DE102006028673A1

DE102006028673A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102006028673A1
Application number: DE102006028673A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Kariya Tanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: US7287433B2; FR2887629B1; JP4556784B2; JP2007003449A; CN100456007C; US20060288793A1; DE102006028673B4; FR2887629A1; CN1892198A

Abstract

Ein Drucksensor (100, 110) zum Erfassen eines Drucks und zum Ausgeben eines Signals auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekts weist ein Substrat (10) mit einem Sensorchip (10) auf einer Seite (11) in einem dünnen Abschnitt (14) und einem konkaven Abschnitt (13) auf einer anderen Seite (12), einen Piezowiderstand (15) in dem Sensorchip (10), einen Sockel (20), der an dem Substrat (10) befestigt ist und ein Durchgangsloch (21) zum Zuführen des Drucks zu dem Sensorchip (10) aufweist, und ein Gelmaterial (30) auf, das zum Schutz des Sensorchips (10) in den konkaven Abschnitt (13) und das Durchgangsloch (21) gefüllt ist. Ein Verhältnis eines Durchmessers (L) des Durchgangslochs (21) zu einer Dicke (T) des Sockels (20) liegt im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Drucksensor.

Es ist ein Drucksensor zur Erfassung eines Drucks mit Hilfe einer Halbleitermembran bekannt, bei dem ein Gelmaterial verwendet wird, um einen Druckzuführungsabschnitt in einem Sockelabschnitt zu schützen. Die in der JP-A-H4-370726, der JP-A-H5-133827, der JP-A-H11-201845 und der US 6,651,508 offenbarten Drucksensoren weisen einen Aufbau auf, bei dem das Gelmaterial zum Schutz des Sockels verwendet wird. Der Drucksensor in der Offenbarung weist einen Sensorchip mit einer Halbleitermembran auf, der ein Piezowiderstandselement auf einer Seite und einen konkaven Abschnitt auf einer Rückseite eines Sensorbereichs und einen Sockel aufweist, der aus Glas oder dergleichen besteht und ein Durchgangsloch aufweist, welches den konkaven Abschnitt mit einer Außenseite des Sensors verbindet.

Der Sockel wird durch anodisches Bonden (Anodic Bonding) mit dem Sensorchip verbunden und der konkave Abschnitt des Sensorchips zum Schutz einer Rückseite des Membran-Sensorchips mit einem Gelmaterial gefüllt.

Der Membran-Sensorchip erfasst einen Druck, der über das mit dem Gelmaterial gefüllte Durchgangsloch zugeführt wird. Der Sensorchip entspricht einem so genannter "rückseitenversiegelten Membran-Sensorchip". Der Sensorchip gibt auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekts ein einem aufgebrachten Druck proportionales Signal aus.

Es ist erforderlich, den Sensorchip zu schützen, da dieser zur Erfassung eines Drucks einer Flüssigkeit oder eines Gases mit einer korrodierenden Wirkung verwendet wird. Das Gelmaterial wird dazu verwendet, den Sensorchip vor einer durch die Flüssigkeit oder das Gas verursachten Korrosion zu schützen.

Das Gelmaterial dient ebenso dazu, den Membran-Sensorchip vor einem Bruch, einer Verformung oder dergleichen, der/die durch eine Ausdehnungskraft eines Kühlwassers in dem Durchgangsloch verursacht wird, zu schützen.

Der Drucksensor wird zur Erfassung eines Abgasdrucks eines Dieselmotors oder dergleichen verwendet. Praxisnaher beschrieben, der Drucksensor erfasst den Abgasdruck in oder um einen DPF (Diesel-Partikelfilter) oder ein EGR-(Abgasrückführungs)-System.

Es wird jedoch angenommen, dass der Drucksensor in einem Abgasrohr eines Fahrzeugs oder dergleichen eingesetzt wird, wo sich die Umgebungstemperatur in einem breiten Bereich von 0 bis 100 Grad Celsius ändert. Bei einer Temperatur von beispielsweise -30 Grad verfestigt sich das Gelmaterial in dem Durchgangsloch, was dazu führt, dass eine Verformungskraft gegen die Rückseite der Membran drückt. Dies führt dazu, dass der Membranabschnitt des Sensorchips derart verformt wird, dass er ein falsches Ausgangssignal erzeugt. D.h., der Drucksensor einer herkömmlichen Bauart weist keine Maßnahme auf, um mit einer Situation, wie beispielsweise einer sehr niedrigen Temperatur oder dergleichen, umzugehen.

Es ist angesichts des vorstehend beschriebenen Problems sowie weiterer Probleme Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, der einer Um gebungsänderung, wie beispielsweise einer Temperaturänderung, gegenüber strukturell beständig ist.

