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Halbleiter-Meßeinrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Meßeinrichtung mit
in einem Gehäuse angeordneten Sensor-Chip, insbesondere einem Silizium-Drucksensor,
welcher Sensor-Chip über einen Zwischenträger auf der Stirnfläche eines metallischen
oder keramischen Ansatzstükkes angeordnet ist. Das Ansatzstück kann ein separater
Zylinder, der elektrisch isoliert im Gehäuse eingebracht ist, oder auch als Podest
Teil des Gehäuses selbst sein.
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Halbleiter-Sensoren finden in der Technik zunehmend Eingang als mikroprozessorkompatible
Meßeinrichtungen.
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Sie können beispielsweise als Meßfühler für Temperatur oder mechanische
Größen, wie insbesondere des Druckes, des Differenzdruckes sowie des Absolut druckes
verwendet werden, wobei vom Sensor ein geeignetes Signal erzeugbar ist, das nach
Digitalisierung von einer Rechnereinheit direkt verarbeitet werden kann. Vorteilhaft
ist speziell bei Silizium-Sensoren, daß bei der Fertigung die gut beherrschbaren
Herstellungstechnologien für integrierte Schaltkreise zur Verfügung stehen.
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Halbleiter-Sensoren werden aus einem sogenannten Chip mit darauf befindlichen,
problemangepaßten Meßfühler gebildet: Beispielsweise sind zur Realisierung eines
Drucksensors einer Siliziummembran durch Ionenimplantation Widerstandsbahnen integriert,
wobei die druckabhängigen Biegespannungen der Membran zu Widerstandsänderungen nach
dem piezoresistiven Effekt führen. Für die praktische Verwendung wird der eigentliche
Chip mit
einem Zwischenträger in ein Gehäuse eingebaut. Das Gehäuse
dient zur Handhabung des Sensors sowie Applikation in den Meßprozeß und muß derart
aufgebaut sein, daß es die Einleitung der jeweiligen Meßgröße und die Ausleitung
des Signals erlaubt.
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Beim Einbau von Sensoren in ein Gehäuse besteht das Problem, mechanische
Vorspannungen, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Gehäusematerial
und Halbleitermaterial zustande kommen, in ihrem Einfluß auf das Meßsignal zu eliminieren.
Häufig werden die Sensoren beim Einbau ins Gehäuse mit einem solchen Material verbunden,
das für Glaseinschmelzungen geeignet ist.
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Bei Drucksensoren für den industriellen Einsatz ist es zwingend notwendig,
den Sensor-Chip elektrisch gegenüber dem Gehäuse zu isolieren. Dies erfolgt zweckmäßigerweise
dadurch, daß der Sensor-Chip auf einen Zylinder aus einer solchen Legierung aufgebracht
wird, die durch Glaseinschmelzung mit dem Gehäuse verbunden werden kann. Für Anwendungen,
bei denen die elektrische Isolierung nicht gefordert ist, wird der Sensor häufig
mit einem Podest, das Teil der Bodenplatte des Gehäuses ist, verbunden, wobei letztere
die durch Glaseinschmelzungen eingebauten Kontaktdurchführungen trägt. Dabei muß
berücksichtigt werden, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von für Glaseinschmelzungen
geeigneten Legierungen etwa doppelt so groß wie der Ausdehnungskoeffizient von Silizium
ist. Die Verbindung des Sensor-Chips mit dem Zylinder oder dem Podest, im folgenden
einheitlich als Ansatzstück bezeichnet, unter Einschluß des Zwischenträgers erfolgt
üblicherweise mittels eines Lötprozesses, wobei die Löttemperatur deutlich über
der höchsten Betriebstemperatur des Druck-
messers liegen muß. Bei
Gold-Zinn als Lötmaterial werden etwa Temperaturen von 310°C erreicht.
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In der Praxis entstehen Schwierigkeiten dadurch, daß sich beim Abkühlen
nach dem Löten die metallischen Teile stärker als der Sensor-Chip zusammenziehen,
so daß der Chip mit Zwischenträger an der Lötstelle unter Druckspannungen steht
und leicht verformt wird. Dadurch steht der Membranbereich unter Zugspannungen,
was Einflüsse auf die Kenndaten des Druckmessers hat: Einerseits wird die Membran
biegesteifer, so daß die Empfindlichkeit abnimmt. Andererseits können sich die Zugspannungen
unterschiedlich auf die verschiedenen Widerstände auswirken und führen deshalb zu
einer Nullpunktsspannung. Darüber hinaus verändert sich bei Temperaturänderungen
die Zugspannung, so daß die Empfindlichkeit und Nullpunktsspannung eine vorspannungsbedingte
Änderung mit der Temperatur erfahren.
