DE19644830C1 - Pressure sensor chip with protective membrane and transfer element and force sensor - Google Patents

Pressure sensor chip with protective membrane and transfer element and force sensor

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Abstract

The device has a structured protective membrane chip (10) with which a structured force sensor chip (11) and a carrier chip (12) are connected. The plate type protective membrane and force sensor chip elements are hermetically connected together. On their adjacent surfaces these have identical chambers. In the centre of these are identically structure raised features. These locate with each other precisely for force transfer. The carrier chip is provided with a bonding layer and is structured such that free spaces are provided for the membrane distending and the metallisation of the piezoresistive sensor elements. The chips (10,11,12) preferably comprise a micro-structurable material and can be connected to each other by bonds.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Membran-Drucksensorchip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a membrane pressure sensor chip according to the preamble of claim 1.

Die bisher bekannten Membran-Kraftsensorkombinationen sind in feinwerktechnischer Fertigung erstellt, bei denen jedoch kein geschlossener Verbund zwischen Membran, dem Übertragungselement sowie dem Kraftsensor und dem Gehäuse der Drucksensorkapsel besteht. Diese Ausführungsformen sind jedoch in der Fertigung zu aufwendig, insbesonde­ re weil der Kraftsensorchip vorgespannt werden muß und für jeden Chip die erforderliche Vorspannung separat einzustellen ist.The previously known membrane force sensor combinations are more precise Manufacturing created, but in which no closed bond between the membrane, the Transmission element as well as the force sensor and the housing of the pressure sensor capsule consists. However, these embodiments are too complex to manufacture, in particular re because the force sensor chip must be biased and the required for each chip Preload must be set separately.

Aus der DE 40 23 420 A1 ist ein Drucksensor bekannt, der eine scheibenförmige Schutzmembran, ein eben­ solches Übertragungselement und einen Kraftsensor aufweist, wobei der Druckwandler in Form einer Deh­ nungsmeßstreifenvorrichtung angeordnet ist. Da bei dieser Konzeption die Kraft primär von der oberen Membran aufgenommen wird, ist diese Anordnung für Hochtemperaturanwendungen wenig geeignet.A pressure sensor is known from DE 40 23 420 A1, which has a disk-shaped protective membrane has such a transmission element and a force sensor, the pressure transducer in the form of a Deh voltage measuring device is arranged. Because with this conception the force primarily comes from the upper one Membrane is included, this arrangement is not very suitable for high temperature applications.

Zum weiteren Stand der Technik werden die Druckschriften FR 14 47 317, DD 2 91 398 A5 und US 45 27 428 sowie US 51 93 394 und JP-Abstr. 3-255326 (A) genannt.The publications FR 14 47 317, DD 2 91 398 A5 and US 45 27 become the further prior art 428 as well as US 51 93 394 and JP-Abstr. 3-255326 (A).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Membran-Drucksensorchip der eingangs genannten Art zu schaffen, der hermetisch verkapselt und in seinen Maßen wesentlich verkleinert ist sowie bei Erwärmung wenig von thermischen Verspannungen beeinflußt wird.The object of the present invention is a membrane pressure sensor chip of the type mentioned at the beginning, which is hermetically encapsulated and in its dimensions is significantly reduced and little of thermal tension when heated being affected.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben, und in der nach­ folgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert sowie in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:This object is achieved by the measures indicated in claim 1. In the Refinements and refinements are specified, and in the The following description explains an embodiment and in the figures of the Sketched drawing. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ausfürungsbeispiels von oben und von unten gesehen, Fig. 1 is a perspective view seen from a Ausfürungsbeispiels above and from below,

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der einzelnen Chips in der Sicht von oben und unten des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, Fig. 2 is a perspective exploded view of the individual chips in the view from above and below of the embodiment of Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel des Drucksensorchips gemäß Fig. 1, Fig. 3 shows a cross section through the embodiment of the pressure sensor chip according to Fig. 1,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Drucksensorchips gemäß Fig. 1, jedoch mit vorstehendem Trägerteil. FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the pressure sensor chip according to FIG. 1, but with the above carrier part.

Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, einen hermetisch verkapselten Drucksensorchip mit integrierter Medientrennmembran - beispielsweise für Kraftstoffe, Verbrennungsgase, Öle oder Bremsflüssigkeit etc. - herzustellen, wobei diese Membran den Druck auf einen Kraftsensor überträgt. Hierbei sind die Medientrennmembran und der Kraftsensor miteinander verbunden und die zwischen diesen beiden liegenden Hohlräume sind gasdicht verschlossen.The general idea of the invention provides for a hermetically encapsulated one Pressure sensor chip with integrated media separation membrane - for example for To produce fuels, combustion gases, oils or brake fluid etc. - this membrane transmits the pressure to a force sensor. Here are the media separation membrane and the force sensor connected to each other and the between these two lying cavities are sealed gas-tight.

Die Fig. 1 und 2 zeigen nun ein Ausführungsbeispiel so eines Drucksensor­ chips, einmal von oben gesehen und nebenan von unten gesehen in perspektivi­ scher Darstellung. Der Drucksensorchip setzt sich aus drei plattenförmigen, speziell ausgestalteten Elementen zusammen. Gleich vorweg ist zu sagen, daß die bisher bekannten in Mikrotechnik hergestellten Sensormembranen einen Durchmesser von ca. 8 mm haben, wogegen die hier vorgeschlagenen Ausfüh­ rungsformen nur mehr einen Durchmesser von 1 bis 2 mm erfordern. Natürlich wird dem entsprechend auch der Durchmesser des Gesamtchips kleiner. Figs. 1 and 2 now show an embodiment of such a pressure sensor chips, even seen from above and next door seen from below in perspektivi shear representation. The pressure sensor chip is composed of three plate-shaped, specially designed elements. First of all, it must be said that the sensor membranes known to date, which have been manufactured using microtechnology, have a diameter of approximately 8 mm, whereas the embodiments proposed here only require a diameter of 1 to 2 mm. Of course, the diameter of the entire chip also becomes smaller accordingly.

Das gezeigte Ausführungsbeispiel setzt sich aus einem Schutzmembranchip 10 zusammen, der aus Silizium, Siliziumkarbid, Saphir, Quarz oder einem anderen mikrostrukturierbaren Material gebildet ist. Die Oberseite ist - wie ersichtlich - glatt und unstrukturiert und mit einer wärmeleitenden Schicht 10c versehen. Dieser Schutzmembranchip 10 weist jedoch auf seiner Unterfläche eine Struk­ turierung auf, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Diese einen Hohlraum 10a bil­ dende Strukturierung, die nicht nur - wie gezeichnet - rechteckig sein, sondern auch an­ dere geometrische Formen haben kann, weist in der Hohlraummitte einen so­ genannten "Centerboß" 10b auf, der hier eine rechteckige, geschnittene Pyra­ midenform aufweist und mit seiner Oberfläche beim Zusammenbau auf das entsprechend strukturierte Centerboß-Gegenstück 11b des Kraftsensorchips 11 zur Anlage kommt.The exemplary embodiment shown is composed of a protective membrane chip 10 which is formed from silicon, silicon carbide, sapphire, quartz or another microstructurable material. The top is - as can be seen - smooth and unstructured and provided with a heat-conducting layer 10 c. This protective membrane chip 10 , however, has a structure on its lower surface, as shown in FIG. 2. This a cavity 10 a bil dende structuring, which not only - as drawn - be rectangular, but can also have other geometric shapes, has a so-called "center boss" 10 b in the cavity center, which here has a rectangular, pyramid-shaped shape has and comes with its surface during assembly on the correspondingly structured center boss counterpart 11 b of the force sensor chip 11 to the system.

