-
RÜCKVERWEISUNG AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Diese Anmeldung beansprucht nach 35 USC 119(e) Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Lfd. Nr. 61/158987, eingereicht am 10. März 2009, deren Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen ist.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft das Gebiet von Durchflusssensorbauelementen und insbesondere das Packaging bzw. Verkappen und Bilden des Durchflusskanals in einem Durchflusssensorbauelement.
-
HINTERGRUND
-
Wärmesensoren vom Thermoanemometertyp kommen verbreitet zum Einsatz, um Durchfluss und Differenzdruck in Gasen und Flüssigkeiten zu messen. Normalerweise enthält das Erfassungselement des Sensors eine Heizung in der Mitte und zwei Temperaturempfindliche Gebilde, die auf beiden Seiten der Heizung symmetrisch positioniert sind. Gas- oder Flüssigkeits-(Fluid-)Durchfluss, der das Erfassungselement überströmt, stört die Temperaturverteilung im Fluid in der Umgebung der Heizung, was eine Temperaturdifferenz zwischen zwei temperaturempfindlichen Gebilden verursacht, die weiter in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
-
Zu einigen Verkappungslösungen für Durchflusssensoren zählt ein speziell gestalteter Durchflusskanal, in dem das Erfassungselement so positioniert ist, dass der Fluiddurchfluss das Erfassungselement überströmt oder das Erfassungselement umgibt, während darüber strömt. Normalerweise wahrt der Durchflusskanal eine Laminarströmung, die direkt proportional zur Druckdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen (Enden) des Durchflusskanals ist. Daher können diese Bauelemente als Differenzdrucksensoren und/oder Durchflusssensoren betrachtet werden.
-
Eine Sensorgestaltung des Stands der Technik weist einen Verkappungsdeckel bzw. eine Verkappungsabdeckung mit zwei Anschlüssen und einer Nut in ihrer Oberfläche auf. Nachdem diese Abdeckung an der Bodenplatte bzw. Basis der Verkappung mit dem an der Basis angeordneten Sensorchip angebracht ist, ist der Durchflusskanal durch die Nut zusammen mit der Oberfläche des Sensorchips gebildet. Mit dem an der Basis der Verkappung angeordneten Sensorchip ist der Durchflusskanal durch diese Nut zusammen mit der Oberfläche des Sensorchips festgelegt. Der Sensorchip ist so ausgerichtet, dass das Fluid im Kanal das Erfassungselement überströmt oder umgibt, was das Ausgangssignal verursacht.
-
Eine weitere Sensorgestaltung weist die Abdeckung der Verkappung mit zwei vorgeformten Hohlräumen auf, um den Gasdurchflusskanal zu bilden und eine Einrichtung zum Abdecken/Schützen von Bonddrähten bereitzustellen.
-
Ein gemeinsames Merkmal dieser beiden o. g. Sensorverkappungsansätze und anderer analoger Sensorverkappungsansätze ist die Bildung des Durchflusskanals im Stadium der Verkappungsmontage, indem der individuelle Sensorchip mit den Verkappungskomponenten gepaart wird. Normalerweise wird ein individueller Durchflusskanal mit dem Sensorchip gepaart, nachdem der Sensorchip auf oder in der Verkappungsbasis angeordnet wurde. Abweichungen der Sensorleistung können von möglicher Fehlausrichtung des Sensorchips zu den Verkappungskomponenten und von Veränderlichkeit der Maße des Durchflusskanals von Einheit zu Einheit herrühren, beides Quellen, die durch das Herstellungsverfahren der Verkappungskomponenten und durch den Sensormontagebetrieb von Einheit zu Einheit beeinflusst werden.
