DE69803519T2

DE69803519T2 - Drucksensor

Info

Publication number: DE69803519T2
Application number: DE69803519T
Authority: DE
Inventors: Junichi Miyano; Keiji Sasaki; Akira Sawada
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1998-06-18
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2018-06-19
Also published as: EP0890830A1; JPH1130559A; DE69803519D1; KR19990013488A; US6186009B1; EP0890830B1; ES2168703T3

Description

Technisches Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Drucksensoren und insbesondere Halbleiterdrucksensoren, die vorzuziehen sind, um einen Fluiddruck wie beispielsweise ein Kühlmittel von Kälte-/ Kühlvorrichtungen abzutasten.

Hintergrund der Erfindung

Im Stand der Technik waren diese Arten von Drucksensoren, die Halbleiterchips umfassen - wie in der japanischen Patentoffenlegung Nr. H3-226638 offenbart - mit einem Gehäuse und einem am unteren Abschnitt des Gehäuses angebrachten Träger ausgestattet und verfügten über eine Halbleiterchip-Aufnahmekammer, worin ein Glassitz mit dem konkaven Abschnitt des Speicherraums verbunden und ein Halbleiterchip luftdicht mit dem Glassitz verbunden wird, wobei der Halbleiterchip den Druck des durch ein Druckeinführungsloch des Trägers und ein Druckeinführungsloch des Glassitzes eingeführten Kühlmittels misst.
In der obigen Drucksensorart wird als Material des Glassitzes Borsilikatglas verwendet und als Material des Trägers eine Eisen-Nickel(Fe-Ni)-Systemlegierung verwendet, und diese Materialien unterscheiden sich stark in ihren Temperaturmerkmalen wie beispielsweise dem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wenn sich in Zusammenhang mit einem derart miteinander verbundenen Glassitz und Metallträger ein Temperaturwechsel an einem Drucksensor erfolgt, kann die Verbindung durch die Differenz in den Wärmeausdehnungskoeffizienten getrennt werden, was zu einem Problem führen kann, worin der Druck nicht mehr genau an das Druckabtastelement hinzugegeben werden könnte.
Um solche Probleme zu verhindern, wird die Verbindung zwischen dem Außenrand des Glassitzes und der Innenwand des konkaven Trägerabschnitts durch ein niedrigschmelzendes Glas bereitgestellt, das über einen Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügt, der sich in der Mitte zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glassitzes und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägers befindet, so dass sich, wenn der Drucksensor über einen langen Zeitraum verwendet wird und an der Verbindung des Glassitzes und des Trägers wiederholte Temperaturwechsel auftreten, die Verbindung nicht trennen oder abblättern wird, und der Glassitz könnte fest mit dem oberen Trägerabschnitt verbunden werden.
Der obige Drucksensor aus dem Stand der Technik, der das aus den Halbleiterchips gebildete Druckabtastelement umfasst, war darin problematisch, dass die Verbindung des Glassitzes und des Trägers beschwerlich und zeitaufwendig war, da der Glassitz und der Träger nicht in einem Schritt verbunden werden konnten; das niedrigschmelzende Glasmaterial musste in den Spalt zwischen dem Außenrand des Glassitzes und der Wölbung des Trägers eingesetzt und anschließend die Verbindung des Trägers und dem Glassitz durch das Schmelzen des niedrigschmelzenden Glasmaterials abgedichtet werden.
Da weiterhin das oben erwähnte Verfahren aus dem Stand der Technik der Glassitz und den Träger mittels eines niedrigschmelzenden Glases verbindet, das über einen Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügt, der in der Mitte des Wärmeausdehnungskoeffizienten eines jeden Glieds liegt, gibt es einen Bedarf zum Auswählen eines Glasmaterials, das einem bestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, was insofern unvorteilhaft ist, da nur ein eingeschränktes Glasmaterial verwendet werden könnte.