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Da der Einfluß der Vorspannung auf den Sensor-Chip von Herstellungstoleranzen
beeinflußt wird, ist er elementspezifisch. Die sich so ergebenden Toleranzen in
Nullpunktsspannung, Empfindlichkeit und Temperaturgang von Nullpunktsspannung und
Empfindlichkeit machen daher einen Prüf- und Abgleichaufwand bei der Kompensation
dieser Störgrößen notwendig.
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Vom Stand der Technik sind bereits Maßnahmen bekannt, mit denen die
Vorspannung des Sensor-Chips verringert werden soll. Beispielsweise wird in der
DE-OS 31 28 188 vorgeschlagen, daß der Sensor-Chip mit einem Halter verbunden ist,
der aus einem speziellen Legierungsmaterial mit austenitischem Gefüge besteht, das
Fe, Co und Ni enthält und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 3,5 x 10-6/K oder
weniger über einen Temperaturbereich
zwischen 304C und 400"C aufweist,
d.h. also einen dem Silizium angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.
Eine solche Speziallegierung ist aber vergleichsweise teuer; außerdem ist die angegebene
Legierung nicht für Glaseinschmelzungen geeignet. Um die geforderte elektrische
Isolierung des Chips im Gehäuse zu erreichen, wird daher beim Stand der Technik
der Zwischenträger aus Glas ausgebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Kompressibilitäten
von Glas und Silizium führt dieser Aufbau zu hydrostatischen Druckeinflüssen auf
das Meßsignal, zu deren Beseitigung aufwendige Konstruktionen notwendig sind, die
in der DE-OS 30 47 619 angegeben sind. Da das spezielle Legierungsmaterial nach
der DE-OS 31 28 188 einen wesentlich anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
als das Metallgehäuse hat, muß zum Abbau der dadurch verursachten Vorspannungen
der Zylinder eine gewisse Länge haben. Dadurch wird aber die Baugröße der gesamten
Meßeinrichtung ungünstig beeinflußt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Halbleiter-Meßeinrichtung
der eingangs genannten Art die unerwünschten Vorspannungen des Sensor-Chips wesentlich
zu reduzieren, ohne daß bestimmte Anforderungen an Konstruktion und/oder Material
des Gehäuses gestellt werden. Damit soll gewährleistet werden, daß die gesamte Meßeinrichtung
kompakt bleibt und kostenmäßig befriedigend realisiert werden kann.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Zwischenträger
rückseitig eine außerhalb des Ansatzstückes verlaufende Ringnut aufweist.
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Durch die Ringnut lassen sich die bisher auftretenden Vorspannungen
des Sensor-Chips beim Einbringen in das
Gehäuse beseitigen. Besonders
vorteilhaft ist, daß eine solche Ringnut ohne großen Aufwand durch Ätzen oder durch
Elektroerosion erzeugt werden kann. Weitere konstruktive Änderungen am Gehäuseaufbau
sind nicht notwendig.
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In Weiterbildung der Erfindung läßt sich eine weitere Verbesserung
dadurch erzielen, daß auf der dem Sensor-Chip zugewandten Seite des Zwischenträgers
zusätzlich eine flache Ausnehmung eingebracht ist. Diese Ausnehmung ist der Membran
angepaßt und verläuft bei kreisförmiger Membran entsprechend konzentrisch. Die zusätzliche
Ausnehmung ist insbesondere dann wichtig, wenn die Meßmembran des Sensor-Chips kleiner
ist als die Stirn fläche des Ansatzstückes oder wenn der Sensor-Chip eine ringförmige
Meßmembran aufweist. Dabei ist in jedem Fall der Durchmesser der Ausnehmung größer
als der Außendurchmesser der Ringnut, so daß sich im Zwischenträger Materialverringerungen
ergeben. Es soll aber gewährleistet sein, daß der Zwischenträger im Bereich von
Ringnut und Ausnehmung eine Restdicke von 1/3 bis 2/3, vorzugsweise 1/2, seiner
ursprünglichen Dicke hat.
