DE3937522A1 - Mit einem traegerelement verbundener halbleiter-drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mit einem Trägerelement verbundenen Halbleiter-Drucksensor mit einem Substrat aus Halbleitermaterial, das eine aktive Oberfläche zur Aufnahme integrierter Bauelemente und eine Rückseite aufweist, in der zur Erzeugung einer an die aktive Oberfläche angrenzenden, dem zu messenden Druck ausgesetzten Membran eine von dicken Randbereichen umgebene Ausnehmung gebildet ist, wobei auf der aktiven Oberfläche integrierte Bauelemente vorgesehen sind, die unter dem Einfluß mechanischer Verformungen der Membran einen ihrer elektrischen Parameter ändern.

Halbleiter-Drucksensoren dieser Art waren unter Verwendung einer Elastomerdichtung mit den die Membran umgebenen dicken Randbereichen auf Seiten der Substratrückseite mit dem Träger­ element verklebt. Die Klebewirkung kam dabei durch die Adhä­ sionskräfte zwischen den beteiligten Materialien zustande. Der zu messende Druck wird von der Substratrückseite her auf die Membran zur Einwirkung gebracht. Dies bedeutet aber, daß der zu messende Druck eine Kraft ausübt, die die Adhäsions­ kräfte zwischen dem Substrat und dem Trägerelement zu überwin­ den sucht, was zur Folge hat daß bei zu hohen Drücken die Ver­ bindung zwischen dem Substrat und dem Trägerelement gelöst wird. Der Drucksensor wird dadurch unbrauchbar. Dieses Prob­ lem konnte nicht einfach dadurch beseitigt werden, daß die dicken Randbereiche des Substrats mit mechanischen Mitteln von der aktiven Oberfläche des Substrats her fest mit dem Trä­ gerelement verbunden werden. Bei einer solchen Lösung würden nämlich in der Membran mechanische Spannungen hervorgerufen, die sich aus Temperaturänderungen und damit verbundenen Form­ änderungen der Befestigungsstruktur ergeben. Diese mechani­ schen Spannungen erzeugen in der Membran unerwünschte elektri­ sche Ausgangssignale, die sich den vom zu messenden Druck ver­ ursachten Ausgangssignalen überlagern und somit zu einer Ver­ fälschung der Meßergebnisse führen. Drucksensoren der eingangs angegebenen Art sind daher nur für einen sehr eingeschränk­ ten Druckbereich verwendbar, was insbesondere dann gilt, wenn auf eine möglichst spannungsfreie Montage des Drucksensors und somit auf möglichst unverfälschte Meßergebnisse geachtet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter- Drucksensor der eingangs angegebenen Art zu schaffen, der sich für den Einsatz bei hohen Drücken eignet und dessen Aus­ gangssignale von Formänderungen des Trägerelements kaum beein­ flußt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Substrat an den die Membran umgebenden Bereichen der aktiven Oberfläche unter Verwendung einer Elastomerdichtung mit dem Trägerelement verbunden ist und daß die Membran von der Rück­ seite des Substrats her mit einer Zuleitung für den zu messen­ den Druck in Verbindung steht.

Beim erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensor erfolgt die Verbindung mit dem Trägerelement auf der aktiven Oberfläche des Substrats unter Zwischenfügung einer Elastomerdichtung. Dies bedeutet, daß bei Einwirkung des Drucks auf die Membran eine Kraft auf die Verbindungsstelle zwischen den Drucksensor und dem Trägerelement entsteht, die die Dichtwirkung um so größer macht, je größer der Druck wird. Eine zusätzliche star­ re Einspannung des Substrats am Trägerelement ist nicht erfor­ derlich, so daß die gewünschte Unabhängigkeit von mechanischen Verformungen des Trägerelements erzielt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert, in der der erfindungsgemäße Drucksensor mit seinen für die Erfindung wesentlichen Merkmalen in einer Schnittan­ sicht dargestellt ist.

Der in der Zeichnung dargestellte Drucksensor 10 enthält ein Halbleitersubstrat 12, das eine aktive Oberfläche 14 und eine Rückseite 16 aufweist. In der Rückseite 16 ist eine Ausneh­ mung 18 so gebildet, daß eine an die aktive Oberfläche 14 angrenzende Membran 20 gebildet wird, die von dicken Randbe­ reichen 22, 24 umgeben ist.

In der aktiven Oberfläche 14 sind integrierte Bauelemente, beispielsweise integrierte Widerstände 26, 28 gebildet, die bei einer Verformung der Membran 20 ebenfalls eine mechani­ sche Formänderung erleiden und dabei einen ihrer elektrischen Parameter, im angegebenen Beispiel ihren Widerstandswert, ändern.

