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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, bei dem eine Membran eines Sensorchips als Reaktion auf einen Druck verformt wird, der über ein Gelteil übertragen wird.
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Wie in der
DE 10 2006 028 673 A1 (entsprechend der
JP 2007 -
003 449 A und der
US 2006 / 0 288 793 A1 ) beschrieben, enthält ein bekannter Drucksensor einen Sensorchip, der einen eingedrückten oder vertieften Abschnitt und eine Membran mit einem dehnungsabhängigen Widerstand hat, ein Trag- oder Stützteil, welches einen Druckübertragungsdurchlass definiert, der mit dem vertieften Abschnitt in Verbindung steht, und ein Gelteil, welches als einteiliger Körper den vertieften Abschnitt und den Druckübertragungsdurchlass füllt. Bei diesem Drucksensor wird die Membran abhängig von einem Druck verformt, der über das Gelteil übertragen oder weitergegeben wird.
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Diese Art von Drucksensor kann verwendet werden, um eine Druckdifferenz vor und nach einem Abgasreinigungsfilter (beispielsweise einem Dieselpartikelfilter oder DPF) zu messen, der in der Abgasleitung eines Fahrzeugs mit Dieselmotor eingebaut ist. Alternativ kann der Drucksensor zum Beispiel in einem Abgasrezirkulationssystem (EGR-System) verwendet werden, um einen Druck zu messen. Um den Drucksensor vor einem korrosiven Druckmedium, beispielsweise einer Flüssigkeit und/oder Gas, zu schützen, ist der Drucksensor mit dem Gelteil versehen. Wenn bei einem solchen Drucksensor Wasser in den vertieften Abschnitt des Sensorchips eindringt, kann ein Frieren mit der damit einhergehenden Volumenausdehnung des Wassers bei tiefen Temperaturen die Membran beschädigen. Aufgrund hiervon ist ebenfalls das Gelteil vorgesehen, um einen Wassereintritt in den vertieften Abschnitt durch den Druckübertragungsdurchlass des Tragteils zu verhindern.
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Bei dem Drucksensor kann das Stützteil (z. B. ein Schaft oder Sockel) aus Glas durch anodisches Bonden mit dem Sensorchip verbunden werden. Allgemein gesagt wird das anodische Bonden in einem Zustand durchgeführt, bei dem der Schaft auf Masse liegt, um ein niedriges elektrisches Potenzial zu haben, und der Sensorchip wird mit einem hohen elektrischen Potenzial versehen. Wenn in diesem Fall der Sensorchip einen Schulterabschnitt hat, der radial nach innen zu dem Druckübertragungsdurchlass vorsteht, wirkt diese Schulter beim anodischen Bonden als eine Funkenspitze, und im Ergebnis fließt ein Strom von dem Schulterabschnitt. Damit wird eine Art Lichtbogen erzeugt. Dies verringert die Bondfestigkeit und macht ein stabiles anodisches Bonden schwierig. Bei dem genannten Sensor hat der Sensorchip besagten Schulterabschnitt, wenn das offene Ende des vertieften Abschnitts des Sensorchips auf Seiten des Stützteils kleiner ist als ein offenes Ende des Druckübertragungsdurchlasses des Stützteils auf Seiten des Sensorchips.
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Die
DE 10 2006 028 673 A1 zeigt einen Drucksensor, bei dem Durchmesser eines offenen Endes des Druckübertragungsdurchlasses des Schafts auf Seiten des Sensorchips kleiner als der Durchmesser des offenen Endes des vertieften Abschnitts des Sensorchips ist. Der Schaft hat einen Schulterabschnitt, der radial weiter nach innen als die Außenkante des vertieften Abschnitts des Sensorchips vorsteht. Wenn der Schaft einen derartigen Schulterabschnitt hat, kann das Auftreten eines Lichtbogens unterdrückt werden.
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Bei tiefen Temperaturen von beispielsweise -30 °C oder weniger verhärtet das Gelteil in dem Drucksensor und bewegt sich (fließt), um die sich hieraus ergebenden Spannungen abzubauen. Im Ergebnis ändert sich der Widerstand des dehnungsabhängigen Widerstands der Membran, und die Ausgangseigenschaften des Sensors ändern sich. Bei hohen Temperaturen kann sich das Gelteil ebenfalls ausdehnen und die Sensorausgangseigenschaften ändern sich ebenfalls. Wenn der Drucksensor in einer Abgasumgebung angeordnet wird und einer säurehaltigen Komponente des Abgases, beispielsweise Salpetersäure, über eine längere Zeitdauer hinweg ausgesetzt ist, härtet eine Oberflächenschicht des Gelteils aus. Wenn die Oberflächenschicht des Gelteils aushärtet oder verhärtet, ändert sich der Sensorausgang erheblich. Insbesondere bei hohen Temperaturen ändert sich der Sensorausgang aufgrund einer Aushärtung des Gelteils ganz wesentlich.
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Wie oben beschrieben, kann der Schaft den Schulterabschnitt haben. Wenn sich in diesem Fall das Gelteil von dem vertieften Abschnitt in Richtung des Schafts bewegt bzw. bewegen möchte, ist der viskose Widerstand des Gelteils gegenüber dem Schaft groß. Dieser viskose Widerstand hindert das Gelteil an einer Bewegung in Richtung Schaft. Wenn sich das Gelteil von dem Schaft in Richtung vertieftem Abschnitt bewegt, ist der viskose Widerstand gering. Wenn somit der Schaft den Schulterabschnitt hat, kann sich das Gelteil einfacher vom Schaft zu dem vertieften Abschnitt bewegen als dann, wenn der Sensorchip den Schulterabschnitt hat. Diese Belastungen wirken auf die Membran.
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Die
DE 10 2008 042 489 A1 betrifft einen Werkstückverbund sowie eine Verwendung des Werkstückverbundes als Drucksensor, wobei der Werkstückverbund einen Vorformling und ein Gel, das in einer Ausnehmung im Vorformling aufgenommen ist, enthält, die Ausnehmung von mindestens einer Kante als Kriechbarriere umschlossen ist, um ein Ausbreiten des Gels zu verhindern, und zumindest eine durch die Kante abgeschlossene Fläche in einem an die Kante angrenzenden Bereich mit einer Beschichtung aus einem oleophoben Material versehen ist. Weitere Drucksensoren sind aus der
JP 2001 -
059 789 A und der JP H05- 133 827 A bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor zu schaffen, der eine Verringerung der Bondfestigkeit aufgrund eines Lichtbogens vermeidet und der wirksam Belastungen verhindert, die auftreten, wenn Verformungen eines Gelteils auf die Membran wirken.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß kann bei dem Drucksensor die Verringerung einer Bondfestigkeit aufgrund von Lichtbögen vermieden werden, und weiterhin wird wirksam verhindert, dass Belastungen aufgrund einer Verformung des Gelteils auf die Membran einwirken.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
- 1 in einer Schnittdarstellung einen Drucksensor einer ersten Ausführungsform;
- 2 in einer Schnittdarstellung einen Drucksensor eines Vergleichsbeispiels mit einem Gelteil in einem verformten Zustand;
- 3 in einer Schnittdarstellung einen verformten Zustand eines Gelteils des Drucksensors von 1;
- 4A eine Darstellung einer ersten Probe bei einer Belastungsanalyse, wobei die erste Probe ein Drucksensor ist, bei dem ein Sensorchip einen Schulterabschnitt wie im Fall von 1 hat;
- 4B eine Darstellung einer zweiten Probe bei einer Belastungsanalyse, wobei die zweite Probe ein Drucksensor ist, bei dem ein Sensorchip einen Schulterabschnitt wie im Fall des Vergleichsbeispiels von 2 hat;
- 5 eine grafische Darstellung der Ergebnisse der Belastungsanalyse der ersten und der zweiten Probe;
- 6 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen der Dicke eines Gelteils und einem Vibrationsbetrag einer auf eine Membran wirkenden Belastung;
- 7 eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Oberfläche eines Gelteils und einem Änderungsbetrag einer auf eine Membran wirkenden Belastung;
- 8 eine Schnittdarstellung einer ersten Abwandlung der ersten Ausführungsform;
- 9 eine Schnittdarstellung einer zweiten Abwandlung der ersten Ausführungsform;
- 10 eine Schnittdarstellung einer dritten Abwandlung der ersten Ausführungsform;
- 11 eine Schnittdarstellung eines Drucksensors einer zweiten Ausführungsform,
- 12 eine Schnittdarstellung einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform;
- 13 eine Schnittdarstellung eines Drucksensors einer dritten Ausführungsform; und
- 14 eine Schnittdarstellung eines Aushärtungsprozesses eines Gelteils bei der Herstellung eines Drucksensors.
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Nachfolgend sind Ausführungsformen und deren Abwandlungen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die zweite Ausführungsform und deren Abwandlungen dem Verständnis für die vorliegende Erfindung dienen, die in der ersten Ausführungsform und deren Abwandlungen und in der dritten Ausführungsform verkörpert ist, und wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Teile bezeichnen.
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Zur Vereinfachung der Darstellung ist eine Kleberschicht zum Verbinden eines Sockels oder Schafts und eines Gehäuses miteinander in den 4A und 4B weggelassen. Weiterhin ist zur Vereinfachung der Zeichnungen in den 2, 3 und 8 bis 10 ein Gehäuse weggelassen.
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<Erste Ausführungsform>
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Ein Drucksensor 10 der ersten Ausführungsform kann verwendet werden, um einen Druck beispielsweise eines korrosiven Druckmediums zu messen, beispielsweise einer korrosiven Flüssigkeit oder eines korrosiven Gases. Insbesondere kann der Drucksensor 10 verwendet werden, den Abgasdruck in einer Abgasleitung eines Dieselmotors zu messen. Alternativ kann der Drucksensor 10 verwendet werden, einen Druckunterschied vor und nach einem Abgasreinigungsfilter (z. B. einem Dieselpartikelfilter) in der Abgasleitung zu messen. Auch kann der Drucksensor 10 verwendet werden, den Druck in einem Abgasrezirkulationssystem (EGR-System) zu messen.
