DE10305625B4 - Drucksensor - Google Patents
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Abstract
Drucksensor mit: einem Sensorabschnitt, welcher einen aus Glas gebildeten Sitz (12) und ein auf den Sitz (12) gebondetes Halbleitersensorelement (10) enthält, wobei das Halbleitersensorelement entsprechend einer aufgebrachten äußeren Kraft angespannt wird und ein elektrisches Signal auf der Grundlage der Anspannung ausgibt; einem aus Harz hergestellten Gehäuseteil (20), welches zum Tragen des Halbleitersensorelements angeordnet ist; und einem Haftabschnitt, welcher zwischen dem Halbleitersensorelement und dem Gehäuseteil (20) eingesetzt ist, wobei der Haftabschnitt einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 103 Pa bis 2,06 × 104 Pa besitzt, und wobei der Haftabschnitt aus einem Haftmittel (30) und einer Mehrzahl von Harzkügelchen (31) gebildet ist, deren Elastizitätsmodul größer als der des Haftmittels (30) ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, in welchem ein Sensorelement in einem Harzgehäuse angebracht ist. In dem Drucksensor haftet das Sensorelement direkt an dem Harzgehäuse durch eine Haftschicht.
- Diese Art von Drucksensoren wurden in der
JP 2000-356561A - Wenn das Sensorelement in dem Gehäuseteil über den Leiterrahmen angebracht wird, sind Oberflächen eines Leiterabschnitts und eines Inselabschnitts in dem Leiterrahmen auf derselben Ebene befindlich. Daher wird. eine Pegellücke (Stufenabschnitt) zwischen Oberflächen des Leiterabschnitts und des auf dem Inselabschnitt angebrachten Sensorelements gebildet, und es ist nötig, den Kontaktflächenabschnitt und das Sensorelement mit einem Draht zu bonden. Um dabei das Drahtbondvermögen zu verbessern, wird es bevorzugt, die Oberflächen des Sensorelements und des Leiterabschnitts auf derselben Ebene vorzusehen.
- Ein Entfernen des Inselabschnitts unter dem Sensor führt daher zu einem flexiblen Entwurf des Komponenten leyouts, um möglicherweise die zwei gebondeten Oberflächen auf dieselbe Ebene zu setzen. Es wurde daher gewünscht, dass der Sensor auf dem Gehäuseteil mit einer Haftschicht ohne Verwendung des Leiterrahmens haftet.
- Wenn jedoch das obige direkte Anhaften des Sensorelements an dem Gehäuseteil durchgeführt wird, wird leicht die thermische Hysterese durch eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensor, dem Haftmittel und dem Gehäuseteil erzeugt.
- Aus der
US 6 169 316 B1 ist ein Halbleiter-Drucksensor bekannt mit einem Sensorchip, der mit einem Haftmittel an einem Gehäuse anhaftet. - Die
US 6 260 417 B1 offenbart einen Halbleiter-Drucksensor, bei dem in einer Aussparung eines Harzgehäuses ein Sensorchip mit einem Haftmittel an dem Harzgehäuse anhaftet. Zum Schutz des Sensorchips ist die Aussparung mit einem ersten und einem zweiten Schutzteil gefüllt, wobei das erste Schutzteil neben Harz und Gummimaterial ein Haftmittel mit einem niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen kann. - Aus der
US 5 900 554 A ist ein weiterer Halbleiter-Drucksensor bekannt, bei welchem ein Sensorchip über einen Stamm mittels mehrerer Haftmittel mit einem Harzgehäuse verbunden ist, wobei Haftmittel mit einem niedrigen Elastizitätsmodul verwendet werden können. - Die
DE 197 09 846 C1 offenbart schließlich noch einen Druckdifferenz-Messumformer, bei welchem eine Membranscheibe über Röhrchen mittels mehrerer Klebestellen mit einem Behälter verbunden ist. Der dafür verwendete Kleber kann Keramik-Kügelchen enthalten, die dafür sorgen sollen, dass Spalte zwischen der Membranscheibe und den Röhrchen im Bereich von Schlitzen gleichmäßig ausgefüllt sind. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Änderung einer Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Fluktuation in einem Drucksensor zu beschränken, in welchem. ein Sensorelement direkt an einem Gehäuseteil über eine Haftschicht haftet.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demgemäß wird ein Drucksensor mit einem Sensorelement bereitgestellt, welches direkt an einem Gehäuseteil über eine Haftschicht anhaftet, deren Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 2,45·103 Pa und 2,06·104 Pa liegt. Daher kann die thermische Fluktuation der Sensorcharakteristik wirksam beschränkt werden.
