DE69021325T2

DE69021325T2 - Halbleiter-Druck-Messfühler verbunden mit einem Trägerelement.

Info

Publication number: DE69021325T2
Application number: DE69021325T
Authority: DE
Inventors: Manfred H Liebgen
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1989-11-10
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2010-11-09
Also published as: DE69021325D1; DE3937522A1; US5090247A; EP0427261A3; EP0427261A2; EP0427261B1; JP2843667B2; JPH03185325A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-A-4 373 397 ist ein Drucksensor mit einer Membran aus Silicium bekannt, der Widerstände enthält, die auf der dem Druck um den Umfang der Membran erstreckt sich ein ringförmiger Rohrzylinder, der eine Rückfläche aufweist, die mit Hilfe eines elastischen Kunststoffmaterials mit einer Wand verklebt ist. Dieser Drucksensor enthält kein eigenes Trägerelement mit einer durchgehenden Öffnung zum Halten des Halbleitersubstrats des Sensors.
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 Ausgangssignale von Formänderungen des Trägerelements kaum beeinflußt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Halbleiter-Drucksensor erfolgt die Verbindung mit dem Trägerelement auf der aktiven Oberfläche des Substrats unter Zwischenfügung einer Elastomerdichtung. Dies bedeutet, daß bei der 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 starre Einspannung des Substrats am Trägerelement ist nicht erforderlich, so daß die gewünschte Unabhängigkeit von mechanischen Verformungen des Trägerelements erzielt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert, in der der erfindungsgemäße Drucksensor mit seinen für die Erfindung wesentlichen Merkmalen in einer Schnittansicht 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 Ausnehmung 18 so gebildet, daß eine an die aktive Oberfläche 14 angrenzende Membran 20 gebildet wird, die von dicken Randbereichen 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 mechanische Formänderung erleiden und dabei einen ihrer elektrischen Parameter, im angegebenen Beispiel ihren Widerstandswert, ändern.
Die Zu- und Ableitung elektrischer Signale zu den integrierten 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 Innenumfangsfläche eine Stufe 38 aufweist. Der Drucksensor 10 ist dabei unter 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 Elastomerdichtung kann beispielsweise Siliconkautschuk, Butylkautschuk oder auch Nitrilkautschuk verwendet werden. Jedes andere Material mit vergleichbaren Eigenschaften kann natürlich zum Einsatz kommen.
Das Trägerelement 34 ist seinerseits in einem Gehäuse 42 befestigt, 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 einwirkende Druck eine Kraft erzeugt, die die Dichtwirkung der Elastomerdichtung 40 um so mehr verstärkt, je höher der Druck ist. Der Drucksensor 10 kann aufgrund seiner speziellen Befestigung 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 Verformungen, die aufgrund von Temperaturänderungen im Trägerelement hervorgerufen werden, werden auf diese Weise daran gehindert, Verformungen der Membran 20 hervorzurufen, die eine Verfälschung des Meßergebnisses zur Folge hätten. Diese zusätzlich zur Verwendung der Elastomerdichtung 40 wirksame mechanische Entkoppelung ermöglicht hysteresefreie Meßergebnisse, 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 Rückseite des Substrats 12 her ist möglich.
In der Zeichnung ist der Drucksensor 10 nur schematisch dargestellt; wie elektrische Signale zu- und abgeleitet werden muß nicht besonders dargestellt werden, da dies für die Erfindung unwesentlich ist.

Claims

1. Drucksensor mit:

einem Substrat (12) aus Halbleitermaterial mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche,

wobei das Halbleitersubstrat mit einer Ausnehmung in der zweiten Hauptfläche versehen ist, die sich so zu der ersten Hauptf läche hin erstreckt, daß relativ dicke, die Ausnehmung begrenzende Umfangsrandbereiche (22, 24) und eine relativ dünne, sich zwischen den relativ dicken Umfangsrandbereichen in Verbindung mit diesen erstreckende druckempfindliche Membran (20) gebildet werden,

ein Trägerelement (34), auf dem das Halbleitersubstrat befestigt ist und das das Halbleitersubstrat an dessen relativ dicken Umfangsrandbereichen trägt,

ein Elastomermittel (40), das zwischen das Trägerelement und die relativ dicken Umfangsrandbereiche des Halbleitersubstrats eingefügt ist und eine Abdichtung zwischen dem Trägerelement und dem Halbleitersubstrat an den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats bildet, wenigstens ein integriertes Bauelement (26, 28) auf der ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats,

