DE3315266A1 - Halbleiter-drucksensor - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Drucksensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein solcher Drucksensor ist bereits in der japanischen Patentanmeldung Nr.: 71021/1980 beschrieben und stellte einen Versuch dar, die mechanische und die thermische Stabilität herkömmlicher Drucksensoren zu verbessern, welche aus einer Harzform bestanden und ein Gehäuse aufwiesen, das nur eine druckempfindliche Membran enthielt, während eine Verstärkerschaltung etc. auf einem außerhalb des Gehäuses befindlichen Schaltungssubstrat angeordnet waren.
• Fig. 1 zeigt ein Beispiel des eingangs erwähnten Drucksensors der als Gehäuse das von Halbleiterbauelementen her bekannte Gehäuse, beispielsweise MDi8 oder ähnliche verwendet, die aus einer metallischen Kappe 1 und einer metallischen Grundplatte 2 bestehen. Die Grundplatte 2 besitzt eine zentrale Öffnung 3, in der ein zylindrischer Sockel 4 aus Silicium angeordnet ist. Der Sockel 4 ist in seiner Mitte mit einem durchgehenden Loch 5 versehen, in dem eine das Loch verschließende druckempfindliche Membran 6 aus Silicium befestigt ist. An den Sockel 4 ist ein Rohr 7 derart angeschlossen, daß das Loch 5 mit dem Rohrinneren in Verbindung steht. Das Rohr 7 wird mittels einer Metallkappe 8 an der Bodenplatte 2 gehalten. Ein Keramiksubstrat 9 ist auf der Oberseite der Bodenplatte 2 befestigt und umgibt die Membran 6. Auf dem Keramiksubstrat 9 ist eine Dickfilmschaltung (nicht gezeigt) angeordnet, über die Operationsverstärkerchips, Diodenchips etc. installiert sind, welche Verstärkerschaltungen und Justierschaltungen bilden und über gebondete, dünne Leitungsdrähte 10 mit einer Brückenan- ordnung von Dehnungsmeßstreifen verbunden sind, die auf der Membran 6 ausgebildet sind. Die Ausgänge der Justier- und Verstärkerschaltungen sind mit einem Anschlußstift 11 über einen gebondeten Leitungsdraht 12 verbunden, der so dünn wie der Anschlußstift ist. Dieser Anschlußstift 11 ist mittels einer hermetischen Dichtung von der Bodenplatte 2 isoliert. Auf diese Weise steht das'Ausgangssignal des Drucksensors außen über eine mit dem Anschlußstift 11 verbundene Ausgangsleitung 13 zur Verfügung. Dieses Ausgangssignal hängt von der Druckdifferenz zwischen dem gemessenen Druck und dem Druck in der Referenzdruckkammer 14 innerhalb des Gehäuses 1, 2 ab. Dem gemessenen Druck ist die e-ine Seite der Membran 6 über das Loch 5 im Sockel 4-und das Rohr 7 ausgesetzt. Eine Einstellung des Drucks in der Referenzdruckkammer 14 erlaubt eine Einstellung des Pegels des Sensorausgangssignals. Zum Zwecke des Schutzes der Membran 6 innerhalb des Gehäuses, der Dickfilmschaltung auf dem Keramik substrat 9 und der Halbleiterchips sowie als Prüfung der Luftdichtigkeit wird durch ein Rohr 15 Helium oder ein Helium enthaltendes -inertes Gas eingeführt, bis der Pegel des Sensorausgangssignals einen bestimmten Wert erreicht. Daraufhin wird die Gaszufuhr gestoppt und das Rohr 15 abgedichtet. Auf diese Weise wird die Justierung ausgeführt.
