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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der Hochdrucksensoren. Solche Sensoren
werden vorwiegend auf dem Gebiet der Hydraulik eingesetzt, um Drucke
von einigen 10 bis vielen 100 bar reproduzierbar zu messen. Derartige
Sensoren müssen
im Aufbau extrem stabil und haltbar ausgeführt sein, außerdem korrosionsfest und
sicherheitstechnisch zuverlässig.
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In
besonders großer
Zahl werden Hochdrucksensoren im Kraftfahrzeugbereich bei der Benzindirekteinspritzung,
bei der Common-Rail-Dieseldirekteinspritzung und in der Hydraulik
der Fahrdynamikregelung eingesetzt.
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In
jedem dieser Fälle
kommt es bei der Anwendung auf absolute Zuverlässigkeit, reproduzierbar genaue
Messung, Ausfallsicherheit, Temperaturstabilität und geringen Preis an.
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Für die genannten
Anwendungen ist bereits vorgeschlagen worden, Hochdrucksensorelemente
mit piezoresistiven Funktionsschichten aus NiCrSi-Legierungen einzusetzen.
Es ist ebenfalls vorgeschlagen worden, derartige Sensorelemente
mit einer in der Hochdrucksensoreinrichtung selbst angeordneten
Auswerteschaltung zu verbinden und somit eine Hochdrucksensoreinrichtung
zu schaffen, die einerseits an einen hydraulischen Druckraum anschließbar ist
und andererseits ein vorverarbeitetes Ausgangssignal liefern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Sensoren,
insbesondere bezüglich des
Aufbaus zu vereinfachen um eine weniger aufwendige und kostengünstigere
Herstellung zu ermöglichen.
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Die
Erfindung bezieht sich dabei auf eine Hochdrucksensoreinrichtung
mit einem Drucksensorelement und einer elektrischen Schaltung insbesondere
in Form eines Halbleiterbauelements, wobei das Drucksensorelement
eine unter Druckeinfluss verformbare Membran sowie eine Funktionsschicht
aufweist, die bei Verformung eine elektrische Eigenschaft ändert und
die wenigstens einen elektrischen Anschlussbereich aufweist.
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Bei
einer derartigen Hochdrucksensoreinrichtung wird die genannte Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die elektrische Schaltung mit dem elektrischen Anschlussbereich
direkt mittels einer Lotschicht verbunden ist.
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STAND DER
TECHNIK
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Es
ist bei bestehenden Hochdrucksensoreinrichtungen vorgeschlagen worden,
elektrische Signale beziehungsweise Messgrößen der Funktionsschicht mittels
Bonddrähten
oder Federkontaktelementen oder auch in flexible Folien integrierter
Leiter zu der entsprechenden Auswerteschaltung zu leiten. Die Auswerteschaltung ist
dann in dem Gehäuse
der Hochdrucksensoreinrichtung unabhängig von dem Drucksensorelement
angeordnet und mit diesem wie beschrieben mittels einer flexiblen
elektrischen Verbindung kontaktiert. Die Auswerteschaltung besteht
dabei typisch aus einer Leiterplatte oder einem Aufbau in Hybridtechnik,
wobei mindestens eine integrierte Schaltung in Form eines Halbleiterchips
mit einem komplexen Teil der Auswerteschaltung vorgesehen ist. Zusätzlich können weitere
Beschaltungselemente in diskreter Ausführung innerhalb des Gehäuses vorgesehen
sein, die für
die Optimierung der elektromagnetischen Eigenschaften der Hochdrucksensoreinrichtung
sorgen.
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Ein
derartiger Aufbau erfordert jedoch bei der Fertigung mehrere Einzelschritte
wie den Einbau des Hochdrucksensorelementes, den Einbau der Auswerteschaltung
und die elektrische Verbindung dieser beiden Elemente.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Durch
den erfindungsgemäßen Aufbau
kann die elektrische Schaltung, insbesondere das Halbleiterbauelement
unmittelbar auf dem Drucksensorelement, und zwar auf dessen Funktionsschicht
mittels des Lotes befestigt und gleichzeitig mit diesem elektrisch
in den Anschlussbereichen verbunden werden. Das Drucksensorelement
kann somit auch die elektrische Schaltung tragen. Diese beiden Elemente
müssen
daher nicht unabhängig
voneinander in das Gehäuse
eingebaut werden. Die elektrische und mechanische Verbindung der elektrischen
Schaltung beziehungsweise des Halbleiterbauelementes mit dem Drucksensorelement
werden somit zu einem einzigen Arbeitsschritt und zu einem einzigen
konstruktiven Merkmal, nämlich
dem Verbindungslot zusammengefasst. Dabei treten als positive Nebenwirkungen
einerseits die gute thermische Ankopplung der elektrischen Schaltung
an das Drucksensorelement und andererseits eine extreme Verkürzung der Zuleitungen
und entsprechende Verringerung der Störungsanfälligkeit durch Einstrahlung
elektromagnetischer Strahlung ein.
