DE102009046692A1 - Pressure e.g. absolute pressure, measuring device for industrial measurement engineering, has disks covering recess, and semiconductor pressure sensor attached on disks and comprising membrane carrier and measuring membrane - Google Patents

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    • G01L9/0054Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm

Abstract

The device has a socket (3) mounted on a base of a housing (1), and a carrier (5) projecting over the socket. The carrier has a front side that is turned towards the socket and comprises a cup-shaped recess (9). Disks (11, 11') cover the recess and comprise an insulator, and a semiconductor pressure sensor (13) is attached on the disks. The sensor has a membrane carrier (15) and a measuring membrane (17), where the carrier and the sensor comprise same thickness and are made of silicon. The socket is made of metal or ceramic, and the disks are made of glass.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem Sockel in einem Gehäuse montierten Halbleiter-Drucksensor.The invention relates to a pressure-measuring device with a mounted on a base in a housing semiconductor pressure sensor.

Druck-Messeinrichtungen dienen zur Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik verwendet.Pressure measuring devices are used to detect pressures, in particular of absolute pressures, relative pressures and differential pressures, and are used in industrial measurement technology.

In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Drucksensoren eingesetzt. Halbleiter-Sensoren werden heute regelmäßig auf Siliziumbasis, z. B. unter Verwendung von Silicon-on-Insulator (SOI) Technologie hergestellt. Sie werden als Drucksensor-Chip ausgebildet, der typischer Weise einen Träger und eine auf einem Träger angeordnete Messmembran aufweist. Im Messbetrieb wird ein erster Druck einer ersten Seite der Messmembran zugeführt.In pressure measurement, so-called semiconductor pressure sensors are often used. Semiconductor sensors are now regularly based on silicon, z. B. using silicon-on-insulator (SOI) technology. They are designed as a pressure sensor chip, which typically has a carrier and a measuring diaphragm arranged on a carrier. In measuring mode, a first pressure is supplied to a first side of the measuring diaphragm.

Zur Erfassung von Differenzdrücken wird einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der Messmembran ein zweiter Druck zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck bewirkt eine vom zu messenden Differenzdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For detecting differential pressures, a second pressure is supplied to a second side of the measuring diaphragm opposite the first side. The existing pressure difference between the first and the second pressure causes a dependent of the differential pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.

Zur Erfassung von Relativdrücken wird der zweiten Seite der Messmembran ein Referenzdruck, z. B. ein Umgebungsdruck, zugeführt. Die bestehende Druckdifferenz zwischen dem ersten Druck und dem Referenzdruck bewirkt eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For detecting relative pressures of the second side of the measuring membrane is a reference pressure, for. B. an ambient pressure fed. The existing pressure difference between the first pressure and the reference pressure causes a dependent of the relative pressure to be measured deflection of the measuring diaphragm.

Zur Erfassung von Absolutdrücken ist unter der Messmembran auf deren von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite regelmäßig eine abgeschlossene evakuierte Kammer vorgesehen. Damit bewirkt der auf die erste Seite der Messmembran einwirkende erste Druck eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran.For the detection of absolute pressures, a closed evacuated chamber is regularly provided under the measuring diaphragm on its second side remote from the first side. Thus, the first pressure acting on the first side of the measuring diaphragm causes a deflection of the measuring diaphragm which is dependent on the absolute pressure to be measured.

Die resultierende Auslenkung der Messmembran wird in allen drei Fällen über auf der Messmembran angeordnete Sensorelemente, z. B. piezoresistive Widerstände, erfasst und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt, dass dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.The resulting deflection of the measuring membrane is in all three cases arranged on the measuring membrane sensor elements, for. As piezoresistive resistors detected and converted into an electrical output signal that is then available for further processing and / or evaluation.

Halbleiter-Drucksensoren sind sehr empfindlich und werden deshalb in ein Gehäuse eingesetzt, über das die Zufuhr der jeweiligen Drücke, die Ausgabe des Messergebnisses und die Montage der Druck-Messeinrichtung am Messort erfolgt.Semiconductor pressure sensors are very sensitive and are therefore used in a housing, via which the supply of the respective pressures, the output of the measurement result and the installation of the pressure measuring device takes place at the measuring location.

Dabei wird der Halbleiter-Drucksensor beispielsweise auf einen im Gehäuse befindlichen Sockel derart montiert, dass eine vom Sockel abgewandte erste Seite der Messmembran in eine erste im Gehäuse befindliche Messkammer weist, der der erste Druck zugeführt ist. Bei Differenz- bzw. Relativdrucksensoren wird zusätzlich der zweite Druck bzw. der Referenzdruck der zweiten Seite der Messmembran über eine im inneren des Sockels verlaufende Bohrung zugeführt, die in einer unter der Messmembran von dem Messmembranträger eingeschlossenen zweiten Messkammer mündet. Bei Absolutdruck-Messeinrichtungen ist die unter der Messmembran befindliche Kammer abgeschlossen und evakuiert. Die Zufuhr des ersten und des zweiten Drucks erfolgt beispielsweise über in das Gehäuse integrierte oder diesem vorgeschaltete mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckmittler. Die Zufuhr des Referenzdrucks erfolgt beispielsweise über eine in das Gehäuse integrierte Referenzdruckzufuhr.In this case, the semiconductor pressure sensor is mounted, for example, on a socket located in the housing in such a way that a side facing away from the base first side of the measuring membrane has in a first housing located in the measuring chamber to which the first pressure is supplied. In differential or relative pressure sensors, the second pressure or the reference pressure of the second side of the measuring diaphragm is additionally supplied via a bore extending in the interior of the base, which opens into a second measuring chamber enclosed by the measuring diaphragm carrier under the measuring diaphragm. For absolute pressure measuring devices, the chamber located under the measuring diaphragm is closed and evacuated. The supply of the first and the second pressure takes place for example via integrated into the housing or upstream of this filled with a pressure-transmitting liquid diaphragm seal. The reference pressure is supplied, for example, via a reference pressure supply integrated in the housing.

