DE19509188B4

DE19509188B4 - Druckdetektor

Info

Publication number: DE19509188B4
Application number: DE19509188A
Authority: DE
Inventors: Kazuyoshi Nagase; Seiichirou Otake; Shinji Ozaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: FR2717262B1; DE19509188A1; US5583295A; FR2717262A1

Abstract

Druckdetektor mit:
einem Substrat (3);
einer Messwiderstandseinrichtung (25a–25d), die auf dem Substrat ausgebildet ist und deren Widerstandswerte sich als Reaktion auf darauf wirkenden Druck ändern;
einer Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung (26a– 26b), die auf dem Substrat (3) zur Temperaturkompensation der Messwiderstandseinrichtung ausgebildet ist;
einer Druckübertragungseinrichtung (1, 2), die mit dem Substrat (3) verbunden ist, zum Übertragen des Drucks auf die Messwiderstandseinrichtung (25a–25d), derart, dass die Messwiderstandseinrichtung (25a–25d) und die Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung (26a–26d) innerhalb einer Verbindungsfläche (19) positioniert sind, die sich innerhalb des Bereichs der Unterseite der Druckübertragungseinrichtung (1,2) befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckdetektor, der insbesondere einen Piezo-Effekt eines Halbleiters nutzt und z. B. zum Detektieren bzw. Erfassen von Verbrennungsgasen einer Kraftmaschine mit interner Verbrennung verwendet wird.

Ein derartiger Druckdetektor ist aus der US 4 993 266 bekannt. Bei diesem Druckdetektor wird ein auf ein Diaphragma ausgeübter Druck über einen mehrteiligen Druckübertragungsstempel senkrecht auf ein Silizium-Einkristall vorbestimmter kristallografischer Orientierung übertragen, wobei durch die Auswahl der Materialien der den Druckdetektor bildenden Komponenten eine Wärmeübertragung auf das Siliziumkristall weitestgehend verhindert wird.

Aus der DE 41 06 102 A1 ist ferner ein Druckdetektor bekannt, bei dem über eine Membran und einen Stempel eine Druckkraft auf ein piezoresistives Element übertragen wird, wobei in der Nähe des dieses Elements temperaturabhängige Widerstände angeordnet sind, um dessen Temperaturabhängigkeit zu kompensieren.

Weiterhin ist aus der EP 0 083 496 A2 ein Druckdetektor bekannt, der eine Halbleitermesswiderstandsanordnung zur Erfassung einer Druckdifferenz und einer Mehrzahl von Hilfssensoren aufweist, die eine Nullpunktverschiebung des gemessenen Drucks kompensieren, welche durch Verspannungen oder Temperatureinflüsse hervorgerufen wird.

Ferner ist in der CH 665 028 A5 ein Druckfühler zur Überwachung der Dichte eines gasförmigen Mediums offenbart, der eine Messwiderstandseinrichtung aufweist, die aus Halbleiter-Dehnungsmessstreifen gebildet ist.

Ein weiterer Druckdetektor ist aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 64-36081 bekannt.

Bei diesem Druckdetektor sind Paare von Ausgangs- und Eingangselektroden vorgesehen, die auf einem Si-Einkristallkörper in einer Richtung gegenüberliegen, die rechtwinklig zu dem Si-Einkristall ist, wobei der Si-Einkristall eine homogene Dotierung bzw. Verunreinigungskonzentration aufweist und auf eine Dicke zurecht geschnitten ist, so dass die (110)-Kristallfläche diejenige Fläche ist, auf die eine Kompressionskraft ausgeübt wird. Dann wird ein Auflager, das die senkrecht zu der Kristallfläche wirkende Kompressionskraft immer aufnehmen und übertragen kann mit der Kristallfläche verbunden. Weiter wird ein Trägerelement mit ausreichender Steifigkeit in der Richtung, in der die Kompressionskraft erzeugt wird mit der anderen Seite des Si-Einkristallkörpers verbunden, die der Kristallfläche gegenüber liegt. In dem der Si-Einkristallkörper mit dem Trägerelement verbunden wird, erzeugt der Si-Einkristall nur eine einfache Kompressionskraft, wenn die Kompressionskraft senkrecht auf die Kristallfläche wirkt.

Mit einer derartigen Konstruktion wird versucht, die negativen Auswirkungen auf Geräteeigenschaften aufgrund eines widerstandswertes eines Dehnungs- bzw. SpannungsMessgeräts zu reduzieren, die im Zusammenhang mit Temperaturänderungen verstärkt auftreten.

Der Aufbau eines derartigen Si-Einkristallkörpers 62 ist aus 24 zu ersehen. Es wird eine π'₆₃-Messeinheit verwendet, die zwischen Ausgangselektroden 64a und 64b, die in y-Richtung angeordnet sind und sich mit Eingangselektroden 63a und 63b kreuzen, ein Potential erzeugen, wenn ein Strom in x-Richtung zwischen den Eingangselektroden 63a und 63b fließt und eine Kompressionskraft in z-Richtung wirkt. Das Bezugszeichen 65 bezeichnet eine unter Druck stehende Fläche, über die das Auflager die Kristallfläche mit Druck beaufschlagt.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Elektroden, wie in 24 gezeigt, mit einer bestimmten Breite W geformt sind, da normalerweise eine Planartechnologie unter Verwendung von Masken angewandt wird, um die Elektroden auszubilden. Da die Elektroden aus Metall, wie z. B. Aluminium gebildet werden, ist der Innenwiderstand der Elektroden sehr klein.

Ein weiterer Druckdetektor dieser Art ist in 25 gezeigt und in der Veröffentlichung Nippondenso Technical Disclosure Nr. 92-220 näher beschrieben.

In 25 wird eine Kappe 69 mit einem metallenen Diaphragmateil 68 auf der Öffnung in der abgewandten Seite eines Gehäuses bzw. Gehäuseblocks 67 mit einem Schraubteil 66 bereitgestellt. Im Inneren ist ein Trägerelement 71 zum Aufnehmen und hermetischen Einsiegeln bzw. Abdichten von Leitungen vorgesehen. Ein druckempfindliches Element 72, auf dem ein Messwiderstand (nicht gezeigt) ausgebildet ist, ist auf dem Trägerelement 71 vorgesehen und eine Stange bzw. Stempel 73 mit einem kugelförmigen oder kreisförmigen oberen Ende ist des weiteren auf dem Element 72 zum Übertragen einer Last bzw. einer Kraft vorgesehen. Ein wärmeabstrahlendes Agens 74 ist unter dem Trägerelement 71 vorgesehen. Da die Vorrichtung mit einem nicht dargestellten Motorblock über das Schraubteil 66 verbunden ist, ist das Trägerelement 71 elektrisch mit dem Motorblock verbunden und liegt daher auf Masse.

Ein Spalt bzw. ein Zwischenraum zwischen dem Stempel 73 und dem druckempfindlichen Element 72 und ein Spalt zwischem dem druckempfindlichen Element 72 und dem Trägerelement 71 sind mittels eines isolierenden Klebstoffs 75 zuge klebt. Jeder Spalt is daher durch eine isolierende Schicht aus dem Klebstoff 75 isoliert.

Ein Spalt zwischen dem druckempfindlichen Element 72 und dem Leiterelement 70 ist elektrisch mittels eines Bonddrahtes 76 überbrückt.

Bei diesem vorstehend beschriebenen Detektor wird ein auf das Diaphragmateil 68 wirkender Druck dem druckempfindlichen Element 72 über den Stempel 73 zugeführt und wird mittels eines Piezo-Widerstandseffekts in dem Messwiderstand auf dem druckempfindlichen Element 72 erfasst.

Bei dem vorstehend beschriebenen Druckdetektor, wie er aus der japanischen, veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 6436081 bekannt ist, ergibt sich in der Realität eine mehr oder minder große Dejustierung des Auflagers, wenn es mit der Kristallfläche verbunden bzw. verklebt wird, was zu einem Abfall der Empfindlichkeit führt, da der Messwiderstand auf der gesamten Fläche des Si-Kristallkörpers 62 angeordnet ist und da die unter Druck gesetzte Fläche 65, d. h. die Oberfläche auf die die Kompressionskraft einwirkt, bei diesem Stand der Technik durch das Auflager gedrückt wird.

Da die Messfläche größer als die unter Druck gesetzte Fläche ist, ergibt sich eine weiteres Problem dadurch, dass sich zwischen der unter Druck gesetzten Fläche 65 unmittelbar unter dem Auflager und den anderen Bereichen bzw. Flächen eine Temperaturdifferenz verursacht durch Wärmeentwicklung im Bereich des Auflagers aufgrund der Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschinen ergibt. Diese Temperaturvariationen treten insbesondere bei im Bereich der unter Druck gesetzten Fläche 65 dejustiertem Auflager auf, wie dies vorstehend beschrieben worden ist.

Da desweiteren der Si-Einkristallkörper 62 so aufgebaut ist, dass ein Potential bzw. eine Potentialdifferenz durch einen Messwiderstand erfasst wird, wird der Widerstand innerhalb der Elektrode sehr klein und die Potentiale werden – wie vorstehend beschrieben – bei einer Elektrode aus Metall mit einer bestimmten Breite W nahezu gleich, wenn die Kompressionskraft auf die Kristallfläche einwirkt. Damit ergibt sich das Problem, dass die erzeugten, speziellen Potentiale sich überlagern und auslöschen, was eine verminderte Empfindlichkeit zu Folge hat.

Aufgrund des Vorhandenseins von kleinen Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Trägerelements 71, wie dies in 26 gezeigt ist, die eine vergrößerte Ansicht des kreisförmigen Bereichs G in 25 zeigt, können sich in dem Druckdetektor gemäß der vorstehend erwähnten Veröffentlichung Nr. 92-220 das Trägerelement 71 und das druckempfindliche Element 72 teilweise berühren. Demnach können sie durch eine trennende Kleberschicht nicht ausreichend voneinander getrennt bzw. isoliert werden. Damit ergibt sich für diesen Fall das Problem eines Leckstroms, der zu dem Gehäuse 67 zwischen dem Gehäuse und dem Messwiderstand aufgrund der fehlenden Isolierung zwischen dem druckempfindlichen Element 92 und dem Trägerelement 71 fließt und damit unstabile Messgeräte-eigenschaften bewirkt.