wobei die relativ dünne druckempfindliche Membran des Halbleitersubstrats auf einen auf sie einwirkenden Druck so anspricht, daß sie eine mechanische Verformung erfährt, und wobei das wenigstens eine integrierte Bauelement einen elektrischen Parameter hat, der Änderungen in Abhängigkeit von der mechanischen Verformung der druckempfindlichen Membran unter dem Einfluß von Druck erfährt, wobei die Änderung des elektrischen Parameters des wenigstens einen integrierten Bauelements der Größe der mechanischen Verformung der dünnen druckempf indlichen Membran so proportional ist, daß sie ein Maß des Drucks angibt, dem die relativ dünne druckempfindliche Membran ausgesetzt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Trägerelement (34) mit einer durchgehenden Öffnung (36) versehen ist und eine innere Randträgerfläche (38) in Gegenüberlage zur ersten Hauptfläche an den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats bildet,

das Elastomermittel (40) zwischen die innere Randträgerf läche des Trägerelements und die erste Hauptfläche bei den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats so eingefügt ist, daß eine Umfangsdichtung zwischen der inneren Umfangsträgerfläche des Trägerelements und der ersten Hauptf läche bei den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats bildet,

das wenigstens eine integrierte Bauelement (26, 28) in einem relativ dicken Rand des Halbleitersubstrats angrenzend an die druckempfindliche Membran angebracht ist,

die zweite Hauptfläche des Halbleitersubstrats frei zugänglich ist und so angeordnet ist, daß sie dem in die Öffnung durch das Trägerelement eingeführten Druck ausgesetzt ist, die relativ dünne druckempfindliche Membran des Halbleitersubstrats in der durch das Trägerelement hindurchgehenden Öffnung angeordnet ist und auf den in die Öffnung durch das Trägerelement hindurch eingeführten und in die im Halbleitersubstrat angebrachte Ausnehmung eindringenden Druck so anspricht, daß sie eine mechanische Verformung ausführt, und

die Dichtwirkung des Elastomermittels zwischen der inneren Umfangsträgerfläche des Trägerelements und der ersten Hauptfläche bei den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats abhängig von dem zu messenden Druck zunimmt, der in die Öffnung durch das Trägerelement und durch die in dem Halbleitersubstrat angebrachte Ausnehmung eingeführt wird und auf die relativ dünne druckempfindliche Membran des Halbleitersubstrats auftrifft.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement mit einer Gegenbohrung versehen ist, die längs ihres Innenumfangs eine Schulter an der Verbindung zwischen der Öffnung und der Gegenbohrung bildet und sich von der Öffnung aus nach außen erstreckt, damit die innere Umfangsträgerfläche gebildet wird, der die erste Hauptf läche bei den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats mit dazwischengefügtem Elastomermittel gegenüberliegt.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, ferner enthaltend ein Gehäuse (42), das eine Kammer bildet, in der das Trägerelement fest angebracht ist, und ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine Eingangsöffnung (44) hat, die in Ausrichtung auf die Gegenbohrung und die Öffnung in dem Trägerelement und die Ausnehmung in dem Halbleitersubstrat liegt, um den zu messenden Druck einzuführen.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trägerelement und der relativ dünnen druckempfindlichen Membran des Halbleitersubstrats Entkopplungsmittel vorgesehen sind, um mechanische Verformungen im Halbleitersubstrat, die durch Temperaturänderungen in dem Trägerelement hervorgerufen werden, daran zu hindern, mechanische Verformungen der relativ dünnen druckempfindlichen Membran hervorzurufen.

5. Drucksensor nach Anspruch 4, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Entkopplungsmittel eine Vertiefung (46) aufweisen, die in den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats gebildet ist und die relativ dünne druckempfindliche Membran umgibt, wobei die Vertiefung zur ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats hin offen ist und zwischen der relativ dünnen druckempfindlichen Membran und dem Elastomermittel angeordnet ist, das die Umfangsdichtung zwischen der ersten Hauptfläche bei den relativ dicken Umfangsrandbereichen des Halbleitersubstrats und der inneren Umfangsträgerfläche des Trägerelements bildet.

6. Drucksensor nach Anspruch 5, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung innerhalb der inneren Umfangsträgerfläche des Trägerelements angeordnet ist, um die relativ dünne druckempfindliche Membran des Halbleitersubstrats von mechanischen Verformungen im Trägerelement, die durch Temperaturänderungen in diesem Trägerelement hervorgerufen werden, zu isolieren.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomermittel aus einem Material hergestellt ist, das der Klasse entnommen ist, die Silikongummi, Butylgummi und Nitrilgummi enthält.