DE69509773T2

DE69509773T2 - Verfahren zum einbau eines absolutdrucksensors

Info

Publication number: DE69509773T2
Application number: DE69509773T
Authority: DE
Inventors: Terrence Bender
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: DE69509773D1; EP0767899B1; EP0767899A1; US5459351A; JPH10502449A; WO1996000888A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft die Lösung des Beanspruchungsproblems in bezug auf die Montagekonfiguration eines Absolutdruck-Sensors vom Membrantyp, der ein Vakuum als Referenz einschließt.
Ein Halbleiter-Drucksensor ist in dem Dokument DE 41 41 509 A1 offenbart, wobei ein Halbleiter-Drucksensor einen Halbleiter-Druck-Erfassungschip aufweist, der einen Halbleiterkörper umfaßt, mit einer Membran, die sich in Antwort auf den anliegenden Druck biegt, wobei ein Dehnungsmesser in der Membran zur Beeinflussung eines elektrischen Signals in Antwort auf die Durchbiegung der Membran angeordnet ist, und wobei ein Verstärkerschaltkreis im Halbleiterkörper außerhalb der Membran angeordnet ist und mit dem Dehnungsmesser verbunden ist, um das elektrische Signal zu verstärken; mit einer Basis zur Unterstützung des Halbleiter-Druck-Erfassungschips, der auf der Basis befestigt ist und eine Vakuumreferenz umfaßt; mit einer Anordnung, die den Halbleiter- Druck-Erfassungschip und die Basis umfaßt und die eine Öffnung aufweist, welche einen Zugriff auf den Druck-Erfassungschip gewährleistet; mit einer Vielzahl von in die Anordnung eindringenden Leitungen, die mit dem Verstärkerschaltkreis verbunden sind; mit einem Substrat, auf welchem die Anordnung befestigt ist; und mit einem Verstärkungs- Einstellwiderstand, der auf dem Substrat gegenüberliegend der Anordnung positioniert ist und der elektrisch mit dem Verstärker-Schaltkreis verbunden ist, um die Verstärkung des Verstärker-Schaltkreises einzustellen.
Der Stand der Technik beschreibt eine Struktur eines Absolutsensors auf Siliziumbasis, die implantierbare spannungssensitive Halbleiter-Widerstände verwendet (die den gewöhnlicherweise als piezoresistiv bezeichneten Effekt verwenden), eine beanspruchungsabschirmende Struktur, z. B. eine Pyrex-Röhre, mit welcher die Silizium- Druck-Matrix anodisch verbunden ist, und eine Vakuumreferenz, die während des Einschließens des Sensors innerhalb der Sensor-Anordnung hergestellt wird. Die Vakuumreferenz wird über die Zeit durch die Verwendung eines diskreten Getters aufrechterhalten, welches auf die Umhüllung der Sensoranordnung aufgebracht ist und während des Einschließ-Prozesses "aktiviert" wird. Die Anordnung stellt einen mechanischen Druck-Anschluß bereit, der zwischen den Dehnungssensor und die Umgebung zwischengeschaltet ist und der elektrisch zwischen den Silizium- Piezowiderständen (Durchbiegungswiderstände) auf der Siliziumform und der Umgebung zwischengeschaltet ist.
Die durchbiegungssensitiven Piezowiderstände sind auf der Siliziumform angeordnet und typischerweise so miteinander verschaltet, daß sie eine volle Wheatstone'sche Brücke auf einer Oberfläche bilden. Die Unterseite der Siliziumform ist typischerweise zur Bildung einer dünnen Membran geätzt, in diesem Fall kreisförmig. Die Ecken der Membran entsprechen dem Ort der Piezowiderstände, an denen die Durchbiegung am größten ist, wenn die Membran sich als Ergebnis einer Druckbelastung auf einer Seite durchbiegt. Die erwünschte sensitive Achse verläuft senkrecht zur Membran.
Da der Sensor auch auf Durchbiegungseffekte sensitiv ist, die der Anordnung innewohnen, muß ein mechanischer Durchbiegungsabschirmer eingesetzt werden, um die selektive Druckempfindlichkeit aufrechtzuerhalten. Eine Pyrex-Röhre oder eine Abdeckscheibe oder ein sekundärer und/oder ein tertiärer Silizium-Spannungsabschirm-Chip wird häufig zwischen dem Sensor und der Anordnung verwendet.
Die Genauigkeit des Absolutdruck-Sensors über der Zeit und Temperatur ist eine Funktion der Vakuumqualität. Je tiefer und stabiler das Vakuum ist, desto besser ist die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit des Meßwertwandlers über der Zeit. Das Vakuum wird während der Herstell-Umhüllungsversiegelung zu der Zeit bereitgestellt, zu der ein Getter installiert und aktiviert wird. Die Umhüllung wird gewöhnlicherweise durch Laserschweißen in einem Vakuum verschweißt.