Der Drucksensor der vorliegenden Erfindung weist einen Sockel mit einem Durchgangsloch zum Verbinden einer Außenseite mit einer Rückseite eines Sensorabschnitts der Membran auf. Eine durch ein Gelmaterial in dem Durchgangsloch verursachte Verformung wird verhindert, wenn ein Durchmesser des Durchgangslochs groß genug ist. D.h., das Gelmaterial kann sich in einem ausreichend großen Durchgangsloch selbst dann, wenn es sich bei sehr niedriger Temperatur verfestigt, in einer zu der Membran entgegengesetzten Richtung ausdehnen. Auf diese Weise kann eine Verformung bzw. Verzerrung der Membran auf der Rückseite strukturell verhindert werden.

Bei dem Drucksensor gemäß der Offenbarung der vorliegenden Erfindung wird ein Verhältnis des Durchmessers L des Durchgangslochs gegenüber einer Dicke T des Sockels untersucht. D.h., das experimentell bestimmte Verhältnis L/T hat bewiesen, dass mit ihm eine Verformung des Gelmaterials bei sehr niedriger Temperatur auf der Rückseite der Membran wirksam verhindert werden kann.

Das Verhältnis L/T ist für den Drucksensor der vorliegenden Erfindung als im Wesentlichen zwischen 1 und 3 liegender Wert bestimmt, da die Verformung des Gelmaterials in dem Durchgangsloch in Richtung der Membran bei sehr niedriger Temperatur strukturell eingeschränkt wird, wenn das Durchgangsloch einen großen Durchmesser bezüglich der Dicke des Sockels aufweist. D.h., wenn das Durchgangsloch in axialer Richtung verhältnismäßig flach ist, kann eine durch das verfestigte Gelmaterial verursachte Verformung der Membran verhindert werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Durchgangsloch in dem Sockel des Sensorchips einen Durchmesser auf, der kleiner als ein Durchmesser eines konkaven Abschnitts auf der Rückseite des Sensorchips ist. Auf diese Weise ist der Sensorchip aufgrund eines ausreichend großen Bereichs, der zum Befestigen des Sensorchips auf dem Sockel verwendet wird, fest an dem Sockel befestigt.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Sockel des Sensorchips auf einem Gehäuse angeordnet, das ein weiteres Durchgangsloch aufweist, das mit dem Durchgangsloch des Sockels verbunden ist, wobei das Gelmaterial in beide Durchgangslöcher gefüllt ist und ein Durchmesser des weiteren Durchgangslochs auf der Sockelseite größer als ein Durchmesser des Durchgangslochs in dem Sockel ist. Auf diese Weise wird der Druck des Messobjekts zu dem Membranabschnitt des Sensorchips geführt und der Sensorchip durch das Gelmaterial geschützt, dessen Druck bei niedriger Temperatur in geeigneter Weise vor einem Aufbringen auf die Membran abgelenkt wird.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das weitere Durchgangsloch in dem Gehäuse eine Trichterform auf, wobei sich der Durchmesser des Lochs zu einer Außenseite des Gehäuses vergrößert. Auf diese Weise wird der Druck des Gelmaterials in dem Loch in geeigneter Weise von der Membran abgelenkt, da die Bewegung des Gelmaterials zu einer der Membran entgegengesetzten Richtung geführt wird. Ferner kann das Gelmaterial den Druck des Messobjekts auf der Außenseite des Gehäuses aufgrund der sich zu der Außenseite des Gehäuses vergrößernden Trichterform selbst bei niedriger Temperatur erfassen.

Weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich sein. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 einen Schaltplan einer auf dem Drucksensor der Ausführungsform gebildeten Brückenschaltung;
3 ein Diagramm eine Beziehung zwischen einem Verhältnis L/T und einer Sensorcharakteristikänderung;
4 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausgestaltung der Ausführungsform; und
5 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung der Ausführungsform.
Nachstehend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In den Ausführungsformen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Drucksensor 100 der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise zum Messen eines Drucks eines Messobjekts, wie beispielsweise eines Abgases in einem Abgasrohr eines Dieselmotors, verwendet, um einen Differenzdruck eines DPF (Diesel-Partikelfilter), einer Flüssigkeit in einer Rohrleitung oder dergleichen zu bestimmen.
1 zeigt eine Querschnittsansicht des Drucksensors 100 der vorliegenden Ausführungsform. Der Drucksensor 100 weist einen Sensorchip 10 mit einer Halbleiter membran, einen Sockel 20 mit einem Durchgangsloch 21 zum Zuführen eines Drucks von Außerhalb und ein in das Durchgangsloch 21 gefülltes Gelmaterial 30 auf.
Der Sensorchip 10 ist aus einem Halbleitersubstrat, wie beispielsweise einem Siliziumhalbleitersubstrat oder dergleichen, gebildet und weist eine Oberseite 11 und eine Rückseite 12 mit einem konkaven Abschnitt 13 auf, der mit Hilfe eines chemischen Ätzverfahren oder dergleichen darauf gebildet ist. Ein dünner Abschnitt auf der Oberseite 11 des Sensorchips 10 ist als Membran 14 ausgebildet.
Die Membran 14 auf der Oberseite 11 des Sensorchips 10 weist einen Piezowiderstand 15 auf, der als diffundierter Widerstand oder dergleichen gebildet ist. Die Piezowiderstände 15 auf der Oberseite 11 des Sensorchips 10 bilden, wie in 2 gezeigt, eine Brückenschaltung. D.h., der Sensorchip 10 der vorliegenden Ausführungsform verwendet Piezowiderstände 15, um als Halbleitermembran-Sensorchip zu arbeiten.
Der Sensorchip 10 gibt auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekt (spezifischer Piezowiderstand) ein Signal aus, das proportional zu einem Druck ist, mit welchem der Chip 10 beaufschlagt wird.
Praxisnaher beschrieben, der Sensorchip 10 gibt das Signal auf der Grundlage einer Verformung der den Druck empfangenden Membran 14 aus, und die Verformung der Membran 14 wird in das Signal gewandelt, das mit Hilfe der auf der Membran 14 gebildeten Brückenschaltung proportional angepasst wird.
Der Sensorchip 10 ist an einem dicken Abschnitt 16, welcher die Membran 14 auf der Rückseite 12 umgibt, auf dem Sockel 20 befestigt. Der Sockel 20 des Sensorchips 10 ist aus Glas gebildet und durch ein anodisches Bonden (Anodic Bonding) an dem Sensorchip 10 befestigt.
Das Durchgangsloch 21 des Sockels 20 verbindet eine Sensorchipseite des Sockels 20 mit einer anderen Seite. Das Durchgangsloch 21 des Sockels 20 ist gewöhnlich ein geradlinig geformtes Loch mit einem kreisförmigen Querschnitt.
Der Sensorchip 10 weist das Durchgangsloch 21 des Sockels 20 von der Rückseite 12 zur Membran 14 gegenüberliegend auf. D.h., das Durchgangsloch 21 des Sockels 20 führt Druck von Außerhalb des Sensorchips 10 zu der Membran 14 in dem konkaven Abschnitt 13 des Sensorchips 10.
Dies führt dazu, dass das Durchgangsloch 21 mit einem Durchmesser L und der Sockel 20 mit einer Dicke T ein Verhältnis in einem Bereich zwischen 1 und 3 aufweisen. D.h., die Beziehung zwischen L und T wird durch eine Ungleichung 1 < L/T < 3 beschrieben.
Ferner ist eine Öffnung 21a des Durchgangslochs 21 auf einer Sensorchipseite größer als eine Öffnung des konkaven Abschnitts 13. D.h., ein Durchmesser der Öffnung 21a ist größer als ein Durchmesser des konkaven Abschnitts 13. Auf diese Weise ragt ein Schulterabschnitt 22 des Sockels 20, wie in 1 gezeigt, von einer Ecke der Öffnung des konkaven Abschnitts 13 des Sensorchips 10 hervor.
