-
HINTERGRUND
-
Viele Mikrosensoren auf Basis von Silizium verwenden eine sogenannte MEMS(Mikroelektromechanische Systeme)-Technologie, um geringe Kosten und hohe Leistung zu erzielen. Eine solche Vorrichtung ist ein MEMS-Drucksensor, welcher eine kleine, dünne Silizium-Membran umfasst, auf welcher ein piezoresistiver Schaltkreis, normalerweise eine Wheatstone-Brücke, ausgebildet ist. Durch auf die Membran ausgeübten Druck verursachte Membranspannungen verändern sich die Widerstandswerte der Piezowiderstände in dem Brücken-Schaltkreis. Ein elektronischer Schaltkreis erkennt die Widerstandsänderungen der piezoresistiven Brücke und gibt ein elektrisches Signal aus, welches repräsentativ für den ausgeübten Druck ist.
-
1A ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Differenzialdrucksensors 100, welcher so benannt ist, da der Sensor ein Ausgabesignal bereitstellt, welches repräsentativ für die Druckdifferenz zwischen dem oberen Druck und dem unteren Druck auf die Membran 122 in 1B des in 1B dargestellten Differenzialdruckmesselementes bzw. -Sensors 102 ist. 1B ist eine Querschnittszeichnung innerhalb des in 1A dargestellten Gehäuses befestigten Differenzialdruckmesselementes 102.
-
In 1A umfasst der Drucksensor 100 ein Gehäuse 104, welches ein MEMS-Druckmesselement 102 und einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 106 umgibt. Ein Fluiddruck von Flüssigkeiten oder Gasen wird auf die Unterseite der Membran des MEMS-Druckmesselementes über einen in dem Gehäuse 104 gebildeten Druckanschluss 108 ausgeübt. Der andere Fluiddruck von Gasen durch die Abdeckung 107 wird auf die Oberseite des Gels 124 ausgeübt, welches den Druck an die Oberseite der Membran des MEMS-Druckmesselementes (bzw. Siliziumchips) 102 weiterleitet. Das MEMS-Druckmesselement 102 ist über leitfähige Drähte 103 elektrisch mit dem ASIC 106 verbunden, was im Stand der Technik wohlbekannt ist, und wobei die Drähte elektrische Verbindungen zwischen dem ASIC 106 und dem Druckmesselement 102 bereitstellen. Leitfähige Drähte verbinden ebenso den ASIC 106 mit den Leiterrahmen 105 für die Eingabe- und Ausgabe-Spannungen.
-
Wie oben bereits erwähnt, ist 1B eine Querschnittszeichnung eines herkömmlichen MEMS-Druckmesselementes 102. Das MEMS-Druckmesselement 102 ist ein Differenzialdruckmesselement, welches einen dünnen Siliziumchip 110 umfasst. Der Chip 110 ist aus Silizium gebildet. In dem Chip 110 ist ein piezoresistiver Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 112 gebildet und nahe dem Rand eines dünnen Membranbereiches 114 angeordnet.
-
Der Chip 110 sitzt auf einer Erhebung 116, welche wiederum mittels eines Klebemittels 120 an dem Gehäuse 104 angebracht ist. Fluid, welches in den Anschluss 108 strömt, übt einen Druck auf die Unterseite der Membran 122 aus, welcher durch die Anordnung des Chips 110 über dem Anschluss 108 gebildet ist. Das weitere Fluid strömt zu der Oberseite des Gels 124 und übt einen Druck auf die Oberseite der Membran 122 aus. Pfeile 123 deuten auf die Oberseite und Unterseite der Membran ausgeübten Druck an. Ein Differenzialdruck oder eine Differenz zwischen dem nach unten ausgeübten Druck 123 und dem nach oben ausgeübten Druck 123 verursacht ein Verbiegen der Membran 122. Die durch die Druckdifferenz verursachte Verbiegung bringt die Piezowiderstände in dem Brücken-Schaltkreis 112 dazu, ihre physikalischen Eigenschaften zu ändern, was wiederum ihre Widerstandswerte ändert. Das in 1B dargestellte MEMS-Druckmesselement 102 kann in 1A in einem herkömmlichen Gel 124 eingebettet angesehen werden, wobei es sich um ein beabsichtigtes Merkmal handelt, um das Messelement 102 zu schützen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1A ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Differenzialdrucksensors;
-
1B ist eine Querschnittsansicht eines in dem in 1A gezeigten Drucksensor verwendeten herkömmlichen mikroelektromechanischen Systeme-Messelementes;
-
2 ist eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Drucksensors;
-
3 zeigt, wie zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise in einer ersten Ausführungsform miteinander verbunden werden;
-
4A ist eine Ansicht der zweiten Seite des ersten Siliziumchips und zeigt Verbindungspads, zu denen elektrische Verbindungen hergestellt werden;
-
4B zeigt die erste Seite eines ersten Siliziumchips sowie Verbindungen zu einem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis darauf;
-
4C zeigt das Verbindungspad auf der Oxidschicht zwischen dem ersten Siliziumchip und dem Abstandselement;
-
4D zeigt die Durchgangslöcher durch das Abstandselement hindurch;
-
4E zeigt die Verbindungspads auf der Oxidschicht zwischen dem Abstandselement und dem zweiten Siliziumchip;
-
4F zeigt die erste Seite eines zweiten Siliziumchips und Verbindungen zu einem zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis darauf;
-
5 zeigt, wie zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise miteinander in einer zweiten Ausführungsform verbunden werden;
-
6A ist eine Ansicht der zweiten Seite des ersten Siliziumchips und zeigt Verbindungspads, zu welchen elektrische Verbindungen hergestellt werden;
-
6B zeigt die erste Seite eines ersten Siliziumchips und Verbindungen zu einem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis darauf;
-
6C zeigt das Verbindungspad auf der Oxidschicht zwischen dem ersten Siliziumchip und dem Abstandselement;
-
6D zeigt die Durchgangslöcher durch das Abstandselement hindurch;
-
6E zeigt die Verbindungspads auf der Oxidschicht zwischen dem Abstandselement und dem zweiten Siliziumchip;
-
6F zeigt die erste Seite eines zweiten Siliziumchips und Verbindungen zu einem zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis darauf;
-
7 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Drucksensors; und
-
8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Abschnitts eines Drucksensors.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Das in MEMS-Sensoren verwendete Gel 124 tendiert dazu, voluminös zu sein und einiges Gewicht bzw. Masse aufzuweisen. Daher kann es in nachteiliger Weise eine Funktion einer MEMS-Drucksensoreinrichtung während einer Vibration (der Membran) beeinflussen.
