DE19507143B4

DE19507143B4 - Flüssigkeitsdichter Halbleiter-Drucksensor sowie Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE19507143B4
Application number: DE19507143A
Authority: DE
Inventors: Seiichirou Otake; Yoshifumi Watanabe; Yukihiro Toyoake Kato
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2015-03-02
Also published as: FR2716970B1; US5595939A; DE19507143A1; JPH07243926A; JP3198779B2; FR2716970A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Drucksensors, bei dem ein Druckübertragungsmedium (7) in einer Kammer gehalten wird, die in einer Ausnehmung eines Verbindungsteiles (3) ausgebildet ist und durch ein metallisches Membranteil (5) versiegelt ist, das an einem Gehäuse (4) mit einer Druckeinlaßleitung (4b) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einfüllen eines Volumens des Übertragungsmediums (7), das einem Volumen der Kammer annähernd gleich ist, in die Ausnehmung des Verbindungsteiles (3);
Druckverbinden und Festlegen des Gehäuses (4) – wobei das Membranteil (5) zwischen dem Gehäuse (4) und dem Verbindungsteil (3) angeordnet ist – mit dem Verbindungsteil (3), um die Kammer zu bilden; und
Anlegen eines vorbestimmten Druckes durch die Druckeinlaßleitung (4b) an das Membranteil (5) über eine bestimmte Zeitdauer hinweg, um in der Kammer gefangene Luft in dem Übertragungsmedium (7) zu lösen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor des flüssigkeitsdichten Typs sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors, bei dem ein druckübertragendes Medium wie ein Isolieröl eine Druckerkennungskammer füllt, welche mit einer Abdichtungs- bzw. Versiegeleungsmembran abgedichtet ist.

Die japanische Patentanmeldung Nr. Hei 6-6269 beschreibt einen Halbleiter-Drucksensor des flüssigkeitsdichten Typs, wie er auch in der anliegenden 7 dargestellt ist; ein Halbleiter-Druckfühlelement 1 ist in einer Ausnehmung eines Anschlußgehäuses 3 angeordnet, ein Hauptgehäuse 4 mit einer vorher hieran angebrachten Versiegelungsmembran 5 wird an dem Anschlußgehäuse 3 angeordnet und nachfolgend wird ein Füllöl 7 als Druckübertragungsmedium durch eine Einfüllöffnung 3b in eine Druckerkennungs- bzw. Druckerfassungskammer eingefüllt. Die Öffnung 3b wird dann durch ein Abdichtmaterial, wie beispielsweise ein kugelförmiges Gummiteil (beispielsweise ein Gummiball) und ein ringförmiges Halteteil 16 mit kreisförmigen Vorsprüngen an seiner Umfangsoberfläche oder dergleichen verschlossen. Hiermit wird die Einfüllöffnung 3b luftdicht verschlossen.

Die Einfüllöffnung stellt jedoch hinsichtlich Herstellung und Zusammenbau eine relativ komplizierte Struktur dar, und erhöht auch die Größe des gesamten Drucksensors. Ein Anwachsen der Anzahl von zu versiegelnden Teilen kann auch die Zuverlässigkeit verringern. Weiterhin werden hierdurch zusätzliche Bauteile und zusätzliche Abdichtarbeiten notwendig, was dazu führt, daß die Herstellungskosten dieser bekannten Vorrichtung anwachsen.

Die Temperatur-Charkateristiken des flüssigkeitsdichten Drucksensors werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.

Wenn kein überhoher Innendruck in der Druckerkennungskammer vorliegt, ist die Charakteristik-Kurve von Innendruck zu Temperatur wie durch die Kurve D dargestellt, wo der Druck in der Druckerkennungskammer mit einer Umgebungstemperatur von 25°C durch einen Punkt A dargestellt ist (Druck in der Druckerkennungskammer ist 0) und die Kurve hat einen Temperaturkoeffizienten entsprechend der thermischen Ausdehnung des Füllöls 7 und anderer Elemente. Die Kurve ist über einen Temperaturbereich des normalen Gebrauchs (–30 bis +125°C) praktisch linear und kann zur Anpassung an eine Kurve D' durch einen Steuerschaltkreis kompensiert werden, der die Widerstandsänderung des druckempfindlichen Elements in eine Spannung umwandelt und die Schwankungen in dem Drucksensorsignal aufgrund von Temperaturänderungen durch eine entsprechende Spannungsänderung kompensiert (Kompensation ➀'). Im Ergebnis kann ein Drucksensor geschaffen werden, der entlang der Kurve D' arbeitet, oder der frei von Temperaturänderungen ist. Wenn jedoch das Volumen des Füllöls 7 in der Druckerkennungskammer zu hoch für die Versiegelungsmembran 5 ist, was bewirkt, daß die Membran 5 ausgelenkt wird und sich von dem Druckfühlelement 1 trennt, ändert sich der Druck in der Druckerkennungskammer entlang einer Kurve C und gerät bei einer Umgebungstemperatur von 25°C an einen Punkt B (der Druck P in der Druckerkennungskammer hat einen positiven Wert). Die Kurve C steigt in einem Bereich höherer Temperatur steil an; mit anderen Worten, der Druck P in der Druckerkennungskammer steigt ebenfalls steil an. Dies bedeutet, daß sich der Druck in der Druckerkennungskammer P linear ändert, wenn sich die Temperatur in einem unteren Temperaturbereich verändert, wobei jedoch der Druck in der Druckerkennungskammer steiler als die Temperatur ansteigt und eine Proportionalitätsbeziehung zwischen diesen beiden Werten bei hö heren Temperaturen nicht mehr vorhanden ist. Im Ergebnis ist die oben erwähnte Temperaturkompensation durch den Steuerschaltkreis (Kompensation ➀ für die Kurve C') nicht wirksam anwendbar, und auch eine Verschiebung der Ausgangsspannung der Steuervorrichtung (nämlich die durch einen Pfeil ➁ angedeutete Kompensation) ist nicht wirksam.