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Wie in 1 gezeigt, enthält der Drucksensor 10 einen Sensorchip 11, ein Trag- oder Stützteil 12, ein Gelteil 13 und eine Klebstoff- oder Kleberschicht 50. Der Sensorchip 11 hat einen eingedrückten oder vertieften Abschnitt 22. Das Stützteil 12 trägt den Sensorchip 11 und definiert eine Durchgangsöffnung 33, 43, welche als Druckübertragungsdurchlass dient. Der vertiefte Abschnitt 22 und wenigstens ein Teil der Durchgangsöffnung 33, 43 sind mit dem Gelteil 13 gefüllt. Das Stützteil 12 enthält wenigstens einen Sockel oder Schaft 30, der als erstes Stützteil dient. In der vorliegenden Ausführungsform enthält das Stützteil 12 weiterhin ein Gehäuse 40, welches als zweites Stützteil dient. Die Kleberschicht 50 entspricht allgemein gesagt einem Klebstoff oder Kleber.
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Der Sensorchip 11 enthält ein Halbleitersubstrat oder dergleichen. Der Sensorchip 11 hat eine Vorderfläche 20 und eine Rückfläche 21. Der vertiefte Abschnitt 22 des Sensorchips 11 öffnet sich an der Rückfläche 21. Die Rückfläche 21 entspricht der „einen Oberfläche“ des Sensorchips 11. Der vertiefte Abschnitt 22 wird gebildet durch Ätzen der Oberfläche 21 des Sensorchips 11. Ein Abschnitt des Sensorchips 11 definiert einen Boden des Sensorchips 11 und dient als eine Membran 23. Insbesondere hat der Sensorchip 11 auf Seiten der Vorderfläche 20 einen dünnen oder ausgedünnten Abschnitt. Der dünne Abschnitt, der dem vertieften Abschnitt 22 entspricht, ist die Membran 23.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird als Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat verwendet, dessen Ätzgeschwindigkeit sich abhängig von den Kristallebenen unterscheidet. Der vertiefte Abschnitt 22 wird unter Verwendung dieser Ätzgeschwindigkeitsdifferenz gebildet. Genauer gesagt, das Halbleitersubstrat wird so bereitgestellt, dass es als Rückfläche 21 eine (100) Ebene hat. Unter Verwendung einer Ätzflüssigkeit, beispielsweise eines KOH-Ätzmittels oder dergleichen, wird anisotropes Nassätzen durchgeführt. Im Ergebnis wird der vertiefte Abschnitt 22 gebildet, so dass eine Seitenfläche und eine Bodenfläche einer Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 eine (111) Ebene bzw. eine (100) Ebene werden. Diese Seitenfläche der Innenwand 22a hat einen Winkel von 54.7 Grad bezüglich der Rückfläche 21, welche eine (100) Ebene ist. Somit ändert sich der Öffnungsbereich (auch „Querschnittsfläche“ oder „Querschnittsbereich“ genannt) des vertieften Abschnitts 22 abhängig von der Tiefe des vertieften Abschnitts 22. Insbesondere nimmt die Öffnungsfläche des vertieften Abschnitts 22 mit zunehmendem Abstand von der Membran 23 zu. Genauer gesagt, der vertiefte Abschnitt 22 hat eine schräg verlaufende Form derart, dass eine Änderungsrate der Öffnungsfläche des vertieften Abschnitts 22 über die Tiefenrichtung hinweg gesehen konstant ist.
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Die Rückfläche 21 des Sensorchips 11 gegenüberliegend der Vorderfläche 20 ist ein Bereich, der den vertieften Abschnitt 22 umgibt. Bezugszeichen 25 in 1 bezeichnet eine Kante des offenen Endes des vertieften Abschnitts 22. Die Kante des offenen Endes des vertieften Abschnitts 22 ist auch eine Innenkante eines Umgebungsbereichs 21a des vertieften Abschnitts 22. Die mit Bezugszeichen 25 bezeichnete Kante wird nachfolgend auch als „zweite Innenkante 25“ bezeichnet. Der Umgebungsbereich 21 a des vertieften Abschnitts der Rückfläche 21 bezieht sich auf einen Bereich der Rückfläche 21 mit Ausnahme der Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22. Der vertiefte Abschnitt 22 öffnet sich an der Rückfläche 21 des Sensorchips 11. Da die Rückfläche 21 der vorliegenden Ausführungsform die Innenwand des vertieften Abschnitts 22 ausschließt, ist die Rückfläche 21 im Wesentlichen äquivalent zu dem Umgebungsbereich 21 a der Rückfläche 21.
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Ein Dehnmesswiderstand (dehnungsabhängiger Widerstand) 24 ist an der Vorderfläche 20 des Sensorchips 11 ausgebildet, so dass der Dehnmesswiderstand 24 auf oder in der Membran 23 liegt. Der Dehnmesswiderstand 24 kann beispielsweise durch eine Verunreinigungsdiffusion gebildet werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist, um die Empfindlichkeit zu verbessern, der Dehnmesswiderstand 24 auf oder in einem Abschnitt der Membran 23 gebildet, der eine hohe Dehnung erfahren kann. Beispielsweise ist der Dehnmesswiderstand 24 an oder in einem Endabschnitt der Membran 23 ausgebildet. Der Dehnmesswiderstand 24 kann beispielsweise vier Dehnmesswiderstandsstreifen in Brückenschaltung (nicht gezeigt) umfassen.
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Wie oben beschrieben, ist der Sensorchip der vorliegenden Ausführungsform als Halbleitersensorchip konfiguriert, der einen Dehnmesswiderstandseffekt verwendet, um ein Signal entsprechend dem anliegenden Druck auszugeben. Insbesondere wenn der Druck des Druckmediums über die Durchgangsöffnung 33, 43 auf das Gelteil 13 übertragen wird und dann über das Gelteil 13 auf die Membran 23 übertragen wird, wird die Membran 23 von dem Druck belastet (gedehnt, verformt), und ein sich ergebender piezoresistiver Effekt ändert den Widerstandswert des Dehnmesswiderstands 24. Folglich gibt die Brückenschaltung des Dehnmesswiderstands 24 ein Signal entsprechend der Belastung oder Dehnung der Membran 23 aus. Insbesondere entspricht der Pegel des ausgegebenen Signals der Größe des angelegten Drucks.
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Der Sensorchip 11 ist an einer Sensorchipanordnungsoberfläche 31 (nachfolgend auch als „Anordnungsoberfläche“ bezeichnet) des Schafts 30 angeordnet, wobei wenigstens ein Abschnitt der Rückfläche 21 des Sensorchips 11 als ein Befestigungsabschnitt dient. Die Kleberschicht 50 ist so angeordnet, dass sie den vertieften Abschnitt 22 umgibt und den Sensorchip 11 an dem Schaft 30 befestigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Kleberschicht 50 ein Klebefilm verwendet. Wenn die Kleberschicht 50 von Anfang an eine Filmform hat, ist es möglich, zu verhindern, dass Kleber in den vertieften Abschnitt 22 eindringt und an der Membran 23 anhaftet. Wenn ein Kleber in flüssiger Form durch Erwärmen oder Bestrahlung ausgehärtet wird, um die Kleberschicht 50 zu bilden, kann nämlich der Kleber vor Aushärtung in den vertieften Abschnitt 22 eindringen und sich an der Membran 23 festsetzen. Weiterhin hat die Ausbildung der Kleberschicht 50 in Filmform den Vorteil, dass eine bestimmte Dicke der Kleberschicht 50 sichergestellt werden kann.
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Der Schaft 30 kann auch ein Teil sein, welches als Podest bezeichenbar ist. Der Schaft 30 hat die Sensorchipanordnungsoberfläche 31 und definiert die Durchgangsöffnung 33, die sich in der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 öffnet. Die Sensorchipanordnungsoberfläche 31 weist zur Rückfläche 21 des Sensorchips 11. Die Durchgangsöffnung 33 kann einem „ersten Druckübertragungsteil“ entsprechen. Die Durchgangsöffnung 33 verläuft von der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 zur Rückfläche 32 und steht mit dem vertieften Abschnitt 22 des Sensorchips 11 in Verbindung, der an dem Schaft 30 festgelegt ist.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials für den Schaft 30 ähnlich demjenigen des Substrats des Sensorchips 11 ist. Weiterhin kann es anwendungsabhängig vorteilhaft sein, wenn das Material des Schafts 30 hitzebeständig ist. Beispielsweise kann das Material für den Schaft 30 eine Keramik, beispielsweise Al2O3 oder dergleichen, Metall wie beispielsweise eine 42-Legierung und Cu oder Glas sein. In der vorliegenden Ausführungsform wird als Schaft 30 eine Keramikmehrschichtkarte oder -platine verwendet, welche durch Aufeinanderstapeln von z.B. vier Keramikplatten oder-schichten gebildet ist.
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Die Sensorchipanordnungsoberfläche 31 des Schafts 30 hat eine Innenkante („erste Innenkante 34“), welche das offene Ende der Durchgangsöffnung 33 umgibt. Die erste Innenkante 34 weist zu der Rückfläche 21. Die erste Innenkante 34 entspricht einer Kante 34 des offenen Endes des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 an der Anordnungsoberfläche 31. Eine Lagebeziehung zwischen der ersten Innenkante 34 des Schafts und der Rückfläche 21 des Sensorchips 11 kann so sein, dass die erste Innenkante 34 des Schafts 30 und die zweite Innenkante 25 des vertieften Abschnitts 22 des Sensorchips 11 in einer Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 in Übereinstimmung miteinander sind. Alternativ liegt die erste Innenkante 34 des Schafts 30 in der Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 außerhalb der zweiten Innenkante 25 des Sensorchips 11. Die Größe des offenen Endes der Durchgangsöffnung 33 in der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 kann gleich oder größer als diejenige des offenen Endes des vertieften Abschnitts 22 sein. Wenn die Größe des offenen Endes der Durchgangsöffnung 33 in der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 größer als diejenige des offenen Endes des vertieften Abschnitts 22 ist, kann das offene Ende der Durchgangsöffnung 33 in der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 das offene Ende des vertieften Abschnitts 22 einfassen.
