DE4334123C2 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Aus der DE 41 11 539 A1 ist bereits ein Drucksensor bekannt, bei dem ein Siliziumchip mit seiner Unterseite auf einem Glassockel mit einer Bohrung befestigt ist. Die Membran ist dabei über der Bohrung angeordnet, so dass durch die Bohrung die Unterseite des Chips mit einem Druck beaufschlagt werden kann, der die Membran verformt. Auf der Oberseite des Siliziumchips sind Piezomesselemente angebracht, die zur Auswertung der Verformung der Membran dienen. Die Bohrung des Glassockels fluchtet mit der Druckzuleitung des Gehäuses, in dem der Chip eingebaut ist.

Aus der US 4,879,903 ist eine Druckmessvorrichtung bekannt, welche ein Gehäuse umfasst, das eine Kammer definiert.

Aus der DE 41 33 061 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem das Messelement durch eine poröse Platte vom Medium getrennt ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass er eine einfache Herstellbarkeit des Drucksensors mit vorteilhaften Eigenschaften für den Verwender des Sensors verbindet. Besonders vorteilhaft ist dabei für den Verwender, dass er den Drucksensor wie ein normales Standardbauteil auf einer Leiterplatte aufbringen kann.

Durch die Orientierung des Chips mit seiner Oberseite hin zur Leiterplatte und der Unterseite weg von der Leiterplatte kann die Druckzuführung von der von der Leiterplatte abgewandten Seite er­ folgen. Für den Anwender wird so eine besonders einfache Montage des Drucksensors auf der Leiterplatte bzw. eine problemlose Zuführung eines Druckschlauches zum Drucksensor ermöglicht. Weiterhin erfolgt die Zuführung des Druckmediums von der Unterseite des Siliziumchips, die chemisch besonders beständig ist. Da die Vorderseite des Chips, auf der die Auswertemittel für die Membran angeordnet sind, zur Leiterplatte hin weisen, können besonders einfache elektrische Ver­ bindungsmittel verwendet werden. Diese können dabei in der für Leiterplatten gebräuchlichen SMD- bzw. DIL-Anordnung ausgebildet werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Drucksensors möglich. Die elektrischen Ver­ bindungsmittel werden besonders einfach als metallische Einlegeteile in dem spritzgegossenen Gehäuse und Bonddrähte ausgebildet. Die Montage des Glassockels kann durch Paßecken im Gehäuse erleichert werden. Durch zweiteiligen Aufbau des Gehäuses aus einem Grundkörper und einem Deckel wird die Montage des Sensorchips im Gehäuse er­ leichert. Zur Erleichterung der Montage des Gehäuses auf der Leiter­ platte sind Leiterplattenhaken zum Einclipsen des Gehäuses vorge­ sehen. Durch Zentrierstifte bzw. Codierstifte wird damit eine fehlerhafte Montage ausgeschlossen. Die Beständigkeit des Silizium­ chips wird durch Aufbringen einer Passivierung auf der Oberseite erhöht. Eine Entlüftung des Gehäuses kann zweckmäßigerweise durch eine wasserabweisende Teflonfolie erfolgen.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Schnitt durch einen Drucksensor, Fig. 2 eine Detaildarstellung des Siliziumchips und des Glassockels, Fig. 3 einen Schnitt durch den Drucksensor nach Fig. 1 entlang der Linie III-III, Fig. 4 eine Unteransicht des Drucksensors ohne Deckel und Leiterplatte und Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Drucksensor.

