DE19928547A1 - Drucksensor und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Ein Drucksensor enthält einen Siliziumchip, welcher auf die Oberfläche eines metallischen Diaphragmas über eine Glasschicht gebondet ist, und das Ausgangssignal des Sensors wird nicht von einer innerhalb der Glasschicht gebildeten Blase beeinflußt. Nach dem Bonden des Siliziumchips wird die in der Glasschicht gebildete Blase im Hinblick auf ihre Größe untersucht. Wenn bestimmt wird, daß die Blase innerhalb vorbestimmter akzeptierbarer Herstellungstoleranzen gebildet ist, wird die Struktur in einem Gehäuse angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Drucksensoren und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Drucksensors.

Die japanische Veröffentlichungsschrift Nr. Hei. 7-11461 beschreibt einen Drucksensor, welcher einen Abtast­ körper enthält, in welchem ein Siliziumchip auf die Ober­ fläche eines metallischen Diaphragmas zur Druckaufnahme über einer bzw. eine Glasschicht gebondet und danach in ei­ nem Gehäuse zusammengesetzt bzw. angeordnet ist. Wie in Fig. 4 dargestellt ist der Siliziumchip 4, welcher Ausdeh­ nungs- bzw. Diffusionslehren (diffusion gages) 3a-3d auf­ weist, auf die Oberfläche des Diaphragmas 2a des metalli­ schen Abtastkörpers 2 über einer bzw. eine Glasschicht 5 derart gebondet, dass eine durch Druck hervorgerufene Ver­ biegung bzw. Wölbung des Diaphragmas 2a auf den Silizium­ chip 4 über der bzw. die Glasschicht 5 übertragen wird. Dieser übertragene Druck veranlasst eine Änderung der Wi­ derstandswerte der Ausdehnungslehren 3.

Die Ausdehnungslehren 3 sind zur Bildung einer Brücken­ schaltung angeschlossen, von der ein elektrisches Signal entsprechend dem Druck ausgegeben wird. Der Drucksensor, der wie beschrieben konstruiert ist, besitzt ein Metalldia­ phragma, so dass dessen Zuverlässigkeit sogar unter hohem Druck gross ist. Als Ergebnis kann der Sensor als Hoch­ drucksensor wie ein Kraftstoffdrucksensor verwendet werden.

Da jedoch während der Herstellung des oben beschriebe­ nen Drucksensors eine Glaspaste auf die Oberfläche des Dia­ phragmas 2a gedruckt und der Siliziumchip 4 darauf ange­ bracht wird und beide Komponenten gesintert werden, kann eine Blase wie die Blase 6 in Fig. 4d gebildet werden und die Glasschicht 5 angreifen, wenn das Diaphragma 2a bei­ spielsweise nicht vollständig flach ist. Die in der Glas­ schicht 5 gebildete Blase 6 kann durch einen Abfall in der Temperaturcharakteristik des Sensors, das Unvermögen der Glasschicht 5 die Biegung des Diaphragmas 2a genau auf den Siliziumchip 4 zu übertragen oder durch eine Expan­ sion/Kontraktion der Blase 6 infolge einer Temperaturände­ rung hervorgerufen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die oben be­ schriebenen Nachteile bzw. Beschränkungen zu überwinden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der nebengeordneten unabhängigen Ansprüche.

Entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung wird ein Drucksensor durch Bonden eines Siliziumchips auf eine Oberfläche eines metallischen Dia­ phragmas innerhalb eines Abtastkörpers über einer bzw. eine Glasschicht hergestellt. Danach wird das Glas untersucht, um zu bestimmen, ob eine Blase darin vorhanden ist, und im positiven Fall ihre Größe zu bestimmen, nachdem der Chip auf das Diaphragma gebondet ist. Ein Abtastkörper, welcher die oben beschriebene Inspektion durchlaufen hat und für gut befunden worden ist, wird in dem Gehäuse zusammenge­ setzt bzw. angeordnet.

Dementsprechend ist es möglich einen Drucksensor her zu­ stellen, dessen Ausgang nicht durch das Vorhandensein einer Blase in der Glasschicht beeinflusst wird.

Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung wird eine Blase in der Glasschicht unter Sensor-Aus­ dehnungslehren (sensor diffusion gages) während der oben beschriebenen Untersuchung der Glasschicht untersucht. Da der Einfluss der Blase direkt auf der Ausdehnungslehre auf­ tritt, wenn eine Blase in der Glasschicht unter der Ausdeh­ nungslehre vorhanden ist, kann die Untersuchung effizient durch Untersuchen des Teils durchgeführt werden.

Wenn die Ausdehnungslehren in der Mitte befindliche Lehren und an der Seite befindliche Lehren enthalten, wird es bevorzugt das Teil unter den in der Mitte befindlichen Lehren zu untersuchen, da der Einfluss der Blase- in der Glasschicht unter der in der Mitte befindlichen Lehre be­ sonders groß ist. Wenn die Größe der Blase unter 200 µm liegt, wird ebenfalls der Einfluss der Blase auf die Sen­ sorgenauigkeit minimal sein, und somit wird eine Glas­ schicht mit einer Blase einer Größe von weniger als 200 µm als akzeptabel angesehen.

Es wird festgestellt, dass die oben beschriebene Bla­ senuntersuchung unter Verwendung eines Infrarotmikroskops oder mittels einer Ultraschalluntersuchung durchgeführt werden kann.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Be­ schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht, welche die Struktur eines Drucksensors entsprechend einer Ausführungs­ form der Erfindung darstellt;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Quer­ schnittsansicht, welche ein an der Spitze befindliches Teil eines Abtastkörpers von Fig. 1 darstellt;

Fig. 3 zeigt ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Drucksensors darstellt;

Fig. 4A und 4B zeigen erläuternde Diagramme, welche den Betrieb eines Drucksensors unter Verwendung eines me­ tallischen Diaphragmas betreffen;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erklärung verschiedener Blasenbildungspositionen;

Fig. 6 zeigt eine Tabelle, welche die Sensorempfind­ lichkeit und die Temperaturcharakteristik an den in Fig. 5 dargestellten Blasenbildungspositionen im Vergleich damit darstellt, dass keine Blasen gebildet werden;

Fig. 7 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung der Sensorempfindlichkeit zu der Blasengröße darstellt, wenn eine Blase an der Blasenposition A vorhanden ist; und

Fig. 8 zeigt einen Graphen, welcher die Beziehung der Sensortemperaturcharakteristik der Empfindlichkeit zu der Blasengröße darstellt, wenn eine Blase an der Blasenpositi­ on A vorhanden ist.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht, welche die Struktur eines Drucksensors einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung darstellt. Der Drucksensor wird zur Messung des Drucks eines Fluids in der Größenordnung von 20 MPa wie des Drucks eines Fluids bei Kraftstoffeinspritz- und Fahrzeugbremssystemen verwendet.

Wie in Fig. 1 dargestellt enthält der Sensor ein Gehäu­ se 1, welches aus Metall mit einer guten Korrisionswider­ standsfähigkeit konstruiert ist und welches zum Schweissen geeignet ist (beispielsweise SUS 430). Das Gehäuse besitzt ein Gewinde 1a, welches an ein zu untersuchendes bzw. zu erfassendes Teil, beispielweise ein Kraftstoffrohr, ge­ schraubt und daran befestigt wird.

Ein Abtastkörper 2 ist aus einem Metall mit einer ge­ ringen thermischen Ausdehnungsrate wie Covar gebildet, des­ sen lineare thermische Ausdehnungsrate nahe derjenigen von Silizium liegt. Der Abtastkörper besitzt einen Druckeinfüh­ rungsport 2b, und ein dünnes Diaphragma 2a ist an dem Ende davon gebildet. Der Abtastkörper 2 ist in einen inneren hohlen Abschnitt des Gehäuses 1 gepresst und in dem Gehäuse 1 zusammengesetzt bzw. angeordnet.

Ein Siliziumsensorchip 4 ist über einer bzw. eine Glas­ schicht 5, welche aus einem Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt gebildet ist, auf die obere Oberfläche eines Diaphragmas 2a des Abtastkörpers 2 gebondet, d. h. auf eine Seite auf der gegenüberliegenden Seite der Druckeinfüh­ rungsseite. Eine Signalverarbeitungsschaltungsplatte 7 zur Verarbeitung von elektrischen Signalen von dem Siliziumchip 4 ist um das an der Spitze befindliche Teil des Abtastkör­ pers 2 wie in Fig. 1 dargestellt angeordnet und enthält ein laminiertes Keramiksubstrat 7a, einen Schaltungschip 7b und eine Stütze 7c. Der Siliziumchip 4 ist mit der Signalverar­ beitungsschaltungsplatte 7 durch Drähte 8 elektrisch ver­ bunden.