Üblicherweise liegt der Messwiderstand in der Größenordnung von einigen 100 bis zu einigen Zig-Kiloohm (Vielfaches von 10000 Ohm) und wenn der Messwiderstand mit dem Gehäuse 67 kapazitiv, beispielsweise mit einer Kapazität von einigen 10 pF gekoppelt wird, wird ein Hochfrequenzrauschen von einigen zig MHz (Vielfaches von 10 MHz) in das Messausgangssignal gemischt, was zu einem fehlerhaften Betrieb des Messgeräts führt. Aufgrund der Untersuchung des Umstands, dass, verursacht durch die parasitäre Kapazität, das Hochfrequenzrauschen in das Messgerätausgangssignal gemischt wird, wurde herausgefunden, dass die parasitäre Kapazität an drei Stellen erzeugt wird: In einem hermetisch versiegelten Bereich der Leitung 70, im Bereich der isolierenden Verbindungs- bzw. Klebeschicht zwischen dem Trägerelement 71 und dem druckempfindlichen Element 72 und im Bereich der isolierenden Verbindungs- bzw. Klebeschicht zwischen dem druckempfindlichen Element 72 und dem Stempel 73. Außerdem wurde herausgefunden, dass das Hochfrequenzrauschen in das Messgerätausgangssignal durch kapazitive Kopplung dieser Elemente eingekoppelt wird, was zu der fehlerhaften Funktion des Geräts führt.

Folglich besitzt der Messgerätaufbau gemäß dem Stand der Technik den Nachteil, dass ein Hochfrequenzrauschen in den Messgerätausgang aufgrund von parasitären Kapazitäten an diesen drei Stellen eingekoppelt bzw. eingemischt wird, was zu einem fehlerhaften Betrieb bzw. einer fehlerhaften Funktionsweise des Geräts führt.

Wie bereits vorstehend erwähnt worden ist, ist die Verteilung bzw. Veränderung der Temperaturcharakteristik aufgrund Dejustierung der Auflage und der Breite W der Elektrode ein Faktor für sich ändernde Charakteristiken während des Auf- bzw. Zusammenbaus des Druckdetektors. Des weiteren ergeben sich Leckströme aufgrund der fehlenden Isolierung zwischen dem druckempfindlichen Element und dem Trägerelement und Hochfrequenzrauschen wird aufgrund von parasitären Kapazitäten in dem hermetisch versiegelten Bereich des Leiterelements, der isolierenden Verbindungsschicht zwischen dem Trägerelement und dem druckempfindlichen Teil und der isolierenden Verbindungsschicht zwischen dem druckempfindlichen Element und dem Stempel dem Messgerätausgangssignal zugemischt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorgenannten Probleme zu lösen und einen Druckdetektor bereitzustellen, der eine genaue Temperaturcharakteristik unabhängig von der Elektrodenbreite und ohne Verschlechterung der Empfindlichkeit aufweist, selbst wenn die Oberfläche, auf die eine Kompressionskraft wirkt, dejustiert ist.

Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung fluktuierende Messgerätecharakteristiken aufgrund von Leckströmen oder Hochfrquenzrauschen zu unterdrücken.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 5.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Druckdetektor ein druckempfindliches Element mit Messwiderständen zum Ausgeben von Signalen als Reaktion auf Baufschlagung mit Druck und ein Druckübertragungsteil zum Übertragen von Druck auf das druckempfindliche Element. Das Druckübertragungsteil ist auf einer Oberfläche mit den Messwiderständen des druckempfindlichen Elements bereitgestellt und die Messwiderstände sind innerhalb der unter Druck gesetzten Oberfläche des druckempfindlichen Elements angeordnet, auf die das Druckübertragungsteil das druckempfindliche Element presst.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Druckdetektor ein druckempfindliches Element, das ein Halbleitersubstrat mit wenigstens vier Messwiderständen zum Ausgeben von Signalen als Reaktion auf Druck und ein Druckübertragungsteil zum Übertragen von Druck auf das druckempfindliche Element aufweist. Das Druckübertragungsteil ist auf einer Oberfläche mit den Messwiderständen des druckempfindlichen Elements bereitgestellt. Nimmt man die (110)-Fläche als die Flächenorientierung des druckempfindlichen Elements, wird ein Messbrückenschaltkreis durch Aufbringen eines Messwiderstandspaares in der <110>-Richtung der Kristallachse und durch Aufbringung eines anderen Messwiderstandspaares in der <100>-Richtung der Kristallachse und durch Verbinden der beiden bereitgestellt. Der Brückenschaltkreis ist wenigstens innerhalb der unter Druck gesetzten Oberfläche des druckempfindlichen Elements be reitgestellt auf die das Druckübertragungsbauteil das druckempfindliche Element drückt.

Vorzugsweise sind des weiteren Temperaturkompensationswiderstände in dem Detektor vorgesehen, deren Widerstandswerte sich als Reaktion auf die Temperatur verändern. Die Temperaturkompensationswiderstände sind in der <100>-Kristallachsenrichtung des Halbleitersubstrats angeordnet. Die Temperaturkompensationswiderstände und der Brückenschaltkreis sind wenigstens innerhalb der unter Druck gesetzten Fläche untergebracht bzw. angeordnet, auf der das Druckübertragungsbauteil das druckempfindliche Element mit Druck beaufschlagt und die Messwiderstände und die Temperaturkompensationswiderstände sind in einem mittleren Bereich der unter Druck gesetzten Oberfläche auf der Oberfläche des druckempfindlichen Elements unmittelbar unter dem unteren Ende des Druckübertragungsbauteils angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Druckdetektor ein druckempfindliches Element mit Messwiderständen zum Ausgeben eines Signals als Reaktion auf Druck, ein druckempfindliches Bauteil, dass auf einer Oberfläche mit den Messwiderständen des druckempfindlichen Elements angeordnet ist und zum Übertragen des Drucks auf das druckempfindliche Element dient, einem elektrischleitenden Schaft zum daran befestigen des druckempfindlichen Elements und ein elektrisch-leitendes Gehäuse zum Halten des Schaftes. Die Messwiderstände sind innerhalb einer mit Druck beaufschlagten Fläche des druckempfindlichen Elements, auf das das Druckübertragungsteil das druckempfindliche Element drückt, angeordnet und das druckempfindliche Element ist mit dem Schaft mittels einer isolierenden Verbindung, die durch einen Isolationsfilm auf der Fläche des druckempfindlichen Elements aufgebracht ist, die der unter Druck gesetzten Oberfläche gegenüberliegt, verbunden.

Die Messwiderstände sind vorzugsweise auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen und zusätzlich ist ein Signalsübertragungsmedium vorgesehen, das hermetisch in den Schaft eingesiegelt ist, um Signale zwischen dem druckempfindlichen Element und der Außenwelt zu übertragen. Das Signalübertragungsmedium ist von der Art, die Messgeräteausgaben hinsichtlich ihrer Impedanz wandeln, ein Isolierfilm ist auf der Oberfläche vorgesehen, der der unter Druck gesetzten Fläche des druckempfindlichen Elements gegenüberliegt, und das Halbleitersubstrat ist geerdet, das druckempfindliche Element ist mittels eines isolierenden Klebstoffs an dem Schaft befestigt, eine elektrisch leitende Versiegelung ist auf den Messwiderständen des druckempfindlichen Elements vermittels des Isolierfilms bereitgestellt und geerdet, und das Druckübertragungsteil ist mit der Versiegelung über den isolierende Klebstoff verbunden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Verklebung bzw. Klebeschicht an der Seite des druckempfindlichen Elements und am unteren Ende des druckempfindlichen Elements bzw der Klebstoff kriecht seitlich an der Unterseite des Substrats hoch.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Messwiderstände in einem zentralen Bereich, der unter Druck gesetzten Fläche auf der Oberfläche des druckempfindlichen Elements unmittelbar unter dem unteren Ende des Druckübertragungsbauteils angeordnet.

Daher wird bei der vorliegenden Erfindung der Druck zu den Messwiderständen auf dem druckempfindlichen Element über das Druckübertragungsbauteil übertragen. Wenn der Druck auf die Messwiderstände übertragen worden ist, erzeugt das druckempfindliche Element Ausgangssignale in Antwort hierauf. Weil die Messwiderstände innerhalb der unter Druck gesetzten Fläche des druckempfindlichen Elements auf die das Druckübertragungsbauteil auf das Druckübertragung selement Druck ausübt, angeordnet sind, die Temperaturkompensationswiderstände ebenfalls innerhalb der unter Druck gesetzten Fläche angeordnet sind und die Messwiderstände und Temperaturkompensationswiderstände in dem zentralen Bereich der unter Druck gesetzten Fläche auf der Oberfläche des druckempfindlichen Elements unmittelbar unter dem unteren Ende des Druckübertragungsbauteils angeordnet sind, verlagern sich die Messwiderstände und Temperaturkompensationswiderstände nicht aus der unter Druck gesetzten Fläche des Druckübertragungsbauteils heraus, selbst wenn die Fläche, auf die die Kompressionskraft wirkt, sich örtlich verlagert. Da des weiteren sowohl die Messwiderstände als auch die Temperaturkompensationswiderstände unmittelbar unter dem unteren Ende des Druckübertragungsbauteils angeordnet sind, sind die Messwiderstände und die Temperaturkompensationswiderstände der gleichen Temperatur ausgesetzt. Folglich sinkt die Sensitivität nicht ab und es ergibt sich eine genaue Temperaturcharakteristik.

Da des weiteren der Spalt zwischen dem druckempfindlichen Element und dem Schaft vollständig isoliert ist und ein eventuell an dieser Stelle erzeugter Leckstrom blokkiert ist und Hochfrequenzrauschen daran gehindert wird sich mittels parasitärer Kapazitäten, die in dem hermetisch versiegelten Bereich in der Isolierklebeschicht zwischen dem Schaft und dem druckempfindlichen Element und in der Isolierschicht zwischen dem druckempfindlichen Element und dem Druckübertragungsbauteil erzeugt werden, einzumischen, verbessert sich die Sensitivität bzw. Empfindlichkeit und es ergibt sich eine genauere Temperaturcharakteristik bzw. Temperaturabhängigkeit des Messgeräts.

