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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Halbleitersensor für
eine dynamische Größe und betrifft insbesondere
einen Klebstoff zum Befestigen eines Sensorchips.
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Ein Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist
als ein Klebstoff verwendet worden, wenn ein Drucksensorchip, welcher
ein Halbleitersensor für eine
dynamische Größe ist,
zum Beispiel auf einer Metallmembran befestigt wird. Das Glas eines
niedrigen Schmelzpunkts wird bezüglich
Umweltaspekten in bleihaltige oder bleifreie klassifiziert und insbesondere
die bleihaltigen, die ein Bleioxid enthalten, weisen unter Berücksichtigung
der jüngsten
Umweltproblematik ein Problem bei ihrer Verwendung auf. Andererseits
erfordern die bleifreien eine Befestigungstemperatur von zum Beispiel
400 bis 500°C,
da es schwierig ist, den Schmelzpunkt ohne Hinzufügen eines
Bleioxids zu verringern. Deshalb gibt es Probleme, daß eine zusätzliche
thermische Energie für
das Befestigen erforderlich ist, oder daß der Sensorchip durch die
Befestigungstemperatur beschädigt
werden kann.
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In diesen Jahren ist es untersucht
worden, den Sensorchip unter Verwendung eines organischen Harzmaterials
zu befestigen, was ein Befestigen einer niedrigen Temperatur realisieren
würde. Jedoch
wird gemäß den Untersuchungsergebnissen der
Erfinder der vorliegenden Erfindung, wenn ein organisches Harzmaterial,
wie zum Beispiel ein Epoxydharz, als ein Klebstoff verwendet wird,
die Deformation aufgrund des Aushärtungsschwunds nach einem Erwärmen derart
hoch, daß eine
Spannung derart in dem Sensorchip erzeugt werden würde, daß sich das
Sensorausgangssignal ändert.
Weiterhin würde
die Spannung, wenn ein derartiger Sensor tatsächlich verkapselt werden würde, aufgrund
der Kriecherscheinung bei der Temperatur bei einer Verwendung abgeschwächt werden.
Als ein Ergebnis würde sich
das Sensorausgangssignal aufgrund der Kriecherscheinung ebenso ändern.
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Die vorliegende Erfindung ist im
Hinblick auf die vorhergehenden Probleme mit einer Aufgabe geschaffen
worden, einen Halbleitersensor für
eine dynamische Größe zu schaffen,
dessen Ausgangsänderung
verhältnismäßig klein
ist.
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Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
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Genauer gesagt weißt ein Halbleitersensor für eine dynamische
Größe gemäß der vorliegenden Erfindung,
um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, einen Trägerabschnitt,
einen Klebstoff und einen Sensorchip auf. Der Klebstoff befindet
sich auf einer Oberfläche
des Trägerabschnitts.
Der Sensorchip befindet sich auf dem Klebstoff. Der Sensorchip und der
Trägerabschnitt
sind durch den Klebstoff aneinander befestigt worden. Der Klebstoff
weist bei der Temperatur, bei welcher der Klebstoff zum Befestigen des
ganzen Sensorchip und des Trägerabschnitts aneinander
erwärmt
wird, einen Deformationsfaktor von 0,5 % oder kleiner auf, um die
Spannung zu verringern, die durch die Aushärtungsschwund des Klebstoffs
verursacht wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1A eine
schematische perspektivische Ansicht eines Drucksensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1B eine
entlang der Linie IB-IB genommene schematische perspektivische Querschnittsansicht
des Sensors in 1A;
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2 eine
Draufsicht des Sensors in 1A, wenn
er von oberhalb des Sensorchips des Sensors in 1A betrachtet
wird;
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3 einen
Graphen der Beziehung zwischen dem Sensorausgangssignal und dem
Deformationsfaktor;
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4 eine
die Parameter einer Simulation zeigende Tabelle; und
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5 einen
Graph der Beziehung zwischen dem Sensorausgangssignal und der Zeit
bei dem Deformationsfaktor bei 120°C.
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Die vorliegende Erfindung wird im
Detail unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung
eines ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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1A zeigt
eine schematische perspektivische Ansicht eines Drucksensors 1 als
ein Beispiel des vorliegenden Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung. Der Drucksensor 1, welcher ein Halbleitersensor
für eine
dynamische Größe ist,
kann zum Beispiel zum Steuern des Kraftstoffeinspritzdrucks einer
Brennkraftmaschine oder des Bremsdrucks eines Fahrzeugs verwendet
werden. Der Drucksensor weist einen Metallschaft oder Metallsockel 3 auf,
der eine scheibenförmige
Metallmembran oder einen Trägerabschnitt 2 aufweist.
