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Die vorliegende Erfindung betrifft einen eine Membran aufweisenden Drucksensor.
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Ein Drucksensor erfasst einen Druck auf der Grundlage einer Widerstandsänderung eines Messwiderstands in Übereinstimmung mit einer Belastung, die direkt auf den Messwiderstand übertragen wird. Hierbei verformt der als Messobjekt dienende Druck eine Membran. Anschließend wird die Verformung der Membran als Belastung über ein Belastungsübertragungselement direkt auf den Messwiderstand übertragen. Diese Art von Drucksensor ist beispielsweise in der
US 5,349,873 offenbart.
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In dem obigen Sensor ist die Widerstandsänderung gering, wenn die auf den Sensor aufgebrachte Belastung verhältnismäßig gering ist. Folglich zeigt der Sensor in diesem geringen Belastungsbereich eine derart kleine Empfindlichkeit, dass der Sensor den Druck nicht genau erfassen kann. Ferner verläuft die Kennlinie des Sensors, die eine Beziehung zwischen der Belastung und der Widerstandsänderung zeigt, derart nicht linear, dass sie keine ausreichende Linearität aufweist. Ferner kann die Kennlinie eine Hystereseschleife aufweisen. Folglich weist der Drucksensor keine ausreichende Empfindlichkeit und keine ausreichende Erfassungsgenauigkeit auf.
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Aus der
DE 696 02 483 T2 ist ferner ein Kraftwandler bekannt, der eine Druckkraft unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts eines Halbleiters in ein elektrisches Signal wandelt. Bei dem in der
DE 696 02 483 T2 beschriebenen Kraftwandler
1000 sind Vorsprünge, wie beispielsweise in
3 gezeigt und auf der Beschreibungsseite
11 unter „Gesamtaufbau” des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, aus einkristallinem Silizium
40 aufgebaut. Ferner ist der Kraftwandler
1000, wie in
13 gezeigt, auf einem abgedichteten Anschluss
90 befestigt.
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Ferner sind aus der
DE 692 14 924 T2 und der
DE 691 06 411 T2 piezoelektrische Drucksensoren bekannt. Die
DE 689 05 967 T2 beschreibt einen Halbleiter-Druckwandler zum Umsetzen des auf eine Membran aufgebrachten Drucks in ein elektrisches Signal und zum Ausgeben des dem Druck entsprechenden elektrischen Signals.
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In Anbetracht des vorstehend beschriebenen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor mit einer Membran vorzusehen, der eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Linearität und eine kleine Hysterese aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch Drucksensoren nach dem Anspruch 1 bzw. nach dem Anspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist der Messwiderstand entsprechend einer Draufsicht auf den Vorsprung und den Messwiderstand größer als der Vorsprung, so dass der Vorsprung mit dem Messwiderstand bedeckt ist. Folglich ist der Abschnitt, an dem die Belastung derart konzentriert ist, dass sie ein Maximum annimmt, derart mit dem Messwiderstand überlappt, dass die maximale Belastung nahe des Außenumfangs des Vorsprungs komplett auf den Messwiderstand aufgebracht wird. Folglich weist die der Beziehung zwischen der Belastung und der Widerstandsänderung des Messwiderstands entsprechende Kennlinie eine ausgezeichnete Linearität auf. Ferner weist die Empfindlichkeit des Sensors im Wesentlichen in keine Schwankung auf, so dass der Messwiderstand selbst eine geringe Belastung erfassen kann, wenn diese auf den Sensor aufgebracht wird. Ferner wird die Hysterese der Sensorkennlinie deutlich kleiner. Folglich weist der obige Sensor eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Linearität und eine kleine Hysterese auf.
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Vorzugsweise weist der Vorsprung einen senkrecht zu einer mittleren Achse des Gehäuses liegenden kreisförmigen Querschnitt auf. Der Messwiderstand weist einen senkrecht zu einer mittleren Achse des Gehäuses liegenden quadratischen Querschnitt auf. Der Vorsprung weist einen Durchmesser auf, der gleich oder etwas kleiner als eine Abmessung einer Seite des Messwiderstands ist.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils des Sensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
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3A eine Draufsicht eines Sensorchips des Drucksensors, und 3B eine Querschnittsansicht des Sensorchips entlang einer Linie IIIB-IIIB aus der 3A, gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
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4 eine perspektivische Ansicht eines Positionierungselements gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
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5 eine Querschnittsansicht, die eine Belastungsverteilung auf einem Siliziumsubstrat gemäß der bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht;
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6 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer Belastung und einer Widerstandsänderung eines Messwiderstands in dem Drucksensor gemäß der bevorzugten Ausführungsform;
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7A bis 7D Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung des Drucksensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform veranschaulichen;
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8 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die ein Verfahren zur Positionierung des Sensorchips in dem Drucksensor gemäß der bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht;
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9 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Hauptteil eines Drucksensors gemäß einer Modifikation der bevorzugten Ausführungsform zeigt;
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10 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Hauptteil eines Drucksensors gemäß einer weiteren Modifikation der bevorzugten Ausführungsform zeigt;
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11 eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die einen Hauptteil eines Drucksensors gemäß einem Vergleich zu der bevorzugten Ausführungsform zeigt; und
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12 ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer Belastung und einer Widerstandsänderung eines Messwiderstands in dem Drucksensor gemäß dem Vergleich zu der bevorzugten Ausführungsform.
