatstone ^' schen Brückenschaltung dargestellt.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand eines Drucksensorsystems 10 bestehend aus einem ersten mikromechanischen Drucksensorelement 20 und einem zweiten mikromechanischen Drucksensorelement 30 beschrieben. Beide Drucksensorelemente sind in dieser Ausführung identisch, so dass deren Verhalten bei einem anliegenden Druck übereinstimmen. Zur Vereinfachung wird daher die Funktion der erfindungsgemäßen Ausgestaltung lediglich an einem Drucksensorelement beschrieben. Die Verwendung von insbesondere zwei identischen Drucksensorelementen hat dagegen den Vorteil, dass das Messsignal verstärkt werden kann, zum Beispiel in Form einer Verschaltung anhand einer Wheatstonschen Brückenschaltung.

Das erste mikromechanische Drucksensorelement 20 weist eine Membran 140 auf, die eine Kaverne 145 überspannt. Sowohl die Membran, die Kaverne als auch die weiteren noch zu beschreibenden Elemente oder Komponenten des Drucksensorelements sind durch gängige mikromechanische Verfahren herstellbar, wie beispielsweise Ätzverfahren, Verwendung von Opferschichten, Epitaxie, Trenchätzverfahren oder Bondprozessen. An der Membranunterseite ist zum Beispiel in Form einer Bossmembran eine Befestigung 100 oder Versteifung der Membran 140 vorgesehen, an deren unterem Ende eine erste Elektrode 115 angeordnet ist, die in Richtung einer am Boden 165 der Kaverne 145 angebrachten zweiten Elektrode 110 gerichtet ist. Zusammen bilden die erste und zweite Elektrode 115 und 110 die erste Messkapazität 40. Im kräftefreien Zustand, das heißt ohne dass ein Druck eines Mediums an die Membran 140 anliegt, kann durch eine entsprechende Gestaltung ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode eingestellt werden. Dieser Abstand, der durch den anliegenden Druck verringert wird und somit eine Kapazitätsänderung in den Elektroden 110 und 115 erzeugt, kann als erste Messkapazität des ersten Drucksensorelements 20 zur Ableitung eines Drucksensorsignals genutzt werden. Dem Drucksensorelement 20 kann als Referenz eine Referenzkapazität 50 bestehend aus einer starren und nicht beweglichen oberen Elektrode 150 und einer unteren, ebenfalls starren Elektrode 155 in einem gemeinsamen Gehäuse 170 oder einem Trägersubstrat zugeordnet sein.

Das in der Figur 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel weist erfindungsgemäß zwei Kontaktelemente auf, die sich bei einer entsprechenden Bewegung oder Durchbiegung der Membran 140 berühren und somit einen elektrischen Kontaktschluss erzeugen. Im ersten Ausführungsbeispiel ist dabei seitlich der ersten Elektrode 115 ein erstes Kontaktelement 125 und seitlich der zweiten Elektrode 110 ein zweites Kontaktelement 120 zugeordnet. Da sowohl die Elektroden 110, 115 als auch die Kontaktelemente 120, 125 elektrisch zumindest teilweise leitende Bereich aufweisen können, ist vorgesehen, dass die jeweilige Elektrode von dem seitlich angebrachten Kontaktelement elektrisch isoliert ist. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der beiden Elektroden eine Isolierschicht aufweist, so dass auch bei einem direkten mechanischen Kontakt beider Elektroden kein Kurzschluss erfolgt. Optional kann auch vorgesehen sein, dass nicht an beiden Seiten der Elektroden jeweils eine Kontaktelement vorgesehen ist sondern nur an einer Seite.