Wenn in der Druckerkennungskammer Bläschen vorhanden sind, wird Über- oder Unterdruck an der Versiegelungsmembran 5 nicht korrekt dem druckempfindlichen Element übermittelt, und zwar aufgrund der Bläschen, welche sich unter Druckeinwirkung zusammenziehen oder sich ausdehnen, wodurch ein Druckverlust entsteht. Um somit den auf die Versiegelungsmembran 5 übertragenen Druck genau auf das druckempfindliche Element 1 übertragen zu können, ist ein entsprechendes Volumen von Füllöl 7 ohne Luftbläschen notwendig, um das Füllöl als druckübertragendes Medium verwenden zu können.

Aus der DE 41 39 147 A1 ist ein Drucksensor bekannt, welcher eine Drucksensorvorrichtung und ein druckübertragendes Medium, das im Hauptkörper angeordnet ist, sowie eine Abdichtvorrichtung umfaßt, die zwischen der Drucksensorvorrichtung und dem Hauptkörper zum Abdichten zwischen diesen Teilen gegen das druckübertragende Medium vorgesehen ist. Die Drucksensorvorrichtung enthält ein Sensorelement zum Messen des Drucks, eine Grundplatte zum abdichtenden Abstützen des Drucksensorelements innerhalb des Hauptkörpers und eine druckübertragende Röhre zum Übertragen des zu messenden Drucks zum Sensorelement, wobei ein O-Ring mit der druckübertragenden Röhre in Berührung steht. Eine Einfüllöffnung, die mit Hilfe einer Stopfenschraube geschlossen werden kann, ist am Hauptkörper ausgebildet, um ein Befüllen der Meßhöhle mit dem drückübertragenden Medium zu ermöglichen. Mittel zum Entfernen von in der Meßhöhle befindlicher Luft wie bei der vorliegenden Erfindung sind aus der Druckschrift nicht bekannt.

Die US 4 928 376 offenbart das Befüllen einer inneren Kammer eines Drucksensors, in welcher ein Sensorelement vorgesehen ist, mit einem Fluid. Einer äußeren Kammer bzw. Aushöhlung des Drucksensors, welche über eine Öffnung mit der inneren Kammer verbunden ist, wird eine bestimmte Menge des Fluids zugeführt. Danach wird in beiden Kammern befindliches Gas abgesaugt, woraufhin das Fluid in die innere Kammer gezogen wird und sie füllt. Abschließend wird die Öffnung zwischen den beiden Kammern und damit die innere Kammer verschlossen. Mittel zum Entfernen von in der inneren Kammer befindlicher Luft wie bei der vorliegenden Erfindung sind in der Druckschrift nicht offenbart.

Der Erfindung liegt angesichts der voranstehenden Probleme und Nachteile des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten flüssigkeitsdichten Halbleiter-Drucksensors zu schaffen, der eine abgedichtete Menge einer Füllflüssigkeit oder eines Öls beinhaltet, ohne daß hierzu eine Füllöffnung nach dem Stand der Technik notwendig ist. weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Drucksensor angegeben werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch das Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Halbleiter-Drucksensor, wie er im Anspruch 13 angegeben ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist im weiteren Sinne ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einer Druckerkennungskammer, die zwischen einem ersten Gehäuse mit einer Ausnehmung und einem zweiten Gehäuse mit einem Versiegelungsbauteil ausgebildet ist. Das Verfahren beinhaltet einen ersten Schritt des Einfüllens einer bestimmten Menge von Füllöl als Druckübertragungsmedium in die Ausnehmung des ersten Gehäuses, einen zweiten Schritt des Druckverbindens des zweiten Gehäuses mit dem Versiegelungsbauteil, um die Druckerkennungskammer zu bilden und einen dritten Schritt des Aufbringens eines bestimmten Drucks auf die Druckerkennungskammer, um in dem Übertragungsmedium der Druckerkennungskammer während des Schrittes des Preßverbindens des zweiten Gehäuses Luft auszutreiben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Druckerkennungskammer das Übertragungsmedium flüssigkeitsdicht ohne Verwendung irgendeiner Einfüllöffnung aufnehmen. Da das Versiegeln der Öffnung nach dem Einfüllen des Füllöls nicht notwendig ist, sind ein Versiegelungsbauteil wie beispielsweise eine Gummikugel und sein zugehöriges Sicherungsbauteil nicht notwendig und ein einfacher Aufbau des flüssigkeitsdichten Drucksensors kann zusammen mit einem einfachen Weg des Einsiegelns der Flüssigkeit mit viel geringeren Herstellungskosten realisiert werden.