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Die Erfinder haben im Voraus einen Drucksensor untersucht, der einen Druck auf der Grundlage einer Widerstandsänderung eines Messwiderstands in Übereinstimmung mit einer mechanischen Belastung, die dem als Messobjekt dienenden Druck entspricht, erfasst. Der Sensor ist in 11 gezeigt. Der Sensor weist einen Sensorchip J1 und ein halbkugelförmiges Element J3 auf, das auf dem Sensorchip J1 angeordnet ist.
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Der Sensorchip J1 weist ein n-leitendes Siliziumsubstrat J4 als Basis, einen Messwiderstand J5, einen isolierenden Film J6, einen p+-leitenden Kontaktabschnitt J7, ein Elektrodenpaar J8, J9, eine n+-leitende Schicht J10 und eine Rückseitenelektrode J11 auf. Der Messwiderstand ist auf einer Oberfläche des Substrats J4 gebildet. Der isolierende Film J6 ist auf einer Oberfläche des Messwiderstands J5 gebildet. Der Kontaktabschnitt J7 ragt von dem Messwiderstand J5 aus in das Siliziumsubstrat J4 hervor. Die Rückseitenelektrode J11 ist auf der Rückseite des Substrats J4 angeordnet.
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Das halbkugelförmige Element J3 besteht aus einer halbkugelförmigen Oberfläche und einer scheibenförmigen, planaren Oberfläche. Eine Belastung wird in Übereinstimmung mit einem als Messobjekt dienenden Druck, der auf den Sensor aufgebracht wird, auf die halbkugelförmige Oberfläche aufgebracht, woraufhin die scheibenförmige, planare Oberfläche den Messwiderstand J5 presst. Folglich wird die dem Druck entsprechende Belastung auf den Messwiderstand J5 aufgebracht. Der Messwiderstand J5 ist komplett mit dem halbkugelförmigen Element J3 bedeckt. Eine Abmessung des halbkugelförmigen Elements J3 ist als T3 definiert, was einem Durchmesser des halbkugelförmigen Elements J3 entspricht. Die Abmessung T3 ist länger als eine Abmessung T4 des Messwiderstands J5, was einer Länge des Messwiderstands J5 entspricht.
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Diese Art von Drucksensor arbeitet gemäß folgender Beschreibung. Eine Spannung einer Spannungsquelle wird an der Rückseitenelektrode J11 angelegt, wobei die Seite der Elektrode J9 mit Masse verbunden wird. Folglich fließt der Strom gemäß der nachstehenden Reihenfolge durch die Rückseitenelektrode J11, das Substrat J4, die Elektrode J8, den Kontaktabschnitt J7, den Messwiderstand J5, die n+-leitende Schicht J10 und die Elektrode J9. Der Strom ändert sich in Übereinstimmung mit der Widerstandsänderung des Messwiderstands J5, da sich der Widerstand des Messwiderstands J5 in Übereinstimmung mit der dem auf das halbkugelförmige Element J3 aufgebrachten Druck entsprechenden Belastung ändert.
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Folglich wird der Strom derart von einem Detektor (nicht gezeigt) als Druckerfassungsstrom gemessen, dass der Sensor den Druck erfassen kann. Obwohl der Strom hierbei ebenso durch die Rückseitenelektrode J11, das Substrat J4 und die Elektrode J9 fließt, wirkt dieser Strom nicht bei der Druckerfassung mit. Die Ursache hierfür liegt darin, dass der Strom, der über den obigen Pfad fließt, derart durch einen inneren Widerstand des Substrats J4 bestimmt wird, dass der Strom eindeutig bestimmt wird.
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Die Kennlinie des obigen Sensors ist untersucht worden. Wird die Belastung über das halbkugelförmige Element J3 auf den Messwiderstand J5 aufgebracht, wird die Widerstandsänderung des Messwiderstands J5 in Übereinstimmung mit der Belastung gemessen, wie in 12 gezeigt. Ist die Belastung relativ gering, ist die Widerstandsänderung gering. Folglich weist der Sensor in diesem geringen Belastungsbereich eine derart geringe Empfindlichkeit auf, dass der Sensor den Druck nicht genau erfassen kann. Ferner verläuft die Kennlinie des Sensors nicht geradlinig, so dass die Kurve keine ausreichende Linearität aufweist. Ferner weist die Kurve eine Hysterese auf.
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Der Drucksensor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Anbetracht der obigen Probleme geschaffen worden. Diese Art von Drucksensor ist dazu geeignet, in einem Kraftfahrzeug verwendet zu werden. Insbesondere ist der Sensor an einer Oberseite eines Zylinders in einem Motor des Fahrzeugs angeordnet, so dass der Sensor einen Kraftstoffdampfdruck in dem Zylinder nahe eines oberen Endes eines Kolbens in dem Zylinder erfassen kann.
