DE102007042976A1

DE102007042976A1 - Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102007042976A1
Application number: DE102007042976A
Authority: DE
Inventors: Willibald Reitmeier; Andreas Dr. Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: DE102007042976B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, umfassend ein Halbleiterelement mit einem Druckmessaufnehmer und einem Gehäuse, wobei das Gehäuse das Halbleiterelement und den Druckmessaufnehmer einfasst und ein Druck eines Druckraumes über eine Membran auf den Druckmessaufnehmer übertragbar ist und das Gehäuse so gestaltet ist, dass das Halbleiterelement nicht unmittelbar mit dem Druckraum in Kontakt steht. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse aus einer Kunststoffverbindung gefertigt, wobei eine Metallbeschichtung des Kunststoffgehäuses einen Schutz des Gehäuses gegen aggressive Umgebungseinflüsse des Druckraumes gewährleistet. Gleichzeitig dient eine Kunststoffschicht in Verbindung mit einer Metallbeschichtung als Membran des Druckmessaufnehmers, so dass daher der Druckmessaufnehmer nicht in direktem Kontakt mit dem Druckraum steht. Das beschichtete Gehäuse und die Membran schützen das eingefasste Halbleiterelement und den Druckmessaufnehmer in effektiver Weise vor dem aggressiven Druckmedium und können bei gleicher Materialwahl in einem Herstellungsprozess als ein Körper gefertigt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, umfassend ein Halbleiterelement mit einem Druckmessaufnehmer und einem Gehäuse, wobei das Gehäuse das Halbleiterelement und den Druckmessaufnehmer einfasst und ein Druck eines Druckraumes über eine Membran auf den Druckmessaufnehmer übertragbar ist und das Gehäuse so gestaltet ist, dass das Halbleiterelement nicht unmittelbar mit dem Druckraum im Kontakt steht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einem Druckmessaufnehmer, mit einem Halbleiterelement und einem Gehäuse, wobei das Gehäuse das Halbleiterelement und den Druckmessaufnehmer einfasst und der Druck des Druckraumes mittels einer Membran am Druckmessaufnehmer gemessen und im Halbleiterelement ausgewertet werden.
Drucksensoren werden häufig zur Ermittlung des Druckes von sehr heißen oder aggressiven Umgebungsmedien, wie beispielsweise dem Abgasstrom innerhalb eines Kraftfahrzeuges, eingesetzt. Da die Druckaufnahmesysteme von Drucksensoren häufig sehr empfindliche Oberflächen aufweisen und anfällige Halbleiterplatinen mit feinen elektrischen Verdrahtungen für die Auswertung der Druckmessdaten des Druckaufnahmesystems nur unter definierten Umgebungsbedingungen verwendet werden können, muss insbesondere die Platine (IC-Platine) des Drucksensors vor dem direkten Kontakt mit dem Umgebungsmedium geschützt werden.
Herkömmlicherweise wird die Auslenkung der Membran des Drucksensors mit kapazitiven und/oder resistiven Eigenschaften durch die Veränderung der elektrischen Kapazität bzw. des elektrischen Widerstandes mittels eines unterhalb der Membran angeordneten Druckmessaufnehmers ermittelt.
So beschreibt beispielsweise die DE 44 41 903 C1 einen mikromechanisch herstellbaren kapazitiv arbeitenden Drucksensor, bei dem auf einem Silizium-Substrat ein Hohlraum mit einer Hilfsschicht angeordnet ist. Dabei ist auf dem Hohlraum eine elektrisch leitfähige Membranschicht und in einem vertikalen Abstand hierzu eine Elektrodenschicht platziert. Bei der Ermittlung des äußeren Drucks kann durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Membranschicht und der Elektrodenschicht die Auslenkung der Membran in Richtung des Silizium-Substrats kompensiert und aus der hierfür erforderlichen Spannungsstärke auf den anliegenden Druck geschlossen werden.