-
Daher besteht Bedarf, die Auswirkung des Verkappungsverfahrens auf die Schaffung von Durchflusssensorbauelementen zu verringern, um Leistungsabweichungen individueller Bauelemente zu minimieren.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Beschrieben wird hier ein Durchflusssensor mit einem einfachen und kostengünstigen Verkappungsverfahren, um für hohe pneumatische Impedanz des Sensors zu sorgen. Der hier beschriebene Durchflusssensor kann den Einfluss des Verkappungsverfahrens wie auch den Einfluss von Fehlausrichtung von Verkappungskomponenten auf die Leistung des Sensors reduzieren.
-
Gemäß einem weitgefassten Aspekt wird ein Durchflusserfassungsbauelement bereitgestellt, das aufweist: einen Halbleiterchip mit einer Chipbasis und einer Chipkappe sowie einem darin integrierten Durchflusskanal, wobei der Durchflusskanal zwischen der Chipbasis und der Chipkappe gebildet ist, und einem im Durchflusskanal positionierten Erfassungselement, wobei der Halbleiterchip eine erste Durchgangsöffnung in der Chipbasis in Fluidverbindung mit dem Durchflusskanal und eine zweite Durchgangsöffnung in der Chipbasis, der Chipkappe oder einem Raum zwischen der Chipbasis und der Chipkappe in Fluidverbindung mit dem Durchflusskanal hat.
-
In einer Ausführungsform weist das Durchflusserfassungsbauelement auch eine Verkappungsbasis mit einer oberen Fläche auf einer Oberseite und einer unteren Fläche auf einer Unterseite auf, die an der Chipbasis des Halbleiterchips an der oberen Fläche angebracht ist, wobei die Verkappungsbasis eine erste Durchführung in Fluidverbindung mit der ersten Durchgangsöffnung hat, die erste Durchführung sich durch die Verkappungsbasis von der oberen Fläche zur unteren Fläche erstreckt, die erste Durchgangsöffnung von der Unterseite der Verkappungsbasis zugänglich ist und die zweite Durchgangsöffnung des Halbleiterchips von der Oberseite der Verkappungsbasis zugänglich ist.
-
Den Zugang zu beiden Enden des Durchflusskanals von entgegengesetzten Seiten der Verkappungsbasis realisieren zu lassen vereinfacht das abschließende Verkappungsverfahren. Eine Ausführungsform der Verkappung verfügt über zwei Abdeckungen mit Druck-/Durchflussanschlüssen, die an entgegengesetzten Seiten der Verkappungsbasis angebracht sind. Eine weitere Ausführungsform weist eine erste Verkappungsabdeckung auf, die an der Verkappungsbasis an der oberen Fläche angebracht ist und einen Hohlraum damit zum Unterbringen des Halbleiterchips bildet, wobei die zweite Durchgangsöffnung in Fluidverbindung mit dem Hohlraum und einer zweiten Durchführung steht, die auf der ersten Verkappungsabdeckung oder der Verkappungsbasis vorgesehen ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform weist die Verkappungsbasis eine zweite Durchführung auf, und zwei Druck-/Durchflussanschlüsse sind an der Unterseite der Verkappungsbasis angebracht. In diesem Fall befinden sich der Chip und die zweite Durchführung im Hohlraum, der durch die an der Verkappungsbasis angebrachte Abdeckung gebildet ist.
-
Die Leistung des Durchflusserfassungsbauelements richtet sich hauptsächlich nach den Eigenschaften des Erfassungselements und der Geometrie des Durchflusskanals innerhalb des Halbleiterchips. Derzeitige Verfahren zur Siliciumwaferbearbeitung sorgen für genaue Steuerung von Maßen des Durchflusskanals im ein- bis dreistelligen Mikrometerbereich. Außerdem ermöglichen Waferbondtechniken die genaue Ausrichtung zweier Wafer, was für Mikrodurchflusskanäle mit stark reproduzierbaren Kennwerten und hoher pneumatischer Impedanz sorgt.
-
In einer Ausführungsform kann die Halbleiterchipkappe individuell oder durch ein Wafer-Scale-Capping angebracht sein, z. B. ein Glasfritten-Bonden oder ein weiteres Wafer-Scale-Capping-Verfahren.
