WO2010049211A1 - Sensoranordnung zur differenzdruckmessung - Google Patents

Sensoranordnung zur differenzdruckmessung Download PDF

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WO2010049211A1 PCT/EP2009/062005 EP2009062005W WO2010049211A1 WO 2010049211 A1 WO2010049211 A1 WO 2010049211A1 EP 2009062005 W EP2009062005 W EP 2009062005W WO 2010049211 A1 WO2010049211 A1 WO 2010049211A1
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Eric Ochs
Sascha Goetzl
Frieder Haag
Eckart Schellkes
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73265—Layer and wire connectors

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement for measuring differential pressure with at least one first micromechanical sensor element, in whose front side a first pressure-sensitive membrane is formed, and with a mold housing for the sensor element, wherein in the mold housing at least one opening for pressurization is formed.
  • German Laid-Open Specification DE 10 2005 038 443 A1 describes such a sensor arrangement.
  • the micromechanical sensor element is here mounted on a carrier and embedded together with the carrier in a mold housing.
  • the sensor element is mounted on the support so that the active region of the sensor element, i. the region in which the pressure-sensitive membrane is formed protrudes laterally beyond the carrier.
  • an opening is formed in the mold housing, into which projects the active region of the sensor element and also takes place via the pressurization of the membrane.
  • the known sensor arrangement has proven itself in practice, in particular for absolute pressure measurements with sensor elements, whose
  • Membrane is formed in the front of the sensor element over a closed back cavern.
  • differential pressure sensing sensor elements with a pressure-sensitive membrane, which can be pressurized on both sides with pressure.
  • the membrane is usually in formed the front.
  • the back pressure is usually via a narrow channel, which has been generated by known methods, such as by KOH etching or Trenchen, in the back of the sensor element.
  • KOH etching or Trenchen a narrow channel
  • particles can settle in this narrow channel or it can lead to icing of the channel, which can ultimately lead to breakage of the membrane.
  • such sensor elements are provided in practice with a complicated scrubnetung.
  • Absolute pressure sensors to detect the differential pressure then determined by appropriate interconnection of the measurement signals electrically.
  • the measurement accuracy of these two-chip differential pressure sensors depends essentially on the thermal coupling of the two sensor elements, since the measurement signals of the individual absolute pressure sensors are highly temperature-dependent.
  • a sensor arrangement for differential pressure measurement is proposed, which is simple in construction, robust in the application and reliable in the measured value acquisition.
  • the sensor arrangement according to the invention for differential pressure measurement comprises a first and a second micromechanical sensor element in whose
  • Front is formed in each case a pressure-sensitive membrane.
  • the two sensor elements are connected to each other via their backs.
  • This composite is embedded in a mold housing such that the membrane of the first sensor element can be acted upon by a first measuring pressure and the membrane of the second sensor element can be acted upon by a second measuring pressure.
  • circuit-technical means for determining the difference between the first and second measuring pressures are provided.
  • the composite of the two sensor elements can be embedded very well in a mold housing with pressure connections. Since mold housings with a wide variety of geometries can be produced in a simple manner and also offer good protection against mechanical influences and a chemically aggressive measuring environment, the inventive sensor arrangement can be configured very well for use in special applications by appropriate design of the mold housing.
  • the sensor arrangement according to the invention can be realized with different sensor elements, as long as a back-side bond can be established between the two sensor elements and an independent measuring pressure detection is ensured.
  • a combination of two absolute-pressure sensor elements fabricated in surface micromechanics (OMM) proves to be advantageous with regard to reliable measuring pressure detection, in which the membrane in each case spans a closed cavity in the layer structure of the sensor element.
  • OMM surface micromechanics
  • the bond between the two sensor elements can be realized simply by adhesive bonding.
  • a thermally good conductive adhesive should be used to achieve the best possible thermal coupling between the two sensor elements.
  • first and the second sensor element also have a substantially identical dimensioning and sensor structure and are constructed from the same semiconductor materials. As a result, it can be ensured that thermal influences on the sensor arrangement also have the same effect on the two sensor elements.