Weiterhin löst das obige Verfahren das Problem auf der Grundlage der Differenz des Ausdehnungskoeffizients, indem für die Verbindung ein bestimmtes Glasmaterial ausgesucht wird. Jedoch unterscheiden sich der Glassitz und der Träger von Natur aus in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf Grund des Materialunterschieds, so dass, selbst wenn ein niedrigschmelzendes Glas verwendet wird, das über einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Mitte des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glassitzes und dem des Trägers verfügt, die durch ein solches Verfahren bereitgestellte Verbindung nicht perfekt sein kann, wenn der Drucksensor über einen langen Zeitraum verwendet wird.
Um die obigen Probleme zu bewältigen, schlug der vorliegende Anmelder einen Drucksensor vor, der eine Verbindung eines Trägers und einer Sitzfläche zum Einbauen eines Druckabtastelements eines Halbleiterchips einschließt, worin der Sensor so gebildet ist, dass die Montage und Anbringung der Glieder auf eine einfache Weise vorgenommen werden könnte, und dass die verbundenen Glieder unter einem Temperaturwechsel in der japanischen Patentanmeldung Nr. H8-268927 (Offenlegungs-Nr. 10 111198, die nach dem Prioritätsdatum dieser Anmeldung veröffentlicht wurde) sich nicht trennen oder abblättern.
Der Aufbau des Drucksensors gemäß der obigen Erfindung wird hiernach mit Bezug auf die Fig. 3 erörtert.
Fig. 3 ist eine senkrechte Querschnittansicht des Drucksensors 10 gemäß der oben erörterten Erfindung. Der Drucksensor 10 umfasst ein Gehäuse 11 aus einem Metallmaterial am äußeren Abschnitt und ein elektrisches Anschlussglied 12, das mit dem Gehäuse 11 verbunden und daran angebracht ist, und ist in den vom Gehäuse 11 gebildeten inneren Bereich eingepasst und wobei das elektrische Anschlussglied 12 ein Halbleiterchip 13 mit einem Druckabtastelement ist, das über ein auf der oberen Oberfläche gebildetes Dehnungsmessgerät und eine elektrische Leiterplatte (Druckplatte) 14 mit einem Rechenschaltkreis und dergleichen verfügt, um eine Ausgabe aus dem Halbleiterchip in eine elektrische Spannungs- oder Stromausgabe zu wandeln.
Das Gehäuse 11 ist aus einem Metall wie beispielsweise Eisen (Fe) oder rostfreiem Stahl (SUS) ausgebildet und umfasst eine rohrförmige Schraube 11c, die an ihrem unteren Abschnitt ein Kühlmittel-Einführungsloch 11d und an ihrem oberen Abschnitt ein empfangendes offenes Rohr 11a aufweist und weiterhin einen trichterartigen Stützabschnitt 11b in ihrem mittleren inneren Abschnitt umfasst, und wobei der trichterartige Stützabschnitt 11b eine flache Unterseite 11e an seinem unteren Abschnitt einschließt.
Das elektrische Anschlussglied 12 wird aus einem elektrischen Isoliermaterial aus Kunstharz wie beispielsweise ein durch Glas verstärktes Polybutylen-terephthalat gebildet, das ein Führungsrohr 12b zum Anbringen und Trennen eines Anschlussglieds am oberen Abschnitt und ein Erweiterungspassrohr 12a am unteren Abschnitt umfasst. Im Inneren des elektrischen Anschlussglieds 12 werden drei Anschlussklemmen 17 (von denen zwei nicht gezeigt werden), die aus dem inneren Bereich des Führungsrohrs 12b in den inneren Bereich des Erweiterungspassrohrs 12a dringen, angebracht.