In der Figur 2 ist die Auswirkung eines an die Membran 140 anliegenden Drucks des zu erfassenden Mediums dargestellt. Erreicht der Druck des Mediums einen ersten Druckwert oder eine erste Druckgröße, wird das erste Kontaktelement 125 auf das darunter liegende zweite Kontaktelement 120 gedrückt, so dass ein elektrischen Kontakt geschlossen wird. Dieser elektrische Kontakt kann sowohl zur Erkennung einer ausreichenden Auslenkung der Membran 140 aus ihrer Ruhelage, zur Erkennung eines definierten Abstands der beiden Elektroden oder zur Erkennung eines Übergangs von einem Erfassungsbereich des Drucksensorelements zu einem anderen verwendet werden. Wie aus der Figur 2 zu erkennen ist, erfolgt die Durchbiegung der gesamten Membran 140 im Wesentlichen in einem Bereich 190 seitlich der Aufhängung 180 der Befestigung 100. Diese Durchbiegung der seitlichen Aufhängung stellt im Wesentlichen die Druckabhängigkeit der Membran 140 dar, die durch die veränderte Messkapazität der ersten und zweiten Elektrode erfasst werden kann. Besteht bei Erreichen des ersten Drucks an der Membran 140 noch ein insbesondere voreingestellter Abstand zwischen den beiden Elektroden kann durch einen höheren an die Membran anliegenden Druck die erste Elektrode 115 weiter in Richtung der unteren Elektrode 110 gedrückt werden, so dass ein weiteres Messsignal erfasst werden kann, welches eine andere Druckabhängigkeit aufweist. Erst bei der Erreichen eines höheren zweiten Drucks erfolgt dann ein mechanisches Aufsitzen der ersten auf die zweiten Elektrode, so dass eine weitere Bewegung der Membran verhindert wird.

Es sei noch erwähnt, dass ein Aufsitzen der beiden Elektroden zu einem Kurzschluss der einen Messkapazität führen kann, wobei die Ausgangsspannung der Auswertebrücke in etwa bei der halben Versorgungsspannung liegt und ein Kurzschluss der zweiten Messkapazität zu einer Ausgangsspannung der vollen Brückenkapazität führt. Dieses Verhalten kann auch - ohne weitere Anschlüsse auf dem MEMS - als Interrupt für die Auswerteschaltung verwendet werden. Im Stromsparmodus kann die Brücke des MEMS ohne großen Stromverbrauch mit Spannung versorgt werden, da diese rein kapazitiv ist und somit keinen relevanten Leckstrom aufweist.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Figur 3a kann eine veränderte Steifigkeit der zweiten Membran 240 des zweiten Drucksensorelements 30 dazu verwendet werden, mit dem Drucksensorsystem 10 Drücke in unterschiedlichen Druckbereichen zu erfassen. Hierzu ist die ansonsten identische Membranfläche der ersten und zweiten Membran 140 und 240 unterschiedlich unterteilt. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Durchbiegung der zweiten Membran 240 weist die entsprechende Aufhängung 185 für die Befestigung 200 der zweiten Messkapazität 60, bestehenden aus einer dritten Elektrode 215 und einer vierten Elektrode 210, eine breite laterale Ausgestaltung als die vergleichbare Aufhängung 180 auf. Diese breite Aufhängung 185 resultiert bei einer ansonsten gleich großen Membranfläche in einer Verkürzung der seitlichen Bereiche 195, die im Wesentlichen für die Durchbiegung der zweiten Membran 240 verantwortlich ist. Zusätzlich kann der zweiten Messkapazität 60 ebenso wie beim ersten Drucksensorelement 20 eine Referenzkapazität 70 mit einer starren und nicht beweglichen oberen Elektrode 250 und einer unteren, ebenfalls starren Elektrode 255 in dem gemeinsamen Gehäuse 170 angeordnet sein.