Die weiteren Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

1 eine schematische Schnittdarstellung des gesamten Druckdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Hauptteils eines oberen Bereichs eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Erfindung;

3 eine vergrößerte Aufsicht eines Hauptteils und eines Schaftes bei der vorliegenden Erfindung;

4 eine teils vergrößerte Darstellung des Zustands einer Verbindung bzw. Verklebung der Halbleitervorrichtung mit dem Steg gemäß der vorliegenden Erfindung;

5 eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Zustands einer Verklebung bzw. Verbindung von Endflächen der Halbleitervorrichtung und des Steges gemäß der vorliegenden Erfindung;

6 eine teilweise vergrößerte Darstellung eines Zustandes einer Verbindung von Endflächen eines Lastübertragungsstempels und der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

7 ein Diagramm zu Darstellung des Herstellungsprozessors der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung, worin (a) den Prozeß des Ausbildens der OberflächenMesseinrichtung, (b) das Polieren der Rückseite, (c) das Bilden eines isolierenden Films und (d) das Zerschneiden zeigt;

8 eine vergrößerte Aufsicht auf eine Seite der Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

9 eine vergrößerte Ansicht eines Hauptteils eines Schnitts entlang der Linie IX-IX in 8 und den Zustand einer Verbindung des Lastübertragungsstempels und des Schaftes bei der vorliegenden Erfindung;

10 ein Diagramm mit den Widerstandsänderungen bzw. Änderungen des spezifischen Widerstands gegen eine Kompressionskraft auf die (110)-Fläche von P-Typ-Silizium;

11 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Hauptteil eines Membranbereichs bei der vorliegenden Erfindung;

12 eine Aufsicht auf den Hauptteil des Membranbereichs von 11;

13 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Hauptteils eines anderen Membranbereichs;

14 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Kappe bzw. eines Bechers, die bzw. der einen Membranbereich bildet;

15 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kappe bzw. Abdeckung, die einen Membranbereich bildet, gemäß der vorliegenden Erfindung;

16 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kappe, die einen Membranbereich bei der vorliegenden Erfindung bildet;

17 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kappe, die einen Membranbereich bei der vorliegenden Erfindung bildet;

18 Diagramme, die den Zustand der Kompressionskraft unmittelbar unter dem äußeren Rand des Stempels zeigen, wobei (a) einen Fall ohne Pufferschicht und (b) einen. Fall mit Pufferschicht zeigt;

19 ist eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Pufferschicht bei der vorliegenden Erfindung;

20 ist ein elektrisches Schaltkreisdiagramm eines äquivalenten Schaltkreises bzw. eines Ersatzschaltbildes bei der vorliegenden Erfindung, der bzw. das aus einem Messbereich und einem Verstärkerschaltkreis zusammengesetzt ist;

21 zeigt das Ersatzschaltbild, wenn bei dem Schaltkreis von 20 parasitäre Kapazitäten berücksichtigt werden;

22 ist eine schematische Darstellung einer vollständigen Einrichtung zum Einstellen einer vorbestimmten Last bei der vorliegenden Erfindung;

23 ist ein Graph, der den Zusammenhang zwischen einem Messgerätausgang ΔV_G und der beaufschlagten Last F zeigt;

24 ist eine erklärende Darstellung eines Druckdetektors gemäß dem Stand der Technik;

25 ist eine erklärende Darstellung eines anderen Druckdetektors gemäß dem Stand der Technik; und

26 ist eine teilweise vergrößerte Darstellung eines Bereichs G aus 25.

Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
1 ist eine schematische Schnittansicht, die den vollständigen beispielhaften Druckdetektor der vorliegenden Erfindung zeigt, der beispielsweise in bzw. an einem Motorblock einer Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung (nicht gezeigt) angeordnet ist.
Der Druckdetektor in 1 umfasst ein Gehäuse 7, das aus einem zylindrischen rostfreien Stahl (nachfolgend mit SUS abgekürzt) hergestellt ist, dessen beide Enden offen sind. Ein Schraubgewindebereich 8 ist auf der Außenfläche des Gehäuses 7 gebildet, um in ein in einem Zylinderkopf (nicht dargestellt) eines Motorblocks vorgesehenes Schraubloch (nicht dargestellt) geschraubt zu werden, um das Gehäuse 7 mit dem Motorblock elektrisch leitend zu verbinden und um durch den Kontakt mit dem Schraubgewindebereich 8 Wärme nach außen abzuleiten. Hierbei wird eine Dichtung 12 als ein Dichtring zwischen einem Sechskantbereich 9 des Gehäuses und dem Motorblock auf der Außenfläche angepreßt, um gasdicht abzudichten.
An einer vorbestimmten Stelle eines Gehäuseblocks 14 ist ein O-Ring 13 vorgesehen, um von außen gegen Feuchtigkeit abzudichten und ein Distanzstück 11 zum Gewährleisten der Isolation zwischen Leiterelementen 6 und dem Gehäuse 7 ist in dem Gehäuse 7 vorgesehen. Wenn der Gehäuseblock 14 das Distanzstück 11 in dem Gehäuse 7 haltend mittels einer Umgreifeinrichtung 10 des Gehäuses 7 mit dem Gehäuse 7 dicht verbunden wird, wird der O-Ring 13 sicher gehalten.
Ein Öffnungsbereich auf der Oberseite des abgewandten Endes (zum Verbrennungsraum hin) des Gehäuses 7 ist entsprechend 2 aufgebaut, die eine vergrößerte Darstellung eines Hauptteils zeigt. Eine dünne Kappe bzw. ein dünner Becher 1 ist darin im Pressitz gezeigt und ein äußerer Rand des Bodens davon (Teil A in der 2) ist mit dem Ende des Gehäuses 7 verschweißt, um den Öffnungsbereich gegenüber dem Verbrennungsraum abzudichten und um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kappe 1 und dem Gehäuse 7 herzustellen. Hierbei wird ein scheibenförmiger Bodenbereich der Kappe 1 mit Druck beaufschlagt und dieser Druck wird auf einen Lastübertragungsstempel 2 als eine Einrichtung bzw. ein Bauteil zum Übertragen von Druck übertragen. Da der Druckaufnahmebereich wie eine Membran funktioniert, wird er im nachfolgenden als Membranteil 1a bezeichnet. Vorzugsweise wird die Kappe 1 so ausgebildet, dass sie ein Membranteil 1a aus einem Material mit ausgezeichneter Elastizität, Korrosionswiderstandsfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. ein hoch wärmebeständiger, rostfreier Stahl, besitzt.
In einem mittlerern Bereich der druckaufnehmenden Fläche des Membranteils 1a, der unmittelbar mit Verbrennungsgas beaufschlagt wird, wird ein konkaver Krater oder ein Ausnehmungsbereich 1b derart ausgebildet, dass der radiale Zentralbereich davon in Richtung auf einen Halbleiter 3 in axialer Richtung zeigt, d. h. er fällt, verglichen mit dem Außenrand des Membranteils 1a, zu der dem Verbrennungsraum gegenüberliegenden Seite hin ab, um den thermischen Ausfluss während der Verbrennung bzw. die thermische Belastung zu reduzieren.
In den Öffnungsbereich der Kappe 1, von der dem Membranteil 1a abgewandten Seite her, ist ein Schaft 4 eingeführt, in bzw. an dem eine kappen- bzw. becherförmige Öse 4a und die Leiterelemente 6 mittels einem aus Glas oder ähnlichem bestehenden isolierenden Teil 4b fixiert sind und der mit der Kappe 1 iin einem in 2 mit B bezeichneten Bereich mit der Kappe 1 verschweißt ist, um das Membranteil 1a und den Schaft 4 elektrisch miteinander zu verbinden. Folglich ist der Schaft 4 elektrisch mit dem Motorblock über die vorstehend beschriebenen Verschweißungen in den Teilen A und B verbunden und wird damit geerdet.
Eine Oberfläche des Schafts 4 (Fläche in Richtung III in 2) ist wie in 3 gezeigt ausgebildet und 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Hauptteils der Erfindung. In dem Schaft 4 sind eine Mehrzahl von kleinen Löchern bzw. Bohrungen 15 vorgesehen, die sich in axialer Richtung erstrecken und in denen sich die elektrischen Leiterelemente 6A, 6B und 6C, die aus metallischen Elektrodenstäben gefertigt sind, als eine bestimmte Anzahl (hier drei) von Signalübertragungsmitteln erstrecken und die durch das isolierende Teil 4b hermetisch abgedichtet bzw. versiegelt sind. Dadurch wird der Öffnungsbereich der Kappe 1 durch den Schaft 4 zu einem abgeschlossenen und versiegelten Bereich bzw. Raum S. Der Halbleiter 3 wird in etwa dem mittleren Bereich des Schafts 4 mittels eines elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 befestigt und zeigt in Richtung des abgedichteten Raums S und dient als ein Signalverarbeitungsschaltkreis mit darin integriertem druckempfindlichen Element, was nachfolgend noch näher beschrieben werden wird. Der elektrisch isolierende Klebestoff 22 funktioniert als ein Pufferfür thermische Belastungen bzw. für thermische Spannungen. Der Halbleiter 3 und ein Ende der Leiterelemente 6A, 6B und 6C sind elektrisch mittels Bonddrähten 16 auf Al-Elektrodenkontaktstellen 18a, 18b und 18c verbunden und die anderen Enden der Bonddrähte 16 sind mit Leiterelementen 17 zum Verbinden mit dem Gehäuseblock 14 verbunden, um den Empfang bzw. den Austausch von elektrischen Signalen zwischen der Umgebung und dem Halbleiter 3 zu ermöglichen, wie dies in 1 gezeigt ist.
Im Boden bzw. im unteren Bereich des Schafts 4 ist ein elektrisch isolierendes, wärmeabstrahlendes Mittel 5, wie z. B. Si-Gel eingefüllt, um von dem Lastübertragungsstempel 2 zu der Halbleitereinrichtung 3 übertragene Wärme effektiv über das Gehäuse 7 abzuführen.
Die Halbleitereinrichtung 3 umfasst Messwiderstände und Aluminiumelektroden, deren Widerstandswerte aufgrund eines piezoresistiven Effekts sich ändern, wenn sie mit von dem Lastübertragungsstempel 2 übertragenen Druck beaufschlagt werden, und die Änderung der Widerstandswerte werden als elektrische Änderungssignale ausgegeben, was später noch beschrieben werden wird.
Auf der Oberfläche der Halbleitereinrichtung 3 sind, wie in 3 gezeigt, drei Al-Elektrodenkontaktstellen 18a, 18b und 18c, ein Messbereich 19, der piezoresistive Elemente als Messwiderstände in Brückenschaltung aufweist, deren Widerstandswerte sich als Reaktion auf eine Kompressionskraft ändern und die als eine unter Druck stehende Fläche funktionieren, über die der Lastübertragungsstempel 2 den Druck auf die piezoresistiven Elemente überträgt, und ein Verstärkerschaltkreis 20 zum Verstärken der Ausgangssignale aus der Brückenschaltung (wird nachfolgend beschrieben) angeordnet. In dem Verstärkerbereich 20 sind üblicherweise Transistoren, Dioden, Kapazitäten und Widerstände in Form eines integrierten Bauteils ausgebildet. Bei den drei Al-Elektrodenkontaktstellen 18a, 18b und 18c handelt es sich um Elektrodenkontaktstellen für eine Spannungsquelle von beispielsweise 5 V (Volt), für Masse bzw. Erdung (im nachfolgenden als Masse bezeichnet) bzw. für die Messsignalausgabe.
Dem gegenüber ist die Halbleitereinrichtung 3 mit ihrer Rückseite mit dem Schaft 4 mittels des elektrisch isolierenden Klebestoffs 22 verbunden. Hierbei wird darauf geachtet, dass zwischen der Halbleitereinrichtung 3 und dem Schaft 4 durch Bedeckung des Schafts 4 mit einem elektrisch isolierenden Film 21, wie z. B. einem Si-N-Film, wie er in dem kreisförmigen Bereich C in 2 oder in 4, bei der es sich um eine vergrößerte Teilansicht der Verbindung der Halbleitereinrichtung 3 mit dem Schaft 4 handelt, kein unmittelbarer Kontakt hergestellt wird bzw. dass die Halbleitereinrichtung 3 und der Schaft 4 voneinander isoliert sind. Bei dieser Ausführungsform wird für die vorstehend beschriebene Verklebung ein elektrisch isolierender Klebstoff 22 mit vor dem Aushärten verminderter Viskosität verwendet, so dass die Unterseite der Halbleitereinrichtung an dem Übergang zu dem Schaft 4 zuverlässig durch den seitlich hochkriechenden, elektrisch isolierenden Klebstoff 22 bedeckt ist und ein Leckstrom an dieser Übergangsstelle somit verhindert wird. Die Öse 4a besteht vorzugsweise aus Metall, wie z. B. Kobalt, so dass ihr thermischer Expansionskoeffizient zu dem von Si passt bzw in etwa gleich dem von Si ist.
Bei der Verbindung des Lastübertragungsstempels 2 und der Halbleitereinrichtung 3 wird ein elektrisch isolierender Film 23 als ein Puffer dazwischen angeordnet, so dass der Lastübertragungsstempel 2 unmittelbar über dem Messbereich zu liegen kommt und um Pufferschichten unter Verwendung des elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 zu bilden, um den Lastübertragungsstempel 2 und die Halbleitereinrichtung 3, wie in 6 gezeigt, zu verbinden (bei 6 handelt es sich um eine vergrößerte Darstellung des kreisförmigen Bereichs E in 2). Ist der Lastübertragungsstempel 2 aus Metall oder Keramik mit hohem Elastizitätsmodul (Young-Modul) gemacht, um die Lastübertragungseffizienz zu erhöhen und um die Druckübertragung von dem Membranteil 1a zu der Halbleitereinrichtung 3 zu bewerkstelligen. Bei hohen Temperaturen im Messbereich ist es vorteilhaft den Lastübertragungsstempel 2 aus Keramik herzustellen. Dies folgt daraus, dass die thermische Leitfähigkeit von Keramiken im Vergleich zu Metallen klein ist, so dass Wärme daran gehindert wird von dem Membranteil 1a zu der Halbleitereinrichtung 3 zu fließen und es folglich verhindert wird, dass die Temperatur der Halbleitereinrichtung 3 übermäßig ansteigt. Ein abgewandtes Endteil 24 des Lastübertragungstempels 2 ist, wie in 2 gezeigt, globenförmig oder kreisförmig ausgebildet und ist so konstruiert, dass mit der Mitte des konvexen Kraterteils 1b des Membranteils 1a ein Punktkontakt besteht, d. h. ein Punktkontakt der Mitte mit der Unterseite davon, so dass eine von dem Verbrennungsraum über das Membranteil 1a übertragene Kraft immer auf das axiale Zentrum des Lastübertragungsstempels 2 wirkt.
Der Kugeloberflächenkontakt ist gewählt worden, um sowohl eine ungleichförmige Belastung des Messbereichs 19 der Halbleitereinrichtung 3 zu vermeiden, wenn der Lastübertragungsstempel 2 gekippt bzw. nicht ganz optimal eingebaut wird, um immer eine homogene Kompressionskraft auf den Messbereich 19 zu übertragen, als auch um den Wärmefluss von dem Membranteil 1a, dessen Wärmewiderstand erhöht ist und der der Verbrennungswärme ausgesetzt ist, zu der Halbleitereinrichtung 3 zu verhindern bzw. zu vermindern.
Für den Film 23 eignet sich besonders Harz, Glas oder allgemein Materialien mit einem Elastizitätsmodul und einer thermischen Leitfähigkeit, die kleiner ist als die des Lastübertragungsstempels, um die auf den Messbereich 19 der Halbleitereinrichtung 3 wirkende Kompressionskraft zu homogenisieren und um einen Anstieg der Temperatur zu verhindern. Solange die Entlastung bzw. das Relaxieren von Spannungenskonzentrationen und das Verhindern des Temperaturanstiegs gewährleistet wird, ist es nicht immer nötig den Film 23 zu verwenden und stattdessen können beispielsweise Klebstoffe mit Füllstoffen verwendet werden, was nachfolgend noch beschrieben werden wird.
Nachfolgend wird die Halbleitervorrichtung 3 unter Bezugnahme auf die 7 bis 10 beschrieben.
Der Halbleiter 3 wird durch bekannt Herstellungsverfahren, wie sie in 7 angedeutet sind, ausgebildet bzw. bereitgestellt. Folglich werden in einem Verfahrensschritt (a) Messwiderstände auf der Oberfläche des Silizium-Wafers ausgebildet. Danach wird die Rückseite des Wafers in einem Verfahrensschritt (b) poliert und dann wird ein elektrisch isolierender Film 21, z. b. ein SiN-Film oder ein SiO₂-Film in einem Verfahrensschritt (c) ausgebildet. Schließlich wird der Wafer zu einzelnen Messchips vereinzelt bzw. zerschnitten, so dass sich in einem Verfahrensschritt (d) die Halbleitereinrichtung 3 ergibt.
Die Oberseite der mit diesen Verfahrensschritten hergestellten Halbleitervorrichtung 3 weist einen Aufbau auf, wie er in 8 gezeigt ist. Bei der Anordnung gemäß 8 ist die Oberfläche des Si-Substrats eine (110)-Kristallfläche und aus vier piezoresistiven Elementen 25a, 25b, 25c und 25d wird ein Brückenschaltkreis gebildet. Davon wird ein Paar piezoresistiver Elemente 25c und 25d so angeordnet, dass der Strom in <110>-Richtung fließt und der Widerstandswert als Reaktion auf eine Kompressions- bzw. Druckkraft durch den piezoresistiven Effekt erhöht wird. Das verbleibende piezoresistive Elementenpaar 25c und 25d wird in der <100>-Richtung angeordnet bzw. aufgebracht und deren Widerstandswerte ändern sich nicht als Reaktion auf die Kompressionskraft. Dieses Phänomen wird durch die Kristallanisotropie von Si bewirkt und es ist allgemein bekannt, dass sich diese in einem Diagramm, wie ihn 10 gezeigt, ausdrückt, in dem die Variation bzw. Änderung der Widerstandswerte aufgrund der Kompressionskraft auf die (110)-Fläche des P-Typs Si für die einzelnen Richtungen dargestellt ist.