Die Befestigung der Sensormatrix (Chip) mit der Pyrex-Röhre, das Einfügen der Chip/Röhre in die Anordnung und die Vakuumbearbeitung der Anordnung wird in diskreten Schritten vorgenommen, die arbeitsintensiv und daher kostspielig sind.
Es besteht daher die Notwendigkeit für eine kostenreduzierte Vorrichtung zur Abschirmung eines Membrantyp-Absolutdrucksensors gegenüber Beanspruchung, die durch die Sensoranordnung eingeführt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung löst diese und andere Anforderungen durch Bereitstellung eines Verfahrens, wie es im nachfolgenden Anspruch 1 wiedergegeben ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine teilweise Darstellung einer Absolutdruck-Sensor- Unteranordnung.
Fig. 2 bis 6 sind teilweise Darstellungen, die eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellen, nämlich zur Befestigung des Absolutdruck-Sensors der Fig. 1.
Fig. 7 ist ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine Vorrichtung zum Einbau eines Absolutdruck-Sensors mit einem eigenen Referenzvakuum innerhalb eines Gehäuses ist in den Figuren gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet. Eine allgemeine Beschreibung des Platten-Schichten-Verfahrens zur Bereitstellung einer Drucksensor-Form 20 wird nun gegeben.
Um mit dem zuvor erwähnten Vakuumprozeß, der zuvor während der Zusammenbau-Stufe durchgeführt wurde, zu beginnen, wird dieser nun während der Platten-Stufe durchgeführt, vor der Platten-Zersägung, wobei nun angenommen wird, daß das Referenzvakuum Teil der Sensorform-Struktur ist. Das Vakuum wird dadurch eingeschlossen, daß innerhalb eines Vakuums eine zweite Platte aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material auf die Oberfläche der Sensor-Platte aufgebracht wird. Fig. 1 zeigt die sich ergebende Sensor-Unteranordnung oder Sensorform 20, welche einen unteren Abschnitt oder eine Basis 22 aufweist, welche eine dünne zentrale Membran 24 oder eine Vakuumumhüllung oder obere Abdeckung 30 aufweist, die mit der Basis 20 verbunden ist. Die Basis 20 verfügt über eine obere Oberfläche 26 und eine untere Oberfläche 28 und eine obere Abdeckung 30, die auf der oberen Oberfläche 26 befestigt ist. Die obere Oberfläche 26 umfaßt des weiteren Befestigungs-Anschlüsse 32. Vakuum-Hohlräume 24 werden in die obere Abdeck-Platte eingeformt, entsprechend der Position der Membran 24 in der Sensorplatte. Die obere Abdeckung 30 verfügt über eine obere Oberfläche 36. Das zuvor erwähnte Getter, das in der Vergangenheit verwendet wurde, wird durch ein geeignetes Getter-Material 38 ersetzt, das auf der Innenseite der Vakuum-Hohlraum-Platte aufgetragen wird, bevor diese auf der Sensorplatte angebracht wird. Das Befestigen der zwei Platten im Vakuum wird durch Verwendung von Standard-Anoden-Techniken oder Glas-Rückflußtechniken durchgeführt, die gegenwärtig Verwendung finden. Diese erfordern zuerst das Zerstäuben eines Dünnfilm-Weichglases oder von anodisch befestigtem Dickfilm-Glas auf der Vakuum-Hohlraumplatte, die als adhäsive Schicht arbeitet, und die zwei Platten aneinander bindet. Das Verbinden an sich erfordert Hitze, die zur Aktivierung des Getters dient, nämlich durch Austreiben von absorbierten Gasen. Die "saubere" Getter-Oberfläche ist nun zum Absorbieren von Gasen vorbereitet, die über der Zeit durch das Sensormaterial in den eingeschlossenen Vakuum-Hohlraum 34 abgegeben wurden. Obwohl der Vakuum-Einschließprozeß in bezug auf die Befestigung einer zweiten Siliziumschicht beschrieben wurde, ist er nicht hierauf beschränkt. Z. B. können Pyrex oder Glas oder andere Materialien, mit thermischen Expansionseigenschaften, die mit Silizium vergleichbar sind, verwendet werden. Z. B. können Materialien wie Saphir oder Rubine verwendet werden. Die verwendeten Materialien müssen ätzfähig sein. Ein Material mit geeigneten Eigenschaften ist ein als HOYA SD-2 bezeichnetes Glas.