Für die Gehäusekonzeption der Drucksensoren werden im hauptsächlich Metalle oder Keramiken verwendet, wobei die Gehäuse eine Aufnahme für den Druckmessaufnehmer und die Halbleiterplatine aufweisen. Nach dem Einsetzen des Druckmessaufnehmers, der Halbleiterplatine und der elektrischen Verbindung der Halbleiterplatine wird die verbleibende Gehäuseaufnahme mit einem Gel, mit einem Öl oder mit einem fluidähnlichen Element versiegelt. Diese sogenannten Passivierungsmittel übertragen den am Gehäuse anliegenden Druck auf den unterhalb der Passivierungsschicht angeordneten und damit geschützten Druckmessaufnehmer.
Beispielsweise ist in der DE 10 2004 033 475 A1 ein Korrosionsschutz für Drucksensoren beschrieben, in dem ein in einem Gehäuse befindliches elektrisches Bauelement wenigstens teilweise mit einem Passivierungsmittel bedeckt ist. Die Oberfläche des Passivierungsmittels ist mit einem Korrosionsschutz überzogen.
Diese Drucksensoren sind jedoch nur in sehr arbeitsintensiven Prozessen herstellbar, zumal viele Einzelkomponenten in bestimmten Arbeitsabläufen zusammengesetzt werden müssen. Gleichzeitig verhindern die bisher für das Gehäuse gewählten, aufwendig herzustellenden Materialen, wie Metalle und Keramiken, einen schnellen und kostengünstigen Herstellungsprozess für Drucksensoren. Aufgrund von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Einzelkomponenten von herkömmlichen Drucksensoren können thermische Spannungen oder sogar Risse an den Materialübergängen auftreten, insbesondere zwischen dem Passivierungsmittel und dem Gehäuse. Darüber hinaus ist die Herstellung und Aufbringung der bisher üblichen Membranen auf einem Druckmessaufnehmer sehr kosten- und zeitintensiv.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe, einen Drucksensor bereitzustellen, der einfach herstellbar ist und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber heißen und/oder aggressiven Druckmedien aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 13. Gemäß dem Patentanspruch 1 ist vorgesehen, dass die Membran des Druckmessaufnehmers eine Kunststoffverbindung umfasst und die Membran mit einer zusätzlichen Materialschicht auf einer dem Druckraum zugewandten Fläche beschichtet ist. Dabei enthält die Materialschicht mindestens eine metallhaltige Komponente.
Durch die Verwendung einer leicht herzustellenden Kunststoffschicht, die mit einer Materialschicht aus Metallkomponenten beschichtet wird und damit eine medienresistente Membran des Druckmessaufnehmers bildet, kann eine vollständige Kapselung des Halbleiterelements bereitgestellt werden. Gleichzeitig ist das Druckmesssystem des Drucksensors vor einem aggressiven Umgebungsmedium geschützt. Die Verwendung einer Metallschicht als Beschichtung der Kunststoffschicht der Membran hat den Vorteil, dass die mechanische Stabilität der Membran erhöht, eine definierte elektrische Leitfähigkeit der Membran vorgegeben und eine verbesserte Temperaturleitung durch den erfindungsgemäßen Drucksensor bereitgestellt werden kann.
Vorzugsweise ist die Kunststoffschicht der Membran hinsichtlich ihrer Abmessungen frei wählbar und kann auch als ein mit dem Druckmessaufnehmer unmittelbar in Kontakt stehendes Zwischenelement definiert sein.