Der vorbeschriebene Schutzmembranchip 10 wird nun deckungsgleich mit dem Kraftsensorchip 11 verbunden, der aus einem schlecht wärmeleitenden Mate­ rial, wie beispielsweise Siliziumoxid oder Glas, besteht oder mit so einem Material beschichtet ist. Die Strukturierung 11a und 11b an der Oberseite des Kraftsensorchips 11 ist identisch derjenigen des Schutzmembranchips 10. Wie vorstehend bereits erwähnt, kommen die Oberflächen der sogenannten "Centerbosse" 10b und 11b exakt aufeinander zur Anlage. Zu erwähnen ist noch, daß die schlecht wärmeleitende Zwischenschicht gleichzeitig dazu ge­ eignet sein muß, um eine Verbindung - vorzugsweise Bondung - zwischen Schutzmembranchip 10 und Sensorchip 11 durchführen zu können und so eine hermetische Verkapselung und bestmögliche Wärmeisolierung zu gewährlei­ sten. Die Fläche der Unterseite des Kraftsensorchips 11 ist nun mit Sensorele­ menten 11c und Metallisierungen 11d versehen.The above-described protective membrane chip 10 is now congruently connected to the force sensor chip 11 , which consists of a poorly heat-conducting material, such as silicon oxide or glass, or is coated with such a material. The structuring 11 a and 11 b on the upper side of the force sensor chip 11 is identical to that of the protective membrane chip 10 . As already mentioned above, the surfaces of the so-called "center bosses" 10 b and 11 b come to rest exactly on one another. It should also be mentioned that the poorly heat-conducting intermediate layer must at the same time be suitable to be able to carry out a connection - preferably bonding - between protective membrane chip 10 and sensor chip 11 and thus guarantee hermetic encapsulation and the best possible heat insulation. The surface of the underside of the force sensor chip 11 is now provided with sensor elements 11 c and metallizations 11 d.

Der so gestaltete Kraftsensorchip 11 wird mit einem darunterliegenden Träger­ chip 12 deckungsgleich verbunden, wobei der Trägerchip 12 mit einer zu bon­ denden Schicht 12d versehen ist, die so strukturiert ist, daß Platz 12a, 12b für die Membranauswölbung und die Metallisierungen 11d der piezoresistiven Sensorelemente 11c geschaffen ist. Die Unterseite des Trägerchips 12 ist mit Aussparungen 12c strukturiert, die zur Aufnahme des Lötmaterials 13 dienen. Der Kraftsensorchip 11 ist selbst mit dem Schutzmembranchip 10 verbunden und wird mit dem Lötmaterial 13 elektrisch kontaktiert.The thus-configured force sensor chip 11 is reacted with an underlying support chip 12 congruently associated, wherein the carrier chip is provided d with a Denden to bon layer 12 12, which is structured such that space 12 a, 12 b for the Membranauswölbung and the metallizations 11 d the piezoresistive sensor elements 11 c is created. The underside of the carrier chip 12 is structured with cutouts 12 c which serve to receive the soldering material 13 . The force sensor chip 11 is itself connected to the protective membrane chip 10 and is electrically contacted with the soldering material 13 .

Die - wie oben beschrieben - ausgeführten Sensorchips weisen sehr kleine geometrischen Abmessungen auf. Vorteil ist, daß nur geringe Massen ausge­ lenkt werden müssen, nämlich die Membranen und deren Centerboß. So ist eine hohe Grenzfrequenz möglich.The sensor chips - as described above - are very small geometric dimensions. The advantage is that only small masses must be steered, namely the membranes and their center boss. So is a high cut-off frequency is possible.

Die Schutzmembran 10 muß relativ weich gegenüber dem Kraftsensor sein. Die hauptsächliche Kraftaufnahme erfolgt durch den piezoresistiven Kraftsen­ sor 11c. Damit stören thermisch verursachte Verspannungen in der Schutz­ membran 10 das Signal kaum. Der dahinter liegende Kraftsensor 11c erfährt keine starke Erwärmung, da die Schutzmembran die Wärme aufnimmt und nach außen ableitet.The protective membrane 10 must be relatively soft compared to the force sensor. The main force is taken up by the piezoresistive force sensor 11 c. Thereby, thermally caused tensions in the protective membrane 10 hardly disturb the signal. The force sensor located behind 11c does not undergo excessive heating, because the protective membrane absorbs the heat and discharges to the outside.