Die Brückenwiderstände 25a bis 25d sind durch entsprechende bzw. ausreichende Verringerung ihrer Größe derart im Messbereich 19 angeordnet, dass sie immer innerhalb des Bereichs des unteren Endes bzw. der Unterseite des Lastüber tragungsstempels 2 zu liegen kommen, selbst wenn der Lastübertragungsstempel 2 während des Zusammenbaus leicht versetzt bzw dejustiert eingebaut wird. Die Brücken-bzw. Brückenschaltkreiswiderstände 25a bis 25d sind außerhalb des Lastübertragungsstempels 2 mit einem Aluminiumdraht 27 verbunden, um das aufgrund des piezoresistiven Effekts erzeugte Ausgangssignal dem Verstärkerschaltkreis 20 zuzuführen. Dadurch wird die Empfindlichkeit bzw. Sensitivität erhöht und eine Verringerung bzw. Verschlechterung der Empfindlichkeit wird vermieden. Da des weiteren jegliche Leitungsbreite bzw. -länge der Brückenwiderstände im Bereich der Unterseite des Lastübertragungsstempels 2 ausgebildet wird, werden die Freiheitsgrade hinsichtlich der Auswahl der Widerstandswerte erhöht.
Da des weiteren die Widerstände 26a und 26b zur Temperaturkompensation der Brückenschaltung gleichförmig im Bereich der Unterseite des Lastübertragungsstempels 2 angeordnet sind, ist deren Temperatur nahezu gleich der Temperatur der Brückenwiderstände 25a bis 25d und im Vergleich zur Anordnung der Widerstände an anderer Stelle wird die Genauigkeit erhöht bzw. verbessert.
Diese Widerstände sind mit tiefliegenden Widerstandsschichten 29 verbunden, die einen Versiegelungsfilm 28 aus einem Dichtteil als ein Al-Abschirmbereich nicht berühren, und diese Widerstände werden von dem Bereich, an den der Messbereich 19 unter der Unterseite des Lastübertragungsstempels 2 angeordnet ist, zu einem anderen Bereich mit den Aluminiumdrähten 27 verdrahtet.
Als nächstes ist eine Schnittansicht bzw. ein Schnittaufbau durch die Halbleiterevorrichtung unter Bezugnahme auf 9 beschrieben, die auch die Verbindung des Lastübertragungsstempels 2 mit dem Schaft 4 zeigt.
9 ist eine vergrößerte Darstellung eines Schnittes entlang der Linie IX-IX in 8 und zeigt die Verbindung des Lastübertragungsstempels 2 mit dem Schaft 4. In 9 ist der Versiegelungs- bzw. Abschirmfilm 28 auf dem piezoresistivem Element 25b, das auf bzw. in dem Messbereich 19 angeordnet ist, vermittels eines isolierenden Film 30b aufgebracht. Der Versiegelungsfilm 28 ist, wie in 8 gezeigt, mit der Masseelektrode 18a verbunden und blockt Hochfrequenzrauschen (10 MHz bis 10 GHz; nachfolgend allgemein als Rauschen bezeichnet) von dem Lastübertragungsstempel 2 ab. Danach ist ein Isolierfilm 30a auf dem Versiegelungsfilm 28 ausgebildet und der Lastübertragungstempel 2 ist darauf unter Zwischenschichtung des Films 23 mittels dem elektrisch isolierenden Klebstoff 22 geklebt.
Andererseits wird auch eine N-Typ-Widerstandsinsel 31 unter dem piezoresistivem Element 25b ausgebildet und mit einer versorgungspannung verbunden bzw. liegt auf dem Versorgungspotential. Widerum darunter ist ein P-Typ-Si-Substrat 32 vorgesehen, das auf Masse liegt. Dann wird der elektrisch isolierende Film 21 auf der Rückseite des Substrats 32 ausgebildet. Der Halbleiter 3 ist mit dem Schaft 4 durch den elektrisch isolierenden Klebstoff 22 verbunden.
Jeder Widerstandswert der Ausgangsanschlüsse I und J der Brückenschaltung des Halbleiters 3 (gezeigt in 20, wird später beschrieben) wird eingestellt auf R_25a = R_25b < R_25c = R_25d, so dass für die Brückenschaltungsausgangssignale V_I und V_J gilt: V_I > V_I. Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform der Schaft 4 im Bereich B in 2 mit der Kappe 1 verschweißt wird, wird in diesem Zustand die Halbleitervorrichtung 3 mit der voreingestellten Last beaufschlagt, um die Widerstände R_25a und R_25b zu erhöhen, so dass der Schaft 4 und die Kappe 1 mit einem Belastungswert zusammengebaut wird, für den pro Produkt V_I = V_J gilt. Damit werden die Gröflenverhältnisse der Brückenschaltungsaus gänge V_I und V_J beim Zusammenbau justiert. Damit wird eine getrennte Offset-Einstellung oder die Verwendung eines Wechselstrom-Kopplungsschaltkreises (nicht gezeigt) unnötig. R_25a, R_25b, R_25c und R_25d sind die Widerstände der piezoresistiven Elemente 25a bis 25d.
Da die piezoresisitiven Elemente bzw. die druckabhängigen Widerstandselement 25a bis 25d mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 4-257272 (gleicher Anmelder wie hier) beschrieben ist, und da andere Transistoren, Widerstände und Bauteile mittels bekannter bipolarer Herstellungsverfahren hergestellt werden, wird auf eine detaillierte Beschreibung hier verzichtet.
Bei dem Druckdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist der konkave Kraterbereich 1b im Zentrum des Membranteils 1a im Bereich des scheibenförmigen Bodens der Kappe 1 ausgebildet.
Nachfolgend wird die Funktionsweise und die Effekte des Kraterbereichs 1b weiter erläutert.
Da der Kraterteil 1b, wie in 2 gezeigt, in Richtung der Halbleitervorrichtung 3 ausgerichtet ist, erhöht sich eine Temperaturdifferenz zwischen der Fläche α (auf die der zu messende Druck einwirkt) des Membranteils 1a und der gegenüberliegenden Fläche β und die Fläche bzw. Oberfläche α dehnt sich im Vergleich zu der Oberfläche β stärker aus. Selbst wenn der radial mittlere Bereich des Membranteils 1a dazu tendiert sich in axialer Richtung hin zu dem Verbrennungsraum auszudehnen, wird es folglich für den Membranteil 1a schwierig sich in axialer Richtung auf die Oberfläche α zu räumlich zu verschieben, da die Steigung des Kraterteils 1b sich in entgegengesetzter Richtung erstreckt.
Dieser Mechanismus wird unter Bezugnahme auf 11 noch detaillierter beschrieben. 11 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Hauptteiles des Membranteils 1a in der vorliegenden Erfindung und der Umgebungsbereich des Kraterteils 1b ist übertrieben bzw. vergrößert dargestellt, um dessen Wirkungsweise deutlicher zu zeigen. In der 11 bezeichnet das Bezugszeichen 1c ein flaches Teil auf der Oberseite des Membranteils 1a auf der Seite der Oberfläche α, 1d bezeichnet ein flaches Teil auf dem Boden des Kraterteils 1b auf der Seite der Oberfläche α und 1e bezeichnet einen Steigungsbereich, der in sich verjüngender Form ausgebildet ist, um das oberseitige Flachteil 1c und das unterseitige Flachteil 1d des Kraterteils 1b auf der Seite der Oberfläche α miteinander zu verbinden und zu halten, und t₁ bezeichnet die Dicke des oberseitigen Flachteils 1c, t₂ die Dicke des unterseitigen Flachteils 1d und t₃ die Dicke des Steigungsteils 1e, wobei der Zusammenhang gilt t₃ ≤ t₁ ≤ t₂.
Falls die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen α und β steigt und die Oberfläche α des Membranteils 1a dazu neigt sich mehr auszudehnen als die Oberfläche β, laufen folgende Vorgänge in dem Membranteil 1a ab. Das oberseitige Flachteil 1c neigt dazu sich zu Strecken, als ob es in Richtung X expandieren würde (gezeigt durch den Pfeil mit durchgezogener Linie, in 11 nach oben weisend). In gleicher Weise neigt das unterseitige Flachteil 1d dazu sich auszudehnen, als ob es in Richtung Y, dargestellt durch den strichlierten Pfeil (in der 11 nach oben weisend) expandieren würde. Da jedoch eine Streckung in Richtung Z in Längsrichtung des Steigungsteils 1e (die Richtung Z ist in der Figur durch einen Pfeil mit durchgezogener Linie dargestellt) der Streckung Y des bodenseitigen Flachteiles 1d entgegenwirkt und diese absorbiert, wird die Versetzung um den radialen Mittelbereich des bodenseitigen Flachteils 1d (die Expansion hin zu dem Verbrennungsraum in axialer Richtung) eliminiert. Dies geschieht, da die Erstreckung bzw. Ausdehnung Z größer als die Ausdehnungen X und Y werden, weil die Dicke t₃ des Steigungsteils 1e kleiner als die Dicken t₁ und t₂ der oberseitigen Flachteile 1c und 1d sind. Die damit zustandekommende Versetzung bzw. Verformung des Membranteils 1a nimmt daher eine Form an, wie sie strichliert in 11 dargestellt ist.
Folglich wird der Lastübertragungsstempel 2 in der Mitte des Membranteils 1a gehalten, wo die durch die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen α und β hervorgerufene Versetzung bei der vorliegenden Ausführungsform geringer ist, selbst wenn die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen α und β aufgrund von Änderungen im Verbrennungszyklus, der Drehzahl und des Anhaftens von Ruß auf der Oberfläche α fluktuiert und der Lastübertragungsstempel 2 wird durch diese Fluktuationen kaum beeinflusst und die Messgenauigkeit ist erhöht, da der Druck mittels eines solchen Lastübertragungsstempel 2 auf das druckempfindliche Element 3 übertragen wird.
Der Kraterteil 1b ist bei der vorliegenden Ausführungsform so ausgebildet, dass er symmetrisch zu einer Mittelachse durch den Membranteil 1a ist, um die vorstehend erläuterten Mechanismen und Wirkungsweisen des Membranteils 1a voll zur Geltung zu bringen.
Auch wenn das Membranteil 1a in 12 kreisförmig ausgebildet gezeigt ist, ist es nicht nötig die kreisförmige Form unbedingt beizubehalten, solange der Kraterteil 1b symmetrisch zu der Mittelachse des Membranteils 1a ist und die gleichen Effekte und Wirkungsweisen wie bei der vorliegenden Ausführungsform können auch mit einer rechtekkigen Form oder mit einer sternförmigen Ausbildung erreicht werden. 12 ist eine Aufsicht aus der Richtung von oben in 11 und der Sechskantteil des Gehäuses und andere Elemente der vorliegenden Erfindung wurden der Einfachheit halber weggelassen.
Die Einflüsse der Fluktuationen der Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen α und β können noch weiter verringert werden, indem der Lastübertragungsstempel 2 in etwa der Mitte des flachen Teils des Kraterteils 1b auf der Oberfläche β angeordnet wird, wo der Einfluss aufgrund der Fluktuationen am kleinsten wird, und indem das abgewandte Endteil 24 beispielsweise kugelförmig ausgebildet wird, so dass sich zu dem Kraterteil 1b ein Punktkontakt ergibt, wie er in 13 ähnlich der vorliegenden Ausführungsform gezeigt ist. D. h. das abgewandte Endteil 24 des Lastübertragungsstempels 2 muss nicht unbedingt kugelförmig ausgebildet sein und es kann jede Form gewählt werden, solange ein Punktkontakt etwa mit der Mitte des Flachteils des Kraterteils 1b auf der Seite der Oberfläche β erreicht wird und Druck auf das druckempfindliche Element 3 übertragen werden kann.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die eine Reduzierung der Fluktuationen bzw. Verbiegungen zwischen den Oberflächen α und β ohne das Vorsehen des Kraterteils 1b in dem Membranteil 1a ermöglicht, wird nachfolgend anhand von 14 erläutert.
Bei dieser Ausführungsform bzw. bei diesem Druckdetektor ist zwar der radiale Zentrumsbereich des Membranteils 1a selbst nicht in axialer Richtung auf die Halbleitervorrichtung 3 hin ausgerichtet, d. h. kein Kraterteil 1b ist gebildet, jedoch ist eine Säule 34 mit einem kleinen Durchmesser axial im radialen Zentrumsbereich auf der Seite der Oberfläche α eines Membranteiles 33 angeordnet und eine wärmeblockierende bzw. wärmeabschattende Schutzplatte 35 in Form einer Scheibe ist auf der Oberseite der Säule 34 parallel zu dem Membranteil 33 ausgebildet. Die Säule 34 und die wärmeabschattende Schutzplatte 35 sind einstöckig mit dem Membranteil 33 ausgebildet.
Mit einer derartigen Konstruktion wird von dem Verbrennungsgas abgestrahlte Wärmestrahlung abgeblockt bzw. daran gehindert den Membranteil 33 zu erreichen. Folglich werden die Temperaturänderungen der Oberfläche α des Membranteils 33 aufgrund von Temperaturfluktuationen der Verbrennungsgase, verursacht durch Fluktuationen verschiedener Betriebsbedingungen des Motors, reduziert. Die Reduktion der Temperaturänderungen reduziert die Fluktuationen der Verbiegung des Membranteils 33 und reduziert den Fehler im Ausgangssignal aus der Halbleitervorrichtung 3.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand von 15 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist der radiale Mittenbereich eines Membranteils 36 in axialer Richtung hin zu der Halbleitervorrichtung 3 in ähnlicher Weise geneigt, wie dies bei dem Membranteil 1a in 2 der Fall ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Säule 37 mit einem kleinen Durchmesser zusätzlich im radial mittleren Bereich des Membranteils 36 auf der Seite der Oberfläche α eingearbeitet und eine wärmeabblockende Schutzplatte 38 in Form einer Scheibe ist auf der Oberseite der Säule 37 parallel zu dem Membranteil 36 angeordnet.