Der Drucksensor 1 weist ebenso einen Klebstoff 4 und
einen Sensorchip 5 auf. Der Sensorchip 5 ist bei
einer vorbestimmten Befestigungstemperatur unter Verwendung des
Klebstoffs 4 auf der oberen Oberfläche des Trägerabschnitts 2 befestigt
worden.
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Wie es in den 1A und 1B gezeigt
ist, weist der Metallschaft 3 einen Hohlraum 6 unter
der oberen Oberfläche
auf, an der sich der Sensorchip 5 befindet. Ein vorbestimmtes
Druckmedium, wie zum Beispiel ein Gas und eine Flüssigkeit,
ist in den Hohlraum 6 eingebracht und der Druck des Druckmediums
wird auf der Grundlage der Deformation des Trägerabschnitts 2 und
der Deformation des Sensorchips 5 erfaßt.
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Die Befestigungstemperatur, wenn
der Sensorchip 5 unter Verwendung des Klebstoffs 4 an
dem Trägerabschnitt 2 zu
befestigen ist, beträgt
vorzugsweise 350°C
oder niedriger. Wenn die Befestigungstemperatur höher als
350°C ist,
können
die Elemente, die den Sensorchip 5 ausbilden, welche in
der Figur nicht dargestellt sind, thermisch zerstört werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es, wie später beschrieben
wird, möglich,
den Sensorchip 5 und den Trägerabschnitt 2 bei
einer niedrigen Temperatur, die niedriger als 350°C ist, unter
Verwendung eines organischen Harzmaterials als den Klebstoff 4 ausreichend
aneinander zu befestigen. Weiterhin ist es möglich, die Kosten durch Verringern
der thermischen Energie, die in dem Befestigungsschritt verbraucht
wird, unter Verwendung des Befestigens bei einer niedrigen Temperatur
herabzusetzen.
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Der Metallschaft 3 besteht
zum Beispiel aus KOVAR, welches eine Legierung des Fe-Ni-Co-Systems
ist. Der Metallschaft 3 sollte vorzugsweise aus einem Material
bestehen, das einen linearen Expansionskoeffizienten aufweist, der
so nahe wie möglich zu
dem des Sensorchips 5 ist. Der Metallschaft 3 weist
den Hohlraum 6 auf, welcher durch Stanzen in der Form eines
Zylinders bearbeitet worden ist, und der Trägerabschnitt 2, welcher
eine Membran ist, befindet sich an dem Ende des Metallschafts 3.
Wie es durch einen Pfeil in 1B dargestellt
ist, ist das Druckmedium von außen
in den Hohlraum 6 eingebracht, um den Trägerabschnitt 2 unter
Druck zu setzen.
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Der Sensorchip 5 besteht
zum Beispiel aus einem quadratischen einkristallinen Siliziumsubstrat, welches
ein Halbleitersubstrat ist. Der Sensorchip 5 ist unter
Verwendung des Klebstoffs 4 an einer ersten Oberfläche von
ihm an der oberen Oberfläche
des Trägerabschnitts 2 befestigt
worden. Obgleich es in der Figur nicht dargestellt ist, sind in
einer zweiten Oberfläche
des Sensorchips 5, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt,
4 Piezowiderstandselemente, die einem vorbestimmten Widerstandswert aufweisen,
ausgebildet und an vorbestimmten Positionen angeordnet worden. Die
Piezowiderstandselemente bilden zusammen mit Verdrahtungsleitungen und
Elektroden, welche auch nicht in der Figur dargestellt sind, eine
Brückenschaltung
aus. Die zweite Oberfläche
ist mit einem Passivierungsfilm, wie zum Beispiel Siliziumnitrid,
welcher auch nicht in der Figur dargestellt ist, bedeckt worden.
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Der Drucksensor 1 erfaßt wie folgt
einen Druck. Wenn ein Druck in der Richtung ausgeübt wird,
die durch den Pfeil in 1B gezeigt
ist, werden der Trägerabschnitt 2 und
der Sensorchip 5 durch das Druckmedium deformiert, um eine
Spannung in dem Sensorchip 5 zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt
weist jedes der vorhergehenden Piezowiderstandselemente einen Spannungspegel
auf. Die Differenz zwischen den Spannungspegeln verursacht die Änderung
des Sensorausgangssignals und die Änderung des Sensorausgangssignals
wird als die Änderung
des Drucks erfaßt.
