DE4201634C2

DE4201634C2 - Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE4201634C2
Application number: DE4201634A
Authority: DE
Inventors: Toru Araki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2012-01-23
Also published as: JP2719448B2; JPH04240777A; DE4201634A1; US5209120A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Druckaufnahmevorrich tung mit einem Halbleiterchip, auf dem eine Membran und eine Dehnungsmeßeinrichtung vorgesehen sind; einem Rahmen, auf dem der Halbleiterchip angeordnet ist; einem Fuß zur Abstützung des Rahmens; einem mit dem Halbleiterchip verbundenen Draht; und einer Zuleitung, die mit dem Draht verbunden und so ge haltert ist, daß sie den Fuß durchsetzt.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung, wie zum Beispiel eines Drucksensors. Dabei hat ein Halbleiterchip 5 auf seiner Ober fläche eine Membran 3, um den Druck eines Druckmediums wie Öl in eine mechanische Spannung umzuwandeln. Ferner hat der Halbleiterchip 5 eine Dehnungsmeßeinrichtung, die die mecha nische Spannung der Membran in ein elektrisches Signal um formt. Der Halbleiterchip 5 ist auf einem Rahmen 7 angeord net, der auf den Halbleiterchip 5 aufgebrachte äußere Bela stungen absorbiert und seinerseits an einem Metallfuß 8 abge stützt ist.

Das elektrische Signal, das aus der mechanischen Spannung der Membran 3 durch die Dehnungsmeßeinrichtung 4 umgeformt wurde, wird von einer Zuleitung 9 über einen Verbindungsdraht 10 ab genommen, der mit dem Halbleiterchip 5 elektrisch verbunden ist. Die genannte Zuleitung 9 ist an dem Fuß 8 mit Glas 11 hermetisch befestigt. Der Halbleiterchip 5 ist mit einem Deckel 13 abgedeckt, der mit dem Fuß 8 verbunden ist, so daß eine Referenzdruckkammer 6, beispielsweise eine Vakuumkammer, gebildet wird. Ein Gehäuse 2, in dem das zu messende Medium 1 enthalten ist, ist mit einer Leitung 14 verbunden, die am zentralen Teil des Fußes 8 angeordnet ist.

Die herkömmliche Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung ist in der beschriebenen Weise aufgebaut, so daß der Druck des zu messenden Mediums 1 die Membran 3 durch die Leitung 14 beauf schlagt. Die Membran 3 wird entsprechend der Differenz zwi schen dem Druck des zu messenden Mediums 1 und dem Druck in der Referenzdruckkammer 6 verformt, so daß in der Dehnungs meßeinrichtung 4 eine Widerstandsänderung erfolgt. Die Wider standsänderung kann als eine Spannungsänderung abgenommen werden, und zwar über eine Konstruktion, die beispielsweise aus vier Dehnungsmeßstreifen 4 in Form einer Wheatstone- Brücke besteht. Die an die Dehnungsmeßeinrichtung 4 angelegte Spannung bzw. die während der Widerstandsänderung in der Deh nungsmeßeinrichtung 4 auftretende Spannungsänderung erfolgt von außen und wird über den Draht 10 und die Zuleitung 9 her ausgeführt.

Wenn das zu messende Medium 1 eine Flüssigkeit, wie etwa Öl ist, tritt bei einer Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung der eingangs beschriebenen Art das Problem auf, daß das flüssige Medium nicht bis zu einer Position unmittelbar unter der Mem bran 3 eingeschlossen werden kann. Ferner muß für den Fuß 8 eine Leitung 14 vorgesehen sein, damit das zu messende Medium 1 zugeführt werden kann. Ein weiterer Nachteil ist, daß ein Substrat oder dergleichen vorgesehen sein muß, um die Zulei tung 9 anzubringen, da sie zum Herausführen des elektrischen Signals auf der gleichen Seite wie die Leitung 14 und der Fuß 8 angeordnet ist. Infolgedessen kann die Größe der Vorrich tung nicht verringert werden. Wenn ferner das zu messende Medium 1 ein Hochdruckmedium ist, muß die Leitung 14 mit dem Gehäuse 2 verschweißt werden, was sehr schwierig und aufwen dig ist.