Dadurch ergibt sich ein synergetischer Effekt des die Verbiegung reduzierenden Effekts bei dem Membranteil 1a mit dem Kraterteil 1b, wie in 2 gezeigt ist, und dem verbiegungsreduzierenden Effekt mit der wärmeblockierenden Schutzplatte 35, wie sie in 14 gezeigt ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand von 16 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist der radial mittlere Bereich eines Membranteiles 39 selbst in axialer Richtung auf die Halbleitervorrichtung 3 hin in ähnlicher Weise wie bei dem Membranteil 1a in 2 ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform bedeckt eine flache, kappen- bzw becherförmige, wärmeblockierende Dose 40, hergestellt aus SUS, zusätzlich das Membranteil 39. Einlässe/Auslässe 41 für Verbrennungsgase sind rundherum in der Wand der dünnen wärmeblockierenden Dose 40 angeordnet, um den Verbrennungsgasen zu ermöglichen auf das Membranteil 39 einzuwirken. Diese wärmeblockierende Dose 40 verhindert, das von den Verbrennungsgasen ausgesonderte Wärmestrahlungsenergie von der Oberfläche α des Membranteiles 39 aufgenommen wird, und zwar in gleicher weise, wie dies bei den wärmeblockierenden Schutzplatten 35 und 38, gezeigt in den 14 und 15, bewerkstelligt wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand von 17 erläutert.
Bei dieser Ausführungsform ist der radial mittlere Bereich eines Membranteiles 42 selbst in axialer Richtung hin auf die Halbleitervorrichtung 3 geneigt, in ähnlicher Weise wie das Membranteil 1a in z. Bei dieser Ausführungsform ist eine Hitzeschutzschicht 43 auf die Oberfläche des Membranteils 42, beispielsweise mittels keramischer Flammbeschichtung mit Aluminiumoxid, aufgebracht.
Die Hitzeschutzschicht 43 verhindert, dass von den Verbrennungsgasen ausgehende Wärmestrahlungsenergie von der Oberfläche α des Membranteils 42 aufgenommen wird und sorgt damit für den gleichen Effekt wie er bei den Strukturen und Konstruktionen gemäß den 14, 15 oder 16 erreicht wird.
Als nächstes wird der Zustand der Verbindung der Halbleitervorrichtung 3 mit dem Schaft 4 im Detail erläutert, wie er in 4 beschrieben worden ist.
Es ist bereits beschrieben worden, dass der Schaft 4 elektrisch leitend mit dem Motorblock verbunden ist und auf Masse liegt bzw, geerdet ist, da das mit dem Motorblock vershraubte Gehäuse 7 vermittels der Kappe 1, die das Membranteil 1a umfasst, elektrisch leiten mit dem Schaft 4 verbunden ist. Es ist möglich, dass aufgrund von kleinen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Schafts 4, wie dies in 4 und 5 gezeigt ist, der Schaft 4 teilweise die Halbleitervorrichtung 3 kontaktiert und mit dieser leitend verbunden ist. Da damit die Halbleitervorrichtung 3 unmittelbar den Einflüssen ausgesetzt ist, die auch auf Masse einwirken und zu Variationen bzw. Fluktuationen der Sensorcharakteristiken führen, wird auf der gesamten Unterseite oder dem Boden der Halbleitervorrichtung 3 unter Verwendung des elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 ein isolierender Film ausgebildet, um den Schaft 4 von der Halbleitervorrichtung 3 zu isolieren.
Es gibt jedoch Fälle, bei denen keine komplette Isolierung vorliegt, selbst wenn der isolierende Film auf der gesamten Unterseite der Halbleitervorrichtung 3 ausgebildet ist. D. h. dieser Fall liegt vor, wenn der elektrisch isolierende Klebstoff 22 auf der Unterseite der Halbleitervorrichtung 3 nicht seitlich die Halbleitervorrichtung 3 hinaufkriecht, wodurch ein Leck bzw. Leckströme im Übergangsbereich auf der Seite der Halbleiterrichtung 3 verursacht werden. Zur Abhilfe wird die Viskosität des elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 zuerst mittels Erwärmung oder ähnlichem verringert, um zuverlässig zu gewährleisten, dass der elektrisch isolierende Klebstoff 22 bei der vorliegenden Erfindung etwas seitlich die Halbleitervorrichtung 3 hinaufkriecht und bedeckt. Der seitliche Bereich der Halbleitervorrichtung 3 ist daher, wie in 5 gezeigt, durch den hinaufgekrochenen Teil des elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 bedeckt und ein Leck im Übergangsbereich wird vollständig vermieden.
Obwohl es auch möglich ist die Leckströme im Übergangsbereich zu vermeiden ohne die Viskosität des elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 zu vermindern, indem die Dicke des isolierenden Films beispielsweise um mehrere zig um vergrößert wird, wird deutlich, das eine Verminderung der Viskosität des elektrisch isolierenden Klebstoffs 22 angeraten erscheint, wenn man die Umstände berücksichtigt, dass die Wärmeabstrahlung vermindert wird und das die Zeit zum Ausbilden des Films erhöht wird.
Weiter ist es möglich den Schaft 4 von der Halbleitervorrichtung 3 ohne Ausbildung eines isolierenden Films auf der gesamten Rück- bzw. Unterseite der Halbleitervorrichtung 3 zu isolieren, indem eine isolierende Beschichtung (nicht gezeigt) auf die Oberfläche des Schafts 4 wenigstens in den Bereichen aufgebracht wird, in denen die Halbleitervorrichtung 3 angeordnet ist.
Der Schaft 4 ist daher vollständig von der Halbleitervorrichtung 3 isoliert und Fluktuationen der Sensorcharakteristiken bzw. Sensoreigenschaften, die durch Leckströme erzeugt werden, werden eliminiert.
Nachfolgend wird der Zustand der Verbindung bzw. Verklebung des Lastübertragungsstempels 2 und der Halbleitervorrichtung 3, wie sie in 6 dargestellt ist, anhand der 18 und 19 im Detail erläutert.
Wenn ein harter Lastübertragungsstempel 44 unmittelbar auf einem harten Halbleiter 45 aufliegt, wird normalerweise eine auf dem Halbleiter 45 unmittelbar unter dem harten Stempel 44 erzeugte Spannung in dem Teil konzentriert, der unmittelbar unter dem äußeren Randbereich des Lastübertragungsstempels 44 liegt. 18 zeigt in (a) so einen Fall, worin die Stärke des Halbleiter 45 absinkt. Dann wird durch Zwischenschichtung eines weichen Bauteils 46 als eine Pufferschicht für die Spannung zwischen dem Lastübertragungsstempel 44 und dem Halbleiter 45, gezeigt in (b) in 18, die Konzentration der Spannung eliminiert.
Da jedoch die Zwischenschichtung eines weichen Bauteiles 46 in den Druckübertragungsweg nichts anderes ist als das Bewirken eines Druckübertragungsverlusts, muss auf die Elastizität des weichen Bauteiles 46 geachtet werden, um eine dadurch verursachte Verschlechterung der Empfindlichkeit des Halbleiters zu verhindern. Folglich sind der Elastizitätsmodul und die Dicke diejenigen Faktoren, die die Elastizität des weichen Bauteils 46 bestimmen und sie müssen in entsprechender Weise ausgewählt werden. Da es sich jedoch bei dem Klebstoff, der zur Verbindung des Halbleiters 45 mit dem Lastübertragungsstempel 44 verwendet wird, um eine Flüssigkeit oder ein Gel handelt, ist es sehr schwierig die Dicke des Klebstoffs zu kontrollieren bzw. zu steuern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hängt die Steuerung der Dicke der Pufferschicht von dem Film 23 aus Harz oder Glas mit kleinem Elastizitätsmodul und geringer spezifischer Wärmeleitfähigkeit ab und die Elastizität der Pufferschicht wird in geeigneter Weise so gesteuert bzw. eingestellt, dass die Kompressationskraft einen gewünschten Wert einnimmt indem die Konzentration der Spannung unmittelbar unter dem äußeren Randbereich des Lastübertragungsstempels 2 gelöst wird.
weiter ist es möglich die Konzentration der Spannung unmittelbar unter dem äußeren Randbereich des Lastübertragungsstempels 2 noch zuverlässiger zu lösen, indem die Fläche des Films 23, die in Kontakt mit dem druckempfindlichen Element 3 steht, größer oder ungefähr gleich der Fläche der mit Druck beaufschlagten Fläche (Messbereich 19) des Lastübertragungsstempel 2 gemacht wird, der auf das druckempfindliche Element 3 drückt.
Folglich kann die Konzentration der Kompressionskraft auf der Oberfläche des druckempfindlichen Elements 3 unmit telbar unter dem Druckübertragungsstempel 2 vermieden bzw. gelöst werden.
Folglich kann Druck in einem Zustand detektiert werden, bei dem keine Druckkonzentration vorliegt.
Da des weiteren die Kompressionskraft auf dem druckempfindlichen Element 3 gelöst wird und die Stärke bzw. Festigkeit des Si-Substrats aufrechterhalten wird, kann der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung in Umgebungen mit vergleichsweise hohen Drücken eingesetzt werden und der Einsatz- und Anwendungsbereich ist im Vergleich zum Stand der Technik vergrößert.
Die Pufferschicht aus dem elektrisch isolierenden Klebstoff 22 und dem Film 23 hat die Funktion die durch die vorstehend beschriebene Belastung erzeugte Konzentration von Spannung zu lösen. Es ist jedoch auch eine andere Struktur bzw. ein anderer Aufbau möglich, wie er in 19 gezeigt ist. In der Ausführungsform gemäß 19 wird der elektrisch isolierende Klebstoff 22 oder Glas mit niedrigem Schmelzpunkt selbst als die Pufferschicht ohne Verwendung des Films 23 genutzt. In diesem Fall werden Füllelemente 47, die isolierend sind, wie Glas, Keramik oder Harz, dem elektrisch isolierenden Klebstoff 22 zugesetzt, um die notwendige Dicke der Pufferschicht zu gewährleisten.
Auch wenn die Vorrichtung zur Ausgabe von Signalen als Reaktion auf Druck beispielhaft bei der vorliegenden Ausführungsform beschrieben worden ist, ist die Ursache für die Erzeugung von Spannungen nicht notwendigerweise auf die Ausübung von Druck beschränkt und es erübrigt sich nahezu zu erwähnen, dass es auch im Rahmen des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt, wenn die Belastung, die die Spannung auf das druckempfindliche Element 3 mittels dem Lastübertragungsstempel 2 übertragen, Belastungen umfassen, die aufgrund von Beschleunigung, magnetischen Kräften oder elektrostatischen Kräften auf den Lastübertragungsstempel 2 einwirken.
Als nächstes wird die Betriebsweise erläutert, wenn die Spannung von dem Lastübertragungsstempel 2 auf die Halbleitervorrichtung 2, wie sie in 8 gezeigt ist, übertragen wird.
Betrachtet man nur die Spannung in Druckerzeugungsrichtung des Druckübertragungsstempels 2 als die Spannung, die auf die Halbleitervorrichtung 3 wirkt, d. h. die Spannung, die auf die Bückenschaltungswiderstände wirkt, die im Messbereich 19 der Halbleitervorrichtung 3 unmittelbar unter dem unteren Ende des Lastübertragungsstempels 2 angeordnet sind, kann der piezoresistive Effekt auf der (110)-Fläche folgendermaßen ausgedrückt werden:
Hierbei sind E<100> und E<110> die elektrischen Felder, i<100> und i<110> sind Komponenten der Stromdichte in jeder Kristallachsenrichtung, ρ ist ein spezifischer Widerstand, σ_zz ist eine Spannungskomponente in senkrechter Richtung zu der Halbleiterfläche (der Druckrichtung des Stempels) und π₁₁, π₁₂ und π₄₄ sind die piezoresistiven Koeffizienten der Hauptachsen des Kristalls.
Da in einem normalen Si-Substrat des P-Typs π₁₁, π₁₂ << π₄₄ gilt, wird nahezu kein piezoresistiver Effekt in piezoresistiven Elementen erzeugt, die in der <100>-Richtung angeordnet sind, und der maximale piezoresistive Effekt wird durch das Paar von piezoresistiven Elementen erzielt, die in <110>-Richtung angeordnet sind. D. h. die Resistanz in der <110>-Richtung erhöht sich aufgrund der Kompressionskraft in der σ_zz-Richtung. Folglich ist es wichtig die piezoresistiven Elemente entsprechend in der <100>- und <110>-Richtung anzuordnen, um sie in einer Brückenschaltung miteinander zu verbinden, die den piezoresistiven Effekt möglichst effizient nützt.
Dann wird bei der vorliegenden Erfindung ein π'₁₃-Messwiderstand, dessen Resistanz- bzw Widerstandswert sich als Antwort auf eine Kompressionskraft senkrecht zu der Oberfläche der Halbleitervorrichtung 3 ändert, für die piezoresistiven Elemente 25a bis 25d vorgesehen, um den Einfluss der Breite einer Kontaktelektrode (nicht dargestellt) am Ausgangsanschluss zu eliminieren und um die Empfindlichkeit zu verbessern bzw. zu erhöhen. Da des weiteren die piezoresistiven Elemente 25a bis 25d als Brückenschaltung ausgebildet sind und der π'₁₃-Messwiderstand innerhalb des Messbereichs 19 in der Halbleitervorrichtung 3 unmittelbar unter dem unteren Ende des Lastübertragungsstempels 2 angeordnet ist, kann die Verschlechterung der Empfindlichkeit und der Temperaturcharakteristik reduziert werden.
