DE19848256C2 - Halbleiter-Druckmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Druckmeß­ vorrichtung,
die folgendes aufweist:
ein Gehäuse, das ein Druckeinleitungsloch hat;
eine Basisplatte, die ein erstes Durchgangsloch in ihrer Mitte hat und an ihrem Umfang mit der Innenseite des Gehäuses ver­ bunden ist, so daß das erste Durchgangsloch mit dem Druckein­ leitungsloch im wesentlichen konzentrisch ist;
eine Halterung, die ein zweites Durchgangsloch in ihrer Mitte hat und so auf der Basisplatte angebracht ist, daß das zweite Durchgangsloch mit dem ersten Durchgangsloch im wesentlichen konzentrisch ist, und innerhalb von dem Verbindungsbereich des Gehäuses und der Basisplatte angeordnet ist; und
einen Halbleiter-Drucksensorchip, der auf der Halterung ange­ bracht ist, um einen Druck, der durch das in dem Gehäuse ge­ bildete Druckeinleitungsloch, das erste Durchgangsloch und das zweite Durchgangsloch eingeleitet wird, zu messen.

Eine derartige Halbleiter-Druckmeßvorrichtung ist aus der JP-A-07-294 353 bekannt.

Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Halbleiter-Druck­ meßvorrichtung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt und hat einen Drucksensorchip 104, der in einer Ausnehmung 101a, die in einem Körper 101 ausgebildet ist, mittels einer Basisplatte 102 und einer Glasbasis 103 angebracht ist, wie es Fig. 4 zeigt; ein Druck wird auf den Drucksensorchip 104 über Durch­ gangslöcher 101a, 102a, 103a aufgebracht, die in dem Körper 101, der Basisplatte 102 bzw. der Glasbasis 103 konzentrisch gebildet sind.

Die Basisplatte 102 ist durch Laserschweißen an ihrem Umfang an dem Körper 101 befestigt, und ein zentraler Bereich ist er­ haben bzw. hochgezogen ausgebildet, so daß eine Nut 102b, die mit dem Durchgangsloch 102a konzentrisch ist, im Inneren des lasergeschweißten Bereiches dieses bekannten Beispiels ausge­ bildet ist, um zu verhindern, daß unnötige Beanspruchungen, die durch Wärmeausdehnung von Bestandteilen aufgrund der Wärme verursacht werden, die beim Laserschweißen erzeugt wird, auf die Glasbasis 103 und den Drucksensorchip 104 übertragen wer­ den.

Es besteht jedoch das Problem, daß die bekannte Halbleiter- Druckmeßvorrichtung nicht kostengünstig hergestellt werden kann, weil das Laserschweißen erhebliche Zeit erfordert. Es ist zwar die Anwendung eines Buckelschweißverfahrens denkbar, um dieses Problem zu lösen; in diesem Fall besteht jedoch das Problem, daß eine Verbindung der Basis aufgrund einer Restbe­ anspruchung brechen kann, die durch Stoß oder Wärme, die beim Verbinden erzeugt werden, verursacht wird. Außerdem besteht auch das Problem, daß dann, wenn ein hoher Druck von außen aufgebracht wird, die aus Metall bestehende Basisplatte verbo­ gen wird, was es unmöglich macht, einen ausreichenden Spiel­ raum zum Messen eines Bereiches von Drücken bis zu einem hohen Druck zu erhalten.

Eine weitere Halbleiter-Druckmeßvorrichtung ist aus der US 4 790 192 bekannt. Bei dieser herkömmlichen Halbleiter- Druckmeßvorrichtung gemäß der dortigen Fig. 23 ist eine Mon­ tageplatte in ihrem mittleren Bereich mittels einer Spannungs­ ausgleichsschicht auf einer Basisplatte montiert. Auf der Mon­ tageplatte ist eine Membranplatte angebracht, die sich sowohl in der Mitte als auch am Rand auf der Montageplatte abstützt. Durch die Basisplatte und die Montageplatte führen Durchgangslöcher, die dann zu zwei gegenüberliegenden separaten Kammern abzweigen, denen jeweils ein Drucksensorchip zugeordnet ist, der jeweils separat angeschlossen ist.