Die Halterung beziehungsweise der Träger 14, wie er an einem Ausführungs­ beispiel des vorbeschriebenen Drucksensorchips in Fig. 4 angedeutet ist, kann aus einem geeigneten wärmeleitenden Material gefertigt sein. Dieses Ausfüh­ rungsbeispiel ist genauso konzipiert, wie vorstehend beschrieben, nur ist der Trägerchip 12 mit einem vorstehenden Trägerteil 12e vergrößert, d. h. der Trä­ gerchip 12 ist um eine bestimmte, wählbare Fläche größer gegenüber den zen­ trisch von ihr aufgenommenen Flächen des Sensorchips 11 und des darüberlie­ genden Schutzmembranchips 10. Diese nun vorstehenden Trägerflächenteile 12e geben den Vorteil, daß nur diese auf den Träger 14 (in der Fig. 4 nur als schraffiertes Rechteck gezeichnet), der auch die Durchführungen für die elektri­ schen Leitungen aufweist, festgespannt werden müssen und dadurch eine etwa durch Erwärmung entstehende laterale Ausdehnung von Schutzmembran und Sensorchip ungehindert erfolgen kann. Der Träger 14 kann bei einer runden Ausführungsform des Drucksensorchips ebenfalls entsprechend rund und mit einer überstehenden ringförmigen Haltefläche 12e ausgestaltet sein. Auch in diesem Falle ist dieser ringförmige Träger 14 mit den Durchführungen für die Elektrik versehen und wird mittels eines Spannringes etc. mit dem Drucksen­ sorchip festgespannt. Die Verbindung des Chips mit der Halterung bzw. dem Träger 14 kann nur mit dem Trägerchip 12 allein erfolgen, so daß dann mechani­ sche Verspannungen vermieden werden.The holder or the carrier 14 , as indicated on an embodiment of the pressure sensor chip described in FIG. 4, can be made of a suitable heat-conducting material. This exporting approximately example is designed the same way as described above, only the carrier chip 12 increases with a protruding support part 12 e, that is, the Trä gerchip 12 is to a certain, selectable area is greater compared to the zen symmetrical received by it faces of the sensor chip 11 and the overlying protective membrane chips 10 . This now protruding support surface parts 12 e give the advantage that only this on the support 14 (shown in Fig. 4 only as a hatched rectangle), which also has the bushings for the electrical lines, must be clamped and thereby one by heating resulting lateral expansion of the protective membrane and sensor chip can take place without hindrance. In the case of a round embodiment of the pressure sensor chip, the carrier 14 can also be designed to be correspondingly round and with a projecting annular holding surface 12 e. In this case too, this ring-shaped carrier 14 is provided with the bushings for the electrical system and is sorchiped by means of a clamping ring etc. with the pressure sensors. The connection of the chip to the holder or the carrier 14 can only be carried out with the carrier chip 12 alone, so that mechanical stresses are then avoided.

Zu erwähnen ist noch, daß der Schutzmembranchip 10 mit einer weiteren Schutzschicht versehen werden kann, die je nach Konzeption aus Metall, Diamant, Al₂O₃, Siliziumoxid- oder -nitrid oder Siliziumkarbid gebildet wird. Weiterhin kann die durch die Verbindung von Träger 12 und Sensorchip 11 entstehende Öffnung 13a direkt beim Bonden oder durch geeignete Methoden, wie Löten, Sputtern, stromlose Metalldeposition etc. verschlossen werden. Ferner kann der Drucksensorchip auch mit einer Überlastsicherung ausgerüstet werden, wobei der Überlastschutz darin besteht, daß die Membran des Sensor­ chips 11 bei zu starker Durchbiegung am Trägerchip 12 ansteht und von die­ sem gestützt wird.It should also be mentioned that the protective membrane chip 10 can be provided with a further protective layer which, depending on the concept, is formed from metal, diamond, Al₂O₃, silicon oxide or nitride or silicon carbide. Furthermore, the opening 13 a created by the connection of carrier 12 and sensor chip 11 can be closed directly during bonding or by suitable methods such as soldering, sputtering, currentless metal deposition etc. Furthermore, the pressure sensor chip can also be equipped with an overload protection, the overload protection being that the membrane of the sensor chip 11 is present at excessive deflection on the carrier chip 12 and is supported by the sem.