-
Elektrische Ladungen in einem Gel 124 können ebenso dazu führen, die elektrischen Eigenschaften der Piezowiderstände zu verzerren, aus denen die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise gebildet sind. Ein Differenzialdrucksensor, welcher das Erfordernis für ein Gel überflüssig macht, wäre eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.
-
2 ist eine Querschnittszeichnung eines Druckmesselementes 200 in einer bevorzugten Ausführungsform. Das Druckmesselement 200 umfasst ein Abstandselement 202 mit einer oberen Seite 204 und einer unteren Seite 206. Die oberen und unteren Seiten sind beide mit in ihnen ausgebildeten Ausnehmungen 208 und 218 gebildet. Das Abstandselement 202 ist aus kristallinem Silizium hergestellt und mit den ersten und zweiten Siliziumchips in einer Silizium-zu-Silizium-Verbindung gekoppelt. Das Abstandselement 202 kann ebenso aus Borosilikat-Glas hergestellt sein und in anodischer Weise mit den ersten und zweiten Siliziumchips verbunden sein.
-
Die obere Seite 204 des Abstandselementes 202 ist mit einem ersten Siliziumchip 210 bedeckt, und zwar mit einer Dicke zwischen etwa 10 μm und etwa 100 μm. Eine erste Seite 212 des Chips 210 steht der oberen Seite 204 des Abstandselementes 202 gegenüber. Eine Oxidschicht 219 ist auf der ersten Seite 212 des ersten Chips 210 gebildet. Eine gegenüberliegende zweite Seite 214 des Chips 210 ist mit einem Hohlraum bzw. einer Ausnehmung 229 ausgebildet. Der Chip 210 bedeckt die Ausnehmung 208 in der oberen Seite 204 des Abstandselementes 202, welcher wenigstens teilweise evakuiert ist, und wirkt dadurch als eine Membran für die Rückseiten-Absolutdruckmessung, wobei sich die Membran nach oben oder nach unten verbiegt, und zwar in Antwort auf den auf die zweite Seite des Chips 210 ausgeübten Druck.
-
Ein erster piezoresistiver Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216 ist auf der ersten Seite 212 des Chips 210 nahe der Seitenwand 211 des Hohlraumes 229 des ersten Siliziumchips 210 gebildet. Die Wandgröße des Hohlraumes 229 ist kleiner als die Wandgröße 209 der Ausnehmung 208. Der erste Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 116 ist daher in der Nähe des Randes 211 der durch den ersten Siliziumchip 210 gebildeten Membran angeordnet. Der erste Siliziumchip 210 ist an der oberen Seite 204 des Abstandshalters 202 mittels einer Silizium-zu-Silizium-Verbindung befestigt, welche durch eine Siliziumoxidschicht 219 bereitgestellt wird.
-
Ein zweiter Siliziumchip 224 ist an der Unterseite 206 des Abstandshalters 202 mittels einer zweiten Oxidschicht 220 befestigt. Der zweite Siliziumchip 224 ist dicker als der erste Siliziumchip 210. Der zweite Siliziumchip 224 weist eine obere bzw. erste Seite 226 und eine untere bzw. zweite Seite 228 auf. Die erste Seite 226 steht der Unterseite 206 des Abstandshalters 202 gegenüber. Eine Oxidschicht 220 ist auf der ersten Seite 226 des zweiten Chips 224 ausgebildet. Die zweite Seite 228 des zweiten Siliziumchips 224 ist derart bearbeitet, sodass sie eine Druckkammer bzw. einen -Hohlraum 230 aufweist, welche bzw. welcher sich von der Unterseite 228 des zweiten Chips 224 nach oben erstreckt. Der Hohlraum 230 endet nahe der ersten Seite 226 des zweiten Chips 224, um eine dünne Membran 232 zu definieren. Die Dicke der Membran 232 in dem zweiten Chip 226 ist ähnlich der Dicke des ersten Siliziumchips 210.
