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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung mit mindestens einem
Sensorchip, der über mindestens einen Zwischenträger
auf einem Gehäusesockel montiert ist, wobei das Halbleitermaterial des
Sensorchips und das Material des Gehäusesockels unterschiedliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.
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Ein
auch aus der Praxis bekannter Aufbau einer Drucksensoranordnung
wird in der
DE
10 2004 006 197 A1 beschrieben. Diese Drucksensoranordnung
umfasst einen mikromechanischen Sensorchip mit einer Membran, die
eine Kaverne in der Chiprückseite überspannt.
Der Sensorchip ist über einen Zwischenträger aus
natriumhaltigem Glas auf einem metallischen Gehäusesockel
montiert. Über eine Druckzuführung im Gehäusesockel,
die sich auch durch den Glasträger erstreckt und in die
Kaverne des Sensorchips mündet, wird die Membran mit dem
zu erfassenden Druck beaufschlagt.
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Eine
Funktion des Glasträgers der bekannten Drucksensoranordnung
besteht darin, herstellungsbedingte und thermisch bedingte mechanische Spannungen
in der Sensorstruktur abzubauen bzw. deren Auftreten möglichst
zu verhindern, da sie sich auf das Kennlinienverhalten des Sensors
auswirken. Der Glasträger bildet eine Stressentkopplungsstruktur
zwischen dem Sensorchip einerseits und dem metallischen Gehäusesockel
andererseits, und reduziert so die Auswirkungen von Temperaturschwankungen
auf das Sensorverhalten.
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Die
bekannte Drucksensoranordnung erweist sich jedoch in mehrerlei Hinsicht
als problematisch.
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So
sind die Herstellung des Verbunds aus Sensorchip und Glasträger
und die Montage dieses Sensorbauteils auf dem Gehäusesockel
relativ aufwendig. Üblicherweise wird zunächst
eine Vielzahl von Sensorchipstrukturen auf einem Halbleiterwafer erzeugt.
Der so prozessierte Wafer wird dann durch anodisches Bonden mit
einem Glasträger verbunden, dessen Rückseite metallisiert
ist. Erst danach erfolgt die Vereinzelung der Bauteile in einem
zweistufigen Sägeprozess. Dabei ist insbesondere das Sägen
des Glasträgers kritisch, jedenfalls werden bei diesem
Prozessschritt vergleichsweise viele schadhafte Bauteile produziert.
Die einzelnen Sensorbauteile werden dann über die metallisierte
Rückseite des Glasträgers auf den metallischen
Gehäusesockel gelötet. Neben der relativ aufwendigen
Vereinzelung der Sensorbauteile erfordert der Aufbau der bekannten
Sensoranordnung also zwei unterschiedliche Verbindungstechniken,
anodisches Bonden und Löten.
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Auch
für den elektrischen Anschluss des Sensorchips der bekannten
Sensoranordnung müssen besondere Vorkehrungen getroffen
werden. In der Praxis wird der Sensorchip in der Regel über Bonddrähte
mit elektrischen Anschlussstiften verbunden, die durch den Gehäusesockel
geführt sind. Erst dann kann die Sensoranordnung abgeglichen werden.
Die Anschlussstifte werden mit Hilfe eines elektrisch isolierenden
Materials, meist Glas, in entsprechenden Durchführungen
im Gehäusesockel fixiert. Bei dieser Art des elektrischen
Anschlusses lässt sich eine Trennung von elektrischem und
pneumatischem Anschluss der Sensoranordnung, wie sie bei der Applikation
von hohen Drücken, d. h. Drücken > 10 bar, wünschenswert
ist, nicht ohne Weiteres realisieren. Auch die Realisierung einer
druckdichten Umverpackung des Sensorbauteils zum Herstellen und
Aufrechterhalten eines definierten Referenzdrucks auf der Vorderseite
der Sensormembran ist problematisch. Hierfür müssen
im Bereich der Durchführungen der Anschlussstifte durch
den Gehäusesockel besondere Dichtmaßnahmen getroffen
werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Drucksensoranordnung der eingangs
genannten Art vorgeschlagen, die sich insbesondere auch für
hohe Druckbeanspruchungen eignet und zudem einfach und kostengünstig
in der Herstellung und Montage ist.
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Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zumindest
ein Zwischenträger in Form eines Keramikträgers
realisiert ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient an den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials des Sensorchips
angepasst ist.
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Erfindungsgemäß wird
also vorgeschlagen, einen Keramikträger als Stressentkopplungsstruktur einzusetzen.
