DE68916719T2 - Halbleiterdruckwandler. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Drucksensor zum Erfassen eines Drucks eines zu messenden Mediums.
• Als Einrichtung zum Messen eines unter hohen Druck stehenden Mediums steht bekanntlich ein Drucksensor zur Verfügung, der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 1987-293131 offenbart ist. Wie in Fig. 14 gezeigt ist, ist der Drucksensor mit einem stabförmigen Erfassungsabschnitt 42, der in einem zylindrischen Metallgehäuse 51 angeordnet ist, und einer Abdichtplatte 53 versehen, die den Erfassungsabschnitt 52 und das zylindrische Gehäuse 51 abdichtet. Der Erfassungsabschnitt 52, innerhalb dessen eine Ausnehmung ausgebildet ist, ist an seinem vorderen Endteil mit einem Membranabschnitt zum Erfassen eines Drucks versehen. Jedoch ist der Sensor hinsichtlich seiner unpraktischen Gestaltung nachteilig, da der Erfassungsabschnitt 52 aus einem keramischen Material gebildet ist, was im Gegensatz zum jüngeren Trend steht, bei dem ein Erfassungsabschnitt eines Drucksensors aus Silicium und Glas hergestellt ist. Gleichwohl wird der aus Silicium und Glas hergestellte Abschnitt anstelle des Erfassungsabschnitts 52 eingesetzt, der aus dem keramischen Material hergestellt ist. Es ist schwierig, einen luftdichten Zustand zwischen dem Metallgehäuse und dem aus Silicium und Glas hergestellten Erfassungsabschnitt aufrecht zu erhalten.
• Die Druckschrift EP-A-0 167 144 offenbart einen Drucksensor, der einen Halbleiter-Belastungsmeßfühler enthält, der an einem Ende einer Glasbasis befestigt ist, in deren Mitte eine Einlaßöffnung für den Druck ausgebildet ist. Das untere Ende der Glasbasis ist hermetisch an dem Metallzylinder mit Hilfe eines Abdichtglases befestigt.
• Wenn jedoch der Membranabschnitt des Drucksensors, der in den vorstehend erwähnten japanischen Patentoffenlegungsschriften Nr. 1987-293131 und EP-A-0 167 144 offenbart ist, bricht, breitet sich das gemessene Medium in dem Innenraum des Gehäuses, insbesondere zur Seite der Herausführung des elektrischen Signals aus.
• Weiterhin offenbart die Druckschrift US-A-4 320 664 einen Drucksensor, der thermisch kompensiert ist. Für diese thermische Kompensation enthält der Sensor einen temperaturempfindlichen Widerstand, der einen Teil derselben Halbleiterstruktur wie die piezoresistiven Elemente des Sensors bildet.
• SU-A-746 217 offenbart einen Drucksensor, der einen Membranabschnitt, der in dem Strömungsdurchgang eines gemessenen Mediums vorsteht, einen Erfassungsabschnitt mit einem elektrisch leitenden, entlang von Siliciumplatten vorgesehenen Abschnitt für die Übertragung des elektrischen Signals eines Belastungsmeßfühlers und einen elektrischen Signalausgabeabschnitt für die Abgabe des elektrischen Signals, das im Innenraum eines Gehäuses erzeugt wird, aufweist.
• Die vorliegende Erfindung ist auf die Lösung der vorstehend erwähnten Probleme gerichtet und hat als Aufgabe die Schaffung eines Halbleiter-Drucksensors, der einen mit einem Membranabschnitt versehenen und aus Silicium oder Glas hergestellten Erfassungsabschnitt besitzt und bei dem das Austreten des gemessenen Mediums zu der Herausführungsseite für die Herausführung des elektrischen Signals selbst dann verhindert ist, wenn der die Erfassungseinrichtung enthaltende Membranabschnitt gebrochen sein sollte.
• Um die vorstehend erwähnte Aufgabe zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung einen Halbleiter-Drucksensor in Übereinstimmung mit dem Patentanspruch 1.
• Die vorstehende und weitere Zielsetzungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch weiter verdeutlicht.
• Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die einen allgemeinen Aufbau eines Halbleiter-Drucksensors als ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines hauptsächlichen Abschnitts des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels;
• Fig. 3 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem thermischen Expansionskoeffizienten und der maximalen Scherbeanspruchung eines Lötglases zeigt;
• Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines hauptsächlichen Abschnitts, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
• Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines hauptsächlichen Abschnitts, die ein weiteres Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 5;