Das Durchgangsloch 21 wird mit Hilfe eines Ultraschallschneideverfahrens, eines Sandstrahlschneideverfahrens oder dergleichen gebohrt.
Der Sockel 20 ist beispielsweise eine ebene quadratische Platte mit einer entsprechenden Form zu einer quadratischen Form des Sensorchips 10. Der Durchmesser L des Durchgangslochs 21 liegt beispielsweise in einem Bereich von annähernd 0.8 bis 2.1 mm, und die Dicke T des Sockels 20 liegt in einem Bereich von annähernd 0.7 bis 2.1 mm, wobei ein Verhältnis L/T innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3 liegt.
Der Piezowiderstand 15 auf dem Sensorchip 10 ist für eine erhöhte Empfindlichkeit auf einem Abschnitt abgeordnet, an dem sich die Membran 14 in hohem Maße verformt bzw. verzerrt. D.h., der Piezowiderstand ist in der Nähe der Membran 14 angeordnet. Ferner ist der Piezowiderstand 15 in der Öffnung 21a auf der Sensorchipseite des Durchgangslochs 21 des Sockels 20 angeordnet.
Der konkave Abschnitt 13 des Sensorchips 10 und das Durchgangsloch 21 des Sockels 20 sind mit dem Gelmaterial 30 gefüllt. Die Membran 14 des Sensorchips 10 ist durch das Gelmaterial 30 versiegelt und geschützt.
Das Gelmaterial 30 ist beispielsweise ein Gelzustandsmaterial, das aus einem Silikongel, einem Fluorgel, einem Fluorsilikongel oder dergleichen besteht. Das Gelmaterial 30 wird in das Durchgangsloch 21 gegossen und zur Versiegelung teilweise in dem Loch 21 gehärtet.
Der Drucksensor 100, d.h. die Rückseite 12 der Membran 14 des Sensorchips 10, wird durch das Gelmaterial 30 von korrodierenden Gasen oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Abgas eines Dieselmotors, geschützt.
Der Drucksensor 100 der vorliegenden Erfindung weist zur Installation in einem Abgassystem eines Fahrzeugs ein Gehäuse 40 auf. Das Gehäuse 40 weist einen Anschluss (nicht gezeigt) zur elektrischen Verbindung mit einer äußeren Schaltung auf.
Das Gehäuse 40 besteht beispielsweise aus Harz, wie beispielsweise PBT (Polybutylen-Terephthalat), PPS (Polyphenylensulfid) oder dergleichen. Der Anschluss, der durch Insert-Molding auf dem Gehäuse gebildet ist, besteht beispielsweise aus Kupfer, 42-Legierung (Eisen-Nickel-Legierung) oder dergleichen.
Der Sensorchip 10 auf dem Sockel 20 ist mit Hilfe eines Klebemittels 50 auf dem Gehäuse 40 befestigt. Das Klebemittel 50 ist beispielsweise ein Harzklebemittel, wie beispielsweise ein Silikonklebemittel, ein Fluorsilikonklebemittel oder dergleichen.
Der Anschluss auf dem Gehäuse 40 und der Sensorchip 10 sind mit beispielsweise einem aus Gold, Aluminium oder dergleichen bestehenden Bonddraht (nicht gezeigt) elektrisch miteinander verbunden. Folglich sind der Sensorchip 10 und eine äußere Schaltung bzw. ein äußeres Teil elektrisch miteinander verbunden.
Der Sockel 20 ist auf einer der Sensorchipseite gegenüberliegenden Seite auf dem Gehäuse 40 befestigt. Das Gehäuse 40 weist ein Loch 41 zum Zuführen eines Drucks von Außerhalb des Gehäuses 40 auf. Das Loch 41 und das Durchgangsloch 21 sind miteinander verbunden und mit dem Gelmaterial 30 gefüllt.
Das Loch 41 auf dem Gehäuse 40 weist beispielsweise die Form eines kreisförmigen Lochs auf. Ein Durchmesser L1 des Lochs 41 auf der Durchgangslochseite ist größer als ein Durchmesser L des Durchgangslochs 21.
Ferner nimmt der Durchmesser des Lochs 41 zu einer gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 40 zu. D.h., das Loch 41 auf dem Gehäuse 40 weist in Richtung einer Druckmessseite eine Trichterform auf.
Der Drucksensor 100 mit dem Sensorchip 10, welcher die Piezowiderstände 15 und weiteren, darauf angeordnete Teile aufweist, wird mit Hilfe bekannter Halbleiterfertigungsverfahren, wie beispielsweise dem CVD-(Chemische Gasphasenabscheidung)-Verfahren, dem Sputtern, dem anisotropen Ätzen und dergleichen, gefertigt.