  • the sensor arrangement according to the invention also includes other combinations of sensor elements. may include. It would also be possible, for example, to combine a first sensor element implemented in OMM, the membrane of which spans a closed cavity in the layer structure, with a second sensor element realized in microelectromechanical technology, the membrane of which spans a cage in the rear side. In this case, however, the bond between the two sensor elements must be produced by bonding in order to seal off the cavern of the second sensor element in a pressure-tight manner and thus to ensure independent measurement pressure detection.
  • the composite of the first and second sensor element is mounted on a support via a pressure connection opening in this carrier.
  • the known from semiconductor flip-chip mounting technology can be used.
  • at least a portion of the carrier is integrated into the mold housing.
  • a complete sensor module for determining the differential pressure can be created simply by arranging not only the composite of the sensor elements but also the circuit-technical means for determining the difference between the first and second measuring pressures on the carrier and integrating them with the corresponding carrier section into the mold housing.
  • FIGURE shows a schematic sectional view through a sensor arrangement 10 according to the invention.
  • the sensor assembly 10 shown in the single figure is used for differential pressure measurement.
  • the sensor arrangement 10 comprises two micromechanical sensor elements 1 and 2 for absolute pressure measurement and circuit technology
  • the sensor elements 1 and 2 are arranged together with the circuitry means 3 in a mold housing 4 with two independent pressure port openings 5 and 6.
  • the sensor structure of both sensor elements 1 and 2 comprises a pressure-sensitive membrane 1 1 or 12 which spans a closed cavity 13 or 14 in the layer structure of the sensor element 1 or 2.
  • these sensor structures were generated in OMM. Accordingly, the two membranes 1 1 and 12 respectively in the front of the sensor element 1 and 2 are formed.
  • the two sensor elements 1 and 2 are interconnected via their rear sides, so that the two membranes 11 and 12 are arranged opposite each other. Since the geometry and dimensioning as well as the layer structure of the two sensor structures are essentially identical, the combination of the two sensor elements 1 and 2 is mirror-symmetrical here. In addition, thermal influences thereby affect in the same way on the sensor structures and thus the measurement signals of the two sensor elements 1 and 2. In order to achieve the best possible thermal coupling between the two sensor structures, a thermally well conductive adhesive 15 was used to produce the composite.
  • the composite of the two sensor elements 1 and 2 is mounted in flip-chip technology on a support 16 which has a pressure connection opening 17.
  • the membrane 1 1 of the carrier 16 facing sensor element 1 is positioned above this pressure port opening 17 in the carrier 16.
  • the circuit-technical means for determining a differential pressure are here realized in the form of an ASIC 3, which is likewise arranged on the carrier 16 and is connected via wire bonds 18 to the sensor elements 1 and 2.
  • the combination of the two sensor Elements 1 and 2 were embedded together with the ASIC 3 and the wire bonds 18 in the molding compound 19 of the housing 4.
  • the pressure port openings 5 and 6 were formed for the membranes 1 1 and 12 by using the film-molding technique.

