DE602005005616T2 - Integrierter Drucksensor und Herstellungsverfahren - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich allgemein auf einen Drucksensor und spezieller auf einen integrierten Drucksensor.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Drucksensoren werden heute in großem Umfang in Kraftfahrzeugen zur Steuerung und/oder Überwachung des Fahrzeugbetriebs verwendet. Ein Drucksensor stellt im Allgemeinen eine relativ genaue analoge Spannung an seinem Ausgang bereit, die repräsentativ für einen erfassten Eingangsdruck ist. Bei der Implementierung in einem Kraftfahrzeug kann ein Drucksensor Temperaturen im Bereich zwischen –40 Grad C und +125 Grad C erfahren. Zur Bereitstellung verwendbarer Informationen muss die Genauigkeit eines im automobilen Bereich verwendeten Drucksensors über den oben genannten Temperaturbereich über die Gebrauchsdauer eines damit verbundenen Kraftfahrzeugs aufrechterhalten werden.
  • Handelsübliche Drucksensoren werden normalerweise nach dem Einbau in eine fertige Drucksensoreinheit kalibriert, die üblicherweise einen Drucksensor, eine Kompensationsschaltung und andere zugehörige Schaltungen umfasst. Solche fertige Drucksensoreinheiten sind im Allgemeinen relativ groß, z. B. mindestens ca. 5 cm × 2,5 cm (2 Zoll × 1 Zoll). Auf Grund der relativ großen Abmessungen der Einheiten ist die gleichzeitige Verarbeitung einer relativ großen Zahl von Einheiten bezüglich der Kosten untragbar.
  • Dokument US5431057 offenbart ein Feld von integrierten Drucksensoren und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Dokument JP01199476 lehrt, wie man ein "Verformungsmessinstrument" 3 auf der hinteren Seite einer "Membrandruckerfassungsfläche" bereitstellt, während auch Kompensationswiderstandsschaltungen R5 und R6 "auf der Fläche" bereitgestellt werden, auf der das Messinstrument ausgebildet ist.
  • Dokument US4390028 offenbart eine Drucksensoreinheit mit Streifenelektroden, die auf beiden Seiten eines Substrats gebildet sind, welche miteinander verbunden zu sein scheinen.
  • Dokument US3886799 offenbart einen Drucksensor, der in eine Keramikplatte integriert ist und eine Kompensationsschaltung hat, die in dieselbe Seite der Platte integriert ist.
  • Benötigt wird ein Verfahren zur Herstellung eines relativ preiswerten Drucksensors für Kraftfahrzeuganwendungen. Es wäre auch wünschenswert, dass der Drucksensor so konstruiert ist, dass er in einer Massenproduktionsumgebung ohne weiteres hergestellt werden kann.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung richtet sich allgemein auf ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Drucksensors. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Substrat mit leitfähigen elektrischen Bahnen, die sich auf der ersten und zweiten Seite befinden, bereitgestellt. Mehrere Kompensationsschaltungen, die in einer Matrix auf der ersten Seite des Substrats angeordnet sind, sind in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der ersten Seite des Substrats angeordnet. Mehrere Drucksensoren sind auf der zweiten Seite des Substrats in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet. Jedem der Sensoren ist eine der Kompensationsschaltungen zugeordnet, die so ausgelegt ist, dass sie für die Temperaturkompensation für den zugehörigen Sensor sorgt, um so mehrere Drucksensor-Kompensationsschaltungs-Paare zu bilden. Das Substrat umfasst auch leitfähige Vias zur elektrischen Verbindung jedes der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedes der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare zur Endverpackung kalibriert und vereinzelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Substrat eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC). Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Kompensationsschaltungen jeweils eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Gemäß dieser Erscheinungsform der Erfindung wird die ASIC so ausgelegt, dass sie für eine Temperatur- und Langzeitdriftkompensation eines zugeordneten Sensors sorgt. Gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung ist die Matrix eine 9×10-Matrix. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare vor der Vereinzelung parallel kalibriert.
  • Diese und andere Merkmale, Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung werden von Fachleuten auf dem Gebiet weiter durch Bezugnahme auf die folgende Patentschrift, Ansprüche und angehängten Zeichnungen verstanden und erkannt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird nun durch Beispiele unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, dabei gilt:
  • 1 ist ein Schaltdiagramm eines typischen Drucksensors.
  • 2 ist ein Schaltdiagramm in Block- und Schemaform eines Drucksensors, der mit einer Kompensationsschaltung verbunden ist.
  • Die 3A–3B sind perspektivische Ansichten einer Vorder- und Rückseite eines als Beispiel dienenden Substrats, einschließlich mehrerer Drucksensoren bzw. Kompensationsschaltungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert wurden.