Wird nun an das Drucksensorsystem 10 der Figur 3a ein Druck angelegt, so werden die Membranen 140 und 240 aufgrund der verschiedenen Steifigkeiten unterschiedlich durchgebogen. Während bei einem ersten Druck bereits ein Kontakt zwischen dem ersten und zweiten Kontaktelement 125 und 120 zustande kommt, sind die Kontaktelemente 225 und 220 des zweiten Drucksensorelements 30 noch voneinander beabstandet (siehe Figur 3b). Erst bei Vorliegen eines höheren dritten Drucks wird die Membran 240 so weit durchgebogen, dass das dritte auf das vierte Kontaktelement 225 und 220 aufsitzt und den elektrischen Kontakt schließt (Figur 3c). Somit kann in einem ersten Druckbereich bis zum ersten Druck(wert) sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Drucksensorelement eine Druckmessung erfolgen. Übersteigt der anliegenden Druck jedoch diesen ersten Druck(wert) erfolgt die anschließende Messung bis zum dritten Druck(wert) ausschließlich über das zweite Drucksensorelement mit der zweiten Messkapazität 60. Optional kann auch wie im ersten Ausführungsbeispiel beim Aufsitzen der Kontaktelemente ein Abstand zwischen den Elektroden vorgesehen sein. In diesem Fall würde die erste Messkapazität 40 aufgrund der geringeren Membranfläche im Bereich 180 gegenüber der Gesamtmembranfläche der Membran 240 einen geringen Beitrag liefern.

Optional können die Kontaktelemente auch abseits der Elektroden angebracht sein. Hierzu wird gemäß der Figur 4a ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt. Die erste Messkapazität mit den Elektroden 110 und 115 ist hierbei wieder im Wesentlichen in der Mitte der Membran 140 angebracht. Allerdings sind die ersten und zweiten Kontaktelemente 325 und 320 dabei nicht an den Elektroden sondern an gesonderten Abstandselementen 300 angeordnet. Diese Abstandselemente 300 können wie in der Figur 4a gezeigt an der Membran 140 angeordnet sein und in Richtung des Kavernenbodens 165 führen. Am unteren Ende des Abstandselements 300 kann dabei das erste Kontaktelement 325 und am Boden der Kaverne 165 das zweite Kontaktelement 320 vorgesehen sein. Alternativ kann wenigstens eines der Abstandselemente auch auf dem Kavernenboden 165 angebracht sein, welches dann vertikal in Richtung Membran 140 ausgerichtet ist. Hierbei kann das zweite Kontaktelement am oberen Ende des Abstandselements angeordnet sein und das erste Kontaktelement an der Membran 140. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Membran 140 als solches weder eine Beeinflussung der Steifigkeit im seitlichen Bereich 190 aufweist noch eine zusätzliche Masse bewegen muss. Anhand der Figur 4b wird die Auslenkung einer derartigen mit Abstandselementen 300 versehenen Membran 140 verdeutlicht. Um eine eindeutige und einheitliche Auslenkung der Membran 140 zu ermöglichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Abstandselementes 300 zu beiden Seiten der Befestigung 100 eine einheitliche Beabstandung aufweisen. Hierbei ist insbesondere eine mittige Anordnung sinnvoll., die zusätzlich hilft, den Durchmesser nach dem Aufsetzen zu definieren, insbesondere hinsichtlich der Drucksensitivität im zweiten Druckbereich. Entsprechend wird auch bei dem zweiten Drucksensorelement die dort verwendeten Abstandselemente angebracht. Bei Vorlage des ersten Drucks erfolgt dabei ein Aufsetzen des ersten auf das zweite Kontaktelement und somit der elektrischen Kontaktschluss. Wie schon zum vorherigen Ausführungsbeispiel ausgeführt, kann vorgesehen sein, dass beim Aufsetzen der Kontaktelemente die Elektroden 110 und 115 immer noch einen Abstand zueinander aufweisen. Diese Ausgestaltung ist jedoch nicht zwingend, verhindert jedoch eine mechanische Beschädigung der Elektroden bzw. einer aufgebrachten Isolierschicht und ermöglicht die Verwendung eines weiteren Druckbereichs.