Weiterhin wird das Volumen des Füllöls gesteuert, um nicht einen überhohen Innendruck zu erzeugen, so daß irgendwelche Druckänderungen aufgrund des Herstellungsverfahrens verhindert werden können.

Es wird somit ein einfüllöffnungsfreier Drucksensor geschaffen, der genau arbeitet und kostengünstig ist und über einen weiten Temperaturbereich arbeitet, und der eine hohe Herstellungseffizienz und Produktivität aufweist.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schnittdarstellung durch einen Halbleiter-Drucksensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B Schnittdarstellungen wesentlicher Bereiche eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3A und 3B Schnittdarstellungen von Hauptbereichen eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Schnittdarstellung durch den Hauptbereich eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5A und 5B Schnittdarstellungen von Hauptbereichen eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Druck in einer Druckerkennungskammer des flüssigkeitsdichten Halbleiter-Drucksensors und einer Temperatur; und
7 eine Schnittdarstellung durch einen Halbleiter-Drucksensor nach dem Stand der Technik.
Bei dem in 1 dargestellten flüssigkeitsdichten Halbleiter-Drucksensor ist ein druckempfindliches Element 1, das auf eine Glasbasis bzw. ein Glassubstrat 2 aufgebondet ist in einer Ausnahme gehalten, welche innerhalb eines Anschlußgehäuses 3 durch ein Klebemittel 10 gehalten ist. Das Anschlußgehäuse 3 ist aus einem hochpolymeren Verbundmaterial mit hoher Durchlässigkeit für Gasmoleküle gefertigt, wie beispielsweise aus Polyphenylen-Sulfid, Polybutylen-Terephthalat oder Acrylharz. Diese Materialien haben jedoch keine hohe Durchlässigkeit für irgendeine Füssigkeit. Eine dünne metallische Versiegelungsmembran 5 und ein aus Metall gefertigter Halter 6 sind miteinander entlang des inneren Umfangs des Anschlußgehäuses 3 verbunden und luftdicht mit einer Endoberfläche einer Druckeinlaßleitung 4b eines Hauptgehäuses 4 verbunden, das aus Metall gefertigt ist. Eine versiegelte Druckerfassungskammer ist zwischen dem Anschlußgehäuse 3 und der Versiegelungsmembran 5 ausgebildet und enthält als Füllöl 7 ein Fluor-Silikonöl, welches als druckübertragendes Medium verwendet wird. Der Halter 6 schützt die metallische Membran 5 vor überhoher Deformation, wenn auf die metallische Membran 5 ein überhoher Druck aufgebracht wird. Das Füllöl 7 kann durch Dimethyl-Silikonöl oder Fluoröl oder eine andere Flüssigkeit ersetzt werden, welche die geeigneten Eigenschaften hat. Anschlußstifte 8 für Signalausgangsanschlüsse sind in dem Anschlußgehäuse 3 eingegossen und gehalten. Die Schnittstelle zwischen den Anschlußstiften 8 und dem Gußmaterial des Anschlußgehäuses 3 wird durch einen Kleber 10 versiegelt. Der Kleber 10 kann ein Füllmaterial oder einen Metallring mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten enthalten, der unterhalb dem des Klebers 10 liegt, um die Unversehrtheit der Versiegelung sicherzustellen. Ein O-Ring 9 ist zwischen dem Öffnungsende der Ausnehmung des Anschlußgehäuses 3 und dem Halter 6 angeordnet, um eine flüssigkeitsdichte Struktur zu bilden.
Bei dieser Ausführungsform ist das druckempfindliche Element 1 einstückig mit einem Steuerschaltkreis zur Temperaturkompensation gemäß obiger Beschreibung ausgebildet. Alternativ hierzu kann der Steuerschaltkreis in der Druckerfassungskammer oder außerhalb des Drucksensors angeordnet sein.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Einfüllen des Öls 7 in den Halbleiter-Drucksensor erläutert.
Zunächst wird das Anschlußgehäuse 3 entgegen der Darstellung von Figur um 180° gedreht, so daß die Ausnehmung in dem Anschlußgehäuse 3 nach oben offen ist. Die Glasbasis 2 mit dem druckempfindlichen Element 1 hierauf wird in die Ausnehmung des Anschlußgehäuses 3 eingesetzt und durch Bondierungsdrähte 11 mit den Anschlußstiften 8 verbunden. Der O-Ring 9 wird dann auf das offene Ende der Ausnehmung in dem Anschlußgehäuse 3 gesetzt, so daß er die Lage gemäß 1 einnimmt. Nachfolgend wird eine festgelegte Menge des Öls 7 in die Ausnehmung des Anschlußgehäuses 3 von der Oberseite her durch einen (nicht dargestellten) Dosierer oder dergleichen eingefüllt. Das Füllöl 7 kann eingebracht werden, indem das Anschlußgehäuse 3 auf eine (nicht dargestellte) Wiegevorrichtung gestellt wird und das Füllöl 7 bis zu einem festen Gewicht eingefüllt wird, so daß die Versiegelungsmembran 5 eine ideale Form für den Drucksensor gemäß 1 bildet, in dem keine Luftbläschen vorhanden sind. Die Menge von Öl 7 ist eine Menge, welche keinen überhohen Innendruck und keine Verzerrung oder Verschiebung der Membran 5 nach Durchführung eines dritten Herstellungsschritts bewirkt, der nachfolgend noch erläutert werden wird. Die Füllhöhe des Füllöls 7 liegt etwas unterhalb der oberen Endoberfläche des O-Rings 9.