-
Ein zweiter Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 ist in der ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224 ausgebildet. Der zweite Chip 224 überdeckt eine Ausnehmung 218 in der Unterseite bzw. Boden 206 des Abstandshalters 202. Analog zu der Ausnehmung 208 in der Oberseite 204 des Abstandshalters 202 ist die Ausnehmung 218 in dem Boden 206 des Abstandshalters 202 wenigstens teilweise evakuiert. Die Membran 232 des zweiten Chips 224 für die andere Rückseiten-Absolutdruckmessung verbiegt sich nach oben oder unten, und zwar in Antwort auf einen auf den zweiten Chip 224 ausgeübten Druck.
-
Entsprechend dem ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 116 ist der zweite Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 in der Nähe der Seitenwand 217 des Hohlraumes 230 ausgebildet. Die Wandgröße des Hohlraumes 230 ist kleiner als die Wandgröße 215 der in dem Boden 206 des Abstandshalters 202 ausgebildeten Ausnehmung 218. Die zweite Wheatstone-Brücke 234 befindet sich daher nahe des Randes 217 der Membran 232, und zwar umfasst von dem zweiten Chip 224.
-
Die zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 216 und 234 sind durch in den Chips angeordneten Piezowiderständen gebildet. Die Werte der Widerstände ändern sich in Antwort auf Verlagerungen der Siliziumchips. Bei Anlegen einer Spannung an die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise ändern sich ihre Ausgabespannungen in Antwort auf eine Verbiegung der Chips oder des Differenzialdrucks auf die Chips. Elektrische Verbindungen zu den Eingängen und Ausgängen der Wheatstone-Brücken-Schaltkreise sind durch in den entsprechenden Chips ausgebildeten leitfähigen Schichten bereitgestellt.
-
3 zeigt zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 300 und 302, welche unter Verwendung von vier „R”-wertigen Piezowiderständen oder sogenannten P-Widerständen gebildet sind, welche in die Siliziumchips unter Verwendung von im Stand der Technik bekannten Verfahren gebildet sind. Widerstände R1 und R2 sind miteinander in Reihe geschaltet. Widerstände R3 und R4 sind miteinander in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Widerstände R1 und R2 sind parallel zu den in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R4 geschaltet.
-
Die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 300 und 302 weisen zwei Eingangsknoten auf, welche mit Vp und Vn bezeichnet sind und zwei als Sp und Sn bezeichnete Ausgangsknoten. Vp ist gewöhnlicherweise eine kleine positive Spannung, typischerweise um die 3 Volt. Vn ist gewöhnlicherweise geerdet bzw. hat 0 Volt, jedoch könnte Vn ebenso eine negative Spannung sein. Die Knoten zwischen den R-dimensionierten Piezowiderständen sind mit elektrischen Verbindern 248 oder 252 versehen, welche durch P+ leitfähige Silizium-Verbinder gebildet sind, welche auf der ersten Seite 212 des ersten Siliziumchips 210 angeordnet sind. Der Knoten zwischen R1 und R4 wird als der erste Eingangsknoten Vp betrachtet; der Knoten zwischen R2 und R3 wird als der zweite Eingangsknoten Vn bezeichnet. Der Knoten zwischen R3 und R4 ist der erste Ausgangsknoten Sp. Der Knoten zwischen R1 und R2 ist der zweite Ausgangsknoten Sn.
-
3 zeigt, wie die zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 300 und 302 in einer ersten Ausführungsform eines Druckmesselementes 200 miteinander verbunden sind. Wie in 3 dargestellt ist, sind die zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise voneinander unabhängig. Eine Gleichstromspannung ist an Vp und Vn angelegt. Die Ausgangsspannung wird bei Sp und Sn abgegriffen. Die Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen bei Sp und Sn ist die Ausgangsspannung.
-
Wenn eine Spannung an die Eingänge Vp und Vn angelegt wird, ändert sich die Ausgangsspannung an den Ausgängen Sp und Sn in Antwort auf Änderungen im Wert der Piezowiderstände. Da die Piezowiderstände in den Membranen 213 und 232 der dünnen Siliziumchips 210 und 224 ausgebildet sind, wird sich der nominelle Widerstand von R-Ohm ändern, wenn die Membranen in Antwort auf auf die Membranen ausgeübte Drücke sich verbiegen. In einer ersten Ausführungsform des Druckmesselementes 200 stellt die Spannungsdifferenz Vdiff zwischen der Ausgangsspannung V1 (V1 = Sp1 – Sn1) von dem ersten Brückenschaltkreis 300 und der Ausgangsspannung V2 (V2 = Sp2 – Sn2) von dem zweiten Brückenschaltkreis 302 eine Druckdifferenz dar, d. h., die Druckdifferenz, welche auf den oberen Siliziumchip 210 und den zweiten Siliziumchip 224 ausgeübt wird.
