DE102012100942A1 - Measuring cell for high-pressure sensor for measuring pressures above about hundred bar utilized in different types of markets such as automobile market, has metal body, where deflection measuring element detects deflection of membrane area - Google Patents

Abstract

The measuring cell (52) has a metal body (64), at which a membrane area (72) is formed, where a deflection measuring element (56) is provided for detecting a deflection of the membrane area on the metal body. An integrated circuit (62) is formed for signal processing of signals of the deflection measuring element. The metal body is formed as monolithic block made from steel with a blind opening (70), where the base of the blind opening is formed as membrane area. A peripheral wall (78) surrounding the blind hole forms a supporting- and holding area (74) for the membrane area. Independent claims are included for the following: (1) a high-pressure sensor with a pressure connection; and (2) a method for manufacturing a measuring cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine im Wesentlichen auf Metallmaterial, insbesondere Stahl basierende Messzelle für einen Hochdrucksensor, einen damit versehenen Hochdrucksensor sowie ein Herstellverfahren hierfür.The invention relates to a substantially metal material, in particular steel-based measuring cell for a high pressure sensor, a high-pressure sensor provided therewith, and a manufacturing method thereof.

Der Drucksensormarkt wird im Wesentlichen durch drei Basistechnologien abgedeckt: Siliziumbasierte Systeme (MEMS), kapazitive Systeme und resistive Sensoren. Siliziumbasierte Systeme sind in der Regel nur für Normdrücke im Bereich von 10 bis 100 bar ausgelegt. Anodisches Bonden und eine Vielzahl von Fügeprozessen mit unterschiedlichen Materialien können bei Halbleiter-Drucksensoren zu Verspannungen und möglichen Brüchen und Ungenauigkeiten führen. Daher sind Halbleiter-Messzellen für hohe Drücke wenig geeignet und weniger langzeitstabil.The pressure sensor market is essentially covered by three basic technologies: silicon-based systems (MEMS), capacitive systems and resistive sensors. Silicon-based systems are usually designed only for standard pressures in the range of 10 to 100 bar. Anodic bonding and a variety of joining processes with different materials can lead to tensions and possible breaks and inaccuracies in semiconductor pressure sensors. Therefore, semiconductor cells are less suitable for high pressures and less stable over time.

Unter den resistiven Systemen besitzt die schon lange bekannte Dünnfilmtechnologie vor allem im Hochdruckbereich (> 250 bar) und bei höheren Stabilitätsanforderungen besondere Bedeutung. Insbesondere im Hochdruckbereich sind hierfür Messzellen aus Metall, insbesondere Stahl, besonders robust und daher für Langzeitanwendungen mit hoher Ausfallsicherheit zu bevorzugen. Metallmesszellen, insbesondere Stahlmesszellen, haben gegenüber Halbleitermesszellen erhebliche Vorteile hinsichtlich einer Anwendung im Hochdruckbereich, insbesondere hinsichtlich Überdrucksicherheit, Stabilität und einfacheren Prozessschritten. Außerdem lässt sich Stahl schweißen, so dass sehr feste Verbindungen zu weiteren Anschlüssen geschaffen werden können. Die Erfindung wendet sich daher allein einer Weiterentwicklung derartiger auf Metallmesszellen basierender Systeme zu. Insbesondere soll hierbei Messtechnik in Dünnfilmtechnologie einsetzbar sein.Among the resistive systems, the already well-known thin-film technology is particularly important in the high pressure range (> 250 bar) and with higher stability requirements. Particularly in the high-pressure area, measuring cells made of metal, in particular steel, are particularly robust and are therefore to be preferred for long-term applications with high reliability. Metal measuring cells, in particular steel measuring cells, have considerable advantages over semiconductor measuring cells with regard to use in the high-pressure range, in particular with regard to overpressure safety, stability and simpler process steps. In addition, steel can be welded so that very strong connections to other connections can be created. The invention therefore addresses only a further development of such systems based on metal measuring cells. In particular, this measurement technology should be used in thin-film technology.

Als Stand der Technik zu solchen Messzellen und den damit aufgebauten Drucksensoren wird insbesondere auf die DE 10 2004 024 919 A1 , die DE 10 2004 024 920 B4 verwiesen. Darin sind als Auslenkungsmesselemente zum Auslenkung einer Stahlmembran Biegebalken aus Stahl offenbart. Zur Herstellung werden auf einem Stahlwafer viele Biegebalken gemeinsam hergestellt und anschließend vereinzelt und jeweils auf eine Stahlmesszelle aufgebracht As state of the art for such measuring cells and the pressure sensors constructed therewith is particularly to the DE 10 2004 024 919 A1 , the DE 10 2004 024 920 B4 directed. In it are disclosed as deflection measuring elements for the deflection of a steel diaphragm bending beam made of steel. For the production of many bending beams are produced together on a steel wafer and then separated and each applied to a steel measuring cell

Aus der DE 10 2006 023 724 B4 ist es bekannt, ein Auslenkungsmesselement auf einer Rückseite eines Verformungskörpers mittels eines Glases zu befestigen. Weiter ist darin ein auf einem Glassubstrat basierendes Auslenkungsmesselement beschrieben. Auch dieses Auslenkungsmesselement ist als Biegebalken ausgebildet.From the DE 10 2006 023 724 B4 It is known to attach a deflection measuring element on a rear side of a deformation body by means of a glass. Further, a deflection measuring element based on a glass substrate is described therein. This deflection measuring element is also designed as a bending beam.

Aus der DE 10 2005 012 686 A1 sind unterschiedliche Materialien für Metalldruckmesszellen und auch die Ausbildung des Metallverformungskörpers in MIM-Verfahren bekannt.From the DE 10 2005 012 686 A1 Different materials for metal pressure measuring cells and also the formation of the metal deformation body in MIM processes are known.

Wenngleich sich der Aufbau der Druckmesszelle aus Stahlmaterialien bezüglich der Robustheit, der erreichbaren Messdrücke und der möglichen Messumgebungen außerordentlich bewährt hat, so bleibt der Nachteil, dass bisher bekannte auf solchen Druckmesszellen aufbauende Drucksensoren immer noch relativ großvolumig und teuer in der Herstellung sind. Außerdem ist es wünschenswert, eine noch weiter verringerte Ausfallquote über die gesamte Lebensdauer solcher Sensoren zu erhalten. Although the construction of the pressure measuring cell made of steel materials with regard to the robustness, the achievable measuring pressures and the possible measuring environments has proven extremely successful, the disadvantage remains that previously known pressure sensors based on such pressure measuring cells are still relatively bulky and expensive to manufacture. In addition, it is desirable to obtain a still further reduced failure rate over the life of such sensors.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messzelle zu schaffen, mit der ein besonders kompakter, robuster und zuverlässiger und dennoch kostengünstiger Hochdrucksensor mit erhöhter Verfügbarkeit zum Einsatz in anspruchsvollen Umweltbedingungen aufgebaut werden kann.The object of the invention is to provide a measuring cell, with which a particularly compact, robust and reliable, yet cost-effective high-pressure sensor with increased availability for use in demanding environmental conditions can be constructed.