Beschreibung der Erfindung

In der Fig. 1 wird ein Drucksensor, bestehend aus einem Gehäuse 1 und einem Siliziumchip 2 auf einem Glassockel 3 gezeigt. Das Gehäuse 1 ist aus einem Grundkörper 19 und einem Deckel 18 aufgebaut. Der Grundkörper 19 und der Deckel 19 bilden einen Hohlraum 21, in dem der Chip 2 gelegen ist. Durch eine Druckzuführung 9 kann von außen ein Druck ins Innere des Hohlraumes 21 geleitet werden, der jedoch gegen die Druckzuführung 9 durch den Siliziumchip 2 verschlossen ist. Weiterhin kann das in dem Hohlraum 21 enthaltene Gas durch eine Teflonfolie 17 und eine hier nicht gezeigte Bohrung im Deckel 18 ausgetauscht werden. Durch die Teflonfolie 17 wird jedoch sicher­ gestellt, daß keinerlei Flüssigkeiten von außen in den Hohlraum 21 eindringen können. Zur Montage auf der Leiterplatte 13 ist das Ge­ häuse 1 mit Leiterplattenhaken 14 versehen. Diese werden durch Öffnungen der Leiterplatte 13 gesteckt und haken das Gehäuse 1 mechanisch in der Leiterplatte 13 ein. Als Justierhilfe bei diesem Einstecken des Gehäuses 1 in die Leiterplatte 13 ist weiterhin ein Zentrierzapfen 15 vorgesehen, der als mechanische Führung für die Leiterplattenhaken 14 dient. Durch asymmetrische Ausgestaltung dieses Zentrierzapfens 15 bzw. durch weitere asym­ metrisch angeordnete Zapfen kann dabei sichergestellt werden, daß das Gehäuse 1 nur in einer Lage in die Leiterplatte 13 eingesetzt werden kann. In der Fig. 2 ist der Querschnitt durch den Silizium­ chip 2 und den Glassockel 3 noch einmal im Detail gezeigt. Der Siliziumchip 2 weist eine Membran 5 auf, die die Bohrung 4 im Glas­ sockel 3 verschließt. Durch diese Anordnung ist gewährleistet, daß ein Druck, der durch die Bohrung 4 eingeleitet wird zu einer Ver­ formung der Membran 5 führt. Der Siliziumchip 2 ist dazu mit seiner Unterseite 6 hermetisch dicht mit dem Glassockel 3 verbunden. Auf der Oberseite 7 des Siliziumchips 2 sind Auswertemittel 8 ange­ ordnet, mit denen eine Verformung der Membran 5 nachweisbar ist. Bei diesen Auswertemitteln kann es sich beispielsweise um piezoresistive Elemente im Bereich der Membran 5 handeln, mit denen mechanische Spannungen in der Membran 5 nachweisbar sind. Weiterhin kann un­ mittelbar auf dem Siliziumchip 2 durch die Auswertemittel 8 bereits eine Verarbeitung der Signale der Membranverformung erfolgen. Der­ artige Siliziumchips 2 werden in der Regel dadurch gefertigt, daß auf der Oberseite 7 mit herkömmlichen Methoden Halbleiterelemente für Auswertemittel erzeugt werden. Durch Einbringen einer Ausnehmung 23 in die Unterseite 6 wird dann die Membran 5 gebildet. Die Ver­ bindung mit dem Glassockel 3 erfolgt in der Regel mit der Unterseite 6, da auf dieser Seite keine weiteren Strukturen vorgesehen sind, und so auch keine Chipfläche als Verbindungsfläche freigehalten werden muß. Weiterhin besteht so die der Bohrung 4 zugewandte Ober­ fläche des Chips 2 ausschließlich aus Silizium. Dieses Material ist chemisch besonders beständig, so daß der Chip gegen eventuell durch die Bohrung eindringende korrosive Gase oder Flüssigkeiten beständig ist. Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, wird der Glassockel 3 derart in den Grundkörper 19 des Gehäuses 1 eingesetzt, daß die Bohrung 4 mit der Druckzuführung 9 fluchtet. Weiterhin ist die Druckzuführung 9 mit einem Anschlußstutzen 10 versehen, der es dem Verwender des Drucksensors erlaubt, dort einen Druckzuführschlauch anzuschließen. Der Drucksensor kann somit bei­ spielsweise bei einem Motorsteuergerät auf einer Leiterplatte 13 angeordnet und durch einen Druckschlauch angeschlossen werden. In der Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Drucksensor gezeigt, der der Ansicht entlang der Linie III-III der Fig. 1 entspricht. Die aus der Fig. 1 bekannten Teile sind wieder mit den gleichen Zahlen bezeichnet. Im Unterschied zu Fig. 1 werden hier elektrische Ver­ bindungsmittel für einen elektrischen Kontakt des Chips 2 zur Leiterplatte 13 gezeigt. Diese elektrischen Verbindungsmittel be­ stehen aus Bonddrähten 12 und metallischen Einlegeteilen 11. Die Herstellung des Grundkörpers 19 erfolgt zweckmäßigerweise durch Kunststoffspritzgruß. Bei diesem Spritzgußprozeß können Metallein­ lagen 11 in die Wand des Grundkörpers 19 eingegossen werden, die später als elektrische Verbindungen von der Innenseite des Gehäuses 1, d. h. vom Hohlraum 21 zur Außenseite des Gehäuses bzw. zur Leiter­ platte 13 dienen. Die Metalleinlagen 11 sind dabei derart ausge­ staltet, daß sie mit Bonddrähten 12 kontaktiert werden können. Weiterhin sind auf dem Chip 2 Anschlußbereiche für die Bonddrähte 12 vorgesehen, so daß über die Anschlußbereiche des Chips 2, die Bond­ drähte 12 und die Metalleinlagen 11 die auf dem Chip gelegenen Aus­ wertemittel 8 mit der Leiterplatte 13 verbunden werden können. Die Verbindung der Metalleinlagen 11 und der Leiterplatten 13 kann dabei auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Die Metalleinlagen 11 können derart gebogen sein, daß sie auf der Oberseite der Leiterplatte 13 aufsetzen und dort mit Leiterbahnen verlötbar sind. Weiterhin ist es auch möglich, daß die Metalleinlagen 11 derart ausgestaltet sind, daß sie durch Löcher der Leiterplatte 13 hindurchgesteckt werden können. In diesem Fall kann eine Verlötung der Metalleinlagen 11 mit der Leiterplatte 13 auch auf der vom Drucksensor abgewandten Seite der Leiterplatte 13 erfolgen. Der Drucksensor kann somit als SMD-Bauteil (Surface Mounted Device), DIL-Bauteil (Dual In-Line) oder auch SIL-Bauteil (Single In-Line) ausgestaltet werden, wie diese für die Montage auf Leiterplatten 13 gebäuchlich sind. Für die Montage des Drucksensors auf der Leiterplatte 13 können somit alle Vorrichtungen und Maschinen genutzt werden, die bei der Bestückung und Verlötung von Leiterplatten allgemein üblich sind. Der Drucksensor kann somit von einem Anwender ohne zusätzlichen Aufwand auf einer Leiterplatte 13 montiert werden.