-
Elektrische Verbindungen zu den P– Widerständen, welche den ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 116 bilden, werden durch P+ leitfähige Silizium-Verbinder 248 bereitgestellt, welche in der ersten Seite 212 des Chips 210 ausgebildet sind. Die P+ leitfähigen Silizium-Verbinder 248 erstrecken sich von den R– dimensionierten Piezowiderständen hinüber zu leitfähigen Durchgangslöchern 242, welche in der Nähe des Randes des Chips 210 angeordnet sind, und welche sich durch den Chip 210 von der ersten Seite 212 zu seiner zweiten Seite 214 hindurch erstrecken. Die Durchgangslöcher 242, welche sich durch den Chip 210 hindurch erstrecken, enden an leitfähigen Verbindungspads 244 auf der zweiten Seite 214 des Chips 210.
-
Wie ausführlicher unten mit Bezug auf 7 beschrieben ist, sind Drähte mit den Verbindungspads 244 verbunden, welche sich zu einem ASIC hin erstrecken, was am besten in 7 sichtbar ist.
-
Elektrische Verbindungen der P– Piezowiderstände des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 des zweiten Siliziumchips 224 werden ebenso bereitgestellt, und zwar mittels eines P+ leitfähigen Silizium-Verbinders 252, welcher auf der Oberseite 226 des zweiten Siliziumchips 224 gebildet ist. Analog zum ersten Chip 210 erstrecken sich P+ leitfähige Silizium-Verbinder 252 von den R-dimensionierten Piezowiderständen des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 hinüber zu leitfähigen Durchgangslöchern 242, welche in der Nähe des Randes des zweiten Chips 224 angeordnet sind, welche sich jedoch nach unten durch die zweite Oxidschicht 220 hindurch erstrecken, und zwar von dem Abstandselement 202. Die Durchgangslöcher 242 erstrecken sich somit von der zweiten Gruppe von P+ Verbindern 252 auf der ersten Seite 226 des zweiten Chips 224, und zwar nach oben durch die zweite Oxidschicht 220 hindurch, d. h. durch das Abstandselement 202, durch die erste Oxidschicht 219 hindurch, durch den ersten Siliziumchip 210 zu den zuvor erwähnten Verbindungspads 244 auf der zweiten Seite 214 des ersten Chips 210.
-
Da 2 eine Querschnittsansicht des Druckmesselementes 200 ist, ist lediglich ein leitfähiges Durchgangsloch 242 in der Figur dargestellt. Zusätzliche Durchgangslöcher 242, welche in 2 nicht sichtbar sind, sind in dem Abstandselement 202, den Oxidschichten 219 und 220, dem ersten Chip 210 und dem zweiten Chip 224 vorhanden, welche vor und hinter dem in 2 sichtbaren Durchgangsloch 242 sind. Die Durchgangslöcher 242, welche aus einem leitfähigen Material bestehen, welche in Löchern durch die verschiedenen Schichten hindurch gebildet sind, wirken lediglich als vertikal-ausgerichtete Leiter elektrischer Signale durch die verschiedenen Schichten des Druckmesselementes 200 hindurch.
-
Die leitfähigen Durchgangslöcher 242 sind durch in das Abstandselement 202, den ersten Siliziumchip 210 und den zweiten Siliziumchip 224 an Stellen jeder Komponente geätzt, welche übereinander (d. h. einen Durchgang bildend) angeordnet sind, wenn das Abstandselement 202, die Oxidschichten 219 und 220 und die Chips 210 und 224 nach obiger Beschreibung zusammengesetzt sind. Die Löcher durch die Schichten sind mit einem leitfähigen Material gefüllt.
-
Ein zusätzliches Verständnis der Struktur des in 2 dargestellten Druckmesselementes 200 kann durch weitere Figuren erlangt werden, welche die verschiedenen Schichten hervorheben, welche in 2 im Querschnitt dargestellt sind.
-
4A ist eine Draufsicht auf das Druckmesselement 200, und zwar in einer Sicht „nach unten” auf die zweite Seite 214 des ersten Siliziumchips 210. Die zweite Seite 214 des ersten Siliziumchips 210 ist von dem Abstandselement 202 weggerichtet. Sechs quadratische bzw. rechteckige Verbindungspads 244 sind mit Bezugszeichen 244-1 bis 244-6 gekennzeichnet. Die Verbindungspads 244-1 bis 244-6 befinden sich in funktionsfähiger Weise auf der Oberseite in elektrischer Verbindung mit den leitfähigen Durchgangslöchern 242, welche sich nach unten hin erstrecken, d. h. in die Ebene von 4A durch die Schichten des oben erläuterten Chips 210. Die Verbindungspads 244-4 und 244-1 sind elektrische Kontakte für die Vp und Vn Energieversorgungsspannungen, welche beiden Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen 216 und 234 bereitgestellt werden. Verbindungspads 244-2 und 244-5 sind elektrische Kontakte für die Ausgabeknoten Sp und Sn für die Oberseite bzw. ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216, dessen elektrische Schemazeichnung in 3 dargestellt ist und mit Bezugszeichen 300 gekennzeichnet ist. Verbindungspads 244-3 und 244-6 sind elektrische Kontakte für die Ausgabeknoten Sp und Sn für den Boden bzw. den zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234, dessen elektrische Schemazeichnung in 3 dargestellt und durch Bezugszeichen 302 gekennzeichnet ist. Das obige Layout dient lediglich der Demonstration einer der funktionalen Designs. Das Layout der Verbindungspads, leitfähigen Verbinder und Durchgangslöchern kann auf vielfältige unterschiedliche Arten ausgebildet sein.
