Um die beidseitige Überlastfähigkeit eines Differenzdrucksensors zu verbessern, wurde in diesem Artikel ein differentieller Drucksensorelement mit einer versetzten Balken-Archipel-Membranstruktur entworfen. Das Sensorelement besteht aus einer Balken-Archipel-Siliziummembranstruktur und einem glasbasierten Substrat. Die Balkenstruktur reduziert die Spannungskonzentration, die Archipelstruktur erhöht die Steifigkeit der Struktur; die Glassubstrat-Verbindungsfläche ist mit quadratischen Nuten und runden Durchgangslöchern gestaltet, die versetzte Struktur, die durch die quadratische Nut der Siliziummembran und das Glassubstrat gebildet wird, reduziert die maximale Spannung weiter. Zunächst wurden mit Finite-Elemente-Software die Spannungsverteilung, der Volllastausgang des Sensorelements und die maximale Spannung des beidseitig hoch belastbaren siliciumbasierten Differenzdrucksensors analysiert. Danach wurde die Beziehung zwischen Strukturgröße und Plattendruck untersucht und durch Dimensionsoptimierung die Strukturabmessungen bei maximalem Plattendruck ermittelt. Schließlich wurde ein beidseitig hoch belastbares siliciumbasiertes Differenzdrucksensorelement durch MEMS-Siliziumverfahren hergestellt. Die Drucktestergebnisse zeigen, dass der Bruchdruck des hergestellten beidseitig hoch belastbaren siliciumbasierten Differenzdrucksensors das 8,5-fache des Messbereichs beträgt und im Vergleich zum herkömmlichen C-förmigen Membranstruktur-Differenzdrucksensorelement (Bruchdruck 6,5-facher Messbereich) die Überlastfähigkeit um 30,7 % verbessert wurde. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen, dass die versetzte Balken-Archipel-Membranstruktur die bidirektionale Überlastfähigkeit des Differenzdrucksensorelements effektiv verbessern kann.

MEMS;Differenzdrucksensorelement;Finite Elemente;Dimensionsoptimierung;Überlastfähigkeit