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung vorgeschlagen, die einfach im Aufbau, robust in der Applikation und zuverlässig in der Messwerterfassung ist. Dazu umfasst die erfindungsgemäße Sensoranordnung (10) ein erstes und ein zweites mikromechanisches Sensorelement (1, 2), in deren Vorderseite jeweils eine druckempfindliche Membran (11, 12) ausgebildet ist. Die beiden Sensorelemente (1, 2) sind über ihre Rückseiten miteinander verbunden. Dieser Verbund ist so in ein Moldgehäuse (4) eingebettet, dass die Membran (11) des ersten Sensorelements (1) mit einem ersten Messdruck und die Membran (12) des zweiten Sensorelements (2) mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist. Außerdem sind schaltungstechnische Mittel (3) zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck vorgesehen.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung mit mindestens einem ersten mikromechanischen Sensorelement, in dessen Vorderseite eine erste druckempfindliche Membran ausgebildet ist, und mit einem Moldge- häuse für das Sensorelement, wobei in dem Moldgehäuse mindestens eine Öffnung zur Druckbeaufschlagung ausgebildet ist.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 038 443 A1 wird eine derartige Sensoranordnung beschrieben. Das mikromechanische Sensorelement ist hier auf einem Träger montiert und zusammen mit dem Träger in ein Moldgehäuse eingebettet. Um den Einfluss von montage- und gehäusebedingten mechanischen Spannungen auf die druckempfindliche Membran des Sensorelements möglichst gering zu halten, ist das Sensorelement so auf dem Träger montiert, dass der aktive Bereich des Sensorelements, d.h. der Bereich, in dem die druckempfindliche Membran ausgebildet ist, seitlich über den Träger hinausragt. Zudem ist im Moldgehäuse eine Öffnung ausgebildet, in die der aktive Bereich des Sensorelements hineinragt und über die auch die Druckbeaufschlagung der Membran erfolgt. Die bekannte Sensoranordnung hat sich in der Praxis insbe- sondere für Absolutdruckmessungen mit Sensorelementen bewährt, deren
Membran in der Vorderseite des Sensorelements über einer rückseitig geschlossenen Kaverne ausgebildet ist.
Zudem ist es bekannt, zur Differenzdruckerfassung Sensorelemente mit einer druckempfindlichen Membran einzusetzen, die beidseitig mit Druck beaufschlagt werden kann. Auch bei diesen Sensorelementen ist die Membran in der Regel in der Vorderseite ausgebildet. Die rückseitige Druckbeaufschlagung erfolgt meist über einen engen Kanal, der mit bekannten Verfahren, wie z.B. durch KOH-Ätzen oder Trenchen, in der Rückseite des Sensorelements erzeugt worden ist. Je nach den Umgebungsbedingungen, denen das Sensorelement in der Applikation ausgesetzt ist, können sich Partikel in diesem engen Kanal absetzen oder es kann eine Vereisung des Kanals auftreten, was letztlich zu einem Bruch der Membran führen kann. Um dies zu verhindern, werden derartige Sensorelemente in der Praxis mit einer aufwendigen Rückseitenvergelung versehen.
Es ist ferner bekannt, zwei Messdrücke unabhängig voneinander mit Hilfe zweier
Absolutdrucksensoren zu erfassen, um den Differenzdruck anschließend durch entsprechende Verschaltung der Messsignale elektrisch zu ermitteln. Die Messgenauigkeit dieser Zweichip-Differenzdrucksensoren hängt wesentlich von der thermischen Kopplung der beiden Sensorelemente ab, da die Messsignale der einzelnen Absolutdrucksensoren stark temperaturabhängig sind.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung vorgeschlagen, die einfach im Aufbau, robust in der Applikation und zuverlässig in der Messwerterfassung ist.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung umfasst dazu ein erstes und ein zweites mikromechanisches Sensorelement, in deren
Vorderseite jeweils eine druckempfindliche Membran ausgebildet ist. Die beiden Sensorelemente sind über ihre Rückseiten miteinander verbunden. Dieser Verbund ist so in ein Moldgehäuse eingebettet, dass die Membran des ersten Sensorelements mit einem ersten Messdruck und die Membran des zweiten Sensor- elements mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist. Außerdem sind schaltungstechnische Mittel zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird durch den rückseitigen Verbund eine sehr gute thermi- sehe Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen hergestellt. Dadurch werden thermisch bedingte Hystereseeffekte bei der Messwerterfassung mit den beiden Sensorelementen minimiert, was wesentlich zur Zuverlässigkeit der Messergebnisse beiträgt. Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung treten jeweils nur die Vorderseiten der Sensorelemente mit den Messmedien in Kontakt. Diese Oberflächen sind im Vergleich zu rückseitigen Druckzuführungskanä- len unanfällig gegen Verschmutzung oder Vereisung. Erfindungsgemäß ist schließlich noch erkannt worden, dass sich der Verbund der beiden Sensorelemente sehr gut in ein Moldgehäuse mit Druckanschlüssen einbetten lässt. Da Moldgehäuse mit unterschiedlichsten Geometrien herstellungstechnisch einfach realisiert werden können und zudem einen guten Schutz gegen mechanische Einflüsse und eine chemisch aggressive Messumgebung bieten, kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung durch entsprechende Auslegung des Moldge- häuses sehr gut für den Einsatz im Rahmen spezieller Applikationen konfigurieren werden.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit unterschiedlichen Sensorelementen realisiert werden, solange sich ein rückseitiger Verbund zwischen den beiden Sensorelementen herstellen lässt und eine unabhängige Messdruckerfassung gewährleistet ist.