-
In 4A zeigt Bezugszeichen 209 auf ein mit gestrichelter Linie gezeichnetes Quadrat. Das Quadrat 209 stellt den „Footprint” der evakuierten oberen Ausnehmung 208 in dem Abstandselement 202 dar, welche unterhalb des Chips 210 angeordnet ist. Das Quadrat 229 zeigt den Hohlraum bzw. die Ausnehmung auf der zweiten Seite 214 des ersten Siliziumchips 210.
-
4B ist die erste Seite 212 des ersten Siliziumchips 210. Mit anderen Worten, 4B und 4A sind entgegengesetzte Seiten des ersten Siliziumchips 210.
-
In 4B besteht der erste Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 216 aus vier P-Widerständen, welche elektrisch miteinander verbunden sind, wie in 3 für den ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 300 dargestellt ist. Bezugszeichen 209 kennzeichnet den zuvor erwähnten Footprint der Ausnehmung 208 in der ersten Seite 204 des Abstandselementes 202, welcher vom ersten Siliziumchip 210 bedeckt ist.
-
Wie in 3 dargestellt ist, weisen die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise mit Vp und Vn bezeichnete Eingangsknoten auf. Die Ausgangsknoten der Brücken-Schaltkreise sind mit Sp und Sn bezeichnet. In 4B stehen die positiven und negativen Versorgungsspannungen Vp und Vn für den Brücken-Schaltkreis 216 links vom Chip 210 zur Verfügung, da sich die zuvor erwähnten leitfähigen Durchgangslöcher 242 durch den Chip 210 hindurch erstrecken. In 4B sind die zwei leitfähigen Durchgangslöcher, welche aus Konsistenzgründen mit Bezugszeichen 242-4 und 242-1 gekennzeichnet sind, mit den Vp und Vn-Eingangsknoten der Wheatstone-Brücke 216 mittels leitfähiger Pfade 248 verbunden, welche aus P+ leitfähigen Silizium-Verbindern gebildet sind, welche auf die erste Oberfläche 212 des ersten Chips 210 abgeschieden sind. In der Figur sind die Ausgabeknoten Sp und Sn der ersten Wheatstone-Brücke 216 mit zwei weiteren leitfähigen Durchgangslöchern verbunden, welche in der Figur aus Gründen der Konsistenz mit Bezugszeichen 242-2 und 242-5 gekennzeichnet sind.
-
In 4B zeigen Bezugszeichen 242-3 und 242-6 auf zwei Kreise, welches Draufsichten auf zwei leitfähige Durchgangslöcher sind, welche sich durch den ersten Chip 210 hindurch erstrecken, welche jedoch elektrische Verbindungen hinunter zu unteren Schichten des Druckmesselementes 200 bilden. Die Durchgangslöcher 242-3 und 242-6 übertragen Signale von den Sp- und Sn-Ausgabeknoten des „Bodens” bzw. des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234, welcher im zweiten Chip 224 angeordnet ist.
-
4C ist das erste Siliziumoxidabstandselement bzw. Schicht 219, welche zwischen dem ersten Siliziumchip 210 und dem Abstandselement 202 angeordnet ist. Die Oxidschicht 219 stellt eine Silizium-zu-Silizium-Verbindung zwischen diesen zwei Strukturen bereit. Sechs Quadrate bzw. Rechtecke, welche auf der linken Seite von 4C angeordnet sind, sind Metallverbindungspads, welche aus Gründen der Konsistenz mit Bezugszeichen 244-1 bis 244-6 gekennzeichnet sind, da die sechs Metallverbindungspad-Quadrate jeweils elektrische Signale Vn, Sp für den ersten Chip, Sp für den zweiten Chip, Vp und Sn für den ersten Chip und Sn für den zweiten Chip übertragen. Bezugszeichen 242-1 bis 242-6 bezeichnen Abschnitte der Verbindungspads, welche sich durch die Oxidschicht 219 erstrecken und welche mit den Durchgangslöchern ausgerichtet sind, welche sich durch das Abstandselement 202 hindurch erstrecken. Bezugszeichen 209 bezeichnet den Footprint bzw. Umriss der Ausnehmung 208, auf welcher die Oxidschicht 219 übergelegt ist.