  • 4 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Herstellung eines integrierten Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mit Bezug nun auf 1 ist ein als Beispiel dienender Drucksensor 10 dargestellt, der mehrere Widerstände R1–R4 umfasst, welche in einer Wheatstone-Brückenanordnung verbunden sind. Der Widerstandswert der Widerstände R1 und R3 verringert sich in der Größe proportional zu einem wirkenden Druck, und der Widerstandswert der Widerstände R2 und R4 erhöht sich in der Größe proportional zu einem wirkenden Druck. Diese Widerstandsänderungen bewirken, dass sich am Ausgang des Sensors 10 eine Spannung V0+ erhöht und sich die Spannung V0– verringert, was eine Differenzausgangsspannung erzeugt, die proportional zu einem wirkenden Druck ist.
  • Mit Bezug auf 2 ist der Drucksensor 10 mit einer Kompensationsschaltung 100 verbunden gezeigt. Die Kompensationsschaltung 100 umfasst eine Spannungs-Strom-Wandler- und Multiplikatorschaltung 102, deren Eingang mit dem Drucksensor 10 verbunden ist und deren Ausgang mit einem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 104 verbunden ist. Wie gezeigt, ist auch eine Stromquelle IS an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 104 angeschlossen. Die Schaltung 102 umfasst einen Multiplikator, der die Verstärkung bei Raumtemperatur und die temperaturabhängige Verstärkung kompensiert.
  • Die Stromquelle IS kompensiert Sensor-Offsets bei Raumtemperatur und temperaturabhängige Sensor-Offsets. Die Ströme I0 und IS werden in eine Ausgangsspannung VOUT umgewandelt, die an einem Ausgang des Verstärkers 104 bereitgestellt wird. Wie gezeigt, ist ein Rückkopplungswiderstand RFB zwischen den Ausgang des Verstärkers 104 und den invertierenden Eingang des Verstärkers 104 gelegt. Ein Lastwiderstand RLD liegt zwischen der Stromversorgung VDD und dem nicht invertierenden Eingang von Verstärker 104. Eine Vorspannung (VBIAS) ist an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 104 angelegt. Der Widerstand RLD stellt einen Strom bereit, der die Ausgangsspannung VOUT des Verstärkers 104 auf einen gewünschten DC-Spannungsversatz bringt. Die Ausgangsspannung VOUT liegt im Wert zwischen Masse und der Versorgungsspannung VDD. Die Ausgangsspannung VOUT ist zum Druck, der auf den Sensor wirkt, proportional. Das Implementieren von Schaltung 100 ermöglicht die Kompensation linearer Fehler bei Verstärkung, Offset und Temperaturabhängigkeiten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein relativ preiswertes Verfahren zur Montage von Drucksensoren für Kraftfahrzeuganwendungen hierin beschrieben. Das Verfahren ermöglicht es, integrierte Drucksensoren in einer Massenproduktionsumgebung herzustellen, da es ermöglicht, mehrere integrierte Drucksensoren parallel in einem relativ kurzen Zeitabschnitt zu kalibrieren.
  • 3A stellt ein Substrat 200 mit mehreren Drucksensoren 10 dar, die in einer Matrix über die Vorderseite des Substrats 200 verteilt sind. 3B stellt eine zweite Seite des Substrats 200 mit mehreren Kompensationsschaltungen 100 dar, die in einer Matrix auf dem Substrat 200 angeordnet sind. Das Substrat 200 kann zum Beispiel eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC) sein oder andere Formen annehmen, wie zum Beispiel eine gedruckte Leiterplatte (PCB). Die Kompensationsschaltung 100 kann in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder in getrennten analogen Schaltungen implementiert werden. Wie vorher erwähnt, befindet sich die Kompensationsschaltung 100 auf einer Seite des Substrats 200, und der Drucksensor 10 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 200, um den Flächenbedarf des integrierten Drucksensors zu verringern. Wie für ein Kompensationsschaltungs-Drucksensor-Paar 150 gezeigt, kann eine elektromagnetische Abschirmung 140, z. B. eine Metallkappe, für jeden Sensor 10 implementiert werden (um den Sensor 10 gegen elektromagnetische Störungen (EMI) abzuschirmen und den Sensor 10 vor Schäden während der Verarbeitung zu schützen), und eine elektromagnetische Abschirmung 142 kann für jede der Kompensationsschaltungen 100 (zur Abschirmung der Kompensationsschaltungen 100 vor EMI und zum Schutz der Kompensationsschaltungen 100 vor Schäden während der Verarbeitung) implementiert werden.