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Ein Abschnitt der Durchgangsöffnung 33 ist in Kontakt mit dem Gelteil 13 und hat an dem offenen Ende der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 die minimale Öffnungsfläche oder den minimalen Öffnungsquerschnitt. Das heißt, die Öffnungsfläche („Querschnittsfläche“) des Abschnitts der Durchgangsöffnung 33 in Kontakt mit dem Gelteil 13 ist an der ersten Innenkante 34 am kleinsten. Die Öffnungsfläche des Abschnitts der Durchgangsöffnung 33 in Kontakt mit dem Gelteil 13 an einem Ort oder einer Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23 ist größer als diejenige an der ersten Innenkante 34. Weiterhin ist die Öffnungsfläche an einem gegebenen Ort/einer bestimmten Stelle größer oder gleich derjenigen zwischen dem gegebenen Ort/der bestimmten Stelle und der Membran 23.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform liegt der gesamte Umfang der ersten Innenkante 34 radial außerhalb der zweiten Innenkante 25. Ein Abschnitt an einer Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 in Kontakt mit dem Gelteil 13 hat eine abgestufte Form. Aufgrund hiervon hat die Durchgangsöffnung 33 eine Mehrzahl von Öffnungsflächen oder Querschnittsflächen. In der vorliegenden Ausführungsform definiert jede Lage oder Schicht der keramischen Mehrschichtkarte eine Durchgangsöffnung. Jeweilige Lagen oder Schichten der Mehrschichtkarte mit unterschiedlichen Öffnungs- oder Querschnittsflächen liegen so, dass die dem Gehäuse 40 am nächsten liegende Schicht den größeren Öffnungsbereich hat. Auf diese Weise erhält die Innenwand 33a die Stufenform.
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Eine innere Umfangsoberfläche der Kleberschicht 50 ist in Fluchtung mit der Innenwand einer obersten Schicht der keramischen Mehrschichtkarte, welche eine Schicht ist, welche dem Sensorchip 11 aus der Mehrzahl von Schichten der keramischen Mehrschichtkarte am nächsten ist. Die Kleberschicht 50 ist in Kontakt mit einem Abschnitt der Rückfläche 21 des Sensorchips 11, wobei der Abschnitt mit Ausnahme einiger Bereiche der Rückfläche 21 von der zweiten Innenkante 25 aus verläuft. Die zweite Innenkante 25 des Sensorchips 11 liegt radial weiter innen als die Innenwand 33a des Schafts 30 und die innere Umfangsoberfläche der Kleberschicht 50. Die Rückfläche 21 (Bereich 21 a) des Sensorchips 11 liegt teilweise zu dem Schaft 30 und der Kleberschicht 50 hin frei.
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Der Schaft 30 ist an einer Schaftanordnungsoberfläche 41 des Gehäuses 40 angeordnet, so dass die Rückfläche 32 des Schafts 30 zum Gehäuse 40 weist. Der Schaft 30 ist am Gehäuse 40 mit einer Kleberschicht 51 befestigt. Insbesondere liegen die Kleberschicht 50, der Schaft 30 und die Kleberschicht 51 zwischen dem Gehäuse 40 und dem Sensorchip 11.
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Das Gehäuse 40 kann als ein Anbring- oder Anbauteil zum Anbringen des Drucksensors 10 beispielsweise an oder im Abgassystem eines Fahrzeugs dienen. Das Gehäuse 40 definiert die Durchgangsöffnung 43, welche als zweites Druckübertragungsdurchlassteil dient. Die Durchgangsöffnung 43 verläuft von der Schaftanordnungsoberfläche 41 zu einer rückwärtigen Oberfläche 42 gegenüberliegend der Schaftanordnungsoberfläche 41. Die Durchgangsöffnung 43 steht in Verbindung mit der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30, der am Gehäuse 40 angeheftet und befestigt ist. Das Gehäuse 40 enthält einen Anschluss für eine externe Verbindung (nicht gezeigt).
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Die Schaftanordnungsoberfläche 41 des Gehäuses 40 hat eine Kante an einem offenen Ende der Durchgangsöffnung 43, welche nachfolgend auch als „dritte Innenkante 44“ bezeichnet wird. Die Rückfläche 32 des Schafts 30 hat eine Kante an einem offenen Ende der Durchgangsöffnung 33, welche nachfolgend als „vierte Innenkante 35“ bezeichnet wird. Die dritte Innenkante 44 liegt radial außerhalb der vierten Innenkante 35 in einer Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 gesehen. Die Durchgangsöffnung 43 hat einen geraden Verlauf, so dass eine Öffnungsfläche (Querschnittsfläche) der Durchgangsöffnung 43 über eine Referenzrichtung hinweg konstant ist, welche eine Richtung senkrecht zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 (und der Schaftanordnungsoberfläche 41) ist. Diese Referenzrichtung wird nachfolgend auch als senkrechte Richtung bezeichnet. Die Öffnungsfläche der Durchgangsöffnung 43 ist größer als diejenige der Durchgangsöffnung 33.
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Das Gehäuse 40 kann aus einem Harz oder Kunststoff, beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS), Polybutylenterephthalat (PBT) oder dergleichen sein. Das Gehäuse 40 kann durch Einsatzgießen mit einem oder mehreren Anschlüssen versehen sein. Der Anschluss des Gehäuses 40 und der Sensorchip können miteinander über Drahtbonden oder dergleichen elektrisch verbunden sein.
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Wie oben beschrieben, ist in dem Drucksensor 10 das Stützteil 12 gebildet durch Zusammenfassen des Schafts 30 und des Gehäuses 40 durch die Kleberschicht 51. Der Sensorchip 11 ist an der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 des Schafts 30 des Stützteils 12 angeheftet und befestigt. Die Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 und die Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 stehen miteinander in Verbindung und bilden damit einen Druckübertragungsdurchlass des Stützteils 12. In der vorliegenden Ausführungsform füllt das Gelteil 13 den vertieften Abschnitt 22 und die Durchgangsöffnung 33. Das Gelteil 13 in dem vertieften Abschnitt 22 ist durchgängig, d. h. quasi einteilig, mit demjenigen in der Durchgangsöffnung 33. Eine Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 ist nicht in Kontakt mit dem Gelteil 13. Das Gelteil 13 füllt als eine Einheit den vertieften Abschnitt 22 und die Durchgangsöffnung 33. Mit anderen Worten, das Gelteil 13 füllt als eine Einheit oder einteilig einen Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43.
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Der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43, der das Gelteil 13 kontaktiert, hat einen minimalen Öffnungsbereich („minimale Querschnittsfläche“) an der ersten Innenkante des Schafts 30 und einen maximalen Öffnungsbereich („maximale Querschnittsfläche“) an einer Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23. Genauer gesagt, in dem Beispiel gemäß 1 ist der von der Membran 23 am weitesten entfernt liegende Ort oder die am weitesten entfernt liegende Stelle die dritte Schicht des Keramiksubstrats von der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 aus (sensorchipseitige Schicht). Weiterhin ist die Öffnungsfläche des Teils des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 an einem bestimmten Ort größer oder gleich derjenigen an einem Ort, der näher an der Membran 23 als der bestimmte Ort liegt.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Öffnungsbereich oder die Öffnungsfläche des Druckübertragungsdurchlasses 33 an deren Innenkante 34 des Schafts 30 minimal und an der Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 maximal. Genauer gesagt, es gibt eine Öffnungsbereichs- oder Querschnittsflächenbeziehung, welche sich ausdrücken lässt als „zweite Innenkante 25 > erste Innenkante 23 > vierte Innenkante 35 > dritte Innenkante 44“. Zusätzlich ist der Öffnungsbereich an einem gegebenen Ort oder einer bestimmten Stelle größer oder gleich demjenigen zwischen der Membran 23 und dem gegebenen Ort oder der bestimmten Stelle.
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Das Gelteil 13 ist dafür vorgesehen, die Kleberschicht 50 und insbesondere die Membran 23 des Sensorchips zu schützen. Der Boden des vertieften Abschnitts 22, der der Membran 23 entspricht, ist von dem Gelteil 13 bedeckt. Der Drucksensor 10 der vorliegenden Ausführungsform ist in der Lage, den Druck eines korrosiven unter Druck stehenden Mediums, beispielsweise den Abgasdruck eines Dieselmotors, zu erkennen. Das Gelteil 13 schützt die Kleberschicht 50 und insbesondere die Membran 23 des Sensorchips 11 (also den Boden des vertieften Abschnitts 22) vor dem korrosiven Medium.
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Ein Material für das Gelteil 13 kann ein Siliziumgel, fluoriniertes Gel, Fluorsilikongel oder dergleichen sein. Das Gelteil 13 wird durch Einspritzen des Gelmaterials in den vertieften Abschnitt 22 und die Durchgangsöffnung 33 und dann durch Aushärten des Gelmaterials eingefüllt.
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Das Gelteil 13 füllt als ein Körper oder einteilig den gesamten Bereich des vertieften Abschnitts 22 des Sensorchips 11 und zumindest einen Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 des Stützteils 12. Der Teil des Druckübertragungsdurchlasses des Stützteils 12 ist ein Teil der Durchgangsöffnungen 33, 43 auf Seiten des vertieften Abschnitts (dem Teil um die Sensorchipanordnungsoberfläche 31 herum). In einem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform gemäß obiger Beschreibung füllt das Gelteil 13 durchgängig einen Bereich, der vom vertieften Abschnitt 22 bis etwa zur Hälfte der Durchgangsöffnung 33 reicht.
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Wenn in dem Drucksensor 10 ein Druck P1 des Druckmediums, welches als zu erkennendes Ziel dient, auf eine Oberfläche 13a (auch „druckaufnehmende Oberfläche“ genannt) des Gelteils 13 über die Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 wirkt, wird der Druck über das Gelteil 13 in der Durchgangsöffnung 33 und den vertieften Abschnitt 22 auf die Membran 23 des Sensorchips 11 übertragen. Die Oberfläche 13a weist in Richtung Durchgangsöffnung 43.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform hat die Oberfläche 13a des Gelteils 13 bei Raumtemperatur eine Meniskusform. Insbesondere ist die Oberfläche 13a des Gelteils 13 in Richtung der Membran 23 konvex, d. h. konkav in einer Richtung weg von der Membran 23.
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Die Vorteile des Drucksensors 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden beschrieben.