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Die
Lotverbindung kann einfach dadurch gestaltet werden, dass auf eines
der beiden zu verbindenden Teile, entweder die Funktionsschicht
des Drucksensorelementes oder die dem Drucksensorelement zugewandte
Unterseite der elektrischen Schaltung insbesondere des Halbleiterbauelementes
ein Lot mittels eines Druckverfahrens oder auf ähnliche bekannte Weise aufgebracht
wird, und dass dann die beiden Teile in einem Ofen einem Reflow-Prozess
unterworfen werden.
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Zusätzliche
diskrete Beschaltungselemente wie Kondensatoren und Widerstände können entweder mit
dem Halbleiterbauelement fest verbunden sein oder in dem Gehäuse der
Hochdrucksensoreinrichtung untergebracht und beispielsweise später mit
einem Harz vergossen werden.
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Die
Verbindungstechnik des Halbleiterbauelementes mit der Funktionsschicht
gelingt mit dem als Flip-Chip-Technologie bekannten Verfahren. Auf
der dem Drucksensorelement zugewandten Unterseite des Halbleiterbauelementes,
das typischerweise im wesentlichen aus Silizium besteht, kann eine
Aluminiummetallisierung mit einer Beimischung von wenigen Prozent
Silizium und Kupfer aufgebracht werden und diese kann von einer
Nickelschicht überdeckt
sein. Die Nickelschicht kann beispielsweise zwischen 1 und 5 μm dick sein und
wird als Underbump-Metallisierung bezeichnet. Sie kann außerdem von
einer 50 nm dünnen
Goldschicht als Korrosionsschutzschicht überdeckt sein.
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Auch
die Funktionsschicht aus der NiCrSi-Legierung kann zusätzlich von
einer Nickelschicht mit einer Schichtdicke von einigen μm versehen
sein.
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In
einem an sich bekannten Bumping-Verfahren werden beispielsweise
im Schablonendruck Lotkugeln, bestehend aus PbSn oder im bleifreien
Fall SnAgCu im Durchmesser von ca. 100 μm auf eine der beiden Seiten
aufgebracht. Danach werden die Teile in der Sollposition aneinander
gefügt
und in einem Reflow-Ofen in bekannter Weise durch Aufschmelzen des
Lotes elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Dabei ist
ein Minimalabstand von ca. 200 μm
zwischen den Bump-Kontakten einfach umsetzbar.
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In
dem Bereich zwischen dem Halbleiterbaulelement und der Funktionsschicht,
der nicht von geschmolzenem Lot ausgefüllt ist, bietet sich eine Füllung (Underfill)
durch einen organischen Verbindungswerkstoff, beispielsweise ein
Epoxidharz an. Der Verbindungswerkstoff sollte elastisch sein, um
die Verformung der Funktionsschicht, die zur Messung von Druckänderungen
notwendig ist, nicht zu behindern.
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Da
die Membran eines typisch für
die Messung von hohen Drucken eingesetzten Drucksensorelementes
oft aus Stahl besteht, ist zwischen der Membran und der piezoelektrischen Funktionsschicht,
insbesondere dann wenn diese verschiedene elektrisch voneinander
getrennte Anschlussbereiche aufweist, eine Isolationsschicht vorzusehen.
Der vorgeschlagene Aufbau ermöglicht
eine automatisierte Bearbeitung, wobei sich die meisten Arbeitsschritte
an der dem Halbleiterbauelement zugewandten Außenfläche der Membran (= Werkstückträgerebene)
orientieren. Auf diese Ebene wird zunächst die Isolationsschicht
und danach die Funktionsschicht aufgebracht, darauf die Lötbumps und
danach wird dort die Auswerteschaltung in Form des Halbleiterbauelementes
positioniert. Vor oder nach dem Reflow-Prozess wird dort auch der
organische Verbindungwerkstoff (Underfill) eingebracht und damit
die Funktionsschicht gegen äußere Einflüsse geschützt (passiviert).
Damit sind die komplexesten und sensibelsten Arbeitsschritte beim
Aufbau der Hochdrucksensoreinrichtung ausgehend von einer einzigen
Referenzfläche
durchführbar.
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Danach
kann der Hochdrucksensor mit einem Druckstutzen durch Schweißen verbunden
und die so entstandene Einheit mit einem Gehäuse versehen werden.
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ZEICHNUNGEN
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung
gezeigt und anschließend
beschrieben.