  • Die Nutzung des Herstellungsprozesses, der hierin beschrieben wird, ermöglicht es, einen relativ kleinen Drucksensor, z. B. einen Drucksensor, der eine Größe von ca. 7,7 mm × 6,9 mm (0,3 Zoll × 0,27 Zoll) hat, herzustellen. Ferner ermöglicht das Bereitstellen der Komponenten in einer Matrix die gleichzeitige Verarbeitung einer Reihe von Vorrichtungen. Die Bereitstellung von Kompensationsschaltungen und Drucksensoren in einer 9×10-Matrix ermöglicht zum Beispiel die gleichzeitige Verarbeitung von 90 Vorrichtungen. Ferner ermöglicht die Bereitstellung der Drucksensoren in einer Matrix die parallele Kalibrierung der Sensoren. Die Zahl der Einheiten, die parallel verarbeitet werden können, wird im Allgemeinen durch die Testgerätekapazität und nicht durch die endgültige Montagegröße des Drucksensors bestimmt. Daher kann der Herstellungsprozess für ein gegebenes Testgerät optimiert werden. Nach der Kalibrierung wird jedes der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare für eine abschließende Verpackung vereinzelt. Die abschließende Verpackung kann in den Abmessungen variieren, je nach den Anforderungen des Kunden, und daher kann dasselbe Substrat für mehrere Kunden und unterschiedliche Verpackungsanforderungen genutzt werden.
  • 4 stellt einen Prozess 400 zur Herstellung eines integrierten Drucksensors 150 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In Schritt 402 wird ein Prozess 400 initiiert, bei dem Prozessschritt 404 implementiert wird, wo ein Substrat 200 positioniert wird, um mehrere Drucksensoren 10 und Kompensationsschaltungen 100 aufzunehmen. Als Nächstes werden in Schritt 406 mehrere Drucksensoren 10 auf einer ersten Seite des Substrats 200 in einer Matrix angeordnet. Als Nächstes werden in Schritt 408 mehrere Kompensationsschaltungen 100 auf einer zweiten Seite des Substrats 100 in einer Matrix angeordnet. Es ist zu erkennen, dass die Schaltungen 100 und die Sensoren 10 durch einen herkömmlichen Prozess, z. B. einen Schwalllötprozess, elektrisch mit leitfähigen elektrischen Bahnen von Substrat 100 verbunden werden. Dann werden in Schritt 410 die Kompensationsschaltungs-Drucksensor-Paare 150 parallel kalibriert. Als Nächstes werden in Schritt 412 die Kompensationsschaltungs-Drucksensor-Paare 150 vereinzelt, um einzelne Sensoren für die abschließende Verpackung zu erzeugen, danach endet der Prozess 400 in Schritt 414, wo die einzelnen integrierten Drucksensoren 150 zur abschließenden Verpackung bereit sind.
  • Dementsprechend wurden ein Entwurfs- und ein Herstellungsprozess hierin offenbart, welche die Mikroverpackungsmontage und Kalibrierung in Plattenform ermöglichen. Da der endgültige Entwurf relativ klein und in eine Matrix eingebaut ist, kann die Kalibrierung an mehreren Einheiten parallel ausgeführt werden. Ferner ist die abschließende Montage unabhängig vom Substratentwurfs- und Kalibrierungsprozess, was einen flexiblen preiswerten Produktionsfluss ermöglicht. Das Endprodukt ist ein preiswerter integrierter Drucksensor, der die ständig steigenden Kundenanforderungen erfüllt.
  • Die obige Beschreibung wird nur als die der bevorzugten Ausführungsformen angesehen. Modifizierungen der Erfindung sind für Fachleute auf diesem Gebiet und diejenigen, die die Erfindung ausführen oder verwenden, ersichtlich. Daher versteht es sich, dass die Ausführungsformen, die in den Zeichnungen gezeigt und oben beschrieben sind, nur erläuternden Zwecken dienen und nicht den Geltungsbereich der Erfindung einschränken sollen, der durch die folgenden Ansprüche definiert wird, die gemäß den Prinzipien des Patentrechtes, einschließlich der Lehre von den Äquivalenten, ausgelegt werden.

Claims (18)

  1. Verfahren (400) zur Herstellung eines integrierten Drucksensors, das die Schritte umfasst: Bereitstellen (404) eines Substrats mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei das Substrat leitfähige elektrische Bahnen umfasst, die auf der ersten und der zweiten Seite liegen; Anordnen (408) mehrerer Kompensationsschaltungen auf der ersten Seite des Substrats in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der ersten Seite des Substrats, wobei die Kompensationsschaltungen in einer Matrix angeordnet sind; Anordnen (406) mehrerer Drucksensoren auf der zweiten Seite des Substrats in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der zweiten Seite des Substrats, wobei einem jeden Sensor eine der Kompensationsschaltungen zugeordnet ist, um mehrere Drucksensor-Kompensationsschaltungs-Paare auszubilden, und wobei das Substrat leitfähige Vias umfasst, um jedes der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare elektrisch zu verbinden, wobei jede der Kompensationsschaltungen eine Temperaturkompensation für einen zugeordneten Sensor bereitstellt; Kalibrieren (410) eines jeden der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare; und Vereinzeln (412) eines jeden der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare für eine abschließende Verpackung.
