DE3000364C2 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Drucksensorcn, die den Piezowiderstandseffekt einer Membran mit diffundierten Widerständen ausnutzen, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt Zum Stand aer Technik wird auf die DE-OS 25 52 393 und die US-PS 41 29 042 hingewiesen, die im wesentlichen dem Gattungsbeg' iff der vorliegenden Erfindung entspi echen.

Derartige Drucksensoren haben sich in der Praxis bewährt haben jedoch den Nachteil, daß die Membran, die aus einem Halbleitermaterial wie eiwa Silizium besteht verhältnismäßig spröde ist und daher leicht brechen kann, wenn eine plötzliche negative Veränderung des Druckes eintritt der auf die Membran ausgeübt wird. Derartige plötzliche Druckänderungen können beispielsweise bei einer Verwendung des Drucksensor im Zusammenhang mit der Steuerung einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine eintreten, wenn plötzlich das Gaspedal betätigt und damit die DrucVverhältnisse im Ansaugsystem schlp.gartig geändert werden, !m übrigen neigen Membranen der in Betracht kommenden Art zur Verformung oder Zerstörung durch Alterung. Im Interesse einer einwandfreien Arbeitsweise des den Drucksensor enthaltenden Steuersystems ist es jedoch wesentlich, daß ein Bruch der Membran möglichst frühzeitig ermittelt wird, so daß Abhilfe geschaffen werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Drucksensor der gattungsgemäßen Art mit einer Einrichtung zur Abtastung eines Bruches der Membran zu versehen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Weitere Fortbildungen der Erfindung sind den

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. IA zeigt in einer teilweise aufgeschnittenen Draufsicht eine Sensor-Piatte eines ernnäungsgemäBsn Drucksensors;

F i g. 1B ist ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. IA;

Fig.2A ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2B ist ein Querschnitt entlang der Linie S-B in Fig.2A;

F i g. 3A ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung;

Fig.3B ist ein Schnitt entlang der Linie C-C in F ig. 3 A; j

Fig.4 ist ein Schnitt durch eine Einheit mit einer Sensor-Platte gemäß F i g. 1 bis 3;

Fig.5 ist eine perspektivische Darstellung der Einheit der F i g. 4;

F i g. 6 ist eine Querschnittdarstellung der Einheit auf w einer Unterlage mit einem Gehäuse;

Fig.7 ist ein Schaltbild einer Schaltung zur Abtastung eines Bruches einer Membran.

Eine erfindungsgemäße Halbleiter-Sensor-Platte 10 gemäß F ig. IA und IB umfaßt eine dünne, kreii.·^.-aige π Membran 12 und eine dickere, diese umgebende Halterung 14, die hergestellt werden kann durch Ausbildung einer Aussparung 16 av⁽ -iüier Oberfläche eines quadratischen, plattenförmig?"- Chips aus Einkristall-Silikon durch Ätzen. .' ■ f der äußeren oder vorderen Oberfläche der Membra., 12 sind diffundierte Widerstände 18a, 186, 18c und 18c/ ausgebildet, die a!s druckempfindliches Element dienen, und zwar unter Verwendung eines Filmes 19 aus Silikon-Dioxid (S1O2), der als Maske auf der äußeren Oberfläche der Membran angebracht wird. Die Widerstände sind unter Bildung eines Quadrates miteinander verbunden. Schraffierte Flächen bezeichnen diejenigen Bereiche der Widerstände 18a, 186, 18c und 18t/, die unter dem Film 19 aus Silikon-Dioxid liegen. Insoweit wird auf F i g. 2A und 3A jo Bezug genommen. Bei der vorliegenden Ausführungsform gehört der Silikon-Chip dem N-Typ an, während die diffundierten Widerstände als P-Störstellenschicht ausgebildet sind. Wenn andererseits der Silikon-Chip dem P-Typ angehört, sollten die diffundierten Widerstände eine N-Störstellenschicht sein. Die Längsrichtungen der gegenüberliegenden Widerstände 186 und 18c/ stimmen mit einer Kristallachse des Silikon-Chips überein (beispielsweise (HO)), während die Längsrichtung der beiden anderen, einander gegenüberliegenden Widerstände 18a, 18c senkrecht zu der Kristallachse liegt (z. 3.(100)). Die diffundierten Widerstände 18a, 186, 18c und 18c/sind an den Ecken des Quadrates durch vier Leitstreifen 20a, 206,20c und 20c/elektrisch miteinander verbunden. Die Leitstreifen bestehen aus Aluminium. das auf den Silikondioxid-Film 10 aufgedampft ist. Zwei einander gegenüberliegende Leitstreifer 2Oa₁ 20c/. die sich von den entsprechenden Eckpunkten erstrecken, verlaufen nach außen parallel zueinander, und ein weiteres Paar einander gegenüberliegender Leitstreifen so 206, 20c erstrecken sich von den entsprechenden Eckpunkten parallel zueinpnder nach außen in die entgegengesetzte Richtung in bezug auf die anderen Leitstreifen. Dadurch wird eine Brücke BR gebildet. Wenn eine konstante Spannung an die Eingänge, hpicnipkurpicp A\p Fin-fancf» TQaa iinri Tßrr anap\pvt wird, ergibt sich ein elektrisches Ausgangssignal, das dem Druck entspricht, der auf die Membran aufgebracht wird und die Differenz der Verformung u.id damit des Widerstandes zwischen cen diffundierten Widerständen wiedergibt Diese Ausgänge sind beispielsweise die Ausgänge 2066 und 2ödd der Brücke BR. Das Muster, das aus den Leitstreifen 20a, 206,20c und 20c/ und den diffundierten Widerständen 18a bis 18c/ besteht und in Fig. IA und IB dargestellt ist, ist lediglich ein Ausführungsbeispiel.