Durch eine Variation der Länge der Abstandselemente oder auch der Steifigkeit der Membranen 140 und 240 lassen sich auch in diesem Beispiel unterschiedliche Druckbereiche durch die beiden Messkapazitäten erfassen. Eine weitere Möglichkeit, die Erfassungsbereiche der beiden Drucksensorelemente unterschiedlich zu gestalten, wird in der Figur 5a beziehungsweise 5b gezeigt. Hierbei sind die Abstandselemente 300 des ersten Drucksensorelements und die Abstandselemente 330 des zweiten Drucksensorelements nicht an derselben Stelle des seitlichen Bereichs 190 der Membran 140 angeordnet, zum Beispiel indem sie unterschiedlich weit von der Befestigung 100 oder 200 beziehungsweise vom Rand der Membraneinfassung entfernt vorgesehen sind. Stattdessen sind die Abstandselemente 330 zum Beispiel bei ansonsten gleichen (vertikalen) Abmessungen in einem größeren Abstand zum zentralen Aufhängungsbereich 185 im seitlichen Bereich 195 angebracht. Wie aus Figur 5a zu entnehmen ist, erfolgt dabei bei einem ersten Druck(wert) des an die Membranen anliegenden Mediums eine Kontaktierung der ersten beiden Kontaktelemente des ersten Drucksensorelements 20. Bei diesem Druck wird die Membran 240 des zweiten Drucksensorelements 300 jedoch noch nicht so stark durchbogen, so dass die weiter außen angeordneten Abstandselemente 330 noch keine Kontaktierung der dritten und vierten Kontaktelemente 345 und 340 erzeugt. Erst bei einem höheren dritten Druck erfolgt auch deren Kontaktierung (siehe Figur 5b). Alternativ kann auch in dieser Ausgestaltung vorgesehen sein, dass zumindest eine der Messkapazitäten auch bei einem höheren Druck als dem dritten Druck(wert) noch einen ausreichenden Abstand der Elektroden aufweist.

Generell kann die vorliegende Ausgestaltung der Erfindung auch bei der Verwendung von Piezowiderständen zur Erfassung der Durchbiegung auf oder in der Membran verwendet werden. Hierzu sind dann im Wesentlichen die erwähnten Abstandselemente an der Membran und/oder dem Kavernenboden anzubringen.

Die Kontaktelemente können bei allen Ausführungen auch als Piezoelemente ausgestaltet sein, die durch das mechanische Aufsetzen einen elektrischen Impuls abgeben. Hierbei kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Seite des Kontaktelements als Piezoelements ausgestaltet ist und die andere Seite derart gestaltet ist, dass sie die Erzeugung des Piezoeffekt fördert.

Wie bereits vorstehend ausgeführt kann die Erfindung dazu genutzt werden, unterschiedliche Druckbereiche mit voneinander verschiedenen Druckabhängigkeiten zu realisieren. Der Übergang von einem Druckbereich in einen anderen kann dabei durch die Erfassung des elektrischen Kontaktschlusses detektiert werden. Darüber hinaus ist jedoch auch eine Auswertung des Verhaltens der ersten und zweiten Messkapazität möglich, um den Übergang zu detektieren. Eine entsprechende Auswerteeinheit 400, die ein Auswerteverfahren durchführt, ist in der Figur 6 dargestellt.