Diese Aufgabe wird durch eine Messzelle nach Anspruch 1 gelöst. Ein damit versehener Hochdrucksensor sowie ein Herstellverfahren für die Messzelle sind Gegenstand der Nebenansprüche. This object is achieved by a measuring cell according to claim 1. A high pressure sensor provided therewith and a manufacturing method for the measuring cell are the subject matter of the additional claims.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schafft gemäß einem bevorzugten Aspekt davon eine Messzelle für einen Hochdrucksensor zum Messen von Drücken oberhalb von 100 bar und insbesondere größer als ca. 250 bar, mit einem Metallkörper, insbesondere Stahlkörper, der einstückig einen Membranbereich und vorzugsweise einen den Membranbereich einstückig haltend umgebenden Halte- und Stützbereich, insbesondere ausgebildet als Sockelbereich, aufweist, wobei auf dem Metallkörper ein Auslenkungsmesselement zum Erfassen einer Auslenkung des Membranbereichs und eine integrierte Schaltung mit einer Auswerteelektronik, die zur Signalverarbeitung der Signale des Auslenkungsmesselements ausgebildet ist, befestigt sind.According to a preferred aspect thereof, the invention provides a measuring cell for a high-pressure sensor for measuring pressures above 100 bar and in particular greater than about 250 bar, comprising a metal body, in particular a steel body, which integrally surrounds a membrane region and preferably a holder which integrally surrounds the membrane region - And support region, in particular designed as a base region, wherein on the metal body, a deflection measuring element for detecting a deflection of the membrane region and an integrated circuit with an evaluation, which is designed for signal processing of the signals of Auslenkungsmesselements attached.

Vorzugsweise werden ein auf einem Glassubstrat in Dünnfilmtechnologie gefertigtes Auslenkungselement und eine integrierter Schaltung (IC, insbesondere ASIC) auf einer gemeinsamen, die Membran enthaltenden Oberfläche aus Metall, insbesondere Stahl, integriert.Preferably, a deflection element fabricated on a glass substrate in thin-film technology and an integrated circuit (IC, in particular ASIC) are integrated on a common membrane-containing surface made of metal, in particular steel.

Durch die Anordnung der integrierten Schaltung unmittelbar an der Messzelle wird eine hochintegrierte Druckmesszelle geschaffen, die zum Aufbau eines besonders kompakten und robusten Drucksensors für Hochdruckanwendungen auch in schwierigen Umgebungsbedingungen verwendbar ist. Die Integration der integrierten Schaltung an der Messzelle kann mit Packaging-Technologien durchgeführt werden, wie sie in der Halbleitertechnologie beim Back-end der Herstellung von Mikrochips, nämlich beim Verpacken (engl. Packaging – z.B. Einhausung in Gehäuse, Schutz vor Umwelteinflüssen) entwickelt worden sind. Dadurch lässt sich industrielle Großserientechnik zu Integration und zur Herstellung der Druckmesszellen nutzen. Die Herstellung der Drucksensoren lässt sich somit wesentlich kostengünstiger als bisher gestalten.The arrangement of the integrated circuit directly on the measuring cell creates a highly integrated pressure measuring cell, which can be used to construct a particularly compact and robust pressure sensor for high-pressure applications even in difficult environmental conditions. The Integration of the integrated circuit on the measuring cell can be carried out with packaging technologies, such as those developed in semiconductor technology in the back-end of the production of microchips, namely packaging (eg packaging in housings, protection from environmental influences). This makes it possible to use industrial mass production technology for integration and for the production of pressure measuring cells. The production of the pressure sensors can thus be designed much cheaper than before.

Es ist bevorzugt, dass der Metallkörper als monolithischer Block aus Stahl mit einer Sacköffnung darin ausgeformt ist, wobei der Grund der Sacköffnung als Membranbereich ausgebildet ist und die das Sackloch umgebende Umfangswandung den insbesondere als Sockelbereich ausgebildeten Halte- und Stützbereich bildet, dass das Auslenkungsmesselement zur Erfassung einer Relativbewegung zwischen dem Membranbereich und dem Halte- und Stützbereich auf der der Sacköffnung abgewandten Seite (der druckabgewandten Seite) des Stahlkörpers teils an dem Halte- und Stützbereich und teils an dem Membranbereich befestigt ist, und dass die integrierte Schaltung an der der Sacköffnung abgewandten Seite an dem Halte- und Stützbereich befestigt ist.It is preferred that the metal body is formed as a monolithic block made of steel with a blind opening therein, wherein the bottom of the blind opening is formed as a membrane region and the peripheral wall surrounding the blind hole forms the holding and supporting region, in particular as a base region, that the deflection measuring element for detecting a relative movement between the membrane area and the holding and supporting area on the side facing away from the blind opening (the side facing away from the pressure) of the steel body is partly attached to the holding and supporting area and partly to the membrane area, and that the integrated circuit on the side facing away from the blind opening is attached to the support and support area.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Auslenkungsmesselement als Biegebalken mit Dehnmessstreifen ausgebildet ist. According to a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the deflection measuring element is designed as a bending beam with strain gauges.

Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Auslenkungsmesselementen auf einem Wafer hergestellt und anschließend vereinzelt. Gemäß einer Ausführungsform werden hier Metall-Auslenkungsmesselemente der aus der DE 10 2004 024 919 A1 bekannten Art verwendet. Eine höhere Integrierbarkeit und höhere Langelebigkeit der Auslenkungsmesselemente lässt sich mit der Herstellungs- und Befestigungstechnik erzielen, wie sie in der DE 10 2006 023 724 B4 beschrieben und gezeigt ist. Demnach ist das Auslenkungsmesselement vorzugsweise auf einem Glassubstrat oder alternativ auch auf einem Keramiksubstrat in Dünnfilmtechnologie oder Dickfilmtechnologie gebildet. Vorzugsweise sind hierzu DMS-Sensoren auf dem Substrat des vorzugsweise als Biegebalken ausgebildeten Auslenkungsmesselement gefertigt.Preferably, a plurality of deflection measuring elements are produced on a wafer and then separated. According to one embodiment, here metal deflection measuring elements of the DE 10 2004 024 919 A1 known type used. A higher integrability and higher Langelebigkeit the deflection measuring elements can be achieved with the manufacturing and fastening technology, as in the DE 10 2006 023 724 B4 described and shown. Thus, the deflection sensing element is preferably formed on a glass substrate or alternatively on a ceramic substrate in thin film technology or thick film technology. For this purpose, preferably DMS sensors are manufactured on the substrate of the deflection measuring element, which is preferably designed as a bending beam.

Es ist weiter bevorzugt, dass der Mikrochip benachbart neben dem Auslenkungsmesselement angeordnet ist. Bei einer Ausbildung des Auslenkungsmesselement als Biegebalken bleibt auf der druckabgewandten Seite einer Metallmembran genügend Platz für die Anordnung weiterer Bausteine, insbesondere eines elektronischen Signalverarbeitungsbausteins. Dies ist umso mehr der Fall, wenn der Membranbereich für Hochdruckanwendungen durch einen stabilen Halte- und Stützbereich einstückig haltend umgeben wird, so dass dieser als Basis zum Anbringen des Signalverarbeitungsbausteines dienen kann. Die Nebeneinander-Anordnung von Auslenkungsmesselement und integrierter Schaltung kann mit Packaging-Methoden aus der Halbleitertechnologie ausgeführt werden, so dass die Anordnung hochintegriert und kostengünstig ausgeführt werden kann.It is further preferred that the microchip is arranged adjacent to the deflection measuring element. In a design of the deflection measuring element as a bending beam remains on the side facing away from the pressure of a metal membrane enough space for the arrangement of further components, in particular an electronic signal processing module. This is all the more the case when the membrane area for high-pressure applications is surrounded by a stable holding and supporting area in one piece, so that it can serve as the basis for attaching the signal processing module. The juxtaposition of deflection sensing element and integrated circuit can be carried out with packaging techniques from the semiconductor technology, so that the arrangement can be implemented in a highly integrated and cost-effective manner.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zwischen dem Auslenkungsmesselement und der integrierten Schaltung einerseits und dem Stahlkörper anderseits eine Zwischenschicht aus Glas oder Keramik eingefügt ist. Z.B. lassen sich dann Spannungskräfte durch unterschiedliche Ausdehnungen im Zwischensubstrat auffangen.It is preferably provided that between the deflection measuring element and the integrated circuit on the one hand and the steel body, on the other hand, an intermediate layer of glass or ceramic is inserted. For example, Then tension forces can be absorbed by different expansions in the intermediate substrate.

