DE112012004168T5

DE112012004168T5 - Differenzdrucksensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112012004168T5
Application number: DE112012004168.2T
Authority: DE
Inventors: Jen-Huang Albert Chiou
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Vitesco Technologies USA LLC
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2014-06-26
Also published as: US8466523B2; WO2013052235A1; CN103959030A; US20130087863A1

Abstract

Ein MEMS-Differenzdruckmesselement wird durch zwei separate Siliziumchips geliefert, die an gegenüberliegenden Seiten eines Silizium- oder Glas-Abstandshalters angebracht sind. Der Abstandshalter ist hohl. Wenn der Abstandshalter aus Silizium besteht, werden die Chips an dem hohlen Abstandshalter vorzugsweise unter Verwendung von Silizium/Silizium-Bonden angebracht, das teilweise durch Siliziumoxidschichten geliefert ist. Wenn der Abstandshalter aus Glas besteht, können die Chips an dem hohlen Abstandshalter unter Verwendung von anodischem Boden angebracht werden. Leitfähige Durchgangslöcher erstrecken sich durch die Schichten und liefern elektrische Verbindungen zwischen Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen, die aus Piezowiderständen in den Siliziumchips gebildet sind.

Description

Hintergrund
Viele siliziumbasierte Mikrosensoren verwenden eine sogenannte MEMS-Technologie (Technologie der mikroelektromechanischen Systeme), um geringe Kosten und eine hohe Leistung zu erzielen. Eine solche Vorrichtung ist ein MEMS-Drucksensor, der aus einer kleinen, dünnen Siliziummembran besteht, auf der ein piezoresistiver Schaltkreis, normalerweise eine Wheatstone-Brücke, ausgebildet ist. Membranspannungen, die durch an die Membran angelegten Druck verursacht werden, verändern die Widerstandswerte der Piezowiderstände in dem Brücken-Schaltkreis. Ein elektronischer Schaltkreis erfasst die Widerstandsänderungen der piezoresistiven Brücke und gibt ein elektrisches Signal aus, das für den angelegten Druck repräsentativ ist.
1A ist eine Querschnittsansicht eines Differenzdrucksensors 100 des Stands der Technik, der so benannt ist, da derselbe ein Ausgangssignal bereitstellt, das für den Druckunterschied zwischen dem Oberseitendruck und dem Unterseitendruck auf die Membran 122 in 1B des in 1B gezeigten Differenzdruckmesselementes 110 repräsentativ ist. 1B zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Differenzdruckmesselementes 110, das in dem in 1A dargestellten Gehäuse montiert ist.
In 1A besteht der Drucksensor 100 aus einem Gehäuse 104, das ein MEMS-Druckmesselement 110 und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC; engl. application-specific integrated circuit) 106 umgibt. Ein Fluiddruck von Flüssigkeiten oder Gasen wird an die Unterseite der Membran des MEMS-Druckmesselementes durch einen Druckanschluss bzw. eine Drucköffnung (pressure port) 108 angelegt, der/die in dem Gehäuse 104 gebildet ist. Der andere Fluiddruck von Gasen durch die Abdeckung 107 wird an die Oberseite des Gels 124 angelegt, das den Druck zur Oberseite der Membran des MEMS-Silizium-Druckmesselementes (oder des Siliziumchips) weiterleitet. Das MEMS-Druckmesselement 110 ist mit dem ASIC 106 durch leitfähige Drähte 103 elektrisch verbunden, was im Stand der Technik wohlbekannt ist, und wobei die Drähte elektrische Verbindungen zwischen dem ASIC 106 und dem Druckmesselement 110 liefern. Leitfähige Drähte verbinden den ASIC 106 auch mit den Leiterrahmen 105 für die Eingangsund Ausgangsspannungen.
Wie oben erwähnt, ist 1B eine Querschnittsdarstellung einer MEMS-Druckmesselementverpackung 102 des Stands der Technik, die aus einem dünnen Siliziumchip 110 zur Differenzdruckmessung besteht. In dem Chip 110 ist ein piezoresistiver Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 112 ausgebildet und nahe dem Rand eines dünnen Membranbereiches 114 angeordnet.
Der Chip 110 sitzt auf einem Sockel 116, der wiederum durch ein Klebemittel 120 an der Unterseite 118 des Gehäuses 104 angebracht ist. Fluid, das in der Öffnung 108 strömt, legt einen Druck an die Unterseite der Membran 122 an, die durch die Anordnung des Chips 110 über der Öffnung 108 gebildet ist. Das andere Fluid strömt zu der Oberseite des Gels 124 und beaufschlagt die Oberseite der Membran 122 mit Druck. Der Pfeil 123 repräsentiert Druck, der an die Oberseite der Membran angelegt wird, und der Pfeil 133 repräsentiert Druck, der an die Unterseite der Membran angelegt wird. Ein Unterschied oder eine Differenz zwischen dem nach unten angelegten Druck 123 und dem nach oben angelegten Druck 133 verursacht ein Verbiegen der Membran 122. Die durch den Druckunterschied verursachte Verbiegung verursacht, dass die Piezowiderstände in dem Brücken-Schaltkreis 112 die physikalischen Größen derselben ändern, was wiederum die Widerstandswerte derselben ändert. Das in 1B gezeigte MEMS-Druckmesselement 110 ist in 1A in einem herkömmlichen Gel 124 eingebettet zu sehen, wobei eine beabsichtigte Funktion desselben ist, das Messelement 110 zu schützen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Querschnittsansicht eines Differenzdrucksensors des Stands der Technik;
1B ist eine Querschnittsansicht eines MEMS-Messelementes des Stands der Technik, das in dem in 1A gezeigten Drucksensor verpackt ist;
2 ist ein Querschnitt eines Differenzdruckmesselementes;
3 zeigt, wie zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise in einer ersten Ausführungsform verbunden sind;
4A ist eine Ansicht der zweiten Seite des ersten Siliziumchips und zeigt Bondpads, zu denen elektrische Verbindungen hergestellt werden;
4B zeigt die erste Seite eines ersten Siliziumchips und Verbindungen zu einem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis auf demselben;
4C zeigt das Bondpad auf der Oxidschicht zwischen dem ersten Siliziumchip und dem hohlen Abstandshalter;
4D zeigt die Durchgangslöcher durch den hohlen Abstandshalter;
4E zeigt die Bondpads auf der Oxidschicht zwischen dem hohlen Abstandshalter und dem zweiten Siliziumchip;
4F zeigt die erste Seite eines zweiten Siliziumchips und Verbindungen zu einem zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis auf demselben;
5 zeigt, wie zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise in einer zweiten Ausführungsform verbunden sind;
6A ist eine Ansicht der zweiten Seite des ersten Siliziumchips und zeigt Bondpads, zu denen elektrische Verbindungen hergestellt werden;
6B zeigt die erste Seite eines ersten Siliziumchips und Verbindungen zu einem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis auf demselben;
6C zeigt das Bondpad auf der Oxidschicht zwischen dem ersten Siliziumchip und dem hohlen Abstandshalter;
6D zeigt die Durchgangslöcher durch den hohlen Abstandshalter;
6E zeigt die Bondpads auf der Oxidschicht zwischen dem hohlen Abstandshalter und dem zweiten Siliziumchip;
6F zeigt die erste Seite eines zweiten Siliziumchips und Verbindungen zu einem zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis auf demselben;
7 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Drucksensors, die das in 2 dargestellte Druckmesselement mit der Ausführungsform 1, die in den 4A–4F gezeigt ist, oder mit der Ausführungsform 2 verwendet, die in den 6A–6F gezeigt ist; und
8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Drucksensors.