In der Fig. 4 wird eine Unteransicht auf den Drucksensor nach den Fig. 1 und 3 gezeigt, wobei jedoch die Leiterplatte 13 und der Deckel 18 entfernt sind. Zu erkennen ist der Chip 2, der im Grundkörper 19 eingesetzt ist. Zunächst wird der Chip 2 mit dem Glassockel 3 verbunden. Dies erfolgt in der Regel durch die Ver­ bindung eines Siliziumwafers mit einer Vielzahl von Siliziumchips 2 und eines Glaswafers mit einer Vielzahl von Glassockeln 3. Durch Zerteilen dieser Wafer werden dann viele einzelne Siliziumchips 2 auf einem Glassockel 3 geschaffen. Um beim Einsetzen dieses Verbunds von Glassockel 3 und Chip 2 die Ausrichtung der Bohrung 4 gegenüber der Druckzuführung 9 zu erleichtern sind im Grundkörper 19 Paßecken 20 vorgesehen, die derart angeordnet sind, daß die Bohrung 4 und die Druckzuführung 9 exakt gegeneinander ausgerichtet werden. Um das Einsetzen zu erleichtern, können diese Paßecken 20 konisch ausge­ bildet sein. Auf der Unterseite des Grundkörpers 19 ist weiterhin ein Klebrand 22 vorgesehen, auf dem eine Teflonfolie 17 verklebt wird. Der Hohlraum 21 wird so dicht verschlossen. Durch den Glas­ sockel 3 bzw. den Siliziumchip 2 ist ein druckdichter Verschluß gegen die Druckzuführung 9 sichergestellt. Durch die Teflonfolie 17 kann zwar ein Gasaustausch zur Umgebung erfolgen, Flüssigkeiten können jedoch nicht eindringen. Der Siliziumchip 2 ist hier aus Ver­ einfachungsgründen ohne weitere Strukturen auf seiner Oberfläche gezeigt. Weiterhin ist hier eine Aufsicht auf die Leiterplattenhaken 14 zu erkennen, deren Funktion und Wirkungsweise bereits aus der Fig. 1 bekannt sind. Es sind noch vier weitere Haken 16 vorgesehen, die zur Befestigung des Deckels 18 dienen. Diese sind federnd ausge­ bildet und erlauben es, den Deckel 18 durch Einschnappen der Deckel­ haken 16 auf der vom Grundkörper 19 abgewandten Seite zur arretieren. Da die eigentlich dichte Verbindung bereits zwischen der Teflonfolie 17 und dem Grundkörper 19 erfolgt ist, kann diese be­ sonders einfache Verschlußmethode genutzt werden. Alternativ ist es natürlich auch möglich, den Deckel 19 mit anderen Mitteln zu be­ festigen, wie beispielsweise Kleben, Schweißen oder Verschrauben.