• Fig. 7 ist eine Draufsicht auf einen Erfassungsabschnitt des in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiels;
• Fig. 8 ist eine teilweise Schnittansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 9 ist eine schematische Ansicht, die einen Aufbau eines Kühlkreislaufes eines Kraftfahrzeugs, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird, zeigt;
• Fig. 10 ist eine teilweise Schnittansicht eines Halbleiter-Drucksensors des in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiels;
• Fig. 11 ist eine Schnittansicht, die einen Erfassungsabschnitt des in Fig. 10 gezeigten Halbleiter-Drucksensors veranschaulicht;
• Fig. 12 ist ein Schaltbild, das eine Schaltung zur Erfassung eines Drucks und einer Temperatur eines Kühlmittels mit Hilfe des in Fig. 10 gezeigten Halbleiter-Drucksensors veranschaulicht;
• Fig. 13 ist ein Kennliniendiagramm, das einen Ausgangszustand eines Temperaturerfassungs-Endabschnitts in der in Fig. 12 gezeigten Schaltung veranschaulicht; und
• Fig. 14 ist eine Schnittansicht, die einen herkömmlichen Halbleiter-Drucksensor zeigt.
• Die Erfindung wird nun im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
• Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines hauptsächlichen Abschnitts des ersten Ausführungsbeispiels. Das erste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Substrat aus Einkristall-Silicium (Si), das mit einem Membranabschnitt 3 und einem Belastungsmeßfühler 5 versehen und mit einer Trägerplatte 7 verbunden ist, die aus Glas mit einer Kennlinie, die ähnlich dem thermischen Expansionskoeffizienten des Substrats 1 aus Einkristall-Silicium ist, beispielsweise aus Borsilikat-Glass (Handelsname: Pyrex-Glas), hergestellt ist, wobei die entgegengesetzten Seiten des Belastungsmeßfühlers 5 sandwichartig dazwischen angeordnet sind, um einen stabförmigen Erfassungsabschnitt 2 mit einem quadratischen Querschnitt zu bilden und einen nach unten gewandten Aufbau zu haben. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Gehäuse, das aus Metall wie etwa einer Legierung des Fe-Ni-Co-Systems (Handelsname: Kovar) oder einer Legierung des Ni-Fe-Systems (Handelsname: 42-Legierung) hergestellt ist. Der Erfassungsabschnitt 2 ist fest in einem zylindrischen Abschnitt 9A, der in dem Gehäuse 9 als ein Aufnahmeabschnitt für die Einführung eines gemessenen Druckmediums ausgebildet ist, mit Hilfe eines Lötglasses 11 befestigt, um eine luftdichte Abdichtung (als hermetische Abdichtung bezeichnet) zwischen der äußeren Umgangsoberfläche des Erfassungsabschnitts 2 und der inneren Umgangsoberfläche des zylindrischen Abschnitts 9A zu schaffen. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen aus dem Substrat 1 herausgeführten Bond-Draht, der zur Übertragung eines elektrischen Signals, das in dem Belastungsmeßfühler 5 in dem Substrat 1 erzeugt wird, zu einem Substrat 19, das mit einer Verstärkerschaltung versehen ist (bei diesem Ausführungsbeispiel ein Hybrid-IC), über einen aus Aluminium bestehenden Chip-Anschluß 18 dient. Dieses Substrat 19 ist in einem Kammerabschnitt 9B, der in dem oberen Ende des Gehäuses 9 ausgebildet ist, untergebracht, und ein durch die darin befindliche Verstärkerschaltung verstärktes elektrisches Signal wird zur Außenseite des Sensors über einen Stift 21 und einen in einem Verbinderbereich angeordneten Anschluß 23 abgegeben. Ein Verbindergehäuse 25 ist aus Harz hergestellt und fest an der äußeren Umfangsoberfläche 25A seines Bodenabschnitts des Gehäuses 9 mit Hilfe eines verstemmten Abschnitts 9C, der in dem oberen Ende des Gehäuses 9 ausgebildet ist, fest angebracht. Ein Harzdeckel 27 ist fest mit dem Verbindergehäuse 25 verbunden. Der Stift 21 und der Anschluß 23 sind miteinander durch Löten verbunden. Das Substrat 19 ist fest in dem Kammerabschnitt 9B des Gehäuses 9 angebracht. Das Bezugszeichen 9D bezeichnet einen Gewindeabschnitt, der für eine verschraubte feste Verbindung mit einem Gehäuse an einer Meßstelle benutzt wird.