Der Sockel ist beispielsweise ein zylindrisches Ansatzstück oder ein Podest, das als integraler Bestandteil des Gehäuses oder als ein separates im Gehäuse befestigtes Bauteil ausgebildet ist.The base is for example a cylindrical extension piece or a pedestal, which is formed as an integral part of the housing or as a separate housing-mounted component.

Um eine ausreichend hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten bestehen Gehäuse und Sockel aus einem mechanisch stabilen Werkstoff, insb. aus Metall.In order to ensure sufficiently high mechanical stability, the housing and socket are made of a mechanically stable material, in particular of metal.

Sockel und Halbleiter-Drucksensor bestehen damit zwangsläufig aus verschiedenen Materialien, die sehr unterschiedliche physikalische Eigenschaften, insb. unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor können daher mechanische Spannungen auftreten, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken, und damit die erzielbare Messgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für temperatur-abhängige Spannungen. Werden für die mechanischen Verbindungen Klebungen eingesetzt, so können zusätzlich auch von der Feuchtigkeit im Bereich der Klebung abhängige Veränderungen der Eigenschaften der Klebung zu Spannungen führen.Socket and semiconductor pressure sensor inevitably consist of different materials that have very different physical properties, esp. Different thermal expansion coefficients. Due to the mechanical connection between the base and the semiconductor pressure sensor, therefore, mechanical stresses can occur which have an effect on the transmission behavior of the measuring diaphragm and thus impair the achievable measuring accuracy and its reproducibility. This applies esp. For temperature-dependent voltages. If adhesions are used for the mechanical connections, then changes in the properties of the bond dependent on the moisture in the area of the bond can also lead to tensions.

Zur Reduzierung der auftretenden Spannungen ist üblicher Weise zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor ein Zwischenstück eingefügt, das aus dem gleichen Material besteht, wie der Halbleiter-Drucksensor. Auch dann treten jedoch noch durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sockel und Zwischenstück verursachte, insb. temperatur-abhängige, mechanische Verspannungen auf, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken.In order to reduce the occurring voltages, an intermediate piece, which consists of the same material as the semiconductor pressure sensor, is usually inserted between the base and the semiconductor pressure sensor. However, even then occur due to the different thermal expansion coefficients of base and adapter caused, esp. Temperature-dependent, mechanical stresses that affect the transmission behavior of the measuring diaphragm.

In der DE-34 36 440 A1 und in der DE-10 2007 053 859 A1 sind Lösungen dieses Problems beschrieben, die eine Reduzierung der nachteiligen Auswirkungen der mechanischen Spannungen ermöglichen. Sie umfassen jeweils einen Halbleiter-Drucksensor, der auf einem Träger aus einem Halbleiter montiert ist. Der Träger ist seinerseits unmittelbar auf einen metallischen Sockel im Gehäuse aufgebracht. Dabei weist der Sockel jeweils einen deutlich geringeren Außendurchmesser auf als der Träger. Zur Reduzierung von mechanischen Spannungen ist auf der dem Sockel zugewandten Unterseite des Trägers eine ringförmig umlaufende Nut oder eine umlaufende speziell geformte Ausnehmung vorgesehen, die dazu dient, durch die Verbindung zwischen Sockel und Träger verursachte mechanische Spannungen aufzunehmen und deren Rückwirkung auf die Messmembran zu vermeiden. Zusätzlich ist in der DE 34 36 440 A1 beschrieben auch auf der dem Halbleiter-Drucksensor zugewandten Stirnseite des Trägers eine flache Ausnehmung vorzusehen. In the DE-34 36 440 A1 and in the DE-10 2007 053 859 A1 solutions to this problem are described that allow a reduction in the adverse effects of mechanical stresses. They each include a semiconductor pressure sensor mounted on a carrier of a semiconductor. The carrier is in turn applied directly to a metal base in the housing. In this case, the base each has a significantly smaller outer diameter than the carrier. To reduce mechanical stresses on the base facing the underside of the carrier, an annular circumferential groove or a circumferential specially shaped recess is provided which serves to absorb caused by the connection between the base and carrier mechanical stresses and to avoid their repercussion on the measuring diaphragm. In addition, in the DE 34 36 440 A1 also described on the semiconductor pressure sensor facing end side of the carrier to provide a shallow recess.