Es konnte bestätigt werden, dass bei Brückenschaltung der Messwiderstände 25a bis 25d sich bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung eine Empfindlichkeit ergibt, die bei dem 1,5-fachen eines quadratischen Messwiderstands liegt und zwar aufgrund eines FEM-Effekts (FEM = elektromotrische Kraft), wie er in der vorliegenden Erfindung implementiert ist.
Folglich ist es möglich eine genaue Temperaturcharakteristik unabhängig von der Elektrodenbreite des druckempfindlichen Elements 3 zu erhalten ohne die Empfindlichkeit zu verringern, selbst wenn die Fläche, auf die die Kompressionskraft durch den Lastübertragungsstempel 2 wirkt, versetzt ist.
Es wurde bereits bei 8 erläutert, dass die Widerstände 26a und 26b zur Kompensation der Temperatur der Brückenschaltung innnerhalb des Bereichs des unteren Endes des Lastübertragungsstempels 2 angeordnet sind. Die Messwiderstände und die Widerstände zur Temperaturkompensation sind innerhalb des Bereichs des unteren Endes des Stempels angeordnet und so um die Mitte des Zentrums der Halbleitervorrichtung 3, wie sie in 8 gezeigt ist, angeordnet, wobei dieser Ort so gewählt ist, dass er den geringsten Temperaturgradienten auf der Fläche der Halbleitervorrichtung 3 aufweist, die mit dem Lastübertragungsstempel 2 in Verbindung steht. Die Widerstände 26a und 26b zur Temperaturkompensation sind in der gleichen <100>-Kristallachsenrichtung, wie die Messwiderstände 25c und 25d angeordnet. Da demnach die Widerstandswerte der Widerstände 26a und 26b zur Temperaturkompensation sich kaum als Reaktion auf Spannungen verändern werden, werden Änderungen des Verstärkungsfaktors auf gurnd des Druckes, bestimmt durch den Widerstand, unterdrückt.
20 zeigt ein Ersatz- bzw. ein Äquivalenzschaltbild, zusammengesetzt aus dem Messbereich 19, in dem jeder der Widerstände 25a bis 25d und 26a und 26b angeordnet sind, und dem Verstärkerschaltkreis 20.
In 20 sind vier piezoresistive Elemente 25a bis 25d in einer BrückenMessschaltung miteinander verbunden und eine Änderung der Resistanzwerte bzw. Widerstandswerte, verursacht durch den piezoresistiven Effekt, wird als Spannungsänderung erfasst. Danach wird ein Verstärkungsfaktor eines Operationsverstärkers OP durch die Temperaturkompensationswiderstände 26a und 26b geändert, wenn die Ausgangsspannung durch den Operationsverstärker verstärkt wird, um die Änderung der Empfindlichkeit aufgrund der Temperaturcharakteristik bzw. Temperaturabhängigkeit der piezoresistiven Elemente 25a bis 25d zu kompensieren.
weil hier der Temperaturkoeffizient für die Widerstandswerte der eindiffundierten widerstände und der des piezoresistiven Effekts allgemein von Verunreinigungskonzentrationen bzw Dotierungen abhängen, ist es notwendig die Verunreinigungs- bzw. Fremdatomkonzentration jedes Widerstands 25a bis 25d und 26a und 26b auf geeignete Werte einzustellen, um den vorstehend beschriebenen Kompensationseffekt zu erzielen. Dann werden bei der vorliegenden Erfindung Widerstände mit den gleichen Konzentrationen beispielsweise für jeden der Widerstände 25a bis 25d und 26a und 26b verwendet und Widerstände mit einem Temperaturkoeffizienten von 0 werden dann als Widerstände R₁ und R₂ verwendet, die zusammen mit den Temperaturkompensationswiderständen 26a und 26b den Verstärkungsfaktor bestimmen.
Ein Transistor Tr und Widerstände R₄, R₅ und R₆ bilden einen Konstanzspannungsschaltkreis zum Einstellen einer imaginären Masse für den Operationsverstärker OP und ein Widerstand R₃ ist ein widerstand zum Einstellen des Offsets des Operationsverstärkers. Die Widerstände R₅ und R₆ sind Dünnfilmwiderstände, die mittels Laser auf den Wafer getrimmt werden. Die Verwendung einer Mehrzahl von Operationsverstärkern OP ermöglicht das Bilden eines hochgenauen Verstärkungsschaltkreises.
Als nächstes wird der Betrieb und die Funktionsweise der Halbleitervorrichtung gemäß des Aufbaus in 9 im Detail erläutert.
Wenn das Rauschen einer Zündung oder das Rauschen eines Senders/Empfängers in den Motorblock eindringt, wird dieses Rauschen zu dem Lastübertragungsstempel 2 übertragen, da der Lastübertragungsstempel 2 elektrisch leitend ist, wenn er aus Metall besteht. Hierbei wird das Rauschen durch eine parasitäre Kapazität absorbiert, die zwischen dem Lastübertragungsstempel 2 und dem Versiegelungs- bzw. Abschirmfilm 28 gebildet wird, weil der Versiegelungsfilm 28 auf den piezoresistiven Elementen 25a bis 25d (siehe 9) auf Masse liegt. Dadurch wird ein Einfluss des Rauschens auf die piezoresistiven Elemente 25a bis 25d ausgeschaltet. Obwohl das Rauschen auch auf den Schaft 4 übertragen wird, wird es in gleicher weise durch eine parasitäre Kapazität absorbiert, die zwischen dem Schaft und Masse erzeugt wird, da das Potential des P-Typ-Si-Substrats 32 der Halbleitervorrichtung 3 mit Masse verbunden ist. Folglich wird der Einfluss des Rauschens auf die piezoresistiven Elemente 25a bis 25d ausgeschaltet und es wird möglich die Charakteristiken aufgrund von fluktuierendem Rauschen zu unterdrükken.
21 zeigt ein Äquivalentschaltbild bei dem zusätzlich die vorstehend beschriebenen parasitären Kapazitäten bei dem Äquivalentschaltbild gemäß 20 berücksichtigt worden sind.
In 21 sind C₁, C₂ und C₃ parasitäre Kapazitäten, wie sie vorstehend beschrieben sind, und durch ein isolierendes Bauteil 46 zwischen den Signalleitungen 18a, 18b und 18c, d. h. den Leiterelement 6A, 6B und 6C erzeugt werden. Da hierbei jede der Leiterelemente 6A, 6B und 6C ein Ausgangsanschluss ist, dessen Ausgabe durch den Operationsverstärker OP oder den Transistor Tr impedanz-konvertiert werden und da die Impedanz einer jeden Signalleitung kleiner als 1 Ω ist, werden sie durch das Rauschen nicht beeinflusst. Der Einfluss des Rauschens kann in gleicher Weise auch dadurch verhindert werden, dass zusätzlich ein Ein stellanschluss (nicht gezeigt) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal nicht beeinflusst wird, oder dass zusätzlich eine Kapazität zwischen der Spannungsquelle und Masse oder zwischen dem Ausgang und Masse (nicht gezeigt) vorgesehen wird.
C₄ ist eine parasitäre Kapazität, die durch den elektrisch isolierenden Klebstoff 22 und den elektrisch isolierenden Film 21 zwischen dem Schaft 4 und dem P-Typ Si-Substrat 32 erzeugt wird. Durch die Verbindung mit einer Masseleitung wird der Einfluss des Rauschens auf die piezoresistiven Elemente 25a bis 25d eliminiert. C₆ bis C₉ sind parasitäre Kapazitäten, die zwischen den piezoresistiven Elementen 25a bis 25d erzeugt werden und C₅ ist eine parasitäre Kapazität, die zwischen dem Versikegelungsfilm 28 und dem Lastübertragungsstempel 2 erzeugt wird. Da der Versiegelungsfilm 28 mit der Signalleitung mit kleiner Impedanz, d. h. Masse, verbunden ist, wird der Einfluss des Rauschens auf die piezoresistiven Elemente 25a bis 25d eliminiert.
Da der Lastübertragungsstempel 2 als ein elektrischleitendes Bauteil ausgebildet ist, wird der Versiegelungsfilm 28 auf den Messwiderständen 25a bis 25d durch Zwischenschichtung der isolierenden Filme 30a und 30b vorgesehen. Der Versiegelungsfilm 28 ist nicht notwendig, falls der Lastübertragungsstempel 2 als ein isolierendes Bauteil ausgebildet ist.
Weiter ist es möglich, auch wenn dies nicht gezeigt ist, die Schicht aus isolierendem Klebstoff 22 auf den Messwiderständen 25a bis 25d dicker zu machen, um eine Kapazität zwischen dem Ausgangsanschluss I der Brücke und Masse und dem Ausgangsanschluss der Brücke und Masse bereitzustellen, ohne Verwendung des Versiegelungsfilms 28, wie er vorstehend beschrieben worden ist.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail anhand von den 22 und 23 erläutert, wobei auch die Einstellung und Auslegung der Brückenschaltungsausgangssignale V_I und V_J erläutert wird.
In 22 ist eine schematische Darstellung der gesamten Montageeinheit mit dem jedes Produkt mit der vorliegenden Erfindung mit einer voreingestellten Last beaufschlagt wird.
In 22 wird eine Sensoreinheit 48, die aus der Halbleitervorrichtung 3, dem Schaft 4 und den Bonddrähten 16 zusammengesetzt ist, in eine Halterung 49 eingesetzt und die Leiterelemente 6A, 6B und 6C werden in einen Sockel 50 eingeführt, um Signale abzunehmen. Eine Gerätestromversorgung 51 wird mit dem Leiterelement 6A verbunden, eine Gerätemasseleitung 52 wird mit dem Leiterelement 6B verbunden und eine Geräteausgangssignalleitung 53 wird mit dem Leiterelement 6C verbunden. Jede dieser Leitungen wird mit einer Steuereinheit 54 verbunden. Die Steuereinheit 54 umfasst einen Vergleicher 57 zum Vergleichen einer Spannung aus einer Spannungsversorgung 55 zum Antrieb für das Gerät bzw. den Sensor, einer Referenzspannung 56 und einer Eingangsspannung von der Geräteausgangssignalleitung 53 und dient zum Ausgeben eines Lastanpassungssignals 58. Wenn das Lastanpassungssignal von der Steuereinheit 54 ausgegeben wird, erzeugt ein Lastgenerator 59 als Antwort auf das Lastanpassungssignal eine Last und überträgt die Last auf eine voreingestellte Lastbeaufschlagungshalterung 60. Die voreingestelle Lastbeaufschlagungshalterung 60 wird auf das Membranteil 1a aufgesetzt, das auf der Kappe 1 vorgesehen ist, die mit der Sensoreinheit 48 zusammen mit dem Lastübertragungsstempel 2 koaxial ausgerichtet ist. Damit sind die voreingestellte Lastbeaufschlagungshalterung 60, das Membranteil 1a und die Kappe 1, der Lastübertragungsstempel 2, die Sensoreinheit 48, die Halterung 49 und der Sockel 50 alle auf einer gemeinsamen Achse 61 ausgerichtet.
Gemäß der Montageeinheit mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau, wird der Widerstand R₃, die einen Aufbau gemäß 20 aufweist, justiert und die Offset- bzw. Gegenspannung des Operationsverstärkers OP wird auf 0 Volt eingestellt. Der widerstand R₆ wird ebenfalls so eingestellt bzw. vorjustiert, so dass sich 0 Volt ergeben (z. B. 1,2 Volt), wenn für den Messausgang gilt ΔV_G = 0 V. Hierbei wird der Messgeräte-Offset-Wert auf eine negative Spannung von z. B. –60 mV eingestellt. 23 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Messausgang ΔV_G und der voreingestellten Last F in diesem Zustand bzw. bei diesen Verhältnissen.
In 23 wird der Messausgang ΔV_G vor dem Aufsetzen der voreingestellten Lastbeaufschlagungshalterung 60 auf dem Membranteil 1a verschoben und für beispielhafte Testgeräte γ und δ wird der Messausgang ΔV_G auf 0 Volt eingestellt, in dem das Testgerät γ mit einer vorbestimmten Last γ' und das Testgerät δ mit einer voreingestellten Last δ' beaufschlagt wird, so dass der Sensorausgang zu 0 Volt wird. Da die Messgeräte-Offset-Spannung immer auf 0 Volt eingestellt wird, kann, selbst wenn die Messgeräte-Offset-Spannung sich verschieben würde, das Messgerät durch Rauschen von der Strom- bzw. Spannungsversorgung nicht beeinflusst werden.
Die Dispersion bzw. Verschiebung der 0-Spannung des Sensorausgangs kann daher verhindert werden, indem die Halbleitervorrichtung 3 mit einer Last beaufschlagt wird, so dass der Ausgang der Brückenschaltung 0 Volt wird, diese Ausgabe wird dann beibehalten.
Weil der Schaft 4 und die Kappe 1 runderherum durch Bestrahlung mit einem Laser, in dem in 2 gezeigten Bereich B verschweißt werden, während der Zustand mit der Be aufschlagung mit der voreingestellten Last F auf das Messgerät mittels des Lastgenerators 59 aufrechterhalten wird, und weil alle auf der gemeinsamen Achse angeordneten in einer Drehachse 61 zusammenfallenden Bauteile gedreht werden, ergibt sich das Messgerät mit den justierten bzw. eingestellten Brückenschaltungsausgängen V_J und V_I.
Die Steuerung der Steuereinheit 54 kann mittels Software unter Verwendung eines Personalcomputers oder ähnlichem realisiert werden.
Des weiteren ist eine vollständige Automatisierung möglich, in dem der Steuereinheit 54 zusätzlich die Steuerung des Lasers und der Drehung übertragen wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und dass im Rahmen des Schutzumfangs der Ansprüche vielfältige Modifikationen möglich sind.