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht des hauptsächlichen Abschnitts (des Erfassungsabschnitts 2) des ersten Ausführungsbeispiels. Die Bezugszeichen 8 und 10 bezeichnen Schichten aus SiO&sub2;, das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Schicht aus Poly-Si mit niedrigem spezifischen Widerstand, die einen leitenden Abschnitt für die elektrische Verbindung des Belastungsmeßfühlers 5 mit einem Bondanschluß 15 aus Al bildet, das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Schicht aus Poly-Si hohen spezifischen Widerstands für die gegenseitige Verbindung der Glas-Stützplatte bzw. -Trägerplatte 7 und des Si-Substrats 1, das Symbol 14 bezeichnet eine Schicht aus Poly-Si hohen spezifischen Widerstands für den Einsatz bei der Isolation, das Bezugszeichen 15 bezeichnet den Bondanschluß aus Al, das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Vakuumkammer als Referenz-Druckkammer, die durch Ätzen der Schicht 13 aus Poly-Si hohen spezifischen Widerstands gebildet ist, und das Bezugszeichen 17 bezeichnet den Bonddraht.
• Es wird nun die hermetische Dichtung, die durch das vorstehend erwähnte Lötglas 11 gebildet ist, erläutert.
• Dieses Ausführungsbeispiel ist insbesondere dazu gedacht, ein Verfahren bereit zu stellen, mittels dessen das Si-Substrat 1 und die den Erfassungsabschnitt bildende Glas-Trägerplatte 7 mit dem Gehäuse 9 aus Metall über die hermetische Abdichtung verbunden werden. Nach vielfältigen Untersuchungen bezüglich dieser Zielsetzung unter Beachtung des thermischen Expansionskoeffizienten von Si, der bei 31 · 10&supmin;&sup7;/ºC liegt, und des thermischen Expansionskoeffizienten des als das Glas der Trägerplatte 7 benutzten Pyrex- Glases, der bei 32,5 · 10&supmin;&sup7;/ºC liegt, ist das Gehäuse 9 aus Kovar (der thermische Expansionskoeffizient liegt bei 52-54 · 10&supmin;&sup7;/ºC), das eine gute Übereinstimmung mit dem thermischen Expansionskoeffizienten des Erfassungsabschnitts 2 besitzt, oder der 42-Legierung (deren thermischer Expansionskoeffizient ist ähnlich demjenigen von Kovar) hergestellt und ein Lötglas ist zur Schaffung der hierzwischen vorliegenden hermetischen Abdichtung eingesetzt. Allerdings unterliegt der Erfassungsabschnitt 2 einer übermäßigen Beanspruchung, die einen Bruch des Erfassungsabschnitts 2 hervorrufen kann, wenn die thermischen Expansionskoeffizienten des Erfassungsabschnitts 2 des Lötglases 11 und des Gehäuses 9 nicht angepaßt sind.
• Diesbezüglich ergibt dann, wenn das Gehäuse 9 aus Kovar hergestellt und die Glas-Trägerplatte 7 aus Pyrex-Glas gefertigt ist, eine Beanspruchungsanalyse bezüglich einer maximalen Scherbeanspruchung des Lötglases 11 mit Hilfe der FEM-Methode (Methode finiter Elemente) das in Fig. 3 gezeigte Ergebnis. Gemäß diesem Analyseergebnis ergibt sich die Forderung, daß der Koeffizient des Lötglases 11 ungefähr 40-50 · 10&supmin;&sup7;/ºC beträgt, da die Bruchbeanspruchung des Pyrex-Glases 400 kg f/cm² ist. Daher wird bei diesem Ausführungsbeispiel als Wert von dessen thermischen Expansionskoeffizienten beispielsweise 41 · 10&supmin;&sup7;/ºC eingesetzt.
• Es wird nun die Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels erläutert. Wenn der Erfassungsabschnitt 2 in das gemessene Druckmedium eingemacht wird, wirkt der Druck des Mediums auf den Membranabschnitt 3 ein. Hierdurch wird der Membranabschnitt 3 verlagert und die von dieser Verlagerung abhängende Beanspruchung wirkt auf den Belastungsmeßfühler 5 ein, wodurch ein elektrisches Signal in Übereinstimmung mit dem Druck erzeugt wird. Das elektrische Signal wird an die auf dem Substrat 19 angebrachte Verstärkerschaltung über die Schicht 12 aus Poly-Si niedrigen Widerstands, den Bondanschluß 15 aus Al und den Bonddraht 17 abgegeben. Das durch die Verstärkerschaltung verstärkte elektrische Signal ist für die Abgabe an eine nicht dargestellte äußere Vorrichtung (beispielsweise einen Computer) über den Stift 21 und den Anschluß 23 angepaßt bzw. ausgelegt.