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Ein organisches Harzmaterial, ein
Flüssigkristallpolymer,
ein Material, das durch Hinzufügen eines
anorganischen Füllmittels
zu einem organischen Harzmaterial vorbereitet ist, oder ein Hybridmaterial,
in welchem ein organisches Harzmaterial und ein anorganischer Füllstoff
chemisch verbunden worden sind, kann als der Klebstoff 4 verwendet
werden, um den Sensorchip an dem Trägerabschnitt 2 zu befestigen.
Die gemeinsame Charakteristik der Klebstoffe 4, die aus
den vorhergehenden Materialien bestehen, ist, daß jeder der Klebstoffe 4 einen
Deformationsfaktor von 0,5 % oder kleiner aufweist, welcher auf
der Grundlage des Schwundwerts von jedem der Klebstoffe 4,
wenn er ausgehärtet
wird, definiert ist, und daß jeder
der Klebstoffe 4 in der Form eines Films ausgebildet ist.
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Der Deformationsfaktor des Klebstoffs 4 ist durch
die folgende Gleichung GI. 1 definiert: Deformationsfaktor (%) = {(aa – bb)/aa} * 100 Gl. 1 wobei
aa der Durchmesser des Klebstoffs 4 ist, bevor der Klebstoff 4 erwärmt wird,
und bb der Durchmesser des geschwundenen Klebstoffs 4a ist,
der durch Erwärmen
des Klebstoffs 4 auf eine vorbestimmte Temperatur, welche
zum Beispiel 100 bis 150°C
ist, für
eine vorbestimmte Dauer, welche zum Beispiel 1 bis 8 Stunden
ist, ausgebildet wird, um den Sensorchip 5 an dem Trägerabschnitt 2 zu
befestigen.
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3 zeigt
einen Graph der Beziehung zwischen dem Sensorausgangssignal und
dem Deformationsfaktor. Die Sensorausgangssignalwerte, die in 3 aufgetragen sind, sind
durch eine Simulation unter Verwendung der Parameter berechnet worden, die
in 4 aufgelistet sind.
Wenn die Toleranz des falschen Sensorausgangssignals des Drucksensors 1,
das durch die Deformation des Klebstoffs 4 erzeugt wird, ± B mV
ist, muß der
Deformationsfaktor ungefähr
0,5 % oder kleiner sein, um zu erfüllen, daß das falsche Sensorausgangssignal
innerhalb der Toleranz ist.
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Es kann einen Fall geben, daß das Sensorausgangssignal
des Drucksensors 1 bei der tatsächlichen Umgebungstemperatur,
welche zum Beispiel –40
bis 120°C
ist, beim Verwenden des Drucksensors 1 auch dann von seinem
Anfangswert abweicht, wenn der Anfangswert eine vorbestimmte Pro duktspezifikation
erfüllt.
Unter Berücksichtigung
des Falls bestätigen
die Erfinder der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Simulation,
wie viel das Sensorausgangssignal des Drucksensors 1 von
seinem Anfangswert abweicht, wenn die Spannung, die in dem Sensorchip 5 erzeugt
wird, aufgrund des Aushärtungsschwunds
des Klebstoffs 4 abweicht und sich aufgrund der Kriecherscheinung
mit der Zeit bei 120°C
verringert, welches die maximale Temperatur bei der vorhergehenden
tatsächlichen
Umgebungstemperatur ist.
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5 zeigt
die Simulationsergebnisse. Die Simulation ist unter Verwendung der
Parameter ausgeführt
worden, die in 4 aufgelistet
sind. In 5 bezeichnen
die Symbole x, Δ,
und ☐ jeweils die Simulationsergebnisse bei Deformationsfaktoren
von 0,5, 1,0 bzw. 1,6%. Das Symbol ? stellt den tatsächlich gemessenen
Wert bei einem Deformationsfaktor von 1,6 dar. Die vorhergehenden
Deformationsfaktoren werden durch Leiten der Wärme bei 80°C für 2 Stunden, 150°C für 4 Stunden
bzw. 230°C
für eine Stunde
erzielt.