• Wenn bei diesem Drucksensor beispielsweise Eisen mit einer Wärmeausdehnungszahl von 11,7 x 10-6 als Material für die Bodenplatte 2 verwendet wird, dann führt der Unterschied zwischen der Wärmeausdehnungszahl von Eisen und derjenigen des Keramiksubstrats 9 (7 x 10 6) zu Spannungen, wenn das Substrat 9 mittels Weichlot auf die Bodenplatte 2 aufgelötet wird. Hierdurch wird der Widerstandswert von auf das Substrat 9 aufgedruckteS Widerständen beeinträchtigt, wobei manchmal Änderungen in der Größenordnung von 1% auftreten. Zur Vermeidung einer solchen Spannung hat man vorgeschlagen, das Substrat 9 nur teilweise mit einem Weichlot mit der Bodenplatte 2 zu verlöten. Die Haftfestigkeit zwischen einem Metall-und einem Keramikmaterial ist jedoch allgemein schwach, wenn Weichlot verwendet wird, so daß eine relativ große Verbindungsfläche erforderlich ist und eine teilweise Verbindung nicht ausreicht. Es ist ferner vorgeschlagen worden, das Substrat 9 mit Hilfe eines Klebstoffs an der Bodenplatte 2 zu befestigen, der anders als das Weichlot keine Erhitzung erfordert. Dies führt jedoch zu einigen Problemen einschließlich der unzureichenden Haftwirkung sowie zur Erzeugung von Spannung im Substrat 9 als Folge von Temperaturänderungen bei Benutzung.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiter-Drucksensor zu schaffen, bei dem ein Keramikschaltungssubstrat, das zusammen mit der druckempfindlichen Membran in einem Gehäuse mit einer metallischen Bodenplatte dicht eingeschlossen ist, keiner Spannung ausgesetzt wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
• Durch Befestigen des Schaltungssubstrats an einer Seite einer Metallplatte, deren Wärmeausdehnungszahl etwa gleich der des Substratmaterials ist, und durch teilweises Befestigen der anderen Seite der Metallplatte an der Bodenplatte des Gehäuses, werden die aufgezeigten Schwierigkeiten vermieden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht eines bekannten Halbleiter-Drucksensors, Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und Fig. 3 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
• In den Zeichnungen sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
• Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 ist das Keramiksubstrat 9 nicht -direkt an der Bodenplatte 2 befestigt, sondern auf eine Trägerplatte 16, die aus einer Legierung aus Eisen und Nickel besteht, aufgelötet. Die Legierung hät eine Wärmeausdehungszahl, die annähernd gleich der des Keramikmaterials ist. Die Trägerplatte 16 ist lokal nUr in der Nähe der öffnung 3 beispielsweise mittels einer Weichlotschicht mit der Bodenplatte 2 verbunden. Wenn bei diesem Aufbau das Keramiksubstrat 9 mit der Trägerplatte 16 verbunden wird, werden keine thermischen Spannungen hervorgerufen, da die Wärmeausdehnungszahlen einander annähernd gleich sind. Wenn die Trägerplatte 16 mit der Bodenplatte 2 verbunden wird, treten ebenfalls keine thermischen Spannungen auf, da diese Verbindung lokal begrenzt ist. Da die Trägerplatte 16 und die Bodenplatte 2 aus Metall bestehen, ist die Haftfestigkeit einer Verlötung, eines Verschweißens etc. viel stärker als diejenige zwischen einem Metall und einer Keramik, Daher reicht die lokale Verbindung für die erforderliche Haftfestigkeit aus.
• Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das demjenigen von Fig. 2 mit Ausnahme dessen ähnlich ist, daß der die Membran 6 tragende Sockel an der Metallkappe 8, die mit dem Rohr 7 verbunden ist, befestigt ist.
• Schwankungen der Ausgangsspannung des erfindungsgemäßen Drucksensors infolge von Temperaturänderungen sind sehr gering, da die Änderung der Widerstandswerte der Widerstände auf dem Keramiksubstrat selbst bei Temperaturänderungen von -40° auf +1200 unter 0,1% bleibt. Mit der Erfindung wird daher ein sehr präziser Halbleiter-Drucksensor geschaffen, der frei von thermischer Spannung ist und hervorragende Vorteile aufweist.

Claims (1)

1. Halbleiter-Drucksensor Patentanspruch Halbleiter-Drucksensor, umfassend ein abgedichtetes Gehäuse (1, 2) mit einer metallischen Bodenplatte (2), dessen Innenraum eine Referenzdruckkammer darstellt, eine druckempfindliche Halbleitermembran (6) deren eine Seite dem Druck im Innenraum des Gehäuses (1, 2) und deren andere Seite einem äußeren Druck ausgesetzt ist, und ein Schaltungssubstrat (9), auf dem sich eine mit dem Dehnungsmeßbereich der Halbleitermembran verbundene Schaltung befindet, wobei die Halbleitermembran (6) und das Schaltungssubstrat (9) an der Bodenplatte (2) befestigt sind, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schaltungssubstrat (9) an einer Seite einer Metallplatte (16) befestigt ist, deren thermische Ausdehnung annähernd gleich derjenigen des Materials des Schaltungssubstrats (9) ist und deren andere Seite lokal an der Bodenplatte (2) befestigt ist.