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Die erste Innenkante 34 der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 des Schafts 30 weist nicht zu dem vertieften Abschnitt 22 des Sensorchips 11, sondern zur Rückfläche 21 des Sensorchips. Insbesondere weist die erste Innenkante 34 zu dem Bereich 21a. Mit anderen Worten, in einer Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 hat der Schaft 30 keinen Schulterabschnitt, der radial weiter nach innen als der vertiefte Abschnitt 22 vorsteht.
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Ein Grund für die Abwesenheit des Schulterabschnitts des Schafts 30 ist, dass der Sensorchip 11 an dem Schaft 30 nicht durch anodisches Bonden, sondern durch die Kleberschicht 50 befestigt ist. Es sei festzuhalten, dass, wenn der Sensorchip 11 einen Schulterabschnitt haben würde, der zum Zeitpunkt des anodischen Bondens radial weiter nach innen als die Durchgangsöffnung 33 vorsteht, dann dieser Schulterabschnitt als eine Art Blitzableiter wirkt und ein elektrischer Strom vom Schulterabschnitt fließt und im Ergebnis ein Lichtbogen zum Zeitpunkt des anodischen Bondens auftritt. Aufgrund hiervon muss im Falle eines anodischen Bondens der Schaft 30 den Schulterabschnitt haben.
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Ein viskoser Widerstand ist proportional zu einem Viskositätskoeffizienten, der speziell für jedes Material ist, und ist abhängig von einer Form eines Objekts, welches mit einem viskosen Objekt in Berührung ist.
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Insbesondere kann eine konkave oder konvexe Form eine größere Anlagefläche mit dem viskosen Objekt haben und erzeugt einen größeren viskosen Widerstand als eine ebene Fläche.
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Das Gelteil 13, welches ein viskoses Objekt ist, wird bei niedrigen Temperaturen (z. B. -30 °C oder weniger) steif und verformt sich. Um diese Verformung aufzufangen oder zu kompensieren, bewegt sich (fließt) das Gelteil 13.
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2 zeigt einen Drucksensor 10 eines Vergleichsbeispiels, bei dem der Schaft 30 einen Schulterabschnitt enthält, der radial weiter nach innen vorsteht als der vertiefte Abschnitt 22. Mit anderen Worten, die erste Innenkante 34 der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 des Schafts 30 liegt an einer Innenseite der zweiten Innenkante 25 der Rückfläche 21 des Sensorchips 11 und weist zum vertieften Abschnitt 22 des Sensorchips 11. Wenn sich somit das Gelteil 13 von dem vertieften Abschnitt 22 in einer Richtung weg von der Membran 23 bewegt, ist der viskose Widerstand des Gelteils 13 in dem Schaft 30 hoch. Dies hindert das Gelteil 13 an einer Bewegung weg von der Membran 23. Wenn sich das Gelteil 13 von der Durchgangsöffnung 33 in Richtung des vertieften Abschnitts 22 bewegt, ist der viskose Widerstand kleiner, als wenn sich das Gelteil 13 von dem vertieften Abschnitt in einer Richtung weg von der Membran 23 bewegt. Dies deshalb, da der Schulterabschnitt in dem Schaft 30 vorhanden ist. Somit drückt das Gelteil 13 gegen die Membran 23, wie durch den offenen Pfeil in 2 gezeigt, und im Ergebnis ist die Membran 23 einer Belastung und Dehnung unterworfen und wird in einer Richtung weg von dem Schaft 30 gebogen. Eine ähnliche Situation tritt auf, wenn sich das Gelteil 13 bei hohen Temperaturen ausweitet.
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Im Gegensatz hierzu hat bei der vorliegenden Ausführungsform gemäß 3 der Schaft 30 keinen Schulterabschnitt, der radial weiter nach innen vorsteht als der vertiefte Abschnitt 22. Aufgrund hiervon ist der viskose Widerstand aufgrund des Schulterabschnitts nicht vorhanden. Dies erleichtert eine Bewegung des Gelteils 13 in einer Richtung von dem vertieften Abschnitt 22 zu dem Schaft 30, d. h. in einer Richtung weg von der Membran 23. Wenn sich das Gelteil 13 von der Durchgangsöffnung 33 in Richtung des vertieften Abschnitts 22 bewegt, ist der viskose Widerstand größer, als wenn sich das Gelteil 13 vom vertieften Abschnitt 22 in einer Richtung weg von der Membran 23 bewegt. Somit kann sich das Gelteil 13 einfacher in einer Richtung weg von der Membran 23 als bei dem Vergleichsbeispiel von 2 bewegen. Aufgrund hiervon werden Belastungen an oder in dem Gelteil 13 durch die Bewegung des Gelteils 13 in einer Richtung weg von der Membran 23 abgebaut. Belastungen aufgrund einer Verformung des Gelteils 13 können somit wirksam daran gehindert werden, auf die Membran und damit den Dehnmesswiderstand 24 einzuwirken.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine Analyse auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM-Analyse) durchgeführt, um die obigen Vorteile zu bestätigen. Die 4A und 4B zeigen schematisch Aufbauten von Drucksensoren, die in der FEM-Analyse verwendet worden sind. Genauer gesagt, 4A zeigt eine erste Probe, bei der der Sensorchip 11 den Schulterabschnitt wie im Fall des Drucksensors 10 der vorliegenden Ausführungsform hat. 4B zeigt eine zweite Probe, bei der der Schaft 30 den Schulterabschnitt wie im Fall des Vergleichsbeispiels hat.
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Bei der ersten Probe wird für den Sensorchip 11 ein Siliziumsubstrat verwendet, für die Kleberschicht 50 wird Fluorsilikon verwendet, Aluminiumoxid wird für den Schaft 30 verwendet, PBT wird für das Gehäuse 40 verwendet und ein Fluorgel mit einem Y-oung'schen Modul von 0.1 MPa wird für das Gelteil 13 verwendet. Weiterhin ist die Öffnungsfläche (Querschnittsfläche) des Schafts 30 konstant. Der Abstand der ersten Innenkante 34 zur zweiten Innenkante 25 in einer Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 beträgt 0.375 mm. Zusätzlich ist die Innenwand 33a des Schafts 30 in Fluchtung mit der inneren Umfangsfläche der Kleberschicht 50.
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In dem zweiten Beispiel oder der zweiten Probe von 4B wird für den Sensorchip 11 ein Siliziumsubstrat verwendet, für den Schaft 30 wird Glas verwendet, für das Gehäuse 40 wird PBT verwendet und ein Fluorgel mit einem Young'schen Modul von 0.1 MPa wird für das Gelteil 13 verwendet. Weiterhin ist der Abstand von der ersten Innenkante 34 zur zweiten Innenkante 25 in der Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 0.7 mm. Die Öffnungs- oder Querschnittsfläche des Schafts 30 ist konstant.
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Zwischen der ersten Probe und der zweiten Probe sind der Aufbau des Sensorchips 11 (also Größe und Dicke der Membran 23, Dicke des Sensorchips 11 und Größe und Form des vertieften Abschnitts 22) und ein Aufbau des Gehäuses 40 (als Öffnungs- oder Querschnittsfläche und Länge der Durchgangsöffnung 43) gleich. Eine in der Membran 23 erzeugte Belastung, wenn die Temperatur von einer hohen Temperatur von 150 °C auf eine niedrige Temperatur von -40 °C geändert wird, wird durch eine strukturelle Analyse analysiert. In dieser Analyse wird ein Abschnitt der Membran von einem Ende 23a (Zweipunkt-Strich-Linie in 4) der Membran 23 zu einer Mittel CL der Membran 23 in gleichmäßige Abstände unterteilt. Erhaltene fünfzehn Punkte 1 bis 15 werden als Belastungsmesspunkte festgelegt. Der erste Punkt 1 liegt auf dem Ende 23a.
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Die Ergebnisse der Analyse sind in 5 gezeigt. 5 zeigt klar, dass die in der Membran 23 der ersten Probe erzeugte Belastung kleiner als diejenige bei der zweiten Probe ist. Die größte erzeugte Belastung an den Messpunkten 1 bis 15 beträgt bei der ersten Probe -0.5 MPa und -4.0 MPa bei der zweiten Probe. Die größte erzeugte Belastung bei der ersten Probe ist um 90 % kleiner als diejenige bei der zweiten Probe. Dieses Ergebnis zeigt klar, dass der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform wirksam die Belastungsaufbringung aufgrund einer Verformung des Gelteils 13 auf die Membran 23 und den Dehnmesswiderstand 24 unterdrücken kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform hat der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 die minimale Querschnittsfläche an der ersten Innenkante 34 des Schafts 30. Die Öffnungs- oder Querschnittsfläche an Orten oder Stellen entfernt von der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 in der Richtung weg von der Membran 23 ist nicht kleiner als die Öffnungsfläche an der Kante der Sensorchipanordnungsoberfläche 31. Zusätzlich hat der Kontaktierungsteil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 die maximale Öffnungsfläche an der Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23. Diese maximale Öffnungsfläche ist größer als die Öffnungsfläche an der ersten Innenkante 34. Weiterhin ist die Öffnungsfläche an einem bestimmten Ort größer oder gleich derjenigen zwischen dem bestimmten Ort und der Membran 23. Wenn daher das Gelteil 13 bei niedrigen Temperaturen steif wird und sich verformt, kann das Gelteil 13 die hierdurch aufgebauten Spannungen aufgrund der Eigenverformung weg von der Membran 23 unter Bewegung der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 abbauen. Folglich können auf die Membran 23 wirkende Belastungen wirksam unterbunden werden. Dies trifft auch gleichermaßen auf den Fall zu, wenn sich das Gelteil 13 bei hohen Temperaturen ausdehnt.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sensorchip 1 an dem Schaft 30, der als erstes Stützteil dient, über die Kleberschicht 50 befestigt. Genauer gesagt, das erste Stützteil enthält nur den Schaft 30, der ein Teil ist, der am Sensorchip 11 nur über den Kleber oder die Kleberschicht 50 befestigt ist. Zusätzlich kontaktiert ein Abschnitt der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 das Gelteil 13. Die Öffnungsfläche des kontaktierenden Abschnitts an einer Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23 ist größer als an der ersten Innenkante 34. Wie oben beschrieben, ist die Öffnungs- oder Querschnittsfläche an einer bestimmten Stelle größer oder gleich derjenigen zwischen der bestimmten Stelle und der Membran 23. Aufgrund hiervon kann sich gemäß 3 das Gelteil 13 in dem Schaft 30 leichter in einer Richtung weg von der Membran 23 als in einer Richtung auf die Membran 23 zu bewegen. In der vorliegenden Ausführungsform kann sich das Gelteil 13 einfacher als in einem Fall bewegen, wo die Öffnungsfläche der Durchgangsöffnung 33 konstant ist. Daher werden auf die Membran 23 einwirkende Belastungen wirksam unterdrückt. Es sei festzuhalten, dass der in Kontakt mit dem Gelteil 13 stehende Teil sich nicht auf einen Teil bezieht, der zum Zeitpunkt der Herstellung mit dem Gelteil 13 gefüllt ist. Der mit dem Gelteil 13 in Kontakt stehende Teil bezieht sich auf einen maximal kontaktierbaren Teil, der in dem Betriebstemperaturbereich in Kontakt mit dem Gelteil 13 gelangen kann. Insbesondere bezieht sich der mit dem Gelteil 13 in Kontakt stehende oder Kontakt bringbare Teil auf einen Teil, der das Gelteil 13 an einer Obergrenze des Betriebstemperaturbereichs kontaktiert.