-
Gemäß einem weiteren weitgefassten Aspekt wird ein Durchflusserfassungsbauelement bereitgestellt, das aufweist: einen Halbleiterchip mit einer Chipbasis und einer Chipkappe sowie einem darin integrierten Durchflusskanal, wobei der Durchflusskanal zwischen der Chipbasis und der Chipkappe des Halbleiterchips gebildet ist, und einem im Durchflusskanal positionierten Erfassungselement, wobei der Halbleiterchip eine erste Durchgangsöffnung in der Chipkappe in Fluidverbindung mit dem Durchflusskanal und eine zweite Durchgangsöffnung in der Chipkappe oder einem Raum zwischen der Chipbasis und der Chipkappe in Fluidverbindung mit dem Durchflusskanal hat; eine Verkappungsbasis mit einer oberen Fläche auf einer Oberseite und einer unteren Fläche auf einer Unterseite, die an der Chipkappe des Halbleiterchips an der oberen Fläche angebracht ist, wobei die Verkappungsbasis eine erste Durchführung in Fluidverbindung mit der ersten Durchgangsöffnung hat, die erste Durchführung sich durch die Verkappungsbasis von der oberen Fläche zur unteren Fläche erstreckt, die erste Durchgangsöffnung von der Unterseite der Verkappungsbasis zugänglich ist und die zweite Durchgangsöffnung des Halbleiterchips von der Oberseite der Verkappungsbasis zugänglich ist.
-
Für die Zwecke dieser Beschreibung hat der Chip eine Vorderseite und eine Rückseite. Die Verkappungsbasis hat eine Oberseite mit einer oberen Fläche und eine Unterseite mit einer unteren Fläche. Die Chiprückseite ist an der oberen Fläche der Verkappungsbasis angebracht. Zugang zum Durchflusskanal im Chip ist über die beiden Durchgangsöffnungen gegeben, eine auf der Unterseite der Verkappungsbasis (direkt an der unteren Fläche der Verkappungsbasis) und eine auf der Oberseite der Verkappungsbasis, die an der Oberseite des Chips (z. B. 3a) oder an der Seite des Chips (z. B. 3c) oder an der oberen Fläche der Verkappungsbasis (z. B. 3b) liegen kann.
-
Der Ausdruck ”ein Raum zwischen der Chipkappe und der Chipbasis”, um eine Durchgangsöffnung zu bilden, sollte so verstanden werden, dass er durch Folgendes gebildet ist: eine in der Chipkappe vorgesehene Nut, eine in der Chipbasis vorgesehene Nut oder eine Kombination aus einer Nut in der Chipkappe und einer Nut in der Chipbasis, die zusammen die Durchgangsöffnung bilden.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden näheren Beschreibung in Kombination mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
-
1 eine Querschnittansicht eines verkappten Durchflusssensors mit einem Halbleiterchip, der an einer Verkappungsbasis angebracht ist und einen Durchflusskanal mit einer Verkappungsabdeckung bildet, gemäß dem Stand der Technik;
-
2a eine schematische Querschnittansicht des Halbleiterchips mit einem integrierten Durchflusskanal mit einer Durchgangsöffnung auf einer Chipbasis und einer Durchgangsöffnung auf einer Chipkappe gemäß einer Ausführungsform;
-
2b eine schematische Querschnittansicht des Halbleiterchips mit einem integrierten Durchflusskanal mit beiden Durchgangsöffnungen auf einer Chipbasis gemäß einer Ausführungsform;
-
2c eine schematische Querschnittansicht des Halbleiterchips mit einem integrierten Durchflusskanal mit einer Durchgangsöffnung auf einer Chipbasis und einer Durchgangsöffnung zwischen der Chipbasis und der Chipkappe gemäß einer Ausführungsform;
-