Diese Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass der Halbleiter-Drucksensor gegenüber dem Sockel nicht vollständig elektrisch isoliert ist, da der Träger aus einem Halbleiter besteht und unmittelbar zwischen dem Sockel und dem Halbleiter-Drucksensor eingesetzt ist. Dies birgt die Gefahr, dass elektrische Störeinflüsse aus der Umgebung über das Gehäuse, den Sockel und den Träger auf den Halbleiter-Drucksensor übertragen werden können und zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Halbleiter-Drucksensors führen können. Um dies zu vermeiden, ist in der DE 34 36 440 A1 beschrieben, den Sockel über eine isolierende Glaseinschmelzung in das Gehäuse einzusetzen. Hierzu ist es jedoch erforderlich, den Sockel aus einem für diese Glaseinschmelzungen geeigneten Material herzustellen.However, these solutions have the disadvantage that the semiconductor pressure sensor is not completely electrically isolated from the socket because the carrier is made of a semiconductor and is inserted directly between the socket and the semiconductor pressure sensor. This involves the risk that electrical interference from the environment via the housing, the base and the carrier can be transferred to the semiconductor pressure sensor and can lead to a change in the measurement characteristics of the semiconductor pressure sensor. To avoid this, is in the DE 34 36 440 A1 described to insert the base over an insulating Glaseinschmelzung in the housing. For this, however, it is necessary to produce the base of a suitable material for these Glaseinschmelzungen.

In der DE 31 28 188 A1 und der DE 30 47 619 A1 sind Druck-Messeinrichtungen beschrieben, bei denen der Halbleiter-Drucksensor auf eine isolierende Glasscheibe aufgebracht ist, die von einem metallischen Sockel getragen wird. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des für den Halbleiter-Drucksensor verwendeten Halbleiters und dem Glas, insb. deren Elastizitätsmodule, ist es auch hier erforderlich für den Sockel unter Umständen sehr teure Spezialwerkstoffe mit sehr genau an den Halbleiter angepassten physikalischen Eigenschaften zu verwenden, um Rückwirkungen auf den Halbleiter-Drucksensor zu vermeiden.In the DE 31 28 188 A1 and the DE 30 47 619 A1 are pressure sensing devices described in which the semiconductor pressure sensor is applied to an insulating glass plate, which is supported by a metallic base. Due to the different physical properties of the semiconductor used for the semiconductor pressure sensor and the glass, esp. Their elasticity modules, it is also necessary here for the base to use very expensive special materials with very precisely adapted to the semiconductor physical properties to repercussions to avoid the semiconductor pressure sensor.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druck-Messeinrichtung mit einem auf einem Sockel montierten Halbleiter-Drucksensor anzugeben, bei dem der Halbleiter-Drucksensor elektrisch gegenüber dem Sockel isoliert und vor mechanischen Verspannungen geschützt ist.It is an object of the invention to provide a pressure measuring device with a mounted on a base semiconductor pressure sensor in which the semiconductor pressure sensor is electrically isolated from the base and protected from mechanical stresses.

Hierzu besteht die Erfindung in einer Druck-Messeinrichtung, mit

  • – einem Gehäuse
  • – einem auf einem Boden des Gehäuses montiertem Sockel,
  • – einem auf dem Sockel montierten außenseitlich über den Sockel hinausragenden Träger aus einem Halbleiter,
  • – der auf dessen vom Sockel abgewandten ersten Stirnseite eine topfförmige Ausnehmung aufweist,
  • – einer auf der ersten Stirnseite des Trägers aufgebrachten die Ausnehmung überdeckenden Scheibe aus einem elektrischen Isolator, und
  • – einem auf der Scheibe aufgebrachten Halbleiter-Drucksensor mit
  • – einem Membranträger und einer Messmembran.
For this purpose, the invention consists in a pressure-measuring device, with
  • - a housing
  • A pedestal mounted on a bottom of the housing,
  • A support of a semiconductor mounted on the base and projecting beyond the socket on the outside,
  • - Which has a cup-shaped recess on its first end face facing away from the base,
  • - An applied on the first end side of the carrier, the recess overlapping disc of an electrical insulator, and
  • - A mounted on the disc semiconductor pressure sensor with
  • - A membrane carrier and a measuring membrane.

Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist in einem äußeren Rand des Bodens der topfförmigen Ausnehmung des Trägers eine außenseitlich umlaufende Nut vorgesehen.According to a first embodiment of the invention, an outer circumferential groove is provided in an outer edge of the bottom of the cup-shaped recess of the carrier.

Gemäß einer zweiten Weiterbildung ist auf einem äußeren über den Sockel hinaus ragenden frei liegenden Rand einer dem Sockel zugewandten der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Trägers eine außenseitlich umlaufende Nut vorgesehen.According to a second development, an outer circumferential groove is provided on an outer edge projecting beyond the base of a second end face of the carrier facing the base of the first end face facing the base.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen der Träger und der Halbleiter-Drucksensor die gleiche Dicke auf, und der Träger und der Halbleiter-Drucksensor bestehen aus dem gleichen Halbleiter, insb. aus Silizium.According to a preferred embodiment, the carrier and the semiconductor pressure sensor have the same thickness, and the carrier and the semiconductor pressure sensor consist of the same semiconductor, esp. Of silicon.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht zwischen dem Sockel und dem Träger eine mechanisch feste Verbindung, insb. eine Klebung oder eine Lötverbindung.According to a further embodiment, there is a mechanically fixed connection between the base and the carrier, in particular an adhesive bond or a solder connection.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung besteht der Sockel aus Metall oder aus Keramik.According to a further embodiment, the base made of metal or ceramic.