Detaillierte Beschreibung
Das in MEMS-Sensoren verwendete Gel 124 tendiert dazu, voluminös und massiv zu sein. Daher kann sich dasselbe während einer Vibration auf ein Ansprechverhalten einer MEMS-Drucksensorvorrichtung nachteilig auswirken.
Elektrische Ladungen in einem Gel 124 können ebenso dazu tendieren, die elektrischen Eigenschaften der Piezowiderstände zu verzerren, aus denen die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise gebildet sind. Ein Differenzdrucksensor, der die Notwendigkeit eines Gels beseitigen kann, wäre eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.
2 ist eine Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Differenzdruckmesselementes 200. Das Druckmesselement 200 besteht aus einem Abstandshalter 202 mit einer oberen Seite 204 und einer unteren Seite 206. Eine zentral angeordnete Öffnung 208, die in dem Abstandshalter 202 gebildet ist, erstreckt sich durch die obere Seite 204 und die untere Seite 206. Die Öffnung 208 höhlt den Abstandshalter 202 folglich aus.
Der hohle Abstandshalter 202 besteht vorzugsweise aus entweder amorphem oder kristallinem Silizium, aber kann auch aus Borosilikatglas bestehen. Siliziumchips können an dem Silizium-Abstandshalter 202 unter Verwendung von Silizium/Silizium-Bonden angebracht werden. Siliziumchips können an einem Borosilikatglas-Abstandshalter 202 durch anodisches Bonden angebracht werden.
In 2 ist die obere Seite 204 des hohlen Abstandshalters 202 mit einem ersten Siliziumchip 210 mit einer Stärke zwischen ca. 5 und ca. 100 Mikron bedeckt. Der erste Siliziumchip 210 kann dadurch, dass derselbe an der oberen Seite 204 des Abstandshalters 202 angebracht ist, auch als ein „oberer” Chip betrachtet werden. Eine erste Seite 212 des oberen Chips 210 weist nach unten, d. h. in Richtung der oberen Seite 204 des hohlen Abstandshalters 202. Eine gegenüberliegende zweite Seite 214 des Chips 210 weist nach oben, d. h. weg von der oberen Seite 204 des Abstandshalters 202 und ist ausgebildet, um eine Aussparung oder einen Hohlraum 229 aufzuweisen. Der Chip 210 bedeckt die obere Seite 204 des hohlen Abstandshalters 202, einschließlich der Öffnung 208, die sich durch den Abstandshalter 202 erstreckt.
Ein erster piezoresistiver Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216 ist in der ersten Seite 212 des Chips 210 nahe der Seitenwand 211 des Hohlraumes 229 des ersten Siliziumchips 210 gebildet. Der erste Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216 befindet sich daher in der Nähe des Randes der Membran 213, die durch den ersten Siliziumchip 210 gebildet ist. Der erste Siliziumchip 210 ist an der oberen Seite 204 eines hohlen Silizium-Abstandshalters 202 durch Silizium/Silizium-Bonden angebracht, das durch eine Siliziumoxidschicht 219 geliefert wird.
Ein zweiter Siliziumchip 224 ist an der unteren Seite 206 des hohlen Abstandshalters 202 durch eine zweite Oxidschicht 220 angebracht. Da der zweite Siliziumchip 224 an der unteren Seite 206 des Abstandshalters 202 angebracht ist, wird derselbe auch als ein unterer Chip 224 bezeichnet. Derselbe bedeckt auch die Öffnung 208, die in dem Abstandshalter 202 gebildet ist.
Der zweite Siliziumchip 224 ist nicht unbedingt dicker als der erste Siliziumchip 210. Der dickere Chip wird an der Öffnung zur besseren Sensorverpackung angebracht, um die Wärmebeanspruchung von dem Substrat zu isolieren. Wie in 7 mit Drahtbonden gezeigt, ist der dickere Chip der zweite Siliziumchip 224. Nichtsdestotrotz ist in 8 mit Flip-Chip-Bonden der dickere Chip der erste Siliziumchip 210. Der zweite Siliziumchip 224 weist eine obere oder erste Seite 226 und eine untere oder zweite Seite 228 auf. Die obere oder erste Seite 226 weist nach oben, d. h. in Richtung der Unterseite 206 des hohlen Abstandshalters 202. Die zweite Seite 228 des zweiten Siliziumchips 224 weist nach unten und ist bearbeitet, um einen Druckhohlraum 230 aufzuweisen, der sich von der Unterseite 228 des zweiten Chips 224 in Richtung der oberen Seite 226 nach oben erstreckt. Der Druckhohlraum 230 endet nahe der ersten Seite 226 des zweiten Chips 224, um eine dünne Haut oder Membran 232 zu definieren. Die Stärke der Membran 232 in dem zweiten Chip 224 liegt zwischen ca. 5 und ca. 100 Mikrometer.
Ein zweiter Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 ist in der ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224 gebildet. Der zweite Wheatstone-Brücken-Schaltkreis befindet sich in der ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224 nahe und über dem Rand 217 des Druckhohlraums 230, der von der zweiten Seite 228 des zweiten Chips 224 in Richtung der ersten Seite 226 des zweiten Chips 224 ausgebildet ist. Der erste Chip 210 und der zweite Chip 224 bedecken die Öffnung 208 des Abstandshalters 202, um einen Vakuumhohlraum für die Messung des Absolutdrucks der Ober- und Unterseite zu bilden. Die Membran 232 des zweiten Chips 224 verbiegt sich in Erwiderung auf den an den zweiten Chip 224 angelegten Druck nach oben oder unten.