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Hierbei muß der Deformationsfaktor des Klebstoffs 4,
wenn die Toleranz der Abweichung von dem Anfangssensorausgangssignal ± C mV
ist, ungefähr
0,5 % oder kleiner sein, wie es in 5 gezeigt
ist. Deshalb ist es, wie es sich aus den Ergebnissen versteht, die
in den 3 und 5 gezeigt sind, möglich, die
Abweichungen von dem Anfangssensorausgangssignal aufgrund des Aushärtungsschwunds
des Klebstoffs 4 und der Kriecherscheinung, die bei der
tatsächlichen
Umgebungstemperatur bei einem Verwenden des Drucksensors erzeugt wird,
zu steuern.
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Als nächstes wird eine Erläuterung
bezüglich des
Klebstoffs 4 gegeben. Als Epoxydharz alleine als das organische
Harzmaterial für
den Klebstoff 4 verwendet worden ist, war der Deformationsfaktor
aufgrund der Volumenverringerung, die durch die Phasenverschiebung
von flüssig
nach fest und des Verflüchtigens
eines Lösemittels
bei der Befestigungstemperatur verursacht worden ist, ungefähr 1,8 %. Als
Ergebnis hat die Spannung, die in dem Sensorchip 5 aufgrund
der Deformation erzeugt worden ist, die Abweichung des Sensorausgangsignals
erhöht.
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Jedoch ist es, wenn ein flüssiges Epoxydharz
dünn auf
einen Trägerfilm
aufgebracht wird, der aus PET usw. besteht, und halb gehärtet wird,
um einen filmförmigen
Klebstoff 4 auszubilden, möglich, den Deformationsfaktor
bei der Temperatur, wenn der Sensorchip 5 an dem Trägerabschnitt 2 befestigt wird,
auf ungefähr
0,5 % zu verringern, da der Klebstoff 4 im wesentlichen
einen festen Zustand aufweist, obgleich eine zusätzliche Härtereaktion noch erforderlich
ist. Deshalb kann der filmförmige
Klebstoff 4 zum Herstellen des Drucksensors 1 verwendet werden.
Im übrigen
kann Polyimid und Polyurethan als das andere organische Harzmaterial
als ein Epoxydharz verwendet werden.
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Alternativ kann ein filmförmiger Klebstoff 4 unter
Verwendung eines Flüssigkristallpolymers
anstelle des flüssigen
Epoxydharz verwendet werden. Ein Flüssigkristallpolymer weist in
seinem flüssigen Zustand
eine Kristallinität
auf, so daß es
keine Volumenverringerung gibt, die in ordinalen organischen Harzmaterialien
während
der Verschiebung von der amorphen Phase zu der kristallinen Phase
verursacht wird, und der gesamte Schwundfaktor ist verhältnismäßig klein.
Weiterhin weist das Flüssigkristallpolymer
eine Ausrichtung auf und ist entlang seiner Fließrichtung ausgerichtet, so
daß der
lineare Expansionskoeffizient entlang der Richtung verhältnismäßig klein
ist. Deshalb ist es unter Verwendung des Flüssigkristallpolymers als das
organische Harzmaterial für
den Klebstoff 4 möglich,
den Deformationsfaktor des Klebstoffs 4 auf 0,5 % oder
kleiner zu verringern, und ist es ebenso möglich, die Ausgangssignalabweichung
bei der tatsächlichen
Umgebungstemperatur bei einem Verwenden des Drucksensors auf ungefähr 0,05
mV zu verringern.
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Alternativ kann, wie es zuvor beschrieben worden
ist, ein Material, das durch Hinzufügen einer vorbestimmten Menge
eines anorganischen Füllstoffs
zu einem organischen Harzmaterial vorbereitet worden ist, für den Klebstoff 4 verwendet
werden, um den Sensorchip 5 an dem Trägerabschnitt 2 zu
befestigen. Genauer gesagt kann das Material, das durch Hinzufügen von
einkristallinen Silizium oder Siliziumoxid zu einem Epoxidharz,
Polyimid oder Polyurethan mit einem Verhältnis von 70 bis 90 Gewichts-% bis
10 bis 30 Gewichts-% in der Form eines Films ausgebildet werden.
Der lineare Expansionskoeffizient des organischen Harzmaterials
ist so hoch wie zum Beispiel 40 bis 70 ppm.