Weiterhin ist aus der DE-34 36 440 A1 eine Halbleiter-Druck­ meßvorrichtung bekannt, die folgendes aufweist: ein Gehäuse, das ein Druckeinleitungsloch hat; eine Basisplatte, die ein erstes Durchgangsloch in ihrer Mitte hat und an ihrem Umfang mit der Innenseite des Gehäuses verbunden ist, so daß das erste Durchgangsloch mit dem Druckeinleitungsloch im wesentli­ chen konzentrisch ist; und einen Halbleiter-Drucksensorchip zum Messen eines Druckes, der durch das im Gehäuse gebildete Druckeinleitungsloch und das Durchgangsloch eingeleitet wird. Die Basisplatte hat dabei eine Ringnut, die den Halbleiter- Drucksensorchip umgibt, um auf diese Weise Vorspannungen des Drucksensorchips beim Einbringen in sein Gehäuse zu beseiti­ gen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter- Druckmeßvorrichtung anzugeben, die relativ hohe Drücke messen kann und in kostengünstiger Weise herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Halbleiter- Druckmeßvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Basisplatte folgendes aufweist:
eine erste Basisplatte, die am Umfang ihrer unteren Oberfläche auf das Gehäuse gebondet ist, und eine zweite Basisplatte, die auf die erste Basisplatte innerhalb des Umfanges der oberen Oberfläche der ersten Basisplatte gebondet ist, und wobei der Halbleiter-Drucksensorchip mittels der Halterung auf der zwei­ ten Basisplatte angebracht ist.

Mit einer derartigen Ausführungsform der Halbleiter-Druckmeß­ vorrichtung gemäß der Erfindung wird es in vorteilhafter Weise ermöglicht, die durch eine äußere Kraft bewirkte Formänderung der zweiten Basisplatte kleiner als die Formänderung der ersten Basisplatte zu machen und zu verhindern, daß eine äußere Kraft in unnötiger Weise über die Halterung auf den Halbleiter-Drucksensorchip aufgebracht wird. Damit wird die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen der Halterung und der Basisplatte verbessert.

Eine solche Ausführungsform der Halbleiter-Druckmeßvorrichtung kann in kostengünstiger Weise hergestellt werden, weil bei der Herstellung das Buckelschweißen angewandt werden kann, das innerhalb eines kurzen Zeitraumes abgeschlossen werden kann. Weiterhin kann verhindert werden, daß unnötige Beanspruchungen auf den Halbleiter-Drucksensorchip einwirken, wenn im Betrieb ein Druck aufgebracht wird, so daß die Zuverlässigkeit verbessert werden kann und relativ hohe Drücke gemessen werden können.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckmeß­ vorrichtung ist vorgesehen, daß die Verbindung zwischen der ersten Basisplatte und der zweiten Basisplatte innerhalb des Umfanges der Halterung angeordnet ist.

Eine derartige Konfiguration ermöglicht es, die durch eine äußere Kraft bewirkte Formänderung der zweiten Basisplatte wirksamer zu unterdrücken. Damit kann die Zuverlässigkeit ebenfalls verbessert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration einer Halbleiter-Druckmeßvorrichtung zeigt;

Fig. 2 eine Perspektivansicht der Basisplatte der Druckmeß­ vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine teilweise weggeschnittene Ansicht, die die Kon­ figuration der Halbleiter-Druckmeßvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und in

Fig. 4 eine Querschnittsansicht, die die Konfiguration einer bekannten Halbleiter-Druckmeßvorrichtung zeigt.

Fig. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die die Kon­ figuration eines Halbleiter-Drucksensors zeigt. Der Halb­ leiter-Drucksensor wird hergestellt, indem ein Halbleiter- Drucksensorchip 1 in einem Gehäuse 4 angebracht wird, wie es nachstehend beschrieben ist.

Der Halbleiter-Drucksensorchip 1 weist ein Siliciumsubstrat mit einer Brückenschaltung auf, die aus einem diffundierten Widerstand besteht, der in einem dünnwandigen Bereich davon ausgebildet ist, wobei ein Druck, der auf den dünnwandigen Bereich aufgebracht wird, eine Änderung des Widerstandswertes bewirkt, die einer Beanspruchung oder elastischen Formänderung entspricht. Die Änderung des Widerstandswertes bringt die Brückenschaltung aus dem Gleichgewicht, so daß ein elektri­ sches Ausgangssignal abgegeben wird, das dem aufgebrachten Druck entspricht.

Das Gehäuse 4 weist einen Gehäusekörper 4a und eine Gehäuse­ abdeckung 4b auf, und der Gehäusekörper 4a und die Gehäuse­ abdeckung 4b bilden gemeinsam einen Raum zur Aufnahme des Halbleiter-Drucksensorchips 1 darin.