-
4D ist eine Oberseite bzw. erste Seite 204 des Abstandselementes 202. Vier leitfähige Durchgangslöcher 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 erstrecken sich durch das Abstandselement 202 nach unten hin, d. h. in die Ebene der 4D, und sind durch vier Kreise an der linken Seite der Figur dargestellt. Wie in 2 gezeigt ist, welche ein Querschnitt des Druckmesselementes 200 ist, erstrecken sich die Durchgangslöcher 242 „vertikal” durch das Abstandselement 202 nach unten zu dem zweiten Chip 224, welcher an der unteren bzw. zweiten Seite 206 des Abstandselementes 202 befestigt ist, wo der untere bzw. der zweite Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 in dem Druckmesselement 200 angeordnet ist. In 4D kennzeichnet Bezugszeichen 209 die äußeren Ränder der Ausnehmung 208. Die Durchgangslöcher 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 übertragen Signale durch das Abstandselement 202 zu und von dem zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 auf dem zweiten Siliziumchip 224.
-
4E ist die untere bzw. zweite Siliziumoxidschicht 220. Wie in 2 dargestellt ist, ist sie zwischen dem Boden der zweiten Seite 206 des Abstandselementes 202 und der oberen Seite bzw. ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224 angeordnet. Bezugszeichen 215 kennzeichnet den Footprint der unteren Ausnehmung 218, welche in der zweiten Seite 206 des Abstandselementes 202 gebildet ist und um welche die Oxidschicht 220 angebracht ist.
-
In 4E kennzeichnen die vier kleinen Quadrate auf der linken Seite der Figur, welche durch Bezugszeichen 244-1, 244-3, 244-4 und 244-6 gekennzeichnet sind, elektrisch leitfähige Metallverbindungspads, welche die leitfähigen Durchgangslöcher 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 umgeben, welche jeweils Signale Vn, Sp für die zweite Wheatstone-Brücke 234 übertragen, und Signale Vp und Sn der zweiten Wheatstone-Brücke 234.
-
4F zeigt den Schaltkreis auf dem zweiten Siliziumchip 224. Bezugszeichen 215 kennzeichnet den Footprint der zweiten Ausnehmung 218, welche in die zweite Seite 206 des Abstandselementes 202 gebildet ist. Die Piezowiderstände, welche den zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreis 234 umfassen, sind elektrisch mittels P+ Verbindern 252 mit vier P+ Quadraten 252 verbunden, welche durch Bezugszeichen 244-1, 244-3, 244-4 und 244-6 gekennzeichnete Verbindungspads umgeben. Die P+ leitfähigen Quadrate 244-1, 244-3, 244-4 und 244-6 sind jeweils elektrisch mit den Durchgangslöchern für Vn, Sp für die zweite Wheatstone-Brücke 234 und Vp sowie Sn für die zweite Wheatstone-Brücke 234 verbunden. Diese Durchgangslöcher sind mit Bezugszeichen 242-1, 242-3, 242-4 und 242-6 gekennzeichnet.
-
4A bis 4F zeigen die Schichten einer ersten Ausführungsform eines in 2 im Querschnitt dargestellten Differenzialdrucksensors. Sechs Verbindungspads 244-1 bis 244-6 auf der Oberseite bzw. zweiten Seite 214 des ersten Siliziumchips 210 werden benötigt, um die Wheatstone-Brücken-Schaltkreise elektrisch zu verbinden. Zwei der sechs Verbindungspads werden erfordert, um eine Energieversorgung mit jeder der zwei Eingangsknoten Vp und Vn der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise zu verbinden. Die weiteren vier Verbindungspads sind für elektrische Verbindungen mit den Sp- und Sn-Ausgangsknoten der Wheatstone-Brücken-Schaltkreise erforderlich. In einer alternativen Ausführungsform ist die Anzahl an Verbindungspads durch Verbinden zweier Knoten der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise innerhalb der Sensorelement-Schichten von sechs auf vier reduziert. 5 ist eine Schemazeichnung der Verbindung der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise, durch welche die beiden unterschiedlichen Ausgabespannungen der zwei Schaltkreise direkt von den Schaltkreisen selber bestimmt werden können. Mit anderen Worten, in 5 ist die Ausgabespannung Vdiff, welche lediglich zwei Verbindungspads erfordert, die algebraische Differenz zwischen der Ausgabespannung des ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 300 und des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 302.
-
6A ist eine Ansicht der zweiten Seite 214 des ersten Siliziumchips 210, welcher in der zuvor genannten alternativen Ausführungsform des Druckmesselementes 200 verwendet wird. Vier Verbindungspads 245-1, 245-2, 245-3 und 245-4 sind elektrisch mit leitfähigen Durchgangslöchern verbunden, welche in 6A und 6B mit Bezugszeichen 243-1 bis 243-4 gekennzeichnet sind.
-
Die leitfähigen Durchgangslöcher 243-1 bis 243-4 erstrecken sich nach unten von den Verbindungsstellen 245-1, 245-2, 245-3 und 245-4, und zwar in die Zeichnungsebene hinein. Die leitfähigen Durchgangslöcher stellen elektrische Verbindungen zu den Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen in den zwei Chips bereit. Durch Überkreuz-Verbinden von Sp und Sn der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise 216 und 234, wie in 5 dargestellt ist, sind lediglich vier Verbindungspads erforderlich, d. h. Verbindungspads 245-1 bis 245-4, und vier Durchgangslöcher 243-1 bis 243-4, um alle Verbindungen zwischen den Wheatstone-Brücken-Schaltkreisen und externen Schaltkreisen bereitzustellen, welche notwendig sind, um Änderungen in den Werten der Piezowiderstände zu messen.