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Der Sensor ist in den 1 und 2 gezeigt. Der Sensor weist einen Sensorchip 1, einen Vorsprung 2 und ein halbkugelförmiges Element 3 auf. Der Vorsprung 2 ist auf dem Sensorchip 1 gebildet. Das halbkugelförmige Element 3 presst den Vorsprung 2 derart, dass eine Belastung auf den Sensorchip 1 aufgebracht wird.
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Der als Sockel dienende Sensorchip 1 ist aus einem n-leitenden Siliziumsubstrat 4 gebildet. Wie in den 3A und 3B gezeigt, weist das Substrat 4 eine Dicke von 0,625 mm auf, wobei jede Seite des Substrats 4 1,4 mm lang ist. Der Sensorchip 1 weist einen Messwiderstand 5, einen p+-leitenden Kontaktabschnitt 6, ein Elektrodenpaar 7, 8, eine n+-leitende Schicht 9 und eine Rückseitenelektrode 10 auf. Der Messwiderstand 5 ist auf der Hauptoberfläche des Substrats 4 gebildet. Der Kontaktabschnitt 6 ragt teilweise von dem Messwiderstand 5 hervor. Die Rückseitenelektrode 10 ist auf der Rückseite des Substrats 4 angeordnet. Das Siliziumsubstrat 4 des Sensorchips 1 liegt parallel zur <110> Kristallachse des Siliziums, so dass eine Ausgabe des Messwiderstands 5 größer wird. Folglich sind die Elektroden 7, 8 an beiden Enden der <110> Kristallachse angeordnet.
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Der Vorsprung 2 ist aus einem spröden Material gebildet. In dieser Ausführungsform ist der auf der Oberfläche des Messwiderstands 5 angeordnete Vorsprung 2 aus einem Silizium-Nitridfilm (d. h., ein SiN Film) mit einer bestimmten Struktur gebildet. Der Vorsprung 2 und der Messwiderstand 5 weisen die folgende Beziehung auf.
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Die 3A und 3B zeigen einzig den Sensorchip 1, wobei insbesondere der Messwiderstand 5 und der Vorsprung 2 gezeigt werden. 3B ist eine Querschnittsansicht, welche den Sensorchip 1 entlang einer Linie IIIB-IIIB zeigt, so dass der Sensorchip 1 in einer bestimmten Richtung geschnitten ist (d. h., einer Belastungsübertragungsrichtung).
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Der Sensorchip 1 weist von einer Draufsicht aus gesehen eine quadratische Form auf. Jede Seite des Sensorchips 1 ist 1,4 mm lang. Der Vorsprung 2 und der Messwiderstand überlappen sich gegenseitig in der Mitte des Sensorchips 1. Der Vorsprung weist eine kreisförmige Form auf. Der Durchmesser des Vorsprungs ist beispielsweise 0,16 mm. Der Vorsprung 2 weist eine Dicke von 1 μm auf. Der Messwiderstand 5 weist eine quadratische Form auf. Jede Seite des Messwiderstands 5 ist 0,18 mm lang. Folglich ist die Länge T2 der Seite des Messwiderstands 5 nahezu gleich oder ein wenig größer als der Durchmesser T1 des Vorsprungs 2. Der Vorsprung 2 ist von einer Draufsicht aus gesehen vollständig mit dem Messwiderstand 5 bedeckt, so dass der Vorsprung 2 innerhalb des Messwiderstands 5 angeordnet ist. Der Sensor weist die vorstehend beschriebene Beziehung zwischen dem Vorsprung 2 und dem Messwiderstand 5 auf.
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Wie in 2 gezeigt, ist das halbkugelförmige Element 3 aus einer halbkugelförmigen Oberfläche und einer scheibenförmigen, planaren Oberfläche gebildet. Eine Belastung wird in Übereinstimmung mit einem als Messobjekt dienenden, auf den Sensor aufgebrachten Druck auf die halbkugelförmigen Oberfläche übertragen, woraufhin die scheibenförmige, planare Oberfläche den Vorsprung 2 presst. Der gepresste Vorsprung 2 presst ebenso den Messwiderstand 5. Folglich wird die dem Druck entsprechende Belastung derart auf den Messwiderstand 5 aufgebracht, dass der Druck erfasst wird.
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Der Durchmesser der halbkugelförmigen Oberfläche des halbkugelförmigen Elements 3 ist beispielsweise 1 mm. Die halbkugelförmige Oberfläche ist mit einem leitenden Material, wie beispielsweise einem Metallplattierungsfilm, beschichtet. Folglich kann ein Strom über die halbkugelförmige Oberfläche fließen.
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Der Drucksensor weist ferner ein zylindrisches Element 11 auf, das ein Positionierungselement 12, ein leitendes Klebemittel 13, ein Stützelement 14, einen elektrischen Draht 15, das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c, eine Metallmembran 17 und ein Belastungsübertragungselement 18 aufweist.