2d eine schematische Querschnittansicht des Halbleiterchips mit einem integrierten Durchflusskanal mit beiden Durchgangsöffnungen auf der Chipkappe gemäß einer Ausführungsform;
-
2e eine schematische Querschnittansicht des Halbleiterchips mit einem integrierten Durchflusskanal mit einer Durchgangsöffnung in der Chipkappe und einer Durchgangsöffnung zwischen der Chipkappe und der Chipbasis gemäß einer Ausführungsform;
-
3a den Halbleiterchip von 2a, der an einer Verkappungsbasis mit einer Durchführung angebracht ist, die zu einer Durchgangsöffnung von der Chipbasis ausgerichtet ist, gemäß einer Ausführungsform;
-
3b den Halbleiterchip von 2b, der an einer unterschiedlichen Verkappungsbasis angebracht ist, die Fluidverbindung mit beiden Durchflussdurchgangsöffnungen auf der Rückseite des Chips ermöglicht, gemäß einer Ausführungsform;
-
3c den Halbleiterchip von 2c, der an einer Verkappungsbasis angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform;
-
3d den Halbleiterchip von 2d, der an einer Verkappungsbasis durch die Chipkappe angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform;
-
3e den Halbleiterchip von 2a, der umgedreht und an einer Verkappungsbasis durch die Chipkappe angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform;
-
3f den Halbleiterchip von 2e, der umgedreht und an einer Verkappungsbasis durch die Chipkappe angebracht ist, gemäß einer Ausführungsform;
-
3g den Halbleiterchip von 2b, der an einer Verkappungsbasis durch die Chipbasis angebracht ist, wobei die Verkappungsbasis zwei Durchführungen durch sie hat, gemäß einer Ausführungsform;
-
3h den Halbleiterchip von 2d, der an einer Verkappungsbasis durch die Chipkappe angebracht ist, wobei die Verkappungsbasis zwei Durchführungen durch sie hat, gemäß einer Ausführungsform;
-
4a das verkappte Durchflusserfassungsbauelement mit zwei Durchführungen in der Verkappungsbasis und daran angebrachten Durchflussanschlüssen gemäß einer Ausführungsform;
-
4b das verkappte Durchflusserfassungsbauelement mit einer Aussparung in der Verkappungsbasis, um mit einer zweiten Durchgangsöffnung in der Chipbasis zu kommunizieren, gemäß einer Ausführungsform;
-
4c das verkappte Durchflusserfassungsbauelement mit zwei Verkappungsabdeckungen gemäß einer Ausführungsform;
-
4d das verkappte Durchflusserfassungsbauelement mit einer Durchführung in der Verkappungsbasis und einem daran angebrachten Durchflussanschluss sowie einer Durchführung in einer oberen Verkappungsabdeckung mit einem daran angebrachten Durchflussanschluss gemäß einer Ausführungsform.
-
Zu beachten ist, dass in den beigefügten Zeichnungen gleiche Merkmale durchweg mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Zudem wird deutlich sein, dass die in den beigefügten Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsformen nicht maßstäblich sind.
-
NÄHERE BESCHREIBUNG
-
Das Grundprinzip eines Durchflusssensors vom Thermoanemometertyp besteht darin, dass ein Heizelement das unmittelbar umliegende Gasvolumen erwärmt. Bewegt sich das Gasvolumen nicht nach links oder rechts, so erfasst ein Paar Wärmeerfassungswiderstände, die zu jeder Seite des Heizelements symmetrisch positioniert sind, gleiche Temperatur. Bewegt sich das Gasvolumen nach links oder rechts, was durch einen Gasdurchfluss verursacht würde, so ist die an den beiden Wärmeerfassungswiderständen erfasste Temperatur nicht gleich, und die Gasdurchflussrate lässt sich ableiten.
