DE102017103120A1

DE102017103120A1 - Drucksensorchip und Drucksensor

Info

Publication number: DE102017103120A1
Application number: DE102017103120.0A
Authority: DE
Inventors: Daisuke Morihara; Katsuyuki Inoue
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2017-09-07
Also published as: KR101953454B1; CN107152982A; JP2017156241A; JP6665589B2; KR20170102802A; CN107152982B

Abstract

Es wird ein miniaturisierbarer und erhöhte Detektionsgenauigkeit ermöglichender Drucksensorchip bereitgestellt. Der Drucksensorchip weist eine innerhalb von einem Halbleitersubstrat gebildete, hermetisch abgeschlossene Druckstandardkammer, eine Membran, welche zwischen der Druckstandardkammer und einem Außenraum gebildet ist und sich infolge einer Differenz zwischen einem Druck in der Druckstandardkammer und einem Druck im Außenraum verformt, sowie eine Sensoranordnung auf, welche an der Membran vorgesehen und ausgebildet ist, ein der Verformung der Membran entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen. In einer Horizontalprojektion des Halbleitersubstrats ist ein Abschnitt von einem Umkreis eines Detektionsabschnitts, welcher die Druckstandardkammer, die Membran und die Sensoranordnung umfasst, als ein Verbindungsabschnitt festgelegt, um in dem Umkreis des Detektionsabschnitts unter Belassen des Verbindungsabschnitts eine durch das Halbleitersubstrat gehende Durchgangsnut auszubilden, welche den Detektionsabschnitt und einen den Detektionsabschnitt ausgenommenen Abschnitt des Halbleitersubstrats trennt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensorchip.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Drucksensoren dienen in erster Linie dazu, den Druck eines Gases oder einer Flüssigkeit zu detektieren, und werden als Wasserdrucksensoren, Gasdrucksensoren, Höhensensoren usw. in vielerlei Vorrichtungen verwendet. In den letzten Jahren ist ihr Verwendungsbereich dabei, sich mit der Anwendung in Navigationsvorrichtungen zum Gewinnen von Positionsinformationen, der Anwendung in Messgeräten zum präzisen Messen der Bewegungsmenge eines Nutzers usw. um spezielle Formen der Benutzung als Höhensensor zu erweitern.
Allgemein werden Drucksensoren grob in Drucksensoren zum Messen eines Drucks, der mit dem absoluten Vakuum als Standard ausgedrückt ist, und Relativdrucksensoren (Differenzdrucksensoren) zum Messen eines Drucks, der gegenüber dem Atmosphärendruck oder einem anderen beliebigen zu vergleichenden Druck (Standarddruck) ausgedrückt ist, klassifiziert.
Als Drucksensoren neueren Datums kommen verschiedene Sorten vor, von denen eine einen Membran-Drucksensorchip als MEMS-Sensorchip (Mikroelektromechanischer System-Sensorchip) aufweist. Da Absolutsensoren mit diesen Membran-Drucksensorchips wesentlich kleinformatiger als andere sind, eignen sie sich für die oben erwähnten Anwendungen in Navigationsvorrichtungen und Aktivitätsmessern.
Als Dokumente aus dem Stand der Technik, die die Konstruktion von Drucksensoren mit einem eingebauten Drucksensorchip dieser Art offenbaren, gibt es z. B. die JP 2006 302943 A und die JP 5515258 B2 .
Ein in JP 2006 302943 A offenbartes Sensorpaket ist mit einem Ballastkörper konstruiert, der vermittels mehrerer Balken von einer Halbleiterschicht getragen wird. Die Unterseite einer Trägersubstratschicht liegt dem Boden eines Rahmenelements gegenüber und ist in Viertelbereiche aufgeteilt, wobei in nur einem von diesen Bereichen Unterseite der Trägersubstratschicht und Basis verbunden sind.
Ein in JP 5515258 B2 offenbarter Drucksensorchip umfasst einen Balkenabschnitt, der innerhalb einer Öffnung im Substrat kragbalkenartig vorspringend abgestützt ist, eine Membran, die sich entsprechend einer Druckdifferenz zwischen einem Druck in einer innerhalb des Balkenabschnitts hermetisch abgeschlossen ausgebildeten Druckstandardkammer und einem zu messenden Druck verlagert, sowie eine Druckdetektiereinheit, die auf der Membran vorgesehen ist und ein der Verlagerung der Membran entsprechendes Signal ausgibt.
JP 2006 302943 A und JP 5515258 B2 sind Beispiele für vorbekannte Patentdokumente.
ABRISS DER ERFINDUNG
Allgemein wird bei Drucksensoren und den darin eingebauten Drucksensorchips eine weitere Miniaturisierung und Erhöhung der Detektionsgenauigkeit gefordert. Auch der oben erwähnte spezielle Fall der Nutzung in Navigationsvorrichtungen oder Aktivitätsmessern ist keine Ausnahme. Berücksichtigt man, dass es sich bei diesen Vorrichtungen um Mobilgeräte handelt, so ist das Bedürfnis stark, die Drucksensoren immer kleiner (insbesondere dünner) zu gestalten, und ein besonders wichtiger Auftrag besteht darin, auf Höhenunterschieden beruhende Änderungen des Luftdrucks mit höherer Genauigkeit detektieren zu können.
Weil Drucksensoren, insbesondere piezoelektrisch arbeitende, empfänglich für mechanische Spannungen sind, unterliegen sie leicht dem Einfluss äußerer mechanischer Spannungen. Als diese lassen sich z. B. mechanische Spannungen, die aufgrund unterschiedlicher Längenausdehnung von Chip und Platinenmaterial entstehen, oder infolge von Sekundärmontage entstehende mechanische Spannungen angeben. Sie entstehen dadurch, dass sich der Sensorchip ausgehend von den Befestigungsstellen von Chip und Platine (bzw. ASIC) verzieht.
Diesen Punkt betreffend ist im bereits erwähnten JP 2006 302943 A die Unterseite der Trägersubstratschicht in Viertelbereiche aufgeteilt, um in nur einem von diesen Bereichen Unterseite der Trägersubstratschicht und Basis zu verbinden. Hierdurch wird der Trägersubstratschicht nicht die Freiheit entzogen, wie es bei einer Verbindung in allen Gebieten durch die Verbindungsstellen der Fall wäre, was von einer Leiterplatte o. ä. empfangene Einflüsse äußerer mechanischer Spannungen verringert.
In JP 5515258 B2 ist durch einen Aufbau, bei dem der Balkenabschnitt innerhalb der Öffnung kragbalkenartig vorspringend den Sensorchip stützt, die Querschnittsfläche der stützenden Region klein gemacht, so dass die durch eine Installationsfläche in den Balkenabschnitt übermittelten mechanischen Störspannungen beherrschbar sind. Dies ermöglicht, Rauschen zu reduzieren, das seinen Ursprung in von der Installationsfläche in die Membran übermittelten mechanischen Störspannungen hat.
Da bei Drucksensoren für Smartphones und am Körper tragbare Geräte die Miniaturisierung voranschreitet, wofür Sensorchips der Größenordnung von 1 mm oder darunter benötigt werden, ist es andererseits schwierig, eine einzige und dabei relativ zum Chip kleinflächige Verbindungsstelle vorzusehen.