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Das zylindrische Element 11 weist ein Gehäuse zum Unterbringen des Sensorchips 1, des Vorsprungs 2 und des halbkugelförmigen Elements 3 auf. Das zylindrische Element ist aus einem metallischen Material, wie beispielsweise SUS (d. h., Edelstahl verwendender Stahl) gebildet. Das Positionierungselement dient zur Positionierung des Sensorchips 1 in dem zylindrischen Element 11. 4 zeigt das Positionierungselement 12. Das Positionierungselement 12 weist eine zylindrische, säulenförmige Form auf, die einen Durchmesser aufweist, der nahezu gleich einem inneren Durchmesser des zylindrischen Elements 11 ist. In der Mitte des Positionierungselements 12 ist eine Konkavität 20 gebildet. Die Konkavität 20 weist eine Stufe auf. Die Konkavität 20 besteht aus einem Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element und einem Unterbringungsabschnitt 20b für einen Sensorchip bzw. Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b. Der Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element weist eine obere Oberfläche auf, die eine quadratische, planare Oberfläche mit einem quadratischen Bereich mit einer Seitenlänge von 1 mm aufweist. Der Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b weist eine untere Oberfläche auf, die eine quadratische, planare Oberfläche mit einem quadratischen Bereich mit einer Seitenlänge von 2 mm aufweist. Der Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element und der Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b sind gegenseitig um 45° verdreht, so dass sie die Stufe der Konkavität 20 vorsehen. Es ist insbesondere eine Seite des Unterbringungsabschnitts 20a für ein halbkugelförmiges Element um 45° von einer Seite des Sensorchipunterbringungsabschnitts 20b geneigt.
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Das Positionierungselement 12 weist ferner ein Durchgangsloch 21 auf, das nahe einer Seite der quadratischen, planaren Oberfläche des Unterbringungsabschnitts 20a für ein halbkugelförmiges Element angeordnet ist. Das Durchgangsloch 21 sieht eine Verbindung zwischen der oberen Oberfläche des Unterbringungsabschnitts 20a für ein halbkugelförmiges Element und des Sensorchipunterbringungsabschnitts 20b vor. Das Durchgangsloch 21 für eine Verdrahtung wird für eine elektrische Verbindung zu dem Sensorchip 1 verwendet. Das Durchgangsloch 21 weist einen vorbestimmten Durchmesser auf.
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Um das Durchgangsloch 21, das den vorbestimmten Durchmesser aufweist, zu bilden, ist es erforderlich, dass ein Teil des Sensorchipunterbringungsabschnitts 20b, der von dem Unterbringungsabschnitts 20a für ein halbkugelförmiges Element hervorragt, d. h., der den Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element nicht überlappt, größer als der vorbestimmte Durchmesser des Durchgangslochs 21 ist. Wenn jedoch die Länge einer Seite des Sensorchipunterbringungsabschnitts 20b geringfügig größer als die des Unterbringungsabschnitts 20a für ein halbkugelförmiges Element wird, wird der Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b viel größer. Folglich sind der Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element und der Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b in dieser Ausführungsform derart gegeneinander um 45° verdreht, dass das den vorbestimmten Durchmesser aufweisende Durchgangsloch 21 in geeigneter Weise gebildet wird, und dass die Abmessungen des Sensorchipunterbringungsabschnitts 20b minimiert werden. Folglich ist der Sensorchip 1 ebenso in geeigneter Weise minimiert.
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Das Positionierungselement 12 ist derart in dem zylindrischen Element 11 untergebracht, dass die mittlere Achse der Konkavität 20 des zylindrischen Elements 11 sich mit der mittleren Achse von sowohl dem Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element als auch dem Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b des Positionierungselements 12 überschneidet. Folglich verläuft die mittlere Achse des Positionierungselements 12 mit einem vorbestimmten Abstand von der Innenwand des zylindrischen Elements 11 entfernt.
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Der Sensorchip 1 ist in dem Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b des Positionierungselements 12 untergebracht. Ferner ist das halbkugelförmige Element 3 in dem Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element untergebracht. Folglich sind der Sensorchip 1 und das halbkugelförmige Element 3 auf der mittleren Achse des zylindrischen Elements 11 angeordnet.
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Das leitende Klebemittel verbindet die halbkugelförmige Oberfläche des halbkugelförmigen Elements 3 und die Elektrode 8 des Sensorchips 1 über das Durchgangsloch 21 des Positionierungselements 12 elektrisch miteinander.
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Das Stützelement 14 sieht eine elektrische Verbindung zu der Rückseitenelektrode 10 des Sensorchips 1 vor. Das Stützelement 14 besteht aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Kovar. Das Stützelement 14 weist eine nahezu zylindrische, säulenförmige Form auf. Ein Flansch 14a ist auf der Oberseite des Stützelements 14 gebildet. Ein Teil des Stützelements 14, mit Ausnahme des Flansches 14a, ist in einer Konkavität des ersten zylindrischen Elements 16a untergebracht. Folglich wird der Sensorchip 1 durch den Flansch 14a des Stützelements 14 gestützt. Ferner wird das Stützelement 14 durch den Flansch 14a in einer vorbestimmten Position in dem ersten zylindrischen Element 16a gehalten.
