DD225501A1

DD225501A1 - Halbleiterdrucksensor

Info

Publication number: DD225501A1
Application number: DD26137184A
Authority: DD
Inventors: Guenter Pocher; Herbert Schaefer; Guenter Volland
Original assignee: Komb Veb Eaw Berlin Treptowzen
Priority date: 1984-03-29
Filing date: 1984-03-29
Publication date: 1985-07-31

Abstract

Halbleiterdrucksensor in Form eines gekapselten Bauelementes mit einem druckempfindlichen Sensorelement zur Erfassung von Ueber- und Unterdruecken von Fluiden. Das Ziel der Erfindung besteht in einem einfachen, kostenguenstigen Aufbau des Halbleiterdrucksensors, einer Einsatzmoeglichkeit fuer hohe Druckmessbereiche, in niedrigen Messfehlern sowie geringen Umgebungseinfluessen auf das Ausgangssignal. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schaedliche Einwirkung des Messdrucks auf die Befestigungsmittel des Sensorelementes zu vermeiden, das Gehaeuse keiner Druckeinwirkung auszusetzen und parasitaere mechanische Spannungen von der Membran fernzuhalten. Erfindungsgemaess ist der Membrantraeger ueber ein rohrfoermiges Zwischenstueck an dem der Druckzufuehrung abgewandten Ende eines metallischen Druckanschlussstueckes befestigt und das Druckanschlussstueck quer zu seiner Achsrichtung formschluessig und das Sensorelement mit einem Zwischenraum von einer Umhuellung aus einem elektrisch nichtleitenden Material umgeben. An der Umhuellung sind mit ihren Bondflaechen in der Ebene der Membran liegende, dem aeusseren Anschluss dienende Anschlussfahnen angeordnet. Der durch einen Deckel abgeschlossene Raum oberhalb der Membran ist mit einem Schutzmedium gefuellt. Fig. 1

Description

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einem einfachen, kostengünstigen Aufbau des Halbleiterdrucksensors, seiner Einsatzmöglichkeit für hohe Überdruck- und Unterdruckmeßbereiche, niedrigen Meßfehlern sowie geringen Temperatur-, Feuchte-, Einbau- und Schwingungseinflüssen auf das Ausgangssignal.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schädliche Einwirkung des Meßdruckes auf die Befestigungsmittel des Sensorelementes zu vermeiden, das Gehäuse keiner Druckeinwirkung auszusetzen und mechanische Spannungen, wie sie durch Temperatur, Feuchte, den Einbau und Schwingungen im Drucksensor auftreten können, von der Membran fernzuhalten.

Die Erfindung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

Ein Membranträger ist über ein rohrförmiges Zwischenstück an dem der Druckzuführung abgewandten Ende eines metallischen Druckanschlußstückes befestigt. Das Druckanschlußstück ist quer zu seiner Achsrichtung formschlüssig und ein daran befestigtes Sensorelement mit einem Zwischenraum von einer Umhüllung aus einem elektrisch nichtleitendem Material umgeben. An der Umhüllung sind, mindestens mit ihren Bondflächen in der Ebene der Membran liegende, dem äußeren Anschluß dienende Anschlußfahnen angeordnet. Der Raum oberhalb der Membran ist von einem Deckel mit mindestens einer Öffnung abgeschlossen. Das Druckanschlußstück ist mit einem Gewinde und einem Schlüsselsechskant versehen. Das Material der Umhüllung besteht aus einer durch Spritzgießen verarbeitbaren Plastmasse. Das Druckanschlußstück und die Lötfahnen sind in dem Material der Umhüllung eingebettet. Andererseits können das Druckanschlußstück und die Lötfahnen so ausgebildet sein, daß sie durch Eindrücken in Öffnungen der vorgefertigten Umhüllung befestigt werden. Der durch das Druckanschlußstück, die Umhüllung und den Deckel begrenzte Innenraum ist mindestens teilweise mit einem elastischen Schutzmedium, z. B. Silikonkautschuk oder Silikongel gefüllt. Andererseits kann auch zwischen der Umhüllung und dem Deckel oder an der Außenseite des Deckels eine weichelastische Trennmembran angeordnet und der durch das Druckanschlußstück, die Umhüllung und die Trennmembran begrenzte Innenraum mit einem Schutzgas oder einer Schutzflüssigkeit, z. B. Silikonöl, gefüllt sein. Die Trennmembran besteht aus einem nichtmetallischen Werkstoff. Der zu messende Druck gelangt durch eine Bohrung im Druckanschlußstück an die Innenseite des Sensorelementes. Er führt dort zu einer Druchbiegung der Membran und in bekannter Weise über eine Widerstandsänderung der auf der Oberfläche der Membran befindlichen Brückenwiders⁺ände zu einem elektrischen Ausgangssignal.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Schnittdarstellung einer Ausführung des Drucksensors, Fig.2: Schnittdarstellung A-A von Fig. 1,