Durch die Kombination eines Kunststoffs als Membran ergeben sich neue technische Möglichkeiten. Bei einem herkömmlichen Drucksensor werden üblicherweise die resistiven oder kapazitiven Messschichten als Druckmessaufnehmer auf eine harte Membran aufgebracht, beispielsweise durch Aufbringung von Pasten im Dickschichtprozess auf eine Metallmembran. Demgegenüber besteht bei einer kunststoffbasierten Membran zusätzlich zum konventionellen schichtweisen Aufbringen der kapazitiven und/oder resistiven Schichten als Druckmessaufnehmer auch die Möglichkeit, die Druckmessaufnehmer, die elektrischen Verbindungen und Teile der Halbleiterplatine direkt in die Kunststoffschicht der Membran zu integrieren. In Kombination mit einer metallisierenden Materialschicht auf der Kunststoffschicht kann der kapazitive und/oder resistive arbeitende Druckmessaufnehmer auch zwischen der Kunststoffschicht und der Metallschicht angeordnet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Drucksensors ist vorgesehen, dass mindestens eine Außenfläche des Gehäuses mit der Metallkomponenten enthaltenden Materialschicht beschichtet ist. Vorzugsweise besteht das Gehäuse zumindest teilweise aus einer Kunststoffverbindung. Durch die Verwendung von gleichen Materialien für das Zwischenelement und für das Gehäuse in Verbindung mit einer Beschichtung des zusammengefügten Gehäuse/Zwischenelement-Körpers mit einer metallischen Materialschicht ist eine einfache Herstellung eines medienresitenten Drucksensors gewährleistet. Auch thermische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Materialien und damit Temperaturausdehnungen werden gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden. Gleichzeitig ist das gesamte Gehäuse mit der Membran mittels der metallhaltigen Materialschicht gegenüber einem aggressiven Umgebungsmedium versiegelt.
Es ist vorgesehen, dass ein weiteres Zwischenelement auf der Membran des Druckmessaufnehmers angeordnet ist. Neben dem unmittelbaren Kontakt der Membran des Druckmessaufnehmers mit dem Druckraum kann über ein weiteres Zwischenelement der Druck auf die Membran des Druckmessaufnehmers übertragen werden. Hierdurch können bisher genutzte Gehäusekonzeptionen für Drucksensoren weiterhin genutzt werden. Weiterhin wird ein direkter Kontakt des Umgebungsmediums mit dem Halbleiterelement durch die Verwendung der Membran und des weiteren Zwischenelements sicher vermieden. Idealerweise ist das weitere Zwischenelement ebenfalls mit einer Materialschicht mit einer metallhaltigen Komponente beschichtet.
Zur besonders einfachen Herstellung des Drucksensors ist vorgesehen, dass das Gehäuse und das Zwischenelement der Membran und/oder das Gehäuse und das weitere Zwischenelement aus einem identischen Material hergestellt sind und einen einzigen Körper bilden. Ebenfalls werden durch die Nutzung eines kombinierten Gehäuse/Zwischenelement-Körpers bzw. eines Gehäuse mit dem weiteren Zwischenelement als ein Körper thermische Spannungen vermieden, da gerade keine unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Anwendung kommen. Darüber hinaus gewährleistet die Herstellung eines einzelnen Gesamtkörpers eine Dichtheit des Drucksensors, die sonst in diesem Maße nicht bzw. nur sehr aufwendig und störanfällig, beispielsweise durch Verklebungen der Einzelkomponenten, möglich ist.
Das weitere Zwischenelement dient vorteilhafterweise zur Übertragung des Druckes des Druckraumes auf den Druckmessaufnehmer des Halbleiterelements. Die dem Druckraum zugewandte Fläche des weiteren Zwischenelements wirkt dabei in Verbindung mit der Materialschicht wie eine Membran.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Drucksensor zwei Membranen auf, wobei die erste Membran den Übergang des beschichteten weiteren Zwischenelements zum Druckraum darstellt und die zweite Membran unmittelbar auf dem Druckmessaufnehmer angebracht ist.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird dadurch erleichtert, dass das Halbleiterelement, der Druckmessaufnehmer und/oder eine elektrische Verbindung mit einer Kunststoffverbindung umspritzbar sind und die so gebildete Umspritzung nach dem Aushärten zumindest teilweise das Gehäuse, das Zwischenelement der Membran und/oder das weitere Zwischenelement bildet.
Vorteilhafterweise ermittelt der Druckmessaufnehmer die Auslenkung der elektrisch leitfähigen Membran und damit den anliegenden Druck des Druckraumes kapazitiv und/oder resistiv. Mindestens zwei Druckmessaufnehmer sind in dem Zwischenelement für eine ortsabhängige Auflösung des Druckes bezogen auf die Membran angeordnet.