Gemäß einer Weiterbildung besteht die Scheibe aus Glas und ist mit dem Träger und dem Halbleiter-Drucksensor jeweils über eine anodische Bondung verbunden.According to a development, the disk consists of glass and is connected to the carrier and the semiconductor pressure sensor in each case via an anodic bonding.

Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Differenzdrücken oder Relativdrücken, bei der

  • – in der Scheibe, im Träger, und im Sockel jeweils eine mittig angeordnete parallel zu deren Längsachse verlaufende durchgängige Bohrung vorgesehen ist, und
  • – die Bohrungen zusammen eine Druckzufuhrleitung bilden, die in einer unter der Messmembran eingeschlossenen Druckmesskammer mündet.
Furthermore, the invention comprises a pressure-measuring device according to the invention for detecting differential pressures or relative pressures, in which
  • - In the disc, in the carrier, and in the base in each case a centrally disposed parallel to the longitudinal axis extending through bore is provided, and
  • - The holes together form a pressure supply line, which opens into a trapped under the measuring diaphragm pressure measuring chamber.

Weiter umfasst die Erfindung eine erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken, bei der eine unter der Messmembran eingeschlossene Druckmesskammer nach außen durch die Scheibe vollständig abgeschlossen und evakuiert ist.Furthermore, the invention comprises a pressure measuring device according to the invention for detecting absolute pressures, in which a pressure measuring chamber enclosed under the measuring diaphragm is completely closed and evacuated outwards through the disk.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Druck-Messeinrichtung besteht darin, dass der Halbleiter-Drucksensor durch den Träger und dessen Ausnehmung vor mechanischen Belastungen geschützt ist. Mechanische Verspannungen, die durch die Verbindung zwischen dem Sockel und dem Träger verursacht werden, haben damit praktisch keine Auswirkungen mehr auf das Übertragungsverhalten und die Messeigenschaften der Messmembran. Dies gilt sowohl für Spannungen, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Sockel und Träger entstehen, als auch für Verspannungen, die durch Veränderungen der Verbindung zwischen Sockel und Träger entstehen, wie z. B. durch Feuchtigkeit veränderte Eigenschaften einer Klebung. Dementsprechend ist die erzielbare Messgenauigkeit mit einer hohen Langzeitstabilität und großer Reproduzierbarkeit gewährleistet.A significant advantage of the pressure-measuring device according to the invention is that the semiconductor pressure sensor is protected by the carrier and the recess from mechanical stresses. Mechanical stresses caused by the connection between the base and the carrier have virtually no effect on the transmission behavior and the measuring properties of the measuring diaphragm. This applies both to stresses that arise due to the different thermal expansion coefficients of base and carrier, as well as for stresses that arise through changes in the connection between base and carrier, such. B. moisture-modified properties of a bond. Accordingly, the achievable measurement accuracy is ensured with a high long-term stability and high reproducibility.

Gleichzeitig bewirkt die Scheibe eine elektrische Isolation des Halbleiter-Drucksensors gegenüber dem Sockel. Da die Scheibe erfindungsgemäß sandwichartig zwischen dem Halbleiter-Drucksensor und dem vorzugsweise aus dem gleichen Halbleiter bestehenden Träger gelagert ist, werden nachteilige Auswirkungen der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Isolators, aus dem die Scheibe besteht, und des Halbleiters des Halbleiter-Drucksensors weitgehend vermieden. Dabei wird durch die hohe Symmetrie dieses Aufbaus eine weitgehende Spannungsfreiheit des Systems erzielt, die zusätzlich durch die durch die Ausnehmung im Träger bewirkte Entkopplung dieses Systems gegenüber dem Sockel unterstützt wird. Wird beispielsweise Glas als Isolator verwendet, so bietet dieser Aufbau den weiteren Vorteil, dass Halbleiter-Drucksensor, Glassscheibe und Träger nun ohne Rücksicht auf das Material des Sockels durch anodisches Bonden miteinander Verbunden werden können.At the same time, the disk effects an electrical insulation of the semiconductor pressure sensor relative to the base. Since the disc according to the invention is sandwiched between the semiconductor pressure sensor and the preferably made of the same semiconductor carrier, adverse effects of the different physical properties of the insulator, which consists of the disc, and the semiconductor of the semiconductor pressure sensor are largely avoided. The high symmetry of this construction, a substantial absence of voltage of the system is achieved, which is additionally supported by the effected by the recess in the carrier decoupling of this system relative to the base. If, for example, glass is used as the insulator, this design offers the further advantage that the semiconductor pressure sensor, glass pane and carrier can now be connected to one another without regard to the material of the base by anodic bonding.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which two embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Absolutdruck-Messeinrichtung; und 1 shows a section through an absolute pressure measuring device according to the invention; and

2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Differenzdruck- oder Relativdruck-Messeinrichtung. 2 shows a section through a differential pressure or relative pressure measuring device according to the invention.

1 und 2 zeigen jeweils einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäße Druck-Messeinrichtung. Bei der in 1 dargestellten Variante handelt es sich um eine Druck-Messeinrichtung zur Messung von Absolutdrücken, während die in 2 dargestellte Variante zur Messung von Relativ- oder Differenzdrücken dient. Da die beiden Druck-Messeinrichtungen im wesentlichen identisch sind, sind sie nachfolgend zunächst gemeinsam beschrieben. Anschließend werden die durch die unterschiedlichen Messaufgaben bedingten Unterschiede kurz erläutert. 1 and 2 each show a section through an embodiment of a pressure-measuring device according to the invention. At the in 1 illustrated variant is a pressure-measuring device for measuring absolute pressures, while the in 2 shown variant for measuring relative or differential pressures is used. Since the two pressure-measuring devices are substantially identical, they are initially described together. Subsequently, the differences caused by the different measuring tasks will be briefly explained.