Claims (5)

1. Drucksensorchip mit einer Schutzmembran und einem Übertragungselement sowie einem Kraftsensor, wobei der strukturierte Schutzmembranchip (10) mit dem ebenfalls strukturierten Kraftsensorchip (11) und einem Trägerchip (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die deckungsgleich hermetisch miteinander verbundenen plattenförmigen Schutzmembran- (10) und Kraftsensor-Chipelemente (11) in ihren aufeinanderliegenden Flächen identische Hohlräume (10a, 11a) und in diesen zentrale, in der Form ebenso identisch strukturierte Erhebungen (Centerbosse 10b, 11b) aufweisen, die zur Kraftübertragung exakt aufeinander zur Anlage kommen, und der Trägerchip (12) mit einer zu bondenden Schicht (12d) versehen und so strukturiert ist, daß Freiräume (12a, 12b) für die Membranauswölbung und die Metallisierungen (11d) der piezoresistiven Sensorelemente (11c) geschaffen sind.1. Pressure sensor chip with a protective membrane and a transmission element and a force sensor, the structured protective membrane chip ( 10 ) being connected to the likewise structured force sensor chip ( 11 ) and a carrier chip ( 12 ), characterized in that the plate-shaped protective membrane membrane ( 10 ) and force sensor chip elements ( 11 ) have identical cavities ( 10 a, 11 a) in their superimposed surfaces and in these central elevations (center bosses 10 b, 11 b) which are structured identically in the same way and which exactly transmit one another to transmit power System come, and the carrier chip ( 12 ) with a layer to be bonded ( 12 d) and is structured so that free spaces ( 12 a, 12 b) for the membrane bulge and the metallizations ( 11 d) of the piezoresistive sensor elements ( 11 c) are created. 2. Drucksensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Chips (10, 11, 12) aus einem mikrostrukturierbaren Material bestehen und durch Bonden miteinander verbindbar sind.2. Pressure sensor chip according to claim 1, characterized in that the chips ( 10 , 11 , 12 ) consist of a microstructurable material and can be connected to one another by bonding. 3. Drucksensorchip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerchip (12) an seiner Unterseite mit Aussparungen (12c) für die Aufnahme des Lötmaterials (13) strukturiert ist und in seiner Flächengröße gegenüber den mit ihm verbundenen Chips (10, 11) einen vorstehenden Trägerteil (12e) aufweist. 3. Pressure sensor chip according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier chip ( 12 ) is structured on its underside with recesses ( 12 c) for receiving the soldering material ( 13 ) and in terms of its surface area compared to the chips ( 10 , 11 ) has a projecting support part ( 12 e). 4. Drucksensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerchip (12) so gestaltet ist, daß die Auslenkung von Schutzmembran- (10) und Kraftsensorchip (11) begrenzt wird und somit ein mechanischer Überlastschutz gebildet ist.4. Pressure sensor chip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the carrier chip ( 12 ) is designed so that the deflection of the protective membrane ( 10 ) and force sensor chip ( 11 ) is limited and thus a mechanical overload protection is formed. 5. Drucksensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die vorstehenden Trägerteile (12e) mit einem elektrische Durchführungen aufweisenden Träger (14) verspannt werden.5. Pressure sensor chip according to one of claims 1 to 4, characterized in that only the above carrier parts ( 12 e) with an electrical bushings having carrier ( 14 ) are clamped.
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