Der in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Drucksensor läßt sich besonders einfach fertigen. Der Grundkörper 19 mit den Metalleinlagen 11 läßt sich in bekannter Weise durch Spritzguß fertigen. Durch Verkleben wird dann der Glassockel 3 mit dem Siliziumchip 2 mit dem Grund­ körper 19 verbunden. Da die Oberseite des Siliziumchips 2 noch frei zugänglich ist, kann in diesem Stadium in bekannter Weise mit einem Drahtbonder die Verbindung zwischen dem Siliziumchip 2 und den Metalleinlagen 11 hergestellt werden und eine Passivierung, bei­ spielsweise ein Silikongel, auf dem Siliziumchip 2 aufgebracht werden. Durch Aufbringen einer Klebraupe auf dem Klebrand 22, Auf­ legen der Folie und Aufsetzen des Deckels 18 wird dann das Gehäuse geschlossen. All diese Fertigungsschritte sind bereits bekannt, er­ probt und automatisierbar. Die Herstellung des Drucksensors erfolgt somit besonders einfach. Weiterhin ist der Drucksensor besonders für die Montage auf einer Leiterplatte 13 geeignet. Auf der einen Seite des Gehäuses 1 sind alle Vorrichtungen für den Anschluß an die Leiterplatte 13 vorgesehen, wie Leiterplattenhaken 14, Zentrier­ zapfen 15 und Metalleinlagen 11. Das Handling ist daher für den An­ wender des Drucksensors besonders einfach, da er diesen einfach wie ein normales SMD- oder DIL-Bauteil auf die Leiterplatten aufbringen kann. Weiterhin weist der Anschlußstutzen 10 von der Leiterplatte weg. Dadurch kann der Druck­ sensor unproblematisch verlötet werden, da eine Verschmutzung der Druckzuführung unwahrscheinlich ist. Ermöglicht wird dieser sowohl für den Hersteller wie auch den Anwender vorteilhafte Aufbau des Drucksensors durch die Face Down-Montage des Drucksensorchips 2 relativ zur Leiterplatte, d. h. daß der Chip 2 mit seiner Oberseite, auf der die Auswerteelemente 8 gelegen sind, zur Leiterplatte hin orientiert ist. Dies ermöglicht, alle elektrischen Verbindungsmittel vom Chip aus gesehen in Richtung Leiterplatte anzuordnen, während die Druckzuführung von der anderen Seite her erfolgen kann. Eine direkte Face Down-Montage eines Drucksensorchips 2 auf einem Ge­ häuseboden verbietet sich, da so mechanische Spannungen im Chip er­ zeugt würden, die zu einer Verfälschung des Meßsignals führen. Es ist gerade die Funktion des Glassockels 3, derartige mechanische Verspannungen abzubauen.

In der Fig. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Drucksensors gezeigt. Gleichwirkende Teile sind wieder mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Im Unterschied zum Ausführungs­ beispiel nach den Fig. 1 bis 4 ist hier eine Anordnung des An­ schlußstutzens 10 vorgesehen, die parallel zur Leiterplatte 13 orientiert ist. Durch diese Maßnahme wird die Bauhöhe des Druck­ sensors verringert, so daß er auch bei beengten Platzverhältnissen verwendet werden kann.

Claims (6)

1. Drucksensor mit einem Gehäuse (1) und einem Siliziumchip (2) mit einer Oberseite (7), Unterseite (6) und einer Membran (5), wobei auf der Oberseite (7) des Siliziumchips (2) Auswertemittel (8) für die Verformung der Membran (5) angeordnet sind, wobei der Siliziumchip (2) mit seiner Unterseite (6) auf einem Glassockel (3) mit einer Bohrung (4) derart befestigt ist, dass die Bohrung (4) druckdicht von der Membran (5) verschlossen wird, wobei der Glassockel (3) derart mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, dass eine Druckzuführung (9) des Gehäuses (1) mit der Bohrung (4) fluchtet, wobei das Gehäuse (1) auf einer Seite zur mechanischen Verbindung mit einer Leiterplatte (13) ausgebildet ist, wobei im Gehäuse (1) elektrische Verbindungsmittel (11, 12) zur elektrischen Verbindung der Auswertemittel (8) mit der Leiterplatte (13) vorgesehen sind und wobei die Oberseite (7) des Chips (2) zur Leiterplatte (13) hin und die Unterseite (6) des Chips (2) von der Leiterplatte (13) weg weist, dadurch gekennzeichnet, dass für das Gehäuse Zentrierzapfen (15) vorgesehen sind, durch die eine exakte Ausrichtung des Gehäuses (1) zur Leiterplatte erfolgt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem Grundkörper (19) und einem Deckel (18) aufgebaut ist und dass der Grundkörper (19) und der Deckel (18) einen Hohlraum (21) umschließen, in dem der Chip (2) angeordnet ist.

3. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (19) durch Spritzguss hergestellt ist, dass in die Wand des Grundkörpers (19) Metalleinlagen (11) eingegossen sind, die zusammen mit Bonddrähten (12) die elektrischen Verbindungsmittel bilden.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Grundsockel (19) Passecken (20) vorgesehen sind, durch die eine Ausrichtung der Bohrung (4) zur Durchführung (9) erfolgt.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (21) durch eine Teflonfolie (17) entlüftet wird.

6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberseite (7) des Siliziumchips (2) eine Passivierung, insbesondere aus einem Silikongel, vorgesehen ist.