Ein Element zur Abtastung eines Bruches der Membran, das in Fi g. IA und 1B mit 22 bezeichnet ist besteht aus einer diffundierten, fadenförmigen P-Schicht in dem Siiikon-Chip, sofern der Silikon-Chip dem N-Typ angehört. Im Falle eines P-Chips gehört das Abtast-Element 22 dem N-Typ an. Schraffierte Flächen geben diejenigen Bereiche des Abtast-Elements wieder, die unter dem Silikondioxid-Film 19 liegen, wie es bei den Widerständen 18a, 186, 18c und 18c/ der Fall ist Insoweit wird auf Fig.3A Bezug genommen. Das Abtast-Element 22 kann durch Diffusionsverfahren gleichzeitig mit der Bildung der Widerstände ISa bis 18<f hergestellt werden. In der Draufsicht verläuft das Abtast-Element 22 zick-zack- oder mäander-förmig zu den Seiten entlang der kreisförmigen Grenzlinie 26 zwischen der dünnen Membran 12 und der Halterung 14. Diese Grenzlinie 26 ist nicht sichtbar und daher lediglich gestrichelt angedeutet Insgesamt verläuft das Abtast-Eiement um den gesamten Umfang zwischen den Punkten 24a und 246. Vier U-förmige Ausbuchtungen 22s, 226, 22c, 22d liegen in gleichen Abständen im Umfang verteilt radial-innerhalb des kreisförmigen Abtast-Elemenu 22 und reichen im wesentlichen, jedoch ohne Berührung, bis zu den entsprechen cn diffundierten Widerständen 18a bis iSd. Zwei einander gegenüberliegende, U-förmige Ausbuchtungen 22a und 22c befinden sich zwischen den Leitstreifen 20a, 20σ bzw. 206 und 20c und liegen parallel zu diesen. Die beiden End-Punkte 24a und 246 des Abtast-Elements 42 sind mit Leiiklemmen 26a und 266 des Abtast-Elements 42 über Leitstreifen 28a, 286 verbunden, die aus Aluminium bestehen, das auf den Film 19 aufgedampft ist, und die sich in entgegengesetzte Richtungen an dein Rand des Chips entlang erstrecken. Der Film 19 liegt zwischen dem Abtast-Element 22 und jedem der Leitstreifen 20a bis 20c/und isoliert das Element 22 elektrisch gegenüber den Leitstreifen in den Bereichen, in denen die Leitstreifen und das Abtast-Element einander schneiden.