Claims

Druckdetektor mit: einem Substrat (3); einer Messwiderstandseinrichtung (25a–25d), die auf dem Substrat ausgebildet ist und deren Widerstandswerte sich als Reaktion auf darauf wirkenden Druck ändern; einer Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung (26a– 26b), die auf dem Substrat (3) zur Temperaturkompensation der Messwiderstandseinrichtung ausgebildet ist; einer Druckübertragungseinrichtung (1, 2), die mit dem Substrat (3) verbunden ist, zum Übertragen des Drucks auf die Messwiderstandseinrichtung (25a–25d), derart, dass die Messwiderstandseinrichtung (25a–25d) und die Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung (26a–26d) innerhalb einer Verbindungsfläche (19) positioniert sind, die sich innerhalb des Bereichs der Unterseite der Druckübertragungseinrichtung (1,2) befindet.
Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Widerstandseinrichtungen (25a–25d, 26a–26d) innerhalb der Verbindungsfläche der Druckübertragungseinrichtung angeordnet und in etwa in einem radialen Zentralbereich des Substrats ausgebildet ist.
Druckdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Widerstandseinrichtungen (25a–25d, 26a–26d) eine Linien- bzw. Leitungsbreite und eine Linien- bzw. Leitungslänge besitzt, die sich innerhalb eines Bereichs erstrecken, der innerhalb der Verbindungsfläche der Druckübertragungseinrichtung liegt.
Druckdetektor nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3) aus einem Halbleiter mit einer <110>-Kristallflächenorientierung besteht, dass eine Brückenschaltung gebidet ist, indem ein Paar (15a–25b) von Widerständen der Messwiderstandseinrichtung in Richtung der <110>-Kristallachse aufgetragen ist und indem ein anderes Paar von Widerständen (25c–25d) der Messwiderstandseinrichtung in Richtung der <100>-Kristallachse aufgetragen ist, und dass die Temperaturkompensationswiderstandseinrichtung (26a–26b) in Richtung der <100>-Kristallachse aufgetragen ist.
Druckdetektor, mit: einem Substrat (3) mit einer Hauptfläche, auf der Messwiderstände (25a–25d) angeordnet sind; einem auf der Hauptfläche des Substrats (3) angeordneten Druckübertragungselement (2) zum Übertragen von Druck zu den Messwiderständen; einem elektrisch leitenden Basisbauteil (4) zum Anordnen und Fixieren des Substrats (3); und Signalübertragungsmitteln (6), die hermetisch abgedichtet mit der Basis verbunden sind; wobei die Signalübertragungsmittel (6) zum Übertragen von Messausgaben von den Messwiderständen ausgebildet sind; ein Isolierfilm (21, 22) auf der Rückseite des Substrats zwischen dem Basisbauteil und dem Substrat ausgebildet und das Substrat geerdet ist, und ein elektrisch leitendes Abschirmteil (28) auf den Messwiderständen (25a–25d) auf dem Substrat zwischen dem Druckübertragungsmittel (2) und dem Substrat unter Zwischenschaltung eines Isolierfilms (30b) vorgesehen ist, und wobei das Abschirmteil geerdet ist.
Druckdetektor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3), auf dessen Rück- bzw. Oberseite der Isolierfilm (30b) aufgebracht ist, mit dem Basisbauteil mittels eines Klebstoffs (22) verbunden ist, der an der Unterseite des Substrats seitlich an dem Substrat hochkriecht. (5)
Druckdetektor nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pufferschicht (23, 46) zum Relaxieren bzw. Auflösen von Spannungskonzentrationen im Bereich der Verbindungsfläche des Druckübertragungsbauteils zwischen dem Druckübertragungsbauteil und dem Substrat vorgesehen ist.
Druckdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht aus einem filmähnlichen Element (23) besteht.
Druckdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht aus einem Klebstoff (22) besteht, in dem Füllelement (47) enthalten sind.