Wie bei dem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216, ist der zweite Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 nahe der Seitenwand 217 des Hohlraumes 230 ausgebildet. Die zweite Wheatstone-Brücke 234 befindet sich daher nahe dem Rand 217 der Membran 232, die aus dem zweiten Chip 224 besteht.
Die zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 216 und 234 sind aus Piezowiderständen gebildet, die unter Verwendung bekannter Techniken in die Chips niedergeschlagen bzw. in dieselben eingebracht werden. Die Werte der Widerstände ändern sich in Erwiderung auf die Verformung jeder entsprechenden Membran der Siliziumchips. Wenn eine Spannung an die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise angelegt wird, ändern sich die Ausgangsspannungen derselben in Erwiderung auf eine Verbiegung der Chips oder den Differenzdruck auf die Chips. Elektrische Verbindungen zu den Eingängen und Ausgängen der Wheatstone-Brücken-Schaltkreise sind durch leitfähige Schichten geliefert, die in den entsprechenden Chips ausgebildet sind.
Wenn die Öffnung 208 durch den ersten und den zweiten Chip bedeckt ist, die beide mit der oberen und unteren Seite des Abstandshalters 202 verbunden sind, wird die Öffnung 208 ein hermetisch abgedichteter Hohlraum 208. Durch Abdichten der Öffnung 208, wenn dieselbe zumindest teilweise evakuiert ist, was sich ereignen wird, wenn die Chips und der Abstandshalter in einer evakuierten Kammer zusammengebaut werden, wird ein Unterdruck oder Vakuum in dem evakuierten Hohlraum erhalten, der durch die evakuierte Öffnung 208 und die zwei Chips gebildet ist, die denselben bedecken und abdichten. Wenn unterschiedliche Drücke an die zwei Chips angelegt werden, werden sich die vertikalen Verbiegungen derselben relativ zueinander unterscheiden, was verursacht, dass sich die Widerstandswerte der Piezowiderstände innerhalb der Chips hinsichtlich des Wertes ändern.
3 zeigt eine erste Topologie von zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen 300 und 302, die unter Verwendung von vier „R”-wertigen Piezowiderständen gebildet sind, die in den Siliziumchips unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Verfahren gebildet sind. Die Widerstände R1 und R2 sind miteinander in Reihe geschaltet. Die Widerstände R3 und R4 sind miteinander in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Widerstände R1 und R2 sind zu den in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R4 parallel geschaltet.
Die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 300 und 302 weisen zwei Eingangsknoten, die als V_p und V_n bezeichnet sind, und zwei Ausgangsknoten auf, die als S_p und S_n bezeichnet sind. V_p ist üblicherweise eine kleine positive Spannung, typischerweise ca. 3 Volt. V_n ist üblicherweise Masse oder null Volt, aber V_n könnte ebenso eine negative Spannung sein. Die Knoten zwischen den R-wertigen Piezowiderständen in dem ersten Siliziumchip 210 sind mit elektrischen Verbindungen bzw. Verbindungselementen (interconnects) 248 versehen, die durch P+-leitfähige Silizium-Verbindungselemente gebildet sind, die auf die erste Seite 212 des ersten Siliziumchips 210 aufgedampft sind. Die Knoten zwischen den R-wertigen Piezowiderständen in dem zweiten Siliziumchip 224 sind mit elektrischen Verbindungselementen 252 versehen, die durch P+-leitfähige Silizium-Verbindungselemente gebildet sind, die auf die erste Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224 aufgedampft sind. Der Knoten zwischen R1 und R4 wird als der erste Eingangsknoten V_p betrachtet und als Knoten 1 bezeichnet; der Knoten zwischen R2 und R3 wird als der zweite Eingangsknoten V_n betrachtet und als Knoten 2 bezeichnet. Der Knoten zwischen R3 und R4 ist der erste Ausgangsknoten S_p und wird als Knoten 3 bezeichnet. Der Knoten zwischen R1 und R2 ist der zweite Ausgangsknoten S_n und wird als Knoten 4 bezeichnet.
3 zeigt, wie die zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 300 und 302 in einer ersten Ausführungsform eines Differenzdruckmesselementes 200 verbunden sind. Wie in 3 gezeigt, sind die zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise voneinander unabhängig. Eine Gleichspannung ist an V_p und V_n, d. h. an den Knoten 1 bzw. 2, angeschlossen. Die Ausgangsspannung des ersten Schaltkreises 300 wird von S_p und S_n genommen, die die Knoten 3 bzw. 4 sind. Die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen bei S_p und S_n ist die Ausgangsspannung.
Wenn eine Spannung an die Eingangsanschlüsse V_p und V_n angelegt wird, die die Knoten 1 und 2 sind, ändert sich die Ausgangsspannung an den Ausgangsanschlüssen S_p und S_n in Erwiderung auf Änderungen der Werte der Piezowiderstände. Da die Piezowiderstände in den Membranen 213 und 232 der dünnen Siliziumchips 210 und 224 gebildet sind, wird sich der Nennwiderstand von R-Ohm ändern, wenn sich die Membranen in Erwiderung auf Drücke verbiegen, die an die Membranen angelegt sind. In einer ersten Ausführungsform des Druckmesselementes 200 repräsentiert die Spannungsdifferenz Vdiff zwischen der Ausgangsspannung V1 (V1 = Sp1 – Sn1) von dem ersten Brücken-Schaltkreis 300 und der Ausgangsspannung V2 (V2 = Sp2 – Sn2) von dem zweiten Brücken-Schaltkreis 302 einen Druckunterschied, d. h., der Unterschied des Drucks, der an den ersten Siliziumchip 210 angelegt ist, und des Drucks, der an den zweiten Siliziumchip 224 angelegt ist.
Elektrische Verbindungen zu den R-wertigen Widerständen, die den ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216 bilden, werden durch P+-leitfähige Silizium-Verbindungselemente 248 geliefert, die in der ersten Seite 212 des Chips 210 gebildet sind. Die P+-leitfähigen Silizium-Verbindungselemente 248 erstrecken sich von den R-wertigen Piezowiderständen hinüber zu leitfähigen Durchgangslöchern 242, die nahe dem Rand des Chips 210 angeordnet sind und sich durch den Chip 210 von der ersten Seite 212 zu der zweiten Seite 214 desselben erstrecken. Die Durchgangslöcher 242, die sich durch den Chip 210 erstrecken, enden an leitfähigen Bondpads 244 auf der zweiten Seite 214 des Chips 210.