Die elektrische Leiterplatte 14 wird aufgestellt, um in einen inneren Ringabschnitt 11f des empfangenen offenen Rohrs 11a des Gehäuses 11 zu passen, und ein O-Ring 15, der in den Ringabschnitt 11f eingepasst ist, ist an der elektrischen Leiterplatte 14 aufgestellt, um die Platte 14 trocken zu halten und zu stützen. Das Passrohr 12a des elektrischen Anschlussglieds 12 passt an das obere Ende des aufnehmenden offenen Rohrs 11a des Gehäuses 11, und in einem Zustand, worin ein unterer, schräger Abschnitt 12c des Passrohrs 12a des elektrischen Anschlussglieds 12 die elektrische Leiterplatte 14 durch den O- Ring 15 drückt, hält ein Öffnungsaußenrand 11a' am Ende des aufnehmenden offenen Rohrs 11a des Gehäuses 11 einen Schulterabschnitt 12d des Erweiterungspaaarohrs 12a des elektrischen Anschlussglieds überlappend. Durch ein solches Verfahren werden das Gehäuse 11 und das elektrische Anschlussglied 12 miteinander verbunden und aneinander angebracht, und die elektrische Leiterplatte 14 wird fest innerhalb des vom Gehäuse und vom elektrischen Anschlussglied gebildeten inneren Bereichs angebracht und gehalten.
Eine leitende kurze Verbindungsmuffe 18 wird mittels Punkschweißung und dergleichen mit einem unteren, gewinkelten Ende 17a der Anschlussklemme 17 verbunden oder daran angebracht, und an der leitenden kurzen Verbindungsmuffe 18 wird ein oberer Abschnitt 19b eines Stiftanschlusses 19 gesteckt, und ein unterer Abschnitt 19a des Stiftanschlusses 19 wird durch Löten oder dergleichen an der elektrischen Leiterplatte 14 angebracht. Der Stiftanschluss 19 überträgt elektrische Signale von der elektrischen Leiterplatte an die Anschlussklemme 17.
Ein Träger 20 einer Eisen-Nickel(Fe-Ni)-Legierung wie beispielsweise einer 42-Legierung wird am trichterartigen Stützabschnitt 11b, der im Inneren des Gehäuses 11 platziert wird, eingesetzt und angebracht.
Der Träger 20 umfasst ein unteres Rohr 20a, das in das Flüssigkeitseinführungsloch 11d des Gehäuses passt, eine vorspringende Manschette 20b, die an eine flache Oberfläche 11e des trichterartigen Stützabschnitts 11b gesetzt wird, und einen oberen Anbringungsabschnitt 20c zum Unterbringen der Sitzfläche 21, und umfasst weiterhin ein in der oberen und unteren Richtung durchdringendes Loch 20d als Flüssigkeitsweg, worin zumindest die die Sitzfläche 21 kontaktierende Oberfläche gold(Au)plattiert ist, und zwar mit einer Dicke von etwa 1 um. Der Träger 20 wird auf die flache Oberfläche 11e des Gehäuses 11 durch die Potentialwiderstandsschweißung an der vorspringenden Manschette 20b fest angeschweißt.
Eine aus Silizium hergestellte Sitzfläche 21 wird am oberen Anbringungsabschnitt 20c des Trägers 20 positioniert und angebracht. Die Sitzfläche 21 ist für das Durchführen flüssigen Materials mit einem durchdringenden Loch 21a ausgestattet, das konzentrisch mit dem durchdringenden Loch 20d des Trägers 20 positioniert wird. Eine Isolierschicht aus SiO&sub2; mit einer Dicke von etwa 1 um wird für die elektrische Isolierung an der oberen Oberfläche der Sitzfläche 21 ausgebildet. Weiterhin ist die Oberfläche der Isolierschicht gold(Au)plattiert, und zwar mit einer Dicke von etwa 1 um. Auch die untere Oberfläche der Sitzfläche 21 ist gold(Au)plattiert, um eine Metallschicht zu bilden, und die Sitzfläche wird durch Gold(Au)löten am oberen Anbringungsabschnitt 20c des Trägers 20 angeschweißt und angebracht.
Ein Halbleiterchip 13 wird an der Sitzfläche 21 positioniert und angebracht, um den Druck der Kühlflüssigkeit zu messen. Eine Membran wird am Halbleiter 13 gebildet und ein Halbleiter-Dehnungsmessgerät (beide werden in der Zeichnung nicht gezeigt) an der Membran positioniert. Der Druck des durch das durchdringende Loch 20d des Trägers und das durchdringende Loch 21a der Sitzfläche 21 eingeführten Kühlmittels wird auf die Membran aufgedrückt, und auf der Grundlage des Druckpegels des Kühlmittels wird vom Halbleiter-Dehnungsmessgerät ein elektrisches Signal ausgegeben.