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Aufgrund der Synergie der obigen Vorteile kann der Drucksensor 10 der vorliegenden Ausführungsform wirksam die Belastungen unterbinden, welche aus einer Verformung des Gelteils 13 hervorgehen und auf die Membran 23 und den Dehnmesswiderstand 24 wirken würden.
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Insbesondere wenn ein Drucksensor wie der Drucksensor 10 der vorliegenden Ausführungsform einem Abgas ausgesetzt wird, ist der Drucksensor der Säurekomponente (säurehaltigen Bestandteilen) im Abgas, beispielsweise Salpetersäure oder dergleichen, während einer langen Zeitdauer ausgesetzt. In diesem Fall kann eine Oberflächenschicht des Gelteils 13 verhärten. Wenn die Oberflächenschicht des Gelteils 13 verhärtet, wird es für das Gelteil 13 normalerweise schwierig, sich in einer Richtung weg von der Membran 23 zu bewegen, und folglich wird typischerweise eine die Membran nach oben schiebende Kraft größer im Vergleich zu einem Fall, wo keine verhärtete Oberflächenschicht vorliegt. Bei dem Drucksensor 10 der vorliegenden Ausführungsform kann sich das Gelteil 13 dennoch leicht in einer Richtung weg von der Membran 23 bewegen. Selbst wenn sich daher eine Oberflächenschicht des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente verhärtet, ist die verhärtete Oberflächenschicht einer größeren Kraft zur Verformung des Gelteils 13 in einer Richtung weg von der Membran 23 als bei dem Vergleichsbeispiel ausgesetzt. Aufgrund hiervon ist ein Verformungsbetrag des ausgehärteten Oberflächenabschnitts des Gelteils 13 hoch, und im Ergebnis kann, verglichen mit dem Vergleichsbeispiel, die vorliegende Ausführungsform wirksam verhindern, dass Belastungen aufgrund einer Verformung des Gelteils 13 auf die Membran 23 und den Dehnmesswiderstand 24 wirken.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat Experimente durchgeführt, um zu untersuchen, wie Dicke und Oberflächenbereich des Gelteils 13 den Betrag einer durch Säurebestandteile hervorgerufenen Belastungsänderung in der Membran 23 beeinflussen. Ergebnisse der Untersuchungen sind in den 6 und 7 dargestellt. Für die Untersuchungen wurden Paare von Drucksensoren 10 vorbereitet, wobei jedes Paar einen gleichen Aufbau hatte. In jedem Paar wurde ein Drucksensor 60 Stunden lang auf 140 °C erhitzt, und aus Abgas kondensierte Flüssigkeit mit einem pH-Wert von 1.5 wurde einmal pro bestimmter Zeit auf die Oberfläche 13a des Gelteils 13 getropft. Die bestimmte Zeit lag zwischen 20 und 30 Minuten. Auf diese Weise wurde eine Probe erhalten, bei der die Oberflächenschicht des Gelteils 13 verhärtet war. Danach wurde diese erhaltene Probe und die andere Probe, bei der die aus Abgas kondensierte Flüssigkeit nicht aufgetropft wurde, erneut zu einem Paar zusammengefasst. Für jede Probe in dem Paar wurde die maximal erzeugte Belastung der Membran 23 bei drei Temperaturwerten gemessen. Die drei Temperaturwerte waren eine Hochtemperatur (HT) von 150 °C, eine Raumtemperatur (RT) von 20 °C und eine niedrige Temperatur (LT) von -40 °C. Bei jedem Temperaturwert wurde die Differenz in der maximal erzeugten Belastung zwischen dem Paar von Proben als Änderungsbetrag gemessen. In den 6 und 7 bezeichnen ein offenes Dreieck, ein offenes Rechteck und ein offener Kreis Änderungsbeträge bei Hochtemperatur, Raumtemperatur und niedriger Temperatur.
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Gelteile 13 mit drei Dickewerten von annähernd 2.5 mm, annähernd 2.8 mm und annähernd 3.2 mm wurden erstellt. Für den Sensorchip 11 wurde das Siliziumsubstrat verwendet, für die Kleberschicht 50 das Fluorsilikon, für den Schaft 30 das Aluminiumoxid und für das Gehäuse 40 PBT, und weiterhin wurde ein Fluorgel mit einem E-Modul (Young'schen Modul) von 0.1 MPa für das Gelteil 13 verwendet. Die Parameter mit Ausnahme der Dicke des Gelteils 13 waren somit gleich. 6 zeigt, dass die Änderung bei hoher Temperatur hoch ist und die Änderung umso höher ist, je dicker das Gelteil 13 ist. Der Grund, warum ein dickeres Gelteil 13 eine größere Änderung bei hoher Temperatur verursacht, ist, dass das dickere Gelteil 13 eine höhere Ausdehnungskraft hat und folglich eine höhere Kraft nach oben auf die Membran 23 drückt.
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Was die Oberfläche des Gelteils 13 betrifft, so werden Gelteile 13 mit zwei Oberflächenwerten von 9 mm2 und 20 mm2 erstellt. Das Siliziumsubstrat wurde für den Sensorchip 11 verwendet, Fluorsilikon für die Kleberschicht 50, Aluminiumoxid für den Schaft 30, PBT für das Gehäuse 40 und Fluorgel mit einem Young'schen Modul von 0.1 MPa für das Gelteil 13. Die Parameter mit Ausnahme der Oberfläche des Gelteils 13 waren somit gleich. 7 zeigt, dass eine Änderung bei hoher Temperatur hoch ist. Insbesondere ist die Änderung oder Schwankung größer, wenn die Oberfläche des Gelteils 13 kleiner ist. Der Grund, warum die kleinere Oberfläche des Gelteils 13 eine größere Änderung oder Schwankung bei hoher Temperatur verursacht, ist, dass die kleinere Oberfläche, d. h. die kleinere Öffnungsfläche oder Querschnittsfläche, eine stärkere Federeigenschaft der ausgehärteten Oberflächenschicht des Gelteils 13 verursacht und es schwierig macht, die verhärtete Oberflächenschicht zu verformen. Aufgrund hiervon ist die Kraft zum Hochschieben der Membran 23 erhöht.
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Die obigen Ergebnisse zeigen, dass eine große Oberfläche (großer Oberflächenbereich) und eine geringe Dicke des Gelteils 13 vorteilhaft sein können, um die Belastungen zu verringern, welche auf die Membran immer dann wirken, wenn eine Oberflächenschicht des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente verhärtet oder aushärtet. Was die Dicke des Gelteils 13 betrifft, kann, da das Gelteil 13 die Kleberschicht 50 und auch die Membran 23 schützt, eine minimal notwendige Dicke von der Innenkante aus eine Dicke sein, welche einen Schutz der Kleberschicht 50 erlaubt. Beispielsweise kann die minimal notwendige Dicke von der ersten inneren Ecke 34 aus 1 mm oder mehr betragen.
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Die obigen Ergebnisse spiegeln sich in der vorliegenden Ausführungsform derart wider, dass, um die Dicke des Gelteils 13 zu verringern, das Gelteil 13 die Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 füllt und nicht über die Durchgangsöffnung 33 hinaus, obgleich das Stützteil 12 das Gehäuse 40 enthält. Somit kann eine Belastung, die auf die Membran 23 wirkt, insbesondere die Belastung, wenn der Oberflächenabschnitt des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente aushärtet, im Vergleich zu einem Fall verringert werden, wo die Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 mit dem Gelteil 13 gefüllt ist. Weiterhin hat bei der vorliegenden Ausführungsform der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43, der in Kontakt mit dem Gelteil 13 ist, eine bestimmte Querschnittsgröße (z. B. Durchmesser) an der Stelle, die von der Membran 23 am weitesten entfernt ist. Diese bestimmte Querschnittsgröße ist größer als die Dicke des Gelteils 13. Die Dicke des Gelteils 13 ist definiert als eine maximale Länge des Gelteils 13 in der Referenzrichtung (auch „senkrechte Richtung“ genannt), welche senkrecht zu der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 ist. Damit kann eine auf die Membran 23 wirkende Belastung, insbesondere die Belastung, wenn die Oberflächenschicht des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente aushärtet oder verhärtet, im Vergleich zu einem Fall verringert werden, wo die Dicke des Gelteils 13 größer oder gleich der oben beschriebenen gewissen Querschnittsgröße ist. Weiterhin verwendet die vorliegende Ausführungsform die Keramikmehrschichtkarte als Schaft 30. Dies erleichtert die Ausbildung der Durchgangsöffnung 33 mit der oben beschriebenen Öffnungsform im Vergleich zu einem Fall, wo ein einzelner Keramikkörper als Schaft 30 verwendet wird.