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Der elektrische Draht 15 verbindet den Sensorchip 1 und die Außenoberfläche des zylindrischen Elements 11 elektrisch miteinander. Insbesondere ein Ende des elektrischen Drahts 15 sieht eine Verbindung zu dem Ende des Stützelements 14 vor, und zwar durch Konkavitäten des ersten bis dritten zylindrischen Elements 16a bis 16c, und das andere Ende des elektrischen Drahts 15 sieht eine Verbindung zu der Rückseitenelektrode 10 des Sensorchips 1 vor, und zwar durch das Stützelement 14.
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Jedes von dem ersten bis dritten zylindrischen Element 16a bis 16c weist einen Durchmesser auf, der nahezu gleich dem Innendurchmesser des zylindrischen Elements 11 ist. Ferner weist jedes vom dem ersten bis dritten zylindrischen Element 16a bis 16c die vorstehend beschriebene Konkavität mit dem gleichen Innendurchmesser auf. Das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c sind in dieser Reihenfolge konzentrisch in dem zylindrischen Element 11 unterhalb des Positionierungselements 12 angeordnet.
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Das erste zylindrische Element 16a stützt das Positionierungselement 12. Ferner positioniert das erste zylindrische Element 16a das Stützelement 14, d. h., das erste zylindrische Element 16a schützt das Stützelement 14 davor, herauszufallen. Das erste zylindrische Element besteht aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise Keramik oder hitzebeständigen Harz, so dass das erste zylindrische Element 16a das Stützelement 14 von dem zylindrischen Element 11 elektrisch isoliert.
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Das zweite zylindrische Element 16b positioniert und hält Teile, wie beispielsweise das erste zylindrische Element 16a, das in dem zylindrischen Element 11 untergebracht ist. Die Außenoberfläche des zweiten zylindrischen Elements 16b ist über ein Schweißverfahren mit der Innenwand des zylindrischen Elements 11 verbunden. Das zweite zylindrische Element 16b besteht beispielsweise aus einem metallischen Material.
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Das dritte zylindrische Element 16c dient als Führung für den elektrischen Draht 15 und besteht aus einem metallischen Material oder einem Harz.
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Die Metallmembran 17 ist aus einer dünnen Metallplatte gebildet. Die Membran 17 wird durch einen als Messobjekt dienenden Druck verformt. Die Membran 17 weist einen U-förmigen Querschnitt auf, d. h., eine schalenähnliche Form, so dass ein Ende der Membran 17 geöffnet ist. Die Oberseite des zylindrischen Elements 11 wird in Eingriff mit der Membran 17 gebracht, und anschließend wird die Membran 17 durch das Schweißverfahren um den Außenumfang der Membran 17 mit dem zylindrischen Element 11 verbunden.
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Das Belastungsübertragungselement 18 weist eine zylindrische, säulenförmige Form auf und besteht aus einem leitfähigen Material, wie beispielsweise Metall. Ein Ende des Belastungsübertragungselements 18 kontaktiert die Unterseite der Membran 17, und zwar in der Mitte der Membran 17. Das andere Ende des Belastungsübertragungselements kontaktiert die Oberseite der halbkugelförmigen Oberfläche des halbkugelförmigen Elements 3. Folglich wird das Belastungsübertragungselement 18, wenn die Membran 17 durch einen auf die Membran 17 aufgebrachten Druck verformt wird, durch die Verformung der Membran 17 derart verschoben, dass sich das Belastungsübertragungselement 18 abwärts entlang der mittleren Achse des zylindrischen Elements 11 bewegt. Folglich wird der auf die Membran 17 aufgebrachte Druck auf das halbkugelförmige Element 3 übertragen. Der Drucksensor ist hierbei an dem zylindrischen Element 11 befestigt und der elektrische Draht mit dem Drucksensor verbunden. Der Drucksensor weist einen Druckerfassungsabschnitt zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung an den elektrischen Draht 15 auf. Wenn die vorbestimmte Spannung an dem elektrischen Draht 15 angelegt ist, misst der Druckerfassungsabschnitt einen über den elektrischen Draht 15 fließenden Strom. Nachstehend wird die Arbeitsweise des Drucksensors beschrieben.
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Zunächst wird der elektrische Draht 15 mit einem elektrischen Energieversorgungsanschluss des Druckerfassungsabschnitts des Drucksensors verbunden. Ferner wird das zylindrische Element mit einem Masseanschluss des Druckerfassungsabschnitts verbunden. Anschließend wird die von dem Druckerfassungsabschnitt erzeugte vorbestimmte Spannung an den elektrischen Draht 15 angelegt. Folglich fließt der Strom zum Erfassen des Drucks in der nachstehenden Reihenfolge über den elektrischen Draht 15, das Stützelement 14, den Sensorchip 1, das leitfähige Klebemittel 13, die halbkugelförmige Oberfläche des halbkugelförmigen Elements 3, das Belastungsübertragungselement 18, die Metallmembran 17 und das zylindrische Element 11.