Die Stütze 7c in der Signalverarbeitungsschaltungs­ platte 7 ist mit einem Steckeranschluss 10a einer An­ schlussanordnung 10 beispielsweise mittels elektrischen Schweissens verbunden, und die Anschlussanordnung 10 und ein Steckergehäuse 11 sind mittels eines Abdichtungsab­ schnitts 1b des Gehäuses 1 über einen O-Ring 12 abgedich­ tet.

Die obere Oberfläche des Abtastkörpers 2 und des lami­ nierten Keramiksubstrats 7 sind mit einem Beschichtungsma­ terial 9 wie einem Siliziumgel beschichtet.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte perspektivische Quer­ schnittsansicht, welche das an der Spitze befindliche Teil des Abtastkörpers 2 darstellt. Der Siliziumchip 4, auf wel­ chem Ausdehnungs- bzw. Diffusionslehren 3 (diffusion gages) gebildet sind, ist über der bzw. die Glasschicht 5 auf das Diaphragma 2a des Abtastkörpers 2 gebondet. Der Silizium­ chip 4 ist unter Verwendung eines einkristallinen N-Typ Si­ liziumsubstrats konstruiert, welches eine (110)-Ebenenori­ entierung besitzt. Obwohl in Fig. 2 nicht deutlich darge­ stellt enthalten die Ausdehnungslehren 3 in der Mitte be­ findliche Lehren 3a und 3b und an der Seite befindliche Lehren 3c und 3d ähnlich wie die in Fig. 5 dargestellten. Die Ausdehnungslehren 3a bis 3d sind durch (nicht darge­ stellte) Aluminiumdrähte verbunden, um eine Brückenschal­ tung zu bilden. Des weiteren sind die Ausdehnungslehren mit der Signalverarbeitungsschaltungsplatte 7 durch den Draht 8 verbunden und geben dadurch elektrische Signale entspre­ chend der Verschiebung des Diaphragmas 2a der Signalverar­ beitungsschaltungsplatte 7 aus.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 ein Ver­ fahren zur Herstellung des oben beschriebenen Drucksensors erläutert.

Nachdem der Abtastkörper 2 bereitgestellt worden ist, in welchem der Druckeinführungsport 2b und das Diaphragma 2a gebildet worden sind, wird in einem Schritt 100 und 110 die Oberfläche des Körpers danach einer Säurereinigungs- und Kohlenstoffentziehungsbehandlung unterworfen, worauf in einem Schritt 120 eine Oxidationsbehandlung ausgeführt wird. Diese Behandlungen sind identisch zu denjenigen, wel­ che in dem japanischen Dokument JP-B-7-11461 beschrieben sind.

Als nächstes wird in einem Schritt 130 eine Glaspaste auf die Oberfläche des Diaphragmas 2a gedruckt und in einem Schritt 140 bei etwa 400°C zur Bildung der Glasschicht 5 kalziniert bzw. gebrannt. Danach wird in einem Schritt 150 die kalzinierte Glasschicht 5 auf dem Siliziumschicht 4 an­ gebracht und bei etwa 500°C zum Bonden des Chips 4 gesin­ tert.

Darauffolgend wird in einem Schritt 160 die Glasschicht 5 untersucht, um zu bestimmen, ob Blasen darin vorhanden sind. Da Infrarotstrahlen Silizium mehr oder weniger durch­ dringen, kann die Blase durch Beobachten der Glasschicht 5 von dem Siliziumchip 4 mittels eines Infrarotmikroskops ge­ sehen werden. Es wird bestimmt, ob eine Blase, welche grö­ ßer als 200 µm ist, in der Glasschicht 5 unter den in der Mitte befindlichen Lehren 3a, 3b bei der vorliegenden Aus­ führungsform vorhanden ist. Wenn eine Blase von 200 µm oder darüber vorhanden ist, wird der Abtastkörper 2 nicht dem darauffolgenden Schritt unterworfen. Wenn der Abtastkörper 2 eine Blase enthält, wird der Abtastkörper 2 dem darauf­ folgenden Schritt unterworfen, wenn die Größe davon weniger als 200 µm beträgt.