Hierbei weist die Auswerteeinheit 400 einen Speicher 410 auf, in dem die erfassten Messkapazitäten, elektrischen Kontaktschlüsse aber auch die abgeleiteten Druckgrößen abgespeichert werden können. Die entsprechenden Messwerte werden von der ersten Messkapazität 420 beziehungsweise 40 und/oder der zweiten Messkapazität 430 beziehungsweise 60 eingelesen. Zur Erfassung von Referenzwerten können ebenfalls die Messwerte der Referenzkapazitäten 50 und 70 eingelesen werden. Zur Erfassung des Übergangs von einem in den anderen Druckbereich werden die elektrischen Kontaktschlüsse der ersten und zweiten Kontaktelemente 440 und/oder der dritten und vierten Kontaktelemente 450 erfasst. Die so erfassten Kontaktschlüsse können in der Auswerteeinheit 400 dazu verwendet werden, die Auswertung von einer Druckabhängigkeit auf eine andere umzuschalten. Je nach Ausgestaltung des wenigstens einen Drucksensorelements 20 beziehungsweise des Zusammenwirkens mit wenigstens einem zweiten Drucksensorelement 30 kann auch ein Übergang erkannt werden, bei dem ein Druckwert sowohl mittels der ersten als auch der zweiten Messkapazität erfasst werden kann. In diesem Fall kann durch die zweite Messwerterfassung eine Überprüfung des erfassten Druckwerts erfolgen. Wie bereits geschildert kann die abgeleitet Druckgröße beziehungsweise der Druckwert in einem Speicher 420 für eine entsprechende Abfrage oder für eine Weiterverarbeitung abgespeichert werden. Darüber hinaus ist jedoch auch eine direkte Weiterleitung an ein weiteres System 460 zum Beispiel eine druckabhängige Steuerung möglich. Zusätzlich oder alternativ ist auch eine Anzeige 470 des Drucks möglich.

Anhand der Beschaltung der Messkapazitäten des erfindungsgemäßen Drucksensors mittels einer Wh eatstone ^' sehen Brückenschaltung kann die Funktionsweise der Erzeugung eines Drucksensorsignals verdeutlich werden. Jeweils eine Messkapazität und eine Referenzkapazität eines Drucksensorelements bilden hierbei eine Halbbrücke. Die Versorgung dieser Wheatstone ^' schen Brückenschaltung erfolgt über eine Versorgungsspannung 500. Über einen Mittelabgriff 510 erfolgt der Abgriff des Drucksensorsignals.

Im Beispiel der Figur 1 würden die beiden Messkapazitäten 40 und 60 bis zum Erreichen des ersten Drucks, das heißt bis zum Aufsetzen der Kontaktelemente 320 und 325 ein Drucksensorsignal am Mittelabgriff 510 in Abhängigkeit der Durchbiegung der gesamten Membran 140 bzw. 240 erzeugen. Nach Überschreiten des ersten Drucks würde die Annäherung der ersten Elektrode 115 an die zweite Elektrode 110 der ersten Messkapazität 40 in Abhängigkeit der Durchbiegung nur noch eines Teils 180 der Gesamtmembran 140 erfolgen. Da dieser Teilbereich 180 eine geringer Fläche als die Gesamtmembran aufweist, wird am Mittelabgriff 510 eine andere Druckabhängigkeit ausgegeben. Durch die Erkennung des Aufsitzens der Kontaktelements 120 und 125 kann diese geänderte Druckabhängigkeit insbesondere bei Kenntnisse der Geometrien der Teilbereichsfläche 180 zur Gesamtmembranfläche bei der Auswertung beziehungsweise Ableitung und Weiterverarbeitung des Drucksensorsignals am Abgriff 510 berücksichtigt werden. Denkbar ist beispielsweise, die Erkennung des Aufsitzens mit einer Umschaltung des Druckbereichs zu verknüpfen. Hierbei können auch Interrupts, eine Umschaltung der Linearisierungs-/Kompensationsfunktionen oder die Verwendung unterschiedlicher (Gewichtungs-) Parameter verwendet werden.