Ferner treten, weil infolge der Chip-Miniaturisierung ein Abstand zwischen der Sensoranordnung und einer elektrischen Verbindungsanschlusseinheit nicht ausreichend sichergestellt werden kann, Einflüsse von durch Wärmeverzerrung der Anschlusseinheit verursachten mechanischen Spannungen sowie von Belastungen durch Bonddrähte unverkennbar zutage. Im Stand der Technik gibt es zwar Methoden, die Querschnittsfläche der Verbindungsregion zwischen Sensoranordnung und Anderem zu verkleinern, um den Einfluss äußerer mechanischer Spannungen zu reduzieren, doch die Arbeitsschritte sind kompliziert und es besteht die Besorgnis, die Festigkeit gegenüber Stößen durch Herabfallen u. ä. zu verschlechtern.
Die vorliegende Erfindung wurde demgemäß in der Absicht gemacht, die beschriebenen Problempunkte zu lösen, und setzt sich zum Ziel, einen miniaturisierbaren und erhöhte Detektionsgenauigkeit ermöglichenden Drucksensorchip bereitzustellen.
Um die obengenannte Aufgabe zu lösen, weist ein auf der vorliegenden Erfindung beruhender Drucksensorchip eine innerhalb eines Halbleitersubstrats gebildete, hermetisch abgeschlossene Druckstandardkammer, eine Membran, die zwischen der Druckstandardkammer und einem Außenraum gebildet ist und sich infolge einer Differenz zwischen einem Druck in der Druckstandardkammer und einem Druck im Außenraum (Außendruck) verformt, sowie eine Sensoranordnung auf, die an der Membran vorgesehen und ausgebildet ist, ein der Verformung der Membran entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, wobei in einer Horizontalprojektion des Halbleitersubstrats ein Abschnitt von einem Umkreis eines Detektionsabschnitts, der die Druckstandardkammer, die Membran und die Sensoranordnung umfasst, als ein Verbindungsabschnitt festgelegt ist, um in dem Umkreis des Detektionsabschnitts unter Belassen des Verbindungsabschnitts eine durch das Halbleitersubstrat gehende Durchgangsnut auszubilden, die den Detektionsabschnitt und einen den Detektionsabschnitt ausgenommenen Abschnitt des Halbleitersubstrats trennt.
Indem man auf diese Weise eine Durchgangsnut um den Detektionsabschnitt herum ausbildet, um den Detektionsabschnitt von dem den Detektionsabschnitt ausgenommenen Abschnitt zu trennen, wird ermöglicht, die Fortpflanzung mechanischer Spannungen in den Detektionsabschnitt zu unterdrücken und eine erhöhte Detektionsgenauigkeit zu erzielen.
Gemäß einer Weiterbildung befindet sich im Halbleitersubstrat eine Substratunterseite des Detektionsabschnitts auf gleicher Höhe wie eine Substratunterseite des den Detektionsabschnitt ausgenommenen bzw. ausnehmenden Abschnitts des Halbleitersubstrats.
Oder es befindet sich, gemäß einer Weiterbildung, im Halbleitersubstrat eine Substratunterseite des Detektionsabschnitts an einer höheren Position als eine Substratunterseite des Verbindungsabschnitts, wobei die Substratunterseite des Verbindungsabschnitts sich auf gleicher Höhe wie, oder an höherer Position als, eine Substratunterseite außerhalb des Verbindungsabschnitts befindet.
Dies ermöglicht die Herstellung, ohne dass komplizierte Arbeitsschritte, wie z. B. die Querschnittsfläche der Verbindungsregionen zu verkleinern, benötigt würden. Ferner besteht keine Notwendigkeit, auf Chipbondmaterial beruhende Klebeabschnitte o. ä. zur Erzielung höherer Genauigkeit übermäßig schwach auszubilden, was eine Miniaturisierung des Drucksensorchips einfach macht.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Detektionsabschnitt in der Horizontalprojektion (Draufsicht) eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt auf. Ebenfalls gemäß einer Weiterbildung ist der Verbindungsabschnitt, von einem Zentrum der Membran aus gesehen, über einen Zentriwinkelbereich von 45° ausgebildet. Hierdurch wird der Verbindungsabschnitt geeignet festgelegt, was ermöglicht, Einflüsse mechanischer Spannungen sicher zu unterdrücken.
Gemäß einer Weiterbildung des Drucksensorchips umfasst die Sensoranordnung eine durch Verbinden mehrerer Piezowiderstandselemente, welche an einer Oberfläche der Membran gebildet sind und den Widerstandswert entsprechend der Verformung der Membran ändern, aufgebaute Brückenschaltung, wobei der Verbindungsabschnitt in eine Richtung zeigend gebildet ist, welche bezüglich einer Anordnungsrichtung irgendeines der mehreren Piezowiderstandselemente einen Winkel von 45° aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst der Drucksensorchip eine mit der Sensoranordnung elektrisch verbundene Ausgabeanschlusseinheit zum Ausgeben des elektrischen Signals von der Sensoranordnung nach außen, wobei die Ausgabeanschlusseinheit an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet ist und der Verbindungsabschnitt in eine Richtung zeigend gebildet ist, in welcher die Ausgabeanschlusseinheit nicht angeordnet ist.
Dies ermöglicht, den Verbindungsabschnitt in einer Richtung anzuordnen, in der die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen niedrig ist, um so von mechanischen Spannungen herrührende Einflüsse zu reduzieren.
Ein auf der vorliegenden Erfindung beruhender Drucksensor weist, um die obengenannte Aufgabe zu lösen, eine Sensorplatine und den Drucksensorchip auf, wobei der Drucksensorchip an Positionen, welche sich an einer Unterseite des Halbleitersubstrats außerhalb des Detektionsabschnitts befinden, über Chipbondmaterial mit der Sensorplatine oder mit einer auf der Sensorplatine befestigten Schaltkreiseinheit verbunden ist.
Indem man auf diese Weise die Unterseite des Halbleitersubstrats ohne Einbezug des Detektionsabschnitts, d. h. weiter außen als die Durchgangsnut, bezüglich der Sensorplatine befestigt, lässt sich eine erhöhte Detektionsgenauigkeit erzielen, weil die Fortpflanzung mechanischer Spannungen in den Detektionsabschnitt unterdrückt wird.
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein miniaturisierbarer und erhöhte Detektionsgenauigkeit ermöglichender Drucksensorchip bereitgestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Querschnittsansicht eines Drucksensors in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematischer Grundriss eines Drucksensors in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine perspektivische Explosionsansicht eines Drucksensors in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Draufsicht auf den in 1 gezeigten Drucksensorchip.
5 ist eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Drucksensorchips.
6(A) bis 6(F) sind schematische Draufsichten zur Erläuterung von Formen einer Durchgangsnut.
7(A) und 7(B) sind Diagramme zur Erläuterung piezoelektrischer Koeffizienten.
8(A) und 8(B) zeigen Lagebeziehungen von Chipbondmaterial und Formen der Durchgangsnut.