Der Gehäusekörper 4a hat ein Druckeinleitungsloch 40, das in seiner Mitte ausgebildet ist, eine Ausnehmung 42 von zylindri­ scher Konfiguration, die so ausgebildet ist, daß sie mit dem Druckeinleitungsloch 40 konzentrisch ist, und einen Steg 6, der an einer unteren Oberfläche 42a der Ausnehmung 42 mit Kreiskonfiguration ausgebildet und mit der Ausnehmung 42 für Schweißzwecke konzentrisch ist.

Die Basisplatte 3 ist im wesentlichen scheibenförmig ausge­ bildet, wie Fig. 2 zeigt, und hat ein Durchgangsloch 30 in der Mitte und einen dünnwandigen Bereich 5 an ihrem Umfang. Bei der dieser Konfiguration ist der Außendurchmesser der Basis­ platte 3 ein wenig kleiner als die Ausnehmung 42 ausgebildet, und der dünnwandige Bereich 5 ist so ausgebildet, daß er zum Schweißen auf dem Steg 6 positioniert ist, wenn die Basis­ platte 3 an der unteren Oberfläche 42a angeordnet ist.

Außerdem hat die Basisplatte 3 Nuten 7a, 7b, 7c und 7d, die so darin ausgebildet sind, daß sie das Durchgangsloch 30 umgeben. Das bedeutet, bei dieser Konfiguration sind die Nuten 7a, 7b, die parallel zueinander verlaufen, so ausgebildet, daß das Durchgangsloch 30 zwischen ihnen angeordnet ist, während die Nuten 7c, 7d, die parallel zueinander verlaufen und im wesent­ lichen rechtwinklig zu den Nuten 7a, 7b verlaufen, so ausge­ bildet sind, daß das Durchgangsloch 30 zwischen ihnen angeord­ net ist. Dadurch wird insgesamt eine Nut von quadratischer Konfiguration gebildet, die das Durchgangsloch 30 umgibt.

(4) Die Halterung 2 besteht aus einer Säule aus Si, Glas oder dergleichen, wobei ein Durchgangsloch 20 in der Mitte ausge­ bildet ist. Die Halterung 2 ist so ausgebildet, daß sie eine Querschnittskonfiguration hat, die derjenigen des Halbleiter- Drucksensorchips 1 ähnlich ist, und der Querschnitt ist ge­ wöhnlich von viereckiger Gestalt.

Dabei ist der Außendurchmesser der Halterung 2 kleiner als eine Seite des Quadrats ausgebildet, so daß die Halterung innerhalb der quadratischen Nut angeordnet ist, die das Durch­ gangsloch 30 umgibt. Dabei ist es zweckmäßig, die Quer­ schnittskonfiguration der Halterung 2 und die Querschnitts­ konfiguration der Innenseite der quadratischen Nut, die die Halterung 2 umgibt, im wesentlichen gleich zu machen, damit die Beanspruchungen durch die Nut wirksam abgeschwächt werden. Der Ausdruck "im wesentlichen gleich" bedeutet dabei, daß beispielsweise eine Dimensionsabweichung innerhalb einer Tole­ ranz von etwa 0,5 mm liegt, was die Abweichung bei der Her­ stellung, beispielsweise dem Montageschritt, ist.

Dabei wird der Halbleiter-Drucksensor hergestellt, indem die Basisplatte 3, die Halterung 2, der Halbleiter-Drucksensorchip 1 und ein Schaltungssubstrat 50 an dem Gehäusekörper 4a ange­ bracht werden, der wie oben beschrieben ausgebildet ist, die erforderliche Verdrahtung daran ausgebildet und dann die Gehäuseabdeckung 4b angebracht wird.

Dabei wird die Basisplatte 3 an dem Gehäusekörper 4a so ange­ bracht, daß das Durchgangsloch 30 mit dem Druckeinleitungsloch 40 im wesentlichen konzentrisch wird, und durch Buckel­ schweißen des dünnwandigen Bereiches 5 und des Steges 6 be­ festigt.

Die Halterung 2 wird so auf die Basisplatte 3 gebondet, daß das Durchgangsloch 20 und das Durchgangsloch 30 im wesentli­ chen konzentrisch angeordnet und innerhalb von der quadrati­ schen Nut positioniert sind, die das Durchgangsloch 30 umgibt.