Danach wird in einem Schritt 170 der Abtastkörper 2, der in dem oben beschriebenen Inspektionschip bewertet und akzeptiert worden ist, in dem Gehäuse 1 angeordnet, und der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor wird durch Ausführen ei­ nes Drahtbondens und anderer Anordnungsschritte fertigge­ stellt.

Während die Blasenuntersuchung bei der oben beschriebe­ nen Ausführungsform mittels des Infrarotmikroskops durchge­ führt worden ist, kann die Untersuchung ebenfalls unter Verwendung einer Ultraschalluntersuchung durchgeführt wer­ den. Die Ultraschalluntersuchung wird durch Plazieren einer Probe in Wasser und durch Aufbringen von Ultraschallwellen durchgeführt, um die innere Struktur der Probe auf der Grundlage einer Reflektionswellencharakteristik zu beobach­ ten bzw. zuüberwachen.

Obwohl die Untersuchung der Blase in der Glasschicht 5 unter den in der Mitte befindlichen Lehren 3a und 3b bei der oben beschriebenen Ausführungsform dargestellt worden ist, kann des weiteren die Untersuchung in der Glasschicht 5 unter den an der Seite befindlichen Lehren 3c, 3d auf dieselbe Weise durchgeführt werden. Wenn ein Siliziumchip mit einer (100)-Ebenenorientierung als Siliziumchip 4 ver­ wendet wird, verschwindet darüber hinaus die Konfiguration der in der Mitte befindlichen Lehren und der an der Seite befindlichen Lehren, so dass die Untersuchung der Blase in der Glasschicht unter jeder Lehre in diesem Fall durchge­ führt wird.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, welches eine Draufsicht auf einen Siliziumchip 4 darstellt, der eine (110)-Ebenenorien­ tierung aufweist. Ausdehnungslehren 3 enthalten in der Mitte befindliche Lehren 3a, 3b, die in der Mitte eines Verschiebungsbereichs angeordnet sind, welcher durch Druck verschoben wird (in dem Bereich, wo ein Diaphragma 2a dar­ unter vorhanden ist), und an der Seite befindliche Lehren 3c, 3d, die an dem Rand davon angeordnet sind. Unter den in einer Glasschicht 5 gebildeten Blasen 6 wird eine Blase an der Position unter der in der Mitte befindlichen Lehre als A bezeichnet, eine Blase an der Position an der Seite davon wird mit B bezeichnet, eine Blase an der Position unter der an der Seite befindlichen Lehre wird mit C bezeichnet, und eine Blase an der Position an der Seite davon wird mit D bezeichnet.

Fig. 6 zeigt eine Tabelle, welche die Empfindlichkeiten des Sensors und die Temperaturcharakteristik davon an Bla­ senerzeugungspositionen A bis D, wenn die Blasengröße 500 µm beträgt, im Vergleich mit dem Fall darstellt, bei welchem keine Blase gebildet ist.

Wie in Fig. 6 dargestellt werden die Empfindlichkeit und die Temperaturcharakteristik durch das Vorhandensein der Blase 6 beeinflusst. Ein Einfluss der Blase ist sehr groß, wenn die Blase 6 an der Blasenposition A unter der in der Mitte befindlichen Lehre vorhanden ist. Während die oben beschriebene Charakteristik mehr oder weniger eben­ falls beeinflusst wird, wenn eine Blase an der Blasenposi­ tion C unter der an der Seite befindlichen Lehre vorhanden ist, ist der Einfluss im Vergleich mit einem Fall nicht so groß, bei welchem die Blase an der Blasenposition A vorhan­ den ist, da die Druckerzeugung an den Positionen klein ist, wo die an den Seiten befindlichen Lehren gebildet sind, im Vergleich mit den Positionen, wo die in der Mitte befindli­ chen Lehren gebildet sind.

Die Empfindlichkeit (Vs/20) des oben beschriebenen Sen­ sors wird aus der Sensorausgangsspannung Vs erlangt, wenn ein Druck von 20 MPa auf das Diaphragma 2a aufgebracht wird, und die Temperaturcharakteristik der Empfindlichkeit wird von der Empfindlichkeit S25 bei 25°C und von der Emp­ findlichkeit S120 bei 120°C durch (S120-S25)/S25/(120-25) erlangt.