Erfindungsgemäß ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors vorgesehen, wobei die Membran des Druckmessaufnehmers zunächst aus einem Zwischenelement mit einer Kunststoffverbindung aufgebaut und die Dicke des Zwischenelements in Abhängigkeit von den Drücken eines Druckraumes gewählt wird. Anschließend wird das Zwischenelement mit einer Materialschicht, die eine metallhaltige Komponente aufweist, beschichtet, wobei das Zwischenelement und die Materialschicht die Membran bilden und die Schichtdicke der Materialschicht in Abhängigkeit der notwendigen Elastizitätseigenschaften der Membran zur Messung der Drücke des Druckraumes gewählt wird.
Vorteilhafterweise wird diese einfach herzustellende und medienresistente Membran mit dem Druckmessaufnehmer verbunden. Das Halbleiterelement und/oder der Druckmessaufnehmer und/oder die elektrische Verbindung werden mit der Kunststoffverbindung umspritzt. Die derart gebildete Umspritzung bildet nach dem Aushärten der Kunststoffverbindung zumindest teil weise das Gehäuse, das Zwischenelement und/oder ein weiteres Zwischenelement. Durch das direkte Umspritzen und damit Versiegeln des Halbleiterelements bzw. des Druckmessaufnehmers mit einer Kunststoffverbindung entfällt ein wesentlicher Verfahrensschritt des bisher bekannten Herstellungsverfahrens, da der Drucksensor nicht mehr schichtweise aufgebaut und nicht mehr aufwendig zusammengesetzt werden muss.
Eine umständliche elektrische Verdrahtung des Halbleiterelements bzw. des Druckmessaufnehmers wird dadurch vermieden, dass die elektrische Verbindung in einen Hohlraum in der Membran und/oder im Gehäuse durch Einspritzen von elektrisch leitendem Material gebildet wird.
Das Gehäuse und das Zwischenelement oder das Gehäuse und das weitere Zwischenelement werden als ein Körper aus einer Kunststoffverbindung gefertigt, was die Herstellung des Drucksensors beschleunigt und eine hohe Dichtigkeit gewährleistet.
In einer besonderen Weiterbildung des Verfahrens wird das weitere Zwischenelement über dem Druckmessaufnehmer mit der Membran angeordnet und damit der Druckmessaufnehmer effektiv vom äußeren Druckraum getrennt. Durch die Verwendung von zwei, mit Metallkomponenten beschichteten Kunststoffoberflächen als Übergang der Membran des Druckmessaufnehmers zum weiteren Zwischenelement und als Übergang des beschichteten weiteren Zwischenelements zum Druckraum wird eine höchstmögliche Dichtigkeit bei gleichzeitig guter Übertragung des Druckes auf den Druckmessaufnehmer gewährleistet. Das weitere Zwischenelement wird dabei aus einem Gel oder einem geschichteten Kunststoff hergestellt. Zusätzlich wird das weitere Zwischenelement mit einer Materialschicht mit einer metallhaltigen Komponente beschichtet.
Die Materialschicht wird vorteilhafterweise mittels eines Galvanisierungsprozesses auf mindestens eine Außenfläche des Zwischenelements, des Gehäuses und/oder des weiteren Zwischenelements aufgetragen. Der Galvanisierungsprozess hat den Vorteil, dass die notwendigen Schichtstärken von 8 μm bis 200 μm sehr genau und gleichmäßig aufgetragen werden können. Andere Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise das Bedampfen des Kunststoffes mit einem Metall oder die direkte Auftragung einer Metallschicht auf den Kunststoff, können ebenfalls Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens sein. Die Materialschicht enthält dabei Metalle, wie beispielsweise Silber, Aluminium, Kupfer, Eisen, Niob Zinn, Tantal, Titan oder Zink, oder Metalllegierungen oder Metall-Keramik-Gemische oder Metall-Kunststoff-Gemische.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem in einem Gehäuse eingebetteten Zwischenelement als Teil der Membran des Druckmessaufnehmers,
2 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem einstückigen Gehäuse/Zwischenelement-Körper als Teil der Membran des Druckmessaufnehmers,
3 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem in einem Gehäuse eingebetteten weiteren Zwischenelement als Teil einer weiteren Membran,
4 eine schematische Schnittansicht der Membran des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem im Zwischenelement eingebetteten Druckmessaufnehmer, und
5 eine schematische Schnittansicht der Membran des erfindungsgemäßen Drucksensors mit einem unmittelbar an der Membran angebrachten Druckmessaufnehmer.