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Bevor der Druck auf die Membran 17 aufgebracht wird bzw. bevor die Membran mit dem Druck beaufschlagt wird, oder wenn die Membran mit dem atmosphärischen Druck beaufschlagt wird, nimmt der Strom zum Erfassen des Drucks einen vorbestimmten Wert an. Wird der als Messobjekt dienende Druck auf die Membran 17 aufgebracht, verformt sich die Membran 17 derart in Übereinstimmung mit dem Druck, dass das Belastungsübertragungselement 18 verschoben wird. Folglich wird die dem Druck entsprechende Belastung auf das halbkugelförmige Element 3 aufgebracht.
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Die auf das halbkugelförmige Element 3 aufgebrachte Belastung wird auf den Vorsprung 2 übertragen, und ferner wird die Belastung derart auf den Messwiderstand 5 übertragen, dass sich der Widerstand des Messwiderstands 5 in Übereinstimmung mit der dem Druck entsprechenden Belastung ändert. Folglich ändert sich der Strom zur Erfassung des Drucks in Übereinstimmung mit der Widerstandsänderung, und der Strom wird von dem Druckerfassungsabschnitt des Drucksensors erfasst. Folglich wird der Druck durch den Sensor gemessen.
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5 zeigt die Verteilung einer Belastung auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 4, einschließlich dem Messwiderstand 5, wenn der Vorsprung 2 die Belastung auf den Messwiderstand 5 aufbringt. Die Belastung ist nahe des Außenumfangs des Vorsprungs derart konzentriert, dass sie nahe des Außenumfangs einen maximalen Wert annimmt. Die Belastung wird zur Innenseite des Vorsprungs 2 hin kleiner.
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In dem in der 11 als Vergleich gezeigten Sensor ist das halbkugelförmige Element J3 größer als der Messwiderstand J5. Folglich ändert der Messwiderstand J5 seinen Widerstand in Übereinstimmung mit einer kleinen Belastung dann, wenn ein Abschnitt, an dem die Belastung derart konzentriert ist, dass sie ein Maximum annimmt, nicht mit dem Messwiderstand J5 überlappt ist. D. h., der Messwiderstand J5 erfasst die Belastung mit einer niedrigen Empfindlichkeit. Folglich ist die Belastung nicht ausreichend auf den Messwiderstand J5 aufgebracht, wenn die Belastung verhältnismäßig gering ist. Folglich wird die Widerstandsänderung des Messwiderstands J5 derart gering, dass sich die Empfindlichkeit des Messwiderstands J5 verringert. Ferner ist es möglich, dass die Empfindlichkeit des Messwiderstands J5 schwankt. Ferner weicht die der Beziehung zwischen der Belastung und der Widerstandsänderung des Messwiderstands J5 entsprechende Kennlinie von einem linearen Verlauf ab. Ferner wird eine Hysterese in der Kennlinie des Sensors erzeugt.
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In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Messwiderstand 5, von der Draufsicht des Vorsprungs 2 und des Messwiderstands 5 aus gesehen, jedoch größer als der Vorsprung. Ferner ist der Vorsprung 2 mit dem Messwiderstand 5 bedeckt. Folglich überlappt der Abschnitt, an dem die Belastung derart konzentriert ist, dass sie einen maximalen Wert annimmt, wie in der 5 gezeigt, den Messwiderstand derart, dass die maximale Belastung nahe dem Außenumfang des Vorsprungs 2 vollständig auf den Messwiderstand 5 aufgebracht wird.
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In dem Drucksensor gemäß dieser Ausführungsform ist die der Beziehung zwischen der Belastung und der Widerstandsänderung des Messwiderstands 5 entsprechende Kennlinie gemessen worden und in der 6 gezeigt. In der 6 kennzeichnet die Kurve XIA den in der 1 gezeigten Sensor gemäß dieser Ausführungsform, bei dem der als Belastungsaufbringungsabschnitt dienende Vorsprung kleiner als der als Messabschnitt dienende Messwiderstand 5 ist. Eine Kurve XIB kennzeichnet den in der 11 als Vergleich gezeigten Sensor, bei dem das als Belastungsaufbringungsabschnitt dienende halbkugelförmige Element J3 größer als der als Messabschnitt dienende Messwiderstand J5 ist. Die der Beziehung zwischen der Belastung und der Widerstandsänderung des Messwiderstands 5 entsprechende Kennlinie in der Kurve XIA weist eine ausgezeichnete Linearität auf. Ferner zeigt die Empfindlichkeit des Sensors im Wesentlichen keine Fluktuation, so dass der Messwiderstand selbst eine geringe Belastung erfassen kann, wenn diese auf den Sensor aufgebracht wird. Ferner ist die Hysterese der Sensorkennlinie deutlich kleiner.