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<Abwandlungen>
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In dem oben beschriebenen Beispiel hat der Abschnitt der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30, der in Kontakt mit dem Gelteil 13 ist, die Stufenform. Alternativ und wie in 8 gezeigt kann der Öffnungsbereich des Abschnitts der Durchgangsöffnung 33 in Kontakt mit dem Gelteil 13 sich mit zunehmendem Abstand von der Membran 23 vergrößern. In dem Beispiel gemäß 8 hat die Durchgangsöffnung 33 insgesamt eine derartige schräg verlaufende Form, dass die Änderungsrate der Öffnungs- oder Querschnittsfläche in der senkrechten Richtung konstant ist. In diesem schräg verlaufenden oder sich in 8 nach oben konisch verjüngenden Verlauf kann sich das Gelteil 13 einfach in dem Schaft 30 in einer Richtung weg von der Membran 23 bewegen. Somit können auf die Membran 23 wirkende Belastungen wirksam verringert werden. Weiterhin, selbst wenn die Oberflächenschicht des Gelteils 13 sich aufgrund der Säurekomponente verhärtet, ist es möglich, auf die Membran 23 wirkende Belastungen zu unterdrücken, während die Größe des Sensorchips 11 verringert wird, verglichen zu einem Fall, wo beispielsweise der Öffnungsbereich des Schafts 30 konstant ist. Der Schaft 30 ist in 8 ein einteiliges Teil aus Keramik, Harz, Metall oder dergleichen. Alternativ kann der Schaft 30 eine Keramikmehrschichtkarte oder -platte mit einer konischen oder schräg verlaufenden Durchgangsöffnung sein, welche durch entsprechende Bearbeitung einer jeden Schicht der Mehrschichtkarte gebildet wird.
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Weiterhin haben in dem Beispiel gemäß 8 die Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 und die Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 bezüglich der senkrechten Richtung unterschiedliche Neigungen. Mit anderen Worten, der Neigungswinkel θ1 der Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 bezüglich der senkrechten Richtung ist unterschiedlich zum Neigungswinkel θ2 der Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 bezüglich der senkrechten Richtung (θ2 > θ1). Alternativ und wie in 9 gezeigt können die Neigungswinkel θ1 und θ2 gleich sein. Zusätzlich kann die Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 des Sensorchips 11 fluchtend mit der Innenwand 33a des Abschnitts der Durchgangsöffnung 33 in Kontakt mit dem Gelteil 13 sein. Mit anderen Worten, der Sensorchip 11 und der Schaft 30 können miteinander verbunden werden und eine flache Oberfläche ohne Stufe (konkav/konvex) dazwischen bilden. Diese Ausgestaltung kann die Bewegung des Gelteils 13 in einer Richtung weg von der Membran 23 erleichtern. Somit können auf die Membran 23 wirkende Belastungen noch wirksamer unterdrückt werden. In 9 sind die innere Umfangsoberfläche der Kleberschicht 50, die Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 und die Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 in Fluchtung miteinander. Die innere Umfangsoberfläche der Kleberschicht 50 hat somit auch eine schräge Form oder einen schrägen Verlauf. Alternativ müssen die Innenwände 22a und 33a nicht in Fluchtung miteinander sein, obgleich die jeweiligen Neigungswinkel Θ1 und Θ2 gleich sind.
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In dem oben beschriebenen Beispiel liegt die erste Innenkante 34 des Schafts 30 radial weiter außen als die zweite Innenkante 25 des Sensorchips 11. Alternativ und wie in 10 gezeigt, kann in einer Richtung parallel zur Sensorchipanordnungsoberfläche 31 die erste Innenkante 34 mit der zweiten Innenkante 25 zusammenfallen. Beispielsweise ist in 10 der Öffnungsbereich oder die Öffnungsfläche der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 über einen Bereich von der Kante der Sensorchipanordnungsoberfläche 31 zur Hälfte der Durchgangsöffnung 33 konstant. Von der Hälfte der Durchgangsöffnung 33 zu der rückwärtigen Oberfläche 32 nimmt die Öffnungsfläche mit zunehmendem Abstand von der Membran 23 zu. Mit dieser Ausgestaltung ist eine Stufe, gebildet durch einen von der zweiten Innenkante 25 der rückwärtigen Oberfläche frei liegenden Teil, an der Stelle nicht vorhanden, wo der Sensorchip 11 und der Schaft miteinander verbunden sind. Dies erleichtert die Bewegung des Gelteils in einer Richtung weg von der Membran 23. Somit können auf die Membran 23 wirkende Belastungen wirksam verringert werden.
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Wenn die Kleberschicht 50 in einem Zustand, wo die innere Umfangsoberfläche der Kleberschicht 50, die Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 und die Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 miteinander fluchtend sind, wie in 9 gezeigt, dünn ist, nähert sich die erste Innenkante 34 der zweiten Innenkante 25 an, so dass die ersten und zweiten Innenkanten 34 und 25 annähernd in Übereinstimmung miteinander sind. Die 8 bis 10 zeigen den verformten Zustand des Gelteils 13. Die Pfeile im Gelteil 13 in den 8 bis 10 zeigen, dass sich das Gelteil 13 problemlos von dem vertieften Abschnitt 22 aus in Richtung der Durchgangsöffnung 33 bewegen kann. In den 8 bis 10 hat der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 an dem von der Membran 23 am weitesten entfernten Punkt eine bestimmte Querschnittsgröße. Diese bestimmte Querschnittsgröße ist größer als die Dicke des Gelteils 13.
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<Zweite Ausführungsform>
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In der ersten Ausführungsform füllt das Gelteil 13 durchgängig einen Bereich, der sich vom vertieften Abschnitt 22 zu der Durchgangsöffnung 33 des Schafts erstreckt. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 11 füllt im Gegensatz hierzu das Gelteil 13 durchgängig einen Bereich, der von dem vertieften Abschnitt 22 zu der Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 reicht. Die dritte Innenkante 44, welche das offene Ende der Durchgangsöffnung 43 an der Schaftanordnungsoberfläche 41 des Gehäuses umgibt, weist zu der rückwärtigen Oberfläche 32 des Schafts 30. Der Drucksensor 10 gemäß 11 kann im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der Drucksensor 10 der ersten Ausführungsform von 1 mit der Ausnahme des mit dem Gelteil 13 gefüllten Bereichs haben. Aufgrund hiervon liegt bei der vorliegenden Ausführungsform die dritte Innenkante 44 radial weiter außen als die vierte Innenkante 35, welche das offene Ende der Durchgangsöffnung 33 an der rückwärtigen Oberfläche 32 des Schafts 30 umgibt. In 11 ist das Gelteil 13 in einem verformten Zustand, und der Pfeil in dem Gelteil 13 zeigt, dass sich das Gelteil 13 problemlos vom vertieften Abschnitt 22 in Richtung Durchgangsöffnung 33 und Durchgangsöffnung 43 bewegen kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform hat, wie der Schaft 30 relativ zum Sensorchip, das Gehäuse 40 keinen Schulterabschnitt, der radial weiter nach innen als die Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 vorsteht. Aufgrund hiervon kann sich das Gelteil 13 problemlos vom Schaft 30 in Richtung Gehäuse 40 bewegen. Die Bewegung des Gelteils 13 in einer Richtung weg von der Membran 23 hebt Belastungen auf, welche auf die Membran 23 wirken. Folglich können Belastungen aufgrund einer Verformung des Gelteils 13 wirksam daran gehindert werden, auf die Membran 23 und den Dehnmesswiderstand 24 zu wirken.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist der Öffnungsbereich oder die Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 größer als diejenige der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30. Zusätzlich hat die Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 einen geradlinigen Verlauf, so dass die Öffnungsfläche konstant ist. Aufgrund hiervon hat, wie im Fall der ersten Ausführungsform, der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 an der ersten Innenkante 34 des Schafts 30 den minimalen Querschnitt. Zusätzlich ist der Querschnitt (Öffnungsfläche) des Kontaktteils an der Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23 maximal und größer als der Querschnitt an der ersten Innenkante 34. Weiterhin ist die Öffnungsfläche (Querschnitt) des Kontaktteils an einem bestimmten Ort größer oder gleich derjenigen zwischen dem bestimmten Ort und der Membran 23. Damit hat die zweite Ausführungsform im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie die erste Ausführungsform.
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Weiterhin hat wie im Fall der ersten Ausführungsform der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 eine bestimmte Querschnittsgröße (z. B. Durchmesser) an der Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23. Diese bestimmte Querschnittsgröße (z. B. Durchmesser) ist größer als die Dicke des Gelteils 13. Aufgrund hiervon kann eine auf die Membran 23 wirkende Belastung, insbesondere eine Belastung, wenn sich die Oberfläche des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente verhärtet, verringert werden.
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<Abwandlungen>
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In dem obigen Beispiel ist der Öffnungsbereich der Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 konstant. Alternativ kann ein Abschnitt der Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 in Kontakt mit dem Gelteil 13 den folgenden Öffnungsbereich oder die folgende Querschnittsausgestaltung haben: Der Öffnungsbereich an einem bestimmten Ort ist größer oder gleich demjenigen zwischen dem bestimmten Ort und der Membran 23. Wie beispielsweise in 12 dargestellt, nimmt der Öffnungsbereich des Abschnitts der Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 mit zunehmendem Abstand von der Membran 23 zu. Insbesondere hat der Abschnitt der Innenwand 43a in Kontakt mit dem Gelteil 13 eine derartige konische Form, dass die Änderungsrate der Öffnungsfläche oder des Querschnitts konstant ist. Ein Neigungswinkel Θ3 des Abschnitts der Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 bezüglich der senkrechten Richtung ist in Übereinstimmung mit dem Neigungswinkel θ1 und θ2. Mit anderen Worten, der Neigungswinkel des Teils des Stützteils 12 in Kontakt mit dem Gelteil 13 beträgt θ2 (= θ3). Dieser Neigungswinkel θ2 ist in Übereinstimmung mit dem Neigungswinkel θ1 des Sensorchips 11. Die Innenwand 22a des vertieften Abschnitts 22 des Sensorchips 11, die innere Umfangsfläche der Kleberschicht 50 und die Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 des Stützteils 12 sind in Fluchtung miteinander. Der Abschnitt der Innenwand 33a der Durchgangsöffnung 33 in Kontakt mit der Kleberschicht 51 ist in Fluchtung mit dem Abschnitt der Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 in Kontakt mit dem Gelteil 13. In dieser Ausgestaltung kann der Effekt der konischen oder schräg verlaufenden Form und der Effekt der sich in Fluchtung befindlichen Oberflächen die auf die Membran 23 wirkende Belastung wie im Fall der Abwandlung der ersten Ausführungsform (9) unterdrücken. Weiterhin hat das Gelteil 13 im Vergleich zu dem Fall, wo die Öffnungsfläche der Durchgangsöffnung 43 konstant ist, eine größere Querschnittsoberfläche. In einem Zustand, wo die Oberfläche des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente aushärtet, können daher auf die Membran 23 wirkende Belastungen unterdrückt werden. 12 zeigt das Gelteil 13 in dem verformten Zustand. Der Pfeil im Gelteil 13 in 12 zeigt, dass sich das Gelteil 13 problemlos von dem vertieften Abschnitt 22 zu der Durchgangsöffnung 33 und der Durchgangsöffnung 43 bewegen kann. Weiterhin hat in 12 der Teil des Druckübertragungsdurchlasses 33, 43 in Kontakt mit dem Gelteil 13 eine bestimmte Querschnittsgröße (z. B. einen Durchmesser) an der Stelle am weitesten entfernt von der Membran 23. Diese bestimmte Querschnittsgröße (z. B. Durchmesser) ist größer als die Dicke des Gelteils 13.