Der Drucksensor 100 erfasst einen Druck des Messobjekts durch Zuführung des Drucks von dem Loch 41 des Gehäuses 40 zu dem Durchgangsloch 21 des Sockels 20, wobei das die Rückseite 12 des Sensorchips 10, d.h. die Rückseite 12 der Membran 14, schützende Gelmaterial 30 zur Übertragung des Drucks dient. Der Sensorchip 10 gibt auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekts das dem Druck, mit dem der Sensor beaufschlagt wird, proportionale Signal aus. Das Signal wird an einem Anschluss (nicht gezeigt) ausgegeben, der über eine Drahtverbindung mit dem Chip 10 verbunden ist.
Der auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebaute Drucksensor 100 wird zur Erfassung von beispielsweise einem Differenzdruck in einem Abgassystem eines Dieselmotors verwendet. D.h., ein Druck kann sowohl von der Sensorchipseite (die Oberseite 11) als auch von der Rückseite 12 auf den Sensor 100 aufgebracht werden, um den dünnen Abschnitt (die Membran 14) des Sensors 100 zu verformen. Die Verformung des dünnen Abschnitts wird in ein Drucksignal gewandelt, das von dem auf dem Chip 10 gebildeten Piezowiderstand 15 über den Anschluss an eine äußere Schaltung oder dergleichen gegeben wird.
2 zeigt einen Schaltplan einer auf dem Drucksensor 100 der vorliegenden Ausführungsform gebildeten Brückenschaltung. Die Piezowiderstände 15a, 15b, 15c, 15d werden, wie in 2 gezeigt, verwendet, um die Wheatstone-Brückenschaltung zur Druckerfassung zu bilden. D.h., ein auf den Sensorchip 10 aufgebrachter Druck wird als Ausgangsspannung Vout zwischen Anschlüssen Pa und Pb infolge des Piezowiderstandseffekts der Widerstände 15a, 15b, 15c, 15d, die unter dem beaufschlagten Druck verformt werden, erfasst, wenn eine Eingangsspannung V eines Gleichstroms zwischen den Anschlüssen Ia und Ib anliegt. Der aufgebrachte Druck wird proportional in das Ausgangssignal gewandelt.
Der Drucksensor 100 der vorliegenden Ausführungsform wird verwendet, um einen Druck bei einer extremen Bedingung zu erfassen. D.h., die Umgebungstemperatur ändert sich in einem breiten Bereich, wie beispielsweise einem Bereich von 0 bis 100 Grad Celsius oder dergleichen.
Der Drucksensor 100 zur Verwendung bei der extremen Bedingung ist gemäß der nachstehenden Beschreibung aufgebaut, um einen Umgebungseffekt selbst bei einer Temperatur von annähernd -30 Grad Celsius zu beseitigen (verhindern/unterdrücken). D.h., ein Verhältnis des Durchgangslochs 21 des Durchmessers L in dem Sockel 20 zur Dicke T des Sockels 20 liegt zwischen 1 und 3.
3 zeigt ein Diagramm einer über Experimente erlangten Beziehung zwischen einem Verhältnis L/T und einer Sensorcharakteristikänderung. Eine Kennlinie der Beziehung der Temperatureigenschaften der Offset-Spannungs-(TCO)-änderung (%FS [maßstäblich]) vor und nach dem Gelfüllprozess gegenüber dem Verhältnis L/T fällt unter einen Schwellenwert von annähernd 1.5 %FS, basierend auf Probekörpern, bei denen der Durchmesser L des Durchgangs lochs 21 zischen 0.8 und 2.0 (mm) variiert wurde. In diesem Fall zeigt die TCO-Änderung vor und nach dem Füllprozess einen Unterschied der Sensorcharakteristik an, die vor und nach der Gelauffüllung bei einer Temperatur von -30 Grad Celsius gemessen wurde. Praxisnaher beschrieben, die Werte der TCO-Änderung werden auf die nachstehend beschriebene Weise bestimmt. D.h., beispielsweise wird die Sensorcharakteristik vor der Gelauffüllung sowohl bei Raumtemperatur als auch bei -30 Grad als Ausgangsspannung Vout des Sensorchips 10 gemessen. Die Ausgangsspannung Vout wird ferner nach der Gelauffüllung bei Raumtemperatur und bei -30 Grad gemessen. Wenn eine Differenz des Vout-Werts bei Raumtemperatur und bei -30 Grad vor der Gelauffüllung a% und eine Differenz des Vout-Werts nach der Gelauffüllung (a + b)% beträgt, entspricht der Wert von b% einer in dem Diagramm der 3 gezeigten Kennlinie der aus der Gelauffüllung resultierenden TCO-Änderung.