Beide Varianten umfassen ein hier nur Ausschnittweise dargestelltes Gehäuse 1, auf dessen Boden ein Sockel 3 montiert ist. Das Gehäuse 1 besteht beispielsweise aus einem Metall, z. B. einem Edelstahl. Der Sockel 3 kann beispielsweise ebenfalls aus diesem Metall oder aus Keramik bestehen. Keramik bietet hier den Vorteil, dass sie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der näher an dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von zur Herstellung von Halbleiter-Drucksensoren üblicher Weise verwendeten Halbleitern liegt.Both variants comprise a housing only partially shown here 1 on the bottom of which is a pedestal 3 is mounted. The housing 1 consists for example of a metal, for. B. a stainless steel. The base 3 For example, can also be made of this metal or ceramic. Ceramic offers the advantage that it has a coefficient of thermal expansion which is closer to the coefficient of thermal expansion of semiconductors customarily used for the production of semiconductor pressure sensors.

Zur Erfassung von Absolutdrücken eignet sich als Sockel 3 beispielsweise ein zylindrisches Ansatzstück oder ein Podest, das als integraler Bestandteil des Gehäuses 1 oder als ein separates im Gehäuse 1 befestigtes Bauteil ausgebildet sein kann. Zur Erfassung von Differenz- oder Relativdrücken wird vorzugsweise – wie in 2 dargestellt – ein rohrförmiger Sockel 3' verwendet, der durch den Boden des Gehäuses 1 hindurch führt, und dort eingeglast oder eingelötet ist.For capturing absolute pressures is suitable as a pedestal 3 For example, a cylindrical extension or a pedestal, as an integral part of the housing 1 or as a separate one in the case 1 fastened component can be formed. For the detection of differential or relative pressures is preferably - as in 2 shown - a tubular base 3 ' used that through the bottom of the case 1 leads through, and there is glazed or soldered.

Auf dem Sockel 3, 3' ist jeweils ein Träger 5 montiert. Zwischen dem Sockel 3, 3' und dem Träger 5 besteht eine mechanisch feste Verbindung 7, z. B. eine Klebung, insb. eine Epoxydharz-Klebung, oder eine Lötverbindung.On the pedestal 3 . 3 ' is each a carrier 5 assembled. Between the pedestal 3 . 3 ' and the carrier 5 there is a mechanically strong connection 7 , z. As an adhesive, esp. An epoxy resin bond, or a solder joint.

Der Träger 5 weist eine größere Grundfläche auf als der Sockel 3, so dass er zu allen Seiten außenseitlich über den Sockel 3, 3' hinausragt.The carrier 5 has a larger footprint than the pedestal 3 so that it is on all sides outside over the pedestal 3 . 3 ' protrudes.

Er ist im wesentlichen scheibenförmig und weist auf dessen vom Sockel 3, 3' abgewandten ersten Stirnseite eine topfförmige Ausnehmung 9 auf. Auf dieser ersten Stirnseite des Trägers 5 ist eine Scheibe 11 aufgebracht, die die Ausnehmung 9 überdeckt.He is essentially disc-shaped and points to the base 3 . 3 ' remote from the first end face a cup-shaped recess 9 on. On this first front side of the carrier 5 is a slice 11 applied to the recess 9 covered.

Das zentrale Element der Druck-Messeinrichtung bildet ein Halbleiter-Drucksensor 13 der auf einer vom Träger 5 abgewandten Stirnseite der Scheibe 11 aufgebracht ist. Der Halbleiter-Drucksensor 13 ist ein Drucksensor-Chip auf Halbleiterbasis, insb. auf Siliziumbasis, und weist einen Membranträger 15 und eine von dem Membranträger 15 getragene Messmembran 17 auf. The central element of the pressure-measuring device forms a semiconductor pressure sensor 13 the one on the carrier 5 opposite end face of the disc 11 is applied. The semiconductor pressure sensor 13 is a pressure sensor chip on a semiconductor basis, esp. Silicon-based, and has a membrane carrier 15 and one of the membrane carrier 15 carried measuring diaphragm 17 on.

Vorzugsweise bestehen der Träger 5 und der Halbleiter-Drucksensor 13 aus dem gleichen Halbleiter, insb. aus Silizium.Preferably, the carrier is made 5 and the semiconductor pressure sensor 13 from the same semiconductor, esp. from silicon.

Träger 5, Scheibe 11 und Halbleiter-Drucksensor 13 weisen vorzugsweise formgleiche Grundflächen auf und sind koaxial übereinander angeordnet.carrier 5 , Disc 11 and semiconductor pressure sensor 13 preferably have the same shape base surfaces and are arranged coaxially one above the other.

Die Scheibe 11 besteht aus einem Isolator, z. B. aus Glas, aus Siliziumdioxid oder aus Saphir.The disc 11 consists of an insulator, z. As glass, silica or sapphire.