In 1 ist schematische ein rotationssymmetrischer Drucksensor 1 mit einem in einem Gehäuse 4 eingebetteten Zwischenelement 6 als Teil einer Membran 5 eines Druckmessaufnehmers 2 dargestellt. Das Zwischenelement 6 umfasst eine Kunststoffverbindung. Das Gehäuse 4 weist eine u-förmige Aussparung auf, in die ein Halbleiterelement 3, der Druckmessaufnehmer 2 und das Zwischenelement 6 als erste Ebene der Membran 5 einführbar sind. Alternativ kann das Halbleiterelement 3 und der damit verbundene Druckmessaufnehmer 2 mit einer Kunststoffverbindung umspritzt werden, so dass diese Umspritzung nach der Aushärtung das Gehäuse 4 bildet. Auch ein in ein vorgefertigtes Gehäuse 4 eingesetztes Halbleiterelement 3 bzw. der Druckmessaufnehmer 2 kann mit einer Kunststoffverbindung überspritzt werden, so dass diese Schicht das Zwischenelement 6 bildet.
Vorteil einer Umspritzung der Innenteile 2, 3 im Gehäuse 4 mit einer Kunststoffverbindung ist, dass die äußere elektrische Verbindung 8 zu dem Halbleiterelement 3 ebenfalls mit einer Kunststoffverbindung umspritzbar ist und somit ein vollständige Kapselung des Halbleiterelements 3 und des Druckmessaufnehmers 2 gewährleistet ist. Die elektrische Verbindung 8 im Anschlussbereich zum Halbleiterelement 3 ist damit in ähnlicher Weise wie das Halbleiterelement oder der Druckmessaufnehmer 2 vor dem Umgebungsmedium geschützt.
Das Gehäuse 4 und die äußere Fläche des Zwischenelements 6 ist mit einer metallhaltigen Materialschicht 7 überzogen, so dass ein hoher und zuverlässiger Schutz des Drucksensors 1 und seiner wichtigen Innenteile 2, 3 vor dem aggressiven und/oder heißen Umgebungsmedium eines zu überwachenden Druckraumes 10 gegeben ist. Gleichzeitig ist der Drucksensor 1 aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus sehr einfach herstellbar.
Eine schematische Schnittansicht des rotationssymmetrischen Drucksensors 1 mit einem einstückigen Gehäuse/Zwischenelement-Körper 4, 6 als Teil einer Membran 5 eines Druckmessaufnehmers 2 ist in 2 dargestellt. Aufgrund der Möglichkeit einer leichten Formbarkeit einer Kunststoffverbindung können das Gehäuse 4 und das Zwischenelement 6 als ein einstückiger Körper aus einem Material hergestellt werden. Hierzu werden das Halbleiterelement 3 und der Druckmessaufnehmer 2 nahezu vollständig mit der Kunststoffverbindung umspritzt, so dass die so gebildete Umspritzung nach dem Aushärten das Gehäuse 4 und das Zwischenelement 6 als Teil der Membran 5 bildet. Während der Aufbringung der Kunststoffverbindung auf das Halbleiterelement 3 und den Druckmessaufnehmer 2 werden Aussparungen zu dem Halbleiterelement 3 freigehalten, die nach dem Aushärten der Kunststoffverbindung elektrisch isolierende Verbindungskanäle in dem Gehäuse 4 definieren. Vor dem Aufbringen der Materialschicht 7 mit einer Metallkomponente wird in die so gebildeten Verbindungskanälen ein elektrisch leitendes Material eingebracht, das die nach außen führenden elektrischen Verbindungsleitungen 8 des Halbleiterelements 3 bildet. Der Kunststoffkanal bildet dabei die Isolierung der elektrischen Verbindung 8. Hierdurch entfällt eine aufwendige Verdrahtung des Halbleiterelements 3 zu einem äußeren Anschluss.