-
Die Gasdurchflussrate über das Erfassungselement hängt ihrerseits von den Kennwerten des Durchflusskanals ab, darunter Länge, Breite, Querschnittform, Auslegungsform usw. Diese Kennwerte beeinflussen die Durchflussimpedanz von Gas durch den Durchflusskanal insgesamt (aus Sicht von den beiden Einlässen zum Durchflusskanal) und beeinflussen die Durchflussgeschwindigkeit von Gas über die Erfassungselemente.
-
Bei einer solchen Miniaturisierung, dass die Durchflussimpedanz sehr hoch ist, können solche Sensoren (”Mikrodurchfluss”-Sensoren) auch als Differenzdrucksensoren verwendet werden, die sehr niedrige Differenzdrücke erfassen. Durch Durchflusserfassung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen des Durchflusskanals und Kenntnis der Durchflussimpedanz des Durchflusskanals können die erfassten Informationen in Informationen über die Differenz zwischen den beiden Druckwerten an den beiden Eingangsanschlüssen übersetzt werden.
-
Schmale Durchflusskanäle können bei der Verkappung des Sensorschaltkreises implementiert werden. Die Erfassungselemente können in einem Siliciumchip hergestellt sein, normalerweise ist der Durchflusskanal aber in der/durch die Verkappung implementiert. Dazu gehören Feinsteuerung der Maße der Verkappung und Feinausrichtung zwischen der Verkappung und dem Erfassungschip. In 1 ist ein herkömmliches verkapptes Durchflusserfassungsbauelement des Stands der Technik gezeigt. Ein Halbleiterchip 1 ist an der Basis der Verkappung 99 angebracht. Ein Durchflusskanal 2 ist zwischen der Verkappungsabdeckung 3 (mit zwei Druck-/Durchflussanschlüssen) und der Verkappungsbasis 99 gebildet.
-
2a, 2b und 2c veranschaulichen einen Halbleiterchip 12 mit einem integrierten Durchflusskanal 7, wobei der Chip aus zwei Hauptteilen besteht: einer Chipbasis 4 und einer Chipkappe 6, die aneinander angebracht sind. Ein thermisches Durchflusserfassungselement 5 ist über einem Hohlraum in der Chipbasis 4 gebildet. In einer Ausführungsform enthält das Durchflusserfassungselement 5 eine Heizung in der Mitte und zwei temperaturempfindliche Gebilde, die auf beiden Seiten der Heizung positioniert sind. Die temperaturempfindlichen Gebilde können z. B. Thermowiderstände oder Thermoelemente sein. Der Durchflusskanal 7 ist zwischen der oberen Fläche der Chipbasis 4 und der unteren Fläche der Chipkappe 6 gebildet. Die Geometrie des Durchflusskanals 7 richtet sich nach den Formen der Nut, die auf der unteren Fläche der Chipkappe 6 gebildet ist, und von Hohlräumen, die auf einer oberen Fläche der Chipbasis 4 gebildet sind. 2a, 2b, 2c zeigen nur einen Hohlraum 25 auf der Oberfläche der Chipbasis 4, aber zu beachten ist, dass mehr als ein Hohlraum gebildet sein kann, um die pneumatische Impedanz des Durchflusskanals 7 zu ändern/zu bestimmen. Zusätzlich kann dieser Hohlraum 25 auch entfallen, da der Durchflusskanal in der Chipkappe eingebaut sein kann, oder kann auch Hohlräume im Bauelemente-Wafer aufweisen. Dem Thema der pneumatischen Impedanz in Durchflusskanälen widmen sich zahlreiche Veröffentlichungen des Stands der Technik, z. B.:
- a. Tas, N. R. und Lammerink, T. S. J. und Leussink, P. J. und Berenschot, J. W. und Bree de, H. E. und Elwenspoek, M. C. "Toward thermal flow-sensing with pL/s resolution", Proc. SPIE, Bd. 4176, 106 (2000)