Über die Scheibe 11 besteht folglich eine hochwertige elektrische Isolation des Halbleiter-Drucksensor 13 gegenüber dem Träger 5, dem Sockel 3, 3' und dem Gehäuse 1.About the disc 11 Consequently, there is a high-quality electrical isolation of the semiconductor pressure sensor 13 opposite the carrier 5 , the pedestal 3 . 3 ' and the housing 1 ,

Glas bietet den Vorteil, dass es insb. durch anodisches Bonden, einfach und kostengünstig mit Halbleitern verbindbar ist. Träger 5, Scheibe 11 und Halbleiter-Drucksensor 13 werden vorzugsweise in einem einzigen Batchprozess über anodische Bondungen miteinander verbunden. Alternativ können die durch anodische Bondung erzielten Verbindungen zwischen Träger 5 und Scheibe 11 und zwischen Scheibe 11 und Halbleiter-Drucksensor 13 auch in Einzelprozessen erzeugt werden. In dem Fall wird vorzugsweise eine in den 1 und 2 gestrichelt eingezeichnete Scheibe 11' eingesetzt, die eine größere Grundfläche aufweist, als der Träger 5 und der Halbleiter-Drucksensor 13. Die Scheibe 11' weist einen überstehenden äußeren Rand auf, über den die für das anodische Bonden in Einzelprozessen erforderlich elektrische Spannung angelegt werden kann. Siliziumdioxid- und Saphirscheiben und Verfahren zu deren Verbindung mit Halbleiterscheiben sind aus der Silicon-on-Insulator Technologie bekannt.Glass offers the advantage that it can be connected to semiconductors, in particular by anodic bonding, simply and inexpensively. carrier 5 , Disc 11 and semiconductor pressure sensor 13 are preferably interconnected in an individual batch process via anodic bonds. Alternatively, the connections achieved by anodic bonding between carriers 5 and disc 11 and between disc 11 and semiconductor pressure sensor 13 also be generated in individual processes. In that case, one in the 1 and 2 dashed disk 11 ' used, which has a larger footprint than the carrier 5 and the semiconductor pressure sensor 13 , The disc 11 ' has a protruding outer edge over which the electrical voltage required for anodic bonding in individual processes can be applied. Silicon dioxide and sapphire disks and methods for bonding them to semiconductor wafers are known from the silicon-on-insulator technology.

Der Träger 5 bewirkt insb. aufgrund dessen der Scheibe 11 bzw. 11' zugewandten Ausnehmung 9 eine mechanische Entkopplung gegenüber dem Halbleiter-Drucksensor 13. Insb. werden durch die Temperatur oder Umgebungseinflüsse, wie z. B. Feuchtigkeit in der Verbindung 7, entstehende mechanische Spannungen aufgrund der Ausnehmung 9 im Träger 5 aufgefangen. Dieser Schutz des Halbleiter-Drucksensors 13 wird zusätzlich durch die Scheibe 11 bzw. 11' unterstützt.The carrier 5 causes esp. Due to the disc 11 respectively. 11 ' facing recess 9 a mechanical decoupling with respect to the semiconductor pressure sensor 13 , Esp. are affected by the temperature or environmental influences, such. B. Moisture in the compound 7 , resulting mechanical stresses due to the recess 9 in the carrier 5 collected. This protection of the semiconductor pressure sensor 13 is additionally through the disc 11 respectively. 11 ' supported.

Die Qualität dieser Entkopplung kann noch weiter verbessert werden, indem in einem äußeren Rand des Bodens der topfförmigen Ausnehmung 9 des Trägers 5 eine außenseitlich umlaufende zusätzliche Nut 19 vorgesehen wird. Vorzugsweise ist darüber hinaus auch auf einem äußeren über den Sockel 3, 3' hinaus ragenden frei liegenden Rand einer dem Sockel 3, 3' zugewandten der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Trägers 5 eine außenseitlich umlaufende Nut 21 vorgesehen.The quality of this decoupling can be further improved by the pot-shaped recess in an outer edge of the bottom 9 of the carrier 5 an outside circumferential additional groove 19 is provided. Preferably, moreover, also on an outer over the base 3 . 3 ' protruding free edge of a pedestal 3 . 3 ' facing the first end opposite the second end face of the carrier 5 an outside circumferential groove 21 intended.

Die Grundgeometrie der Anordnung folgt vorzugsweise der durch die Grundfläche des Membranträgers 15 vorgegeben Geometrie. Bei einem Membranträger 15 mit ringscheibenförmiger Auflagefläche sind die Scheibe 11 bzw. 11', der Träger 5 und dessen Ausnehmung 9 entsprechend kreisscheibenförmig, und die Nuten 19 und 21 sind ringförmig. Weist die Auflagefläche des Membranträger 15 dagegen die Form eines rechteckigen Rahmens auf, so sind die Scheibe 11 bzw. 11', der Träger 5 und dessen Ausnehmung 9 entsprechend rechteckförmig ausgebildet, und die Nuten 19 und 21 weisen die Form eines rechteckigen Rahmens auf.The basic geometry of the arrangement preferably follows that through the base of the membrane carrier 15 given geometry. In a membrane carrier 15 with disc-shaped bearing surface are the disc 11 respectively. 11 ' , the carrier 5 and its recess 9 corresponding circular disk-shaped, and the grooves 19 and 21 are ring-shaped. Indicates the bearing surface of the membrane carrier 15 on the other hand, the shape of a rectangular frame on, so are the disc 11 respectively. 11 ' , the carrier 5 and its recess 9 corresponding rectangular shaped, and the grooves 19 and 21 have the shape of a rectangular frame.