Die elektrische Verbindung zwischen Auslenkungsmesselement und integrierter Schaltung kann durch Drahtbonden erzielt werden. Diese Technologie ist aus der Verdrahtung integrierter Schaltungen gut bekannt. Gemäß einer Ausgestaltung ist jedoch bevorzugt, dass das Auslenkungsmesselement und die integrierte Schaltung mittels einer Umverdrahtungsmaske elektrisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise können auf einem Substrat der Umverdrahtungsmaske Anschlusspads und Leiterbahnen dazwischen ausgebildet werden, die so ausgebildet werden, dass die Anschlusspads beim Auflegen der Umverdrahtungsmaske auf die Anordnung aus integrierter Schaltung und Auslenkungsmesselement mit den jeweiligen Verbondungsanschlüssen der Schaltung bzw. des Auslenkungsmesselements in Kontakt kommen. Die Umverdrahtungsmaske kann die Anordnung schützend überdecken; gleichzeitig lässt sich damit eine aufwändigere Einzelkontaktierung vermeiden. The electrical connection between deflection measuring element and integrated circuit can be achieved by wire bonding. This technology is well known from the wiring of integrated circuits. According to one embodiment, however, it is preferred that the deflection measuring element and the integrated circuit are electrically connected to one another by means of a rewiring mask. For example, connecting pads and interconnects can be formed thereon on a substrate of the rewiring mask, which are formed such that the connection pads come into contact with the respective connection terminals of the circuit or of the deflection measuring element when the rewiring mask is placed on the arrangement of integrated circuit and deflection measuring element. The rewiring mask can protectively cover the assembly; At the same time, a more complex individual contacting can thus be avoided.

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen hat sich das folgende Fertigungsverfahren etabliert (Quelle: Wikipedia, download am 05.01.2012 ), wofür bereits eingespielte Produktionstechniken entwickelt worden sind. Die Fertigung von integrierten Schaltungen erfolgt vollständig auf Wafern (einkristalline Halbleiterscheibe), man spricht daher auch von einer „monolithischen Fertigung“ oder „monolithischen Integration“. Dabei werden auf einem Wafer Hunderte und bei einfachen Strukturen (z. B. Einzeltransistoren) mehrere Tausende identische integrierte Schaltkreise parallel hergestellt, was unter anderem die Herstellungskosten senkt. Der Fertigungsprozess kann (neben Funktionstests) in drei grundlegende Abschnitte eingeteilt werden:

• 1. Die Substratherstellung, dazu gehört die Aufreinigung des Ausgangsmaterials, Herstellung von großen Einkristallen (sog. Ingots) und Einzelsubstraten (Wafern).
• 2. Die Herstellung der einzelnen Bauelemente auf einem Wafer, das sogenannte Front-End.
• 3. Das Zerteilen der Wafer in Einzelchips und deren Verpacken in Gehäuse, das sogenannte Back-End.

In the manufacture of integrated circuits, the following manufacturing process has become established (source: Wikipedia, download on 05.01.2012 ), for which already well-established production techniques have been developed. The production of integrated circuits takes place completely on wafers (monocrystalline semiconductor wafer), one speaks therefore also of a "monolithic production" or "monolithic integration". Hundreds and, in the case of simple structures (eg individual transistors), several thousand identical integrated circuits are produced in parallel on one wafer, which, among other things, lowers the production costs. The manufacturing process can be divided into three basic sections (besides functional tests):

• 1. The substrate production, which includes the purification of the starting material, production of large single crystals (so-called ingots) and individual substrates (wafers).
• 2. The production of the individual components on a wafer, the so-called front-end.
• 3. Breaking the wafers into individual chips and their packaging in housing, the so-called back-end.

Das Back-End-Verfahren wird in der Mikrochip-Industrie in der Regel wie folgt durchgeführt:
Zur Verwendung auf einer Leiterplatte muss der empfindliche Chip in ein Gehäuse eingebaut werden. Daher werden im sogenannten Back-End die Wafer in die Einzelchips zerteilt und in der Regel in ein Gehäuse eingebracht. Das Zerteilen der Wafer in die einzelnen Dies erfolgt in der Regel durch Sägen (selten auch durch Ritzen und Brechen). The back-end process is typically performed in the microchip industry as follows:
For use on a printed circuit board, the sensitive chip must be installed in a housing. Therefore, in the so-called back-end, the wafers are divided into the individual chips and, as a rule, introduced into a housing. The division of the wafers into the individual Dies is usually done by sawing (rarely by scratching and breaking).

Beim nachfolgenden Verpacken (engl. packaging) werden die einzelnen ICs dann in ein Gehäuse eingebracht und kontaktiert, das sogenannte Bonden. Dabei kommen je nach Typ unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, beispielsweise Chipbonden oder Drahtbonden. Das Verkappen (Einhausen) dient zur hermetischen Versiegelung gegenüber Umwelteinflüssen – für rein elektrische Schaltkreise muss das Gehäuse gas- und lichtdicht sein – sowie zur besseren Verwendbarkeit. Entweder wird der Chip samt Bonddrähten in einem Hohlraum (Blech, Keramik, ggf. mit Fenster) eingeschlossen oder mit Kunstharz umhüllt (eingegossen, Spritzgusstechnik). Hochkomplexe Schaltkreise (meist für mobile Anwendungen) werden neuerdings (2009) auch ohne Sockelgehäuse eingesetzt und direkt auf die jeweiligen Platinen gelötet (vgl. Ball Grid Array). Zum Abschluss erfolgt nochmals ein Funktionstest, dabei werden zugesicherte Eigenschaften an allen Schaltkreisen geprüft. Prüfergebnisse und die Art der Verkappung bestimmen das Einsatzgebiet. So werden hohe Qualitäten für erweiterte Einsatztemperaturen und Umweltanforderungen gefertigt (sog. MIL-Standard für militärische und Raumfahrt-Anwendungen). Höhere Toleranzen und Plastik-Verkappung kommen für Massenanwendungen (Konsumgüter) in Frage.During subsequent packaging (packaging), the individual ICs are then placed in a housing and contacted, the so-called bonding. Depending on the type, different methods are used, for example chip bonding or wire bonding. The capping (Einhausen) is used for hermetic sealing against environmental influences - for purely electrical circuits, the housing must be gas and light-tight - and for better usability. Either the chip together with bonding wires in a cavity (sheet metal, ceramic, possibly with window) enclosed or coated with synthetic resin (cast, injection molding). Highly complex circuits (mostly for mobile applications) are recently (2009) also used without base housing and soldered directly to the respective boards (see Ball Grid Array). Finally, a functional test is carried out, in which assured properties are tested on all circuits. Test results and the type of capping determine the area of application. In this way, high qualities are produced for extended operating temperatures and environmental requirements (so-called MIL standard for military and space applications). Higher tolerances and plastic capping are considered for mass applications (consumer goods).

Als letzter Schritt wird das Gehäuse mit Informationen des Herstellers bedruckt, z. B. mit dem Herstellernamen, der Typennummer, dem Herstellungsdatum u. ä.). Die Back-End-Fertigung wird im Gegensatz zur Front-End-Fertigung von Mikromechanik und Verfahren der Kunststoffbearbeitung (Spritzguss) dominiert.As a last step, the housing is printed with information from the manufacturer, eg. B. with the manufacturer name, the type number, the date of manufacture u. ä.). In contrast to front-end production, back-end production is dominated by micromechanics and plastic processing (injection molding).

Daraus ergibt sich, dass unterschiedliche Packaging-Verfahren für die Fertigung von ICs entwickelt worden sind. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung werden derartige Packaging-Verfahren nicht zum Einfügung der integrierten Schaltung in ein Gehäuse, sondern zur gemeinsamen Integration von Auslenkungsmesselement und integrierter Schaltung direkt an dem die Membran aufweisenden oder bildenden Metallkörper der Messzelle eingesetzt.As a result, different packaging methods have been developed for the fabrication of ICs. According to a preferred embodiment, such packaging methods are not used for inserting the integrated circuit into a housing, but for joint integration of Auslenkungsmesselement and integrated circuit directly to the membrane having or forming the metal body of the measuring cell.