Wie nachstehend in Bezug auf 7 ausführlicher beschrieben ist, sind Drähte mit den Bondpads 244 verbunden, die sich zu einem ASIC erstrecken, was am besten in 7 zu sehen ist.
Elektrische Verbindungen der R-wertigen Piezowiderstände des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 des zweiten Siliziumchips 224 werden auch mittels eines P+-leitfähigen Silizium-Verbindungselementes 252 geliefert, das auf der Oberseite 226 des zweiten Siliziumchips 224 gebildet ist. Wie bei dem ersten Chip 210, erstrecken sich P+-leitfähige Silizium-Verbindungselemente 252 von den R-wertigen Piezowiderständen des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 hinüber zu leitfähigen Durchgangslöchern 242, die nahe dem Rand des zweiten Chips 224 angeordnet sind, aber sich von dem hohlen Abstandshalter 202 nach unten durch die zweite Oxidschicht 220 erstrecken. Die Durchgangslöcher 242 erstrecken sich folglich von der zweiten Gruppe von P+-Verbindungselementen 252 auf der ersten Seite 226 des zweiten Chips 224 nach oben durch die zweite Oxidschicht 220, durch den hohlen Abstandshalter 202, durch die erste Oxidschicht 219, durch den ersten Siliziumchip 210 zu den zuvor erwähnten Bondpads 244 auf der zweiten Seite 214 des ersten Chips 210.
Da 2 ein Querschnitt des Druckmesselementes 200 ist, ist lediglich ein leitfähiges Durchgangsloch 242 in der Figur gezeigt. Zusätzliche Durchgangslöcher 242, die in 2 nicht sichtbar sind, bestehen in dem hohlen Abstandshalter 202, den Oxidschichten 219 und 220, dem ersten Chip 210 und dem zweiten Chip 224, die sich vor und hinter dem in 2 sichtbaren Durchgangsloch 242 befinden. Die Durchgangslöcher 242, die aus einem leitfähigen Material bestehen, das in Öffnungen bzw. Löchern durch die verschiedenen Schichten gebildet ist, wirken lediglich als vertikal ausgerichtete Leiter elektrischer Signale durch die verschiedenen Schichten des Druckmesselementes 200.
Die leitfähigen Durchgangslöcher 242 werden durch das Ätzen von Löchern in den hohlen Abstandshalter 202, den ersten Siliziumchip 210 und den zweiten Siliziumchip 224 an Stellen auf jeder Komponente ausgebildet, die miteinander koinzident sind, wenn der hohle Abstandshalter 202, die Oxidschichten 219 und 220 und die Chips 210 und 224 zusammengesetzt sind, wie oben beschrieben wurde. Die Löcher durch die Schichten sind mit einem leitfähigen Material gefüllt, wobei Beispiele desselben ein Metall oder dotiertes Silizium enthalten.
Ein zusätzliches Verständnis der Struktur des in 2 dargestellten Druckmesselementes 200 kann durch andere Figuren erlangt werden, die die verschiedenen Schichten darstellen, die in dem Querschnitt in 2 gezeigt sind.
4A ist eine Draufsicht des Druckmesselementes 200, und zwar in einer Sicht „nach unten” auf die zweite Seite 214 des ersten Siliziumchips 210. Die zweite Seite 214 des ersten Siliziumchips 210 weist von dem hohlen Abstandshalter 202 weg.
Sechs quadratische oder rechteckige Bondpads 244 sind durch die Bezugsnummer 244-1 bis 244-6 gekennzeichnet. Die Bondpads 244-1 bis 244-6 befinden sich in wirksamer Weise auf und in elektrischer Verbindung mit den leitfähigen Durchgangslöchern 242, die sich nach unten erstrecken, d. h. in die Ebene von 4A durch die Schichten des oben beschriebenen Chips 210. Die Bondpads 244-4 und 244-1 sind elektrische Kontakte für die V_p- und V_n-Energieversorgungsspannungen, mit denen beide Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 216 und 234 versorgt werden. Die Bondpads 244-2 und 244-5 sind elektrische Kontakte für die Ausgangsknoten S_p und S_n für den oberen oder ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216, dessen elektrisches Schaltbild in 3 gezeigt und durch die Bezugsnummer 300 gekennzeichnet ist. Die Bondpads 244-3 und 244-6 sind elektrische Kontakte für die Ausgangsknoten S_p und S_n für den unteren oder zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234, dessen elektrisches Schaltbild in 3 gezeigt und durch die Bezugsnummer 302 gekennzeichnet ist. Das obige Layout dient lediglich der Demonstration eines der funktionalen Designs. Das Layout der Bondpads, leitfähigen Verbindungselemente und Durchgangslöcher kann auf viele andere unterschiedliche Weisen gestaltet sein.
In 4A zeigt die Bezugsnummer 209 auf ein Quadrat, das unter Verwendung einer gestrichelten Linie gezeichnet ist. Das Quadrat 209 stellt die „Stellfläche” der Seitenwand der Öffnung 208 in dem hohlen Abstandshalter 202 dar, der unterhalb des Chips 210 liegt. Das Quadrat 229 zeigt die Seitenwände des Hohlraums auf der zweiten Seite 214 des ersten Siliziumchips 210.
4B ist die erste Seite 212 des ersten Siliziumchips 210. Mit anderen Worten sind die 4B und 4A gegenüberliegende Seiten des ersten Siliziumchips 210.
In 4B besteht der erste Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216 aus vier R-wertigen P-Silizium-Piezowiderständen, die elektrisch miteinander verbunden sind, wie in dem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 300 in 3 gezeigt. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Seitenwand der Öffnung 208 in dem hohlen Abstandshalter 202, die durch den ersten Siliziumchip 210 bedeckt ist.
Wie in 3 gezeigt, weisen die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise Eingangsknoten auf, die als V_p und V_n bezeichnet sind. Die Ausgangsknoten der Brücken-Schaltkreise sind als S_p und S_n bezeichnet. In 4B stehen die positiven und negativen Versorgungsspannungen V_p und V_n für den Brücken-Schaltkreis 216 auf der linken Seite des Chips 210 aufgrund der zuvor erwähnten leitfähigen Durchgangslöcher 242 zur Verfügung, die sich durch den Chip 210 erstrecken. In 4B sind die zwei leitfähigen Durchgangslöcher, die zu Zwecken der Einheitlichkeit durch die Bezugsnummern 242-4 und 242-1 gekennzeichnet sind, mit den V_p- und V_n-Eingangsknoten der Wheatstone-Brücke 216 über leitfähige Spuren 248 verbunden, die aus P+-leitfähigen Silizium-Verbindungselementen gebildet sind, die auf die erste Oberfläche 212 des ersten Chips 210 aufgedampft sind. In der Figur sind die Ausgangsknoten S_p und S_n der ersten Wheatstone-Brücke 216 mit zwei anderen leitfähigen Durchgangslöchern verbunden, die in der Figur zu Zwecken der Einheitlichkeit durch die Bezugsnummern 242-2 und 242-5 gekennzeichnet sind.