Der Bereich des Verhältnisses L/T wird auf der Grundlage der folgenden Betrachtung bestimmt. D.h., die TCO-Änderung liegt gewöhnlich oberhalb von 1.5%FS, wenn das Verhältnis L/T unter 1 liegt. Das Verhältnis L/T bleibt unterhalb von 1.5%FS, wenn das Verhältnis L/T zwischen 1 und 3 liegt. Folglich wird der Wert des Verhältnisses L/T für eine geeignete Begrenzung derart gewählt, dass er annähernd zwischen 1 und 3 liegt.
Genauer gesagt, der Sockel 20 mit dem Durchgangsloch 21 mit dem Durchmesser L und der Dicke T in dem Verhältnis L/T von unter 1 ist bei einer praktischen Anwendung aufgrund einer schmalen Form des Durchgangslochs 21 nicht als Medium zur Druckentlastung des Gelmaterials geeignet. Ferner muss die Dicke T des Sockels 10 bezüglich der Stabilität des Sockels 20 sowie der Verwölbung des Sensorchips 10 bei einem Bondprozess größer als 0.7 (mm) und der Durchmesser L des Durchgangslochs 21 bezüglich eines Bondbereichs zu dem Sensorchip 10 und der mechanischen Festigkeit des Sockels 20 kleiner als 2.1 (mm) sein. D.h., der Wert 3 als oberer Grenzwert eines Bereichs des Verhältnisses L/T wird im Wesentlichen als das Verhältnis eines Maximalwerts von 2.1 des Durchmessers L des Durchgangslochs 21 geteilt durch einen Minimalwert von 0.7 der Dicke T des Sockels 20 bestimmt.
Ferner ist der Sensorchip 10, der auf einer gegenüberliegenden Seite des konkaven Abschnitts 13 angeordnet ist, der einen größeren Durchmesser als der des Durchgangslochs 21 auf der Sensorchipseite in dem Sockel 20 aufweist, vorteilhaft bezüglich der Druckentlastung von dem Gelmaterial 30. D.h., auf diese Weise wird der dicke Abschnitt 16 des Sensorchips 10 um den konkaven Abschnitt 13 ganz an dem Sockel 20 befestigt, um eine ausreichende Bondfestigkeit und mechanische Festigkeit des kombinierten Aufbaus des Sensorchips 10 und des Sockels 20 zu erzielen. Ferner kann der Sensorchip 10 den konkaven Abschnitt 13 mit einem Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Öffnung 21a des Durchgangslochs 21 auf der Sensorchipseite aufweisen, wenn die Bond-/mechanische Festigkeit auf eine andere als in der 4 gezeigte Weise gesichert wird.
Ferner weist das Loch 41 auf dem Gehäuse 40 einen größeren Durchmesser als das Durchgangsloch 21 auf (L1 > L in der 1). Auf diese Weise wird das erweiterte Volumen des sich bei geringer Temperatur verfestigten Gelmaterials 30 in dem Durchgangsloch 21 und dem Loch 41 zu einer Druckmessseite des Lochs 41 geführt (d.h. in eine entgegengesetzte Seite bezüglich der Sensorchipseite). Dieser Aufbau ist vorteilhaft bezüglich der Druckentlastung des Gelmaterials 30 bei geringer Temperatur auf der Rückseite 12 des Sensorchips 10.
Ferner weist das Loch 41 auf der Druckmessseite einen größeren Durchmesser auf (L2 > L1 in der 1). Auf diese Weise kann das Loch 41 leicht in das Gehäuse 40 gebohrt werden und ist aufgrund eines erhöhten Betrags/Bereichs des zum Schutz vor Wasser oder dergleichen in das Loch 41 gefüllten Gelmaterials strukturell vorteilhaft für eine Druckentlastung des Gelmaterials 30.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausgestaltung des Drucksensors 100 der vorliegenden Ausführungsform. In diesem Fall weist eine Seitenwand des Lochs 41 eine Stufenform anstelle einer sich verjüngenden Form auf. Dieser Aufbau ist ebenso vorteilhaft bezüglich der Druckentlastung des Gelmaterials 30 bei geringer Temperatur.
Ferner kann eine aus Harz bestehendes Rohr 40b in dem Loch 41 des Gehäuses 40 installiert werden. D.h., ein Teil des Lochs 41 wird, wie in 5 gezeigt, durch das Rohr 40b in dem Gehäuse 40a bedeckt. Das Rohr 40b kann beispielsweise aus einem Keramikmaterial, wie beispielsweise Mullit, Alluminiumoxid oder dergleichen, oder aus Metal, wie beispielsweise 42-Legierung oder dergleichen, bestehen. Das Rohr 40b ist durch beispielsweise Insert-Molding oder Presspassung in dem Loch 41 befestigt. Das Rohr 40b ist auf der Durchgangslochseite des Lochs 41 befestigt. Ein Innendurchmesser des Rohrs 40b wird durch den Durchmesser L1 in der 5 beschrieben.
