DE4327104C2 - Drucksensor-Chipstruktur mit einer Klemmeinrichtung zum Kontaktieren und Halten derselben sowie mit einem Fluidverbinderteil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druck­ sensor-Chipstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die elektrische Kontaktierung von Sensoren erfolgt in den meisten Fällen durch Drahtbonden der Chipstrukturen auf ein Trägersubstrat, wie z. B. Keramik oder Kunststoff (z. B. Epoxy). Bei physikalischen Sensoren wird der Sensor häufig auf Zwischenstücken aus Silizium oder Pyrex befestigt, um eine mechanische und/oder thermische Entkopplung zu errei­ chen. Der Träger wird dann zusammen mit der auf ihn aufge­ brachten Chipstruktur in das eigentliche Gehäuse eingebaut. An diesen Träger greifen die elektrischen Kontaktierungen, wie z. B. Kabel oder Leiterbahnen einer Leiterplatte, von außen an. Bei der Verwendung der oben erwähnten Zwischen­ stücke ist noch keine elektrische Kontaktierung erfolgt. Die Sensoren und die Träger müssen in das Gehäuse eingebaut werden und die elektrische Kontaktierung erfolgt daraufhin direkt zum Gehäuse.

Wenn bei verschiedenen Sensoren ein Medienanschluß (z. B. für Gase oder Fluide) erforderlich ist, dann erfolgt dieser derart, daß ein Röhrchen zusätzlich an den Sensor oder an den Träger angebracht wird.

Die Fachveröffentlichung H.B. Bakoglu, "Circuits, Inter­ connections and Packaging for VLSI", Addison Wesley Publishing Company, 1990, Seiten 81 bis 133 zeigt ver­ schiedene Vorrichtungen zum Kontaktieren und Halten von Chipstrukturen für integrierte Schaltungen, die im folgenden als IC′s bezeichnet werden. Diese Vorrichtungen zum Kontaktieren sind durch Drahtbondverbindungen zwischen der Chipstruktur auf einem Trägersubstrat gebildet.

Die US 4,628,403 zeigt einen Drucksensor mit mehreren Schichten, von denen eine eine Membran bildet, die von einer zweiten Schicht zur Bildung eines Hohlraums abgedeckt ist, und mit einem Kanal, der sich ausgehend von dem Hohlraum er­ streckt. Eine dritte Schicht trägt auf ihrer der zweiten Schicht zugewandten Hauptfläche Kontakte, die in Leiter­ bahnen übergehen, die zur kapazitiven Erfassung der Membran­ auslenkung angeordnet sind.

Die DE 42 21 017 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kontak­ tieren und Halten einer Chipstruktur, die Kontaktstellen aufweist, mit Kontakten zum Erzeugen einer klemmenden Verbindung zwischen den Kontaktstellen der Chipstruktur und einem Kontaktelement. Die Kontakte zum Erzeugen einer klemmenden Verbindung haben die Gestalt von geschwungenen Kontaktfedern, die auf Kontaktstellen an der Oberfläche der Chipstruktur aufdrücken.

Aus der JP 63-248 154 A ist eine Haltevorrichtung für einen Chip bekannt, die einen Haltebügel, der auf einer Platine angeordnet ist, umfaßt. Der Chip ist mit einem Hüllkörper ummantelt. Anschlußkontakte erstrecken sich durch den Halte­ bügel und den Hüllkörper bis zum Chip.

Die JP 63-224 349 A1 offenbart einen Befestigungs- und Anschlußrahmen zum Tragen und Kontaktieren eines Substrats mittels gabelförmiger Kontaktarme, die das Substrat an dessen Kanten umgreifen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Drucksensor-Chip­ struktur zu schaffen, die auf einfache Weise kontaktiert und mit einer Medienzuführung verbunden werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Drucksensor-Chipstruktur gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Drucksensor-Chipstruk­ tur sind in den Unteransprüchen definiert.

Durch die erfindungsgemäße Drucksensor-Chipstruktur kann auf jegliche Gehäuseart verzichtet werden, da sowohl die Be­ festigung als auch die Kontaktierung gleichzeitig durch einen Klemmkontakt realisiert wird. Hiermit ist eine deutliche Platzersparnis verbunden, die eine höhere Packungsdichte der IC′s ermöglicht und kürzere Verdrahtungs­ leitungen auf den Leiterplatten ermöglicht.

Sowohl Sensoren als auch Aktoren werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung am Ort ihrer spezifischen Nutzung gleichzeitig befestigt und kontaktiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht eine maximale mechanische und thermische Entkopplung des Sensors oder des Aktors von seiner Umgebung. Der Sensor und dessen Kontakt­ bereiche können nach dem Klemmen der Chipstruktur, die den Sensor bildet, durch die Klemmeinrichtung mit einer Isolier­ schicht versehen werden.