In 4B „zeigen” die Bezugsnummern 242-3 und 242-6 auf zwei Kreise, die Draufsichten von zwei leitfähigen Durchgangslöchern sind, die sich durch den ersten Chip 210 erstrecken, aber die elektrische Verbindungen nach unten zu unteren Schichten des Druckmesselementes 200 erweitern. Die Durchgangslöcher 242-3 und 242-6 übertragen Signale von den Sp- und Sn-Ausgangsknoten des „unteren” oder zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234, der in dem zweiten Chip 224 angeordnet ist.
4C ist der/die erste Siliziumoxid-Abstandshalter oder Siliziumoxidschicht 219, der/die zwischen dem ersten Siliziumchip 210 und dem hohlen Abstandshalter 202 angeordnet ist. Die Oxidschicht 219 liefert eine Silizium/Silizium-Verbindung zwischen diesen zwei Strukturen. Sechs Quadrate oder Rechtecke, die auf der linken Seite der 4C auf der Oxidschicht 219 zwischen dem hohlen Abstandshalter 202 und dem ersten Chip 210 angeordnet sind, sind Metall-Bondpads, die durch die Bezugsnummern 244-1 bis 244-6 gekennzeichnet sind, um die elektrischen Signale V_n, S_p für den ersten Chip, S_p für den zweiten Chip, V_p, S_n für den ersten Chip bzw. S_n für den zweiten Chip zu übertragen. Die Bezugsnummern 242-1 bis 242-6 kennzeichnen die Durchgangslöcher, die sich durch den hohlen Abstandshalter 202 und durch den ersten Chip 210 erstrecken. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Seitenwand der Öffnung 208 durch den Abstandshalter 202, die durch die Oxidschicht 219 bedeckt ist.
4D ist eine obere oder erste Seite 204 des hohlen Abstandshalters 202. Vier leitfähige Durchgangslöcher 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 erstrecken sich durch den hohlen Abstandshalter 202 nach unten, d. h. in die Ebene der 4D, und sind durch vier Kreise auf der linken Seite der Figur repräsentiert. Wie in 2 gezeigt, die ein Querschnitt des Druckmesselementes 200 ist, erstrecken sich die Durchgangslöcher 242 „vertikal” durch den hohlen Abstandshalter 202 nach unten zu dem zweiten Chip 224, der an der unteren oder zweiten Seite 206 des hohlen Abstandshalters 202 angebracht ist, was der Stelle entspricht, an der der untere oder zweite Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 in dem Druckmesselement 200 angeordnet ist. In 4D kennzeichnet die Bezugsnummer 209 die Seitenwand der Öffnung 208 durch den hohlen Abstandshalter 202. Die Durchgangslöcher 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 übertragen Signale durch den hohlen Abstandshalter 202 zu und von dem zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 auf dem zweiten Siliziumchip 224.
4E ist die untere oder zweite Siliziumoxidschicht 220. Wie in 2 gezeigt, befindet sich dieselbe zwischen der Unterseite der zweiten Seite 206 des hohlen Abstandshalters 202 und der oberen oder ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Seitenwand der Öffnung 208, die in dem hohlen Abstandshalter 202 gebildet ist und um die die Oxidschicht 220 herum angebracht ist.
In 4E kennzeichnen die vier kleinen Quadrate auf der linken Seite der Figur, die durch die Bezugsnummern 244-1, 244-3, 244-4 und 244-6 gekennzeichnet sind, elektrisch leitfähige Metall-Bondpads, die die leitfähigen Durchgangslöcher 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 umgeben, die die Signale V_n, S_p, V_p bzw. S_n für die zweite Wheatstone-Brücke 234 des zweiten Chips 224 übertragen.
4F stellt die obere oder erste Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224 dar, die sich zwischen der zweiten Oxidschicht 220 und der unteren oder zweiten Seite 228 des zweiten Siliziumchips 224 befindet. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Seitenwand der Öffnung 208, die in dem hohlen Abstandshalter 202 gebildet ist. Die Piezowiderstände, die den zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 aufweisen, sind durch P+-Verbindungselemente 252 mit vier elektrisch leitfähigen P+-Bereichen 252 elektrisch verbunden, die Bondpads umgeben, die durch die Bezugsnummern 244-1, 244-3, 244-4 und 244-6 gekennzeichnet sind. Die P+-leitfähigen Quadrate 244-1, 244-3, 244-4 und 244-6 sind mit den Durchgangslöchern für V_n, S_p, V_p bzw. S_n für die zweite Wheatstone-Brücke 234 elektrisch verbunden. Diese Durchgangslöcher sind durch die Bezugsnummern 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 gekennzeichnet.
Die 4A bis 4F stellen die Schichten einer ersten Ausführungsform eines Differenzdrucksensors dar, der in 2 im Querschnitt gezeigt ist. Sechs Bondpads 244-1 bis 244-6 auf der oberen oder zweiten Seite 214 des ersten Siliziumchips 210 werden erfordert, um die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise elektrisch zu verbinden. Zwei der sechs Bondpads werden erfordert, um eine Stromversorgung mit jedem der zwei Eingangsknoten V_p und V_n der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise zu verbinden. Die anderen vier Bondpads werden für elektrische Verbindungen mit den S_p- und S_n-Ausgangsknoten der Wheatstone-Brücken-Schaltkreise erfordert. In einer alternativen Ausführungsform ist die Anzahl der Bondpads durch Verbinden zweier Knoten der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise innerhalb der Messelementschichten von sechs auf vier verringert. 5 ist ein Schaltplan der Verbindung von zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen, durch die die zwei unterschiedlichen Ausgangsspannungen der zwei Schaltkreise direkt von den Schaltkreisen selbst bestimmt werden können. Mit anderen Worten ist in 5 die Ausgangsspannung V_diff, die lediglich zwei Bondpads erfordert, die algebraische Differenz zwischen der Ausgangsspannung der ersten Wheatstone-Brücke 300 und des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 302.