  2. Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC von low-temperature co-fired ceramic) ist.
  3. Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei die Kompensationsschaltungen jeweils eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC von application specific integrated circuit) umfassen.
  4. Verfahren (400) nach Anspruch 3, wobei das ASIC ausgestaltet ist, um eine Temperatur- und Langzeitdriftkompensation für einen zugeordneten Sensor bereitzustellen.
  5. Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei die Matrix eine 9×10-Matrix ist.
  6. Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei die Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare parallel kalibriert werden.
  7. Verfahren (400) zur Herstellung eines integrierten Drucksensors, das die Schritte umfasst: Bereitstellen (404) eines Substrats mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei das Substrat leitfähige elektrische Bahnen umfasst, die auf der ersten und der zweiten Seite liegen; Anordnen (408) mehrerer Kompensationsschaltungen auf der ersten Seite des Substrats in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der ersten Seite des Substrats, wobei die Kompensationsschaltungen in einer Matrix angeordnet sind; Anordnen (406) mehrerer Drucksensoren auf der zweiten Seite des Substrats in elektrischen Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der zweiten Seite des Substrats, wobei einem jeden Sensor eine der Kompensationsschaltungen zugeordnet ist, um mehrere Drucksensor-Kompensationsschaltungs-Paare auszubilden, und wobei das Substrat leitfähige Vias umfasst, um jedes der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare elektrisch zu verbinden, wobei jede der Kompensationsschaltungen eine Temperaturkompensation für einen zugeordneten Sensor bereitstellt; Kalibrieren (410) eines jeden der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare, wobei die Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare parallel kalibriert werden; und Vereinzeln (412) eines jeden der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare für eine abschließende Verpackung.
  8. Verfahren (400) nach Anspruch 7, wobei das Substrat eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC von low-temperature co-fired ceramic) ist.
  9. Verfahren (400) nach Anspruch 7, wobei das Substrat eine gedruckte Leiterplatte (PCB von printed circuit board) ist.
  10. Verfahren (400) nach Anspruch 7, wobei die Kompensationsschaltungen jeweils eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC von application specific integrated circuit) umfassen.
  11. Verfahren (400) nach Anspruch 10, wobei das ASIC ausgestaltet ist, um eine Temperatur- und Langzeitdriftkompensation für einen zugeordneten Sensor bereitzustellen.
  12. Verfahren (400) nach Anspruch 7, wobei die Matrix eine 9×10-Matrix ist.
  13. Integrierte Drucksensoranordnung (150), die umfasst: ein Substrat (200) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei das Substrat (200) leitfähige elektrische Bahnen umfasst, die auf der ersten und der zweiten Seite liegen; mehrere Kompensationsschaltungen (100), die auf der ersten Seite des Substrats (200) in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der ersten Seite des Substrats (200) angeordnet sind, wobei die Kompensationsschaltungen (100) in einer Matrix angeordnet sind; und mehrere Drucksensoren (10), die auf der zweiten Seite des Substrats (200) in elektrischem Kontakt mit einer oder mehreren der leitfähigen elektrischen Bahnen auf der zweiten Seite des Substrats (200) angeordnet sind, wobei einem jeden Sensor (10) eine der Kompensationsschaltungen (100) zugeordnet ist, um mehrere Drucksensor-Kompensationsschaltungs-Paare auszubilden, und wobei das Substrat (200) leitfähige Vias umfasst, um die Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare elektrisch zu verbinden, wobei jede der Kompensationsschaltungen (100) eine Temperaturkompensation für einen zugeordneten Sensor bereitstellt, und bei denen jedes der Sensor-Kompensationsschaltungs-Paare parallel kalibriert wird, bevor es für eine abschließende Verpackung vereinzelt wird.
  14. Integrierte Drucksensoranordnung (150) nach Anspruch 13, wobei das Substrat (200) eine Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTCC von low-temperature co-fired ceramic) ist.
  15. Integrierte Drucksensoranordnung (150) nach Anspruch 13, wobei das Substrat (200) eine gedruckte Leiterplatte (PCB von printed circuit board) ist.
  16. Integrierte Drucksensoranordnung (150) nach Anspruch 13, wobei die Kompensationsschaltungen (100) jeweils eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC von application specific integrated circuit) umfassen.
  17. Integrierte Drucksensoranordnung (150) nach Anspruch 16, wobei das ASIC ausgestaltet ist, um eine Temperatur- und Langzeitdriftkompensation für einen zugeordneten Sensor (10) bereitzustellen.
  18. Integrierte Drucksensoranordnung (150) nach Anspruch 13, wobei die Matrix eine 9×10-Matrix ist.
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