• Da, wie zuvor erläutert, der Erfassungsabschnitt 2, der den Belastungsmeßfühler 5 und den Membranabschnitt 3 enthält, bei dem ersten Ausführungsbeispiel fest an dem Gehäuse 9 mit Hilfe des Lötglases 11 derart befestigt ist, daß der Abschnitt (Bondanschluß 15 aus Al), der an dem Erfassungsabschnitt 2 für die Herausführung des elektrischen Signals vorgesehen ist, gegenüber dem Druck isoliert ist, ist es möglich, dem aus dem Lötglas 11 hergestellten, luftdicht abdichtenden Abschnitt eine ausreichende Länge bezüglich des zylindrischen Abschnitts 9A des Gehäuses 9 zu verleihen und die Abdichtfähigkeit zwischen der Seite des gemessenen Mediums und der Seite des Kammerabschnitts 9B beträchtlich zu verbessern. Da der luftdicht abdichtende Abschnitt zum Isolieren des Abschnitt für die Herausführung des elektrischen Signals gegenüber dem Druckmedium aus dem Lötglas 11 hergestellt ist, ist er weiterhin bei nahezu allen Arten von Druckmedien und auch bei einen Abschnitt einsetzbar, der eine sehr hohe Luftdichtigkeit haben muß. Falls der Membranabschnitt einschließlich des Belastungsmeßfühlers 5 usw. brechen sollte, wird das Druckmedium vorteilhafterweise gegenüber einem Lecken in Richtung zu der Seite für die Herausführung des elektrischen Signals (bei der die Anschlußfläche 15 aus Al und der Bonddraht 17 angeordnet sind) gehindert, da der Erfassungsabschnitt selbst als ein Dichtelement wirkt. Weiterhin kann es möglich sein, den Verstärker usw. auf dem Si-Substrat 1 anstatt auf dem Substrat 19 anzubringen, um als Einzelchip-IC integriert zu werden.
• Es sei angemerkt, daß anstelle der nach unten gewandten Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels, bei dem das Si- Substrat 1 mit seiner Belastungsmeßfühlerseite mit dem Glas-Trägersitz 7 verbunden ist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, es auch mit seiner anderen, der Belastungsmeßfühlerseite gegenüber liegenden Seite mit diesem verbunden sein kann.
• Weiterhin kann anstelle der elektrischen Verbindung bei diesem Ausführungsbeispiel, bei der der Belastungsmeßfühler 5 elektrisch mit der Al-Anschlußfläche 15 als elektrische Signalausgabeeinrichtung und mit dem Bonddraht 17 über die Schicht aus Poly-Si niedrigen Widerstandswerts verbunden ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, der Belastungsmeßfühler 5 elektrisch hiermit über irgend ein anderes leitendes Element anstelle der Schicht aus Poly-Si niedrigen Widerstandswerts verbunden sein. Beispielsweise wird, wie in Fig. 5 dargestellt ist, bei Ausbildung der Vakuumkammer 16 durch Ätzen der Schicht 13 aus Poly-Si hohen Widerstandswerts gleichzeitig ein Kanal mit Hilfe der Ätzung eines Metallfilms bildet. Dann wird ein Kontaktloch durch Ätzen einer vorbestimmten Position der SiO&sub2;-Schicht gebildet und ein Metallfilm 15 wird aus Al oder dergleichen in dem Kanal mit einer kleineren Dicke als die Schicht 13 aus Poly-Si hohen Widerstandswerts ausgebildet. Der Bonddraht 17 wird mit dem Metallfilm 15 verbunden. In dieser Weise wird es durch Einsatz des Metallfilms 15 niedrigen Widerstandswerts möglich, ein Absinken der Empfindlichkeit zu vermeiden, die durch einen Verlust der angelegten Spannung hervorgerufen werden könnte. Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 5, während Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Hauptabschnitt ohne die Trägerplatte 7 in Fig. 5 zeigt.
• Weiterhin kann anstelle des insgesamt aus Kovar oder der 42-Legierung ausgebildeten Gehäuses 9 das Gehäuse 9, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, eine derartige Gestaltung besitzen, daß lediglich sein Abschnitt, der mit dem Lötglas 11 in Berührung gebracht ist, mit einem Kragen 28 versehen ist, der aus Kovar oder der 42-Legierung hergestellt ist, während sein übriger Abschnitt aus Stahl (beispielsweise Kohlenstoffstahl) besteht.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, bei dem die vorliegende Erfindung bei einem Kühlkreislauf für eine Kraftfahrzeug-Luftklimaanlage eingesetzt wird. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet einen Kompressor, das Bezugszeichen 33 einen Kondensator, das Bezugszeichen 35 bezeichnet einen Empfänger, das Bezugszeichen 37 bezeichnet ein Ausdehnungsventil und das Bezugszeichen 39 bezeichnet einen Verdampfer. Bei diesem Kühlkreislauf ist ein Halbleiter- Drucksensor 100 gemäß diesem Kühlkreislaufgerät in einem Kühlrohr auf der Seite niedrigen Drucks zwischen dem Verdampfer 39 und dem Kompressor 31 angeordnet, um sowohl einen Druck als auch eine Temperatur des Kühlmittels zu erfassen. Übrigens kann der Halbleiter-Drucksensor 100 in einem Kühlrohr auf der Seite hohen Drucks zwischen dem Empfänger bzw. Aufnehmer 35 und dem Ausdehnungsventil 37 angeordnet sein, je nachdem, wie es für die Steuerung erforderlich ist.