- b. A. Rasmussen, C. Mavriplis, M. E. Zaghloul, O. Mikulchenko und K. Mayaram, "Simulation and optimization of a microfluidic flow sensor", Sensors and Actuators A: Physical, Band 88, Ausgabe 2, 15. Februar 2001, Seiten 121–132
- c. US-B1-6263741 (Woias)
-
Durchflusszugang zum Durchflusskanal 7 ist über zwei Durchgangsöffnungen 8 und 9 realisiert. In 2a, 2b und 2c ist eine Durchgangsöffnung 8 in der Chipbasis 4 gebildet und sorgt für Zugang zum Durchflusskanal 7 vom Boden des Halbleiterchips 12. In der in 2a gezeigten Ausführungsform ist eine zweite Durchgangsöffnung 9 in der Chipkappe 6 gebildet, um für Zugang zum Durchflusskanal 7 von der Oberseite des Halbleiterchips 12 zu sorgen. In einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Durchgangsöffnung 9 in der Chipbasis 4 gebildet, um für Zugang zum Durchflusskanal 7 von der Unterseite des Durchflusssensorchips 12 zu sorgen, was in 2b gezeigt ist. In noch einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Durchgangsöffnung 9 zwischen der Chipbasis 4 und der Chipkappe 6 gebildet, indem ein Raum an einem Ende der beiden ermöglicht ist, was 2c zeigt.
-
2d zeigt eine alternative Ausführungsform des Halbleiterchips mit einem darin integrierten Durchflusskanal, wobei sich die beiden Durchgangsöffnungen beide in der Chipkappe befinden.
-
In den Ausführungsformen gemäß 3a und 3b ist der Halbleiterchip 12 an einer Verkappungsbasis 10 angebracht. Die Verkappungsbasis 10 hat eine Durchführung 11, die Fluidverbindung zwischen der zweiten Fläche 14 der Basis 10 und der ersten Fläche 13 der Basis ermöglicht. Die Durchgangsöffnung 8 ist so ausgerichtet, dass sie in Fluidverbindung mit der Durchführung 11 steht. 3a zeigt eine mögliche Ausführungsform, in der der Halbleiterchip 12 mit der oben auf der Kappe realisierten Durchgangsöffnung 9 an der Verkappungsbasis 10 angebracht ist. Der Halbleiterchip 12 mit der für Zugang zum Durchflusskanal 7 von der Unterseite des Chips sorgenden Durchgangsöffnung 9 kann an der Verkappungsbasis 10 gemäß 3b angebracht sein. Eine Aussparung oder Kerbe 19 in der ersten Fläche 13 der Verkappungsbasis 10 bildet einen Luftspalt zwischen der Öffnung der Durchgangsöffnung 9 und der Fläche 13 der Verkappungsbasis 10.
-
In beiden Ausführungsformen gemäß 3a und 3b ist ein Zugang zum Durchflusskanal 7 von der zweiten Fläche 14 der Verkappungsbasis 10 realisiert, und ein zweiter Zugang zum Durchflusskanal 7 ist von der entgegengesetzten Fläche der Kombination aus dem Chip und der Verkappungsbasis realisiert. Der Durchflusssensorchip 12 gemäß 2c kann auch an der Verkappungsbasis 10 gemäß 3a angebracht sein.
-
Zu beachten ist, dass in den Ausführungsformen gemäß 3a, 3b, 3c elektrische Verbindungen durch Drahtbonden von Drahtbondinseln auf der oberen Fläche der Verkappungsbasis zu Drahtbondinseln hergestellt sein können, die auf einer der oberen Flächen der Chipbasis oder der Chipkappe positioniert sind. Während Drahtbondinseln normalerweise auf der oberen Fläche der Chipbasis positioniert wären, die über andere Öffnungen in der Chipkappe zugänglich sind, können auch elektrische Verbindungen vorhanden sein, die durch den Körper der Chipkappe zur oberen Fläche der Chipkappe hergestellt sind, wodurch Drahtbondinseln dort liegen können.