- Eine Haftschicht darin enthält eine Mehrzahl von Kügelchen. Daher. kann die Haftschicht mit dem Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 2,45·103 Pa und 2,06·104 Pa leicht gebildet werden. Wenn eine Haftschicht eine Dicke gleich oder größer als 110 μm besitzt, kann der Vorteil zum Beschränken der Änderung der Sensorcharakteristik weiter verbessert werden.
- Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
-
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; -
2 zeigt eine Draufsicht auf den Drucksensor der Ausführungsform in Richtung II entsprechend1 ; -
3 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen einem Elastizitätsmodul einer Haftschicht und einem Änderungsbetrag einer Sensorcharakteristik dargestellt; -
4 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen einer Haftschichtdicke und einem Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik dargestellt; und -
5 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Haftschicht, welche Kügelchen enthält. - In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Drucksensor typischerweise für einen atmosphärischen Drucksensor S1 zum Erfassen des atmosphärischen Drucks verwendet. Entsprechend
1 enthält ein Sensorelement10 des Drucksensors S1 ein Halbleitersubstrat11 wie ein Siliziumsubstrat und einen Sitz12 , welcher aus Glas gebildet ist. Das Substrat11 besitzt einen Hohlraum derart, dass eine Druckbezugskammer13 zwischen dem Substrat11 und dem Sitz12 vorgesehen ist, welche aufeinander gebondet sind. Dementsprechend ist das Sensorelement10 mit der Druckbezugskammer13 versehen und bildet ein Absolutdruckerfassungselement, welches eine Kraft oder einen Druck erfasst, der auf eine äußere Oberfläche davon aufgebracht wird. - Auf dem Diaphragma
14 sind (nicht dargestellte) Messwiderstände gebildet, welche eine Brückenschaltung darstellen. - Auf dem Substrat
11 ist eine (nicht dargestellte) Verstärkerschaltung gebildet, welche mit der Brückenschaltung elektrisch verbunden ist. Wenn eine äußere Kraft auf das Diaphragma14 einwirkt, wird das Diaphragma14 angespannt und deformiert. Ein elektrisches Signal (eine Spannung) von der Brückenschaltung infolge der Anspannung bzw. Beanspruchung oder der Deformierung des Diaphragmas14 wird verstärkt, um von der Verstärkerschaltung ausgegeben zu werden. - Das Sensorelement
10 ist in einer Wölbung21 enthalten, die innerhalb des Gehäuseteils20 gebildet ist, während der Sitz12 des Sensorelements10 direkt auf dem Boden der Wölbung21 über eine Haftschicht30 anhaftet. Dementsprechend wird das Sensorelement10 in dem Gehäuseteil20 gehalten und ist daran befestigt. - Das Gehäuseteil
20 wird durch Pressharz (molding resin) wie Polyphenylensulfid (PPS) gebildet. Die aus Harz gebildete Haftschicht30 besitzt einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 103 Pa und 2,06 × 104 Pa (zwischen 2,5 × 10–4 kgf/mm2 und 2,1 × 10–3 kgf/mm2). Die Haftschicht30 kann ein Haftmittel auf Siliziumbasis verwenden, welches sich aus Siliziumharz zusammensetzt. Die Dicke der Haftschicht30 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 110 μm. - Hier ist ein Leiterrahmen
40 in das Gehäuseteil20 integriert eingesetzt und gepresst und erstreckt sich von der Wölbung21 des Gehäuseteils20 aus nach außen. - Der Leiterrahmen
40 wird durch Stanzen einer beispielsweise aus einer 42-er Legierung (einer 42-prozentigen Nickeleisenlegierung) gebildet. Der Leiterrahmen44 ist mit einem Kontaktfleckabschnitt41 , welcher um die Wölbung21 innerhalb des Gehäuseteils20 bloßliegt, und einem Leiterabschnitt42 versehen, welcher sich nach außen von dem Kontaktfleckabschnitt41 aus erstreckt, um durch das Gehäuseteil20 hindurchzutreten. In der Ausführungsform sind wie in2 veranschaulicht die acht Leiterabschnitte42 beispielsweise vollständig in den rechten und linken Teilen vorgesehen. - Der Kontaktfleckabschnitt
41 des Leiterrahmens40 ist mit dem Sensorelement10 durch Drahtbanden unter Verwendung von aus einem Metall wie Aluminiumoxid Gold gebildeten Drähten50 elektrisch verbunden. Drahtverbindungsoberflächen des Sensorelements10 und des Kontaktfleckabschnitts41 sind im wesentlichen auf derselben Ebene positioniert, so dass das Drahtbanden leicht genau durchgeführt werden kann. - Der Leiterabschnitt