• Fig. 10 zeigt eine teilweise Schnittansicht des Halbleiter-Drucksensors 100, der an dem Kühlmittelrohr 41 angebracht ist. Der Halbleiter-Drucksensor 100 ist fest an dem Kühlmittelrohr 41 durch Befestigen seines Gehäuses 9 an dem Kühlmittelrohr 41 unter Zwischenlage eines O-Rings mit Hilfe einer Schraube 45 befestigt. Der Erfassungsabschnitt 2 des Halbleiter-Drucksensors 100 hat eine derartige Gestaltung, daß das Si-Substrat 1 sandwichartig zwischen zwei Trägerplatten 7a, 7b, die aus Pyrex-Glas bestehen, eingebracht ist. Zwischen dem Erfassungsabschnitt 2 und dem zylindrischen Kragen 28 (ein Abschnitt des Gehäuses 9), der aus Kovar hergestellt ist, das in die innere Umfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 9A des Gehäuses 9 eingepaßt ist, ist eine hermetische Dichtung vorgesehen, die aus dem Lötglas 11 besteht. Der Erfassungsabschnitt 2 steht von dem führenden bzw. vorderen Abschnitt des Kragens 28 vor, so daß der Druck und die Temperatur des Kühlmittels direkt gemessen werden können. Der Kragen 28 ist mit einem Drahtnetz 47 versehen, um den Erfassungsabschnitt 2 zu schützen. Daher erfaßt der Erfassungsabschnitt 2 den Druck und die Temperatur des Kühlmittels durch das Drahtnetz 47 hindurch. Der Membranabschnitt 3 ist auf einer solchen Seite des Si- Substrats 1 des Erfassungsabschnitts 2 angeordnet, daß er nicht durch einen dynamischen Druck der Strömung des Kühlmittels beeinflußt wird, die durch die gerichtete Linie (Pfeil) in Fig. 10 bezüglich der Kühlmittelströmung angezeigt ist. Da der Membranabschnitt 3 des Erfassungsabschnitts 2 demgemäß direkt in Berührung mit dem durch das Drahtnetz 47 hindurchgehenden Kühlmittel gebracht und an einer derartigen Position angeordnet ist, daß er nicht durch den dynamischen Druck des Kühlmittels beeinflußt wird, ist es möglich, den Druck des Kühlmittels korrekt zu erfassen. Da der Erfassungsabschnitt 2 von dem Gehäuse 9 und dem Kragen 28 vorsteht, ist es weiterhin möglich, die Temperatur des Kühlmittels ohne Beeinflussung durch eine Wärmeleitung von dem Gehäuse 9 und dem Kragen 28 zu erfassen.
• Fig. 11 ist eine Schnittansicht des Erfassungsabschnitts 2. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, ist zwischen dem Si-Substrat 1 und der aus Pyrex-Glas hergestellten Trägerplatte 7a die Vakuumkammer 16 vorgesehen, die durch die gemeinsame Poly-Si-Schicht 13 zwischen der Platte 7a aus Pyrex-Glas und der auf dem Si-Substrat 1 ausgebildeten SiO&sub2;- Schicht 10 als eine Isolatormembran ähnlich der in Fig. 5 gezeigten gebildet ist. Das Si-Substrat 1 ist auf seiner einen Seite mit dem Membranabschnitt 3 und auf seiner anderen Seite mit dem Belastungsmeßfühler 5 (aus 4 Belastungsmeßfühlern 5a-5d bestehend, die in einer nachstehend beschriebenen Schaltung vorgesehen sind) versehen. Der Belastungsmeßfühler 5 ist mit einer Aluminium-Elektrode 15 über eine Diffusionsleitung 5' verbunden.
• Es wird weiterhin eine Schaltung zum Erfassen des Drucks und der Temperatur des Kühlmittels mit Hilfe des Halbleiter-Drucksensors 100 erläutert.
• Fig. 12 zeigt ein Schaltbild der Schaltung. Gemäß Fig. 12 sind die Belastungsmeßfühler 5a bis 5d so angeordnet, daß ihre jeweiligen Widerstandswerte in Übereinstimmung mit dem Druckzustand des auf den in Fig. 10 gezeigten Erfassungsabschnitt 2 einwirkenden Kühlmittels variieren und gleichzeitig in Abhängigkeit von der Temperatur des Erfassungsabschnitts 2 veränderlich sind. Ein Paar von Belastungsmeßfühlern 5b, 5d, die sich diagonal gegenüberliegen, sind so ausgelegt, daß sich ihre Widerstandswerte in Abhängigkeit von dem Druck vergrößern, und das andere Paar von Belastungsmeßfühlern 5a, 5c, die sich einander diagonal gegenüberliegend angeordnet sind, ist so ausgelegt, daß sich ihre Widerstandswerte in Abhängigkeit von dem Druck verringern. Als Ergebnis ist der Widerstandswert zwischen den beiden Punkten A und D unabhängig von dem Druck.