Ferner ist die Position des Piezowiderstands 15 in einem Projizierungsbereichs der Öffnung 21a des Durchgangslochs 21 in dem Glasssockel 20 auf der Rückseite 12 des Sensorchips 10 vorteilhaft bezüglich der Druckentlastung des Gelmaterials 30 bei geringer Temperatur, da der Druck des Gelmaterials 30 innerhalb des Projizierungsbereichs leichter in Richtung der Druckmessseite entlastet werden kann als der Druck des zwischen dem Schulterabschnitt 22 des Sockels 20 und der Seitenwand des konkaven Abschnitts 13 beinhalteten Gelmaterials 30.
Obgleich die vorliegende vollständig in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung offenbart wurde, sollte beachtet werden, dass Fachleuten verschiedene Änderungen und Ausgestaltungen ersichtlich sein werden.
Beispielsweise kann der Sockel 20 aus einem von Glas verschiedenen Material bestehen. D.h., der Sockel 20 kann aus Silizium, Keramik, Metall (z.B. 42-Legierung) oder dergleichen bestehen. Genauer gesagt, es kann ein Material mit einem gleichen bzw. ähnlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie das Silizium des Sensorchips 10 verwendet werden, um den Sockel 20 zu bilden, solange das Material gegenüber einer unter dem Einfluss des Abgases oder dergleichen stehenden Umgebung tolerant ist.
Ferner kann das Gelmaterial 30 aus einem von dem vorstehend beschriebenen verschiedenen Material bestehen, solange das Material dazu ausgelegt ist, den Sensorchip 10 zu schützen und den Druck des Messobjekts zu übertragen.
Ferner kann das Loch 41 in dem Gehäuse 40 eine zu der vorstehend beschriebenen verschiedene Form aufweisen. D.h., das Loch 41 kann eine gekrümmte Seitenwand oder eine gerade Seitenwand anstelle der sich verjüngenden Seitenwand aufweisen.
Ferner kann der Drucksensor 100 direkt angeordnet werden, indem der Sockel 20 einzig auf einem Untersystem, wie beispielsweise dem Abgassystem eines Fahrzeugs, anstelle unter Verwendung des Gehäuses 40 angeordnet wird.
Ferner kann der Drucksensor 100 geschützt werden, indem beispielsweise das Gelmaterial 30 oder dergleichen auf beiden Seiten des Sensorchips 10 verwendet wird. Auf diese Weise kann der Drucksensor 100, der zur Erfassung des Differenzdrucks des DPF (Diesel-Partikelfilter) verwendet wird, indem der Sensorchip 10 auf beiden Seiten mit dem Druck beaufschlagt wird, wirksam geschützt werden.
Ferner kann der Drucksensor 100 in der obigen Ausführungsform dazu verwendet werden, einen absoluten Druck, mit dem die Rückseite 12 der Membran 14 beaufschlagt wird, bezüglich eines Vakuums oder eines Referenzdrucks auf der Sensorchipseite anstelle des Differenzdrucks zu erfassen.
Ferner kann der Drucksensor 100 dazu verwendet werden, einen Ansaugluftdruck eines Motors, einen Raumdruck verschiedener Behälter oder einen Druck in verschiedenen Räumen zu erfassen.
Solche Änderungen und Ausgestaltungen sollen als mit in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verstanden werden, so wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
Vorstehend wurde ein Drucksensor offenbart.
Ein Drucksensor 100, 110 zum Erfassen eines Drucks und zum Ausgeben eines Signals auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekts weist ein Substrat 10 mit einem Sensorchip 10 auf einer Seite 11 in einem dünnen Abschnitt 14 und einem konkaven Abschnitt 13 auf einer anderen Seite 12, einen Piezowiderstand 15 in dem Sensorchip 10, einen Sockel 20, der an dem Substrat 10 befestigt ist und ein Durchgangsloch 21 zum Zuführen des Drucks zu dem Sensorchip 10 aufweist, und ein Gelmaterial 30 auf, das zum Schutz des Sensorchips 10 in den konkaven Abschnitt 13 und das Durchgangsloch 21 gefüllt ist. Ein Verhältnis eines Durchmessers L des Durchgangslochs 21 zu einer Dicke T des Sockels 20 liegt im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3.