Eine Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung der eingangs genann ten Art ist im wesentlichen aus der US 45 02 335 bekannt, wo bei dort in einem Innenraum ein Ring vorgesehen ist, der das Volumen verringert, welches von einem zu messenden Druckfluid ausgefüllt werden kann. Der Ring umgibt dabei ein Rohr, das einen Rahmen für eine Membran zur Messung des Druckes bildet. Durch den Ring erstrecken sich Zuleitungen hindurch, die einerseits an eine nicht dargestellte Meßeinrichtung ange schlossen sind und andererseits unter Zwischenschaltung des Ringes mit Drähten verbunden sind, welche wiederum eine Ver bindung zu der Membran zur Druckmessung herstellen.

Der Ring gemäß der US 45 02 335 hat aber lediglich die Funk tion, das Volumen des Innenraumes minimal zu machen, damit möglichst wenig Druckmeßfluid in ein entsprechendes Gehäuse eintritt. Der Ring umgibt aber weder die Drähte noch die Zu leitungen noch den Rahmen in der Weise, daß diese Komponenten gegenüber dem im Innenraum vorhandenen, zu messenden Fluid geschützt sind. Jede dieser genannten Komponenten ist viel mehr dem Fluid frei zugänglich. Der Draht, welcher die Zulei tung zur Druckmeß-Membran herstellt, ist sogar an einer Stelle angeordnet, an der Strömungen und Druckunterschiede auftreten können, weil über einen gegenüberliegenden Einlaß Fluid einströmen bzw. ausströmen kann. Dadurch besteht die Gefahr, daß die Drähte beschädigt werden und daß die Funk tionssicherheit der herkömmlichen Vorrichtung nicht unbedingt gewährleistet ist.

Ferner muß bei der Anordnung gemäß der US 45 02 335 eine be sondere Abdichtung zwischen der Druckmeß-Membran, dem Rohr, welches den Rahmen bildet, sowie einem Basisteil vorgesehen sein, weil die herkömmliche Vorrichtung zur Messung einer Druckdifferenz von zwei Flüssigkeiten dient, von denen die eine an der Unterseite und die andere an der Oberseite der Membran anliegt. Der besondere Dichtungsaufwand bringt höhere Herstellungskosten mit sich. Weiterhin wird die Funktions tüchtigkeit der herkömmlichen Vorrichtung durch Undichtigkei ten beeinträchtigt, denn die Kontaktstellen zwischen der Membran und dem Rohr einerseits und zwischen dem Rohr und dem Basisteil andererseits sind beiden Fluiden zugänglich.

Aus der Veröffentlichung Patents Abstracts of Japan, P-1055 vom 4. Juni 1990, Band 14, Nr. 258, entsprechend der JP-A-2-69630 ist eine Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung be kannt, die im wesentlichen der Anordnung entspricht, die vor stehend anhand von Fig. 3 erläutert ist. Auf diese Darlegun gen wird der Einfachheit halber Bezug genommen.

Aus der GB 12 95 650 ist eine Halbleiter-Druckaufnahmevor richtung bekannt, wobei ein Halbleiter eine Druckmeß-Membran bildet, die sich auf einem rohrförmigen Rahmen abstützt. Der Rand dieser Halbleitermembran ist mit einem rohrförmigen Kör per gehaltert, welcher den Halbleiter umgibt und dessen vor derseitigen Rand bedeckt. Dieser rohrförmige Körper umgibt ferner einen Bereich des Rohres und stützt sich auf diesem ab, um seine Abstützfunktion zu erfüllen. Der rohrförmige Körper dient dabei lediglich zur mechanischen Abstützung, übt aber keine Schutzfunktion für irgendwelche anderen Komponen ten aus, die beispielsweise gegenüber einem Fluid oder son stigen mechanischen Einwirkungen zu schützen sind. Die zur Meßoberfläche der Membran führenden Drähte befinden sich in einem völlig anderen Bereich der Anordnung, nämlich in dem Innenraum des Rohres, welches die Halbleitermembran trägt. Somit wird die Spannung nicht auf der Seite der Membran ge messen, die dem Fluid ausgesetzt ist, sondern auf der gegen überliegenden Seite.