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Die Erfindung läßt sich vorteilhaft bei industriell einsetzbaren Meßeinrichtungen,
bei denen die Meßzelle gegenüber dem Gehäuse unbedingt elektrisch isoliert sein
muß, anwenden. Aber auch bei Meßeinrichtungen ohne Isolierung der Meßzelle ergeben
sich bei geringem Aufwand entsprechende Vorteile.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung,
wobei auch auf die optimale Dimensionierung von Ringnut und Ausnehmung eingegangen
wird.
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Es zeigen jeweils in grobschematischer Schnittdarstellung Figur 1
eine gesamte Meßeinrichtung mit Gehäuse sowie die Figuren 2 bis 4 drei bezüglich
Meßmembran, Zwischenträger und/oder Ansatzstücke unterschiedlich ausgebildete Meßzellen,
die den herkömmlichen Teil der Anordnung nach Figur 1 ersetzen können.
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Die Figuren sind nicht streng maßstäblich zueinander gezeichnet. Identische
Teile sind in den Figuren durchweg mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Figur 1 ist in ein metallisches Gehäuse 1 ein Zylinder 2 eingebracht.
Das Gehäuse 1 und der Zylinder 2 bestehen aus Legierungen, die für Glaseinschmelzungen
geeignet sind. Die Legierungen vom Gehäuse 1 und Zylinder 2 können unterschiedlich
sein. Der Zylinder 2 ist durch die angedeutete Glaseinschmelzung 3 in das Gehäuse
1 dicht eingebracht. Auf dem Zylinder 2 befindet sich die eigentliche Meßzelle 5,
die aus einem Sensor-Chip 6 und einem Zwischenträger 7 besteht. Der Sensor-Chip
6 ist durch Abfolge mehrerer halbleitertechnologischer Verfahrensschritte zu einem
Meßfühler ausgebildet: Beispielsweise weist er eine dünne Membran mit darin ionenimplantierten
Widerstandsstrecken auf, die aufgrund der Membraneigenschaften druckempfindlich
sind. Durch Schaltung mehrerer solcher Widerstandsstrecken nach Art einer Wheatstone'schen
Brücke läßt sich bei Druckbeaufschlagung ein elektrisches Signal gewinnen.
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Der Zwischenträger 7 besteht ebenfalls aus Silizium, so daß er die
gleichen mechanischen Eigenschaften wie der Chip 6 hat. Zylinder 2 und Zwischenträger
7 sind hohlzylindrisch ausgebildet, so daß der Sensor-Chip 6 beid-
seitig
durch ein Druckmedium beaufschlagt werden kann.
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Es sind jedoch auch geschlossene Systeme möglich, mit denen ein Absolutdruck
gegen Vakuum meßbar ist.
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Weiterhin ist in Figur 1 eine ebenfalls durch Glaseinschmelzung isoliert
eingebrachte Durchführung 8 vorhanden, von der eine elektrische Leitung 9 als Signalanschluß
zum Sensor-Chip 6 führt. Weitere vorhandene Anschlüsse sind nicht dargestellt.
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In Figur 2 ist ein Sensor-Chip mit 10 bezeichnet.
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Ersichtlich ist der Membranbereich 11, der beispielsweise bei rotationssymmetrischem
Aufbau der Anordnung entsprechend kreisförmig ist. Der Sensor-Chip 10 ist auf einem
Zwischenträger 15 angeordnet, der die Dicke d hat, die etwa der Dicke des Sensor-Chips
entspricht.
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Auf der Rückseite des Zwischenträgers ist um den Zylinder 2 herumlaufend
eine Ringnut 16 eingebracht, deren Tiefe etwa der halben Dicke d des Zwischenträgers
15 entspricht. Es ergibt sich zwangsläufig, daß der innere Durchmesser D2 der Ringnut
16 größer als der Durchmesser D1 des Zylinders 2 ist. Der äußere Durchmesser der
Ringnut 16 ist mit D3 bezeichnet.
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Die durch den Lötprozeß erzeugten mechanischen Materialspannungen
werden durch die Ringnut 16 aufgenommen.
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Das bisher unvermeidliche, unerwünschte Verbiegen von Zwischenträger
15 und Sensor-Chip 10 ist damit weitgehend ausgeschlossen. Vorspannungen in der
Druckmembran 11 sind damit weitgehend eliminiert.