Nachfolgend werden das Hauptgehäuse 4 mit der Versiegelungsmembran 5 und dem Halter 6 an dem gesamten Umfang hiervon auf das Anschlußgehäuse 3 aufgesetzt und mit diesem verbunden, während die horizontale Ausrichtung des Gehäuses 3 aufrechterhalten bleibt. Nachfolgend wird das Hauptgehäuse 4 nach unten auf das Anschlußgehäuse gepreßt, um ausreichenden Kontakt mit dem Halter 6 zu erzielen. Nachfolgend wird die gesamte umfangsseitige Endoberfläche 4a des Hauptgehäuses 4 gegen eine Schulter oder einen abgestuften Bereich des Anschlußgehäuses 3 gebogen, um das Anschlußgehäuse gemäß 1 zu halten. Somit schlägt der Halter 6 an die obere Endoberfläche des O-Rings 9 an und eine luftdichte Kammer ist zwischen dem Anschlußgehäuse 3 und der Versiegelungsmembran 5 gebildet, welche von dem O-Ring 9 versiegelt wird. Der O-Ring 9 wird deformiert, wenn das Hauptgehäuse 4 nach unten gedrückt wird und der Halter 6 schlägt an die obere Oberfläche 3a des Anschlußgehäuses 3 an.
In dieser Stufe der Herstellung zieht sich das Volumen der Öl/Luftbläschen-Mixtur zusammen und der Innendruck in der Druckerfassungskammer wird erhöht. Infolgedessen biegt sich die Versiegelungsmembran 5 von dem druckempfindlichen Element 1 weg.
von daher wird in einem dritten Schritt ein Druck mit einem bestimmten Wert auf die Versiegelungsmembran 5 durch die Druckeinlaßleitung 4b aufgebracht. Dieser Druck wird dazu verwendet, die in der Öl/Luft-Mischung gefangenen Luftbläschen in dem Füllöl 7 zu verteilen und den Rest von Luft durch das hochpolymere Verbundmaterial des Gehäuses 3, den Kleber 10 und den O-Ring 9 auszutreiben, wodurch die Bläschen beseitigt werden.
Es ist festzuhalten, daß die Luft- oder Gasmoleküle zwischen den Molekülen des hochpolymeren Verbundmaterials unter einem gewissen Druck durchtreten können. Mit anderen Worten, das Gehäuse 3 und der O-Ring 9, welche das hochpolymere Verbundmaterial benutzen, wirken als Filter, welche den Durchtritt von Öl mit höherem Molekulargewicht nicht erlauben, jedoch den Durchtritt von Luftbläschen gestatten. Im Ergebnis kehrt die Versiegelungsmembran 5 in ihre normale Lage oder Ausgangslage zurück und nimmt eine ideale Form ein (also irgendwelche Deformationen).
Wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Fluor-Silikonöl als Füllöl 7 verwendet, wird für den O-Ring 9 Silikongummi und für das Anschlußgehäuse 3 Acrylharz verwendet; die Bläschen verschwinden innerhalb von zehn Minuten bei einem Druck von 30 kg/cm². Die Löslichkeit der Luft in dem Füllöl 7 liegt beispielsweise zwischen 16 Volumenprozent und 19 Volumenprozent im Falle von Dimethyl-Silikonöl und beträgt ungefähr 60% im Falle von Fluor-Öl.
Obgleich Acrylharz sinnvoll ist, da das Vorhandensein von Luftbläschen visuell feststellbar ist, sind andere Materialien wie Polyphenyl-Sulfid und Polybuthylen-Terephthalat vorzuziehen, wenn höhere Drücke zur Anwendung gelangen. Die Zuverlässigkeit des Drucksensors kann weiter verbessert werden, wenn den oben beschriebenen Materialien Füllstoffe zugefügt werden, um beispielsweise Glasfaser-Verbundmaterialien zu bilden.
Ein flüssigkeitsdichter Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch geschaffen werden, indem ein bestimmter Druck durch die Druckeinlaßleitung 4b auf die Versiegelungsmembran 5 aufgebracht wird, bis sie sich in Richtung zum druckempfindlichen Element hin biegt, wonach dann eine Überschußmenge des Füllöls in die Druckerfassungskammer eingefüllt wird und danach das Füllöl 7 austreten kann, während das Hauptgehäuse 4 auf das Anschlußgehäuse 3 aufgesetzt wird. Die Versiegelungsmembran 5 kehrt somit in ihre Nullage oder Ausgangslage zurück und ein überhoher Innendruckaufbau in der Druckerfassungskammer wird verhindert.
Es ist wünschenswert, daß der Druck in der Druckerfassungskammer gleich 0 ist. Für den Fall, daß der Drucksensor unter vergleichsweise hohen Temperaturbedingungen, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 25°C bis zu 50°C verwendet wird, sollte die kritische Temperatur zur Aufrechterhaltung einer Proportionalitätsbeziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Temperatur über 150°C liegen. In diesem Fall ist das Volumen des Füllöls 7 geringer als das gemäß obiger Beschreibung, so daß der Druck in der Druckerfassungskammer bei Raumtemperatur nach dem dritten Herstellungsschritt (Druckaufbringschritt) negativ ist. Mit anderen Worten, die Kurve D in 6 wird nach rechts verschoben.