Auch auf der unteren Oberfläche des Halbleiterchips 13 ist eine gold(Au)plattierte Metallschicht mit einer Dicke von etwa 1 um ausgebildet, worin der Halbleiterchip 13 durch Gold(Au)löten an der Sitzfläche 21 angeschweißt und luftdicht angebracht wird.
Am oberen Abschnitt der elektrischen Leiterplatte 14 befindet sich ein Befestigungsabschnitt 14a einer elektrischen Schaltung eines Verstärkungsschaltkreises und dergleichen, und der Befestigungsabschnitt 14a wird elektrisch mittels Drahtbonden 14b mit dem Dehnungsmessgerät des Halbleiterchips 13 verbunden, und das elektrische Signal vom Dehnungsmessgerät des Halbleiterchips 13 wird mittels Drahtbonden 14b zur Verstärkung an den Verstärkungsschaltkreis der elektrischen Leiterplatte 14 übertragen, wobei es mittels des Stiftanschlusses 19 an die Anschlussgliedklemme 17 ausgegeben wird.
Einige andere Verfahren zum Verbinden des Gehäuses 11 und des Fe-Ni-Legierungsträgers 20 sind Verfahren wie beispielsweise Laserschweißung oder Silver- oder Bronzelöten und dergleichen. Im Falle, wo der Träger 20 aus Keramik hergestellt ist, ist weiterhin ein Beispiel für das Verfahren zum Verbinden des Gehäuses 11 und des Keramikträgers die Anbringung eines aus einer Fe-Ni-Legierung gemachten Verbindungsaufsatzes zwischen dem Gehäuse 11 und dem Keramikträger 20, und die Verbindung zwischen jeweils dem Gehäuse 11, dem Keramikträger, 20, der Verbindungslücke und der Sitzfläche 21 kann erreicht werden, indem durch Goldplattierung am Verbindungsabschnitt eines jeden Glieds eine Metallschicht gebildet und die Metallschicht durch Gold(Au)löten angeschweißt wird.
Jedoch ist es selbst mittels der vorgeschlagenen Verfahren erforderlich, die zuverlässige Verbindung zwischen der vorspringenden Manschette 20b des Trägers 20 und der flachen Unterseite 11e des trichterartigen Stützabschnitts 11b des Gehäuses 11 zu bestätigen und einen ringförmigen Schweißabschnitt zu bilden, um den Bereich zwischen der Öffnung 11d und dem Zwischenraum innerhalb des trichterartigen Stützabschnitts 11b vollständig abzudichten. Jedoch ist es schwierig, mittels einer elektrischen Widerstandsschweißung einen Verbindungsabschnitt, der eine geschlossene Ringform hat, mit einer derartigen, weiten Kontaktfläche zu bilden, und es kann ein Problem wie beispielsweise das Abtragen des Verbindungsabschnitts auftreten, wenn er über eine lange Zeitspanne verwendet wird.
Ein Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem US-A-4 675 643 bekannt.
JP-A-59 119 230 beschreibt ein druckempfindliches Halbleiterelement und einen Sockel, die luftdicht durch eine Dichtungsschicht aneinander gefügt werden. Eine weitere Dichtungsschicht fügt sich an den Sockel mit einer aus Keramik hergestellten Isolierschicht, wobei die Keramikisolierschicht wiederum von einer im Wandlerhalter gehaltenen Säule gehalten wird.
US-A-4 019 388 beschreibt eine Laminierungsstruktur aus einer Chromschicht, einer dünnen Goldschicht, einem Dichtungsring, einer Goldschicht und einer Chromschicht. Der Trägerabschnitt des bekannten Aufbaus wird mit einem Kupferlöten oder eutektischem Lötmetall am Gehäuse angebracht.
US-A-5 515 732 beschreibt einen kapazitiven Sensor mit einem spannungsisolierenden Sockel.