• Zwischen einer Spannungsquelle Vcc und einem Erdpunkt GND ist eine Reihenschaltung vorgesehen, die Widerstände RO1, RO2 und RO3 aufweist. Jeweilige Konstantpotentiale Vk, Vm an den Verbindungspunkten K, M zwischen den Widerständen RO1, RO2 und zwischen den Widerständen RO2, RO3 sind durch eine geteilte Spannung festgelegt. Die Spannungsquelle Vcc ist mit dem Punkt A als Verbindungspunkt zwischen den Belastungsmeßfühlern 5a und 5d der Wheatstone-Brückenschaltung über einen Widerstand RO5 verbunden. Das Potential wird zusammen mit dem Potential an dem Punkt K, d. h. das Ausgangssignal vom Operationsverstärker OP1, wird dem Verbindungspunkt B zwischen den Belastungsmeßfühlern 5a und 5d und dem Verbindungspunkt C zwischen den Belastungsmeßfühlern 5c und 5d jeweils über jeweilige Widerstände RO7, RO8 zugeführt. Dies bedeutet, daß der Operationsverstärker OP1 und der Widerstand RO5 als eine Konstantstromquelle für die die Belastungsmeßfühler enthaltende Brückenschaltung dienen und die Widerstände RO7 und RO8 eine Schaltung zur groben Einstellung einer Offset-Ausgangsspannung der Brückenschaltung bilden.
• Die Ausgangsspannung Vcc am Ausgangspunkt C der Wheatstone-Brücke, die die Belastungsmeßfühler enthält, wird an einen Operationsverstärker OP-2 angelegt. Der Operationsverstärker OP-2 dient dazu, das Fließen von Strom von der Schaltungsseite in die Brückenschaltung bzw. umgekehrt zu verhindern. Das Ausgangssignal von diesem Operationsverstärker OP-2 wird an einen Operationsverstärker OP-3 zusammen mit der Ausgangsspannung Vc vom Punkt B der Brückenschaltung über einen Widerstand RO9 angelegt. Ein Transistor Tr&sub1; wird durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP-3 gesteuert. Der Operationsverstärker OP- 3, der Widerstand RO9 und der Transistor Tr&sub1; dienen zur Umwandlung einer Ausgangsspannung "VB - Vc" der Wheatstone- Brücke in einen Ausgangsstrom.
• Da der Transistor Tr&sub1;, der durch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP-3 gesteuert wird, an seinem Kollektor mit der Spannungsquelle VCC über einen Widerstand R11 verbunden ist, wird das Signal in der Kollektorschaltung des Transistors Tr&sub1; einem Operationsverstärker OP-4 zugeführt. Der Operationsverstärker OP-4 bildet eine Verstärkerschaltung zusammen mit Widerständen R11, R12 und R13, um den Ausgangsstrom des Operationsverstärkers OP-3 zu verstärken und ein Druckerfassungssignal Vp zu erhalten. Hierbei ist der Verstärkungsfaktor der den Operationsverstärker OP-4 enthaltenden Schaltung entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Widerstand R12 und dem Widerstand RO9 definiert.
• Ein Signal VD an einem Punkt D, der den Verbindungspunkt zwischen den Belastungsmeßfühlern 5b und 5c bildet, wird einem Operationsverstärker OP-5 zusammen mit einer Referenzspannung VM, die bei einem Punkt M festgelegt ist, zugeführt. Der Operationsverstärker OP-5 erfaßt eine Veränderung der Spannung VD, die zur Veränderung in Abhängigkeit von einer Temperatur ausgelegt ist, an dem Punkt D zusammen mit einem Widerstand 21, um die Veränderung in einen Ausgangsstrom umzuwandeln und einen Transistor Tr&sub2; durch ein Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP-5 zu steuern. Ein Signal der Kollektorschaltung des Transistors Tr&sub2; wird einem Operationsverstärker OP-6 zusammen mit der Referenzspannung VK an einem Punkt K zugeführt. Der Operationsverstärker OP-6 enthält eine Verstärkerschaltung zusammen mit Widerständen R22, R23, R24 und dient zur Verstärkung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers OP-5 und zur Bildung eines Temperaturerfassungsausgangssignals VT.
• Demgemäß verändert sich bei Veränderung des auf den Erfassungsabschnitt 2 einwirkenden Drucks das Potential VC an dem Ausgangspunkt C der die Belastungsmeßfühler enthaltenden Wheatstone-Brücke in Abhängigkeit von dieser Druckveränderung, so daß das Druckerfassungssignal Vp abgegeben wird. Da sich das Potential VD an dem Punkt D linear bezüglich der Temperatur verändert, wie in Fig. 13 gezeigt ist, kann das Temperaturerfassungssignal VT durch Einsatz der Schaltung des Operationsverstärkers OP-5 als Schaltung zum Umwandeln des Potentials VD am Punkt D in ein derartiges Signal, das sich nahezu von einer Massespannung (GND) zu einem Spannungsquellenpotential (Vcc) verändern kann, erhalten werden.
• Anstelle des vorstehenden Ausführungsbeispiels, bei dem der Druck und die Temperatur des Druckmediums mit Hilfe der Belastungsmeßfühler 5a bis 5d erfaßbar sind, kann im übrigen auch ein Temperaturerfassungselement nahe den Belastungsmeßfühlern 5a bis 5d des Si-Substrats vorgesehen sein, um die Temperatur des Mediums hierdurch zu erfassen.