Die Zu- und Ableitung elektrischer Signale zu den integrier­ ten Bauelementen 26, 28 erfolgt mit Hilfe von Bonddrähten 30, 32.

Der Drucksensor 10 ist in einem Trägerelement 34 angebracht, das mit einer Öffnung 36 versehen ist, deren Innenumfangsflä­ che eine Stufe 38 aufweist. Der Drucksensor 10 ist dabei un­ ter Zwischenfügung einer Elastomerdichtung 40 auf die Stufe 38 des Trägerelements 34 aufgeklebt. Die Klebewirkung kommt dabei durch die zwischen den beteiligten Materialien wirksame Adhäsionskraft zustande. Als Material für die Elastomerdich­ tung kann beispielsweise Siliconkautschuk, Butylkautschuk oder auch Nitrilkautschuk verwendet werden. Jedes andere Ma­ terial mit vergleichbaren Eigenschaften kann natürlich zum Einsatz kommen.

Das Trägerelement 34 ist seinerseits in einem Gehäuse 42 be­ festigt, das eine Öffnung 44 zur Einleitung des zu messenden Drucks aufweist. Wie in der Zeichnung zu erkennen ist, wirkt der Druck auf die zur Rückseite des Drucksensors 10 gewandte Fläche der Membran 20. Dies hat die Wirkung, daß der einwir­ kende Druck eine Kraft erzeugt, die die Dichtwirkung der Ela­ stomerdichtung 40 um so mehr verstärkt, je höher der Druck ist. Der Drucksensor 10 kann aufgrund seiner speziellen Befe­ stigung daher für hohe Drücke eingesetzt werden.

Zur mechanischen Entkoppelung zwischen dem Trägerelement 34 und dem Drucksensor 10 kann in der aktiven Oberfläche des Substrats 12 in dem Bereich zwischen der Membran 20 und dem Verbindungsbereich mit dem Trägerelement 34 eine die Membran umgebende Vertiefung 46 angebracht sein. Mechanische Verfor­ mungen, die aufgrund von Temperaturänderungen im Trägerele­ ment hervorgerufen werden, werden auf diese Weise daran ge­ hindert, Verformungen der Membran 20 hervorzurufen, die eine Verfälschung des Meßergebnisses zur Folge hätten. Diese zu­ sätzlich zur Verwendung der Elastomerdichtung 40 wirksame mechanische Entkoppelung ermöglicht hysteresefreie Meßergeb­ nisse, die sehr weitgehend frei von Temperatureinflüssen sind.

Falls eine weitere mechanische Entkoppelung wünschenswert ist, können auch mehrere Vertiefungen nach Art der Vertiefung 46 in den dicken Randbereichen 22, 24 des Substrats angebracht werden. Auch die Anbringung solcher Vertiefungen von der Rück­ seite des Substrats 12 her ist möglich.

In der Zeichnung ist der Drucksensor 10 nur schematisch dar­ gestellt; wie elektrische Signale zu- und abgeleitet werden muß nicht besonders dargestellt werden, da dies für die Erfin­ dung unwesentlich ist.

Claims (3)

1. Mit einem Trägerelement verbundener Halbleiter-Drucksen­ sor mit einem Substrat aus Halbleitermaterial, das eine akti­ ve Oberfläche zur Aufnahme integrierter Bauelemente und eine Rückseite aufweist, in der zur Erzeugung einer an die aktive Oberfläche angrenzenden, dem zu messenden Druck ausgesetzten Membran eine von dicken Randbereichen umgebene Ausnehmung ge­ bildet ist, wobei auf der aktiven Oberfläche integrierte Bau­ elemente vorgesehen sind, die unter dem Einfluß mechanischer Verformungen der Membran einen ihrer elektrischen Parameter ändern, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) an den die Membran (20) umgebenden Bereichen der aktiven Oberfläche (14) unter Verwendung einer Elastomerdichtung (40) mit dem Trägerelement (34) verbunden ist und daß die Membran (20) von der Rückseite (16) des Substrats (12) her mit einer Zulei­ tung (44) für den zu messenden Druck in Verbindung steht.

2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich zwischen der Membran (20) und dem Verbindungsbereich zwischen dem Substrat (12) und dem Träger­ element (34) in der aktiven Oberfläche (14) des Substrats (12) Vertiefungen (46) zur Erzielung einer mechanischen Ent­ koppelung zwischen der Membran (20) und dem Trägerelement (34) angebracht sind.

3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomerdichtung (40) aus Silicon­ kautschuk, Butylkautschuk oder Nitrilkautschuk besteht.