Eine ähnliche Anordnung ist auch aus der DE 23 00 254 A1 be kannt, wobei eine Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung am Kopfende eines Katheters angebracht ist, um beispielsweise Blutdruckmessungen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist an der Vorderseite des Katheters eine Hülse vorgesehen, welche die Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung umgibt und den vordersei tigen Rand des Halbleiters ringförmig umgreift und randseitig abdeckt, gegebenenfalls unter Verwendung einer geeigneten Dichtungsmasse.

Auch in diesem Falle hat die Hülse als Formkörper eine rein mechanische Haltefunktion, dient aber nicht als Schutz für irgendwelche weiteren Komponenten der Halbleiter-Druckaufnah mevorrichtung. Die elektrischen Zuführungen verlaufen auch in diesem Falle durch das Innenrohr des Katheters und führen zu der einen Seite der Halbleitermembran, während ihre andere Seite dem Druckmedium ausgesetzt ist.

In der EP 0 386 959 A2 ist eine Druckmeßeinrichtung beschrie ben, bei der eine Druckmeßmembran in Form eines druckempfind lichen Chips über einer Bohrung eines Rahmens abgestützt ist. Der untere Rand der Membran sitzt dabei auf einem unteren Wulst aus weichem elastomeren Klebstoff in dem Rahmen. Der obere Rand der Membran ist über Drahtverbindungen mit nach außen führenden Zuleitungen verbunden und mit einem weiteren Wulst aus weichem elastomeren Klebstoffmaterial abgedeckt. Auf diese Weise ergibt sich eine elastische Einbettung der Druckmembran in einen Ringraum des Rahmens, mit der Folge, daß die Membran keine genauen Meßergebnisse liefern kann, weil die auf die Membran wirkenden Kräfte zumindest teilweise von den elastischen Klebstoffmaterialien aufgenommen werden.

In der EP 0 286 867 A1 ist ein Drucksensor mit einem Druck sensorchip beschrieben, der direkt auf einem Leiterband als Bestandteil eines Gehäuses befestigt ist. Der Drucksensorchip weist ein piezoresistives Membranteil auf, die zwischeneinan der einen evakuierten Hohlraum bilden, um einen Absolut- Drucksensor zu bilden. Innerhalb des Gehäuses ist der Druck sensor von einer Abdeckung aus weichplastischem Material um geben und einem zu messenden Druckfluid nicht direkt ausge setzt. Vielmehr wird mit einer sogenannten Referenzdruckkam mer gearbeitet.

Die Verwendung von Epoxidharzen bei Rahmen von Drucksensoren ist an sich bekannt, beispielsweise aus der Veröffentlichung von R. Werthschützky, "Drucksensoren mit piezoresistiven Wi derständen - Stand und Tendenzen", msr, Berlin 32 (1989), Heft 11, Seiten 486 bis 489.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter- Druckaufnahmevorrichtung der eingangs genannten Art anzuge ben, die bei hoher Funktionssicherheit einen einfachen Aufbau besitzt.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Halbleiter- Druckaufnahmevorrichtung der eingangs genannten Art mit einem Formteil zu versehen, welches den Draht, die Zuleitung ober halb des Fußes und den Rahmen zum mechanischen Schutz voll ständig abdeckt, den Halbleiterchip so abdeckt, daß die Mem bran in dem zu messenden Medium liegt, auf dem Fuß angeordnet und nicht verformbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Halblei ter-Druckaufnahmevorrichtung sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung wird die Aufgabe in zufriedenstellender Weise gelöst. Durch die vollständige Abdeckung von Draht, Zuleitung und Rahmen ist lediglich der zur Messung erforderliche Teil des Halblei terchips, nämlich die Membran, dem entsprechenden Druckmedium zugänglich. Beschädigungen können somit an dem Draht, der Zu leitung und dem Rahmen nicht auftreten. In vorteilhafter Weise können mit einer derartigen Halbleiter-Druckaufnahme vorrichtung auch Drücke von korrosiv wirkenden Medien gemes sen werden. Es muß lediglich das Material des Formteiles so ausgebildet sein, daß es von einem derartigen aggressiven Medium nicht angegriffen wird. Eine Beschädigung der Zuleitungen ist dann nicht zu befürchten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegen den Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 einen Querschnitt, der ein erstes Ausführungsbeispiel der Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung gemäß der Er findung zeigt;