-
3d veranschaulicht den Halbleiterchip von 2d, der umgekehrt auf der Verkappungsbasis positioniert ist, wobei eine der Durchgangsöffnungen in Fluidverbindung mit der sich durch die Verkappungsbasis erstreckenden Durchführung steht und wobei die andere der Durchgangsöffnungen in Fluidverbindung mit einer Kerbe auf der Oberseite der Verkappungsbasis steht. Die Verkappungsbasis ist vom gleichen Verkappungsbasistyp wie in 3b mit der zuvor anhand von 3b beschriebenen Kerbe. In diesem Fall können elektrische Verbindungen von der Verkappungsbasis zum Halbleiterchip über elektrische Verbindungen hergestellt sein, die von der Unterseite der Chipbasis stammen, oder über elektrische Verbindungen auf der Unterseite der Chipkappe (Ansatz vom ”Flip-Chip”-Typ) oder über Drahtbonds zu elektrischen Bondinseln auf der Unterseite der Chipbasis (die jetzt oben in 3d zu sehen sind) oder durch eine andere verfügbare elektrische Verbindungseinrichtung.
-
3e zeigt eine alternative Ausführungsform des Halbleiterchips mit Verkappungsbasis. In dieser Ausführungsform liegt der in 2a beschriebene Halbleiterchip umgekehrt auf der Verkappungsbasis, so dass die Rollen der beiden Durchgangsöffnungen vertauscht sind. Die Chipkappen-Durchgangsöffnung 9 steht in Fluidverbindung mit der Durchführung in der Verkappungsbasis, während die Durchgangsöffnung in der Chipbasis jetzt nach oben in gleicher Richtung wie die obere Fläche der Verkappungsbasis weist. In diesem Fall können elektrische Verbindungen zwischen jeder verfügbaren Fläche der Chipkappe oder Chipbasis, die zur oberen Fläche der Verkappungsbasis nach unten weist, durch elektrische Flip-Chip-Verbindungstechniken hergestellt sein, darunter Lötkügelchen. Diese elektrischen Verbindungen können direkt mit der Chipbasis durch Öffnungen in der Chipkappe verbinden, die dazu hergestellt sind, oder können mit der Chipbasis über Durchgangslöcher verbinden, die durch die Chipkappe hergestellt sind.
-
4a bis 4d zeigen Querschnitte verkappter Durchflusserfassungsbauelemente. In der Ausführungsform von 4a hat die Verkappungsbasis 10 eine zweite Durchführung 18. Zwei Druck-/Durchflussanschlüsse 15 sind an der Fläche 14 in Fluidverbindung mit den Durchführungen 11 und 18 angebracht. Die Verkappungsabdeckung 16 ist an der ersten Fläche 13 angebracht und deckt den Halbleiterchip 12 und die zweite Durchführung 18 ab, indem sie einen Hohlraum mit der Verkappungsbasis 10 bildet. 4b veranschaulicht eine Ausführungsform, in der die Verpackungsbasis 10 eine wie in 3b gezeigte Kerbe hat und die Anschlüsse 15 beide auf der unteren Fläche 14 der Verkappungsbasis 10 vorgesehen sind. In der Ausführungsform gemäß 4c sind zwei Verkappungsabdeckungen 17 an entgegengesetzten Flächen 13 und 14 der Verkappungsbasis 10 angebracht, und die Druck-/Durchflussanschlüsse 15 erstrecken sich von den Abdeckungen 17. Diese Anschlüsse 15 könnten an beliebiger Stelle auf der Oberfläche der Abdeckungen 17 positioniert sein. In der Ausführungsform von 4d hat die Verkappungsbasis 10 eine Durchführung 11 und einen daran angebrachten Durchflussanschluss 15. Die Verkappungsabdeckung 16 hat eine Durchführung 18 und einen daran angebrachten Durchflussanschluss 15.