Durch Wahl eines Keramikmaterials mit entsprechendem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten kann eine sehr gute Stressentkopplung zwischen
dem Sensorchip und dem Gehäusesockel erzielt werden. Außerdem
können bei Verwendung eines Keramikträgers als
Zwischenträger der Verbund mit dem Sensorchip und auch
die Montage auf dem Gehäusesockel oder einem weiteren Zwischenträger mit
derselben Verbindungstechnik hergestellt werden, nämlich
beispielsweise durch Kleben. Dies führt zu einer wesentlichen
Vereinfachung und in Folge auch zu einer Kostensenkung bei der Fertigung
der Drucksensoranordnung.
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Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung
kann nur einen Zwischenträger, nämlich einen erfindungsgemäß gewählten
Keramikträger, umfassen oder auch mehrere Zwischenträger, von
denen mindestens einer ein erfindungsgemäß gewählter
Keramikträger sein muss.
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Eine
besonders gute Stressentkopplung des Sensorchips lässt
sich erzielen, wenn der Sensorchip direkt auf dem Keramikträger
montiert ist. Soll die erfindungsgemäße Sensoranordnung
für besonders hohe Druckbeaufschlagungen ausgelegt werden,
erweist es sich als vorteilhaft, den Sensorchip über einen
Glasträger auf dem Keramikträger zu montieren. Bei
beiden Aufbauvarianten kann der Keramikträger einfach direkt
auf dem Gehäusesockel angeordnet werden. Zur Montage des
Keramikträgers wird vorteilhafterweise ein elastischer
Kleber verwendet, was zusätzlich zur thermischen Entkopplung
des Sensorchips beiträgt. In diesem Fall erweist es sich – wie
bereits erwähnt – als vorteilhaft, auch den Verbund
zwischen dem Sensorchip und dem Keramikträger mit Hilfe
eines Klebers herzustellen. Es ist aber auch möglich, den
Keramikträger durch Löten in den Aufbau der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung einzubinden. Dazu muss allerdings die entsprechende Hauptoberfläche
des Keramikträgers metallisiert sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung ist der Keramikträger als Leiterplatte
konfiguriert, über die auch der elektrische Anschluss des
Sensorchips erfolgt. In diesem Fall können die Sensorbauteile
im Mehrfachnutzen, also noch vor der Vereinzelung, abgeglichen werden.
Dadurch lassen sich erhebliche Kosten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung einsparen.
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung kann in vorteilhafter
Weise in Luft-, Kraftstoff-, und Öldruckapplikationen von
Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, wie z. B. im Rahmen von Getriebeapplikationen,
Klimaanlagen, Luftdruckbremsen und Luftfederungen. Die Druckbeaufschlagung
erfolgt bei diesen Anwendungen in der Regel über einen
Druckanschluss im Gehäusesockel, der sich durch den bzw. die
Zwischenträger fortsetzt, so dass die im Sensorchip ausgebildete
Sensormembran von unten mit dem zu erfassenden Druck beaufschlagt
wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Keramikträgers
kann bei diesem Aufbau einfach eine Trennung von elektrischem und
pneumatischem Anschluss realisiert werden, da die elektrischen Anschlüsse
hier nicht durch den Gehäuseboden geführt werden
müssen, sondern auf und zusammen mit dem Keramikträger
seitlich aus dem Gehäuse der Sensoranordnung herausgeführt
werden können. An dem aus dem Gehäuse herausragenden
Abschnitt des Keramikträgers kann dann beispielweise ein
Steckanschluss für ein Sensorkabel ausgebildet sein.
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Soll
die erfindungsgemäße Sensoranordnung als Absolutdrucksensor
genutzt werden, so muss die dem Druckanschluss abgewandte Seite
der Sensormembran verkappt werden. Dazu kann beispielsweise auf
dem Sensorchip eine Kappenstruktur angeordnet werden, die sich im
wesentlichen nur über die Sensormembran erstreckt. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, über dem Sensorchip
und dem mindestens einen Zwischenträger einen Gehäusedeckel
auf dem Gehäusesockel zu montieren, so dass innerhalb des
aus Gehäusesockel und Gehäusedeckel gebildeten
Gehäuses ein Referenzdruck herrscht. Durch diese Art der
Umverpackung können neben der Sensormembran auch Schaltungskomponenten,
die im Sensorchip integriert sind und/oder auf dem Keramikträger
angeordnet sind, gegen Umwelteinflüsse geschützt
werden. Auch eine derartige Umverpackung lässt sich einfacher
realisieren, wenn die elektrischen Anschlüsse des Sensorchips
mit dem Keramikträger seitlich aus dem Gehäuse
geführt sind, da keine Durchführungen im Gehäusesockel abgedichtet
werden müssen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits
auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung,
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung mit einem weiteren Zwischenträger,
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer dritten erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung mit einer Umverpackung,
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4 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer vierten erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung mit verkappter Sensormembran und
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5 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer fünften erfindungsgemäßen
Drucksensoranordnung mit speziellem Sensorbauteil.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in 1 bis 5 dargestellten Drucksensoranordnungen 10, 20, 30, 40 und 50 dienen
zur Drucküberwachung in abgeschlossenen Systemen, wie z.