Bevorzugt ist eine Packaging-Anordnung des integrierten Schaltkreises und des Auslenkungsmesselements vorgesehen, die mittels Glaslot oder mittels Kleben auf dem Stahl oder auf einem Zwischensubstrat aus Glas oder Keramik, welches auf dem Stahlkörper befestigt ist.Preferably, a packaging arrangement of the integrated circuit and of the deflection measuring element is provided, which is attached by means of glass solder or by gluing on the steel or on an intermediate substrate made of glass or ceramic, which is mounted on the steel body.

Weiter bevorzugt ist eine Packaging-Anordnung des integrierten Schaltkreises auf einem Glas/Stahlverbund vorgesehen. More preferably, a packaging arrangement of the integrated circuit is provided on a glass / steel composite.

Gemäß einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Stahlkörper als MIM-Element ausgebildet ist. Die Ausbildung eines Metall-Verformungskörpers mit Membran in MIM-Technik ist in der DE 10 2005 012 686 A1 genauer erläutert und gezeigt. Vorzugsweise wird ein nach diesen Verfahren hergestellter Verformungskörper als Metallkörper eingesetzt, um an der druckabgewandten Seite sowohl die integrierte Schaltung als auch das Auslenkungsmesselement zu integrieren. Die Fertigung in MIM-Technik hat den Vorteil, dass auch unrunde Formen und eine besonders große Vielfalt von Formen für den Metallkörper geschaffen werden können. According to a further preferred embodiment, it is provided that the steel body is formed as an MIM element. The formation of a metal deformation body with membrane in MIM technology is in the DE 10 2005 012 686 A1 explained and shown in more detail. Preferably, a deformation body produced by this method is used as a metal body in order to integrate on the side facing away from the pressure both the integrated circuit and the deflection measuring element. The production in MIM technology has the advantage that also non-circular shapes and a particularly wide variety of shapes for the metal body can be created.

Für viele Anwendungen ist jedoch aufgrund einer erhöhten Robustheit gegenüber MIM-Elementen eine Herstellung des Metallkörpers durch Materialabtrag aus einem monolithischen Metallblock, insbesondere Stahlblock bevorzugt. For many applications, however, a production of the metal body by removal of material from a monolithic metal block, in particular steel block is preferred due to an increased robustness against MIM elements.

Weiter ist bevorzugt, dass die druckabgewandte Seite des Metallkörpers und die daran befestigte Anordnung aus integrierter Schaltung, Auslenkungsmesselement sowie elektrischen Verbindungen dazwischen mit einer Vergussmasse überdeckt sind. Dies dient der Einkapselung gegen Umwelteinflüsse und verbessert die Verwendbarkeit in aggressiven Umgebungen.It is further preferred that the side of the metal body facing away from the pressure and the arrangement of integrated circuit, deflection measuring element and electrical connections attached thereto are covered with a potting compound in between. This serves to encapsulate against environmental influences and improves usability in aggressive environments.

Die Erfindung schafft gemäß eines weiteren Aspekts einen Hochdrucksensor zum Messen von Drücken oberhalb von ca. 100 bar, insbesondere größer 250 bar, gekennzeichnet durch eine Messzelle der voranstehend genannten Art, einen Druckanschluss mit Schraubgewinde, an dem die Messzelle insbesondere stoffschlüssig, mehr insbesondere durch Verschweißen, druckfest befestigt ist, und einen Sensorgehäuse, in der die Messzelle aufgenommen ist. Durch die hochintegrierte Messzelle mit an der Messzelle integriertem Signalverarbeitungsbaustein lässt sich die Fertigung wesentlich vereinfachen und besser automatisieren. Es ergibt sich insgesamt ein sehr kompakter und robuster Drucksensor, der auch für Maschinen und Aggregate eingesetzt werden kann, wo eine Online-Druckmessung bisher nicht möglich war. According to a further aspect, the invention provides a high-pressure sensor for measuring pressures above about 100 bar, in particular greater than 250 bar, characterized by a measuring cell of the aforementioned type, a pressure connection with screw thread on which the measuring cell in particular cohesively, more particularly by welding , pressure-resistant, and a sensor housing in which the measuring cell is accommodated. The highly integrated measuring cell with integrated signal processing module on the measuring cell makes it much simpler and easier to automate production. Overall, this results in a very compact and robust pressure sensor, which can also be used for machines and units where online pressure measurement was previously not possible.

Gemäß eines weiteren Aspekts schafft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Messzelle für einen Hochdrucksensor zum Messen von Normdrücken oberhalb ca. 100 bar, insbesondere größer ca. 250 bar, mit den Schritten:
Bereitstellen eines Metallkörpers, insbesondere Stahlkörpers, mit einer darin integrierten Membran,
Befestigen eines Auslenkungsmesselements zum Erfassen einer Membranauslenkung an einer druckabgewandten Seite des Metallkörpers und
Befestigen einer integrierten Schaltung zur Signalauswertung von Signalen des Auslenkungsmesselements an der druckabgewandten Seite des Metallkörpers.According to a further aspect, the invention provides a method for producing a Measuring cell for a high pressure sensor for measuring standard pressures above approx. 100 bar, in particular above approx. 250 bar, with the steps:
Providing a metal body, in particular a steel body, with a membrane integrated therein,
Attaching a Auslenkungsmesselements for detecting a diaphragm deflection on a side facing away from the pressure of the metal body and
Attaching an integrated circuit for signal evaluation of signals of the Auslenkungsmesselements on the pressure side facing away from the metal body.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens umfasst den Schritt:
Anordnen der integrierten Schaltung benachbart neben dem Auslenkungsmesselement.A preferred embodiment of the method comprises the step:
Arranging the integrated circuit adjacent to the deflection measuring element.

Es ist bevorzugt, dass das Befestigen unter Zwischenlage eines Zwischenmaterials auf Glas- oder Keramikbasis erfolgt.It is preferred that the fastening takes place with the interposition of an intermediate material based on glass or ceramic.

Es ist weiter bevorzugt, dass die integrierte Schaltung und/oder das Auslenkungsmesselement mittels Glaslot und/oder mittels Kleben oder mittels eines Keramiksubstrats auf die druckabgewandte Seite des Metallkörpers vorzugsweise stoffschlüssig befestigt werden.It is further preferred that the integrated circuit and / or the deflection measuring element are preferably firmly bonded by means of glass solder and / or by means of gluing or by means of a ceramic substrate to the side of the metal body facing away from the pressure.

Es ist besonders bevorzugt, dass der Schritt des Bereitstellens des Metallkörpers:

• a) Ausformen des Metallkörpers aus einem Metallblock durch Materialabtrag zum Ausbilden einer Sacköffnung oder
• b) Ausbilden des Metallkörpers in einem MIM-Verfahren umfasst.

It is particularly preferred that the step of providing the metal body:

• a) forming the metal body from a metal block by material removal to form a blind opening or
• b) forming the metal body in an MIM process.

Im Folgenden werden besondere Vorteile bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert.In the following, special advantages of preferred embodiments of the invention will be explained in more detail.

