DE4400439C2 - Halbleiter-Druckmeßfühler - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-
Druckmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug oder einer
Heißwasserentnahme-Einheit oder dergleichen.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Veranschauli
chung eines herkömmlichen Halbleiter-Druckmeßfühlers. In
Fig. 7 sind ein Substrat für eine integrierte Hybridschal
tung 1 (HIC (Hybrid IC) Substrat; im folgenden als Hy
bridschaltungssubstrat bezeichnet) und ein Druckmeßfühler
3 einzeln auf einer gedruckten Schaltungsplatte 4 angeord
net. Das Hybridschaltungssubstrat 1 umfaßt einen
Dickschicht-Widerstand eine integrierte Schaltung (IC),
einen Kondensator, usw. (in der Darstellung weggelassen),
die darauf montiert sind. Das Hybridschaltungssubstrat 1
wird mittels von Anschlußdrähten 2, die als Zuführungs
drahtvorrichtungen zum Herstellen von elektrischen Verbin
dungen mit einer externen Vorrichtung dienen, auf der
gedruckten Schaltungsplatte 4 festgehalten. Das Hybrid
schaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3 sind mitein
ander über Drähte 5 elektrisch verbunden.
Fig. 8 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli
chung eines Druckmeßfühlers 3. In Fig. 8 ist ein
Druckmeßfühler-Baustein 6 zum Umwandeln eines gemessenen
Drucks in eine Spannung auf einen Rahmen, beispielsweise
einen Siliziumrahmen 7, montiert. Der Siliziumrahmen 7 ist
angeordnet, um eine auf den Druckmeßfühler-Baustein 6 von
außerhalb ausgeübten externe Beanspruchung zu verringern
Der Siliziumrahmen 7, auf dem zuvor der Druckmeßfühler-
Baustein 6 befestigt ist, ist auf einem Stopfen bzw. Fuß
bzw. einer Halterung 8 befestigt. Die Halterung 8 besitzt
eine Druckzuführröhre 9 zum Übertragen eines externen
Drucks auf den Druckmeßfühler-Baustein 6. Der
Druckmeßfühler-Baustein 6 ist über die mit dem
Druckmeßfühler-Baustein 6 drahtverbundenen (drahtgebonde
ten) Drähte 11 und durch die Halterung 8 festgehaltenen
Zuführungsdrähte 10 mit einer externen Einrichtung elek
trisch verbunden. Der Druckmeßfühler-Baustein 6, die
Drähte 11, usw. sind mit einer Metallkappe 12 bedeckt, die
eine Luft-Auslaßöffung 12a besitzt.
Da der herkömmliche Halbleiter-Druckmeßfühler wie vorste
hend beschrieben aufgebaut ist, wird der über die Druck
zuführröhre 9 angelegte Druck zum Druckmeßfühler-Baustein
6 übertragen, wo der Druck dann durch den Druckmeßfühler-
Baustein 6 in eine Spannung umgewandelt wird, die über die
Drähte 11 und die Zuführungsdrähte 10 nach außen abgegeben
wird. Die abgegebene Spannung wird dem Hybridschaltungs
substrat 1 über die auf der gedruckten Schaltungsplatte 4
angeordneten Drähte 5 zugeführt. Dann wird dort die Span
nung durch das Hybridschaltungssubstrat 1 auf einen
gewünschten Pegel verstärkt, um vor der Ausgabe leicht
gehandhabt werden zu können.
Da ein Halbleiter-Druckmeßfühler der vorstehenden Art der
art angeordnet wurde, daß das Hybridschaltungssubstrat 1
und der Druckmeßfühler 3 einzeln auf der gedruckten Schal
tungsplatte 4 angeordnet sind, tritt das Problem auf, daß
die Größe des endgültigen Halbleiter-Druckmeßfühlers nicht
verringert werden kann.
Das Hybridschaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3,
die einzeln montiert und angepaßt wurden, um eine vorbes
timmte Charakteristik zu haben, sind paarweise zusammen
gestellt, um nach der Auslieferung miteinander kombiniert
zu werden, und werden dann auf die gedruckte Schaltungs
platte 4 montiert. Jedoch hat die paarweise Zusammenstel
lung des einzeln hergestellten und ausgelieferten
Hybridschaltungssubstrat 1 und des Druckmeßfühlers 3 zum
Zeitpunkt der Montage das Problem der falschen paarweisen
Zusammenstellung-zur Folge, was dazu führt, daß das Hy
bridschaltungssubstrat 1 und der Druckmeßfühler 3
irrtümlich miteinander verbunden werden.