B. einem Kfz-Getriebe oder einer Klimaanlage. Dazu umfassen sie
einen Sensorchip 1, der über einen Keramikträger 2 auf
einem Gehäusesockel 3 montiert ist.
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Der
Sensorchip 1 wurde jeweils aus einem Halbleiterträger
gefertigt, wie z. B. aus einem Siliziumwafer. Dieser Halbleiterträger
wurde mit Verfahren der Mikromechanik strukturiert, um eine drucksensible
Membran 11 zu erzeugen. Zum Erfassen der Membrandeformationen
wurden Piezowiderstände 12 in den Randbereich
der Membran 11 integriert. Bei den in den 1 bis 4 dargestellten
Ausführungsbeispielen überspannt die Sensormembran 11 eine
Kaverne 13 in der Rückseite des Sensorchips 1.
In diese Kaverne 13 mündet eine Druckanschlussöffnung 14,
die sich durch den Keramikträger 2 und den Gehäusesockel 3 erstreckt
und über die die Sensormembran 11 mit dem zu erfassenden
Druck beaufschlagt wird.
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Dazu
wird die Drucksensoranordnung 10 mit Hilfe eines Druckanschlussrohrs 4 an
das zu überwachende System gekoppelt. Das eine Ende des
Druckanschlussrohrs 4 ist mit dem Gehäusesockel 3 verbunden
und mündet in die Druckanschlussöffnung 14,
während das andere Ende des Druckanschlussrohrs 4 mit
einem Außengewinde zum druckdichten Anschluss an das zu überwachende
System versehen ist.
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Wie
bereits erwähnt, besteht der Sensorchip 1 aus
einem Halbleitermaterial. Im Unterschied dazu besteht der Gehäusesockel 3 in
der Regel aus einem Sintermetall, wie z. B. Kovar, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
sich von dem des Halbleitermaterials unterscheidet. Um thermisch
bedingte Spannungen in der Sensormembran 11 zu reduzieren,
wird für den Keramikträger 2 erfindungsgemäß ein
Keramikmaterial gewählt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials
angepasst ist, so dass mit Hilfe des Keramikträgers 2 eine Stressentkopplung
des Sensorchips 1 vom Gehäusesockel 3 erreicht
wird.
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Bei
allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Keramikträger 2 zudem
als Leiterplatte mit Anschlussbahnen und ggf. auch Teilen einer
Auswerteschaltung konfiguriert. Die Piezowiderstände 12 des
Sensorchips 1 sind über Bonddrähte 5 mit
diesen Anschlussbahnen bzw. Schaltungsteilen verbunden. Außerdem
ist jeweils noch ein EMV-Kondensator 6 auf dem Keramikträger 2 angeordnet.
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Die
in 1 dargestellte Ausführungsform umfasst
lediglich den Keramikträger 2 als Zwischenträger,
der mit Hilfe eines elastischen Klebers 8 direkt auf dem
Gehäusesockel 3 montiert ist. Auch für
die Verbindung zwischen Sensorchips 1 und Keramikträger 2 wurde
dieser elastische Kleber 8 verwendet. Die Stressentkopplung
des Sensorchips 1 vom Gehäusesockel 3 wird
hier also durch den Keramikträger 2 in Verbindung
mit dem elastischen Kleber 8 erzielt.
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Der
elektrische Anschluss 7 der Drucksensoranordnung 10 ist
in Form eines Federkontakts realisiert, der auf dem Keramikträger 2 ausgebildet
ist.
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Im
Gegensatz zur Drucksensoranordnung 10 ist die in 2 dargestellte
Drucksensoranordnung 20 für Applikationen ausgelegt,
bei denen keine elastischen Kleber als Verbindungsmittel eingesetzt werden
können. Die Stressentkopplung zwischen dem Sensorchip 1 und
dem Gehäusesockel 3 wird hier mit Hilfe von zwei
Zwischenträgern, einem Glasträger 21 und
dem Keramikträger 2, realisiert.