9 ist eine Graphik zum Vergleich des Einflusses mechanischer Spannungen, die in einem Detektionsabschnitt auftreten, je nach Vorhandensein der Durchgangsnut und Breite eines Verbindungsabschnitts.
10 zeigt eine Definition der Breite des Verbindungsabschnitts.
11(A) bis 11(D) erläutern den Einfluss der im Detektionsabschnitt auftretenden mechanischen Spannungen im Falle unterschiedlicher Richtungen, in denen der Verbindungsabschnitt angeordnet ist.
12(A) und 12(B) erläutern je ein Beispiel, den Verbindungsabschnitt sowie eine Anschlusseinheit anzuordnen.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im Folgenden sollen anhand der Zeichnungen detailliert Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Angemerkt wird, dass bei den nachfolgend dargestellten Ausführungsformen ähnliche oder gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht wiederholt erklärt werden.
Ausführungsform 1
1 bis 3 sind eine Querschnittsansicht, ein schematischer Grundriss und eine perspektivische Explosionsansicht eines Drucksensors in einer Ausführungsform 1 der Erfindung. Noch dazu sind 4 und 5 eine Draufsicht auf den und eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Drucksensorchips. Nachfolgend wird mit Bezugnahme auf diese 1 bis 5 der Drucksensor in der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung erläutert.
2 zeigt im Übrigen einen entlang der in 1 markierten Linie X1–X1 liegenden schematischen Grundriss des Drucksensors, und 5 zeigt den Querschnitt durch den Drucksensorchip längs der in 4 markierten Linie X2–X2. Im Falle von 2 ist außerdem, um die Lagebeziehung von Drucksensorchip und Chipbondmaterial zu kennzeichnen, der in 1 gezeigte Drucksensorchip in der betreffenden 2 mit einer strichdoppelpunktierten Linie angedeutet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Drucksensor 1, wie aus 1 bis 3 ersichtlich, als oberflächenmontiertes Bauelement aufgebaut und umfasst den Drucksensorchip 10, eine Schaltkreiseinheit 19, Chipbondmaterial 20, eine Platine 2 mit Deckel 7 als Gehäuse, Bonddrähte 8, Deckelbefestigungsmaterial 21 sowie Underfill 22. Der Drucksensorchip 10 ist mit dem Chipbondmaterial 20 auf die Schaltkreiseinheit 19 geklebt und die Schaltkreiseinheit 19 mit dem Underfill 22 auf der Platine 2 befestigt. Sodann ist der Deckel 7 mittels des Deckelbefestigungsmaterials 21 auf der Platine 2 befestigt. Hierdurch ist der Drucksensorchip 10 im Inneren eines aus der Sensorplatine 2 und dem Deckel 7 gebildeten Gehäuses aufgenommen.
Der Drucksensorchip 10 weist, wie in 4 und 5 zu sehen, die äußere Form eines flachen Quaders mit in der Horizontalprojektion rechteckiger Oberseite 12a und Unterseite 11a auf. An der Oberseite 12a des Drucksensorchips 10 sind jeweils an festgesetzten Orten ein Detektionsabschnitt 40, Anschlussflächen 17A und Leiterbahnen 17B vorgesehen. Ferner ist im Drucksensorchip 10 um den Detektionsabschnitt 40 herum eine von der Oberseite 12a bis zur Unterseite 11a durchgehende Durchgangsnut 41 ausgebildet, so dass der Detektionsabschnitt 40 lediglich von einem Verbindungsabschnitt 42, wo die Durchgangsnut 41 nicht ausgebildet ist, gehalten wird.
Der Drucksensorchip 10 ist zusammengefügt durch Verkleben eines unterseitigen Substrats 11 mit einem oberseitigen Substrat 12. Die bereits erwähnte Oberseite 12a des Drucksensorchips 10 wird gebildet durch die nicht verklebte Fläche des Paars der Hauptflächen des oberseitigen Substrats 12, und die bereits erwähnte Unterseite 11a des Drucksensorchips 10 wird gebildet durch die nicht verklebte Fläche des Paars der beiden Hauptflächen des unterseitigen Substrats 11.
Der Drucksensorchip 10 weist eine im Innern von einem Halbleitersubstrat hermetisch abgeschlossene kreisscheibenförmige Druckstandardkammer 15 und eine zwischen der Druckstandardkammer 15 und dem Außenraum gebildete plattenförmige Membran 13 auf, die sich infolge der Differenz zwischen dem Druck in der Druckstandardkammer 15 und dem Druck im Außenraum deformiert.
Der Detektionsabschnitt 40 beinhaltet die Druckstandardkammer 15, die Membran 13 sowie mehrere entlang dem Rand der Membran 13 angebrachte Piezowiderstandselemente 16. Die Piezowiderstandselemente 16 sind eine Form von Sensoranordnung, die, wenn die Membran 13 sich infolge der Differenz zwischen dem Druck in der Druckstandardkammer 15 und dem Druck im Außenraum deformiert, ein von der Deformation abhängiges elektrisches Signal erzeugen kann. In der vorliegenden Ausführungsform sind entlang dem Rand der Membran 13 in gleichmäßigen Abständen vier Piezowiderstandselemente 16 vorgesehen, wobei Leiterbahnen 17C die einzelnen Piezowiderstandselemente 16 elektrisch zu einer Brückenschaltung verbinden. Angemerkt wird, dass der Detektionsabschnitt 40 nicht hierauf beschränkt ist, sondern abhängig von der verlangten Genauigkeit mit einer beliebigen Anzahl von Piezowiderstandselementen 16 aufgebaut sein kann. Ebenso besteht keine Beschränkung auf eine Sensoranordnung, die Piezowiderstandselemente 16 wie oben erwähnt benutzt, sondern es kann auch eine kapazitiv arbeitende benutzt werden.
Zur Herstellung des Drucksensorchips 10 mit dem obigen Aufbau wird das unterseitige Substrat 11, an dessen zu verklebender Fläche vorab eine Vertiefung ausgebildet wurde, in einer festgesetzten Druckumgebung derart mit dem oberseitigen Substrat 12 verklebt, dass dieses die Vertiefung überdeckt, und das oberseitige Substrat 12 auf die gewünschte Dicke abgeschliffen. Hierdurch wird im Innern des Drucksensorchips 10 die oben erwähnte Druckstandardkammer 15 gebildet, während aus dem oberseitigen Substrat 12, das der vorab im unterseitigen Substrat 11 gebildeten Vertiefung gegenüberliegt, die Membran 13 wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird das unterseitige Substrat 11 mit dem oberseitigen Substrat 12 in einer Vakuumumgebung verklebt, um eine Druckstandardkammer 15 mit Vakuumbedingungen zu bilden.
Als unterseitiges Substrat 11 und oberseitiges Substrat 12 eignen sich hervorragend Halbleitersubstrate wie z. B. Siliziumsubstrate, für deren Verklebung, als ein Beispiel, die SOI-Technik (Silicon on Insulator) angewandt werden kann. Wenn das oberseitige Substrat 12 ein Siliziumsubstrat ist, lassen sich an der Oberseite 12a aus Siliziumsubstrat durch Eindiffundieren von Verunreinigungen Diffusionsschichtwiderstände bilden, die als die Piezowiderstandselemente 16 dienen. Für das unterseitige Substrat 11 besteht keine Beschränkung auf ein Siliziumsubstrat, sondern es kann auch ein Glassubstrat o. ä. benutzt werden.