Die Druckschrift DE 33 15 266 A1 zeigt einen Halbleiter-
Druckmeßfühler der eingangs genannten Art. Der Rahmen bzw.
ein Meßrohr, an denen der Druckmeßfühler-Baustein angebracht
ist, sind mittels einer Metallkappe an einer Bodenplatte be
festigt, auf der das Schaltungssubstrat angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung weist allerdings den Nachteil auf, daß
der Druckmeßfühler-Baustein, der Rahmen und das Meßrohr bei
Vibrationseinwirkungen in Schwingung versetzt werden, wogegen
die Bodenplatte am Meßgehäuse fixiert ist. Dies führt zu ei
ner erhöhten mechanischen Beanspruchung der Zuleitungsdrähte
bzw. deren Lötstellen.
Somit ist die Lebensdauer des Druckmeßsensors unter Vibrati
onseinwirkungen stark eingeschränkt.
Auch der in der Druckschrift EP 0 014 452 A2 offenbarte
Druckmeßfühler-Baustein kann aufgrund der Höhe eines Sockels
bei Vibrationseinwirkungen gegenüber dem Keramiksubstrat in
Schwingung versetzt werden.
Ferner ist die in der DE 29 13 772 B2 gezeigte Hülse, in der
eine Rohreinheit mit darauf befindlichem Druckmeßfühler-Bau
stein befestigt ist, lediglich durch Haft- oder Bindekissen
an einem Substrat fixiert. Somit bietet auch diese Ausgestal
tung keinen ausreichenden Schwingungsschutz bei Vibrations
einwirkungen.
In dem Prospekt "Drucksensoren mit piezoresistiver Vollbrücke
auf einer Silizium-Chip-Membrane" der Fa. DELTA Regeltechnik
GmbH vom November 1986 ist ein Halbleiter-Druckmeßfühler mit
einem Gelmaterial als Abdeckung offenbart.
Darüber hinaus zeigt die Druckschrift DE 37 23 561 A1 einen
Druckmeßfühler, bei dem Bandträger als Bonddrähte verwendet
werden.
Schließlich offenbart der Artikel "piezoresistive Pressure
Sensor . . . " von F. Breimesser u. a., Siemens Forsch.- und Ent
wickl.-Ber. Bd. 10 (1981) Nr. 2, S. 72-77 einen Druckmeßfüh
ler mit einem Schutzring, der den Fühler und die Verbindungs
elemente umgibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-
Druckmeßfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1
dahingehend weiterzubilden, daß eine verbesserte Zuverlässig
keit bei Vibrationseinwirkungen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch
1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Einpassung der Halterung in
den Öffnungsteil des Substrats kann die Halterung mit dem
Druckmeßfühler-Baustein ähnlich einem Verschlußstopfen paßge
nau in das Hybridsubstrat gesteckt und angelötet werden. Dies
ermöglicht eine schwingungsarme Befestigung des Druckmeßfüh
ler-Bausteins.
Die stopfenförmige Ausgestaltung der Halterung führt zudem zu
geringeren Abmessungen des Halbleiter-Druckmeßfühlers und er
möglicht eine Zuordnung verschiedener Druckmeßfühler-Bau
steine zu den entsprechenden Schaltungssubstraten durch Ver
änderung des Öffnungsdurchmessers, so daß der Einbau eines
falschen Druckmeßfühler-Bausteins vermeidbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht zur Veranschauli
chung eines Hybridschaltungssubstrats, eines Druckmeß
fühler-Bausteins, usw., zur Verwendung in einem Halb
leiter-Druckmeßfühler gemäß einem ersten Ausführungsbei
spiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung
der Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß dem ersten Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung
eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem zweiten Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung
eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem dritten Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung
eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem vierten Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung
eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem fünften Aus
führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung zur Veranschauli
chung eines herkömmlichen Halbleiter-Druckmeßfühlers; und
Fig. 8 eine seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung
eine Druckmeßfühlers des in Fig. 7 gezeigten Halbleiter-
Druckmeßfühlers.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht zur Veran
schaulichung eines Hybridschaltungssubstrats 13, eines
Druckmeßfühler-Bausteins 6, usw., zur Verwendung in einem
erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckmeßfühler. In Fig. 1
besitzt das Hybridschaltungssubstrat 13 einen Dickschicht
widerstand, eine integrierte Schaltung (IC), einen Konden
sator, usw. (in der Darstellung weggelassen), die darauf
gebildet sind. Desweiteren besitzt das Hybridschaltungs
substrat 13 einen Öffnungsteil 13a mit einem Durchmesser
größer als der äußere Durchmesser des Druckmeßfühler-
Bausteins 6. Ein Rahmen, beispielsweise ein Siliziumrahmen
7, auf dem der Druckmeßfühler-Baustein 6 zuvor befestigt
wurde, ist auf einem Stopfen bzw. einem Fuß bzw. einer
Halterung 8 befestigt. Eine Druckzuführröhre 9 ist mit der
Halterung 8 verbunden. Desweiteren sind Durchgangslöcher
8a und 7a zum Zuführen eines Drucks zur rückwärtigen Seite
einer Membran des Druckmeßfühler-Bausteins 6 in der Hal
terung 8 und im Siliziumrahmen 7 gebildet.