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Folglich ist die Empfindlichkeit, die Linearität und die Hysterese des Drucksensors verbessert worden, da der Messwiderstand 5 in dem Sensor größer als der Vorsprung 2 ist.
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Nachstehend wird das Verfahren zur Herstellung des Drucksensors unter Bezugnahme auf die 7A bis 7D beschrieben.
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Bevor der Drucksensor zusammengebaut wird, werden zunächst der Sensorchip 1 und der Vorsprung 2 vorbereitet. Der Sensorchip 1 wird ebenso wie der Vorsprung 2 durch ein herkömmliches Halbleiterverfahren gebildet. Insbesondere der p+-leitende Messwiderstand 5 wird durch ein Ionenimplantationsverfahren oder dergleichen auf der Oberfläche des durch einen Siliziumwafer vorgesehenen Siliziumsubstrats 4 gebildet. Ferner wird der Kontaktabschnitt 6, der teilweise von dem Messwiderstand 5 hervorragt, ebenso durch das Ionenimplantationsverfahren oder dergleichen gebildet. Die n+-leitende Schicht 9 wird ebenso durch das Ionenimplantationsverfahren oder dergleichen gebildet.
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Als Nächstes wird ein Silizium-Nitridfilm auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 4 gebildet, und anschließend wird der Silizium-Nitridfilm derart strukturiert, dass der Vorsprung 2 gebildet wird. Da der Vorsprung 2 durch das herkömmliche Halbleiterverfahren dieser Art gebildet wird, kann der Vorsprung 2 mit einer Bearbeitungsgenauigkeit im Submikrometerbereich gebildet werden. Folglich wird die Positionierungsabweichung zwischen dem Vorsprung 2 und dem Messwiderstand 5 deutlich geringer.
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Anschließend wird ein metallischer Film auf der Oberfläche des Substrats 4 gebildet. Darauf folgend wird der metallische Film derart ausgebildet, dass die Elektroden 7, 8 gebildet werden. Ferner wird die Rückseitenelektrode 10 auf der Unterseite des Siliziumsubstrats 4 gebildet. Folglich sind die Elemente zum Vorsehen des Sensorchips 1 gebildet. Anschließend wird das durch die Halbleiterscheibe vorgesehene Siliziumsubstrat 4 derart in eine Mehrzahl von Chips geteilt, dass der Sensorchip 1 fertiggestellt ist.
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Anschließend werden, wie in der 7A gezeigt, das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c der Reihenfolge nach in das zylindrische Element 11 eingefügt. Anschließend wird das mit dem elektrischen Draht 15 verbundene Stützelement 14 in das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c eingefügt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Oberseite des Stützelements derart eingefügt, dass sie nahe dem oberen Ende des zylindrischen Elements 11 liegt. Dieses Verfahren wird über eine Spannvorrichtung (nicht gezeigt) durchgeführt.
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Wie in 7B gezeigt, wird das Positionierungselement 12 mit dem Sensorchip 1 in das zylindrische Element 15 eingefügt, wenn der Sensorchip 1 in dem Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b des Positionierungselements 20 untergebracht worden ist. Zu diesem Zeitpunkt ist das Stützelement 14 derart eingefügt, dass es nahe der Oberseite des zylindrischen Elements 11 angeordnet ist. Folglich fällt der Sensorchip 1 nicht aus dem Positionierungselement 12, so dass der Sensorchip 1 auf dem Stützelement 14 befestigt ist. Folglich ist der Sensorchip 1 an der mittleren Achse des zylindrischen Elements 15 angeordnet.
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Sind das halbkugelförmige Element 3 und der Sensorchip 1 geringfügig von der mittleren Achse verschoben, wird die Empfindlichkeit des Sensors reduziert. In diesem Fall können der Sensorchip 1 und das halbkugelförmige Element 3 durch eine Überwachung der Empfindlichkeit, d. h., der Ausgabe des Sensorchips 1, positioniert werden. Dieses Verfahren zur Positionierung des Sensorchips 1 und des halbkugelförmigen Elements 3 ist in der 8 gezeigt. Eine Positionierungsvorrichtung, wie beispielsweise ein Stab 30, wird vorbereitet. Ein goldplattierter Film wird auf der Oberfläche des Stabes 30 gebildet. Anschließend wird eine vorbestimmte Belastung über den Stab 30 auf das halbkugelförmige Element 3 aufgebracht. Zu der gleichen Zeit wird eine vorbestimmte Spannung über den elektrischen Draht 15 an dem Sensorchip 1 angelegt, so dass der Strom zwischen dem elektrischen Draht 15 und dem Stab 30 fließt. Durch eine Überwachung des Stroms, der an einem Sollwert liegen soll, werden der Sensorchip 1 und das halbkugelförmige Element 3 positioniert.