Als vorteilhaft im Hinblick auf eine zuverlässige Messdruckerfassung erweist sich eine Kombination von zwei in Oberflächenmikromechanik (OMM) gefertigten Absolutdruck-Sensorelementen, bei denen die Membran jeweils einen abgeschlossenen Hohlraum im Schichtaufbau des Sensorelements überspannt. In diesem Falle kann der Verbund zwischen den beiden Sensorelementen einfach in Klebe- technik realisiert werden. Dazu sollte ein thermisch gut leitender Klebstoff verwendet werden, um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorelementen zu erzielen.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das erste und das zweite Sensorelement zudem eine im wesentlichen identische Dimensionierung und Sensorstruktur aufweisen und aus denselben Halbleitermaterialien aufgebaut sind. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich thermische Einflüsse auf die Sensoranordnung auch in gleicher weise auf die beiden Sensorelemente auswirken.
An dieser Stelle sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung auch andere Kombinationen von Sensorele- menten umfassen kann. Möglich wäre beispielsweise auch die Kombination eines in OMM realisierten ersten Sensorelements, dessen Membran einen abgeschlossenen Hohlraum im Schichtaufbau überspannt, mit einem in BuIk- Mikromechanik realisierten zweiten Sensorelement, dessen Membran eine Ka- verne in der Rückseite überspannt. In diesem Fall muss der Verbund zwischen den beiden Sensorelementen allerdings durch Bonden hergestellt werden, um die Kaverne des zweiten Sensorelements druckdicht abzuschließen und so eine unabhängige Messdruckerfassung zu gewährleisten.
Aus aufbautechnischen Gründen erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Verbund aus erstem und zweitem Sensorelement auf einem Träger über einer Druckanschlussöffnung in diesem Träger montiert ist. Dazu kann die aus der Halbleitertechnik bekannte Flip-Chip-Montagetechnik verwendet werden. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall auch zumindest ein Abschnitt des Trägers in das Moldgehäuse integriert.
Ein komplettes Sensormodul zum Ermitteln des Differenzdrucks kann einfach dadurch geschaffen werden, dass neben dem Verbund der Sensorelemente auch die schaltungstechnischen Mittel zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck auf dem Träger angeordnet werden und mit dem entsprechenden Trägerabschnitt in das Moldgehäuse integriert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nach- geordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 10. Ausführungsform der Erfindung
Die in der einzigen Figur dargestellte Sensoranordnung 10 dient der Differenzdruckmessung. Dazu umfasst die Sensoranordnung 10 zwei mikromechanische Sensorelemente 1 und 2 zur Absolutdruckmessung und schaltungstechnische
Mittel 3 zum Ermitteln eines Differenzdrucks aus den voneinander unabhängigen Messsignalen der beiden Sensorelemente 1 und 2. Die Sensorelemente 1 und 2 sind zusammen mit den schaltungstechnischen Mitteln 3 in einem Moldgehäuse 4 mit zwei voneinander unabhängigen Druckanschlussöffnungen 5 und 6 ange- ordnet.
Die Sensorstruktur beider Sensorelemente 1 und 2 umfasst eine druckempfindlichen Membran 1 1 bzw. 12, die einen abgeschlossenen Hohlraum 13 bzw. 14 im Schichtaufbau des Sensorelements 1 bzw. 2 überspannt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wurden diese Sensorstrukturen in OMM erzeugt. Dementsprechend sind die beiden Membranen 1 1 bzw. 12 jeweils in der Vorderseite des Sensorelements 1 bzw. 2 ausgebildet.