US-A-5 477 738 beschreibt einen Differential-Drucksensor mit einer dünnen, unbeweglichen Basis und einem Gehäuse. In einigen Ausführungsformen des US-A-5 477 738 (s. insbesondere die Fig. 7A, 7B, 9A und 9B) wird auf eine Argonbogenschweißung oder Plasmaschweißung Bezug genommen, um die Basis mit dem Mantel einer zylindrischen Bohrung im Gehäuse zusammenzufügen.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die obigen Probleme und zielt auf die Bereitstellung eines Drucksensors ab, der ein Druckabtastelement eines Halbleiterchips umfasst, der aus einer Mehrzahl von Widerständen an einer Halbleiterplatte gebildet ist, wobei eine Struktur zum festen und luftdichten Befestigen des Druckabtastelements im Gehäuse eingeschlossen wird, und zielt auch auf die Bereitstellung eines Aufbaus zum Positionieren des Druckabtastelements und der Rechenschaltkreis in derselben Umgebung, um die Messgenauigkeit zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Um die oben genannte Aufgabe zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Drucksensor wie in Anspruch 1 definiert bereit.
Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 definiert.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung den oben gekennzeichneten Drucksensor bereit, worin das Druckabtastelement luftdicht an der oberen Oberfläche des Druckabtastelement- Anbringungsglieds der Sitzfläche angebracht wird, wobei das Druckabtastelement-Anbringungsglied und das Trägerverbindungsglied der Sitzfläche luftdicht aneinander angebracht, das Trägerverbindungsglied der Sitzfläche luftdicht am Träger und der Träger luftdicht am Vorsprung angebracht werden, der am Bodenabschnitt im inneren Bereich des Gehäuses ausgebildet ist.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung den oben gekennzeichneten Drucksensor bereit, worin die Anbringung des Druckabtastelements und des Druckabtastelement-Anbringungsglieds und die Anbringung des Druckabtastelement-Anbringungsglieds und des Trägerverbindungsglieds durch eine Anodenverbindung (FAB- Verbindung) durchgeführt wird.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung noch den oben gekennzeichneten Drucksensor bereit, worin eine goldplattierte Schicht zumindest auf dem Abschnitt des Trägers ausgebildet wird, der dem Trägerverbindungsglied gegenüberliegt, und eine goldplattierte Schicht zumindest auf dem Abschnitt des dem Träger gegenüberliegenden Trägerverbindungsglieds ausgebildet ist, und worin das Anschweißen des Trägers mit dem Trägerverbindungsglied durch eine Gold- und Siliziumlegierung durchgeführt wird, die durch das Zuführen von Hitze gebildet wird.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung den oben gekennzeichneten Drucksensor bereit, worin das Druckabtastelement-Anbringungsglied der Sitzfläche aus Glas ausgebildet wird, wobei das Trägerverbindungsglied aus Silizium oder einer Siliziumlegierung gebildet wird und der Träger aus einer 42- Legierung gebildet wird.
Die vorliegende Erfindung stellt den oben gekennzeichneten Drucksensor bereit, worin das Druckabtastelement einen dünnen Membranabschnitt umfasst, der im Mittelbereich der Halbleiterplatte ausgebildet wird, und einen dicken Abschnitt, der am Außenrandbereich davon ausgebildet wird und gegen eine Verformung widerstandsfähig ist, und auf dem Membranabschnitt im Mittelbereich wird ein Druckabtastabschnitt angebracht, der eine Mehrzahl an Widerständen als einen Piezo-Widerstand aufweist, und auf dem dicken Abschnitt im Außenrandbereich wird ein Rechenabschnitt angebracht, der durch ein Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise gebildet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen
ist Fig. 1 eine senkrechte Querschnittsansicht, die den Aufbau des Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
ist Fig. 2 ein Schaltkreisdiagramm, das den allgemeinen Schaltkreis des Druckabtastelements des Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
ist Fig. 3 eine senkrechte Querschnittsansicht, die den Aufbau des Drucksensors gemäß dem Stand der Technik zeigt.