Claims

Drucksensor (100, 110) zum Erfassen eines Drucks und zum Ausgeben eines Signals auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekts eines Sensorchips (10), der aufweist: – ein Substrat (10) mit dem Sensorchip (10) auf einer Seite (11) und einem konkaven Abschnitt (13) auf einer anderen Seite (12), wobei ein Bereich einer Sensorchipanordnung auf der einen Seite (11) des Substrats (10) einem Bereich des konkaven Abschnitts (13) auf der anderen Seite (12) des Substrats (10) entspricht, so dass ein dünner Abschnitt (14) ausgebildet ist; – einen Piezowiderstand (15) in dem Sensorchip (10) zum Ausgeben eines einen aufgebrachten Druck proportional darstellenden Sensorsignals; – einen Sockel (20), der an dem Substrat (10) befestigt ist und ein Durchgangsloch (21) zum Zuführen des Drucks zu dem Sensorchip (10) auf dem dünnen Abschnitt (14) aufweist; und – ein Gelmaterial (30), das zum Schutz des Sensorchips (10) in den konkaven Abschnitt (13) und das Durchgangsloch (21) gefüllt ist; dadurch gekennzeichnet, dass – der aus Glas bestehende Sockel (20) durch anodisches Bonden an dem Substrat (10) befestigt ist; und – ein Verhältnis eines Durchmessers (L) des Durchgangslochs (21) zu einer Dicke (T) des Sockels (20) im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3 liegt.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (L) einer Öffnung (21a) des Durchgangslochs (21) auf einer Sensorchipseite kleiner als ein Durchmesser des konkaven Abschnitts (13) ist.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: – ein Gehäuse (40, 40a), das auf dem Sockel (20) angeordnet ist und ein Fenster (41) zum Zuführen des Drucks zu dem Durchgangsloch (21) aufweist, wobei – das Gehäuse (40) an einer dem Sensorchip (10) gegenüberliegenden Seite des Sockels (20) befestigt ist, – eine Masse des Gelmaterials (30) als integrierter Körper das Fenster (41) und das Durchgangsloch (21) füllt, und – ein Gehäuseseitendurchmesser (L) des Durchgangslochs (21) kleiner als ein Sockelseitendurchmesser (L1) des Fensters (41) ist.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (41) in einer Lochform auf einer Druckmessseite einen größeren Durchmesser (L2) als auf einer Sockelseite aufweist.
Drucksensor (110) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – einen Innenumfang des Fensters (41) vollkommen durch eine darauf befestigte Abdeckung (40b) bedeckt ist, und – der Innenumfang des Fensters (41) mit der darauf befestigten Abdeckung (40b) durch die Masse des in ei nen Raum in dem Fenster (41) gefüllten Gelmaterials (30) versiegelt ist.
Drucksensor (100, 110) zum Erfassen eines Drucks und zum Ausgeben eines Signals auf der Grundlage des Piezowiderstandseffekts eines Sensorchips (10), der aufweist: – ein Substrat (10) mit dem Sensorchip (10) auf einer Seite (11) und einem konkaven Abschnitt (13) auf einer anderen Seite (12), wobei ein Bereich einer Sensorchipanordnung auf der einen Seite (11) des Substrats (10) einem Bereich des konkaven Abschnitts (13) auf der anderen Seite (12) des Substrats (10) entspricht, so dass ein dünner Abschnitt (14) ausgebildet ist; – einen Piezowiderstand (15) in dem Sensorchip (10) zum Ausgeben eines einen aufgebrachten Druck proportional darstellenden Sensorsignals; – einen Sockel (20), der an dem Substrat (10) befestigt ist und ein Durchgangsloch (21) zum Zuführen des Drucks zu dem Sensorchip (10) auf dem dünnen Abschnitt (14) aufweist; und – ein Gelmaterial (30), das zum Schutz des Sensorchips (10) in den konkaven Abschnitt (13) und das Durchgangsloch (21) gefüllt ist; dadurch gekennzeichnet, dass – der aus Keramik bestehende Sockel (20) durch kovalentes Bonden an dem Substrat (10) befestigt ist; und – ein Verhältnis eines Durchmessers (L) des Durchgangslochs (21) zu einer Dicke (T) des Sockels (20) im Wesentlichen innerhalb eines Bereichs von 1 bis 3 liegt.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (L) einer Öffnung (21a) des Durchgangslochs (21) auf einer Sensorchipseite kleiner als ein Durchmesser des konkaven Abschnitts (13) ist.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner aufweist: – ein Gehäuse (40, 40a), das auf dem Sockel (20) angeordnet ist und ein Fenster (41) zum Zuführen des Drucks zu dem Durchgangsloch (21) aufweist, wobei – das Gehäuse (40, 40a) an einer dem Sensorchip (10) gegenüberliegenden Seite des Sockels (20) befestigt ist, – eine Masse des Gelmaterials (30) als integrierter Körper das Fenster (41) und das Durchgangsloch (21) füllt, und – ein Gehäuseseitendurchmesser (L) des Durchgangslochs (21) kleiner als ein Sockelseitendurchmesser (L1) des Fensters (41) ist.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (41) in einer Lochform auf einer Druckmessseite einen größeren Durchmesser (L2) als auf einer Sockelseite aufweist.
Drucksensor (100, 110) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – einen Innenumfang des Fensters (41) vollkommen durch eine darauf befestigte Abdeckung (40b) bedeckt ist, und – der Innenumfang des Fensters (41) mit der darauf befestigten Abdeckung (40b) durch die Masse des in ei nen Raum in dem Fenster (41) gefüllten Gelmaterials (30) versiegelt ist.