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Während
der Sensorchip 1 der Drucksensoranordnung 10 direkt
auf dem Keramikträger 2 montiert ist, also nur
ein Zwischenträger zwischen dem Sensorchip 1 und
dem Gehäusesockel 3 angeordnet ist, ist der Sensorchip 1 der
Drucksensoranordnung 20 über den Glasträger 21 mit
dem Keramikträger 2 verbunden. Dementsprechend
erstreckt sich die Druckanschlussöffnung 14 auch
durch den Glasträger 21. Die Verbindung zwischen
dem Sensorchip 1 und dem Glasträger 21 wurde
durch anodisches Sonden hergestellt. Die Verbindung Glas auf Keramik kann
entweder mit Hilfe eines unelastischen Klebers hergestellt werden
oder auch durch Löten. Dazu müssen die entsprechenden
Oberflächen des Glasträgers 21 und des
Keramikträgers 2 allerdings metallisiert sein.
Sowohl Kleben als auch Löten eignet sich auch als Verbindungstechnik
für die Montage des Keramikträgers 2 auf
dem Gehäusesockel 3.
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In 3 ist
eine Drucksensoranordnung 30 dargestellt, die zur Absolutdruckmessung
eingesetzt werden kann. Sie umfasst nämlich einen Gehäusedeckel 31,
der mit dem Gehäusesockel 3 verbunden ist und
den Sensorchip 1 zusammen mit dem Bereich des Keramikträgers 2,
der mit Schaltungselementen versehen ist, vollständig umschließt.
Der Keramikträger 2 ragt lediglich an einer Seite
aus dem so gebildeten Gehäuse 32 heraus und ist
dort als Steckkontakt 33 für die Drucksensoranordnung 30 konfiguriert. Innerhalb
des Gehäuses 32 kann beispielsweise ein Vakuum
erzeugt werden, um die Oberseite der Sensormembran 11 mit
einem Referenzdruck zu beaufschlagen. Außerdem schützt
das Gehäuse 32 den Sensorchip und die eingeschlossenen
Schaltungselemente gegen Umwelteinflüsse und sonstige äußere Einwirkungen.
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Auch
die in 4 dargestellte Drucksensoranordnung 40 kann
zur Absolutdruckmessung eingesetzt werden. Hier ist jedoch lediglich
die Sensormembran 11 mit Hilfe einer Sealglaskappe 41 verkappt,
die über der Sensormembran 11 angeordnet ist.
In dem Hohlraum 42, der sich zwischen der Sealglaskappe 41 und
der Sensormembran 11 befindet, wurde ein Vakuum als Referenzdruck
erzeugt.
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Die
in 5 dargestellte Drucksensoranordnung 50 umfasst
sowohl ein zweites Gehäuseteil 52 als auch eine
Sealglaskappe 54 für die Membranstruktur 55 des
Sensorchips 51. Wie im Fall der Drucksensoranordnung 30 bildet
das zweite Gehäuseteil 52 zusammen mit dem Gehäusesockel 3 ein Gehäuse 53,
das hier den mit der Sealglaskappe 54 versehenen Sensorchip 51 umschließt
und auch den Bereich des Keramikträgers 2, in
dem Schaltungselemente angeordnet sind. Das aus dem Gehäuse 53 herausragende
Ende des Keramikträgers 2 ist als Steckkontakt 33 für
die Drucksensoranordnung 50 ausgebildet. Im Fall der Drucksensoranordnung 50 hat
das Gehäuse 53 in erster Linie die Funktion, den Aufbau
gegen mechanische Einwirkungen und Umwelteinflüsse zu schützen.
Die Absolutdrucksensorfunktion wird hier durch die Membranstruktur
in Verbindung mit der Sealglaskappe gewährleistet.
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Im
Unterschied zu den Sensorchips 1 der Drucksensoranordnungen 10, 20, 30 und 40 umfasst der
Sensorchip 51 der Drucksensoranordnung 50 eine
in Oberflächenmikromechanik erzeugte Membran 56,
die ein abgeschlossenes Referenzvolumen 57 im Halbleiterträger
des Sensorchips 51 überspannt. Dort herrscht ein
definierter Referenzdruck für die Druckerfassung. Der zu
erfassende Druck wirkt von oben auf die Membran 56 ein.
Dazu ist zwischen der Sealglaskappe 54 und der Membran 56 ein Hohlraum 58 ausgebildet,
der sich seitlich neben dem Referenzvolumen 57 durch den
Halbleiterträger des Sensorchips 51 bis zur Druckanschlussöffnung 14 im
Keramikträger 2 erstreckt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0002]