-
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Durchflusserfassungsbauelements verwenden den Halbleiterchip 12 mit einem integrierten Durchflusskanal 7. Der speziell gestaltete Durchflusskanal 7 mit zwei Durchgangsöffnungen 8 und 9 hat eine hohe pneumatische Impedanz.
-
Ein einfaches und kostengünstiges Verkappungsverfahren wird durch Gebrauch des Halbleiterchips 12 mit einem integrierten Durchflusskanal 7, Gestaltung der Durchgangsöffnungen 8, 9 in Fluidverbindung mit dem Durchflusskanal 7 und Anordnen des Durchflusssensorchips 12 auf der Verkappungsbasis 10 bereitgestellt. In einer Ausführungsform kann der Durchflusskanal 7 mit Hilfe von Wafer-Wafer-Bondtechniken oder durch Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnologie direkt auf der Oberfläche des Siliciumchips gebildet werden. Damit werden mehrere Durchflusskanäle in einem Verfahren im Stadium der Waferbearbeitung vor Schneiden des Siliciumwafers und Verkappen gefertigt. Die individuellen Durchflusskanäle brauchen nicht beim individuellen Verkappen einzelner Halbleiterchips gebildet werden, was Formen der Verkappungsteile vereinfacht und strenge Anforderungen an Ausrichtgenauigkeit eliminiert. Die Maße und die Ausrichtung des mit Hilfe von Wafer-Wafer-Bondtechniken oder Oberflächen-Mikrobearbeitungstechnologie gefertigten Durchflusskanals 7 lassen sich mit hoher Genauigkeit steuern, z. B. im Bereich von wenigen Mikrometern.
-
Die Wahl des Querschnitts des Durchflusskanals 7 und seiner Länge kann zu erhöhter pneumatischer Impedanz des Durchflusssensors führen. Mikrodurchflusskanäle haben Höhen, die im ein- bis zweistelligen Mikrometerbereich variieren, und Breiten, die im ein- bis dreistelligen Mikrometerbereich variieren. Mit diesen kleinen Maßen ist die Fertigung von Durchflusskanälen mit einer pneumatischen Impedanz über 10 kPa/(ml/s) auf einem Chip mit einer Flächengröße von höchstens einigen Quadratmillimetern möglich. Die Durchflusskanäle können rechteckige, dreieckige, trapezförmige, halbkreisförmige oder andere Querschnittformen in Abhängigkeit von der zu ihrer Herstellung verwendeten Technologie haben.
-
Verständlich wird sein, dass dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen an den beschriebenen Ausführungsformen deutlich sein werden. Somit ist die vorstehende Beschreibung als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung zu verstehen. Zu möglichen Abwandlungen am Sensor zählen z. B. Verkappungen mit unterschiedlichen Formen der Abdeckungen mit Druckanschlüssen, die verschiedene Orientierungen haben, oder Ein-Anschluss-Verkappungen, die auf Messungen in einer Richtung anwendbar sind. Zu Fertigungsverfahren für integrierte Durchflusskanäle können Silicium-Silicium- oder Silicium-Glas-Waferbondtechniken gehören. Oberflächenmikrobearbeitungsverfahren zur Fertigung des Durchflusskanals können Polymere photoempfindlicher Polymere wie SU-8 verwenden. Daher soll der Schutzumfang der Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche begrenzt sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Tas, N. R. und Lammerink, T. S. J. und Leussink, P. J. und Berenschot, J. W. und Bree de, H. E. und Elwenspoek, M. C. ”Toward thermal flow-sensing with pL/s resolution”, Proc. SPIE, Bd. 4176, 106 (2000) [0043]
- A. Rasmussen, C. Mavriplis, M. E. Zaghloul, O. Mikulchenko und K. Mayaram, ”Simulation and optimization of a microfluidic flow sensor”, Sensors and Actuators A: Physical, Band 88, Ausgabe 2, 15. Februar 2001, Seiten 121–132 [0043]