Ein völlig neuartiger Drucksensor für Hochdruckanwendungen kann durch konsequente Integration kürzlich entwickelter Sensorelemente (siehe insbesondere DE 10 2004 024 919 A1 und DE 10 2006 023 724 B4 ) und elektronischer CMOS Bausteine (ASIC) hergestellt. Vorteilhaft wird ein geeignetes Packaging-Konzept auf Basis eines Stahlsubstrates vorgeschlagen. Hierfür werden bevorzugt Verbundmaterialien unter Nutzung von Glas oder Keramik einerseits und Stahl andererseits vorgeschlagen. Bevorzugt wird eine optimierte Fügeverbindung Glas-Metall eingesetzt. Dadurch lässt sich ein äußerst robuster und kompakter Sensor schaffen, der in industrieller Großserie herstellbar ist und für eine Vielfalt von Anwendungen, für die Messungen im Hochdruckbereich erwünscht sind, einsetzbar ist.A completely new type of pressure sensor for high-pressure applications can be achieved by consistently integrating recently developed sensor elements (see in particular DE 10 2004 024 919 A1 and DE 10 2006 023 724 B4 ) and electronic CMOS devices (ASIC). Advantageously, a suitable packaging concept based on a steel substrate is proposed. For this purpose, composite materials are preferably proposed using glass or ceramic on the one hand and steel on the other. Preferably, an optimized joint glass-metal is used. This makes it possible to create a very robust and compact sensor that can be produced in industrial mass production and can be used for a variety of applications for which measurements in the high pressure range are desired.

Der industrielle Sensormarkt verlangt nach immer kostengünstigeren und kleineren Hochdrucksensoren mit erhöhter Verfügbarkeit vor allem in anspruchsvollen Umgebungsbedingungen („Outdoor usage“). Dies wird mit dem neuen Konzept erreicht.The industrial sensor market demands ever more cost-effective and smaller high-pressure sensors with increased availability, especially in demanding environmental conditions ("outdoor usage"). This is achieved with the new concept.

Mit dem vorliegenden Konzept kann insbesondere im Fall eines digitalen oder analogen (ratiometrisch) Ausgangs komplett auf eine Leiterplatte verzichtet werden. Die Elektronik und das Sensorelement selbst finden sich vielmehr in einem hochintegrierten Packaging direkt auf der Stahlmembrane wieder. Auf diesem Weg kann sowohl ein einschneidender Schritt in Richtung Kosteneinsparung als auch ein wichtiger Qualitätsverbesserungsschritt durch die reduzierte Anzahl an elektrischen Verbindungen gemacht werden. With the present concept, in particular in the case of a digital or analog (ratiometric) output, a printed circuit board can be completely dispensed with. The electronics and the sensor element itself can be found in a highly integrated packaging directly on the steel membrane. In this way, both a drastic step towards cost savings and an important quality improvement step can be made by the reduced number of electrical connections.

Mit bisher bekannten etablierten Aufbau- und Verbindungskonzepten ist der beschriebene vollintegrierte Sensorkopf nicht zu realisieren. Gemäß dem vorgeschlagenen Konzept können jedoch in einem neuartigen ganzheitlichen Ansatz gleichzeitig die Membranfunktionalität, der Sensorchip, die Verbundmaterialien, die Fügetechnologie, die Signalleitungen und das gesamte Packaging aufeinander abgestimmt werden, um hohe Qualitätsanforderungen über die gesamte Lebensdauer garantieren zu können.With hitherto known established construction and connection concepts, the described fully integrated sensor head can not be realized. According to the proposed concept, however, the membrane functionality, the sensor chip, the composite materials, the joining technology, the signal lines and the entire packaging can be matched to one another in a novel holistic approach in order to be able to guarantee high quality requirements over the entire service life.

Vorteilhafte Einsatzgebiete für den Hochdrucksensor sind neben dem automobilen Markt der industrielle Markt mit den Teilbereichen Hydraulik, Bremstechnik und Motoren/Getriebe. Advantageous areas of application for the high-pressure sensor are, in addition to the automotive market, the industrial market with the sub-areas of hydraulics, brake technology and engines / transmissions.

Mit dem hier vorliegenden Konzept wird dagegen eine gezielte Mikrointegration realisiert, wodurch sich erhebliche Kosteneinsparungen bei der industriellen Großserienherstellung realisieren lassen.On the other hand, with the present concept, a targeted microintegration is realized, which can realize significant cost savings in industrial mass production.

Der gewohnt diskrete Aufbau bestehend aus Druckanschluss-Druckmesszelle-Platine-Steckverbindung kann durch Zusammenlegung des Sensorelementes und der integrierten Schaltung, beispielsweise ausgebildet als CMOS Chip (ASIC) wesentlich vereinfacht werden. Die damit erzielte Baugröße und Kompaktheit (z.B. kleiner als 14mm Durchmesser) erlaubt den Einsatz und die Integration in Maschinen und Aggregaten, die bisher nicht mit derartigen Sensoren ausgestattet werden konnten. Das vorliegende Konzept erlaubt die Realisierung einer deutlich tieferen Kostenbasis bei gleichbleibend anspruchsvollen Spezifikationen und verbesserten Qualitätskennzahlen. The usual discrete structure consisting of pressure connection pressure cell-board connector can be significantly simplified by merging the sensor element and the integrated circuit, for example, designed as a CMOS chip (ASIC). The resulting size and compactness (e.g., less than 14mm diameter) allows for deployment and integration into machines and assemblies that previously could not be equipped with such sensors. The present concept allows the realization of a significantly lower cost base with constantly demanding specifications and improved quality indicators.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 eine schematische Übersicht über das Konzept zur Herstellung einer Messzelle aus Metall mit Auslenkungsmesselement und integrierter Schaltung; 1 a schematic overview of the concept for the production of a measuring cell made of metal with deflection measuring element and integrated circuit;

2 eine schematische Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform der Messzelle; 2 a schematic sectional view through a first embodiment of the measuring cell;

3 eine Draufsicht auf die druckabgewandte Seite der Messzelle von 2 3 a plan view of the pressure side facing away from the measuring cell of 2

4 eine schematische Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform der Messzelle; und 4 a schematic sectional view through a second embodiment of the measuring cell; and

5 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines mit einem mit einer Messzelle gemäß einer der Ausführungsformern versehenen Hochdrucksensor. 5 a schematic sectional view of an embodiment of a provided with a measuring cell according to one of the embodiments high-pressure sensor.

Die 1 zeigt einen groben Schnitt durch ein Ausführungsbeispiels eines Packaging-Modells eines als Messzelle 50 wirkenden Moduls 52 für einen Hochdrucksensor. Das Modul 52 sollte nach unten auf einen Druckanschluss einschweißbar sein, nach oben könnte der elektrische Signalabgang, beispielsweise über Federkontakte erfolgen.The 1 shows a rough section through an embodiment of a packaging model of a measuring cell 50 acting module 52 for a high pressure sensor. The module 52 should be welded down to a pressure connection, upwards could be the electrical signal output, for example via spring contacts.

Zum Bilden eines Auslenkungsmesselements 56 wird ein Glassubstrat 54 mit einem DMS-Sensor 5 mit Hilfe eines geeigneten Lotwerkstoffs 58 direkt auf eine Stahlmembran 60 des Drucksensors gebondet. Eine integrierte Schaltung 62, z.B. ein ASIC-Chip vom CMOS-Typ, sitzt in sehr kompakter Bauweise ebenfalls unmittelbar auf der gleichen Oberfläche der Stahlmembran 60 wie das Auslenkungsmesselement 56. Leitende Verbindungen werden erstellt und der gesamte Aufbau wird am Ende verkapselt.To form a deflection element 56 becomes a glass substrate 54 with a strain gauge sensor 5 with the help of a suitable brazing material 58 directly on a steel membrane 60 bonded to the pressure sensor. An integrated circuit 62 , eg a CMOS-type ASIC chip, also sits in a very compact design directly on the same surface of the steel membrane 60 like the deflection measuring element 56 , Conductive connections are created and the entire structure is finally encapsulated.