Um eine möglichst symmetrische Anordnung zu erzielen, weisen der Träger 5 und der Halbleiter-Drucksensor 13 vorzugsweise die gleiche Dicke d auf.To achieve the most symmetrical arrangement, have the carrier 5 and the semiconductor pressure sensor 13 preferably the same thickness d.

Bei der in 1 dargestellten Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Absolutdrücken befindet sich unter der Messmembran 17 eine vom Membranträger 15 umschlossene Druckmesskammer 23, die nach außen durch die Messmembran 17, deren Membranträger 15 und die Scheibe 11 bzw. 11' vollständig abgeschlossen und evakuiert ist. Damit bewirkt ein von außen auf die Messmembran 17 einwirkender zu messender Druck p aufgrund der Evakuierung der Druckmesskammer 23 eine vom Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 17, die anhand von auf der Messmembran 17 angeordneten Sensorelementen 25, wie z. B. piezoresistiven Widerständen, erfasst, und in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt wird. Das Ausgangssignal steht dann über an die Sensorelemente 25 angeschlossene Anschlussleitungen 27 einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung.At the in 1 shown pressure measuring device for detecting absolute pressures is located under the diaphragm 17 one from the membrane carrier 15 enclosed pressure measuring chamber 23 going out through the measuring membrane 17 , their membrane carrier 15 and the disc 11 respectively. 11 ' completely completed and evacuated. This causes an external on the measuring diaphragm 17 acting pressure to be measured p due to the evacuation of the pressure measuring chamber 23 an absolute pressure dependent deflection of the measuring diaphragm 17 based on on the measuring membrane 17 arranged sensor elements 25 , such as As piezoresistive resistors, detected, and is converted into an electrical output signal. The output signal is then transferred to the sensor elements 25 connected connecting cables 27 for further processing and / or evaluation.

Im Unterschied hierzu ist der Druckmesskammer 23 der in 2 dargestellten Druck-Messeinrichtung zur Erfassung von Relativ- oder Differenzdrucken über eine Druckzufuhrleitung ein zweiter Druck pR zugeführt. Bei einer Relativdruckmessung ist der Druck pR ein Referenzdruck auf den der zu messende Druck p bezogen werden soll. Bei einer Differenzdruckmessung ist der Druck pR ein zweiter Druck und es wird die Differenz zwischen dem von außen auf die Messmembran 17 einwirkenden Druck p und dem von innen auf die Messmembran 17 einwirkenden zweiten Druck gemessen.In contrast to this is the pressure measuring chamber 23 the in 2 illustrated pressure-measuring device for detecting relative or differential pressures via a pressure supply line, a second pressure p R supplied. In a relative pressure measurement, the pressure p R is a reference pressure to which the pressure to be measured p is to be related. In a differential pressure measurement, the pressure p R is a second pressure and it is the difference between the outside of the measuring diaphragm 17 acting pressure p and the inside of the measuring diaphragm 17 acting second pressure measured.

Die Zufuhr dieses zweiten Drucks pR erfolgt vorzugsweise über in der Scheibe 11 bzw. 11', im Träger 5, und im Sockel 3' jeweils mittig angeordnete parallel zu deren Längsachse verlaufende durchgängige Bohrungen 29, 31, 33, die zusammen die Druckzufuhrleitung bilden, die in der unter der Messmembran 17 eingeschlossenen Druckmesskammer 23 mündet. The supply of this second pressure p R is preferably carried out in the disc 11 respectively. 11 ' , in the vehicle 5 , and in the pedestal 3 ' each centrally disposed parallel to the longitudinal axis extending through holes 29 . 31 . 33 , which together form the pressure feed line, which in the under the measuring diaphragm 17 enclosed pressure measuring chamber 23 empties.

Entsprechend bewirkt hier die zwischen dem Druck p und dem zweiten Druck pR bestehende Druckdifferenz eine vom zu messenden Differenzdruck bzw. vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 17, die über auf der Messmembran 17 angeordnete Sensorelemente 25 messbar ist.Correspondingly, the pressure difference existing between the pressure p and the second pressure p R causes a deflection of the measuring diaphragm which is dependent on the differential pressure to be measured or on the relative pressure to be measured 17 that over on the measuring diaphragm 17 arranged sensor elements 25 is measurable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gehäusecasing
3, 3'3, 3 '
Sockelbase
55
Trägercarrier
77
Verbindungconnection
99
Ausnehmungrecess
11, 11'11, 11 '
Scheibedisc
1313
Halbleiter-DrucksensorSemiconductor pressure sensor
1515
Membranträgermembrane support
1717
Messmembranmeasuring membrane
1919
Nutgroove
2121
Nutgroove
2323
DruckmesskammerPressure measuring chamber
2525
Sensorelementsensor element
2727
Anschlussleitungconnecting cable
2929
Bohrungdrilling
3131
Bohrungdrilling
3333
Bohrungdrilling

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • DE 3047619 A1 [0016] DE 3047619 A1 [0016]

Claims (10)