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Jedoch ist es durch Hinzufügen von
Silizium oder Siliziumoxid zum Verringern des linearen Expansionskoeffizienten
möglich,
den linearen Expansionskoeffizienten des Klebstoffs 4 zu
dem des Siliziumsubstrats, das als das Halbleitersubstrat des Sensorchips 5 verwendet
wird, und zu dem des Sensorschafts 3 anzunähern. Die
linearen Expansionskoeffizienten des Siliziumsubstrats und des Metallschafts 3 sind
zum Beispiel 1 bis 10 ppm. Es ist möglich, jede Spannung, die in
jedem Teil erzeugt wird, durch Annähern des linearen Expansionskoeffizienten
des Klebstoffs 4 zu dem des Siliziumsubstrats und dem des
Metallschafts 3 zu verringern. In diesem Fall ist es ebenso
möglich,
den Deformationsfaktor von ungefähr
0,5 % zu verringern.
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Alternativ kann, wie es vorhergehend
beschrieben worden ist, ein Hybridmaterial, in welchem ein organisches
Harzmaterial und ein anorganischer Füllstoff chemisch verbunden
worden sind, für
den Klebstoff 4 verwendet werden, um den Sensorchip 5 ebenso
an dem Trägerabschnitt 2 zu
befestigen. Ein derartiges Hybridmaterial kann zum Beispiel vorbereitet
werden, durch: Mischen einer vorbestimmten Menge eines Epoxydharzes,
welches ein organisches Harzmaterial ist, und einer vorbestimmten Menge
von Alkoxysilan, welches ein anorganischer Füllstoff ist; und Unterstützen einer
Sol-Gel-Reaktion, welche eine Hydrolyse und Kondensation von Alkoxysilan ist,
durch Erwärmen
auf 100 bis 200°C
für 1 bis
2 Stunden.
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In diesem Fall ist es ebenso durch
Hinzufügen
von Silizium möglich,
den linearen Expansionskoeffizienten des Klebstoffs 4 zu
dem des Siliziumsubstrats und dem des Metallschafts 3 anzunähern. Weiterhin
weist der Klebstoff 4 aufgrund der Sol-Gel-Reaktion einen
halbgehärteten
Zustand auf, so daß der
Deformationsfaktor bei der Aushärtungsreaktion
verringert wird. Als Ergebnis ist es möglich, den Deformationsfaktor
auf ungefähr
0,5 zu verringern.
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In diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
die Spannung, die durch den Aushärtungsschwund
des Klebstoffs 4 in den Befestigungsschritt verursacht
wird, zu verringern, und ist es möglich, die Anfangsausgangssignalabweichung
des Drucksensors 1 zu verringern, unter Verwendung: eines
organisches Harzmaterial; eines Flüssigkristallpolymers; eines
Materials, das durch Hinzufügen
eines anorganischen Füllmittelstofts
zu einem organischen Harzmaterial vorbereitet ist; oder eines Hybridmaterials,
in welchem ein organisches Harzmaterial und ein anorganischer Füllstoff chemisch
verbunden worden sind, als einen Klebstoff, der einen Deformationsfaktor
von 0,5 % oder kleiner aufweist, wenn der Sensorchip 5 unter
Verwendung des Klebstoffs 4 bei der vorbestimmten Befestigungstemperatur
an dem Trägerabschnitt 2 befestigt
wird.
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Weiterhin wird die Spannungsabschwächung aufgrund
der Kriecherscheinung bei der tatsächlichen Umgebungstemperatur
beim Verwenden des Drucksensors 1 nach einem Verkapseln
durch die vorhergehende Spannungsverringerung verringert. Deshalb
wird die Ausgangssignalabweichung aufgrund der Spannungsabschwächung unterdrückt und
arbeitet der Drucksensor 1 stabil.
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Nachstehend erfolgt die Beschreibung
von anderen Ausführungsbei spielen
der vorliegenden Erfindung.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel
ist der Klebstoff 4 in der Form eines Films ausgebildet.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und
muß der
Klebstoff 4 nicht in der Form eines Films ausgebildet werden,
solange der Deformationsfaktor des Klebstoffs 4 0,5% oder
niedriger ist.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird der Sensorchip 5 unter
Verwendung des Klebstoffs 4, der einen Deformationsfaktor
von 0,5% oder niedriger aufweist, an der Metallmembran 2 oder
dem Trägerabschnitt 2 befestigt. Jedoch
muß der
Trägerabschnitt 2 keine
Metallmembran sein und kann aus einem anderen Material bestehen.