Somit ist eine Messzelle 50 für einen Hochdrucksensor mit einem Metallkörper 64 gebildet, an dem einstückig ein Membranbereich 66 ausgeformt ist. Auf dem insbesondere als Stahlkörper 1 ausgebildeten Metallkörper 64 ist das Auslenkungsmesselement 56 und die integrierte Schaltung 62 befestigt. Das Auslenkungsmesselement 56 ist zum Erfassen einer Auslenkung des Membranbereichs 66 ausgebildet. Das Auslenkungsmesselement 56 ist vorzugsweise als Glasbiegebalken 68 ausgeführt, dessen Auslenkung über Dehnmessstreifen erfassbar sind und über eine übliche Brückenschaltung als Signale abrufbar sind. Die integrierte Schaltung 62 bildet einen elektronischen Signalverarbeitungsbaustein 4, der zur Verarbeitung der Signale des Auslenkungsmesselements 56 ausgebildet ist.Thus, a measuring cell 50 for a high pressure sensor with a metal body 64 formed on the integrally a membrane area 66 is formed. On the particular as a steel body 1 trained metal body 64 is the deflection measuring element 56 and the integrated circuit 62 attached. The deflection measuring element 56 is for detecting a deflection of the membrane area 66 educated. The deflection measuring element 56 is preferably as a glass bending beam 68 executed, the deflection of which can be detected via strain gauges and are retrievable as signals via a conventional bridge circuit. The integrated circuit 62 forms an electronic signal processing module 4 , which is for processing the signals of the Auslenkungsmesselements 56 is trained.

In den 2 und 3 ist ein weiteres konkretes Ausführungsbeispiel für das Modul 50 mit der Messzelle 52 dargestellt. In the 2 and 3 is another concrete embodiment of the module 50 with the measuring cell 52 shown.

Der als Stahlkörper 1 ausgebildete Metallkörper 64 ist in bevorzugter Ausgestaltung aus einem Block Stahl durch materialabtragendes Einbringen einer Sacköffnung 70 ausgebildet. Der Grund der Sacköffnung 70 bildet einen bei Druckbeaufschlagung auslenkenden Membranbereich 72 der durch einen umgebenden Halte- und Stützbereich 74 einstückig damit ausgebildet gehalten ist. Der Halte- und Stützbereich 74 ist als eine Art Ringsockel – Sockelbereich 76 – ausgeführt und im Wesentlichen durch die die Sacköffnung 70 umgebende Umfangswandung 78 gebildet. Insgesamt ist der Metallkörper 64 im Wesentlichen hutförmig ausgebildet. In einer alternativen hier nicht näher dargestellten Ausgestaltung ist der Metallkörper 64 mit Sacköffnung 70 in beliebiger Geometrie in MIM-Technik gefertigt, wie dies näher in der DE 10 2005 012 686 A1 erläutert ist.The as a steel body 1 trained metal body 64 is in a preferred embodiment of a block of steel by material-removing introduction of a blind opening 70 educated. The reason of the sack opening 70 forms a membrane area which deflects when pressurized 72 through a surrounding support and support area 74 is integrally formed therewith. The holding and support area 74 is as a kind of ring base - pedestal area 76 - Executed and essentially by the sack opening 70 surrounding peripheral wall 78 educated. Overall, the metal body 64 essentially hat-shaped. In an alternative embodiment not shown here is the metal body 64 with bag opening 70 Made in any geometry using MIM technology, as detailed in the DE 10 2005 012 686 A1 is explained.

Die Sacköffnung 70 wird im späteren Betrieb mit Druck beaufschlagt. Die der Sacköffnung 70 abgewandte Seite 80 des Metallkörpers 64 ist somit die im Betrieb druckabgewandte Seite. Diese der Sacköffnung 70 abgewandte Seite 80 weist eine im Wesentlichen plane Oberfläche auf. Auf dieser Oberfläche 82 ist mittels eines Glaslots 2 sowohl das Auslenkungsmesselement 56 mit dem DMS-Sensor 5 als auch der elektronische Signalverarbeitungsbaustein 4 befestigt. The sack opening 70 is pressurized during later operation. The bag opening 70 opposite side 80 of the metal body 64 is thus the side facing away from pressure during operation. This the sack opening 70 opposite side 80 has a substantially planar surface. On this surface 82 is by means of a glass solder 2 both the deflection measuring element 56 with the strain gauge sensor 5 as well as the electronic signal processing module 4 attached.

Der elektronische Signalverarbeitungsbaustein 4 weist die integrierte Schaltung 62 auf, die auf einem eigenen Glassubstrat 3 sitzt. Wie aus 3 ersichtlich, sind auf dem Glassubstrat 3 neben der integrierten Schaltung 62 Kontaktierungsflächen 8 für die integrierte Schaltung 62 zwecks Signalkommunikation und Energieversorgung und wenigstens ein Schutzelement 14 – z.B. ein Schutzelement für EMV, beispielsweise ein Blockkondensator, und/oder ein Leistungstransistor – vorgesehen. Der Signalverarbeitungsbaustein 4 weist weiter Verbondungspads 20 zur elektrischen Verbindung mit dem Auslenkungsmesselement 56 auf.The electronic signal processing module 4 has the integrated circuit 62 on top of a glass substrate of its own 3 sitting. How out 3 can be seen on the glass substrate 3 next to the integrated circuit 62 contacting surfaces 8th for the integrated circuit 62 for signal communication and power supply and at least one protection element 14 For example, a protective element for EMC, such as a blocking capacitor, and / or a power transistor - provided. The signal processing module 4 has further connection pads 20 for electrical connection with the deflection measuring element 56 on.

Wie oben erwähnt ist das Auslenkungsmesselement 56 als Glasbiegebalken 68 ausgeführt. Auf dem Glassubstrat 54 des Glasbiegebalkens 68 sind, wie in 3 dargestellt, in Dünnfilmtechnologie (oder in alternativer Ausgestaltung in Dickfilmtechnologie) Dehnungsmessstreifen 17 und Anschlusspads 22 zur Verbondung mit dem Signalverarbeitungsbaustein 4 aufgebracht. As mentioned above, the deflection measuring element 56 as a glass bending beam 68 executed. On the glass substrate 54 of the glass bending beam 68 are, as in 3 shown, in thin-film technology (or in alternative design in thick-film technology) strain gauges 17 and connection pads 22 for connection to the signal processing module 4 applied.

In der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform sind für die elektrische Verbindung zwischen Signalbaustein 4 und dem DMS-Sensor 5 Bonddrähte 7 vorgesehen, die jeweils ein Verbondungspad 20 mit einem zugeordneten Anschlusspad 22 verbinden.In the in the 2 and 3 illustrated embodiment are for the electrical connection between the signal component 4 and the strain gauge sensor 5 Bond wires 7 each provided with a Verbondungspad 20 with an associated connection pad 22 connect.

Die gesamte auf der Oberfläche 82 angebrachte Packaging-Anordnung 84 mit dem DMS-Sensor 5, dem Signalverarbeitungsbaustein 4 und den Bonddrähten 7 ist mittels einer Vergussmasse 9 überdeckt, wie dies in 2 angedeutet ist. The whole on the surface 82 attached packaging arrangement 84 with the strain gauge sensor 5 , the signal processing module 4 and the bonding wires 7 is by means of a potting compound 9 covered like this in 2 is indicated.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Messzelle 52 dargestellt, die sich von der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen dadurch unterscheidet, dass anstelle der Bonddrähte 7 eine Umverdrahtungsmaske 6 („Redistribution layer“) zum elektrischen Verbinden des Auslenkungsmesselements 56 mit der integrierten Schaltung 62 vorgesehen ist. Die Umverdrahtungsmaske 6 weist auf oder in einem Substrat 86 verlaufende Leiterbahnen (nicht dargestellt) auf, die die Anschlusspads 22 mit den Verbondungspads 20 verbinden. Weiter sind die Kontaktierungsflächen 8 und das Schutzelement 14 auf dem Bereich der Oberfläche 82 untergebracht, der nicht von dem Auslenkungsmesselement 56 und der integrierten Schaltung 62 eingenommen wird. Ansonsten ist der Aufbau der Messzelle 52 gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform gleich zu dem oben erläuterten Aufbau der Messzelle 52 gemäß der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform. In 4 is another embodiment of the measuring cell 52 represented by the in the 2 and 3 illustrated embodiments characterized differs in that instead of the bonding wires 7 a rewiring mask 6 (Redistribution layer) for electrically connecting the Auslenkungsmesselements 56 with the integrated circuit 62 is provided. The rewiring mask 6 points to or in a substrate 86 extending conductor tracks (not shown) on which the connection pads 22 with the bonding pads 20 connect. Next are the contact surfaces 8th and the protective element 14 on the area of the surface 82 housed, not by the deflection measuring element 56 and the integrated circuit 62 is taken. Otherwise, the structure of the measuring cell 52 according to the in 4 illustrated embodiment similar to the above-described construction of the measuring cell 52 according to the in 2 and 3 illustrated embodiment.