Das Gehäuse 40 umfaßt einen Körper 42 und eine Abdeckung 44. Der Körper 42 hat, wie Fig. 2 zeigt, eine Druck-Verbindung 46, einen Durchlaß 48, in welchem der zu messende Druck anliegt, und eine Kammer 50. Der Druckanschluß 52 macht den zu messenden Druck innerhalb des Hohlraums oder der Kammer 50 verfügbar. Leitungen 56 erstrecken sich durch den Körper 42 und verfügen über externe Endbereiche 58 und interne Endbereiche 60. Der Körper 42 verfügt über eine periphäre Oberfläche 62. Die Abdeckung 44, wie in Fig. 4 gezeigt, verfügt über einen zentralen Bereich 65, der eine zentrale Oberfläche 46 aufweist, und über einen die Oberfläche 70 aufweisenden peripheren Bereich 68. Die Oberfläche 62 des Körpers 42 ist zum komplementären Empfangen der Oberfläche 70 der Abdeckung 44 konfiguriert. Z. B. durch Bereitstellen des Absatzes 72 in der Oberfläche 62 und des Vorsprungs 64 in der Oberfläche 70.
Nachdem die schubweise Herstellung des Siliziumsensors und des Vakuumeinschlusses vollendet wurde und nachdem das Platten-Sandwich in diskrete Sensor-Untereinheiten zersägt wurde, sind sie nun für den nächsten Schritt vorbereitet, nämlich die Drahtverbindung. Die Sensor-Untereinheit 20 ist auf dem Körper 42 positioniert, wobei die Membran 42 direkt oberhalb des Druckanschlusses 52 angeordnet ist und in dieser Stellung durch Anlegen eines Vakuums an der Druckverbindung 46 fest angedrückt ist. Das in der gewöhnlich bekannten Art und Weise durchgeführte Drahtverbinden resultiert in Drahtverbindungen 76, wie in Fig. 3 gezeigt, die die Verbindungsanschlüsse 32 und internen Leitungen 60 miteinander verknüpfen. Nach Vollendung der Drahtverknüpfung 76, fällt das Vakuum ab, wodurch es der Sensor-Untereinheit 20 möglich ist zu "schweben" und nur durch die Drahtverbindungen 76 am Platz gehalten zu werden. Alternativ könnte die Sensor-Untereinheit 20 während der Drahtverbindung durch Verwendung eines sublimierbaren Klebstoffs gehalten werden.
Als nächstes wird die Abdeckung 44 mit einem Tropfen von Klebstoff 80 auf seiner zentralen Oberfläche 66 präpariert, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der Klebstofftropfen 80 sollte relativ reibungsfest, insbesondere elastomer sein und des weiteren über gute Benetzungseigenschaften und über eine hohe Oberflächenspannung verfügen. Während des Aushärtens sollte er sich zusammenziehen. Als Beispiel eines geeigneten adhäsiven Materials ist Ablestik Laboratories, Rely-Imide 722254 zu nennen. Der Klebstoff kann mit keramischem Pulver beladen werden, um den Grad des Zusammenziehens während des Aushärtens zu vergrößern. Die Form des adhäsiven Tropfens 80 ist veränderbar, ebenso wie das Volumen, um den Grad des Abhebens einzustellen. Wenn die Abdeckung 44 auf den Körper 42 abgesetzt ist, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, berührt der adhäsive Tropfen 80 die Sensor-Untereinheit 20 an der oberen Oberfläche 36. Während des Aushärtens zieht sich der adhäsive Tropfen zusammen und zieht hierdurch die Sensor- Anordnung 20 auf die Abdeckung 44 und von der Oberfläche 54 weg, wo er angeordnet war, wodurch der Druckanschluß 52 zu der Kammer 50 zugänglich wird. Der adhäsive Tropfen 80 ist zwischen der festen Oberfläche 66 und der oberen Oberfläche 36 angeordnet. Während sich das Härten ereignet, bewegt das Zusammenziehen des adhäsiven Tropfens 80 die Sensor-Unteranordnung 20 in Richtung auf die Oberfläche 66. Wenn der Aushärt-Prozeß vollendet ist, wird sich die untere Oberfläche 28 in einer Position befinden, beabstandet vom Druckanschluß 52, und der zu messende Druck wird innerhalb der Kammer 50 anliegen. Die Sensor-Untereinheit 20 wird dann durch Drahtverbindungen 76 und den adhäsiven Tropfen 80 getragen, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, und wird abgeschirmt vom Gehäuse 40 beansprucht werden.