Die Zuführung von Medien (Gase, Fluide) an den Sensor wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung derart verbessert, daß die Medienzuführung mit einem Fluidverbinder, der auch die Klemmkontakte umfaßt, in einem Schritt an den Sensor ange­ schlossen wird. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung wird eine sogenannte Fullwafer-Gehäusung er­ möglicht. Wenn zum Schutz von mechanisch empfindlichen Be­ reichen des Sensors oder des Aktors Gegenstücke aus demselben Material, aus dem der Sensor oder der Aktor besteht, an den Sensor oder den Aktor angebracht werden, dann kann dieses bereits auf dem Wafer, vor dem Sägen der einzelnen Sensoren, geschehen. Die Sensoren sind dadurch bereits beim Sägen geschützt. Das Aufbringen von Gegen­ stücken zu einem Zeitpunkt, an dem die Sensoren noch nicht gesägt sind, ist auch möglich, wenn für die Sensoren eine Medienzuführung vorgesehen ist.

Die Integration der mechanischen Befestigung und der elek­ trischen Kontaktierung führt neben einer großen Platz- und Kostenersparnis zu einer Minimierung der gehäusebedingten Belastungen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach­ folgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung eines Drucksensors, mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren desselben;

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines Drucksensors, mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren desselben;

Fig. 3 eine Draufsichtsdarstellung eines Drucksensors mit einer Vorrichtung zum Kontaktieren nach der vor­ liegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Darstellung des Drucksensors aus Fig. 3 von unten; und

Fig. 5 eine seitlichen Darstellung des Drucksensors gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt zur Erläuterung einen nicht erfindungsgemäßen Drucksensor, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Der Drucksensor 1 besteht aus einer ersten Schicht 2 und einer zweiten Schicht 3, die aus einem ätzbaren Material gebildet sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist dieses ätzbare Material ein Halbleitermaterial. Die beiden Schichten 2, 3 umfassen je­ weils einen Membranbereich 4, 5. Die Membranbereiche 4, 5 werden durch geätzte Ausnehmungen 6, 7 festgelegt, die sich ausgehend von jeweiligen ersten Hauptflächen 8, 9 der Schichten 3, 2 in deren Inneres erstrecken.

Die beiden Schichten 2, 3 sind an ihren zweiten Hauptflächen 10, 11 mittels eines Abstandshalteteiles 12, das beispiels­ weise aus Pyrex besteht, voneinander beabstandet und mit­ einander abdichtend verbunden. Zur Halterung und gleichzei­ tigen Kontaktierung des Drucksensors 1 dienen zwei Greifarme 13, 14, die federnd gegen die beiden Hauptflächen 8, 11 der zweiten Schicht 2 anliegen, wobei einer der Greifarme 13 auf eine Aluminiumkontaktstelle 15 drückt, die an der zweiten Hauptfläche 10 der zweiten Schicht vorgesehen ist, während der andere Greifarm 14 auf die gegenüberliegende erste Hauptfläche 8 der ersten Schicht 2 drückt.

Die Kontaktstellen 15 sowie die Greifarme 13, 14 können nach dem Einklemmen der ersten Schicht 2 des Drucksensors 1 zwi­ schen die Greifarme 13, 14 mit einer Isolatorschicht (nicht dargestellt), versehen werden, die beispielsweise durch einen Isolierkleber gebildet sein kann.

Wie ein Fachmann bereits aus der Struktur des gezeigten Drucksensors 1 erkennt, kann dieser mittels an sich bekannter Methoden der Photolithographie aus Silizium hergestellt werden. Änderungen des Umgebungsdrucks des Drucksensors gegenüber dem Innendruck, der zwischen den beiden Membranen 4, 5 herrscht, können in an sich bekannter Weise beispielsweise mittels piezoresistiven Widerständen (nicht dargestellt) erfaßt werden, die auf den Membranen 4, 5 angeordnet sind. Die Anschlüsse dieser Widerstände (gleichfalls nicht dargestellt) werden über innere Kontakt­ stellen 16, einen durch Dotierung leitfähig gestalteten Oberflächenbereich 17 zu den außenliegenden Kontaktstellen 15 herausgeführt.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Drucksensors ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Diese Ausführungsform stimmt bezüglich der Struktur der ersten Schicht 2 sowie der Greifarme 13, 14 identisch mit der ersten Ausführungsform des Drucksensors gemäß Fig. 1 überein, so daß es anstelle einer erneuten Beschreibung dieser Struktur ausreichend ist, auf die jeweils überein­ stimmend gewählten Bezugszeichen zu verweisen.