Der Halbleiter-Drucksensorchip 1 ist auf der Halterung 2 mit einem Klebstoff oder dergleichen so befestigt, daß der dünn­ wandige Bereich, in dem der diffundierte Widerstand ausgebil­ det ist, unmittelbar über dem Durchgangsloch 20 angeordnet ist. Der Halbleiter-Drucksensorchip 1 ist zum Beispiel durch Drahtbonden mit der erforderlichen Innenverdrahtung versehen, und Meßsignale werden über eine periphere Verdrahtung 50 und einen Ausgangsanschluß 51 abgegeben, der an einem flachen Um­ fangsbereich 41a des Gehäusekörpers 4a vorgesehen ist.

Da bei einem derartigen Halbleiter-Drucksensor die Nut um den Bereich herum ausgebildet ist, in welchem die Halterung 2 auf die Basisplatte 3 gebondet ist, damit diese die Halterung 2 umgibt, können Beanspruchungen, die auf die Basisplatte 3 auf­ gebracht werden, in ihrer Gesamtheit absorbiert werden, so daß die durch die Beanspruchungen in dem Bereich innerhalb von der quadratischen Nut bedingten Formänderungen verringert werden. Damit hat der Halbleiter-Drucksensor verschiedene vorteilhafte Wirkungen, wie nachstehend angegeben.

• 1. Auch wenn ein relativ hoher Druck gemessen wird, kann ver­ hindert werden, daß die durch den Druck bewirkte Formänderung der Basisplatte 3 auf den Halbleiter-Drucksensorchip 1 über­ tragen wird, und daher kann der hohe Druck ohne einen Fehler, der von der Formänderung der Basisplatte 3 verursacht wird, gemessen werden.
• 2. Bei dem Halbleiter-Drucksensorchip kann verhindert werden, daß durch Stoß und Wärme bedingte Beanspruchungen infolge des Schweißvorganges auf die Halterung 2 übertragen werden, so daß es möglich ist, ein Brechen der Verbindung zwischen der Halte­ rung 2 und der Basisplatte 3 zu verhindern. Daher kann der Halbleiter-Drucksensor durch das Buckelschweißen, das zeitspa­ render als das Laserschweißen und andere Verfahren ist, kostengünstig hergestellt werden.

Auch wenn bei dem vorstehend beschriebenen Halbleiter-Druck­ sensor die Nut, die das Durchgangsloch 30 umgibt, mit quadra­ tischer Konfiguration ausgebildet ist, ist diese Nut nicht auf eine quadratische Konfiguration beschränkt und kann mit ande­ rer polygonaler Gestalt, als Kreis oder mit einer anderen Kon­ figuration ausgebildet sein. Eine quadratische Gestalt ist je­ doch zweckmäßig, damit die Beanspruchungen, die auf die Basis­ platte 3 einwirken, wirksam absorbiert werden.

Fig. 3 zeigt eine teilweise weggeschnittene Ansicht, die die Konfiguration eines Halbleiter-Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Dabei handelt es sich um eine vergrößerte Ansicht von Bereichen einer Basisplatte 13, der Halterung 2 und des Halbleiter-Drucksensorchips 1, die an dem Gehäusekörper 4a angebracht sind.

Bei dem Halbleiter-Drucksensor dieser Ausführungsform weist die Basisplatte 13 eine erste Basisplatte 13a und eine zweite Basisplatte 13b auf, wie Fig. 3 zeigt, und ist an den Gehäuse­ körper 4a gebondet, wie nachstehend beschrieben ist.

Die erste Basisplatte 13a ist scheibenförmig, wobei ein erstes Durchgangsloch 31a in ihrer Mitte ausgebildet ist, und ist so an dem Gehäusekörper 4a angeordnet, daß das erste Durchgangs­ loch 31a mit dem Druckeinleitungsloch 40 des Gehäusekörpers 4a konzentrisch ist. Die erste Basisplatte 13a ist am Umfang ihrer unteren Oberfläche auf einen Steg 6 geschweißt, der mit dem Druckeinleitungsloch 40 an dem Gehäusekörper 4a konzen­ trisch ausgebildet ist.

Die erste Basisplatte 13a hat einen Steg 16, der auf ihrer oberen Oberfläche mit dem ersten Durchgangsloch 31a konzen­ trisch ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Durchmesser des Kreises des Steges 16 kleiner als der Kreis des Steges 6 des Gehäusekörpers 4a ausgebildet und ist kleiner als der Außendurchmesser der zweiten Basisplatte 13b.

Die zweite Basisplatte 13b ist scheibenförmig, wobei ein zwei­ tes Durchgangsloch 31b in ihrer Mitte ausgebildet ist, und ist auf der ersten Basisplatte 13a derart angeordnet, daß das zweite Durchgangsloch 31b mit dem ersten Durchgangsloch 31a der ersten Basisplatte 13a konzentrisch ist. Die zweite Basis­ platte 13b ist an ihrer unteren Oberfläche auf den Steg 16 ge­ schweißt, der auf der ersten Basisplatte 13a ausgebildet ist.