Wenn der Druck in dem Bereich der Membran, in dem die Leitstreifen ausgebildet sind, auf dem Vergleichs-Unterdruck (Vakuum) gehalten wird, während die andere oder rückwärtige Oberfläche der Memoran dem negativen, zu messenden Druck ausgesetzt wird, ist derjenige Teil der Membran, der der größten Spannung ausgesetzt wird, aer Bereich der Grenzlinie 26 zwischen der Membran 12 und der Halterung 14. Derjenige Bereich, der die zweithöchste Spannung aufnimmt, ist derjenige um die Mitte der Membran herum. Wenn daher ein Bruch der Membran erfolgt, geschieht dies in einem oder beiden der genannten Bereiche. Die Form des Abtast-Elements 22 gemäß Fig. 1 folgt diesen Gesichtspunkten. Selbst ein kleiner Riß in einem der beiden Bereiche der Membran kann unverzüglich durch das Abtast-Eiement 22 abgstaaiet werden.

Fig.2A and 2B zeigen eine Abwandlung der Aiisfuhningsfnrin der Fig. 1. Insgesamt besteht weitgehend Übereinstimmung mit der Ausfiihrungsforn der Fig. 1, ausgenommen, daß das Abtast-Elemeni 22 als Film aus einem elektrisch leitenden Material wie etwa Aluminium oder Gold ausgebildet ist Diese Materialien sind auf die Oberfläche der Membran 12 auigecampil Andererseits weist das Abtast-Eiement 22 sechs Ü-förmige Ausbauchungen 22a, 226, 22c, 22c/, 2?e, 22f auf, die nach innen gerichtet sind. Zwei Ausbauchungen 22a, 22f umgeben die parallelen Leitstreifen 22a, 22d. Zwei weitere, U-förmsge Ausbauchungen 22c, 22c/ragen von der entgegengesetzten Seite nach innen und umgeben die Leitstreifen 206. 20c. Diese Ausbauchun-

gen 22a, 22c, 2Zd und 22/ schneiden die diffundierten Widerstände 18a bis 18d nn ihren Endbereichen. Die langen Schenkel der Ausbauchungen und die Querstriche, die diese Schenkel verbinden, verlaufen über dio jeweiligen Zweige der Drucksensor-Brücke, Ein Silikon.' dioxid-Hlm 19 isoliert die Widerstände 18a bis iSd Die Ausbauchungen 22a bis 22/ können durch das oben erwähnte Aufdampiverfahrep. gleichzeitig mit Herstellung der Leitstreifen 20a bis ^(/aufgebracht werden.

Fig. 3A und 3B zeigen eine weitere Ausftihrungsforrr. der Erfindung, die sich von der AuMührungsform der Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß das Abtast-Element 22 als diffundierte Schicht 220 ausgebildet ist und daß ein aufgedampfter Film 222 elektrisch mit die.cm Verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform und in Obereinstimmung mit der zuvor beichrie^nen AusfDhrungsform schneiden das Abtasi-Elemcnt 22 und die Widerstände 18a bis I8deinander, und zwischen beiden befindet sich ein Silikondioxid-Film !9. Diffundierte Leitstreifen 20a bis 20J werden verwendet zur Verbindung der diffundierten Widerstände 18a bis iSd mit einer nicht gezeigten, äußeren Schaltung. Das Muster des Elements zur Abtastung eines Bruches und das Verfahren zu dessen Herstellung stellen jedoch ein zu lösendes Problem hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Abtast-Element, anderen Leitstreifen und dergleichen auf der Halbleiter-Membran und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der Herstellung des Abtast-Elcnients dar.