Fig. 3: Schnittdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels und Fig.4: Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Ein der Druckzuführung und der Befestigung des Halbleiterdrucksensors dienendes Druckanschlußstück 1 ist außen mit einem Gewinde 2 und einem Schlüsseisechskant 3 versehen. Es hat innen eine Bohrung 4, in derein druckempfindliches Sensorelement 5 eingeklebt ist. Das Sensorelement 5 selbst besteht aus einem rohrförmigen Zwischenstück 6 aus einer Legierung mit einem niedrigen Temperaturausdehnungskoeffizienten, einer Grundplatte 7 aus Silizium oder Glas und einem Membranträger 8 aus monokristallinem Silizium. Die Teile des Sensorelementes 5 sind, z. B. durch Glasschmelz- oder anodische Verbindungen, druckfest und druckdicht miteinander verbunden. Der Membranträger 8 trägt eine in bekannter Weise durch Abdünnen erzeugte Membran 9, an deren Oberfläche sich dehnungsempfindliche Widerstände befinden, die z. B. durch Ionenimplantation oder Diffussion im Silizium der Membran 9 oder in einer darauf aufgebrachten Schicht erzeugt worden sind. Das Druckanschlußstück 1 ist im Bereich eines Sechskantes 10 und einer Eindrehung 11 formschlüssig von einer Umhüllung 12 aus einem Plastmaterial, z.B. einem glasfaserverstärkten Polyamid, umgeben. Die Umhüllung 12 umschließt rechtwinklig zur Achsrichtung des Druckanschlußstückes 1 auch das Sensorelement 5, allerdings mit einem Zwischenraum 13. Im Material der Umhüllung 12 sind vier mit ihren Bondflächen 14 in der Ebene der Membran 9 liegende Anschlußfahnen 15 eingebettet. Sie sind durch Bonddrähte 16 elektrisch mit Bondinseln 17 auf der Oberfläche der Membran 9 verbunden. Der freie Raum oberhalb der Membran 9 und der Bondflächen 14 wird von einem Deckel 18 abgeschlossen, der eine Öffnung 19 aufweist, welche zur Zuführung des Umgebungsluftdrucks zur Oberfläche der Membran 9 dient. Die Befestigung des Deckels 18 kann durch Aufkleben oder mit Hilfe von Zapfen 20 an der Umhüllung 12 erfolgen, die in entsprechende Löcher im Deckel 18 eingreifen. Der Innenraum 21 des Halbleiterdrucksensors, begrenzt durch die innenliegenden Konturen des Druckanschlußstückes 1, der Umhüllung 12 und des Deckels 18, ist zum Schutz der Bonddrähte 16 mindestens teilweise mit Silikonkautschuk oder Silikongel gefüllt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig.3, ist das rohrförmige Zwischenstück 6 als Bestandteil des Druckanschlußstückes 1 ausgeführt. Die Anschlußfahnen 15 sind im Bereich ihrer Einbettung in der Umhüllung 12 nicht abgebogen. Sie werden durch einen gegenüber der Ausführung Fig. 1 erhöhten Rand 22 der Umhüllung 12 gehalten. Zwischen diesem Rand 22 und dem Deckel 18 ist eine Trennmembran 23 aus einem weichelastischen Werkstoff, z.B. Silikonkautschuk oder einem Plastelastomer, angeordnet. Der hierbei durch die Trennmembran 23 abgeschlossene Innenraum 21 ist zum Schutz der Bondverbindungen mit einem Schutzgas oder einer Schutzflüssigkeit, z. B. Silikonöl, ausgefüllt. In Ausführungsbeispiel nach Fig.4 ist die Trennmembran 23, bei gleicher Funktion, außen am Deckel 18 angeordnet. Das Zwischenstück 6 führt unter Verzicht auf eine Grundplatte direkt vom Druckanschlußstück 1 zum Membranträger 8. Das Druckanschlußstück 1 ist in seinem dem Gewinde 2 abgewandten Teil rund ausgeführt. Es wird in ein entsprechend ausgeführtes Loch in der ohne Metalleinbettungen vorgefertigte Umhüllung 12 nachträglich eingedrückt. Die ebenfalls nicht eingebetteten Anschlußfahnen 15 sind seitlich mit abgebogenen Lappen 24 versehen, die in entsprechende Vertiefungen in der Umhüllung 12 eingesteckt werden. Die Anschiußfahnen 15 sind an beiden Seiten des Halbleiterdrucksensors angebracht, wie es erforderlich sein kann, wenn mehr als vier Anschlüsse benötigt werden, z.B. zum Anschluß von auf dem Membranträger 8 angebrachten zusätzlichen Funktionselementen.