6A ist eine Ansicht der zweiten Seite 214 des ersten Siliziumchips 210, der in der zuvor erwähnten alternativen Ausführungsform des Druckmesselementes 200 verwendet wird. Vier Bondpads 245-1, 245-2, 245-3 und 245-4 sind mit leitfähigen Durchgangslöchern elektrisch verbunden, die in den 6A und 6B durch die Bezugsnummern 243-1 bis 243-4 gekennzeichnet sind. Die leitfähigen Durchgangslöcher 243-1 bis 243-4 erstrecken sich von den Bondpads 245-1, 245-2, 245-3 und 245-4 nach unten in die Ebene der Figur. Die leitfähigen Durchgangslöcher liefern elektrische Verbindungen zu den Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen in den zwei Chips. Durch Kreuzverbinden von Sp und Sn der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 300 und 302, wie in 5 gezeigt, werden lediglich vier Bondpads, d. h. Bondpads 245-1 bis 245-4, und vier Durchgangslöcher 243-1 bis 243-4 erfordert, um alle Verbindungen zwischen den Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen und externen Schaltkreisen bereitzustellen, die notwendig sind, um Änderungen der Werte der Piezowiderstände zu messen.
In 5 ist der V₁-Ausgangsknoten mit dem S_n-Knoten des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 302 und mit dem S_p-Knoten des ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 300 elektrisch verbunden. In 6A kennzeichnet die Bezugsnummer 245-2 ein Bondpad, das sowohl als S_n des ersten Chips als auch S_p des zweiten Chips gekennzeichnet ist.
In 5 ist der V₂-Ausgangsknoten mit dem S_p-Knoten des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 302 und mit dem S_n-Knoten des ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 300 elektrisch verbunden. In 6A kennzeichnet die Bezugsnummer 245-4 ein Bondpad, das mit S_p des ersten Siliziumchips 210 und S_n des zweiten Siliziumchips 224 verbunden ist. Wie in 6B gezeigt, liefern P+-Verbindungselemente 248, die auf der ersten Seite 212 des ersten Siliziumchips 210 gebildet sind, die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den S_p- und S_n-Knoten der zwei Schaltkreise, um die Anzahl der Bondpads von sechs auf vier zu verringern.
6B stellt das Layout der P+-Verbindungselemente 248 auf der ersten Seite 212 des ersten Chips 210 dar. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Seitenwand der Öffnung 208, die in der ersten Seite 204 des hohlen Abstandshalters 202 gebildet ist. Die Öffnung 208 liegt unterhalb des Chips 210. Die Bezugsnummern 243-1, 243-2, 243-3 und 243-4 kennzeichnen leitfähige Durchgangslöcher durch den Chip 210. Die P+-Verbindungselemente 248 verbinden elektrisch die Durchgangslöcher mit den Piezowiderständen der ersten Wheatstone-Brücke 216.
6C stellt das Layout der ersten Oxidschicht 219 dar, die in der zweiten Ausführungsform des Druckmesselementes 200 verwendet wird. Die erste Oxidschicht 219 befindet sich zwischen der Oberseite der ersten Oberfläche 204 des hohlen Abstandshalters 202 und der ersten Seite 212 des ersten Siliziumchips 210. Die Bezugsnummern 245-1 bis 245-4 kennzeichnen vier quadratische oder rechteckige Metall-Bondpads, die einen elektrischen Kontakt mit leitfähigen Durchgangslöchern 243-1 bis 243-4 herstellen, die sich durch den hohlen Abstandshalter 202 erstrecken, und die einen elektrischen Kontakt mit den Durchgangslöchern herstellen, die sich durch den ersten Siliziumchip 210 erstrecken.
6D zeigt die erste Seite 204 des hohlen Abstandshalters 202, der mit der alternativen Ausführungsform des Druckmesselementes 200 verwendet wird. Vier leitfähige Durchgangslöcher auf der linken Seite der Figur sind mit 243-1 bis 243-4 gekennzeichnet. Das erste leitfähige Durchgangsloch 243-1 überträgt die V_n-Versorgungsspannung für beide Wheatstone-Brücken-Schaltkreise. Das zweite leitfähige Durchgangsloch 243-2 ist mit dem S_n-Ausgangsknoten des ersten Chips sowie mit dem S_p-Ausgangsknoten des zweiten Chips verbunden. Das dritte leitfähige Durchgangsloch 243-3 ist mit der V_p-Eingangsspannung für beide Wheatstone-Brücken-Schaltkreise verbunden. Das vierte leitfähige Durchgangsloch 243-4 trägt bzw. enthält (carries) den S_p-Ausgangsknoten des ersten Siliziumchips und den S_n-Ausgangsknoten des zweiten Siliziumchips. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Seitenwand der Öffnung 208, die durch den Abstandshalter 202 ausgebildet ist.
6E zeigt das Layout der zweiten oder unteren Oxidschicht 220, die zwischen der zweiten Seite 206 des hohlen Abstandshalters 202 und dem unteren oder zweiten Chip 224 angeordnet ist. In 6E zeigt die Bezugsnummer 209, wo die Seitenwand der Öffnung 208 durch den Abstandshalter 202 angeordnet ist.
Schließlich zeigt 6F das Layout der oberen oder ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224. P+-Verbindungselemente 252 verbinden die Metall-Bondpads V_p 245-3 und V_n 245-1 mit den Piezowiderständen der zweiten Wheatstone-Brücke 234, wie gezeigt. Andere P+-Verbindungselemente 252 verbinden die Ausgangsknoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 mit den Bondpads 245-2 und 245-4, wobei dieselben einen elektrischen Kontakt mit den leitfähigen Durchgangslöchern 243-2 und 243-4 herstellen. Die Bezugsnummer 209 kennzeichnet die Stelle der Seitenwände der Öffnung 208, die in dem Abstandshalter 202 gebildet ist.
Ein Vergleich der 6B und 6E zeigt, dass der S_p-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 216 auf dem ersten Chip 210 mit dem S_n-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 auf dem zweiten Chip 224 elektrisch verbunden ist. Ähnlich ist der S_n-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 216 auf dem ersten Chip 210 mit dem S_p-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 auf dem zweiten Chip 224 elektrisch verbunden. Durch Kreuzverbinden der S_p- und S_n-Knoten der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise innerhalb der Sensorstruktur kann die Anzahl der Bondpads, die zum Herstellen von Verbindungen mit dem Sensor erfordert werden, von sechs auf vier verringert werden.