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In 12 hat ein Teil der Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 eine schräg verlaufende Form, und der Rest der Innenwand 43a hat eine gerade Form, wo sich die Öffnungsfläche nicht verändert (konstant ist). Alternativ, wenn das Gelteil 13 einen Bereich bis zur Hälfte der Durchgangsöffnung 43 füllt, kann die Innenwand 43a der Durchgangsöffnung 43 insgesamt so geformt sein, dass der Öffnungsbereich der Durchgangsöffnung 43 umso größer ist, je weiter entfernt man von der Membran 23 ist.
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In 12 sind die drei Neigungswinkel Θ1, Θ2 und Θ3 Innenwand gleich. Alternativ können die drei Neigungswinkel Θ1, Θ2 und Θ3 zueinander unterschiedlich sein. Beispielsweise können zwei der drei Neigungswinkel Θ1, Θ2 und Θ3 im Wesentlichen gleich zueinander sein und sich von dem anderen der drei Neigungswinkel Θ1, Θ2 und Θ3 unterscheiden. Weiterhin müssen, obgleich die Neigungswinkel Θ1, Θ2 und Θ3 gleich sind, die Innenwände 22a, 33a und 43a nicht in Fluchtung miteinander sein oder ineinander übergehen. Weiterhin, obgleich die Neigungswinkel Θ1, Θ2 und Θ3 gleich sind, können die Innenwände 22a und 33a in Fluchtung miteinander sein, jedoch müssen die Innenwände 33a und 43a nicht in Fluchtung zueinander sein.
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In den obigen Ausführungen liegt die dritte Innenkante 44 radial weiter außen als die vierte Innenkante 35. Alternativ kann die dritte Innenkante 44 mit der vierten Innenkante 35 zusammenfallen.
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<Dritte Ausführungsform>
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In den obigen Ausführungsformen hat bei Raumtemperatur die Oberfläche des Gelteils 13 eine Meniskusform derart, dass die Oberfläche in einer Richtung weg von der Membran 23 konkav ist (siehe 1). Im Gegensatz hierzu hat bei der dritten Ausführungsform gemäß 13 die Oberfläche des Gelteils 13 bei Raumtemperatur eine Meniskusform derart, dass die Oberfläche in einer Richtung weg von der Membran 23 konvex ist. Der Drucksensor 10 gemäß 13 kann im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie der Drucksensor 10 der ersten Ausführungsform (siehe 1) mit Ausnahme der Oberflächenform des Gelteils 14 haben.
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Wenn die Oberfläche des Gelteils 13 die Meniskusform hat und in einer Richtung weg von der Membran 23 konvex ist, kann sich das Gelteil einfacher in einer Richtung weg von der Membran 23 bewegen, als wenn die Oberfläche des Gelteils 13 flach oder in einer Richtung weg von der Membran 23 konkav ist. Es sei beispielsweise angenommen, dass eine Oberflächenschicht des Gelteils 13 aufgrund der Säurekomponente verhärtet ist und die Ausdehnung des Gelteils 13 die verhärtete Oberflächenschicht in der Richtung weg von der Membran 23 verformt. Wenn bei diesem Annahmefall die Oberfläche des Gelteils 13 in einer Richtung weg von der Membran 23 konvex ist, kann sich die erhärtete Oberflächenschicht einfacher weg von der Membran 23 verformen, als wenn die Oberfläche des Gelteils 13 flach oder konkav wäre. Damit können auf die Membran 23 wirkende Belastungen wirksam unterdrückt werden.
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Das Gelteil 13 gemäß 13 kann beispielsweise wie folgt gebildet werden: Wie in 14 gezeigt, wird das Gelteil durch die Durchgangsöffnung 43 des Gehäuses 40 in einen Bereich eingespritzt, der von dem vertieften Abschnitt 22 des Sensorchips 11 bis zur Hälfte der Durchgangsöffnung 33 des Schafts 30 verläuft. In einem Zustand, in welchem Druck auf das Gelteil 13 von der Oberfläche 13a her aufgebracht wird, wird das Gelteil 13 beispielsweise durch Erwärmung ausgehärtet. Insbesondere wird das Gelteil 13 in einem Zustand ausgehärtet, wo der Druck einer externen Atmosphäre größer als der Atmosphärendruck ist. Nach diesem Aushärtevorgang wird der angelegte Druck entfernt, so dass Atmosphärendruck auf die Oberfläche 13a des Gelteils 13 wirkt. Im Ergebnis wird gemäß 13 das Gelteil 13 mit der Meniskusform, deren konvexe Richtung die Richtung weg von der Membran 23 ist, erhalten.
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Die obigen Ausführungsformen und Abwandlungen können modifiziert, kombiniert und/oder erweitert werden.
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Beispielsweise enthält in der obigen Ausführungsform das Stützteil 12 den Schaft 30, der als erstes Stützteil dient, und das Gehäuse 40, das als zweites Stützteil dient. Jedoch ist der Aufbau des Stützteils 12 nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Das Stützteil 12 kann das erste Stützteil ohne das zweite Stützteil aufweisen. Beispielsweise kann das Stützteil 12 eine Struktur haben, wo kein Sockel vorhanden ist, wo das Stützteil 12 das Gehäuse 40 als erstes Stützteil enthält und keinen Schaft 30. Alternativ können drei oder auch mehr Pfeile das Stützteil 12 bilden.
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung hat eine Anzahl von Aspekten und Merkmalen. Beispielsweise weist gemäß einem Aspekt ein Drucksensor einen Sensorchip, ein Stützteil und ein Gelteil auf. Der Sensorchip hat einen vertieften Abschnitt, eine Membran und einen Dehnmesswiderstand. Der vertiefte Abschnitt hat an einer Oberfläche des Sensorchips ein offenes Ende. Die Membran definiert einen Boden des vertieften Abschnitts. Der Dehnmesswiderstand ist auf oder in der Membran ausgebildet. Das Stützteil hat eine Anordnungsoberfläche, welche zu der einen Oberfläche des Sensorchips weist. Die Anordnungsoberfläche ist eine Oberfläche, an der der Sensorchip festgelegt ist. Das Stützteil definiert einen Druckübertragungsdurchlass, der ein offenes Ende an der Anordnungsoberfläche hat und der mit dem vertieften Abschnitt in Verbindung steht. Das Gelteil füllt durchgängig den vertieften Abschnitt und wenigstens einen Teil des Druckübertragungsdurchlasses und schützt die Membran. In Antwort auf eine Druckübertragung von einem Druckmedium über das Gelteil an die Membran wird die Membran verformt, und der Widerstand des Dehnmesswiderstands ändert sich. Eine Kante des offenen Endes des Druckübertragungsdurchlasses an der Anordnungsoberfläche des Stützteils weist zu einem Umgebungsbereich des offenen Endes des vertieften Abschnitts an der einen Oberfläche des Sensorchips. Wenigstens der Teil des Druckübertragungsdurchlasses, der in Kontakt mit dem Gelteil ist, hat an dem offenen Ende an der Anordnungsoberfläche eine minimale Querschnittsfläche und an einem Ort am weitesten entfernt von der Membran eine maximale Querschnittsfläche. Die Querschnittsfläche zumindest des Teils des Druckübertragungsdurchlasses an der bestimmten Stelle ist größer oder gleich derjenigen zwischen der Membran und der bestimmten Stelle. Das Stützteil enthält ein erstes Stützteil mit der Anordnungsoberfläche. Das erste Stützteil hat weiterhin eine rückwärtige Oberfläche gegenüberliegend der Anordnungsoberfläche und definiert ein erstes Druckübertragungsdurchlassteil, das von der Anordnungsoberfläche zu der rückwärtigen Oberfläche verläuft. Der Sensorchip ist an der Anordnungsoberfläche des ersten Stützteils mit einem Kleber befestigt. Das erste Druckübertragungsdurchlassteil ist in dem Druckübertragungsdurchlass enthalten. Die Querschnittsfläche des ersten Druckübertragungsdurchlassteils an der ersten Stelle ist größer als die Querschnittsfläche des ersten Druckübertragungsdurchlassteils an der zweiten Stelle. Die erste Stelle ist das offene Ende des ersten Druckübertragungsdurchlassteils an der Anordnungsoberfläche. Die zweite Stelle ist eine Stelle am weitesten entfernt von der Membran entlang einem Abschnitt des ersten Druckübertragungsdurchlassteils in Kontakt mit dem Gelteil. Das erste Stützteil ist ein Teil, an welchem der Sensorchip nur über den Kleber befestigt ist.