42 des Leiterrahmens40 ist mit einem (nicht dargestellten) äußeren Verbindungsteil in der Außenseite des Gehäuseteils20 verbunden. Wie in2 dargestellt ist das Gehäuseteil20 mit einem Schaltungschip60 versehen, welcher mit dem Sensorelement10 und dem Kontaktfleck41 durch die Drähte40 elektrisch verbunden ist. - Der Schaltungschip
60 ist zum Einstellen eines Ausgangssignals von dem Sensorelement10 geeignet. Insbesondere wird das Ausgangssignal (Ausgangsspannung) von dem Sensorelement10 durch den Schaltungschip60 über einen Draht50 eingestellt und von dem Leiterrahmen40 über einen Draht50 ausgegeben. - Wie in
1 dargestellt sind die Oberfläche des Sensorelements10 , die Oberfläche des Halbleitersubtrats11 in dem Sensorelement10 und Verbindungsteile zwischen den Kontaktfleckabschnitten41 des Leiterrahmens40 und den Drähten50 von einem Gelteil70 bedeckt und werden davon umschlossen, wodurch ein Schutz gebildet wird. - Ein Plastikdeckel
80 ist mit dem Gehäuseteil20 beispielsweise durch Haftung an der Seite der Wölbung verbunden. Der Deckel80 verschließt das Sensorelement10 , den Schaltungschip60 und den Draht50 , welche in dem Gehäuseteil20 enthalten sind. - Der Deckel
80 ist mit einem Druckeinlass81 versehen, welcher mit der Atmosphäre kommuniziert. Durch den Druckeinlass81 wird ein Druck aus der Atmosphäre, welcher Messobjekt ist, in einen Raum eingeführt, welcher durch den Deckel80 und das Gehäuseteil20 definiert wird. - Das Diaphragma
14 wird infolge einer Druckdifferenz zwischen der eingeführten Atmosphäre und der Bezugskammer13 in dem Sensorelement10 angespannt und deformiert. Somit gibt das Sensorelement10 ein elektrisches Signal als Spannung auf der Grundlage der durch die Anspannung hervorgerufenen Deformierung aus. Die Ausgangsspannung wird von dem Schaltungschip60 über den Draht50 eingestellt und nach außen ausgegeben. - Der obige Drucksensor S1 wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird der Leiterrahmen
40 in einer Gussform befestigt, welche eine innere Form entsprechend dem Gehäuseteil20 besitzt, und es wird die innere Form der Gussform mit Harz gefüllt, um das Gehäuseteil20 integriert mit dem Leiterrahmen40 zu bilden. Als nächstes wird der Schaltungschip60 auf dem Gehäuseteil20 angebracht, das Sensorelement10 wird an dem Gehäuseteil20 unter Verwendung der Haftschicht30 befestigt, und der Schaltungschip60 und das Sensorelement10 werden durch Drahtbonden unter Verwendung der Drähte50 gebondet. Danach wird das Gelteil70 bereitgestellt, und es wird der Deckel80 auf das Gehäuseteil20 gesetzt. Des weiteren kann eine gesamte Oberfläche des Sensorelements10 , welche der Haftschicht30 gegenüberliegt, an dem Gehäuseteil20 durch die Haftschicht derart angehaftet werden, dass ein stabiler Elastizitätsmodul der Haftschicht30 erzielt werden kann. - Bei der vorliegenden Erfindung wird das Sensorelement
10 direkt auf das Gehäuseteil20 durch die Haftschicht30 gebondet. Eine Hauptcharakteristik der Ausführungsform besteht darin, dass die Haftschicht30 einen Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 2,45 × 103 Pa und 2,06 × 104 Pa (zwischen 2,5 × 10–4 kgf/mm2 und 2,1 × 10–3 kgf/mm2) besitzt. Unter Aufrechterhaltung des Elastzitätsmoduls der Haftschicht in dem obigen Bereich wird die Änderung der Sensorcharakteristik infolge der Fluktuation der Temperatur beschränkt, und es wird das Leistungsvermögen des Drucksensors S1 verbessert. Die Grundlage des Definierens des Elastizitätsmoduls der Haftschicht30 wird unten erläutert. - Die thermische Hysterese ist eine Differenz in dem Sensorausgang bei Raumtemperatur (beispielsweise von 25°C) zwischen einem Anfangszustand und einem Zustand nach einer thermischen Historie (beispielsweise nach einer Erwärmung auf 120°C). D. h., eine thermische Hysterese ist ein Phänomen, bei welchem der Sensorausgang bei Raumtemperatur einer Fluktuation unterworfen ist.