Der erfindungsgemäße Aufbau bietet den Vorteil guter meßtechnischer Eigenschaften bei niedrigen Kosten. Durch die Entkopplung der prinzipbedingt verformungsabhängigen Membran von den Hüllteilen werden Umwelteinflüsse, soweit sie nicht in den Eigenschaften der Membran selbst bearündet sind, nicht wirksam.

Claims

Erfindungsansprüche:

1. Halbleiterdrucksensor in Form eines gekapselten Bauelementes mit einem druckempfindlichen Sensorelement, das aus Befestigungsmitteln und einem Membranträger mit einer durch Abdünnung entstandenen Membran besteht, auf der sich dehnungsabhängige Widerstände befinden, die durch Bondverbindungen mit äußeren Anschlüssen verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Membranträger (8) über ein rohrförmiges Zwischenstück (6) an dem der Druckzuführung abgewandten Ende eines metallischen Druckanschlußstückes (1) befestigt ist, daß das Druckanschlußstück (1) quer zu seiner Achsrichtung formschlüssig und das Sensorelement (5) mit einem Zwischenraum (13) von einer Umhüllung (12) aus einem elektrisch nichtleitendem Material umgeben ist, daß an der Umhüllung (12) mindestens mit ihren Bondflächen in der Ebene der Membran (9) liegende, dem äußeren Anschluß dienende Anschlußfahnen (15) angeordnet sind und daß der Raum oberhalb der Membran (9) von einem Deckel (18) mit mindestens einer Öffnung (19) abgeschlossen ist.

2. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Druckanschlußstück (1) mit einem Gewinde (2) und einem Schlüsselsechskant (3) versehen ist.

3. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Material der Umhüllung (12) aus einer durch Spritzgießen verarbeitbaren Plastmasse besteht.

4. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Druckanschlußstück (1) und die Anschlußfahnen (15) im Material der Umhüllung (12) eingebettet sind.

5. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Druckanschlußstück (1) und die Anschlußfahnen (15) so ausgebildet sind, daß sie durch Eindrücken in Öffnungen der vorgefertigten Umhüllung (12) befestigt werden können.

6. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der durch das Druckanschlußstück (1), die Umhüllung (12) und den Deckel (18) begrenzte Innenraum (21) mindestens teilweise mit einem elastischen Schutzmedium, z.B. Silikonkautschuk oder Silikongel, gefüllt ist.

7. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Umhüllung (12) und dem Deckel (18) eine weichelastische Trennmembran (23) angeordnet und der durch das Druckanschlußstück (1), die Umhüllung (12) und die Trennmembran (23) begrenzte Innenraum (21) mit einem Schutzgas oder einer Schutzflüssigkeit, z. B. Silikonöl, gefüllt ist.

8. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß an der Außenseite des Deckels (18) eine weichelastische Trennmembran (23) angeordnet und der durch das Druckanschlußstück (1), die Umhüllung (12), die Seitenwände des Deckels (18) und die Trennmembran (23) begrenzte Innenraum (21) mit einem Schutzgas oder einer Schutzflüssigkeit, z. B. Silikonöl, gefüllt ist.

• 9. Halbleiterdrucksensor nach Punkt 7 oder 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Trennmembran (23) aus einem nichtmetallischen Werkstoff besteht.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterdrucksensor in Form eines gekapselten Bauelementes mit einem druckempfindlichen Sensorelement, das aus Befestigungsmitteln und einem Membranträger mit einer durch Abdünnung entstandenen Membran besteht, auf der sich dehnungsabhängige Widerstände befinden, die durch Bondverbindungen mit äußeren Anschlüssen verbunden sind. Derartige Halbleiterdrucksensoren werden zur Messung und Regelung von Über- und Unterdrücken von Fluiden in Betriebsanlagen, Fahrzeugen usw. eingesetzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den bekannten Halbleiterdrucksensoren sind die druckempfindlichen Sensorelemente in relativ aufwendigen Gehäusen aus Keramik und Metall untergebracht. Der Bondanschluß erfolgt häufig von der Membranoberfläche zu Bondinseln auf einem Keramiksubstrat, von wo aus in Dickschichttechnik hergestellte Leiterbahnen zu metallischen äußeren Anschlüssen führen. Bei einer anderen Ausführung von Halbleiterdrucksensoren, ζ. B. nach der DE-AS 2630240, verläuft die Bondverbindung von der Membranoberfläche zur Stirnfläche von Metallstiften, welche als äußere Anschlüsse dienen und mit Hilfe von Glasdurchführungen in einer Metallplatte befestigt sind. Nachteilig ist hierbei der große technologische Aufwand und die Tatsache, daß Lage und Richtung der Anschlußstifte prinzipbedingt vorgegeben sind, woraus sich ungünstige konstruktive Anschlußbedingungen ergeben können.

Um diesen Nachteilen abzuhelfen, werden in der DE-OS 3200448 in vorteilhafterweise flache Anschlußfahnen verwendet. Hierzu ist ein Membranteil über eine Trägerplatte an einem Leiterrahmen befestigt, wie er bei der Fertigung integrierter Schaltkreise üblich ist, und allseitig mit einem druckdichten Kunststoffgehäuse umgeben. Der zu messende Druck wird über einen bzw. zwei Anschlußstutzen in das Innere des Gehäuses geleitet. Diese Ausführung hat jedoch mehrere Nachteile. So wirkt bei der Über- und Unterdruckmessung, bei denen der Gehäuseinnenraum durch eine auf dem Leiterrahmen liegenden Folie in zwei Druckräume geteilt ist, der Differenzdruck einseitig auf den Leiterrahmen. Dieser biegt sich wegen seiner großen Fläche und seiner geringen Steifigkeit durch. Die Durchbiegung setzt sich über die Trägerplatte bis auf die Membran fort und führtauf dieser zu einer Undefinierten Verformung und damit zu großen Meßfehlern. Es kann bei einer bleibenden Durchbiegung der Trägerplatte bis zum Unbrauchbarwerden des Drucksensors kommen. Auf Grund dessen ist eine Anordnung dieser Art nur für extrem niedrige Unter- und Überdruckbereiche einsetzbar. Hinzu kommt, auch bei der Absolutdruckmessung, der Einfluß der elastischen Verformung des Gehäuses infolge der Druckeinwirkung, die sich über den Leiterrahmen bis auf die Membran fortsetzt. In der gleichen Weise wirken sich auch Gehäuseschwindungen und -Streckungen infolge der Temperatur- und Feuchteabhängigkeit des Kunststoffes sowie Gehäuseverformungen durch Einbaueinflüsse aus, die alle zu zusätzlichen Meßfehlern führen. Nachteilig ist weiterhin die starke Schwingungsempfindlichkeit des Drucksensors, die auf der Nachgiebigkeit des Leiterrahmens beruht und sich in einer Modulation des Ausgangssignales beim Auftreten von Schwingungen äußert.