Detaillierte Beschreibung

Die bevorzugte Ausführungsform des Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung wird hiernach unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erörtert.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des Drucksensors 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Drucksensor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung schließt einen äußeren Abschnitt ein, der ein aus einem Metallmaterial hergestelltes Gehäuse 11 und ein mit dem Gehäuse 11 verbundenes elektrisches Anschlussglied 12 umfasst. Im durch das Gehäuse 11 und das elektrische Anschlussglied 12 gebildeten inneren Bereich werden ein Halbleiterchip 13, der auf einer Halbleiterplatte ein Druckabtastelement ausbildet, das ein durch das Aufstellen einer Mehrzahl an Widerständen gebildetes Piezo-Element in einem Brückenzustand ausbildet, eine Verstärkungsschaltung zur Verstärkung der Ausgabe der Druckabtastvorrichtung, eine Rechenschaltung zum Berechnen der Umwandlung der Ausgabe aus der Druckabtastvorrichtung usw., und eine elektrische Leiterplatte (Leiterplatte) 14, die eine vorbestimmte Außenseiten-Schaltung anbringt, positioniert.
Das Gehäuse 11 wird aus einem Metall wie beispielsweise Eisen (Fe) oder rostfreien Stahl (SUS) ausgebildet, wobei es an seinem unteren Abschnitt eine röhrenförmige Schraube 11c, die ein Kühlflüssigkeit-Einführungsloch 11d aufweist, und an seinem oberen Abschnitt ein aufnehmendes offenes Rohr 11a umfasst, und weiterhin an seinem mittleren Innenabschnitt einen trichterartigen Stützabschnitt 11b umfasst, und wobei der trichterartige Stützabschnitt 11b an seinem unteren Abschnitt einen flachen Boden 11e einschließt.
Weiterhin ist an der Unterseite 11e ein bankartiger Vorsprung 11g, der eine vorbestimmte Höhe hat, in einer kreisförmigen oder rechteckigen Form ausgebildet, um den Außenrand des Flüssigkeitseinführungslochs 11d zu umgeben.
Das elektrische Anschlussglied 12 wird durch ein elektrisch isolierendes Material aus Kunstharz wie beispielsweise mit Glas verstärktes Polybutylen-terephthalat gebildet, wobei es am oberen Abschnitt ein Führungsrohr 12b für das Anfügen und Trennen eines Anschlussglieds und am unteren Abschnitt ein Erweiterungspassrohr 12a umfasst. Im Inneren des elektrischen Anschlussglieds 12 werden eine Mehrzahl an Anschlussgliedklemmen 17 angebracht, die aus dem inneren Bereich des Führungsrohrs 12b in den inneren Bereich des Erweiterungspassrohrs 12a dringen.
Die elektrische Leiterplatte 14 wird so aufgestellt, dass sie in einen inneren Ringabschnitt 11f des empfangenden offenen Rohrs 11a des Gehäuses 11 passt, und für das Wasserdicht-Machen und Tragen der Platte 14, die im Ringabschnitt 11f eingepasst ist, wird ein O-Ring 15 an der elektrischen Leiterplatte 14 positioniert. Das Passrohr 12a des elektrischen Anschlussglieds 12 passt in das obere Ende des empfangenden offenen Rohrs 11a des Gehäuses 11, und in einem Zustand, wo ein unterer, schräger Abschnitt 12c des Passrohrs 12a des elektrischen Anschlussglieds 12 die elektrische Leiterplatte 14 durch den O-Ring 15 drückt, hält ein offener Außenrandabschnitt 11a' am Ende des aufnehmenden offenen Rohrs 11a des Gehäuses 11 einen Schulterabschnitt 12d des Erweiterungspassrohrs 12a des elektrischen Anschlussglieds überlappend. Durch ein solches Verfahren werden das Gehäuse 11 und das elektrische Anschlussglied 12 aneinander gepasst und miteinander verbunden, und die elektrische Leiterplatte 14 wird innerhalb des durch das Gehäuse und das elektrische Anschlussglied gebildeten inneren Bereichs angebracht und fest gehalten.
Eine leitende Muffe 18 wird mittels Punkschweißung und dergleichen mit einem unteren, gewinkelten Ende 17a der Anschlussklemme 17 verbunden und daran angebracht, und an der verbindenden leitenden Muffe 18 wird ein oberer Abschnitt 19b eines Stiftanschlusses 19 gesteckt, und ein unterer Abschnitt 19a des Stiftanschlusses 19 wird durch Löten oder dergleichen an ein in der Zeichnung nicht gezeigten Elektrodenverlängerungsleitung angebracht, die an der elektrischen Leiterplatte 14 ausgebildet ist. Der Stiftanschluss 19 überträgt elektrische Signale von der elektrischen Leiterplatte an die Anschlussklemme 17.