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Dabei
zeigt
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1 schematisch
im Längsschnitt
Teile aus einer Hochdrucksensoreinrichtung;
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2 in
einer Draufsicht ein Halbleiterbauelement wie es gemäß 1 Anwendung
finden kann;
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3 die
unterhalb des in 2 dargestellten Halbleiterbauelementes
liegenden Funktionselemente der Funktionsschicht;
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4 Teile
einer Hochdrucksensoreinrichtung schematisch im Längsschnitt
mit gegenüber
der 1 unterschiedlicher Kontaktierung des Halbleiterbauelementes;
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5 das
Halbleiterbauelement aus 4 in einer Draufsicht;
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6 schematisch
die Teile der Hochdrucksensoreinrichtung aus 1 im Einbauzustand
in einem Gehäuse;
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7 eine
Gesamtansicht einer Hochdrucksensoreinrichtung schematisch im Längsschnitt;
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8 eine
Gesamtansicht einer Hochdrucksensoreinrichtung gemäß dem Stand
der Technik im Längsschnitt;
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9 eine
Hochdrucksensoreinrichtung gemäß 8 aus
dem Stand der Technik in einer Explosionsdarstellung.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt
schematisch ein Drucksensorelement 1, das ein Stahlsubstrat 2,
eine Membran 3, eine Isolationsschicht 4 und eine
Funktionsschicht 5 aufweist. Das Stahlsubstrat 2 umgibt
gemeinsam mit der Membran 3, die ebenfalls aus Stahl besteht,
einen Druckraum 6, der an einen Hydraulikanschluss angekoppelt
wird, so dass der Druck in einem angeschlossenen Hydraulikraum auf
die Membran 3 wirken kann. Diese ist in ihrer Dicke so
bemessen, dass sie bei den in Frage kommenden Drucken eine elastische
mechanische Auslenkung erfährt.
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Eine
Funktionsschicht 5 ist auf die Membran 3 unter
Zwischenlage einer Isolationsschicht 4, beispielsweise
aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einem Metalloxid, aufgebracht.
Die Funktionsschicht 5 besteht aus einem piezoresistiven
Werkstoff wie beispielsweise einer NiCrSi-Legierung. Diese erzeugt bei einer Verformung
in Folge einer Auslenkung der Membran 3 eine Widerstandsänderung
oder eine Piezospannung, die abgenommen und gemessen werden kann.
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3 zeigt
Funktionselemente 7, 8 der Funktionsschicht 5,
die eine Brückenschaltung
mit Anschlussbereichen 9, 10, 11, 12 bilden.
Elektrische Signale können
an diesen Anschlussbereichen abgenommen und einer Auswerteschaltung
zugeführt
werden, wie in der 2 in Form des Halbleiterbauelementes 13 dargestellt
ist. Diese besteht aus einem Silizium-Chip, der entsprechende Halbleiterfunktionselemente
in Form von logischen Gattern und ähnlichen Elementen enthält.
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Wie
in der 2 dargestellt ist, sind die elektrischen Anschlussbereiche 9, 10, 11, 12 der
Funktionsschicht an Anschlussstellen des Halbleiterbauelementes 13 angeschlossen,
die jeweils auf Zungen 14, 15, 16, 17 des
Halbleiterbauelementes 13 liegen. Die Zungen sind jeweils über schmale
Brücken
mit dem Kern des Halbleiterbauelementes verbunden. Auf diese Weise
wird eine hohe Elastizität
erreicht, so dass bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen
der Funktionsschicht 5 und des Halbleiterbauelementes 13 diese durch
elastische Verformung der Zungen 14, 15, 16, 17 ausgeglichen
werden können.
Die Zungen werden derart an dem Halbleiterbauelement 13 vorgesehen,
dass zunächst
von einer Seite des Halbleiterbauelementes Nuten eingebracht werden,
die das Halbleiterbauelement nicht vollständig durchsetzen, sondern eine
definierte Tiefe haben, und dass darauf das Halbleiterbauelement
von der anderen Seite so weit bearbeitet wird bis der Boden der
Nut erreicht ist, so dass die Zungen von dem Kern des Halbleiterbauelementes
getrennt werden.
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Das
Halbleiterbauelement 13 weist zusätzlich zu den genannten Anschlussstellen
noch weitere Anschlüsse 18, 19 auf,
an denen die vorverarbeiteten Messsignale von dem Halbleiterbauelement ausgegeben werden.
Durch entsprechende Lötbumps,
wie sie beispielhaft in der 1 mit 20, 21 bezeichnet
sind, und die jeweils die leitenden Verbindungen zwischen dem Halbleiterbauelement 13 und
der Funktionsschicht 5 herstellen, werden diese Ausgangssignale
wieder auf die Funktionsschicht 5 geleitet, von wo sie
dann mittels der Anschlussdrähte 22, 23 an
einen Außenanschluss
der Hochdrucksensoreinrichtung geleitet werden.