In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Hochdrucksensor 30 im Schnitt dargestellt, in dem die Messzelle 50 gemäß einer der zuvor erläuterten Ausführungsformen eingesetzt ist. In 5 is an embodiment of a high pressure sensor 30 shown in section, in which the measuring cell 50 is used according to one of the embodiments explained above.

Der Stahlkörper 1 ist hierzu auf einen Druckanschluss 10 mit Einschraubgewinde 40 aufgeschweißt. Hierzu ist der Rand des Sockelbereichs 76 mittels einer Schweißnaht 15 auf einem dem Einschraubgewinde 40 abgewandten Anschlussstutzen 32 aufgeschweißt. Zwischen dem Einschraubgewinde 40 und dem Anschlussstutzen 32 befindet sich ein radialer Vorsprung 34, dessen Außenumfang einen Werkzeugangriff, beispielsweise einen Sechskant 36, bildet. Auf diesem Vorsprung 34 sitzt ein die Messzelle 52 aufnehmendes Sensorgehäuse 16 auf. An dem dem Druckanschluss 10 abgewandten Ende ist das Sensorgehäuse 16 mit einer Abdeckplatte 38 mit Stecker 19 versehen, die als Adaptierung 12 zum Vorsehen unterschiedlicher Stecker 19 aus einem Sortiment unterschiedlicher Abdeckplatten mit unterschiedlichen Steckern 19 je nach Einsatzzweck ausgewählt ist. An der Abdeckplatte 38 ist eine Kontaktierplatte 18 für eine Kontaktierung mit der Messzelle 52, insbesondere mit dem Signalverarbeitungsbaustein 4, vorgesehen, die ebenfalls mit Schutzelementen 14 versehen sein kann und mittels Kontaktelementen 13 (z.B. Federkontakt und/oder Litze) mit den Kontaktierflächen 8 verbunden ist. Auf der Außenseite der Abdeckplatte 38 ist der Stecker 19 mit Kontaktierstiften 11 vorgesehen.The steel body 1 is this on a pressure connection 10 with screw thread 40 welded. This is the edge of the base area 76 by means of a weld 15 on a screw thread 40 remote connection 32 welded. Between the screw thread 40 and the connecting piece 32 there is a radial projection 34 whose outer periphery a tool attack, such as a hexagon 36 , forms. On this lead 34 sits the measuring cell 52 receiving sensor housing 16 on. At the pressure connection 10 opposite end is the sensor housing 16 with a cover plate 38 with plug 19 provided as an adaptation 12 to provide different connectors 19 from an assortment of different cover plates with different plugs 19 depending on the application is selected. On the cover plate 38 is a contact plate 18 for contacting with the measuring cell 52 , in particular with the signal processing module 4 , provided, also with protective elements 14 may be provided and by means of contact elements 13 (Eg spring contact and / or stranded wire) with the contact surfaces 8th connected is. On the outside of the cover plate 38 is the plug 19 with contact pins 11 intended.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Stahlkörper steel body

22

Glaslot glass solder

33

Glassubstrat glass substrate

44

El. Signalverarbeitungsbaustein (ASIC) El. Signal processing module (ASIC)

55

DMS Sensor (Dünnfilm-Sensor) DMS sensor (thin-film sensor)

66

Umverdrahtungsmaske („Redistribution layer“) Rewiring Mask (Redistribution Layer)

77

Bonddrähte Bond wires

88th

Kontaktierfläche bonding pad

99

Vergussmasse („GlobTop“) Potting compound ("GlobTop")

1010

Druckanschluss  pressure connection

1111

Kontaktierstifte (Stecker) Contact pins (plug)

1212

Adaptierung adaptation

1313

Kontaktelement (Federkontakt, Litze) Contact element (spring contact, wire)

1414

Schutzelemente (für EMV, beispielsweise Blockkondensator), Leistungstransistor  Protective elements (for EMC, eg blocking capacitor), power transistor

1515

Schweißnaht Weld

1616

Sensorgehäuse sensor housing

1717

Dehnungsmessstreifen (DMS) Strain gages (DMS)

1818

Kontaktierplatte Kontaktierplatte

1919

Stecker plug

2020

Verbondungspad (Signalbaustein) Bonding pad (signal component)

2222

Anschlusspad contact pad

3030

Hochdrucksensor High pressure sensor

3232

Anschlussstutzen spigot

3434

Vorsprung head Start

3636

Sechskant hexagon

3838

Abdeckplatte  cover

4040

Einschraubgewinde screw

5050

Messzelle cell

5252

Modul module

5454

Glassubstrat glass substrate

5656

Auslenkungsmesselement Auslenkungsmesselement

5858

Lotwerkstoff solder material

6060

Stahlmembran steel membrane

6262

integrierte Schaltung integrated circuit

6464

Metallkörper metal body

6666

Membranbereich membrane region

6868

Glasbiegebalken Glass bending beam

7070

Sacköffnung blind opening

7272

Membranbereich membrane region

7474

Halte- und Stützbereich Holding and support area

7676

Sockelbereich plinth

7878

Umfangswandung peripheral

8080

Seite page

8282

Oberfläche surface

8484

Packaging-Anordnung Packaging arrangement

8686

Substrat substratum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102004024919 A1 [0004, 0016, 0037] DE 102004024919 A1 [0004, 0016, 0037]
• DE 102004024920 B4 [0004] DE 102004024920 B4 [0004]
• DE 102006023724 B4 [0005, 0016, 0037] DE 102006023724 B4 [0005, 0016, 0037]
• DE 102005012686 A1 [0006, 0027, 0054] DE 102005012686 A1 [0006, 0027, 0054]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Wikipedia, download am 05.01.2012 [0020] Wikipedia, download on 05.01.2012 [0020]

Claims (15)