Druck-Messeinrichtung, mit – einem Gehäuse (1), – einem auf einem Boden des Gehäuses (1) montiertem Sockel (3, 3'), – einem auf dem Sockel (3, 3') montierten außenseitlich über den Sockel (3, 3') hinausragenden Träger (5) aus einem Halbleiter, – der auf dessen vom Sockel (3, 3') abgewandten ersten Stirnseite eine topfförmige Ausnehmung (9) aufweist, – einer auf der ersten Stirnseite des Trägers (5) aufgebrachten die Ausnehmung (9) überdeckenden Scheibe (11, 11') aus einem Isolator, und – einem auf der Scheibe (11, 11') aufgebrachten Halbleiter-Drucksensor (13) mit – einem Membranträger (15) und einer Messmembran (17).Pressure measuring device, with - a housing ( 1 ), - one on a bottom of the housing ( 1 ) mounted base ( 3 . 3 ' ), - one on the base ( 3 . 3 ' ) mounted on the outside of the base ( 3 . 3 ' ) ( 5 ) from a semiconductor, - the one on the base ( 3 . 3 ' ) facing away from the first end face a cup-shaped recess ( 9 ), - one on the first end face of the carrier ( 5 ) applied the recess ( 9 ) covering disc ( 11 . 11 ' ) from an insulator, and - one on the disc ( 11 . 11 ' ) applied semiconductor pressure sensor ( 13 ) with - a membrane carrier ( 15 ) and a measuring membrane ( 17 ). Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der in einem äußeren Rand des Bodens der topfförmigen Ausnehmung (9) des Trägers (5) eine außenseitlich umlaufende Nut (19) vorgesehen ist.Pressure-measuring device according to claim 1, wherein in an outer edge of the bottom of the cup-shaped recess ( 9 ) of the carrier ( 5 ) an outer circumferential groove ( 19 ) is provided. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der auf einem äußeren über den Sockel (3, 3') hinaus ragenden frei liegenden Rand einer dem Sockel (3, 3') zugewandten der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Trägers (5) eine außenseitlich umlaufende Nut (21) vorgesehen ist.Pressure measuring device according to claim 1, wherein on an outer over the base ( 3 . 3 ' ) protruding exposed edge of the base ( 3 . 3 ' ) facing the first end opposite the second end face of the carrier ( 5 ) an outer circumferential groove ( 21 ) is provided. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Träger (5) und der Halbleiter-Drucksensor (13) die gleiche Dicke (d) aufweisen.Pressure measuring device according to claim 1, in which the carrier ( 5 ) and the semiconductor pressure sensor ( 13 ) have the same thickness (d). Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Träger (5) und der Halbleiter-Drucksensor (13) aus dem gleichen Halbleiter, insb. aus Silizium, bestehen.Pressure measuring device according to claim 1, in which the carrier ( 5 ) and the semiconductor pressure sensor ( 13 ) consist of the same semiconductor, esp. Of silicon. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der zwischen dem Sockel (3, 3') und dem Träger (5) eine mechanisch feste Verbindung (7), insb. eine Klebung oder eine Lötverbindung, besteht.Pressure measuring device according to claim 1, wherein between the base ( 3 . 3 ' ) and the carrier ( 5 ) a mechanically strong connection ( 7 ), esp. A bond or a solder joint exists. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Sockel (3, 3') aus Metall oder aus Keramik besteht.Pressure measuring device according to claim 1, wherein the base ( 3 . 3 ' ) consists of metal or ceramic. Druck-Messeinrichtung nach Anspruch 1, bei der die Scheibe (11, 11') aus Glas besteht und mit dem Träger (5) und dem Halbleiter-Drucksensor (13) jeweils über eine anodische Bondung verbunden ist.Pressure measuring device according to claim 1, wherein the disc ( 11 . 11 ' ) consists of glass and with the carrier ( 5 ) and the semiconductor pressure sensor ( 13 ) is connected in each case via an anodic bonding. Druck-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Erfassung von Differenzdrücken oder Relativdrücken, bei der – in der Scheibe (11, 11'), im Träger (5), und im Sockel (3') jeweils eine mittig angeordnete parallel zu deren Längsachse verlaufende durchgängige Bohrung (29, 31, 33) vorgesehen ist, und – die Bohrungen (29, 31, 33) zusammen eine Druckzufuhrleitung bilden, die in einer unter der Messmembran (17) eingeschlossenen Druckmesskammer (23) mündet.Pressure measuring device according to one of claims 1 to 8, for detecting differential pressures or relative pressures, in which - in the disc ( 11 . 11 ' ), in the carrier ( 5 ), and in the base ( 3 ' ) each have a centrally disposed parallel to the longitudinal axis extending through bore ( 29 . 31 . 33 ), and - the holes ( 29 . 31 . 33 ) together form a pressure feed line which is located in a below the measuring diaphragm ( 17 ) enclosed pressure measuring chamber ( 23 ) opens. Druck-Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zur Erfassung von Absolutdrücken, bei der eine unter Messmembran (17) eingeschlossene Druckmesskammer (23) nach außen durch die Scheibe (11, 11') vollständig abgeschlossen und evakuiert ist.Pressure-measuring device according to one of claims 1 to 8, for the detection of absolute pressures, in which a below measuring diaphragm ( 17 ) enclosed pressure measuring chamber ( 23 ) out through the disc ( 11 . 11 ' ) is completely completed and evacuated.
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