7 ist eine Querschnittsansicht eines kompletten Sensors 700. Der komplette Sensor 700 besteht aus einem Druckmesselement 200, wie oben beschrieben wurde, das in einem Kunststoffgehäuse 702 montiert ist. Das Gehäuse 702 besteht aus einer Seitenwand 704, die eine Tasche 706 umgibt, die optional mit einem Schutzgel 720 gefüllt ist. Der Boden oder die Unterseite 718 der Tasche 706 lagert das Druckmesselement 200 auf kleinen Klecksen 710 aus Klebemittel, die eine Abdichtung um die Öffnung 230 in der Unterseite 228 des zweiten Chips 224 herum liefern. Eine Drucköffnung 712 wird durch die Basis 714 des Gehäuses 702 gebildet, wobei zugelassen wird, dass flüssige oder gasförmige Fluide Druck an den zweiten Siliziumchip 224 anlegen.
Ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) 716 ist mit Klebstoff an den Boden oder die Unterseite 718 der Tasche 706 geklebt. Das Gel 720 schützt bei Verwendung das Druckmesselement 200, den ASIC 716 und die Verbindungsdrähte 724, die sich von den Bondpads 244 des Druckmesselementes zu den Bondpads (nicht gezeigt) des ASIC 716 erstrecken. Verbindungsdrähte, die den ASIC 716 mit Leiterrahmen 708 verbinden, sind auch durch das Gel 720 geschützt.
8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Drucksensors 800, der „Flip-Chip”-Anordnungstechniken verwendet. Ein wie oben beschriebenes Druckmesselement 200 sitzt innerhalb eines Gehäuses 802 mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 804, der dem Druckmesselement 200 Signale bereitstellt und Signale von demselben liest. Das Druckmesselement 200 ist „gewendet” oder umgekehrt, mit einem dickeren Substrat in dem ersten Siliziumchip 210 und einem dünneren Substrat in dem zweiten Siliziumchip 224. Der erste Chip 210 ist ausgebildet, um einen Kanal oder Röhrenvorsprung 225 aufzuweisen, der sich von der zweiten Seite des ersten Siliziumchips 210 nach unten erstreckt und in eine rechteckige oder kreisförmige Nut 803 hineinpasst, die in der Unterseite des Gehäuses 802 gebildet ist. Die Nut 803 ist teilweise mit einem Klebemittel 805 gefüllt, das den Vorsprung 225 in der Nut 803 hält.
Leitfähige Leiterrahmen 806 erstrecken sich zwischen Kugelgitteranordnungen (BGA; engl. ball grid array) oder einem elektrisch leitfähigen Klebemittel (ECA; engl. electrically conductive adhesive) 808, die sowohl den ASIC 804 als auch das Druckmesselement 200 an dem Leiterrahmen 806 anbringen. Bondpads 816, die an der „Unterseite” des Druckmesselementes 200 angeordnet sind, sind unter Verwendung einer BGA oder eines ECA 808 mit den Leiterrahmen 806 elektrisch verbunden. Oben beschriebene leitfähige Durchgangslöcher 242 übertragen Signale zu den Bondpads 816 und der BGA oder dem ECA 808 von verschiedenen Schichten des Druckmesselementes 200. Eine untere Drucköffnung 810 erstreckt sich durch die Basis 812 des Gehäuses 802, um zuzulassen, dass Flüssigkeiten oder Fluide Druck auf die in dem ersten Siliziumchip 210 ausgebildete Membran 213 ausüben.
Ein Vorteil des in 8 dargestellten Drucksensors gegenüber dem in 7 dargestellten Drucksensor ist, dass in 8 kein Gel das Druckmesselement 200 bedeckt. Ein weiterer Vorteil ist, dass Drahtbonden nicht verwendet wird. Ein optionaler Underfill 814 umgibt die durch eine Kugelgitteranordnung (BGA) 808 gelieferten Verbindungen. Der Underfill 814, der verwendet wird, wirkt als Verkapselungsstoff, der eine Oxidation der Verbindungen zwischen der BGA 808 und den Leiterrahmen 806 reduziert und auch dazu beiträgt, das Druckmesselement 200 und den ASIC 804 während einer Vibrationen oder eines Herunterfallens zu halten.
Die vorangegangene Beschreibung dient lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung. Der wahre Bereich der Erfindung ist durch die zugehörigen Ansprüche definiert.

Claims

Druckmesselement, aufweisend: einen hohlen Abstandshalter mit einer ersten und einer zweiten Seite; einen ersten Siliziumchip, der an der ersten Seite des hohlen Abstandshalters angebracht ist, wobei der erste Siliziumchip eine erste und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite des ersten Siliziumchips einen Schaltkreis, elektrische Verbindungselemente, ein zweites isoliertes leitfähiges Durchgangsloch, das mit dem ersten isolierten leitfähigen Durchgangsloch gekoppelt ist, und eine erste Siliziummembran enthält; und einen zweiten Siliziumchip, der an der zweiten Seite des hohlen Abstandshalters angebracht ist, wobei der zweite Siliziumchip eine erste und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite des zweiten Siliziumchips einen Schaltkreis, elektrische Verbindungselemente und eine zweite Siliziummembran enthält; wobei der hohle Abstandshalter, der erste Siliziumchip und der zweite Siliziumchip einen Hohlraum bilden.
Druckmesselement nach Anspruch 1, wobei der Hohlraum zumindest teilweise evakuiert ist.
Druckmesselement nach Anspruch 1, wobei der hohle Abstandshalter aus Silizium besteht und wobei der hohle Abstandshalter mit dem ersten und zweiten Chip schmelzverbunden ist.
Druckmesselement nach Anspruch 1, wobei der hohle Abstandshalter aus Glas besteht, das mit dem ersten und zweiten Siliziumchip anodisch gebondet ist.
Druckmesselement nach Anspruch 1, ferner mit einer ersten Verbindungsschicht, die die erste Seite des ersten Siliziumchips an der ersten Seite des hohlen Abstandshalters anbringt.
Druckmesselement nach Anspruch 1, ferner mit einer zweiten Verbindungsschicht, die die erste Seite des zweiten Siliziumchips an der zweiten Seite des hohlen Abstandshalters anbringt.
Druckmesselement nach Anspruch 5, wobei die erste Verbindungsschicht aus Siliziumoxid besteht.
Druckmesselement nach Anspruch 6, wobei die zweite Verbindungsschicht aus Siliziumoxid besteht.
Druckmesselement nach Anspruch 8, wobei die zweite Verbindungsschicht eine dielektrische Schicht ist und konfiguriert ist, um ein Metall-Bondpad aufzuweisen, das ein erstes Ende des leitfähigen Durchgangsloches durch ein Metall-Verbindungselement durch ein Kontaktfenster in der dielektrischen Schicht verbindet.