Der wie vorstehend beschrieben aufgebaute Halbleiter-
Druckmeßfühler ist derart angeordnet, daß der Siliziumrah
men 7 mit dem darauf befestigten Druckmeßfühler-Baustein 6
auf einer Seite der Halterung 8 befestigt ist. Zusätzlich
ist die Druckzuführröhre 9 auf der anderen Seite der Hal
terung 8 angeordnet. Dann sind der Druckmeßfühler-Baustein
6 und der Siliziumrahmen 7 in den Öffnungsteil 13a einge
bracht und das Hybridschaltungssubstrat 13 und die Halte
rung 8 sind mittels Löten befestigt. D.h. ein Lot 20 ist
auf einer Oberfläche des Hybridschaltungssubstrats 13 be
nachbart zum Öffnungsteil 13a angeordnet, wobei die
Oberfläche eine Oberfläche ist, an der die Halterung 8 be
festigt wird. Dann wird die Halterung 8 mit dem Lot 20 in
Kontakt gebracht und anschließend wird das Lot 20 zum
Schmelzen erhitzt, so daß das Hybridschaltungssubstrat 13
und die Halterung 8 aufeinander befestigt sind.
Dann werden der Druckmeßfühler-Baustein 6 und das Hybrid
schaltungssubstrat 13 elektrisch miteinander über Drähte
11 verbunden, die elektrische Verbindungsvorrichtungen
sind. Dann ist ein Gelmaterial, beispielweise Silikongel,
mittels Vergießen auf dem im Hybridschaltungssubstrat 13
gebildeten Öffnungsteil 13a aufgebracht, um den
Druckmeßfühler-Baustein 6, die Drähte 11, usw., zu bedecken.
Eine Vielzahl von Zuführungsdrahtvorrichtungen zum
Herstellen einer elektrischen Verbindung mit einer exter
nen Vorrichtung, wie beispielsweise Anschlußdrähte 2,
führen in derselben Richtung heraus wie die Druckzuführ
röhre 9. Auf diese Weise ist ein sogenanntes Dual-In-Line-
Gehäuse (d. h. ein Schaltungsgehäuse mit zwei Reihen von
Anschlußdrähten) Halbleiter-Druckmeßfühler gebildet, der
eine derartige Anordnung besitzt, daß die Anschlußdrähte 2
über die zwei Seiten des Hybridschaltungssubstrats 13 her
ausragen. Die Verwendung der Dual-In-Line-Gehäuse-Struktur
ermöglicht die gemeinsame Montage der Druckzuführröhre 9
und der Anschlußdrähte 2 aus derselben Richtung. Demzu
folge kann der Vorgang vereinfacht werden.
Fig. 3 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli
chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das
Ausführungsbeispiel in Fig. 3 ist dadurch gekennzeichnet,
daß Bandträger 15 für automatisches Kontaktieren (TAB
(tape automatic bonding)-Typ Bandträger) angeordnet sind,
um als elektrische Verbindungsvorrichtung zur Herstellung
der elektrischen Verbindungen zwischen dem Hybridschal
tungssubstrat 13 und Elektroden 6a des Druckmeßfühler-
Bausteins 6 zu dienen. Die Verwendung der Bandträger 15
ermöglicht, daß der Halbleiter-Druckmeßfühler verbesserte
Stabilität gegenüber Schwingungen besitzt.
Fig. 4 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli
chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das
Ausführungsbeispiel in Fig. 4 ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußdrähte 2 zur Herstellung der elektrischen
Verbindung zwischen dem Halbleiter-Druckmeßfühler und ei
ner externen Vorrichtung in einer Richtung verschieden von
der Richtung der Druckzuführröhre 9 beispielsweise, auf
einer von beiden Seiten angeordnet sind. Demzufolge ist
ein Single-In-Line-Gehäuse (Gehäuse mit Anschlüssen nur an
einer Seite) Halbleiter-Druckmeßfühler gebildet, der eine
Anordnung besitzt, in der die Zuführungsdrähte in einer
Richtung herausführen. Aus diesem Grund kann der
Halbleiter-Druckmeßfühler leicht in einem Fahrzeug oder
dergleichen montiert werden, auch wenn die Druck
zuführröhre 9 und die Anschlußdrähte 2 vertikal befestigt
werden müssen.