Fig. 7 und 8 zeigen experimentelle Ergebnisse, wenn an der Blasenposition A eine Blase 6 vorhanden ist. Aus diesen Graphen ergibt sich, dass die Empfindlichkeit und die Temperaturcharakteristik bezüglich der Empfindlichkeit nicht durch die Blase wesentlich beeinflusst werden, wenn die Größe der Blase unter 200 µm liegt.

Vorstehend wurde ein Drucksensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Ein Drucksensor enthält einen Siliziumchip, welcher auf die Oberfläche eines metallischen Diaphragmas über einer bzw. eine Glasschicht gebondet ist, und das Ausgangssignal des Sensors wird nicht von einer in­ nerhalb der Glasschicht gebildeten Blase beeinflusst. Nach dem Bonden des Siliziumchips wird die in der Glasschicht gebildete Blase im Hinblick auf ihre Größe untersucht. Wenn bestimmt wird, dass die Blase innerhalb vorbestimmter ak­ zeptierbarer Herstellungstoleranzen gebildet ist, wird die Struktur in einem Gehäuse angeordnet.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit den Schritten:
Bonden eines Siliziumchips (4), welcher Ausdehnungs­ lehren (3a-3d) enthält, auf ein Diaphragma (2a) eines Ab­ tastkörpers (2) über eine Glasschicht (5);
Anordnen des Abtastkörpers (2) in einem Gehäuse (1);
Untersuchen der Glasschicht (5) auf eine darin enthal­ tene Blase nach dem Bonden; und
Anordnen des Abtastkörpers (2) in dem Gehäuse (1), wenn die Blase in der Glasschicht (5) gebildet ist und be­ stimmt worden ist, dass die Größe der Blase innerhalb vor­ bestimmter Herstellungstoleranzen liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Untersuchens den Schritt des Untersu­ chens der Blase in der Glasschicht (5) unter den Ausdeh­ nungslehren (3a-3d) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumchip (4) eine (110)-Ebenenorientierung aufweist, die Ausdehnungslehren (3a-3d) in der Mitte be­ findliche (3a, 3b) und an der Seite befindliche Lehren (3c, 3d) aufweisen und der Schritt des Untersuchens einen Schritt des Untersuchens der Blase in der Glasschicht (5) unter den in der Mitte befindlichen Lehren (3a, 3b) auf­ weist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Glasschicht (5) gebildete Blase als inner­ halb vorbestimmter Herstellungstoleranzen befindlich be­ stimmt wird, wenn die Blase einen Durchmesser von weniger als 200 µm aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bondens die Schritte aufweist:
Drucken einer Glaspaste auf eine Oberfläche des Dia­ phragmas (2a);
Kalzinieren der Glaspaste zur Bildung der Glasschicht (5);
Anbringen der Glasschicht (5) auf dem Siliziumchip (4); und
Sintern des Siliziumchips (4) zum Bonden der Glas­ schicht (5) auf den Siliziumchip (4).

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Untersuchens den Schritt des Untersu­ chens der Glasschicht (4) unter Verwendung eines Infrarot­ mikroskops aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Untersuchens den Schritt des Untersu­ chens der Glasschicht (4) unter Verwendung von Ultraschall­ wellen aufweist.

8. Drucksensor mit:
einem Abtastkörper (2), welcher ein druckempfindliches Diaphragma (2a) enthält;
einer Glasschicht (5), welche auf das Diaphragma (2a) gebondet ist und eine darin gebildete charakteristische Blase innerhalb vorbestimmter Herstellungstoleranzen auf­ weist; und
einem Siliziumchip (4), welcher auf dem Diaphragma (2a) über der Glassicht (5) angebracht ist.

9. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumchip (4) eine (110)-Ebenenorientierung aufweist und in der Mitte befindliche (3a, 3b) und an der Seite befindliche Ausdehnungslehren (3c, 3d) enthält und die Blase unter den in der Mitte befindlichen Lehren (3a, 3b) lokalisiert ist.

10. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase innerhalb vorbestimmter Herstellungstoleran­ zen gebildet ist, wenn die Blase einen Durchmesser von we­ niger als 200 µm aufweist.