Ein Träger 20, der durch eine Eisen-Nickel(Fe-Ni)-Legierung wie beispielsweise der 42-Legierung gebildet wird, wird als kreisförmige, flache Platte einer vorbestimmten Dicke ausgebildet, wobei ein oberer Anbringungsabschnitt 20c eine Sitzfläche 21 aussetzt und ein durchdringendes Loch 20d in der Mitte davon als Flüssigkeitsweg arbeitet, wobei eine gold (Au)plattierte Schicht, die etwa 1 um dick ist, zumindest auf der der Sitzfläche 21 gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet ist.
Der Träger 20 wird durch eine elektrische Widerstandsschweißung (Schweißbuckel) A an den Vorsprung 11g angeschweißt und luftdicht angebracht, der auf einem ebenen Bodenabschnitt 11e am unteren Abschnitt des trichterartigen Stützabschnitts 11b im inneren Bereich des Gehäuses 11 angebracht ist.
Die Sitzfläche 21 wird am oberen Anbringungsabschnitt 21 des Trägers 20 angeschweißt und luftdicht angebracht.
Die Sitzfläche 21 wird als Glas-Silizium-Sitzfläche gebildet, und zwar durch ein aus Glas ausgebildetes Druckabtastelement-Anbringungsglied 21-1 und ein aus Silizium (Si) ausgebildetes Trägerverbindungsglied 21-2, und das Glasanbringungsglied 21-1 und das Trägerverbindungsglied 21-2 werden durch eine Anodenverbindung (FAB-Verbindung) verbunden. Jedes der obigen Glieder wird mit einem durchdringenden Loch 21a ausgestattet - wie es mit dem Träger 20 der Fall ist - zur Führung einer Flüssigkeit in der oberen und unteren Richtung ist, das mit dem durchdringenden Loch 20d des Trägers 20 konzentrisch ist, und wobei das durchdringende Loch 21a mit einem Flüssigkeitseinführungsloch 11d verbunden ist.
Am Abschnitt der unteren Oberfläche des Trägerverbindungsglieds 21-2 der dem Träger 20 gegenüberliegenden Sitzfläche 21 befindet sich eine gold(Au)plattierte, etwa 1 um dicke Schicht, die durch Goldzerstäubung gebildet wird.
Indem zwischen den oberen Anbringungsabschnitt 20c des Trägers 20 und der unteren Oberfläche des Trägerverbindungsglieds 21-2 ein Gold-Silizium(Au-Si)-Lötmittel positioniert und dieselben erhitzt werden, werden die zwei Glieder durch eine Gold-Silizium(Au-Si)-Verbindung, die eine Legierung aus Gold (Au) und Silizium (Si) bildet, verschweißt und luftdicht angebracht.
Ein Druckabtastglied 13 wird an der oberen Oberfläche des Druckabtastelement-Anbtingungsglieds 21-1 der Sitzfläche 21 angebracht, die durch eine Anodenverbindung (FAB-Verbindung) luftdicht zusammengeschweißt werden.
Eine Membran wird am Druckabtastelement 13 ausgebildet, die einen Halbleiterchip darstellt, indem ein dünner Abschnitt in der Mitte der unteren Oberfläche der Halbleiterplatte erzeugt wird, und an der oberen Oberfläche der Membran wird ein Dehnungsmessgerät angebracht, indem eine Mehrzahl an Widerständen in einer Brückenausbildung als Piezo-Widerstandselemente ausgebildet werden, wobei der Druck des Kühlmittels durch das durchdringende Loch 20d des Trägers 20 und das durchdringende Loch 21a der Sitzfläche 21 auf die Membran beaufschlagt wird, was die Ausgabe elektrischer Signale ermöglicht, die dem Druck des Kühlmittels aus dem Dehnungsmessgerät entsprechen.
Weiterhin werden im Druckabtastelement 13 elektrische Schaltungen wie beispielsweise eine Verstärkungsschaltung zum Verstärken der Ausgabe aus dem Dehnungsmessgerät oder eine Rechenschaltung durch ein Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise an der oberen Oberfläche davon im dicken Abschnitt, der keinen Druckeinfluss empfängt, angebracht, und nicht im Membranabschnitt.
Ein vorbestimmter äußerer elektrischer Schaltkreis wird an der elektrischen Leiterplatte 14 angebracht, und die Platte 14 und der Halbleiterchip 13 werden elektrisch durch Drahtbonden 14b verbunden. Das elektrische Signal aus dem Halbleiterchip 13 wird durch die Drahtbonden an die elektrische Leiterplatte 14 übertragen und weiterhin mittels eines Stiftanschlusses 19 an eine Anschlussklemme 17 ausgegeben.
Ein feuchtigkeitsfestes Siliziummittel könnte als feuchtigkeitsfestes Gel auf die Oberfläche des Halbleiterchips 13 und die Druckplatte 14 aufgetragen werden.
Das Gehäuse 11 und der Träger 20 werden durch das Anbringen des Trägers 20 an den Vorsprung 11g und das Durchführen einer elektrischen Widerstandsschweißung miteinander verbunden; so konzentriert sich der Strom am Vorsprung 11g, was das Verschweißen des gesamten Umfangs der oberen Oberfläche des Vorsprungs 11g ermöglicht und für eine hochwertige Schweißung sorgt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird allgemein der in der Fig. 1 gezeigte Schaltungsaufbau des Halbleiterchips (der durch die gestrichelten Linien aus der Fig. 2 umgebene Abschnitt) erörtert.