- Das Phänomen wird durch Ändern einer Ausgangscharakteristik in dem Sensorelement
10 erzeugt, da eine Kriechspannung infolge der thermischen Historie des Gehäuseteils20 dem Sensorelement10 über die Haftschicht30 aufgebracht wird. Eine Verringerung des Elastizitätsmoduls in der Haftschicht30 schwächt daher eine Spannung von dem Gehäuseteil20 auf das Sensorelement10 ab, so dass die Sensorcharakteristik weniger beeinträchtigt wird. - Die obige Beziehung wird als Gleichung (1) formuliert. Dabei wird eine Kraft F(p) dem Sensorelement
10 durch das Gehäuseteil20 aufgebracht, während eine Kraft F(t) dem Sensorelement10 durch die Haftschicht30 aufgebracht wird. - Eine Spannung Vout wird anfänglich als Anfangsspannung des Sensorelements
10 ausgegeben, während eine Spannung Vout' als Ausgang des Sensorelements10 ausgegeben wird, welches eine thermische Historie für eine Änderung erfahren hat.Vout' = Vout × F(p)/F(t) (Gleichung 1) - Dabei hängt die Kraft F(p) vom Material des Gehäuseteils
20 wie einem harzartigen Material ab, welches das Gehäuseteil20 bildet, während die Kraft F(t) von der Dicke des Haftmittels30 und dem Elastizitätsmodul des Materials des Haftmittels30 abhängt. - Ein Änderungsbetrag (Änderungsverhältnis) der Sensorcharakteristik infolge der Fluktuation der Temperatur ist im wesentlichen äquivalent zu einer Differenz zwischen Vout' und Vout. Das Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul der Haftschicht
30 und dem Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik wird in3 beispielsweise durch eine Analyse in der Finite Elementemethode (FEM) dargestellt. - Die Vertikalachse stellt den Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik dar, während die horizontale Achse den Elastizitätsmodul der Haftschicht
30 in3 darstellt. Der Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik ist derjenige bei Raumtemperatur nach einer thermischen Historie (Thermalwechselbeanspruchung (thermal cycling)), in einem Bereich zwischen –40°C und 120°C. Der Änderungsbetrag wird mit einem Prozentsatz relativ zu einem Skalenendwert (FS, full scale) einer Ausgangsspannung des Drucksensors S1 angezeigt. Da der Änderungsbetrag eine hohe Genauigkeit für eine Verwendung im Fahrzeug erfordert, muss dabei ein erlaubtes Kriterium innerhalb von einem Prozent des Skalenendwerts liegen. - Wie in
3 dargestellt sollte zum Erzielen des Änderungsbetrags innerhalb von einem Prozent des Skalenendwerts die Haftschicht30 einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 103 Pa und 2,06 × 104 Pa (zwischen 2,5 × 10–4 kgf/mm2 und 2,1 × 10–3 kgf/mm2) besitzen. Dabei ist in dem in3 veranschaulichten Beispiel das Material des Gehäuseteils 20 PPS, während das Material der Haftschicht30 ein Haftmittel auf Siliziumbasis ist und die Haftschicht30 eine Dicke von 110 μm besitzt. Entsprechend einer Analyse und Experimenten durch die Erfinder besitzen andere Fälle, bei welchen unterschiedliche Materialien verwendet werden, eine Beziehung ähnlich zu dem in3 veranschaulichten Trend. - Die von dem Gehäuseteil
20 dem Sensorelement10 aufgebrachte Spannung verringert sich, wenn die Dicke der Haftschicht30 kleiner wird. Der Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik relativ zu der Dicke der Haftschicht30 wird dadurch mit einer FEM-Analyse wie in4 dargestellt analysiert. - Der in
4 veranschaulichte Fall wird in dem äußerst ernsten Zustand erzielt, bei welchem der Elastizitätsmodul der Haftschicht30 2,1 × 10–3 kgf/mm2 beträgt, wobei die Änderung lediglich gerade bei einer Änderung von einem Prozent entsprechend3 liegt. Das Ergebnis von4 zeigt, dass die Haftschicht von wenigstens einer Dicke von 110 μm den Änderungsbereich innerhalb eines Prozents des Skalenendwerts sogar dann sicherstellt, wenn der Elastizitätsmodul den äußerst ernsten Wert aufweist. - Mit anderen Worten, wenn eine Haftschicht verwendet wird, welche einen Elastizitätsmodul in dem obigen vorbestimmten Bereich und eine Dicke von mehr als 100 μm besitzt, wird das Leistungsvermögen des Drucksensors S1 verbessert. Dieser Drucksensor S1 beschränkt wirksam die Änderung der Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Fluktuation.