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Als Nächstes wird das halbkugelförmige Element 3, wie in 7C gezeigt, in dem Unterbringungsabschnitt 20a für ein halbkugelförmiges Element des Positionierungselements 20 befestigt. Hierbei ist der Durchmesser des halbkugelförmigen Elements 3 gleich dem Durchmesser einer der Seiten des Unterbringungsabschnitts 20a für ein halbkugelförmiges Element. Folglich kann das halbkugelförmige Element 3 leicht positioniert werden. Anschließend wird das leitfähige Klebemittel aufgetragen, um das Durchgangsloch 21 des Positionierungselements 12 derart zu füllen, dass die Elektrode 8 des Sensorchips 1 und die halbkugelförmige Oberfläche des halbkugelförmigen Elements 3 elektrisch miteinander verbunden sind.
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Als Nächstes werden der Sensorchip 1, das Positionierungselement 12, das Stützelement 14 und das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c derart in das zylindrische Element 11 geschoben, dass das halbkugelförmige Element 3 in das zylindrische Element 11 gezogen wird. Anschließend wird die Metallmembran 17 mit dem damit verbundenen Belastungsübertragungselement 18 vorbereitet. Die Oberseite des zylindrischen Elements 11 wird in Eingriff mit der Öffnung der Membran 17 gebracht, und anschließend wird der Außenumfang der Membran 17 derart verschweißt, dass die Membran 17 mit dem zylindrischen Element 11 verbunden wird.
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Wie in der 7D gezeigt, werden der Sensorchip 1, das Positionierungselement 12, das Stützelement 14 und das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c wiederum derart in dem zylindrischen Element 11 verschoben, dass die Oberseite des halbkugelförmigen Elements 3 das Belastungsübertragungselement 18 kontaktiert. Anschließend wird das zweite zylindrische Element 16b verschweißt und mit dem zylindrischen Element 11 verbunden. Das Schweißen wird von der Außenseite des zylindrischen Elements 11 an einer Position des zweiten zylindrischen Elements 16b durchgeführt. Folglich ist der Drucksensor fertiggestellt.
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(Modifikationen)
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Obwohl das halbkugelförmige Element als Belastungsaufbringungselement zum Aufbringen der Belastung auf den Vorsprung 2 verwendet wird, können andere Belastungsaufbringungselemente zum Aufbringen der Belastung auf den Vorsprung 2 verwendet werden. Es kann beispielsweise, wie in der 9 gezeigt, ein zylindrisches, säulenförmiges Element 40 als Belastungsaufbringungselement verwendet werden.
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Obwohl der Sensorchip lediglich in dem Sensorchipunterbringungsabschnitt 20b des Positionierungselements 12 untergebracht wird, wenn der Sensorchip zusammengebaut wird, kann ein Klebemittel 41 teilweise oder vollständig auf einem Kontaktabschnitt zwischen dem Sensorchip 1 und dem Positionierungselement 12 aufgetragen werden, so dass der Sensorchip 1 mit dem Positionierungselement 12 verbunden ist. Folglich ist der Sensorchip 1 vor einem Herausfallen aus dem Positionierungselement 12 geschützt, wenn der Sensorchip 1 zusammengebaut wird.
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Obwohl das Stützelement 14 durch das erste bis dritte zylindrische Element 16a bis 16c gestützt wird, kann das Stützelement 14 durch eine hermetische Glasabdichtung positioniert und gestützt werden.
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Obwohl der elektrische Draht 15 in das zylindrische Element 11 eingefügt ist, kann die Gesamtlänge des Stützelements 14 derart verlängert werden, dass der elektrische Draht 15 an einem Außenabschnitt oder nahe der Außenseite des zylindrischen Elements 11 angeschlossen wird. In diesem Fall kann das Stützelement 14 durch die hermetische Glasabdichtung an Stelle des ersten bis dritten zylindrischen Elements gestützt werden.
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Derartige Änderungen und Modifikationen sollen als mit in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beinhaltet verstanden werden, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
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Vorstehend wurde ein eine Membran aufweisender Drucksensor offenbart.
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Ein Drucksensor weist auf: ein Gehäuse 11; einen Sensorchip 1 mit einem Messwiderstand 5; einen auf dem Messwiderstand 5 angeordneten Vorsprung 2; eine Metallmembran 17, die sich in Übereinstimmung mit einem Druck verformen kann; und ein Belastungsübertragungselement 18, das zwischen der Metallmembran 17 und dem Vorsprung 2 angeordnet ist. Das Gehäuse 11 bringt den Sensorchip 1, den Vorsprung 2 und das Belastungsübertragungselement 18 unter. Das Gehäuse 11 ist mit der Metallmembran 17 bedeckt. Der auf die Membran 17 aufgebrachte Druck wird derart erfasst, dass die dem Druck entsprechende Belastung über die Metallmembran 17, das Belastungsübertragungselement 18 und den Vorsprung 2 auf den Messwiderstand 5 aufgebracht wird, so dass der Druck auf der Grundlage einer Widerstandsänderung des Messwiderstands 5 gemessen wird. Der Messwiderstand 5 ist größer als der Vorsprung 2.