Fig. 2 einen Querschnitt, der ein weiteres Ausführungs beispiel der Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung nach der Erfindung zeigt; und

Fig. 3 einen Querschnitt, der eine konventionelle Halb leiter-Druckaufnahmevorrichtung zeigt.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel der Halb leiter-Druckaufnahmevorrichtung, die beispielsweise ein Drucksensor ist. Dabei sind gleiche oder äquivalente Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der herkömmlichen Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung nach Fig. 3 bezeichnet. Ein Halbleiterchip 5 liegt auf einem Rahmen 7, und der Rahmen 7 ist auf einem Fuß 8 abgestützt. Ein Draht 10, der mit dem Halbleiterchip 5 elektrisch verbunden ist, ist mit einer Zu leitung 9 verbunden, die an dem Fuß 8 mit Glas 11 befestigt ist. Ein Formteil 12 ist an dem Fuß 8 in solcher Weise ge formt, daß der Halbleiterchip 5, der Rahmen 7, die Zuleitung 9 und der Draht 10 von dem Formteil 12 überdeckt sind, so daß die Membran 3 in dem zu messenden Medium 1 liegt. Das Form teil 12 ist zum mechanischen Schutz des Halbleiterchips 5, der Zuleitung 9 und des Drahts 10 vorgesehen, und es besteht z. B. aus Epoxidharz.

Da die oben beschriebene Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung so ausgelegt ist, daß die Membran 3 in einer Öffnung 12a des Formteils 12 liegt, gelangt das zu messende Medium 1 ohne weiteres in Kontakt mit der Membran 3. Wenn ferner der Fuß 8 mit dem Gehäuse 2 einer Einrichtung (nicht gezeigt) ver schweißt ist, deren Druck zu messen ist, kann der Druck des Mediums 1 auch dann gemessen werden, wenn er relativ hoch ist und beispielsweise 200-300 Bar beträgt, denn das Formteil 12 kann nicht verformt werden und/oder zerbrechen, wenn das zu messende Medium 1 ein Hochdruckmedium ist. Infolgedessen kann der Draht 10 ebenfalls nicht brechen.

Da außerdem keine (Rohr-)Leitung wie bei der Anordnung in Fig. 3 verwendet wird und die Zuleitung 9 und das zu messende Medium 1 daher auf entgegengesetzten Seiten liegen, kann die Zuleitung 9 ohne weiteres in gewünschter Weise angeschlossen werden. Somit kann die Größe der Halbleiter-Druckaufnahmevor richtung verringert werden.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird zwar eine Referenzdruckkammer 6 verwendet, es kann aber zur Erzie lung eines gleichartigen Effekts auch eine andere Konstruk tion verwendet werden, die so ausgelegt ist, daß gemäß Fig. 2 ein Durchgangsloch 13 in dem Rahmen 7 und dem Fuß 8 vorgese hen ist, so daß der Atmosphärendruck als Referenzdruck dient.

Claims

1. Halbleiter-Druckaufnahmevorrichtung mit

- einem Halbleiterchip (5), auf dem eine Membran (3) und eine Dehnungsmeßeinrichtung (4) vorgesehen sind;
- einem Rahmen (7), auf dem der Halbleiterchip (5) angeordnet ist;
- einem Fuß (8) zur Abstützung des Rahmens (7);
- einem mit dem Halbleiterchip (5) verbundenen Draht (10);
- einer Zuleitung (9), die mit dem Draht (10) verbunden und so gehaltert (11) ist, daß sie den Fuß (8) durchsetzt

gekennzeichnet durchein Formteil (12), welches

- den Draht (10), die Zuleitung (9) oberhalb des Fußes (8) und den Rahmen (7) zum mechanischen Schutz vollständig abdeckt,
- den Halbleiterchip (5) so abdeckt, daß die Membran (3) in dem zu messenden Medium (1) liegt,
- auf dem Fuß (8) angeordnet, und nicht verformbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (2) mit dem Fuß (8) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchgangsloch (13) durch den Rahmen (7) und den Fuß (8) geht und bis zur Rückseite der Membran (3) reicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiterchip (5) und dem Rahmen (7) eine Referenzdruckkammer (6) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (12) aus Epoxidharz besteht.