In der Horizontalprojektion des Drucksensorchips 10 (4) ist aus dem Umkreis des Detektionsabschnitts 40 ein Abschnitt als der Verbindungsabschnitt 42 festgelegt, um im Umkreis des Detektionsabschnitts 40 unter Belassen des Verbindungsabschnitts 42 die Durchgangsnut 41 auszubilden, die sowohl das unterseitige Substrat 11 als auch das oberseitige Substrat 12 durchdringt. Mit anderen Worten trennt die Durchgangsnut 41 den Detektionsabschnitt 40 und einen nicht zum Detektionsabschnitt 40 gehörenden Teil (im Folgenden Randabschnitt genannt) 43 des Drucksensorchips 10. Als Techniken zum Ausbilden der Durchgangsnut 41 lassen sich die Verfahrensweise, nachdem das unterseitige Substrat 11 und das oberseitige Substrat 12 verklebt sowie die Piezowiderstandselemente 16, Leiterbahnen 17B, 17C, Anschlussflächen 17A usw. ausgebildet wurden, eine Nut von der Oberseite aus einzugraben und die Unterseite bis zum Freilegen der Nut abzuschleifen, sowie die Verfahrensweise, nach Schleifen der Ober- oder Unterseite die Nut von der entgegengesetzten Seite aus einzugraben, anführen. Dass im unterseitigen Substrat 11 und dem damit verklebten oberseitigen Substrat 12 in dieser Weise die Durchgangsnut 41 vorgesehen wird, um den Randabschnitt 43 und den Detektionsabschnitt 40 zu trennen, bedingt für den Drucksensorchip 10 der vorliegenden Ausführungsform einen Aufbau, bei dem die Grundfläche des Detektionsabschnitts 40 und die Grundfläche des Randabschnitts 43 auf gleicher Höhe liegen. Angemerkt wird, dass dies keine Beschränkung darstellt, sondern die Grundfläche des Detektionsabschnitts 40 durch Ätzen o. ä. auch höher als die Grundfläche des Randabschnitts 43 ausgebildet werden kann. Ferner kann in diesem Fall die Substratgrundfläche im Verbindungsabschnitt 42, verglichen mit der Substratgrundfläche außerhalb des Verbindungsabschnitts 42, auf gleicher Höhe oder höher gelegen ausgebildet sein.
Bei der Schaltkreiseinheit 19 handelt es sich um einen integrierten Schaltkreis, der einen Verstärkerschaltkreis, Temperaturkompensationsschaltkreis, Schaltkreis zur Durchführung einer bestimmten Signalverarbeitung, Speicher und/oder ähnliches aufweist, z. B. um einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Die Schaltkreiseinheit 19 ist durch Harz, Metall, Keramik und/oder ähnliches abgedichtet und hat die äußere Form eines flachen Quaders mit in der Horizontalprojektion rechteckiger Hauptseite 19b und Kehrseite 19a. An ihrer Hauptseite 19b weist die Schaltkreiseinheit 19 Anschlussflächen 33 zur Ein- und Ausgabe elektrischer Signale auf.
Die Sensorplatine 2 hat, wie in 1 und 2 zu sehen, die Gestalt eines flachen Brettes, das in erster Linie aus Isoliermaterial geformt ist. Als das die Sensorplatine 2 bildende Isoliermaterial kann ein Keramikmaterial, Harzmaterial o. ä. benutzt werden. Mit Underfill 22 ist ein durch die Hauptseite 19b des ASIC und die Oberseite 2a der Sensorplatine 2 gebildeter Zwischenraum verfüllt, wobei an Positionen auf dieser Oberseite 2a, die der Schaltkreiseinheit 19 benachbart liegen, mehrere Anschlussflächen (Bondinseln) 31 zur Verbindung mit dem Drucksensorchip 10 vorgesehen sind. Die Anschlussflächen 31 sind jeweils über Leiterbahnen 32 mit den am Boden der Schaltkreiseinheit 19 vorgesehenen Anschlussflächen 33 verbunden.
Während der Drucksensorchip 10 nun an der Kehrseite 19a des die Schaltkreiseinheit 19 darstellenden ASIC mit dem Chipbondmaterial 20 befestigt ist, sind die Anschlussflächen 17A des Drucksensorchips 10 und die Anschlussflächen 31 der Sensorplatine 2 elektrisch über die Bonddrähte 8 aus Gold, Kupfer, Aluminium o. ä. verbunden. Somit steht die Schaltkreiseinheit 19 über die Anschlussflächen 33, die Leiterbahnen 32, die Anschlussflächen 31, die Bonddrähte 8, die Anschlussflächen 17A sowie die Leiterbahnen 17B, 17C mit den Piezowiderstandselementen 16 in Verbindung. Angemerkt wird, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Anschlussflächen 17A eine Form einer Ausgabeanschlusseinheit des Drucksensorchips 10 darstellen.
Sodann ist der Deckel 7, der eine Kastenform aufweist und mit der Öffnung zur Sensorplatine 2 hin gekehrt ist, um die Schaltkreiseinheit 19 samt der Anschlussflächen 31 einzuhüllen, mittels des Deckelbefestigungsmaterials 21 befestigt. Der Deckel 7 ist ein aus Harz, Metall o. ä. geformtes Bauteil, das eine bestimmte Steifigkeit besitzt, und schützt den Drucksensorchip 10, indem er durch Einhüllen des Drucksensorchips 10 verhindert, dass andere Substanzen als die zu vermessenden Gase oder Flüssigkeiten in Berührung mit dem Drucksensorchip kommen.
Der Deckel 7 beinhaltet im übrigen, als eine den Raum innerhalb des Deckels 7 mit dem Raum außerhalb des Deckels 7 kommunizieren lassende Kommunikationseinheit 71, ein Loch, einen Schlitz, ein Gitter, Netz oder eine andere eine Öffnung aufweisende Komponente. Infolge dieser Kommunikationseinheit 71 gleichen sich der Druck im Innern des Deckels 7 und der Druck außerhalb des Deckels 7 an, so dass die Membran 13 mit einem der Umgebung des Drucksensors 1 gleichkommenden Druck beaufschlagt wird. Der Drucksensor 1 ist daher in der Lage, durch Messen des auf die Membran 13 einwirkenden Druckes den Druck in der Umgebung des Drucksensors 1 zu bestimmen. Übrigens ist die Kommunikationseinheit 71 nicht auf einfache Öffnungen beschränkt, sondern braucht nur einen druckübermittelnden Aufbau aufzuweisen, um den Druck im Innern des Deckels 7 und den Druck außerhalb des Deckels 7 auszugleichen. Beispielsweise ist ein Aufbau mit einem an einer Öffnung der Kommunikationseinheit 71 zwischengeschalteten Filter oder wasserdichten Film möglich.