In Abweichung von der Ausführungsform des Drucksensors 1 gemäß Fig. 1 ist bei der dort gezeigten Ausführungsform des Drucksensors 20 die Dritte Schicht 21 als ebene Silizium­ platte ohne eine Ausnehmung zur Festlegung einer Membran ausgeführt. An der ersten Hauptfläche 8 der ersten Schicht 2 ist ein weiteres Abstandshalteteil 22, das beispielsweise aus Pyrex besteht, vorgesehen, über das eine dritte Schicht 23, die gleichfalls plattenförmig ausgeführt ist, mit der ersten Schicht 2 verbunden ist. Die zweite und dritte Schicht 21, 23 dienen zur Gehäusung der ersten Schicht 2 und damit als mechanischer Schutz der Membran 4 der ersten Schicht 2 sowie zur Abdichtung gegen Feuchtigkeit und andere Umwelteinflüsse.

In den Fig. 3 bis 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Drucksensors dargestellt, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist. Dieser Drucksensor 30 um­ faßt zwei Schichten 31, 32, wobei ähnlich wie bei der Aus­ führungsform gemäß Fig. 1 in der ersten Schicht 31 eine Ausnehmung 33 vorgesehen ist, durch die eine Membran 34 festgelegt wird. Wie insbesondere in Fig. 4 zu sehen ist, sind auf der der Ausnehmung 33 abgewandten ersten Haupt­ fläche 35 Kontaktstellen 37 vorgesehen, die elektrisch mit (nicht dargestellten) piezoresistiven Widerständen verbunden sind, welche zur Erfassung von Dehnungen der Membran 34 an­ geordnet sind. Die Ausnehmung 33 geht in einen Kanal 38 über, der in einem Fluidsteckverbinderteil 39 durch eine längliche Ausätzung gebildet ist. Durch diesen Kanal wird entweder ein Referenzdruck oder ein Meßdruck für den Druck­ sensor 30 angelegt. Wie insbesondere in den Fig. 4 und 5 zu erkennen ist, ist die weitere Schicht 32 im wesentlichen plattenförmig ausgebildet und weist gleichfalls ein Fluid­ steckverbinderteil 40 auf, wobei über die durch die beiden Fluidsteckverbinderteile 39, 40 gebildete Fluidsteckverbin­ dung ein Meßdruck- oder Referenzdruck-Zuleitungsrohr 41 auf­ gesteckt werden kann. Die Kontaktstellen 37 verlaufen auf der ersten Hauptfläche 35 der ersten Schicht 31 im wesent­ lichen parallel zu der Längsachse des Zuleitungsrohres 41. Beim Einstecken des durch die Fluidsteckverbinderteile 39, 40 gebildeten Fluidsteckverbinders in das Zuleitungsrohr 41 nehmen Greifarme 42, 43 mit den Kontaktstellen 37 der ersten Schicht 31 sowie mit der freiliegenden Hauptfläche 44 der zweiten Schicht 32 Eingriff.

Das zur Druckzuleitung verwendete Zuleitungsrohr 41 kann in Abweichung von der gezeigten Ausführungsform auch in den Kanal 38 eingeschoben und hier mit den Schichten 31, 32 bei­ spielsweise durch Klebung verbunden werden.

Claims (2)

1. Drucksensor-Chipstruktur (30) mit wenigstens zwei Schichten (31; 32), von denen wenigstens eine einen Membranbereich (34) aufweist, der von der anderen Schicht (32) zur Bildung eines Hohlraums abgedeckt ist, und mit einem Kanal (38), der sich ausgehend von dem Hohlraum zu dem peripheren Bereich der Drucksensor-Chip­ struktur (30) erstreckt, und mit mindestens einer Kontaktstelle (37), die an einer Hauptfläche (35) einer der wenigstens zwei Schichten (31; 32) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Klemmeinrichtung (42, 43) zum Kontaktieren und Halten der Chipstruktur (30) vorgesehen ist, die mit den einander gegenüberliegenden Hauptflächen (35, 44) der Schichten (31; 32) der Chipstruktur (30) Eingriff nimmt, wobei die Eingriffnahme an einer der Hauptflächen (35) im Bereich der Kontaktstelle (37) erfolgt, und
daß sich der Kanal (38) ausgehend von dem Hohlraum bis zu einem in der Drucksensor-Chipstruktur an deren peripherem Bereich ausgebildeten Fluidverbinderteil (39) erstreckt, derart, daß beim Einstecken der Chipstruktur (30) in die Klemmeinrichtung (42, 43) gleichzeitig in einem Schritt das Fluidverbinderteil (39) an eine Me­ dienzuführung (41) angeschlossen wird.

2. Drucksensor-Chipstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kanal (38) sich von dem Hohlraum bis zu einem Fluidsteckverbinder (41, 42, 43) erstreckt, und
daß der Fluidsteckverbinderteil (41, 42, 43) mit der Klemmeinrichtung (42, 43) verbunden ist.