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Es sei festzuhalten, dass ein Viskositätswiderstand von einer Form eines Objekts abhängt, das in Kontakt mit einem viskosen Objekt ist. Insbesondere kann eine konkave oder konvexe Form eine größere Kontakt- oder Anlageoberfläche mit dem viskosen Objekt haben und einen größeren Viskositätswiderstand als eine ebene Oberfläche bewirken.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor weist die Kante des offenen Endes des Druckübertragungsdurchlasses an der Anordnungsoberfläche des Stützteils nicht zu dem vertieften Abschnitt des Sensorchips, sondern weist zu dem Umgebungsbereich des offenen Endes des vertieften Abschnitts an der einen Oberfläche des Sensorchips. Das heißt, das Stützteil hat keinen Schulterabschnitt, der radial weiter nach innen als eine Kante des vertieften Abschnitts in einer Richtung parallel zur Anordnungsoberfläche weist. Das Gelteil, welches ein viskoses Objekt ist, wird bei niedrigen Temperaturen (z. B. -30 °C oder weniger) steif und verformt sich. Wenn sich das Gelteil bewegt (fließt), um diese Verformungen auszugleichen oder abzubauen, kann sich das Gelteil problemlos in einer Richtung weg von der Membran bewegen. Wenn sich das Gelteil in einer Hochtemperaturumgebung ausdehnt, kann sich das Gelteil ebenfalls problemlos in einer Richtung weg von der Membran bewegen.
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Weiterhin hat bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor zumindest der Teil des Druckübertragungsdurchlasses, der in Kontakt mit dem Gelteil ist, an dem offenen Ende der Anordnungsoberfläche eine minimale Querschnittsfläche und eine maximale Querschnittsfläche an einer Stelle am weitesten entfernt von der Membran. Zusätzlich ist die Querschnittsfläche zumindest des Teils des Druckübertragungsdurchlasses an einer bestimmten Stelle größer oder gleich derjenigen zwischen der Membran und der bestimmten Stelle. Aufgrund hiervon kann sich das Gelteil problemlos in dem Druckübertragungsdurchlass des Stützteils in einer Richtung weg von der Membran bewegen.
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Weiterhin enthält bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor das Stützteil wenigstens ein erstes Stützteil. Das erste Stützteil ist ein Teil, an welchem der Sensorchip nur über den Kleber befestigt ist. Insbesondere kann das erste Stützteil ein einzelnes Teil sein. Die Querschnittsfläche oder der Querschnittsbereich des ersten Druckübertragungsdurchlassteils an einer ersten Stelle ist größer als die Querschnittsfläche des ersten Druckübertragungsdurchlassteils an einer zweiten Stelle. Die erste Stelle ist das offene Ende des ersten Druckübertragungsdurchlassteils an der Anordnungsoberfläche. Die zweite Stelle ist eine Stelle am weitesten entfernt von der Membran in einem Abschnitt des ersten Druckübertragungsdurchlassteils in Kontakt mit dem Gelteil. Aufgrund hiervon kann sich das Gelteil problemlos in einer Richtung weg von der Membran im Vergleich zu einem Fall bewegen, wo die Öffnungs- oder Querschnittsfläche des ersten Druckübertragungsdurchlassteils über die Durchdringungsrichtung des ersten Druckübertragungsdurchlassteils hinweg konstant ist.
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Aufgrund der Synergie der obigen Vorteile kann der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung wirksam die Belastungen, welche aus einer Verformung des Gelteils herrühren, daran hindern, auf die Membran und den Dehnmesswiderstand einzuwirken.
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Bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor kann weiterhin, da der Sensorchip an dem ersten Stützteil nicht durch anodisches Bonden, sondern durch den Kleber befestigt ist, die Kante des Druckübertragungsdurchlasses zu der einen Oberfläche des Sensorchips weisen. Bei dieser Anordnung verwendet der Drucksensor nicht das anodische Bonden, sondern das Bonden oder Verbinden mittels eines Klebers. Daher kann eine Verringerung der Verbindungsfestigkeit aufgrund einer Funken- oder Lichtbogenentwicklung verhindert werden.
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Eine Lagebeziehung zwischen der Kante des Druckübertragungsdurchlasses und dem Bereich der einen Oberfläche des Sensorchips kann so sein, dass die Kante des Druckübertragungsdurchlasses und eine Kante des vertieften Abschnitts in einer Richtung parallel zur Anordnungsoberfläche zusammenfallen. Alternativ kann die Lagebeziehung so sein, dass die Kante des Druckübertragungsdurchlasses radial außerhalb der Kante des vertieften Abschnitts in der Richtung parallel zur Anordnungsoberfläche liegt.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor kann wie folgt ausgebildet sein: Die Querschnittsfläche des Abschnitts des ersten Druckübertragungsdurchlassteils in Kontakt mit dem Gelteil vergrößert sich, wenn der Abstand von der Membran zunimmt.
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Da bei obiger Ausgestaltung die Querschnittsfläche des Abschnitts des ersten Druckübertragungsdurchlassteils mit zunehmendem Abstand von der Membran zunimmt, können auf die Membran einwirkende Belastungen noch wirksamer unterdrückt werden.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor kann auch wie folgt ausgebildet sein: Eine Innenwand des vertieften Abschnitts des Sensorchips ist so schräg verlaufend, dass die Querschnittsfläche des vertieften Abschnitts mit zunehmendem Abstand von der Membran in einer Referenzrichtung zunimmt. Die Referenzrichtung ist hierbei eine Richtung von der Membran zu der Anordnungsoberfläche und verläuft senkrecht zur Anordnungsoberfläche. Ein Neigungswinkel der Innenwand des vertieften Abschnitts des Sensorchips bezüglich der Referenzrichtung fällt mit einem Neigungswinkel einer Innenwand wenigstens des Teils des Druckübertragungsdurchlasses bezüglich der Referenzrichtung zusammen. Die Innenwand des vertieften Abschnitts des Sensorchips ist in Fluchtung mit der Innenwand von wenigstens dem Teil des Druckübertragungsdurchlasses.
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Mit dieser Ausgestaltung sind die Innenwand des vertieften Abschnitts und die Innenwand des Kontaktteils des Druckübertragungsdurchlasses flach, das heißt, bilden keine Stufe zwischen sich. Somit kann das Gelteil weitestgehend widerstandsfrei in einer Richtung weg von der Membran fließen oder sich bewegen. Auf die Membran einwirkende Belastungen können noch wirksamer unterdrückt werden.
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Der obige Drucksensor kann weiterhin so ausgebildet werden, dass der Abschnitt des ersten Druckübertragungsdurchlassteils in Kontakt mit dem Gelteil eine stufenweise ausgebildete Innenwand hat.
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Das erste Druckübertragungsdurchlassteil oberhalb des ersten Stützteils hat verschiedene Intervalle oder Abstände mit unterschiedlichen Querschnittsbereichen oder Querschnittsflächen. In jedem Intervall ist die jeweilige Querschnittsfläche konstant. Aufgrund hiervon kann das Gelteil sich problemlos, d. h. im Wesentlichen widerstandsfrei, in einer Richtung weg von der Membran im Vergleich zu einem Fall bewegen, wo die Querschnittsfläche über den Abschnitt des ersten Druckübertragungsdurchlassteils in Kontakt mit dem Gelteil hinweg konstant ist.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor kann so ausgebildet sein, dass das erste Stützteil eine keramische Mehrschichtkarte (Laminatkarte) ist. Dies erleichtert die Ausbildung des ersten Druckübertragungsdurchlassteils mit der soeben beschriebenen Öffnungsform im Vergleich zu einem Fall, wo ein einzelner Keramikkörper (Massivkörper) als Schaft verwendet wird.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor kann so ausgestaltet werden, dass eine Oberfläche des Gelteils eine Meniskusform hat, wobei eine Konvexrichtung hiervon die Richtung weg von der Membran ist.
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Selbst wenn daher eine Oberflächenschicht des Gelteils aufgrund beispielsweise einer Säurekomponente oder eines Säurebestandteils in einem Abgas aushärtet oder verhärtet, können auf die Membran einwirkende Belastungen im Vergleich zu Fällen wirksam unterdrückt werden, wo die Oberfläche des Gelteils flach oder konkav in der Richtung weg von der Membran ist.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor ist weiterhin so ausgestaltet, dass das Stützteil weiterhin ein zweites Stützteil enthält. Das zweite Stützteil stützt oder lagert das erste Stützteil und definiert ein zweites Druckübertragungsdurchlassteil in Verbindung mit dem ersten Druckübertragungsdurchlassteil. Das zweite Druckübertragungsdurchlassteil und das erste Druckübertragungsdurchlassteil sind in dem Druckübertragungsdurchlass enthalten.
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Mit obiger Ausgestaltung kann das Gelteil durchgängig, d. h. quasi einstückig, einen Bereich ausfüllen, der vom vertieften Abschnitt bis zur annähernden Hälfte des Druckübertragungsdurchlassteils reicht. Das Gelteil ist in dem zweiten Druckübertragungsdurchlassteil nicht vorhanden sein.
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Selbst wenn hierbei eine Oberflächenschicht des Gelteils sich beispielsweise aufgrund einer Säurekomponente im Abgas verhärtet oder aushärtet, können auf die Membran einwirkende Belastungen im Vergleich zu Fällen unterdrückt werden, wo das Gelteil das zweite Druckübertragungsdurchlassteil füllt.
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Selbst wenn daher eine Oberflächenschicht des Gelteils beispielsweise aufgrund der Säurekomponente im Abgas aushärtet oder verhärtet, lassen sich auf die Membran einwirkende Belastungen im Vergleich zu Fällen wirksamer unterdrücken, wo die Dicke des Gelteils größer als die Querschnittsgröße des Teils an der Stelle am weitesten entfernt von der Membran.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor weist somit insoweit zusammenfassend im Wesentlichen einen Sensorchip mit einem vertieften Abschnitt und einer Membran, die einen Boden des vertieften Abschnitts definiert, ein Stützteil, welches einen Druckübertragungsdurchlass in Verbindung mit dem vertieften Abschnitt definiert, und ein Gelteil auf, welches durchgängig den vertieften Abschnitt und wenigstens einen Teil des Druckübertragungsdurchlasses füllt. Der Sensorchip ist an einer Anordnungsoberfläche des Stützteils mittels eines Klebers befestigt. Eine Kante eines offenen Endes des Druckübertragungsdurchlasses der Anordnungsoberfläche weist zu einem Umgebungsbereich des vertieften Abschnitts des Sensorchips.