Bei dem Drucksensor 1 oben beschriebenen Aufbaus verformt sich die Membran 13 dadurch, dass ihre Oberfläche mit dem Außendruck beaufschlagt wird, entsprechend der Differenz des Außendrucks zum Standarddruck in der Druckstandardkammer 15. Dem Grade dieser Verformung entsprechend verändern sich sodann die Widerstandswerte der Piezowiderstandselemente 16, so dass das Mittenpotential der Brückenschaltung schwankt, während die Schaltkreiseinheit 19 den Schwankungsbetrag des Mittenpotentials in ein elektrisches Signal umwandelt. Das aus der Umwandlung hervorgehende elektrische Signal wird als dem Außendruck entsprechende Sensorausgabe, z. B. als den Außendruck anzeigender absoluter Druck, nach außen abgegeben. Angemerkt wird, dass gelegentlich der Ausgabe des elektrischen Signals das erzeugte elektrische Signal auch vorübergehend in einer Speichereinheit gespeichert werden kann.
Bei dem Drucksensor 1 der vorliegenden Ausführungsform sind, wie oben erwähnt, die vier Ecken der Unterseite 11a des Drucksensorchips 10 mit Chipbondmaterial 20 auf die Schaltkreiseinheit 19 geklebt sowie der angeklebte Randabschnitt 43 und der Detektionsabschnitt 40 mittels der Durchgangsnut 41 voneinander getrennt. Anders gesagt ist der Detektionsabschnitt 40 als der von der Durchgangsnut 41 umgebene Teil vom Randabschnitt 43 abgesetzt und lediglich durch den Verbindungsabschnitt 42 gehalten.
Die Konstruktion in dieser Weise ermöglicht, z. B. nach erfolgter Temperaturänderung in der äußeren Umwelt, die Fortpflanzung mechanischer Spannungen, welche einhergehend mit Bauteilen unterschiedlicher Längenausdehnungskoeffizienten wie der Sensorplatine 2, dem Deckel 7, der Schaltkreiseinheit 19 usw. entstehen, in die Membran 13 beträchtlich zu vermindern, so dass eine Beeinflussung der Sensorausgabe unterdrückt werden kann. Nachstehend werden Überlegungen über die Ursache aufgezeigt.
Eine Kenngröße, die die Leistungsfähigkeit des Drucksensorchips beeinflusst, ist die Sensorausgangshysterese. Die Sensorausgangshysterese ergibt sich, indem man den Wert des Ausgangsstroms (oder der Ausgangsspannung) in dem Fall, dass der auf den Sensorchip einwirkende Druck null ist, und in dem Fall, dass dieser gleich dem maximal zulässigen Nenndruck ist, mit einer idealen Geraden verbindet, die Differenz zwischen letzterer und dem tatsächlich gemessenen elektrischen Strom (bzw. der tatsächlich gemessenen elektrischen Spannung) als Abweichung ermittelt sowie den Differenzbetrag zwischen der Abweichung bei steigendem Druck und der Abweichung bei fallendem Druck als Prozentwert bezogen auf den vollen Wert angibt. Je kleiner diese Sensorausgangshysterese, desto besser — bei einer kleinen Sensorausgangshysterese kann davon gesprochen werden, dass eine erhöhte Detektionsgenauigkeit erreicht wurde.
Eine Hauptursache großer Sensorausgangshysteresen besteht darin, dass z. B. nach einer Temperaturänderung in der äußeren Umgebung mechanische Spannungen zwischen Bauteilen unterschiedlicher Längenausdehnungskoeffizienten wie der Sensorplatine 2, dem Deckel 7, der Schaltkreiseinheit 19 usw. entstehen, sich über das Chipbondmaterial 20 und/oder die Bonddrähte 8 zum Drucksensorchip 10 fortpflanzen und die Druckmessung beeinflussen. Auch kommt es vor, dass eine mit wärmebedingten Veränderungen der Bonddrähte 8 einhergehende Belastung der Anschlussflächen 17A auftritt und Einfluss auf die Messung ausübt. Gegen diese thermisch induzierten mechanischen Spannungen ist zwar bekannt, dieselben durch Halten des Drucksensorchips mittels eines elastischen Chipbondmaterials 20 zu absorbieren, um so den Einfluss auf den Sensor zu mindern. Mit dem Chipbondmaterial 20 lassen sich jedoch nicht alle Spannungen verringern, und besonders bei Miniatursensoren ist schon der durch das Chipbondmaterial 20 unterdrückbare Einfluss von Spannungen naturgemäß begrenzt.
In dieser Beziehung ermöglicht der Drucksensor 1 in der vorliegenden Ausführungsform, den auf die Membran 13 ausgeübten Einfluss beträchtlich zu mindern. Da nämlich der mit dem Chipbondmaterial 20 befestigte Randabschnitt 43 und der Detektionsabschnitt 40 durch die Durchgangsnut 41 beabstandet sind, kommt es selbst dann, wenn die obigen thermisch induzierten mechanischen Spannungen entstanden sein sollten, nicht vor, dass diese sich von anderswoher als dem Verbindungsabschnitt 42 zum Detektionsabschnitt 40 fortpflanzen. Ferner wird auch in Hinsicht auf Bestückungsbelastungen, wenn eine Leiterplatte mit dem Drucksensor 1 bestückt wird, auf gleiche Art der auf die Membran 13 ausgeübte Einfluss beträchtlich gemindert.
Es besteht zwar auch die Möglichkeit, dass im Randabschnitt 43 entstandene Spannungen sich über den Verbindungsabschnitt 42 zum Detektionsabschnitt 40 fortpflanzen, doch da der Verbindungsabschnitt 42 vom Detektionsabschnitt 40 aus in nur einer Richtung vorhanden ist und es nichts anderes als den Verbindungsabschnitt 42 gibt, was den Detektionsabschnitt 40 befestigen würde, sind selbst dann, wenn sich vom Verbindungsabschnitt 42 her thermisch induzierte mechanische Spannungen oder/und Bestückungsbelastungen fortgepflanzt haben sollten, Spannungen aus nicht mehr als einer Richtung bezüglich des Detektionsabschnitts 40 beteiligt, so dass eine Verformung der Membran 13 infolge dieser Spannungen unbeträchtlich gegenüber einem Fall wird, wo der Rand nicht abgetrennt wäre.
Da auf diese Weise, auch wenn durch Wärme o. ä. induzierte mechanische Spannungen im Randabschnitt 43 entstehen, die Übermittlung in den Detektionsabschnitt 40 unterdrückt wird, besteht bei dem Drucksensor 1 keine Notwendigkeit, durch einen klein gewählten Elastizitätsmodul des Chipbondmaterials 20 oder/und eine klein gewählte Fläche, mit der das Chipbondmaterial 20 klebt, das Chipbondmaterial 20 übermäßig zu schwächen. Dies ermöglicht, die Festigkeit gegenüber Stößen durch Herabfallen u. ä. zu verbessern.