Claims (14)

1. Halbleiter-Drucksensor, der zur Messung des Drucks eines Mediums ausgelegt ist, mit

einem Erfassungsabschnitt (2), der aus einer Glasträgerplatte (7) und einem darauf angeordneten Siliciumsubstrat (1) besteht und mit einem Membranabschnitt (3) versehen ist, der mit dem gemessenen Medium in Kontakt gebracht wird und in Übereinstimmung mit dessen Druck verlagerbar ist,

einer Detektoreinrichtung (5), die innerhalb des Erfassungsabschnitts (2) angeordnet ist, um eine Verlagerung des Membranabschnitts (3) zur Erzeugung eines dem Druck entsprechenden elektrischen Signals zu erfassen,

einem Gehäuse (9) mit einem Innenraum, der einen Unterbringungsabschnitt (9A) für die Aufnahme des Erfassungsabschnitts aufweist, wobei zumindest ein vorbestimmter Abschnitt (9A, 28) des Unterbringungsabschnitts aus Metall hergestellt ist; und

einem Lötmittelglas (11), das zwischen dem vorbestimmten Abschnitt (9A, 28) des Gehäuses und einem vorbestimmten Abschnitt des Erfassungsabschnitts vorgesehen ist, um den Innenraum (9B) des Gehäuses bezüglich des gemessenen Mediums hermetisch abzudichten, dadurch gekennzeichnet, daß