Fig. 5 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli
chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das
Ausführungsbeispiel in Fig. 5 ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußdrähte 2 zur Herstellung der elektrischen
Verbindung zwischen dem Halbleiter-Druckmeßfühler und ein
er externen Vorrichtung in einer Richtung entgegengesetzt
zur Richtung der Druckzuführröhre 9 herausgeführt sind. Demzu
folge ist ein Dual-In-Line-Gehäuse (d. h. ein Schaltungs
gehäuse mit zwei Reihen von Anschlußdrähten)-Typ
Halbleiter-Druckmeßfühler aufgebaut. In diesem Fall kann
die Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einem
Fall verwendet werden, in dem die Richtung der An
schlußdrähte 2 und eine Röhre zum Verbinden der Druck
zuführröhre 9 in entgegengesetzten Richtungen angeordnet
sind.
Fig. 6 ist eine seitliche Schnittansicht zur Veranschauli
chung eines Halbleiter-Druckmeßfühlers gemäß einem vierten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6
können der Druckmeßfühler-Baustein 6 und die Drähte 11
weiterhin zufriedenstellend durch eine Schutzring 16
geschützt werden, der so angeordnet ist, daß er den
Druckmeßfühler-Baustein 6 und die Drähte 11 umgibt. Der
Schutzring 16 besteht, beispielsweise, aus Kunststoff und
kann mit einem Klebstoff benachbart zum im Hybridschal
tungssubstrat 13 gebildeten Öffnungsteil 13a angeordnet
sein. Der Schutzring 16 kann, verglichen mit einer Metall
kappe, leicht angeordnet werden und ermöglicht einen wir
kungsvolleren Schutz des Druckmeßfühler-Bausteins 6, usw.
Daher kann die Stabilität des Halbleiter-Druckmeßfühlers
gegenüber Schwingungen weiter verbessert werden.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Integration des
Hybridschaltungssubstrats und der Druckmeßfühlers, die
Größe des Halbleiter-Druckmeßfühlers zu verringern, so daß
falsches paarweises Zusammenstellen des Hybridschaltungs
substrats und der Druckmeßfühlers verhindert und die Zu
verlässigkeit gegen Schwingungen verbessert werden kann.
Desweiteren kann die Zuverlässigkeit des Halbleiter-
Druckmeßfühlers gegen Schwingungen verbessert werden.
Zusätzlich kann der Schutzring, verglichen mit der Metall
kappe, leicht angeordnet werden. Demzufolge ist die Zu
verlässigkeit des Halbleiter-Druckmeßfühlers gegen Schwin
gungen verbessert.
Claims (6)
1. Halbleiter-Druckmeßfühler, mit:
- a) einem Hybridschaltungssubstrat (13) mit einem darin gebil deten Öffnungsteil (13a);
- b) einer Halterung (8), die am Hybridschaltungssubstrat (13) befestigt ist und
- c) einen Rahmen (7) mit darauf montiertem Druckmeßfühler-Bau stein (6) trägt, so daß der Rahmen (7) im Öffnungsteil (13a) angeordnet ist;
- d) elektrischen Verbindungseinrichtungen (11) zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Druckmeßfühler-Bau stein (6) und dem Hybridschaltungssubstrat (13); und
- e) Zuführungsdrahtvorrichtungen (2) zum Herstellen der elek trischen Verbindung zwischen dem Hybridschaltungssubstrat (13) und einer externen Vorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß
- e) die Halterung (8) in den Öffnungsteil (13a) des Hybridschaltungssubstrats (13) stopfenförmig eingepaßt und am Hybridschaltungssubstrat (13) angelötet ist, und daß
- f) ein Gelmaterial (14) derart angeordnet ist, daß der im Hybridschaltungssubstrat (13) gebildete Öffnungsteil (13a), der Rahmen (7), der Druckmeßfühler-Baustein (6) und die elek trischen Verbindungsvorrichtungen (11) davon bedeckt sind.
2. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Verbindungsvorrichtungen (11) ein Bandträger
für automatisches Kontaktieren sind.
3. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Schutzring (16) benachbart zu dem im Hybridschaltungs
substrat (13) gebildeten Öffnungsteil (13a) angeordnet ist, um
den Druckmeßfühler-Baustein (6) und die elektrischen Verbin
dungsvorrichtungen (11) zu umgeben.
4. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Halbleiter-Druckmeßfühler in einer Struktur eines Gehäuses
mit zwei Reihen von Zuführungsdrahtvorrichtungen gebildet ist.
5. Halbleiter-Druckmeßfühler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Halbleiter-Druckmeßfühler in einer Struktur eines Gehäuses
mit Zuführungsdrahtanschlüssen auf nur einer Seite gebildet
ist.
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