Die beiden Sensorelemente 1 und 2 sind über ihre Rückseiten miteinander ver- bunden, so dass die beiden Membranen 1 1 und 12 einander gegenüber angeordnet sind. Da die Geometrie und Dimensionierung sowie der Schichtaufbau der beiden Sensorstrukturen im wesentlichen identisch sind, ist der Verbund der beiden Sensorelemente 1 und 2 hier spiegelsymmetrisch. Zudem wirken sich thermische Einflüsse dadurch in gleicher weise auf die Sensorstrukturen und damit die Messsignale der beiden Sensorelemente 1 und 2 aus. Um eine möglichst gute thermische Kopplung zwischen den beiden Sensorstrukturen zu erzielen, wurde ein thermisch gut leitender Klebstoff 15 zur Herstellung des Verbunds verwendet.
Der Verbund der beiden Sensorelementen 1 und 2 ist in Flip-Chip-Technik auf einem Träger 16 montiert, der eine Druckanschlussöffnung 17 aufweist. Die Membran 1 1 des dem Träger 16 zugewandten Sensorelements 1 ist über dieser Druckanschlussöffnung 17 im Träger 16 positioniert. Die schaltungstechnischen Mittel zum Ermitteln eines Differenzdrucks sind hier in Form eines ASICs 3 reali- siert, der ebenfalls auf dem Träger 16 angeordnet ist und über Drahtbonds 18 mit den Sensorelementen 1 und 2 verbunden ist. Der Verbund der beiden Sensor- elemente 1 und 2 wurde zusammen mit dem ASIC 3 und den Drahtbonds 18 in die Moldmasse 19 des Gehäuses 4 eingebettet. Dabei wurden die Druckanschlussöffnungen 5 und 6 für die Membranen 1 1 und 12 durch Verwendung der Film-Moldtechnik ausgebildet.

Claims

Ansprüche
1 . Sensoranordnung zur Differenzdruckmessung mit mindestens einem ersten mikromechanischen Sensorelement (1 ), in dessen Vorderseite eine erste druckempfindliche Membran (1 1 ) ausgebildet ist, und mit einem Moldgehäu- se (4) für das Sensorelement, wobei in dem Moldgehäuse (4) mindestens eine Öffnung (5) zur Druckbeaufschlagung ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein zweites mikromechanisches Sensorelement (2) vorgesehen ist, in dessen Vorderseite eine zweite druckempfindliche Membran (12) ausgebildet ist, dass das erste und das zweite Sensorelement (1 , 2) über ihre Rückseiten miteinander verbunden sind, dass der Verbund aus erstem und zweitem Sensorelement (1 , 2) so in das Moldgehäuse (4) eingebettet ist, dass die erste Membran (1 1 ) mit einem ersten Messdruck und die zweite Membran (12) mit einem zweiten Messdruck beaufschlagbar ist, und dass schaltungstechnische Mittel (3) zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck vorgesehen sind.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1 1 ) des ersten Sensorelements (1 ) und die Membran (12) des zweiten Sensorelements (2) jeweils einen abgeschlossenen Hohlraum (13,
14) im Schichtaufbau des ersten Sensorelements (1 ) bzw. des zweiten Sensorelements (2) überspannen.
3. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass das erste und das zweite Sensorelement (1 , 2) eine im wesentlichen identische Dimensionierung und Sensorstruktur aufweisen und auch aus denselben Halbleitermaterialien aufgebaut sind.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass der Verbund zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorelement (1 , 2) in Klebetechnik oder durch Bonden hergestellt ist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus erstem und zweitem Sensorelement (1 , 2) auf einem Träger (16) über einer Druckanschlussöffnung (17) in diesem Träger (16) montiert ist und dass zumindest ein Abschnitt des Trägers (16) in das
Moldgehäuse (4) integriert ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltungstechnischen Mittel (3) zum Bestimmen der Differenz aus erstem und zweitem Messdruck auf dem Träger (16) angeordnet sind und ebenfalls in das Moldgehäuse (4) integriert sind.
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