<Über Nutformen>
6 beinhaltet schematische Draufsichten, um Formen der Durchgangsnut zu erläutern. Die Durchgangsnut 41 des Drucksensorchips 10 ist, wie in 6(A) gezeigt, in einer Kreisbogenform gebildet, die in der Horizontalprojektion entlang eines mit dem Zentrum 51 der Membran 13 oder Druckstandardkammer 15 konzentrischen Kreises 52 verläuft. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem von der Durchgangsnut 41 abgesonderten Inneren des Kreises 52 um den Detektionsabschnitt 40. Der Abschnitt, wo die Durchgangsnut 41 nicht vorgesehen ist, stellt den Verbindungsabschnitt 42 dar. Angemerkt wird, dass in der Darstellung von 6 die Anschlussflächen 17A weggelassen sind, da ihre Positionen nicht durch die Form der Durchgangsnut 41 beschränkt werden. In den Beispielen von 6 können die Anschlussflächen 17A, unabhängig von der Form der Durchgangsnut 41 und der Anordnungsrichtung des Verbindungsabschnitts 42, an beliebigen Orten auf der Oberseite 12a des Randabschnitts 43 vorgesehen werden.
Für die an der Membran 13 eingerichteten Piezowiderstandselemente 16 gibt es, wie in 7 gezeigt, sowohl Kristallrichtungen mit großem Piezowiderstandskoeffizienten als auch Kristallrichtungen mit kleinem Piezowiderstandskoeffizienten. Deswegen ist es ratsam, den Verbindungsabschnitt 42 in einer Richtung mit kleinem Piezowiderstandskoeffizienten anzuordnen, d. h. in einer Richtung, in der die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen niedrig ist. Im Beispiel von 6(A) sind, von den Piezowiderstandselementen 16, die Piezowiderstandselemente 16A, 16B auf einer durch das Zentrum 51 gehenden Geraden 61 angeordnet und die Piezowiderstandselemente 16C, 16D auf einer diese Gerade 61 rechtwinklig schneidenden Geraden 62 angeordnet. Sodann ist, bei Festlegung der vom Zentrum 51 zum Piezowiderstandselement 16C weisenden Richtung als 0°, in der 45° gegen den Uhrzeigersinn liegenden Richtung der Verbindungsabschnitt 42 angeordnet. Anders ausgedrückt beträgt 45° der Zentriwinkel α, den die durch das Piezowiderstandselement 16C und das Zentrum 51 verlaufende Gerade 62 mit einer durch das Zentrum 51 und den Verbindungsabschnitt 42 verlaufenden Geraden 63 bildet. Der Einfluss von sich durch den Verbindungsabschnitt 42 fortpflanzenden Spannungen kann unterdrückt werden, indem man dergestalt den Verbindungsabschnitt 42 in einer gegenüber der Anordnungsrichtung der Piezowiderstandselemente 16 um 45° verdrehten Richtung anordnet. Die Anordnung dergestalt führt außerdem dazu, dass Querschnitte des Verbindungsabschnitts (z. B. die im Verbindungsabschnitt zur Geraden 63 orthogonalen Ebenen) nicht parallel zu den Geraden 61 und 62 werden, sondern Spaltflächen vermeiden, was die Festigkeit gegenüber Stößen durch Herabfallen u. ä. verbessert. Im Übrigen ist die Richtung, in der der Verbindungsabschnitt 42 anzuordnen ist, nicht auf 45° beschränkt, sondern kann auch eine andere Richtung sein. Im Beispiel von 6(B) ist die Durchgangsnut 41 derart eingerichtet, dass der Verbindungsabschnitt 42 bezüglich des Zentrums 51 in der Richtung von 0° liegt. Die Richtung der Anordnung des Verbindungsabschnitts 42 ist wiederum nicht auf 0° beschränkt, sondern kann auch eine andere Richtung wie z. B. 90°, 180° oder 270° sein. Auch wenn der Verbindungsabschnitt 42 wie hier in einer von 45° abweichenden Richtung vorgesehen worden ist, wird die Wirkung erzielt, dass die Durchgangsnut 41 den Detektionsabschnitt 40 vom Randabschnitt 43 isoliert, wodurch der Einfluss thermisch induzierter mechanischer Spannungen sowie der Einfluss von Bestückungsbelastungen beim Bestücken einer Leiterplatte mit dem Drucksensor unterdrückt werden.
In den vorstehenden Beispielen war die Durchgangsnut entlang dem Kreis 52 in einer Kreisbogenform gebildet, ist aber nicht auf Formen entlang exakter Kreise beschränkt, sofern sie eine einem ungefähren Kreis entlang verlaufende Form aufweist. Ein ungefährer Kreis kann dabei jede Form sein, die den Detektionsabschnitt einschließen kann, wie z. B. eine Ellipse, eine Tonnenform oder ein Oval. Die Form der Durchgangsnut ist ferner nicht auf Kreise beschränkt, sondern kann auch eine andere Form sein. Im Beispiel von 6(C) ist die Durchgangsnut 41C in der Horizontalprojektion entlang eines Quadrats 54 ausgebildet, dessen Zentrum mit dem Zentrum 51 der Membran 13 bzw. der Druckstandardkammer 15 in Übereinstimmung gebracht wurde. Damit ist das von der Durchgangsnut 41 abgesonderte Innere des Quadrats 54 der Detektionsabschnitt 40C. Der Abschnitt, wo die Durchgangsnut 41C nicht vorgesehen ist, stellt den Verbindungsabschnitt 42C dar. Im Beispiel von 6(C) ist die Durchgangsnut 41C so vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt 42C bezüglich des Zentrums 51 in einer Richtung von 45° zu liegen kommt. Auch wenn man für die Durchgangsnut 41C wie hier eine einem Quadrat entlang verlaufende Form (im Folgenden auch einfach rechteckig genannt) wählt, wird eine ähnliche Wirkung wie bei 6(A) erzielt.
In 6(D) ist die Durchgangsnut 41D derart vorgesehen, dass anstelle des Verbindungsabschnitts 42C aus 6(C) der Verbindungsabschnitt 42D in einer Richtung von 0° bezüglich des Zentrums 51 entsteht. Die Richtung der Anordnung des Verbindungsabschnitts 42D ist nicht auf 0° beschränkt, sondern kann auch eine andere Richtung wie z. B. 90°, 180° oder 270° sein. Auch wenn der Verbindungsabschnitt 42D dergestalt in einer von 45° abweichenden Richtung vorgesehen wird, ergibt sich die Wirkung, dass die Durchgangsnut 41D den Detektionsabschnitt 40 vom Randabschnitt 43 isoliert, wodurch der Einfluss thermisch induzierter mechanischer Spannungen unterdrückt wird.
Ferner ist in 6(E) die Durchgangsnut 41E in einer Weise vorgesehen, als habe man die Enden der Durchgangsnut 41C von 6(C) zur vom Zentrum 51 abgewandten Seite, d. h. nach außerhalb des Drucksensorchips 10 gerichtet, verlängert. Der Verbindungsabschnitt 42E in diesem Fall ist dort, wo am Quadrat 54 die Durchgangsnut 41E nicht vorgesehen ist, in 6(E) der Eckabschnitt oben rechts, welcher von den Endabschnitten (nach außen verlängerten Abschnitten) eingefasst wird. In 6(F) ist die Durchgangsnut 41F in einer Weise vorgesehen, als habe man die Enden der Durchgangsnut 41D von 6(D) zur vom Zentrum 51 abgewandten Seite, d. h. nach außerhalb des Drucksensorchips 10 gerichtet, verlängert. Der Verbindungsabschnitt 42F in diesem Fall ist dort der außerhalb des Quadrats 54 liegende, von der Durchgangsnut 41F eingefasst Abschnitt. Ohne dies zeichnerisch darzustellen wird angemerkt, dass die Durchgangsnut auch in einer Weise vorgesehen werden kann, als verlängere man die Enden der Durchgangsnut 41 von 6(A) oder 6(B) zur vom Zentrum 51 abgewandten Seite, d. h. nach außerhalb des Drucksensorchips 10 gerichtet.