Der Halbleiter-Drucksensorchip 1 ist mit der Halterung 2 auf der zweiten Basisplatte 13b angebracht.

Bei dem Halbleiter-Drucksensor der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, der in der vorstehend angegebenen Weise her­ gestellt ist, besteht die Basisplatte 13 aus der ersten Basis­ platte 13a und der zweiten Basisplatte 13b, und der Durchmes­ ser des Steges 16 der ersten Basisplatte 13a, auf den die zweite Basisplatte 13b geschweißt ist, ist kleiner als der Durchmesser des Steges 6 des Körpers 4a ausgebildet, auf den die erste Basisplatte 13a geschweißt ist. Damit kann eine Formänderung der zweiten Basisplatte 13b kleiner als eine durch eine äußere Kraft bewirkte Formänderung der ersten Basisplatte 13a gemacht werden, und somit können verschiedene vorteilhafte Wirkungen erzielt werden, wie es nachstehend be­ schrieben ist.

• 1. Der Halbleiter-Drucksensor kann, auch wenn er einen rela­ tiv hohen Druck mißt, die Formänderung der zweiten Basisplatte 13b, die durch den Druck bewirkt wird, verringern und ist da­ her imstande, den hohen Druck ohne einen durch eine Formände­ rung der Basisplatte 13 bewirkten Fehler zu messen.
• 2. Bei dem Halbleiter-Drucksensor kann die Formänderung der zweiten Basisplatte 13b, die durch Beanspruchungen aufgrund von Stoß oder Wärme bewirkt wird, die beim Schweißen erzeugt werden, verringert werden. Daher ist es möglich, ein Brechen der Verbindung zwischen der Halterung 2 und der Basisplatte 13 zu verhindern. Dabei kann der Halbleiter-Drucksensor gemäß dieser Ausführungsform durch das Buckelschweißen, das zeitspa­ render als das Laserschweißen und andere Verfahren ist, kostengünstiger hergestellt werden.

Bei dem Halbleiter-Drucksensor der beschriebenen Ausführungs­ form ist es bevorzugt, den Durchmesser des Steges 16, der auf der ersten Basisplatte 13a ausgebildet ist, kleiner als den Durchmesser der Halterung 2 auszubilden, wie Fig. 3 zeigt, um die durch die äußere Kraft bewirkte Formänderung der zweiten Basisplatte 13b wirksam zu minimieren.

Claims (2)

1. Halbleiter-Druckmeßvorrichtung,
die folgendes aufweist:
ein Gehäuse, das ein Druckeinleitungsloch (40) hat;
eine Basisplatte (13), die ein erstes Durchgangsloch (31a) in ihrer Mitte hat und an ihrem Umfang mit der Innenseite des Gehäuses verbunden ist, so daß das erste Durchgangsloch (31a) mit dem Druckeinleitungsloch (40) im wesentlichen konzentrisch ist;
eine Halterung (2), die ein zweites Durchgangsloch (31b) in ihrer Mitte hat und so auf der Basisplatte (13) ange­ bracht ist, daß das zweite Durchgangsloch (31b) mit dem ersten Durchgangsloch (31a) im wesentlichen konzentrisch ist, und innerhalb von dem Verbindungsbereich des Gehäuses und der Basisplatte (13) angeordnet ist; und
einen Halbleiter-Drucksensorchip (1), der auf der Halte­ rung (2) angebracht ist, um einen Druck, der durch das in dem Gehäuse gebildete Druckeinleitungsloch (40), das erste Durchgangsloch (31a) und das zweite Durchgangsloch (31b) eingeleitet wird, zu messen;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Basisplatte (13) folgendes aufweist:
eine erste Basisplatte (13a), die am Umfang ihrer unteren Oberfläche auf das Gehäuse gebondet ist, und eine zweite Basisplatte (13b), die auf die erste Basisplatte (13a) innerhalb des Umfangs der oberen Oberfläche der ersten Basisplatte (13a) gebondet ist, und wobei der Halbleiter- Drucksensorchip (1) mittels der Halterung (2) auf der zweiten Basisplatte (13b) angebracht ist.

2. Halbleiter-Druckmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der ersten Basisplatte (13a) und der zweiten Basisplatte (13b) innerhalb des Umfangs der Halterung (2) angeordnet ist.