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Die 4 zeigt
ein Drucksensorelement 1 mit einer Isolationsschicht 4 und
einer Funktionsschicht 5 gleich denen, die in der 1 dargestellt
sind, wobei auch das Halbleiterbauelement 13' mit der Funktionsschicht 5 durch
Lötbumps 20, 21 elektrisch
leitend verbunden ist, wobei im Unterschied zu der 1 jedoch die
Ausgangssignale nach der Verarbeitung in dem Halbleiterbauelement 13' nicht zu der
Funktionsschicht 5 zurückgeleitet,
sondern mittels Durchkontaktierungen 24, 25 unmittelbar
zur Oberseite des Halbleiterbauelementes 13' geführt und von dort mittels Anschlussdrähten 26, 27 zu
einem Außenanschluss
der Hochdrucksensoreinrichtung geführt werden.
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Die
entsprechende Aufsicht auf das Halbleiterbauelement 13' zeigt die 5.
Dort sind die Anschlussbereiche 9, 10, 11, 12 in
derselben Anordnung wie in der 2 vorhanden.
Jedoch sind die zusätzlichen
Anschlüsse 18, 19 in
anderer Weise realisiert, nämlich
mittels der Durchkontaktierungen 24, 25 wie schon
in der 4 angedeutet.
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Die 6 zeigt
schematisch den Einbau der oben beschriebenen Teile einer Hochdrucksensoreinrichtung
in ein Gehäuse,
wobei auf eine Ausführungsform
gemäß den 1, 2 und 3 Bezug
genommen ist.
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Im
Unterschied zu den 1 und 4 ist das
Halbleiterbauelement 13 noch weiter vereinfacht und auch
das sogenannte Underfill, das in den 1 und 4 mit
dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist, weggelassen. Das Underfill
besteht typisch aus einem Epoxidharz und füllt den Zwischenraum zwischen
dem Halbleiterbauelement 13, 13' und der jeweiligen Funktionsschicht 5 aus,
der zwischen den Lötbumps 20, 21 liegt. Außerdem dient
der organische Werkstoff dazu, die genannten beiden Teile fest miteinander
zu verbinden, wobei jedoch eine Elastizität des Underfill-Werkstoffes
gewährleistet
sein muss, um eine Beeinflussung der Funktionsschicht bei Membranauslenkung
zu verhindern.
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Die 6 zeigt,
dass das Drucksensorelement 1 im Bereich 29 mit
einem Druckstutzen 30 fest und hydraulisch dicht verschweißt ist.
Dieser Bereich ist fest mit einem Sechskantflansch 31 verbunden.
Der Sechskantflansch 31 trägt ein Kunststoffgehäuse 32 welches
das Halbleiterbauelement 13 umgibt.
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Das
Gehäuse 32 trägt außerdem feste
Außenanschlüsse in Form
von Metallpins 33, 34, die beispielsweise Steckerstifte
bilden können.
Die Metallpins 33, 34 sind mittels eines Löt- oder
Vergusswerkstoffes 35 fest mit dem Gehäuse 32 verbunden.
Die Zuleitungen 22, 23 dienen der Verbindung des
Halbleiterbauelementes 13 mit den Außenanschlüssen 33, 34.
Dabei können
entweder innerhalb des Gehäuses 32 oder
innerhalb eines weiteren weiter außen liegenden und in der 6 nicht
dargestellten Gehäuses
diskrete Schaltelemente angeordnet sein, die mit den Zuleitungen 22, 23 verbunden
oder in diese eingefügt
sein können,
beispielsweise Widerstände
oder Kondensatoren, die zur Beschaltung der Hochdrucksensoreinrichtung
beispielsweise zum Schutz vor schädlichen elektromagnetischen
Einstrahlungen dienen können.
Das Innere des Gehäuses 32 und/oder
Teile des Gehäuses,
welches weiter außen
liegt und in der 7 dargestellt ist, können mittels
eines üblichen
Vergusswerkstoffes zur Stabilisierung, Abdichtung und elektrischen
Abschirmung wenigsten teilweise vergossen sein.
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Die
dargestellte Hochdrucksensoreinrichtung ist einfach und kostengünstig herzustellen
und besonders einfach an eine Hochdruckeinrichtung anschließbar, wobei
die ausgegebenen Messsignale vorverarbeitet sind und einfach weiterverarbeitet
werden können.
Durch die vorliegende Erfindung verbindet die beschriebene Einrichtung
geringe Baugröße mit hoher
Zuverlässigkeit
und Standfestigkeit. Es versteht sich, dass die als vorteilhaft
beschriebenen Merkmale verschiedener Ausführungsformen auch untereinander
im erfindungsgemäßen Sinne
kombiniert werden können.
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