Wie oben ausgeführt kann die Durchgangsnut kreisbogenförmig oder rechteckig sein, doch wenn man das Chipbondmaterial 20 in den vier Ecken des Drucksensorchips 10 placiert, ist es wünschenswert, wie in 8(A) gezeigt eine kreisbogenförmige Durchgangsnut 41 auszubilden, denn der Abstand zwischen dem Chipbondmaterial 20 und der kreisbogenförmigen Durchgangsnut 41 in 8(A) ist weiter als der Abstand zwischen dem Chipbondmaterial 20 und der rechteckigen Durchgangsnut 41 in 8(B).
(Vergleichsbeispiel 1)
Nachfolgend soll der Einfluss mechanischer Spannungen, wenn man im Drucksensorchip 10 eine Durchgangsnut 41 vorsieht und die Breite des Verbindungsabschnitts 42 variiert, erläutert werden. 9 ist ein Diagramm, welches den Einfluss der Spannungen bei unterschiedlichen Breiten des Verbindungsabschnitts 42 vergleicht.
Wie in 9 gezeigt liegt für thermisch induzierte mechanische Spannungen, wenn man den Fall ohne Durchgangsnut als 100 % annimmt, der Einfluss der Spannungen im Falle des Vorsehens einer Durchgangsnut unter 10 %. Ferner ist zu sehen, dass wenn man die Breite des Verbindungsabschnitts mit groß, mittel und klein variiert, der Einfluss der thermisch induzierten mechanischen Spannungen für kleinere Breiten des Verbindungsabschnitts geringer ist.
10 ist ein Erklärdiagramm über die Breite des Verbindungsabschnitts 42. Die Breite des Verbindungsabschnitts 42 kann z. B. wie in 10 gezeigt durch den Zentriwinkel β ausgedrückt werden, der von den beiden Enden 421, 422 des Verbindungsabschnitts 42 und dem Zentrum 51 gebildet wird. Beispielsweise kann als die Größe des Verbindungsabschnitts 42 der Zentriwinkel 90° oder weniger betragen, vorzugsweise 45° oder weniger. Angemerkt wird, dass wenn man den Verbindungsabschnitt 42 zu klein macht, die Festigkeit gegenüber Stößen durch Herabfallen u. ä. sich verschlechtert. Die Größe des Verbindungsabschnitts 42 kann somit abhängig von der verlangten Festigkeit auf einen Zentriwinkel von 30° oder weniger, 20° oder weniger usw. festgelegt werden. Ebenso lässt sich wie mit einem Zentriwinkel von 10° bis 45°, 20° bis 30° usw. auch eine Untergrenze festlegen.
Hierbei kann die Größe des Verbindungsabschnitts auch z. B. durch die geradlinige Entfernung zwischen beiden Enden des Verbindungsabschnitts 42, die Entfernung zwischen den Enden des Verbindungsabschnitts 42 entlang dem Kreis 52 in 6(A) oder den auf die Durchgangsnut 41 entfallenden Anteil am Umfang des Kreises 52 (Öffnungsverhältnis) angezeigt werden. Beispielsweise sei im Fall der rechteckigen Durchgangsnut 41C das Öffnungsverhältnis als 12,5 % oder weniger angegeben.
(Vergleichsbeispiel 2)
Nachfolgend erläutert werden soll der Einfluss von an den Anschlussflächen 17A verursachten mechanischen Spannungen, wenn man im Drucksensorchip 10 eine Durchgangsnut 41 vorsieht. 11 beinhaltet Diagramme über den Einfluss der Spannungen für Fälle unterschiedlicher Richtungen der Anordnung des Verbindungsabschnitts 42. Dabei zeigt 11(A) eine den Einfluss der Spannungen vergleichende Graphik, 11(B) einen Fall, wo keine Durchgangsnut 41 vorgesehen wurde, 11(C) einen Fall, wo der Verbindungsabschnitt 42 auf Seiten der Anschlussflächen 17A angeordnet wurde, und 11(D) einen Fall, wo der Verbindungsabschnitt 42 an einer von den Anschlussflächen 17A abweichenden Richtung angeordnet wurde.
Behandelt man den Einfluss mechanischer Spannungen bei fehlender Durchgangsnut als 100 %, so betrug, wie in 11(A) gezeigt, der Einfluss der Spannungen 10 % in dem Fall, dass der Verbindungsabschnitt 42 wie in 11(C) in 0°-Richtung zur Seite der Anschlussflächen 17A angeordnet wurde. Der Einfluss der Spannungen erreichte ferner in dem Fall, dass der Verbindungsabschnitt 42 wie in 11(D) in 45°-Richtung zur Seite der Anschlussflächen 17A angeordnet wurde, einen äußerst kleinen Wert. Das Anordnen des Verbindungsabschnitts 42 auf diese Weise in einer von den Anschlussflächen 17A abweichenden Richtung ermöglicht, den Einfluss der an den Anschlussflächen verursachten mechanischen Spannungen weitgehend zu unterdrücken. Beispielsweise ist es möglich, falls unter den thermisch induzierten mechanischen Spannungen der Anteil der an den Anschlussflächen 17A verursachten Spannungen groß ist, den Verbindungsabschnitt 42 wie in 12(A) und 12(B) gezeigt in der bezüglich des Zentrums 51 den Anschlussflächen 17A entgegengesetzten Richtung anzuordnen.
Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht wie vorstehend dargelegt durch das Ausbilden der Durchgangsnuten 41, 41C, 41D, 41E, 41F um den Detektionsabschnitt 40 herum, wodurch der Detektionsabschnitt 40 vom Randabschnitt 43 getrennt wird, die Fortpflanzung von thermisch induzierten mechanischen Spannungen, Bestückungsbelastungen und ähnlichen außerhalb des Sensorchips entstehenden Spannungen in den Detektionsabschnitt 40 zu unterdrücken, um eine erhöhte Detektionsgenauigkeit zu erzielen.
Der Drucksensorchip 10 der vorliegenden Ausführungsform kann auf einfache Weise hergestellt werden, weil die Durchgangsnuten 41, 41C, 41D, 41E, 41F sich mittels Trockenätzen, Schleifen o. ä. ausführen lassen, so dass keine komplizierten Arbeitsschritte erforderlich sind. Ferner besteht keine Notwendigkeit, zur Erzielung höherer Genauigkeit die Chipbondmaterial-Klebeabschnitte übermäßig schwach auszubilden, was eine Miniaturisierung des Drucksensorchips 10 einfach macht.