Gemäß Ffg.4 und 5 umfaßt eine Einheit 30. in die eine Sensor-Platse 10 eingebaut ist. eine Grundplatte 32. auf der die Sensor-Platte 10 befestigt ist. ein Deckel 34 über der Grundplatte und eine Anzahl von Leitstreifen 36, die auf gegenüberliegenden Seiten der Grundplatte befestigt sind. Für die Grundplatte 32 und den Deckel 34 können Materialien verwendet werden, die im wesentlichen denselben linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie der Silikon-Chip der Sensor-Piatte 10. abo etwa Mullit. Zirkon. Pyiex (Warenzeichen). Glas oder dergleichen. Die Sensor-Platte 10 und die Grundplatte 32 können mit Hufe einer eutektischen Gold-Silikon-Legierung (Aa-St) 37 verbanden werden. Mit 38 ist eine Durchgangsbohrung bezeichnet, die sich in der Mitte der Grundplatte 32 befindet und durch die ein Zi. messender Fluiddruck zu dor Membran der Sensor-Piatte 10 gelangt Metallisierte Drähte aus W (Wolfram), Mo-Mn (Molybdän—Mangan) oder dergleichen, die mit 40 bezeichnet sind, erstrecken sich über die Grundplatte 32 und sind elektrisch mit den Leitstreifen 36 verbunden. Diese Drähte 40 sind mit Gold beschichtet, ausgenommen d>e nicht außen liegenden Bereiche. Die metallisierten Drähte 40, die diffundierten Widerstände und die Leitklemmen, die von dem Abtasi-EIement ausgehen, sind efektrisch über Golddrähte 42 verbunden. Der Deckeä 34 ist mit der Grundplatte mit Hilfe eines Hartlotes 44, wie etwa niedrig schmelzendem Glas, einer Au—Sn-Legierung oder dergleichen verbunden, nachdem die Sensor-Platte lö auf der Grundplatte 32 befestigt ist. Diese Verbindung wird in einer Unterdruckkammer hergestellt, so daß die Oberfläche der Membran, auf der die diffundierten Widerstände 18a bis ISd ausgebildet werden, in einem Unterdruck {Vakuum) gehalten wird. Sodann wird der Iniienraum der Einheit 30 hermetisch versiegelt.

Die auf diese Weisf hergestellte Einheii 30 »> ird auf eine Unterlage 46, beispielsweise aus Aluminium aufgebracht, die in Fig.6 gezeigt ist. Teile von

ίο gedruckten Leitern 48 einer Signalverarbehnngssciiaitung. die sich auf der Unterlage 4S befindet, soweit sie nicht durch e:ne isolierschicht 50 vjs Glas abgedecH sind, und die Leitssreifen 36 der B-nhcit 30 v/erden miteinander mit Hilfe eines Lote«- 52 veruunden so dab

ι > die Einheit 30 auf der Unterlage 46 festgehalten wird Eine Kappe 54 wird auf der Unterlage 46 mit Hilfe eines Klebstoffes 55 festgelegt und deck: iV Finht.t 3i ab Die Kappe 54 λ. mit eine·· DrucKiei;u,ig 56 verbunden, so daß der zu me··-»end·. Hir.iJ.-w.t·. «η die Durchgangs bohrung lit de· !.ιηί-ριι 5O.:i-itr'.re!. km η

Fig. 7 - ■;■■ :■ ne Bruch Abtasischai:up^ m Vert'.ndung mit de ι Ar :»si F.'c ,ent 22 l'if der Memoran '-ei der gezeigten '.. sitihrurigsfortTi nf- Sciialtupg bilde:, das Abtast-EIemeni und drei weue.s VV -jerstänoe R 1.

R 2 und Ri ein.; Widerstandsbrürke SiJ mit deep Eingape eine vorgegebene Spannt ι Wo verbunoen wird. Der Ausgang der Widerstandsbrucke 58 ist rn-^r einem K^-nparator 60 verbunden dessen Ausgang i-tir einen Widerstand 62 mit der Basis eines Leistungs-I < ^n-

w sistors 64 in Verbindung steht Der Ausgang dei Transistors 64 steht mit der Spanntingsquelle Vbb über einen Widerstand 66 und eine lichl-emittierende Diode 68 als Anzeigeelement in Verbindung. Wenn diese Schaltung so eingesteht wird daß der Ausgang der

J5 Widerstands-Brückenschaltung 58 unttr normalen Bedingungen auf Null liegt ergibt sich ein Ausgangssignal der Brückenschaitung aufgrund eines Bruches des Abtast-Elements 22. und zwar mit sehr hoher Empfindlichkeit Dies bewirkt daß der Transistor 64 eingeschaltet und die Diode 68 erleuchtet wird. Wenn daher die licht-emittierende Diode 68 in der Nähe des Fahrersitzes vorgesehen wird, kann der Fahrer auf einen Bruch der Membran aufmerksam gemacht werden und entsprechend reagieren.