- Es ist nicht so einfach eine Haftschicht mit einer Dicke von 110 μm unter Verwendung eines Haftmittels sicherzustellen, dessen Elastizitätsmodul so niedrig wie bei dieser Ausführungsform ist. Daher können Harzkügelchen
31 in der Haftschicht30 enthalten sein, um die Dicke wie in5 dargestellt sicherzustellen. Da ein übermäßiges Hinzufügen der Harzkügelchen31 der Haftschicht30 den Elastizitätsmodul erhöht, wird der Additionsbetrag der Harzkügelchen31 derart eingestellt, dass der geeignete Elastizitätsmodul der Haftschicht30 aufrechterhalten wird. Dabei können die Harzkügelchen31 aus einem Material gebildet werden, dass sich von demjenigen der Haftschicht unterscheidet. - Es kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein heiß gehärtetes Haftmittel auf Siliziumbasis (Markenname TSE
322 ) verwendet werden, welches von der Toshiba Silicon Corporation hergestellt wird. Die Harzkügelchen31 werden in das Haftmittel (TSE322 ) eingesetzt, und das Haftmittel wird danach heiß gehärtet, so dass der Elastiziätsmodul der Haftschicht30 in dem Bereich zwischen 1,5 × 10–3 kgf/mm2 und 2,1 × 10–3 kgf/mm2 eingestellt werden kann. - Vorstehend wurde ein Drucksensor offenbart. Der Drucksensor (S1) enthält ein Sensorelement (
10 ) und ein Harzgehäuseteil (20 ), welches das Sensorelement (10 ) hält. Das Sensorelement (10 ) ist aus einem Halbleiter konstruiert und ist zum externen Ausgeben eines elektrischen Signals entsprechend einer Anspannung geeignet, die gebildet wird, wenn eine Kraft darauf aufgebracht wird. Das Sensorelement (10 ) haftet direkt auf dem Gehäuseteil (20 ) über eine Haftschicht (30 ), welche einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 103 Pa bis 2,06 × 104 Pa besitzt. Des weiteren besitzt die Haftschicht (30 ) eine Dicke gleich oder größer als 110 μm. Dementsprechend beschränkt der Drucksensor (10 ) wirksam eine Änderung der Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Änderung.
Claims (4)
- Drucksensor mit: einem Sensorabschnitt, welcher einen aus Glas gebildeten Sitz (
12 ) und ein auf den Sitz (12 ) gebondetes Halbleitersensorelement (10 ) enthält, wobei das Halbleitersensorelement entsprechend einer aufgebrachten äußeren Kraft angespannt wird und ein elektrisches Signal auf der Grundlage der Anspannung ausgibt; einem aus Harz hergestellten Gehäuseteil (20 ), welches zum Tragen des Halbleitersensorelements angeordnet ist; und einem Haftabschnitt, welcher zwischen dem Halbleitersensorelement und dem Gehäuseteil (20 ) eingesetzt ist, wobei der Haftabschnitt einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 103 Pa bis 2,06 × 104 Pa besitzt, und wobei der Haftabschnitt aus einem Haftmittel (30 ) und einer Mehrzahl von Harzkügelchen (31 ) gebildet ist, deren Elastizitätsmodul größer als der des Haftmittels (30 ) ist. - Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftabschnitt, welcher die Harzkügelchen (
31 ) aufweist, eine Dicke gleich oder größer als 110 μm besitzt. - Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftabschnitt durch ein auf Silizium basierendes Haftmittel gebildet ist.
- Drucksensor nach, einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz (
12 ) des Sensorabschnitts (10 ) eine dem Haftabschnitt zugewandte Oberfläche besitzt und die gesamte Oberfläche des Sitzes (12 ) an dem Gehäuseteil (20 ) durch den Haftabschnitt anhaftet.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JP2002045186A JP2003247903A (ja) | 2002-02-21 | 2002-02-21 | 圧力センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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