Der Drucksensorchip 10 der vorliegenden Ausführungsform sieht die Durchgangsnuten 41, 41C, 41D, 41E, 41F, um den Randabschnitt 43 und den Detektionsabschnitt 40 zu trennen, im zusammengeklebten unterseitigen Substrat 11 und oberseitigen Substrat 12 vor. Mit anderen Worten trennt er die Unterseite 11a im Detektionsabschnitt 40 sowie die Unterseite 11a im Verbindungsabschnitt 42 und Randabschnitt 43 unter Beibehaltung ihrer gleichen Höhe, so dass man ihn auf einfache Weise ausbilden kann, ohne wie im Stand der Technik eine Opferschicht zu entfernen oder andere komplizierte Arbeitsschritte zu verwenden. Angemerkt wird, dass ohne Beschränkung hierauf die Unterseite 11a des Detektionsabschnitts 40 auch höher als die Unterseite 11a des Randabschnitts 43 gelegt werden kann.
Dass ferner die Verbindungsabschnitte 42, 42C, 42D, 42E, 42F vom Zentrum der Membran aus gesehen über einen Zentriwinkelbereich von 45° gebildet werden und damit die Richtungen der sich durch den Verbindungsabschnitt 42 fortpflanzenden Spannungen beschränken, ermöglicht, den Einfluss mechanischer Spannungen auf die Membran 13 niederzuhalten.
Die Ausbildung der Verbindungsabschnitte 42, 42C, 42D, 42E, 42F dergestalt, dass sie in eine Richtung zeigen, die bezüglich der Anordnungsrichtung der Piezowiderstandselemente 16 einen Winkel von 45° aufweist, führt überdies dazu, dass die Verbindungsabschnitte 42, 42C, 42D, 42E, 42F in einer Richtung mit für die Piezowiderstandselemente 16 geringem Widerstandskoeffizienten vorgesehen werden, so dass der Einfluss der mechanischen Spannungen, die sich über die Verbindungsabschnitte 42, 42C, 42D, 42E, 42F fortpflanzen, unterdrückt werden kann.
Indem sodann die Verbindungsabschnitte 42, 42C, 42D, 42E, 42F dergestalt vorgesehen werden, dass sie in eine Richtung zeigen, wo keine Anschlussflächen 17A angeordnet sind, wird ermöglicht, den Einfluss mechanischer Spannungen, die an den Anschlussflächen 17A verursacht werden, zu unterdrücken.
Die bei der obigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeführten verschiedenen Werkstoffe, Abmessungen, Formen usw. sind unter allen Umständen nicht mehr als Veranschaulichungen durch ein Beispiel, so dass sie die Erfindung nicht beschränken. Darüber hinaus sind bei der oben beschriebenen Ausführungsform gezeigte charakteristische Strukturen, innerhalb des vom Wesentlichen der Erfindung nicht abweichenden Bereichs, selbstverständlich kombinierbar.
Bezugszeichenliste

1: Drucksensor
2: Sensorplatine
7: Deckel
8: Bonddraht
10: Drucksensorchip
11: unterseitiges Substrat
12: oberseitiges Substrat
13: Membran
15: Druckstandardkammer
16: Piezowiderstandselement
17A: Anschlussfläche
17B: Leiterbahn
17C: Leiterbahn
19: Schaltkreiseinheit
20: Chipbondmaterial
21: Deckelbefestigungsmaterial
22: Underfill
31: Anschlussfläche
40: Detektionsabschnitt
41: Durchgangsnut
42: Verbindungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006302943 A [0005, 0006, 0008, 0011]
JP 5515258 B2 [0005, 0007, 0008, 0012]

Claims

Drucksensorchip (10), aufweisend eine innerhalb von einem Halbleitersubstrat (11, 12) gebildete, hermetisch abgeschlossene Druckstandardkammer (15), eine Membran (13), welche zwischen der Druckstandardkammer (15) und einem Außenraum gebildet ist und sich infolge einer Differenz zwischen einem Druck in der Druckstandardkammer (15) und einem Druck im Außenraum verformt, sowie eine Sensoranordnung, welche an der Membran (13) vorgesehen und ausgebildet ist, ein der Verformung der Membran (13) entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Horizontalprojektion des Halbleitersubstrats (11, 12) ein Abschnitt von einem Umkreis eines Detektionsabschnitts (40), welcher die Druckstandardkammer (15), die Membran (13) und die Sensoranordnung umfasst, als ein Verbindungsabschnitt (42) festgelegt ist, und in dem Umkreis des Detektionsabschnitts (40) unter Belassen des Verbindungsabschnitts (42) eine durch das Halbleitersubstrat (11, 12) gehende Durchgangsnut (41) ausgebildet ist, welche den Detektionsabschnitt (40) und einen den Detektionsabschnitt (40) ausgenommenen Abschnitt (43) des Halbleitersubstrats (11, 12) trennt.
Drucksensorchip (10) gemäß Anspruch 1, wobei im Halbleitersubstrat (11) eine Substratunterseite des Detektionsabschnitts (40) sich auf gleicher Höhe befindet wie eine Substratunterseite (11a) des den Detektionsabschnitt (40) ausgenommenen Abschnitts (43) des Halbleitersubstrats (11).
Drucksensorchip (10) gemäß Anspruch 1, wobei im Halbleitersubstrat (11) eine Substratunterseite des Detektionsabschnitts (40) sich an einer höheren Position als eine Substratunterseite des Verbindungsabschnitts (42) befindet und die Substratunterseite des Verbindungsabschnitts (42) sich auf gleicher Höhe wie, oder an höherer Position als, eine Substratunterseite (11a) außerhalb des Verbindungsabschnitts (42) befindet.
Drucksensorchip (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Detektionsabschnitt (40) in der Horizontalprojektion eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt aufweist.
Drucksensorchip (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verbindungsabschnitt (42), von einem Zentrum (51) der Membran (13) aus gesehen, über einen Zentriwinkelbereich (β) von 45° ausgebildet ist.
Drucksensorchip (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensoranordnung eine durch Verbinden mehrerer Piezowiderstandselemente (16, 16A–C), welche an einer Oberfläche (12a) der Membran (13) gebildet sind und den Widerstandswert entsprechend der Verformung der Membran (13) ändern, aufgebaute Brückenschaltung umfasst und der Verbindungsabschnitt (42) in eine Richtung zeigend gebildet ist, welche bezüglich einer Anordnungsrichtung irgendeines (16C) der mehreren Piezowiderstandselemente (16, 16A–C) einen Winkel (α) von 45° aufweist.
Drucksensorchip (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend eine mit der Sensoranordnung elektrisch verbundene Ausgabeanschlusseinheit (17A) zum Ausgeben des elektrischen Signals von der Sensoranordnung nach außen, wobei die Ausgabeanschlusseinheit (17A) an einer Oberfläche (12a) des Halbleitersubstrats (12) gebildet ist und der Verbindungsabschnitt (42) in eine Richtung zeigend gebildet ist, in welcher die Ausgabeanschlusseinheit (17A) nicht angeordnet ist.
Drucksensor (1) mit einer Sensorplatine (2) und einem Drucksensorchip (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Drucksensorchip (10) an Positionen, welche sich an einer Unterseite (11a) des Halbleitersubstrats (11) außerhalb des Detektionsabschnitts (40) befinden, über Chipbondmaterial (20) mit der Sensorplatine (2) oder mit einer auf der Sensorplatine (2) befestigten Schaltkreiseinheit (19) verbunden ist.