Es gibt einen Fall, bei dem das Ausgangssignal durch elektrische Leckströme von einem Steuerschaltkreis bei hohen Temperaturen abgesenkt wird. Derartige Anderungen können durch die nichtlineare Charakteristik des steilen Druckanstiegs bei höheren Temperaturen in der Druckerfassungskammer kompensiert werden, so daß die Proportionalitätsbeziehung zwischen der Ausgangsspannung und der Tempe ratur aufrechterhalten werden kann. In diesem Fall wird das Volumen des Füllöls 7 erhöht, um einen Überdruck in der Druckerfassungskammer bei Raumtemperatur nach dem dritten Schritt zu erreichen. Mit anderen Worten, die Kurve D wird gegenüber der Graphik von 6 nach links verschoben.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, kann der Druck in der Druckerfassungskammer abhängig von den unterschiedlichen Anforderungen an den Drucksensor bei dessen Verwendung in unterschiedlichen Anwendungsfällen ausgewählt werden.
Ein Schritt zum Einschließen bzw. Einsiegeln des Öls 7 in dem Sensor wird nun unter Bezugnahme auf die zweite Ausführungsform der 2A und 2B beschrieben.
Bei dieser zweiten Ausführungsform sind eine ringförmige Wand 3b und eine ringförmige Ausnehmung 3c an der Endoberfläche des Anschlußgehäuses 3 ausgebildet. Die ringförmige Wand 3b und die ringförmige Ausnehmung 3c sind so ausgebildet, daß der O-Ring 9 unter Druck eng in der Ausnehmung 3c aufgenommen ist. Zu Beginn wird das Füllöl 7 die Ausnehmung in dem Anschlußgehäuse 3 ausfüllen, wie in dem ersten Schritt der ersten Ausführungsform von 1. Zu diesem Zeitpunkt sollte das Öl 7 nicht in die Ausnehmung 3c außerhalb der Wand 3b eingefüllt werden. Das Volumen des Füllöls 7 ohne Luftbläschen wird so abgemessen, daß sich eine Menge ergibt, die geeignet ist, die Versiegelungsmembran 5 in einer Normal- oder Nullage zu positionieren, oder um sie mit idealer Formgebung zu positionieren, wie oben erwähnt wurde.
Nachfolgend wird das Hauptgehäuse 4 (nicht dargestellt) mit der Versiegelungsmembran 5 an dem Halter 6 ausgerichtet und nach unten auf das Anschlußgehäuse 3 gedrückt, bis die obere Endoberfläche 3a des Anschlußgehäuses 3 vollständig an dem Halter 6 anschlägt. Nachfolgend wird das offene Ende 4a (nicht dargestellt) des Hauptgehäuses 4 umgebogen, um das Anschlußgehäuse 3 entlang seines Umfangs niederzuhalten, und der Schritt des Einsiegelns des Öls 7 innerhalb des Sensors wird hierdurch abgeschlossen. Der Querschnitt des O-Rings 9 vor dem Zusammendrücken ist gestrichelt dargestellt und die zusammengedrückte Form ist in 2B durch eine eine durchgezogene Linie dargestellt.
Die Wirkung der wand 3b in dem Halbleiter-Drucksensor wird nachfolgend erläutert. Wie unter Bezugnahme auf 6 erläutert wurde, ist das Volumen des Füllöls 7 der Ausnehmung kritisch, um eine ideale Formgebung der Versiegelungsmembran 5 zu erhalten. Nachdem jedoch ein festgelegtes Volumen des Füllöls 7 während der ersten und zweiten Schritte eingefüllt worden ist, kann das Öl durch Spalte zwischen der Ausnehmung des Anschlußgehäuses 3 und dem O-Ring 9 in Richtung der wand der Ausnehmung gemäß 1 austreten, wenn die Ausrichtung bezüglich der Höhe des Hauptgehäuses 4 während des Druckverbindens nicht korrekt gemacht wird. Als Ergebnis kann das Volumen des Öls 7 weniger als das gewünschte Volumen betragen. Die ringförmige wand 3b in 2 verhindert einen derartigen Ölaustritt. Obgleich ein geringes Volumen von Öl über die obere Endoberfläche der Wand 3b überfließen kann, wird es von dem O-Ring 9 zurückgehalten. Da der Austrittsverlust derart klein ist und vorab berücksichtigt werden kann, ist er vernachlässigbar und sollte den Druck in der Druckerfassungskammer nicht merklich beeinflussen.
Ein Schritt des Einfüllens des Füllöls 7 in den Drucksensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3A und 3B erläutert. Der Halter 6, an dessen Umfang die Versiegelungsmembran 5 angeschweißt oder sonstwie befestigt ist, wird durch einen ringförmigen, schräg oder geneigt verlaufenden Rand 6a charakterisiert.
Wie in dem Füllschritt der ersten Ausführungsform gemäß 1 füllt das Öl 7 mit einem hohen Lösungsvermögen für Luft die Ausnehmung in dem Anschlußgehäuse 3, wobei eine Seite des druckempfindlichen Elements 1 nach oben weist, bis der Ölstandspegel so hoch wie der O-Ring wird, und das Füllöl 7 wird unter Unterdruck entlüftet.