Fig. 7 ist ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10, wobei Plastik als Packmaterial verwendet wird. Fig. 7 zeigt das Kopfstück oder den Körper 42a mit Leitungen 56a, die sich durch das Kopfstück 42a erstrecken, mit internen Endabschnitten 60a und externen Leitungsabschnitten 58a. Die Drucksensor-Untereinheit oder Form 22a umfaßt einen Referenzvakuum-Hohlraum 34a. Das Kopfstück 42a umfaßt eine Oberfläche 54a, die den Druckanschluß 52a umgibt. Die Abdeckung 44a umfaßt eine zentrale Oberfläche 66a, auf der der adhäsive Tropfen 80a angeordnet ist, und die Abdeckung 44a wird auf dem Kopfstück 42a komplementär aufgenommen. Die Abdeckung 44a kann auf dem Kopfstück 42a mit Ultraschall oder chemisch verbunden werden.
Fig. 8 ist ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel, welches ein allgemein verfügbares TO-Typ-Gehäuse oder eine Metallanordnung 40b mit elektrischen Glas- Metalldurchführungen 84 zeigt. Hierbei kann die Verbindungsmethode der Abdeckung 44b an den Körper 42b bei 86 entweder eine Metall-Metall-Verbindung oder eine Verbindung von Epoxyd-Klebstoff sein. Fig. 8 zeigt die Sensor-Unteranordnung 20b mit einem Vakuum-Hohlraum 34b und einer oberen Oberfläche 36b der oberen Abdeckung. Der adhäsive Tropfen 8% ist zwischen der zentralen Oberfläche 66b der Abdeckung und der oberen Oberfläche 36b angeordnet.
Fig. 9 ist ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10. Die Sensor- Untereinheit 20 verfügt über dieselbe Konstruktion wie die anderen Ausführungsbeispiele. Das Gehäuse 40c umfaßt einen Körper 42c und eine Abdeckung 44c. Die Druckverbindung 46c an den Durchlaß 48c erstreckt sich durch die Abdeckung 44c in die Kammer 50c am Druckanschluß 52c. Leitungen 56c verfügen über interne Leitungsbereiche 60c. Der Körper 42c umfaßt eine periphere Oberfläche 62c und eine zentrale Oberfläche 36c. Die Abdeckung 64c umfaßt eine periphere Oberfläche 68c und eine zentrale Oberfläche 66c. Fig. 9 zeigt, daß der Druckanschluß sowohl in der Abdeckung als auch in der Basis angeordnet sein kann. Demgemäß können auch das erste und zweite alternative Ausführungsbeispiel den Druckanschluß in der Abdeckung aufweisen. Es ist lediglich notwendig, daß der Durchlaß für den externen Druck sich in den Hohlraum erstreckt.
Wo nun die Konstruktion und die Arbeitsweise der Vorrichtung 10 dargestellt wurden, können einige Vorteile erklärt und verstanden werden. Die kostspielige Vakuumbehandlung, die in der Vergangenheit zu der Zeit durchgeführt wurde, zu der die Sensorform im Gehäuse angeordnet wurde, ist nicht weiter notwendig, weil die Vakuumreferenz sich auf dem Chip befindet. Die vorliegende Erfindung vereinfacht das Design durch Kombinieren der Vakuumeinschluß-Chipfunktion und der Abschirmfunktion in einer Sensor-Untereinheit 20, und der Zusammenbau in einigen wenigen Schritten ermöglicht eine Automatisierung in einem kostengünstigen, nicht-hermetischen Aufbau.
Die Vorrichtung 10 ermöglicht die Befestigung der Sensor-Unteranordnung 20 mit geringer, durch die Anordnung induzierter Beanspruchung infolge des kleinen Verbindungsbereichs zwischen der oberen Abdeckung 30 und der Basis 22 der Unteranordnung 20 und des kleinen Verbindungsgebiets zwischen dem adhäsiven Tropfen 80 und der oberen Abdeckung 30.
Auch wurde die Notwendigkeit einer hermetischen Anordnung vermieden, da die Sensor- Unteranordnung das hermetische Element ist. Daher können billigere Plastikanordnungen und Aufbauepoxyde verwendet werden, die in der Vergangenheit wegen hoher Ausgasungs-Pegel für ungeeignet gehalten wurden.
Zusätzlich erfordert die Herstellvorrichtung 10 nur geringe Kosten, geringe Präzision und diskrete Zusammenbau-Schritte, die in einer automatisierten Vorrichtung durchgeführt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Einbau einer Absolutdrucksensor-Untereinheit (20) mit einer eigenen Vakuum-Referenz in ein Gehäuse (40), wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Bereitstellen eines Gehäuses (40) mit einem Körper (42), der einen Durchlaß (48) zur Verbindung an einen externen Druck sowie Leitungen (56) mit internen End- Bereichen (60) aufweist, wobei das Gehäuse weiterhin eine Abdeckung (44) zur komplementären Anbringung auf dem Körper aufweist;