-
In 5 ist der V1-Ausgangsknoten elektrisch mit dem Sn-Knoten des ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 300 und mit dem Sp-Knoten des zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 302 verbunden. In 6A kennzeichnet Bezugszeichen 245-2 eine Verbindungsstelle, welche sowohl mit Sn als auch Sp für den zweiten Chip gekennzeichnet ist.
-
In 5 ist der V2-Ausgangsknoten elektrisch mit dem Sp-Knoten des ersten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 300 und mit dem Sn Knotendes zweiten Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 302 verbunden. In 6A kennzeichnet Bezugszeichen 245-4 eine mit Sp des ersten Siliziumchips 210 verbundene Verbindungsstelle und Sn eine mit dem zweiten Siliziumchip 224 verbundene Verbindungsstelle. Wie in 6B dargestellt ist, stellen P+ Verbinder 248, welche auf der ersten Seite 212 des ersten Siliziumchips 210 gebildet sind, die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen den Sp- und Sn-Knoten der zwei Schaltkreise bereit, um die Anzahl an Verbindungspads von sechs auf vier zu reduzieren.
-
6B zeigt das Layout von P+ Verbindern 248 auf der ersten Seite 212 des ersten Chips 210. Bezugszeichen 209 kennzeichnet den Footprint der Ausnehmung 208, welche in die erste Seite 204 des Abstandselementes 202 gebildet ist. Die Ausnehmung 208 liegt unterhalb des Chips 210. Bezugszeichen 243-1, 243-2, 243-3 und 243-4 kennzeichnen leitfähige Durchgangslöcher durch den Chip 210. Die P+ Verbinder 248 verbinden die Durchgangslöcher mit den Piezowiderständen der ersten Wheatstone-Brücke 216 in elektrischer Weise.
-
6C zeigt das Layout der ersten Oxidschicht 219, welche in der zweiten Ausführungsform des Druckmesselementes 200 verwendet wird. Die erste Oxidschicht 219 ist zwischen der ersten Fläche 204 des Abstandselementes 202 und der ersten Seite 212 des ersten Siliziumchips 210 angeordnet. Bezugszeichen 245-1 bis 245-4 kennzeichnen vier rechteckige Metallverbindungsstellen, welche einen elektrischen Kontakt mit leitfähigen Durchgangslöchern 243-1 bis 243-4 herstellen, welche sich durch das Abstandselement 202 hindurch erstrecken und welche einen elektrischen Kontakt mit den Durchgangslöchern herstellen, welche sich durch den ersten Siliziumchip 210 hindurch erstrecken. 6D zeigt die erste Seite 204 des Abstandselementes 202, welche mit der alternativen Ausführungsform des Druckmesselementes 200 verwendet wird. Vier leitfähige Durchgangslöcher auf der linken Seite der Zeichnung sind mit 243-1 bis 243-4 gekennzeichnet. Das erste leitfähige Durchgangsloch 243-1 überträgt die Vn-Versorgungsspannung für beide Wheatstone-Brücken-Schaltkreise. Das zweite leitfähige Durchgangsloch 243-2 ist mit dem Sn-Ausgangsknoten des ersten Chips als auch mit dem Sp-Ausgangsknoten des zweiten Chips verbunden. Das dritte leitfähige Durchgangsloch 243-3 ist mit der Vp-Eingangsspannung für beide Wheatstone-Brücken-Schaltkreise verbunden. Das vierte leitfähige Durchgangsloch 243-4 überträgt die Vn-Versorgungsspannung und ist mit dem Sp-Ausgangsknoten des ersten Siliziumchips und dem Sn-Ausgangsknoten des zweiten Siliziumchips verbunden. Bezugszeichen 209 kennzeichnet die Ränder der in der ersten Seite 204 des Abstandselementes 202 gebildeten Ausnehmung 208.
-
6E zeigt das Layout der zweiten bzw. unteren Oxidschicht 220, welche zwischen der zweiten Seite 206 des Abstandselementes 202 und dem Boden bzw. zweiten Chip 224 angeordnet ist. In
-
6E zeigt Bezugszeichen 215, wo die untere Ausnehmung 218 in der zweiten Seite 206 des Abstandselementes 202 gebildet bzw. angeordnet ist.
-
Schließlich zeigt 6F das Layout der oberen Seite bzw. ersten Seite 226 des zweiten Siliziumchips 224. P+ Verbinder 252 verbinden die Metallverbindungspads Vp 245-3 und Vn 245-1 mit den Piezowiderständen der zweiten Wheatstone-Brücke 234, wie es dargestellt ist. Weitere P+ Verbinder 252 verbinden die Ausgangsknoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 mit Verbindungsstellen 245-2 und 245-4, welche die leitfähigen Durchgangslöcher 243-2 und 243-4 umgeben und einen elektrischen Kontakt damit herstellen. Bezugszeichen 215 kennzeichnet die Stelle der Seitenwände der in die zweite Seite 206 des Abstandselementes 202 gebildeten Ausnehmung 218.