Auch eine Ausführung mit zwei unterschiedlich ausgestalteten Drucksensorelementen 20 und 30, wie es in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigt wird, kann mit einer Brückenschaltung gemäß der Figur 7 ausgewertet werden. So kann ein Aufbau eines Drucksensors gemäß der Figuren 3a bis c mit zwei Druckbereichen realisiert werden, bei dem in einem ersten Druckbereich bis zu einem ersten Druck mit beiden Messkapazitäten 40 und 60 der Druck erfasst werden. Nach dem Aufsetzen der Kontaktelemente 120 und 125 und insbesondere der ersten Elektrode 115 auf der zweiten Elektrode 110 wird jedoch die erste Messkapazität 40 keinen weiteren Beitrag zur Ableitung des Drucksensorsignals mehr liefern. Stattdessen stellt oberhalb des ersten Drucks die zweite Messkapazität 60 mit ihrer steiferen und durch einen höheren anliegenden Druck durchbiegbare Membran 240 die Grundlage für die Ableitung des Drucksensorsignals am Abgriff 510 dar. Bei Erreichen eines noch höheren dritten Drucks setzten dann auch das dritte auf das vierte Kontaktelement 225 beziehungsweise 220 auf, insbesondere unter gleichzeitigem Aufsetzen der dritten Elektrode 225 auf die vierte Elektrode 220, wodurch auch die zweite Messkapazität 60 keinen Beitrag mehr zum Drucksensorsignal liefern kann. Optional kann vorgesehen sein, dass beim Aufsetzen der entsprechenden Kontaktelemente weiterhin ein Abstand zwischen den zugehörigen Elektroden der Messkapazität vorliegt. In diesem Fall können weiteren Druckbereiche definiert werden, da die Verkleinerung des Abstands der Elektroden aufgrund höherer anliegender Drücke weiterhin messbar ist.

Statt lediglich zwei unterschiedlichen Druckbereichen mit jeweils einer eigenen Druckabhängigkeit können mit den Aufbauten der Figuren 4 und 5 auch verschiedene, insbesondere angrenzende Druckbereiche für die Drucksignalerfassung realisiert werden. Hierbei übernehmen Kontaktelemente 320 und 325, die nicht direkt an der ersten Messkapazität 40 angeordnet, aber dieser zugeordnet sind, sowie entsprechende Kontaktelemente 340 und 345 der zweiten Messkapazität 60 die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Übergangspunkte der Druckbereiche. Durch die Gestaltung der Länger als auch der Position der Stempel 300 und 330 im seitlichen Bereich 190 beziehungsweise 195 der entsprechenden Membranen 140 und 240 lassen sich so gezielte Druckabhängigkeiten einstellen. Sitzt eine der Kontaktelemente bei einem anliegenden Druck auf sein Gegenüber auf, kann dies sowohl aus dem resultierenden Drucksensorsignal am Abgriff 510 als auch über eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktelementen erkannt werden. Die so erfassten elektrischen Kontakte können wie vorstehend ausgeführt, für die Auswertung verwendet werden, um von einer Druckauswertung mit einer ersten Druckabhängigkeit auf eine andere Druckauswertung mit einer von der ersten Druckabhängigkeit verschiedenen Druckabhängigkeit umzuschalten. Entsprechend können bei Vorlage mehrere elektrischer Kontakte mehrere Druckabhängigkeiten in verschiedenen Druckbereichen definiert werden.

Mit den vorstehende beschriebenen Ausführungen gemäß der Beschaltung des wenigstens einen Drucksensorelements lässt sich ebenfalls ein Verfahren zur Erzeugung eines Drucksensorsignals beschreiben. Hierbei wird das Drucksensorsignal basierend auf der erkannten druckabhängigen Bewegung wenigstens einer Membran abgeleitet. Zusätzlich kann das Verfahren die insbesondere elektrische Kontaktierung zweier zugeordneter Kontaktelemente erkennen, um daraus die verschiedenen Druckbereiche abzuleiten. Bei der Ableitung können die verschiedenen Druckabhängigkeiten der Membranbewegungen berücksichtigt werden, zum Beispiel indem größere oder kleinere Gewichtungsfaktoren oder Parameter verwendet werden. So kann beispielsweise das ausgegebene normiert oder kontinuierlich dargestellt werden. Auch eine Umschaltung der Linearisierung- oder Kompensationsfunktion bei den verschiedenen Druckbereichen in Abhängigkeit der erkannten Kontaktierung der jeweiligen Kontaktelemente ist möglich.