der Membranabschnitt (3) in den Strömungsdurchgang des gemessenen Mediums vorragt,

daß der Erfassungsabschnitt einen elektrisch leitenden Abschnitt (12) besitzt, der entlang des Siliciumsubstrats vorgesehen ist, um das elektrische Signal der Detektoreinrichtung (5) zu übertragen;

daß ein elektrischer Signalausgabeabschnitt (15) zum Abgeben des elektrischen Signals des elektrisch leitenden Abschnitts (12) in dem Innenraum (9B) des Gehäuses (9) vorgesehen ist, und

daß ein Abschnitt des Siliciumsubstrats (1) zwischen dem Membranabschnitt (3) und dem Ausgabeabschnitt (15) mit der Glasträgerplatte (7) abgedichtet ist, so daß der Erfassungsabschnitt (2) selbst als ein Dichtelement des Innenraums (9B) bezüglich des gemessenen Mediums dient.

2. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt des Siliciumsubstrats (1) mit der Glasträgerplatte (7) verbunden ist.

3. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt des Siliciumsubstrats (1) mit der Glasträgerplatte (7) über eine Schicht (13) zum Bilden einer Vakuumkammer (16) verbunden ist.

4. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der leitende Abschnitt (12) aus einer Schicht aus Poly- Si mit niedrigem Widerstandswert hergestellt ist.

5. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des metallischen Abschnitts des Gehäuses gleich groß wie der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Siliciumsubstrats (1) und der Glasträgerplatte (7) ist, und bei dem der Koeffizient der thermischen Ausdehnung des Lötmittelglases (11) einen Zwischenwert besitzt, der zwischen den beiden Koeffizienten der thermischen Ausdehnung der Glasträgerplatte und des metallischen Abschnitts liegt.

6. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 5, bei dem der metallische Abschnitt des Gehäuses aus einer Legierung des Fe-Ni-Co-Systems hergestellt ist und bei dem das Glas für die Trägerplatte Borsilikat-Glas ist.

7. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 5, bei dem der metallische Abschnitt des Gehäuses aus einer Legierung des Ne-Fe-Systems hergestellt ist und bei dem das Glas für die Trägerplatte Borsilikat-Glas ist.

8. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der vorbestimmte Abschnitt des Gehäuses mit einem metallischen Kragen versehen ist.

9. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Membranabschnitt (3) an einer derartigen Position in dem Erfassungsabschnitt vorgesehen ist, daß er nicht durch einen dynamischen Druck des gemessenen Mediums beeinflußt wird.

10. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Detektoreinrichtung (5) einen Belastungsmesser bzw. Dehnungsmesser enthält, der an der Position angeordnet ist, die dem Membranabschnitt innerhalb des Siliciumsubstrats (1) gegenüberliegt.

11. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiter-Drucksensor für die Erfassung des Drucks eines Kühlmittels innerhalb eines Kühlmittelrohrs bzw. -schlauchs ausgelegt ist, das bzw. der bei einem Kühlmittelzyklus für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Verdichter, einem Empfänger, einem Ausdehnungsventil und einem diese verbindenden Kühlmittelrohr bzw. -schlauch eingesetzt wird.

12. Halbleiter-Drucksensor nach Anspruch 11, bei dem der Erfassungsabschnitt eine derartige Gestaltung besitzt, daß das Siliciumsubstrat (1) sandwichartig zwischen einem Paar von Glasträgerplatten zumindest an einem Abschnitt eingeschlossen ist, um hermetisch durch das Lötmittelglas abgedichtet werden, wobei der in das Kühlmittel vorragende Abschnitt aus dem Siliciumsubstrat und einer der paarweise zusammengefaßten Glasträgerplatten besteht und der mit der Membran versehene Abschnitt des Siliciumsubstrats dem Kühlmittel ausgesetzt ist.

13. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinrichtung (5) eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur des gemessenen Mediums bei dem vorstehenden Abschnitt des Erfassungsabschnitts enthält.

14. Halbleiter-Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiter-Drucksensor weiterhin eine in dem Gehäuse vorgesehene Schutzkappe aufweist, um den Durchgang des gemessenen Mediums hierdurch zu ermöglichen, wobei die Kappe den vorstehenden Abschnitt des Erfassungsabschnitts schützt.