-
Ein Vergleich der 6B und 6E zeigt, dass der Sp-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 216 auf dem ersten Chip 210 elektrisch mit dem Sn-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 auf dem zweiten Chip 224 elektrisch verbunden ist. Analog ist der Sn-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 216 auf dem ersten Chip 210 elektrisch mit dem Sp-Knoten des Wheatstone-Brücken-Schaltkreises 234 auf dem zweiten Chip 224 verbunden. Durch Überkreuz-Verbinden der Sp- und Sn-Knoten der zwei Wheatstone-Brücken-Schaltkreise innerhalb der Sensorstruktur kann die Anzahl an Verbindungspads, welche zur Herstellung von Verbindungen mit dem Sensor erforderlich ist, von sechs auf vier reduziert werden.
-
7 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts 700 eines Drucksensors. Der Abschnitt 700 umfasst ein wie oben erläutertes Druckmesselement 200, welches in einem Kunststoffgehäuse 702 befestigt ist. Das Gehäuse 702 umfasst eine Seitenwand 704, welche eine Ausnehmung 706 umgibt, welche optional mit einem Schutzgel 720 gefüllt ist. Der Boden 718 der Ausnehmung 706 unterstützt das Druckmesselement 200 auf kleinen Rundelementen 710 aus Klebemittel, welche eine Abdichtung um die Öffnung 230 im Boden 228 des zweiten Chips 224 und des Druckanschlusses 712 bereitstellen. Ein Druckanschluss 712 wird durch die Basis 714 des Gehäuses 702 gebildet, wodurch eine Flüssigkeit bzw. gasförmige Fluide Druck auf den zweiten Siliziumchip 224 ausüben können.
-
Ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) 716 ist mit Klebstoff mit dem Boden 718 der Ausnehmung 706 verbunden. Das Gel 720 schützt bei Verwendung sowohl das Druckmesselement 200 als auch die Verbindungsdrähte 724, welche sich von den Verbindungsstellen 244 des Druckmesselementes zu den Verbindungsstellen (nicht dargestellt) des ASIC 716 erstrecken. Verbindungsdrähte verbinden ebenso den ASIC 716 mit Leiterrahmen 708.
-
8 ist eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Abschnitts 800 eines Drucksensors, welcher sogenannte „Flip-Chip”-Zusammenbautechniken verwendet. Ein wie oben beschriebenes Druckmesselement 200 ist in einem Gehäuse 802 mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) 804 angeordnet, welcher Signale für das Druckmesselement 200 bereitstellt und Signale davon liest. Das Druckmesselement 200 ist „flip-chipped” bzw. in umgekehrter Position mit einem dickeren Substrat in dem ersten Siliziumchip 210 und einem dünneren Substrat in dem zweiten Siliziumchip 224 ausgebildet. Der erste Chip 210 ist dazu ausgebildet, einen Kanal bzw. röhrenförmigen Vorsprung 225 aufzuweisen, welcher sich nach unten von der zweiten Seite des ersten Siliziumchips 210 erstreckt und welcher in ein Quadrat bzw. eine kreisförmige Ausnehmung 803 hineinpasst, welche im Boden des Gehäuses 802 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 803 ist teilweise mit einem Klebemittel 805 gefüllt, welche den Vorsprung 225 in der Ausnehmung 803 hält.
-
Leitfähige Leiterrahmen 806 erstrecken sich zwischen Kugelgitterarrays (BGA) bzw. einem elektrisch leitfähigen Klebemittel (ECA) 808, welche sowohl den ASIC 804 als auch das Druckmesselement 200 an den Leiterrahmen 806 befestigen. Verbindungsstellen 816, welche am „Boden” des Druckmesselementes 200 angeordnet sind, sind unter Verwendung eines BGA bzw. ECA 808 mit den Leiterrahmen 806 verbunden. Oben beschriebene leitfähige Durchgangslöcher 242 übertragen Signale zu den Verbindungspads 816 und BGA bzw. ECA 808 von verschiedenen Schichten des Druckmesselementes 200. Ein unterer Druckanschluss 810 erstreckt sich durch die Basis 812 des Gehäuses 802, sodass Flüssigkeiten bzw. Fluide Druck auf die in dem ersten Siliziumchip 210 ausgebildete Membran 213 ausüben können.
-
Ein Vorteil des in 8 hervorgehobenen Drucksensors gegenüber dem in 7 dargestellten Drucksensor ist, dass in 8 ein Gel nicht über dem Druckmesselement 200 angeordnet ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass Drahtverbindungen nicht verwendet werden. Eine optionale Unterfüllung 814 umgibt die durch die BGA bzw. ECA 808 bereitgestellten Verbindungen. Die Unterfüllung 814 wirkt bei Verwendung als eine Verkapselung, welche Oxidation der Verbindungen zwischen dem BGA 808 und den Leiterrahmen 806 reduziert und ebenso dabei hilft, das Druckmesselement 200 und den ASIC 804 bei Vibrationen bzw. einem Herunterfallen in Position zu halten. Die vorangegangene Beschreibung dient lediglich der Darstellung. Der wahre Umfang der Erfindung ist durch die dazugehörigen Ansprüche definiert.