Anordnen der Untereinheit (20) auf dem Körper;

Verbinden dünner Leiter (76) zwischen der Untereinheit und den internen End- Bereichen; und

Anordnen der Abdeckung (44) auf dem Körper (42) mit einem Tropfen von Klebemittel (80), welches zwischen einem Bereich der Abdeckung (44) und der Untereinheit (20) angeordnet ist, wobei das Klebemittel (80) die Untereinheit (20) vom Körper (42) abhebt, wenn das Klebemittel (80) aushärtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden der dünnen Leiter (76) den Schritt umfaßt, daß ein Vakuum an den Durchlaß (48) angelegt wird, um die Untereinheit (20) am Körper (42) zu halten, während die dünnen Leiter (76) verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anordnens der Abdeckung (44) auf dem Körper (42) den Schritt der Erzeugung eines Tropfens (80) des Klebemittels auf der Abdeckung (44) umfaßt, wobei der Tropfen (80) des Klebemittels die Untereinheit (20) kontaktiert, wenn die Abdeckung (44) auf dem Körper (42) positioniert wird.

4. Verfahren nach jedem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

Verbinden dünner Drähte (76) zwischen der Untereinheit (20) und den internen End-Bereichen (60);

Formen eines Tropfens des Klebemittels (80) auf einem Bereich (64) der Abdeckung (44), wobei das Klebemittel (80) ein erstes Volumen in einem ungehärteten Zustand und ein zweites, kleineres Volumen in einem gehärteten Zustand aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verbindung der dünnen Drähte (76) den Schritt umfaßt, daß ein Vakuum an den Durchlaß (48) angelegt wird, um die Untereinheit (20) am Körper (42) zu halten.