Nachfolgend wird das Hauptgehäuse 4 mit der zusammengefügten Anordnung aus Versiegelungsmembran 5 und Halter 6 heran auf das Anschlußgehäuse 3 aufgesetzt. Der Raum zwischen dem Kopf des Randes 6a am Halter und der Versiegelungsmembran 5 enthält Luft 12. Wenn sich in das Hauptgehäuse 4 dem Anschlußgehäuse 3 nähert und der Rand 6a in das Öl eintaucht, strömt das Öl 7 durch Spalte zwischen dem O-Ring 9 und dem Halter 6, wie in 3A gezeigt, bis diese Spalte zwischen dem O-Ring 9 und dem Halter 6 geschlossen sind.
Ein Halbleiter-Drucksensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in 4 bezeichnen gleiche oder einander entsprechende Teile wie in 1. Während in der Ausführungsform von 1 die Ausnehmung für das Füllöl 7 in dem Anschlußgehäuse 3 oder in dem Bauteil mit dem duckempfindlichen Element ausgebildet ist, ist die Ausnehmung gemäß 4 in dem Gehäuse 4 ausgebildet, das die Versiegelungsmembran 5 trägt. Es ist festzuhalten, daß das Anschlußgehäuse 3 von 1 und der bisherigen Ausführungsformen durch eine Verschlußplatte 13 ersetzt ist.
Zunächst wird eine Anordnung aus Versiegelungsmembran 5 und Halter 6 an einem Verbindungsbereich 16 miteinander verschweißt und an dem Hauptgehäuse 4 festgelegt und das Füllöl 7 füllt die Ausnehmung in dem Hauptgehäuse 4. Nachfolgend wird der O-Ring 9 auf der offenen Umfangsoberfläche des Hauptgehäuses 4 angeordnet, wie in 4 gezeigt.
Die Verschlußplatte 13 weist Durchgangsbohrungen 15 auf zur Aufnahme von Stiften 18, die hierin hermetisch durch ein Glas eingesiegelt sind, die Glasbasis 2, die hieran mittels eines Klebers befestigt ist, und das druckempfindliche Element 1, welches an der Glasbasis 2 angebondet ist. Das druckempfindliche Element 1 ist mit den Stiften 18 durch Bondierungsdrähte 11 verbunden. Die Verschlußplatte 13 sitzt auf dem O-Ring 9 auf und wird nach unten gedrückt, so daß das Hauptgehäuse 4 und die Verschlußplatte 13 in engen Kontakt miteinander stehen, wobei schließlich eine Lagefixierung durch einen Abdichtbereich 4b erfolgt, der über den gesamten Umfang des Hauptgehäuses 4 herum ausgebildet ist.
Das Volumen des Füllöles 7 ohne Luftbläschen sollte ein Volumen sein, das ausreichend ist, die Versieglungsmembran in ihrer Idealform, also ohne Verbiegung, zu halten. Die Luftbläschen sind ebenfalls in dem Öl 7 in diesem Schritt gefangen, unmittelbar nachdem die Verschlußplatte 13 mit dem Hauptgehäuse 4 verbunden worden ist. Die Luftbläschen werden nachfolgend in dem Füllöl 7 gelöst, wie oben erläutert wurde.
Ein Verbindungsteil kann an der Verschlußplatte 13 vorgesehen sein, wenn dies notwendig ist. Die Ausführungsform gemäß 4 ist selbstverständlich als Druckaufnehmer verwendbar.
Eine fünfte Ausführungsform wird unter Berzugnahme auf die 5A und 5B erläutert. Während in den obigen Ausführungsformen der O-Ring 9 aus Silikongummi oder dergleichen als Versiegelungsbauteil verwendet wurde, wird in dieser fünften Ausführungsform eine Metallscheibe anstelle des O-Ringes 9 verwendet. Die Verschlußplatte 13 ist aus Metall oder aus dem gleichen hochpolymeren Verbundmaterial wie in den vorhergehenden Ausführungsformen und das Hauptgehäuse 4 ist aus Metall.
Wie in 5 gezeigt ist, weist die Verschlußplatte 13 die Durchgangsbohrungen 15 zur Aufnahme der Stifte 18 auf, welche hermetisch hierin mit Glas versiegelt sind, die Glasbasis 2, welche durch einen Kleber festgelegt ist, und das druckempfindliche Element 1, das an der Glasbasis 2 angebondet ist. Das druckempfindliche Element 1 ist mit den Stiften 18 durch Bondierungsdrähte 11 elektrisch verbunden. Dieser Aufbau ist somit der gleiche wie derjenige von 4. Eine Scheibe 19 mit umlaufenden Vorsprüngen 19a auf beiden Hauptoberflächen ist auf der Umfangsoberfläche der Ausnehmung des Hauptgehäuses 4 angeordnet. Nachfolgend wird ein festgelegtes Volumen des Öles 7 in die Ausnehmung eingefüllt und die Verschlußplatte 13 wird auf die Scheibe 19 aufgesetzt.