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Die beschriebene Ringnut 16 läßt sich bei der Fertigung in einfacher
Weise durch Ätzen oder Elektroerosion einbringen. Bei üblicher Dimensionierung des
Sensor-Chips 10 und Zwischenträgers 15 hat sich eine Breite der
Ringnut
von 200 bis 300 um als geeignet erwiesen; es sind auch größere Abmessungen möglich,
wobei die Breite nicht mehr als 500 um betragen sollte, um den Zwischenträger 15
nicht unnötig zu schwächen.
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In Figur 3 ist eine Meßzelle dargestellt, bei der ein Sensor-Chip
20 speziell mit einer Ringmembran 21 ausgebildet ist. Im mittleren Bereich befindet
sich daher eine Verdickung 22. Der Zylinder 2 entspricht den anderen Ausführungsbeispielen.
Im Zwischenträger 25 ist eine Figur 2 entsprechende Ringnut 26 eingebracht.
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Oberhalb der Ringnut 26 ist an der dem Sensor-Chip 20 zugewandten
Seite des Zwischenträgers 25 eine flache, kreisförmige und konzentrische Ausnehmung
28 vorhanden.
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Der Außendurchmesser D4 der Ausnehmung 28 ist dabei größer als der
Außendurchmesser D3 der Ringnut 26.
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In Figur 4 ist eine Meßzelle mit Sensor-Chip 30 und Meßmembran 31
dargestellt, bei welcher der Membranbereich besonders kompakt ist. Gleichzeitig
soll diese Ausführungsform auch bei solchen Meßeinrichtungen anwendbar sein, bei
denen eine aufwendige elektrische Isolierung der Meßzelle gegenüber dem Gehäuse
nicht notwendig ist. Das Ansatzstück 23 ist dabei Teil des Gehäuses 32 und hat den
Durchmesser D1 und wird durch Drücken des Gehäusebodens erzeugt. Beim Ansatzstück
32 mit vorgegebener Große der Stirnfläche kann die Meßmembran 31 in ihrem Durchmesser
D5 kleiner als der Außendurchmesser D1 des Ansatzstückes 33 sein. Demzufolge liegt
die in den Zwischenträger 35 eingebrachte Ringnut 36 außerhalb des eigentlichen
Membranbereiches.
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Es ist daher ebenfalls im Zwischenträger 35 auf der dem Sensor-Chip
30 zugewandten Seite eine flache Ausnehmung 38 eingebracht. Der Durchmesser D4 der
Ausnehmung 38 ist wiederum größer als der Außendurchmesser D3 der Ringnut 35 und
größer als der Durchmesser D5.
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Die Ringnut kann wieder die gleiche Tiefe wie bei den anderen Ausführungsbeispielen
haben. Als Tiefe für die Ausnehmung 38 hat sich etwa 50 um als geeignet erwiesen.
Bei der konstruktiven Ausbildung ist darauf zu achten, daß trotz der Materialaussparungen
eine genügende Stabilität des Zwischenträgers 35 gegeben bleibt.
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Da bei Figur 3 und Figur 4 die jeweilige Ringnut und Ausnehmung im
Zwischenträger 25 bzw. 35 übereinander verlaufen, sollen deren Tiefen hl und h2
so abgestimmt sein, daß die Restdicke des Zwischenträgers bei etwa 1/3 bis 2/3 der
Normaldicke d verbleibt. Bei einer Dicke d=400 um ist beispielsweise ein Wert hl=150
pm für die Tiefe der Ringnut und ein Wert h2=50 pm für die Tiefe der Ausnehmung
geeignet.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde durchweg von rotationssymmetrisch
aufgebauten Meßzellen mit kreisförmigen Membranen ausgegangen. Sensor-Chip Meßmembran,
Ringnut und/oder Ausnehmung können jedoch auch andere Formen, beispielsweise eine
rechteckige, aufweisen, was am prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung
nichts ändert.
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Für weitere Meßzwecke sind entsprechend problemangepaßte Sensor-Chips
aufbaubar: Beispielsweise können mechanische Größen, wie Kraft, Beschleunigung,
Geschwindigkeit, Durchfluß oder auch die Temperatur mit derartigen Meßeinrichtungen
gemessen werden. Gegebenenfalls können andere Halbleitermaterialien für die Herstellung
des Sensor-Chips verwendet werden.
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9 Patentansprüche 4 Figuren
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