Druckmesselement nach Anspruch 1, wobei das leitfähige Durchgangsloch ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist und das leitfähige Durchgangsloch aus zumindest Folgendem besteht: Metall; und/oder dotiertes Silizium.
Druckmesselement nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Schaltkreis piezoresistive Wheatstone-Brücken-Schaltkreise sind.
Druckmesselement nach Anspruch 11, wobei die piezoresistiven Wheatstone-Brücken-Schaltkreise aus vier Knoten bestehen, wobei der erste und der zweite Knoten des ersten Brücken-Schaltkreises mit einer ersten Eingangsspannung gekoppelt sind, der dritte und der vierte Knoten des ersten Brücken-Schaltkreises eine erste Absolutdruck-Ausgangsspannung definieren, der erste und der zweite Knoten des zweiten Brücken-Schaltkreises mit einer zweiten Eingangsspannung gekoppelt sind und der dritte und der vierte Knoten des zweiten Brücken-Schaltkreises eine zweite Absolutdruck-Ausgangsspannung definieren, wobei die Differenz zwischen der ersten Absolutdruck-Ausgangsspannung und der zweiten Absolutdruck-Ausgangsspannung eine für den Differenzdruck zwischen der ersten und der zweiten Membran repräsentative Spannung ist.
Druckmesselement nach Anspruch 11, wobei die piezoresistiven Wheatstone-Brücken-Schaltkreise aus vier Knoten bestehen, wobei der erste und der zweite Knoten des ersten Schaltkreises mit entsprechenden ersten und zweiten Knoten des zweiten Schaltkreises gekoppelt sind, der dritte Knoten des ersten Schaltkreises mit dem vierten Knoten des zweiten Schaltkreises an einem ersten Ausgangsknoten gekoppelt ist und der vierte Knoten des ersten Schaltkreises mit dem dritten Knoten des zweiten Schaltkreises an einem zweiten Ausgangsknoten gekoppelt ist, und wobei die algebraische Differenz der Signalpegel an dem ersten und zweiten Ausgangsknoten für einen Druckunterschied zwischen der ersten und der zweiten Membran repräsentativ ist.
Drucksensor, der aus Folgendem besteht: einem Gehäuse mit einem Differenzdruckmesselement und einem integrierten Schaltkreis (IC), der mit dem Differenzdrucksensor gekoppelt ist, wobei das Differenzdruckmesselement aus Folgendem besteht: einem hohlen Abstandshalter mit einer ersten und einer zweiten Seite; einem ersten Siliziumchip, der an der ersten Seite des hohlen Abstandshalters angebracht ist, wobei der erste Siliziumchip eine erste und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite des ersten Siliziumchips einen Schaltkreis, elektrische Verbindungselemente, ein zweites isoliertes leitfähiges Durchgangsloch, das mit dem ersten isolierten leitfähigen Durchgangsloch gekoppelt ist, und eine erste Siliziummembran enthält; und einem zweiten Siliziumchip, der an der zweiten Seite des hohlen Abstandshalters angebracht ist, wobei der zweite Siliziumchip eine erste und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite des zweiten Siliziumchips einen Schaltkreis, elektrische Verbindungselemente und eine zweite Siliziummembran enthält; wobei der hohle Abstandshalter, der erste Siliziumchip und der zweite Siliziumchip einen Vakuumhohlraum bilden.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 14, ferner mit einem Gel, das den Differenzdrucksensor und den IC bedeckt.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 14, ferner mit einer Vielzahl von Verbindungsdrähten, die konfiguriert sind, um den Differenzdrucksensor mit dem IC und den IC mit den leitfähigen Leiterrahmen zu verbinden, wobei die Vielzahl von Verbindungsdrähten in das Gel eingebettet ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 14, wobei das Gehäuse zumindest eine Öffnung aufweist, die mit der ersten oder zweiten Membran gekoppelt ist.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 14, wobei das Gehäuse eine Vielzahl von leitfähigen Leiterrahmen aufweist, die konfiguriert sind, um elektrische Signale zwischen dem Differenzdruckmesselement und dem IC zu übertragen, und wobei die leitfähigen Leiterrahmen mit dem Differenzdruckmesselement und dem IC durch Kugelgitteranordnungen (BGA) gekoppelt sind.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 14, wobei das Gehäuse eine Vielzahl von leitfähigen Leiterrahmen aufweist, die konfiguriert sind, um elektrische Signale zwischen dem Differenzdruckmesselement und dem IC zu übertragen, und wobei die leitfähigen Leiterrahmen mit dem Differenzdruckmesselement und dem IC durch ein elektrisch leitfähiges Klebemittel (ECA) gekoppelt sind.
Differenzdrucksensor nach Anspruch 18, ferner mit einem Underfill, der die BGAs im Wesentlichen bedeckt.
Druckmesselement nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Schaltkreis piezoresistive Wheatstone-Brücken-Schaltkreise sind, die aus vier Knoten bestehen, wobei der erste und der zweite Knoten des ersten Brücken-Schaltkreises mit einer ersten Eingangsspannung gekoppelt sind, der dritte und der vierte Knoten des ersten Brücken-Schaltkreises eine erste Absolutdruck-Ausgangsspannung definieren, der erste und der zweite Knoten des zweiten Brücken-Schaltkreises mit einer zweiten Eingangsspannung gekoppelt sind und der dritte und der vierte Knoten des zweiten Brücken-Schaltkreises eine zweite Absolutdruck-Ausgangsspannung definieren, wobei die Differenz zwischen der ersten Absolutdruck-Ausgangsspannung und der zweiten Absolutdruck-Ausgangsspannung eine Spannung ist, die für den Differenzdruck zwischen der ersten und der zweiten Membran repräsentativ ist.
Druckmesselement nach Anspruch 14, wobei der erste und der zweite Schaltkreis piezoresistive Wheatstone-Brücken-Schaltkreise sind, die aus vier Knoten bestehen, wobei der erste und der zweite Knoten des ersten Schaltkreises mit dem entsprechenden ersten und zweiten Knoten des zweiten Schaltkreises gekoppelt sind, der dritte Knoten des ersten Schaltkreises mit dem vierten Knoten des zweiten Schaltkreises an einem ersten Ausgangsknoten gekoppelt ist und der vierte Knoten des ersten Schaltkreises mit dem dritten Knoten des zweiten Schaltkreises an einem zweiten Ausgangsknoten gekoppelt ist, und wobei die algebraische Differenz der Signalpegel an dem ersten und dem zweiten Ausgangsknoten für einen Druckunterschied zwischen der ersten und der zweiten Membran repräsentativ ist.