Gleichzeitig kann der Drucksensor 1 in einfacher Weise und mit wenigen Arbeitsschritten hergestellt werden, da nach der Umhüllung des Halbleiterelements 3 und des Druckmessaufnehmers 2 mit einer Kunststoffverbindung mittels der freigehaltenen und mit einem elektrisch leitfähigen Material befüllten Verbindungskanäle diese ohne weiteren Aufwand als Verbindungsleitungen 8 genutzt werden können.
Eine Sandwichstruktur des Druckmesssystems mit zwei Membranen 5 des Drucksensors 1 ist in der 3 dargestellt. Die Schnittansicht des rotationssymmetrischen Drucksensors 1 zeigt das in dem Gehäuse 4 eingebettete weitere Zwischenelement 6a als Teil einer weiteren Membran 5', die oberhalb der auf dem Druckmessaufnehmer 2 angebrachten ersten Membran 5 angeordnet ist. Der Druckmessaufnehmer 2 ist mit der ersten Membran 5, bestehend aus einer Kunststoffverbindungsschicht als erstes Zwischenelement 6 mit einer Materialschicht 7 aus einer metallhaltigen Komponente, unmittelbar verbunden. Dieser Druckmessaufnehmer 2 ist mit dem Halbleiterelement 3 in dem Gehäuse 4 eingebracht.
Auf das Halbleiterelement 3 und den Druckmessaufnehmer 2 ist das weitere Zwischenelement 6a als Kunststoffblock aufgesetzt. Daher ist keine seitliche Abdeckung des Halbleiterelements 3 und des Druckmessaufnehmers 2 mit dem weiteren Zwischenelement 6a gegeben, wobei der so gebildete Seitenraum für eine verbesserte Kühlung des Halbleiterelements 3 und des Druckmessaufnehmers 2 dient. Alternativ kann das Halbleiterelement 3 und der Druckmessaufnehmer 2 mit einer Kunststoffverbindung verspritzt werden und nach dem Aushärten das weitere Zwischenelement 6a bilden. Das weitere Zwischenelement 6a füllt nunmehr den gesamten Raum um das Halbleiterelement 3 und den Druckmessaufnehmer 2 auf.
Das weitere Zwischenelement 6a und das Kunststoffgehäuse 4 sind mit der Materialschicht 7' aus metallhaltigen Komponenten beschichtet. Das weitere Zwischenelement 6a bildet in Verbindung mit der Materialschicht 7' eine zweite Membran 5', die oberhalb der ersten Membran 5 des Druckmessaufnehmers 2 angeordnet ist. Der Druck des Druckraumes 10, mit einem gegebenenfalls aggressiven und/oder heißen Druckmedium, wird über das weitere Zwischenelement 6a als erste Membran 5' direkt auf die Membran 5 des Druckmessaufnehmers 2 übertragen. Anschließend wird die Auslenkung der Membran 5 des Druckmessaufnehmers 2 mittels des Halbleiterelements 3 ausgewertet und über die Verbindungsleitungen 8 zu einer außerhalb des Drucksensors 1 befindlichen Verarbeitungseinheit geleitet. Das Halbleiterelement 3 und der Druckmessaufnehmer 2 sind durch diese doppelte Kapselung von zwei medienresitenten Membranen 5, 5' in einer bisher nicht gekannten Weise geschützt. Grund hierfür ist, dass selbst bei einer Beschädigung der ersten Membran 5' des weiteren Zwischenelements 6a an der Außenseite des Gehäuses 4 die weitere Membran 5 unmittelbar auf dem Druckmessaufnehmer 2 weiterhin die empfindlichen Komponenten des Halbleiterelements 3 und des Druckmessaufnehmers 2 schützt.
Die 4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Membran 5 des Drucksensors 1 mit zwei im Zwischenelement 6 eingebetteten Druckmessaufnehmern 2. Die auf dem Zwischenelement 6 aufgetragene Materialschicht 7 mit einer metallhaltigen Komponente steht nicht im unmittelbaren Kontakt mit den Druckmessaufnehmern 2. Die Druckmessaufnehmer 2 sind insbesondere kapazitive Sensoren, die die elektrische Veränderung der leitfähigen Materialschicht 7 bzw. die Abstandsänderung der Materialschicht relativ zur Position der Druckmessaufnehmer 2 detektieren, so dass auf den an der Membran 5 anliegenden Druck des Druckraumes 10 geschlossen werden kann. Die Druckmessaufnehmer 2 können vorteilhafterweise direkt mit einer Kunststoffverbindung umspritzt werden, wobei die ausgehärtete Kunststoffverbindung das Zwischenelement 6 bildet.