Neben dieser Warnanzeige kann die Bruch-Abtastschaltung derart verwendet werden, daß der Ausgang der Detektorschaltung bewirkt, daß anstelle des Sensors, dessen Membran gebrochen ist das Steuersystem an den Eingang eines anderen Sensors geschaltet wird, um die Fahrbereitschaft des Fahrzeugs aufgeht zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Kombination zwischen dem Abtast-Element, das um die Halbieitermembran herum »irsd auf dieser vo-gesehen ist, and der Detektcrschal-

w tong, die mit dem Abtast-Eiement verbunden ist, ermöglicht eine frühzeitige Abtastung eines Bruches der Membran und damit eine Lösung des oben näher beschriebenen Froblems.

Hierzu 4 Blatt Z«icfanca»en

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Drucksensor mit einer in einem Teilbereich eine Membran tragenden Haibleiterpiatte und einem druckempfindlichen Element mit wenigstens einem diffundierten Widerstand auf der Oberfläche der Membran, die derart im Inneren eines dicht verschlossenen Gehäuses angeordnet ist, daß die Membran in Abstand zu den inneren Wänden des Gehäuses Kegt und ein hermetisch abgeschlossener Raum zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Vorderseite der Halbleiter-Platte in der Membran gebildet wird, und mit einer Durchgangsbohrung, die in das Gehäuse auf der Rückseite der Membran eintritt gekennzeichnet durch ein Abtast-Element (22) zum Abtasten eines Bruches der Membran (12) in der Form eines fadenförmigen elektrischen Leiters, der in die Oberfläche der Membran eingebettet und elektrisch gegenüber dem diffundierten Widerstand isoliert ist und der ih> wesentlichen J.eselbe mechanische Festigkeit w
die Membran aufweist

2. Drucksensor nach Anspruch !,dadurch gekennzeicnnet daß der das Abtast-EIement (22) bildende fadenförmige Leiter zick-zack-förmig über die Grenzlinie (26) zwischen der Membran {i2) und dem übrigen, als Halterung (14) für die Membran ausgebildeten Teil der Halbfeiterplatte (iö) hinweg verläuft.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der das Abiast-Element (22) bildende fadenförmige Leiter als diffundierte Schicht ausgebildet ist.

A. Drucksensor nach Anspruch ί oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der fadei..örmige Leiter als aufgedampfter Film ausgebildet ist

5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgedampfte Film aus Gold besteht

6. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß der aufgedampfte Film aus Aluminium besteht

7. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der fadenförmige Leiter aus einer diffundierten Schicht und einem aufgedampften Film zusammengesetzt ist

8. Drucksensor nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgedampfte Film aus Gold besteht.

9. Drucksensor nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß der aufgedampfte Film aus Aluminium besteht.

10. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der fadenförmige Leiter wenigstens eine U-förmige Ausbuchtung (22a, 22b, 22c, 22a) einschiieSi, die e.ui ι «ΰίαί-ιύπέίέίΊ Seite vorsDringt und im wesentlichen den Mittelbereich der Membran erreicht.

11. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der fadenförmige Leiter eine Anzahl von U-förmigen Ausbuchtungen aufweist, die zur radial-inneren Seite vorspringen und an ihren inneren Endbereichen wenigstens einen diffundierten Widerstand (18a—iSd) in elektrisch isolierter Anordnung schneiden.

12. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Element die Form eines Quadrates im Mittelbereich der Membraa (12) aufweist und weiterhin vier Leitstreifen (20a—2Oc^ umfaßt die mit den Ecken des Quadrates verbunden sind und sich jeweils paarweise parallel entgegengesetzt nach außen erstrecken, und daß der fadenförmige Leiter zwei U-förmige Ausbuchtungen aufweist die radial nach innen vorspringen und von denen jeder zwischen und entlang zwei Leitstreifen angeordnet ist die sich parailel nach auswärts erstrecken.

13. Drucksensor nach Anspruch 12, dad-rch gekennzeichnet daß der fadenförmige Leiter vier in Umfangsabständen liegende, U-förmige Ausbuchtungen aufweist die nach innen vorspringen und die vier Leitstreifen umgeben und mit ihren inneren

!5 Endbereichen die angrenzenden Seiten des Quadrats schneiden.