Nachfolgend wird Druck auf die Verschlußplatte 13 und damit die Scheibe 19 ausgeübt, bis die Vorsprünge 19a abgeflacht sind, wie durch das Bezugszeichen 19' in 5B veranschaulicht ist. Nachfolgend wird der Versiegelungsabschnitt 4b' des Hauptgebäudes 4 umgebogen, um die Verschlußplatte 13 niederzuhalten, wie durch das Bezugszeichen 4b in den 5A und 5B veranschaulicht ist. Wenn Druck auf die Versiegelungsmembran 5 auf gleiche Weise wie in den vorhergehenden Ausführungsformen aufgebracht wird, werden die Luftbläschen in dem Füllöl 7 gelöst und die Versiegelungsmembran 5 nimmt eine ideale Formgebung an, so daß der Druck in der Druckerfassungskammer zu 0 (Atmosphärendruck) wird.
Die Scheibe 19 ist ein Versiegelungsbauteil, das durch jede Art von Scheibe ersetzt werden kann, die die Vorsprünge 19a aufweist, die bei Deformation unter Druck eine Versiegelungsfunktion ausüben. Die Scheibe 19 hat die gleichen Versiegelungsfunktionen wie der O-Ring, der ebenfalls unter Druck deformierbar ist. Ein Ring aus einem Kupfermaterial kann als Versiegelungsring oder Scheibe verwendet werden.
Nach dem dritten Schritt in den vorhergehenden Ausführungsformen, bei dem im Öl 7 gefangene Luftbläschen beseitigt werden, wird der Druck in der Druckerfassungskammer auf 0, d.h. auf Atmosphärendruck gesetzt. In dem Fall, in dem der Temperaturbereich im Betrieb relativ hoch ist, wird der Innendruck in der Druckerfassungskammer auf einen vorherstehenden Wert eingestellt, wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung füllt ein Volumen von 152 mm³ von Fluor-Öl die Ausnehmung in dem Anschlußgehäuse 3 unter einem Druck von 0,05 Atmosphären und verbleibt hier für ungefähr 200 Minuten. Im Ergebnis nimmt das Luftvolumen in dem Füllöl einen Wert von 27,5 mm³ an (18,2% Löslichkeit von Luft). Nachfolgend wird das Hauptgehäuse 4 mit dem Anschlußgehäuse 3 auf gleiche Weise wie in den vorhergehenden Ausführungsformen verbunden, jedoch unter einem verringerten Druck von 0,05 Atmosphären. Der dritte Schritte des Aufbringens eines Druck, der größer als Atmosphärendruck ist, ist in dieser Ausführungsform nicht notwendig. Wenn jedoch das Füllöl 7 durch ein anderes Öl mit geringerer Luftlöslichkeit als Fluor-Öl ersetzt wird, kann ein Druck auf die Versiegelungsmembran 7 aufgebracht werden, um Luftbläschen in der Druckerfassungskammer zu beseitigen.
Vorstehend wurde ein Halbleiter-Drucksensor des flüssigkeitsdichten Typs ohne Einfüllöffnungen offenbart, der ein Anschlußgehäuse aufweist, welches aus einem hochpolymeren Verbundmaterial mit hoher Luftdurchlässigkeit gefertigt ist und welches eine Ausnahme und Anschlußstife aufweist, wobei ein Hauptgehäuse mit einer Versiegelungsmembran an dem Anschlußgehäuse luftdicht festgelegt ist und ein druck empfindliches Element in der Ausnehmung angeordnet und elektrisch mit einem externen Schaltkreis durch die Anschlußstife verbunden ist. Eine Druckaufnahmekammer zwischen der Ausnehmung und der Versiegelungsmembran ist mit einem Druckübertragungsmedium, wie beispielsweise Silikonöl, mit hoher Luftlöslichkeit gefüllt. Zur Herstellung des Sensors wird die Ausnehmung mit einem festgelegten Volumen des Druckübertragungsmediums gefüllt, das Hauptgehäuse wird auf dem Anschlußgehäuse angeordnet und ein festgelegter Druck wird auf den Sensor ausgeübt, um während des vorhergehenden Schritts in der Druckaufnahmekammer eingeschlossene Luft in dem Druckübertragungsmedium zu lösen und um den Rest durch die hochpolymeren Verbundmaterialien zu drücken, die für das Anschlußgehäuse verwendet werden. Im Ergebnis kann ein nichtlinearer Druckanstieg in der Druckaufnahmekammer verhindert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Drucksensors, bei dem ein Druckübertragungsmedium (7) in einer Kammer gehalten wird, die in einer Ausnehmung eines Verbindungsteiles (3) ausgebildet ist und durch ein metallisches Membranteil (5) versiegelt ist, das an einem Gehäuse (4) mit einer Druckeinlaßleitung (4b) ausgebildet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einfüllen eines Volumens des Übertragungsmediums (7), das einem Volumen der Kammer annähernd gleich ist, in die Ausnehmung des Verbindungsteiles (3); Druckverbinden und Festlegen des Gehäuses (4) – wobei das Membranteil (5) zwischen dem Gehäuse (4) und dem Verbindungsteil (3) angeordnet ist – mit dem Verbindungsteil (3), um die Kammer zu bilden; und Anlegen eines vorbestimmten Druckes durch die Druckeinlaßleitung (4b) an das Membranteil (5) über eine bestimmte Zeitdauer hinweg, um in der Kammer gefangene Luft in dem Übertragungsmedium (7) zu lösen.