In einer anderen Ausgestaltung der Membran 5 des Drucksensors 1 sind die Druckmessaufnehmer 2 im unmittelbaren Kontakt mit der Materialschicht 7 auf dem Zwischenelement 6. In Kombination mit der metallisierenden Materialschicht 7 auf dem aus einer Kunststoffverbindung bestehenden Zwischenelement 6 können die Druckmessaufnehmer 2 als kapazitive und/oder resitive Schichten auch direkt an der Membran 5 platziert werden. Die elektrische Konnektierung des Halbleiterelements 3 mit einer äußeren Verarbeitungseinheit wird mittels einer elektrischen Verbindung 8 im Zwischenelement 6 bereitgestellt.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Verbindung 8 zusammen mit dem Halbleiterelement 3 und den Druckmessaufnehmern 2 von einer Kunststoffverbindung umspritzt und somit unmittelbar in dem ausgehärteten Kunststoff als Verbindung 8 integriert. Ein nachträglicher elektrischer Anschluss, gegebenenfalls im Rahmen eines aufwendigen Herstellungsprozesses aufgrund des dann notwendigen schichtweisen Aufbaus des Drucksensors 1, wird mit dem erfindungsgemäßen Drucksensor 1 vermieden.
Der Drucksensor 1 gewährleistet damit einen Schutz des Halbleiterelements 3 und der Druckmessaufnehmer 2 vor einem aggressiven Umgebungsmedium des Druckraumes 10. Die kombinierte Verwendung der metallhaltigen Materialschicht 7 mit dem Zwischenelement 6 als Kunststoffschicht der Membran 5 hat den Vorteil, dass zusätzlich zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität der Struktur der Membran 5 eine verbesserte Temperaturleitung durch den Drucksensor 1 bereitgestellt wird. Bei der Verwendung einer Kunststoffverbindung für das Gehäuse 4 mit einer medienresitenten Materialschicht 7 kann der Drucksensor 1 auch in sehr aggressiven und/oder heißen Druckräumen verwendet werden.

1: Drucksensor
2: Druckmessaufnehmer
3: Halbleiterelement
4: Gehäuse
5, 5': Membran
6: Zwischenelement
6a: weiteres Zwischenelement
7, 7': Materialschicht mit einer metallhaltigen Komponente
8: Verbindungsleitung
9: Druckmedium
10: Druckraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4441903 C1 [0004]
- DE 102004033475 A1 [0006]

Claims

Drucksensor (1) mit einem Gehäuse (4), das ein Halbleiterelement (3) und einen Druckmessaufnehmer (2) einfasst, – wobei der Druck eines Druckraumes (10) über eine Membran (5) auf den Druckmessaufnehmer (2) übertragbar ist, – wobei das Gehäuse (4) derart gestaltet ist, dass das Halbleiterelement (3) nicht unmittelbar mit dem Druckraum (10) in Kontakt steht, – wobei die Membran (5) des Druckmessaufnehmers (2) eine Kunststoffverbindung umfasst und mit einer zusätzlichen Materialschicht (7) auf einer dem Druckraum (10) zugewandten Fläche beschichtet ist, und – wobei die Materialschicht (7) mindestens eine metallhaltige Komponente enthält.
Drucksensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) ein Zwischenelement (6) aus einer Kunststoffverbindung aufweist und mit dem Druckmessaufnehmer (2) unmittelbar in Kontakt steht.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Außenfläche des Gehäuses (4) mit der Materialschicht (7) aus einer metallhaltigen Komponente beschichtet ist.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) zumindest teilweise aus einer Kunststoffverbindung besteht.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Zwischenelement (6) auf der Membran (5) des Druckmessaufnehmers (2) angeordnet ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zwischenelement (6a) mit einer Materialschicht (7') mit einer metallhaltigen Komponente beschichtet ist.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) und das Zwischenelement (6) der Membran (5) und/oder das Gehäuse (4) und das weitere Zwischenelement (6a) aus einem identischen Material hergestellt sind und einen einzigen Körper bilden.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zwischenelement (6a) zur Übertragung des Druckes des Druckraumes (10) auf den Druckmessaufnehmer (2) des Halbleiterelements (3) dient.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Druckraum (10) zugewandte Fläche des weiteren Zwischenelements (6a) in Verbindung mit der Materialschicht (7') als Membran (5') wirkt.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (3), der Druckmessaufnehmer (2) und/oder eine elektrische Verbindung (8) mit einer Kunststoffverbindung umspritzbar sind, wobei die derart gebildete Umspritzung zumindest teilweise das Gehäuse (4), das Zwischenelement (6) der Membran (5) und/oder das weitere Zwischenelement (6a) bildet.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessaufnehmer (2) die Auslenkung der elektrisch leitfähigen Membran (5) und damit den anliegenden Druck des Druckraumes (10) kapazitiv und/oder resistiv ermittelt.
Drucksensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Druckmessaufnehmer (2) in dem Zwischenelement (6) für eine ortsabhängige Auflösung des Druckes des Druckraums (10) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (1) mit einem Druckmessaufnehmer (2), mit einem Halbleiterelement (3) und mit einem Gehäuse (4), welches das Halbleiterelement (3) und den Druckmessaufnehmer (2) einfasst, wobei der Druck eines Druckraumes (10) mittels einer Membran (5) am Druckmessaufnehmer (2) gemessen und im Halbleiterelement (3) ausgewertet werden, mit folgenden Schritten: a) Herstellung eines Zwischenelements (6) als Teil der Membran (5) aus einer Kunststoffverbindung, wobei die Dicke des Zwischenelements (6) in Abhängigkeit von den Drücken eines Druckraumes (10) gewählt wird, b) Beschichtung des Zwischenelements (6) mit einer Materialschicht (7), die eine metallhaltige Komponente aufweist, wobei das Zwischenelement (6) und die Materialschicht (7) die Membran (5) bilden und die Schichtdicke der Materialschicht (7) in Abhängigkeit der notwendigen Elastizitätseigenschaften der Membran (5) zur Messung der Drücke des Druckraumes (10) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) mit dem Druckmessaufnehmer (2) verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (3), der Druckmessaufnehmer (2) und/oder eine elektrische Verbindung (8) mit der Kunststoffverbindung umspritzt werden und die derart gebildete Umspritzung zumindest teilweise das Gehäuse (4), das Zwischenelement (6) und/oder ein weiteres Zwischenelement (6a) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindung (8) in einen Hohlraum in der Membran (5) durch Einspritzen von elektrisch leitendem Material gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) und das Zwischenelement (6) oder das Gehäuse (4) und das weitere Zwischenelement (6a) als ein Körper aus einem Material gefertigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zwischenelement (6a) über dem Druckmessaufnehmer (2) mit der Membran (5) angeordnet wird und den Druckmessaufnehmer (2) vom äußeren Druckraum (10) zusätzlich trennt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zwischenelement (6a) aus einem Gel oder einem geschichteten Kunststoff hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Zwischenelement (6a) mit einer Materialschicht (7') mit einer metallhaltigen Komponente beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (7, 7') mit einer metallhaltigen Komponente mittels eines Galvanisierungsprozesses auf mindestens eine Außenfläche des Zwischenelements (6) und/oder des Gehäuses (4) und/oder des weiteren Zwischenelements (6a) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (7, 7') Metalle oder Metalllegierungen oder Metallgemische oder Metall-Keramik-Gemische oder Metall-Kunststoff-Gemische enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (4) Aussparungen zur Integration des Halbleiterelements (3) und/oder des Druckmessaufnehmers (2) und/oder der elektrische Verbindung (8) während des Herstellungsprozesses freigehalten werden, in die das Halbleiterelement (3) und/oder der Druckmessaufnehmer (2) und/oder die elektrische Verbindung (8) eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23 zur Herstellung eines Drucksensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.