Messzelle (52) für einen Hochdrucksensor (30) zum Messen von Drücken oberhalb von ca. 100 bar, mit einem Metallkörper (64), an dem ein Membranbereich (72) ausgeformt ist, wobei auf dem Metallkörper (64) ein Auslenkungsmesselement (56) zum Erfassen einer Auslenkung des Membranbereichs (72) und eine integrierte Schaltung (62), die zur Signalverarbeitung der Signale des Auslenkungsmesselements (56) ausgebildet ist, befestigt sind.Measuring cell ( 52 ) for a high pressure sensor ( 30 ) for measuring pressures above about 100 bar, with a metal body ( 64 ), to which a membrane area ( 72 ) is formed, wherein on the metal body ( 64 ) a deflection measuring element ( 56 ) for detecting a deflection of the membrane region ( 72 ) and an integrated circuit ( 62 ) used for signal processing of the signals of the deflection element ( 56 ) is formed, are attached. Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (64) als monolithischer Block aus Stahl mit einer Sacköffnung (70) darin ausgeformt ist, wobei der Grund der Sacköffnung (70) als Membranbereich (72) ausgebildet ist und die das Sackloch (70) umgebende Umfangswandung (78) einen Stütz- und Haltebereich (74) für den Membranbereich (72) bildet, dass das Auslenkungsmesselement (56) zur Erfassung einer Relativbewegung zwischen dem Membranbereich (72) und dem Stütz- und Haltebereich (74) auf der der Sacköffnung (70) abgewandten Seite des Metallkörpers (64) teils an dem Stütz- und Haltebereich (74) und teils an dem Membranbereich (72) befestigt ist, und dass die integrierte Schaltung (62) an der der Sacköffnung (70) abgewandten Seite (80) an dem Stütz- und Haltebereich (74) befestigt ist.Measuring cell according to claim 1, characterized in that the metal body ( 64 ) as a monolithic block of steel with a blind opening ( 70 ) is formed therein, wherein the bottom of the bag opening ( 70 ) as a membrane region ( 72 ) is formed and the blind hole ( 70 ) surrounding peripheral wall ( 78 ) a supporting and holding area ( 74 ) for the membrane area ( 72 ) forms that the deflection measuring element ( 56 ) for detecting a relative movement between the membrane region ( 72 ) and the supporting and holding area ( 74 ) on the bag opening ( 70 ) facing away from the metal body ( 64 ) partly at the supporting and holding area ( 74 ) and partly at the membrane area ( 72 ), and that the integrated circuit ( 62 ) at the sack opening ( 70 ) facing away ( 80 ) at the supporting and holding area ( 74 ) is attached. Messzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenkungsmesselement (56) als Biegebalken, vorzugsweise als Glasbiegebalken, mit Dehnmessstreifen (17) ausgebildet ist und/oder dass die integrierte Schaltung (62) oder die integrierte Schaltung (62) und ein Schutzelement (14) benachbart neben dem Auslenkungsmesselement (56) angeordnet sind.Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection measuring element ( 56 ) as a bending beam, preferably as a glass bending beam, with strain gauges ( 17 ) and / or that the integrated circuit ( 62 ) or the integrated circuit ( 62 ) and a protective element ( 14 ) adjacent to the deflection measuring element ( 56 ) are arranged. Messzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Auslenkungsmesselement (56) und der integrierten Schaltung (62) einerseits und dem Metallkörper (64) anderseits eine Zwischenschicht (3) aus Glas oder Keramik eingefügt ist.Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that between the deflection measuring element ( 56 ) and the integrated circuit ( 62 ) on the one hand and the metal body ( 64 ) on the other hand an intermediate layer ( 3 ) is inserted from glass or ceramic. Messzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslenkungsmesselement (56) und die integrierte Schaltung (62) mittels einer Umverdrahtungsmaske (6) elektrisch miteinander verbunden sind.Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection measuring element ( 56 ) and the integrated circuit ( 62 ) by means of a rewiring mask ( 6 ) are electrically connected together. Messzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Packaging-Anordnung (84) der integrierten Schaltung (62) und des Auslenkungsmesselements (56) mittels Glaslot (2) oder mittels Kleben auf dem Metallkörper (64) oder auf einem Zwischensubstrat (3) aus Glas oder Keramik, welches auf dem Metallkörper (64) befestigt ist.Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized by a packaging arrangement ( 84 ) of the integrated circuit ( 62 ) and the deflection element ( 56 ) by means of glass solder ( 2 ) or by gluing on the metal body ( 64 ) or on an intermediate substrate ( 3 ) made of glass or ceramic, which on the metal body ( 64 ) is attached. Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Packaging-Anordnung (84) der integrierten Schaltung (62) auf einem Glas/Stahlverbund. Measuring cell according to one of claims 1 to 5, characterized by a packaging arrangement ( 84 ) of the integrated circuit ( 62 ) on a glass / steel composite. Messzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallkörper (64) als MIM-Element ausgebildet ist.Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the metal body ( 64 ) is designed as an MIM element. Messzelle nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die druckabgewandte Seite (80) des Metallkörpers (64) und die daran befestigte Anordnung (84) aus integrierter Schaltung (62), Auslenkungsmesselement (56) sowie elektrischen Verbindungen (6, 7) dazwischen mit einer Vergussmasse (9) überdeckt sind. Measuring cell according to one of the preceding claims, characterized in that the side facing away from the pressure ( 80 ) of the metal body ( 64 ) and the arrangement attached thereto ( 84 ) from integrated circuit ( 62 ), Deflection measuring element ( 56 ) and electrical connections ( 6 . 7 ) in between with a potting compound ( 9 ) are covered. Hochdrucksensor (30) zum Messen von Drücken oberhalb von ca. 100 bar, gekennzeichnet durch eine Messzelle (52) nach einem der voranstehenden Ansprüche, einem Druckanschluss (10) mit Schraubgewinde, an dem die Messzelle (52) insbesondere stoffschlüssig, mehr insbesondere durch Verschweißen, druckfest befestigt ist, und einem Sensorgehäuse (16), in der die Messzelle (52) aufgenommen ist.High pressure sensor ( 30 ) for measuring pressures above about 100 bar, characterized by a measuring cell ( 52 ) according to one of the preceding claims, a pressure connection ( 10 ) with screw thread on which the measuring cell ( 52 ) in particular cohesively, more particularly by welding, is fixed pressure-resistant, and a sensor housing ( 16 ), in which the measuring cell ( 52 ) is recorded. Verfahren zur Herstellung einer Messzelle (52) für einen Hochdrucksensor (30) zum Messen von Normdrücken oberhalb ca. 100 bar, mit den Schritten: Bereitstellen eines Metallkörpers (64) mit einer darin integrierten Membran, Befestigen eines Auslenkungsmesselements (56) zum Erfassen einer Membranauslenkung an einer druckabgewandten Seite des Metallkörpers (64) und Befestigen einer integrierten Schaltung (62) zur Signalauswertung von Signalen des Auslenkungsmesselements (56) an der druckabgewandten Seite des Metallkörpers (64).Method for producing a measuring cell ( 52 ) for a high pressure sensor ( 30 ) for measuring standard pressures above about 100 bar, comprising the steps of: providing a metal body ( 64 ) with a membrane integrated therein, fixing a deflection measuring element ( 56 ) for detecting a diaphragm deflection on a pressure-averted side of the metal body ( 64 ) and attaching an integrated circuit ( 62 ) for signal evaluation of signals of the deflection measuring element ( 56 ) on the side of the metal body remote from the pressure ( 64 ). Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Anordnen der integrierten Schaltung (62) benachbart neben dem Auslenkungsmesselement (56) auf der gleichen Oberfläche (82).Method according to Claim 11, characterized by arranging the integrated circuit ( 62 ) adjacent to the deflection measuring element ( 56 ) on the same surface ( 82 ). Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigen unter Zwischenlage eines Zwischenmaterials (3) auf Glas- oder Keramikbasis erfolgt.A method according to claim 11 or 12, characterized in that the fastening with the interposition of an intermediate material ( 3 ) on glass or ceramic basis. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Schaltung (62) und/oder das Auslenkungsmesselement (56) mittels Glaslot (2) und/oder mittels Kleben oder mittels eines Glas- oder Keramiksubstrats auf die druckabgewandte Seite des Metallkörpers vorzugsweise stoffschlüssig befestigt wird.Method according to claim 13, characterized in that the integrated circuit ( 62 ) and / or the deflection measuring element ( 56 ) by means of glass solder ( 2 ) and / or by gluing or by means of a glass or ceramic substrate on the pressure-averted Side of the metal body is preferably attached cohesively. Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens des Metallkörpers (64) a) Ausformen des Metallkörpers (64) aus einem Stahlblock durch Materialabtrag zum Ausbilden einer Sacköffnung (70) oder b) Ausbilden des Metallkörpers (64) in einem MIM-Verfahren umfasst.Method according to one of the claims, characterized in that the step of providing the metal body ( 64 ) a) molding the metal body ( 64 ) from a steel block by material removal to form a blind opening ( 70 ) or b) forming the metal body ( 64 ) in an MIM process.

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