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt: Anlegen von Druck an das Membranteil (5) durch die Druckeinlaßleitung (4b), um in der Kammer gefangene Luft durch das Verbindungsteil (3) auszutreiben, so daß das Verbindungsteil (3) als ein Molekularfilter wirkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Druckverbindens des Gehäuses (4) unter einem Umgebungsdruck durchgeführt wird, der kleiner als der Atmosphärendruck ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit dem Schritt: Aussetzen des Druckübertragungsmediums (7) einem verringerten Druck für eine bestimmte Zeitdauer, um Luft aus dem Druckübertragungsmedium (7) auszutreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Einfüllens die folgenden Schritte aufweist: Einfüllen eines Volumens des Druckübertragungsmediums (7), das größer ist, als das Kammervolumen in der Ausnehmung; und Übertretenlassen des Übertragungsmediums (7) aus der Ausnehmung während des Schritts des Druckverbindens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schritt des Einfüllens des Druckübertragungsmediums (7) den Schritt aufweist: Aussetzen des Druckübertragungsmediums (7) einem verringertem Druck für eine vorbestimmte Zeitdauer, um Luft aus dem Druckübertragungsmedium (7) auszutreiben.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Einfüllens des Druckübertagungsmediums (7) den Schritt aufweist: Aussetzen des Druckübertragungsmediums (7) einen verringerten Druck für eine bestimmte Zeitdauer, um Luft aus dem Druckübertragungsmedium (7) auszutreiben.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Druckübertragungsmedium (7) Fluor-Öl ist, der verringerte Druck annähernd 0,05 Atmosphärendruck beträgt und die Zeitdauer zum Austreiben von Luft annähernd 200 Minuten beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Druckverbindens unter verringertem Druck ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Druckverbindens unter verringertem Druck ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der vorgeschriebene Druck in dem Schritt des Druckaufbringens annähernd 30 kg/cm² beträgt und wobei die vorbestimmte Zeitdauer in dem Druckaufbringschritt ungefähr 10 Minuten beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der vorgeschriebene Druck in dem Schritt des Druckaufbringens annähernd 30 kg/cm² beträgt und wobei die vorbestimmte Zeitdauer in dem Druckaufbringschritt ungefähr 10 Minuten beträgt.
Flüssigkeitsdichter Halbleiter-Drucksensor mit: einem Verbindungsteil (3) aus einem Kunststoffmaterial mit hoher Luftdurchlässigkeit, wobei das Verbindungsteil (3) an einer Seite eine Ausnehmung aufweist; einer Druckerfassungseinheit, die in der Ausnehmung angeordnet ist und mit der einen Seite des Verbindungsteils (3) verbunden ist; einem Verbindungsstift, der hermetisch in dem Verbindungsteil (3) gehalten ist und elektrisch mit dem Druckfühlelement an dem einen Ende des Verbindungsteils (3) verbunden ist und sich von der anderen Seite des Verbindungsteils (3) aus erstreckt, um einen Anschluß zu bilden; einem Membranteil (5, 6), das so angeordnet ist, daß es die Ausnehmung abdeckt, um eine Druckaufnahmekammer zu bilden; einem Druckübertragungsmedium (7) mit hoher Luftlöslichkeit, das in der Druckaufnahmekammer mit einem bestimmten Druck eingefüllt ist, um Luft aufzunehmen, die in der Druckaufnahmekammer in dem Druckübertragungsmedium (7) gefangen ist, und um einen verbleibenden Teil der Luft durch das Verbindungsteil (3) auszutreiben, so das das Verbindungsteil (3) als Molekularfilter wirkt; und einem Gehäuse (4), welches das Verbindungsteil (3) an seinem Umfangsbereich luftdicht festhält, wobei das Gehäuse (4) eine Druckeinlaßleitung (4b) aufweist, welche sich zu dem Membranteil (5, 6) öffnet.
Drucksensor nach Anspruch 13, wobei das Membranteil (5, 6) eine Membran aufweist, welche einen hieran angeleg ten Druck durch das Druckübertragungsmedium (7) auf die druckempfindliche Einheit (1, 2) überträgt, wobei weiterhin ein Halter (6) eine überhohe Deformation der Membran (5) verhindert.
Drucksensor nach Anspruch 13 oder 14, mit einem O-Ring, der zwischen einer Umfangsoberfläche des Verbindungsteils (3) und dem Membranteil (5, 6) angeordnet ist, um Spalten zwischen der Ausnehmung und dem Membranteil (5, 6) zu verschließen.
Drucksensor nach Anspruch 13 oder 14, mit einer Ringscheibe zwischen einer Umfangsoberfläche des Verbindungsteils (3), welche Spalten zwischen der Ausnehmung und dem Membranteil (5, 6) verschließt.
Drucksensor nach Anspruch 14, wobei der Halter (6) einen geneigten Rand hat, um das Druckübertragungsmedium (7) zu fluten, wenn das Gehäuse (4) mit dem Verbindungsteil (3) verbunden wird.
Drucksensor nach Anspruch 15, wobei die Umfangsoberfläche eine ringförmige Ausnehmung (3c) aufweist, welche den hierin angeordneten O-Ring (9) aufnimmt.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das Druckübertragungsmedium (7) ein Medium aus der nachfolgenden Gruppe ist: Dimethyl-Silikonöl, Fluor-Öl und Fluor-Silikonöl.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Kunststoffmaterial des Verbindungsteils (3) ein Material aus der nachfolgenden Gruppe ist: Polyphenyl-Sulfid, Polybuthylen-Terephthalat und Acrylharz.