Ein Dehnungsmessgerät 131, das sich aus vier Brückenverbundenen Piezo-Widerständen zusammensetzt, wird an der oberen Oberfläche des Membranabschnitts der Halbleiterplatte angebracht, und eine Verstärkungsschaltung, die Rechenverstärker 132, 133, 134 und Widerstände 135, 136, 137, 138 umfasst, wird an der oberen Oberfläche des dicken Abschnitts, das keinem Druckeinfluss unterliegt, und nicht auf dem Membranabschnitt des Halbleitersubstrats, angebracht.
Variable Widerstände R1 und R2 sind Spannungseinstellungswiderstände für die Offset-Einstellung am Schaltkreis, was die Einstellung des Offsets an der Schaltung ermöglicht, indem ein bekannter Druck an das Druckabtastelement hinzugegeben wird, und indem mittels der Verwendung eines Lasers ein Abgleichen des Widerstandswertes des variablen Widerstands R1 durchgeführt wird, während seine Ausgabe beobachtet wird. Ein variableer Widerstand R3 ist ein Verstärkungseinstellungswiderstand, der die Einstellung der Verstärkung der Verstärkungsschaltung ermöglicht, indem ein bekannter Druck an das Druckabtastelement gegeben wird, und indem am Widerstandswert des variablen Widerstands R3 durch die Verwendung eines Laser ein Abgleichen durchgeführt wird, während seine Ausgabe beobachtet wird. Ein Widerstand R4 ist ein Rückkopplungswiderstand des Rechenverstärkers 134. Diese Widerstände werden an der elektrischen Leiterplatte 14 angebracht.
Weiterhin kennzeichnet Vcc eine Stromspannung, Vout eine Ausgangsklemme und GND eine Erdklemme.
Wie oben erläutert, wird durch das Anbringen des Abtastelements und des Verstärkers auf demselben Chip die Temperatur beider elektrischen Schaltungen auf dieselbe Art und Weise variiert, was einen einfacheren Temperaturausgleich und eine verbesserte Messgenauigkeit ermöglicht. Indem weiterhin das Druckabtastelement und die Verstärkungsschaltung durch ein Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise auf demselben Chip ausgebildet werden, könnte der Drucksensor miniaturisiert und die Herstellungsschritte vereinfacht werden.
Da weiterhin die Sitzfläche 21 aus einem aus Glas hergestellten Druckabtastelement-Anbringungsglied 21-1 und einem aus Silizium hergestellten Trägerverbindungsglied 21-2 ausgebildet wird, könnte zwischen dem Gehäuse 11 und dem Druckabtastelement 13 eine zuverlässige elektrische Isolierung erzielt werden.
Wie oben erörtert, könnte durch die vorliegende Erfindung ein Drucksensor hoher Zuverlässigkeit gewonnen werden, der über eine sichere, luftdichte Verbindung zwischen der Sitzfläche für die Anbringung des Druckabtastelements und des Trägers und des Gehäuses verfügt, was den einfachen Aufbau aller Glieder des Drucksensors ermöglicht.
Wenn in irgendeinem der Ansprüche erwähnte technische Merkmale mit einem Bezugszeichen versehen sind, wurden diese Bezugszeichen lediglich eingeschlossen, um die Verständlichkeit der Ansprüche zu erhöhen. Entsprechend haben diese Bezugszeichen keine einschränkende Auswirkung auf den Schutzumfang eines jeden Elements, das exemplarisch durch solche Bezugszeichen bezeichnet wird.

Claims

1. Ein Drucksensor (10), der folgendes umfasst:

ein Gehäuse (11), das aus einem Metallmaterial hergestellt ist;

ein elektrisches Anschlussglied (12), das am Gehäuse (11) passt und damit verbunden ist; und

ein Druckabtastelement (13), das an einer Halbleiterplatte angebracht ist, die für die Druckabtastung im Inneren des Gehäuses (11) positioniert wird,

wobei das Gehäuse (11) ein Flüssigkeitseinführungsloch (11d) umfasst, wobei ein innerer Bereich (11b, 11e) mit dem Flüssigkeitseinführungsloch (11d) verbunden ist, und über eine Öffnung in einem oberen Abschnitt verfügt; und

wobei das Druckabtastelement (13) mittels eines Sitzes (21), der ein Druckabtastelement-Anbringungsglied (21-1) und ein Trägerverbindungsglied (21-2) umfasst, und der über eine Öffnung (21a) in der Mitte davon verfügt, am Gehäuse (11) angebracht ist und wobei ein Träger (20) in der Mitte davon eine Öffnung (20d) hat,

dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Vorsprung (11g) ausgebildet ist, um den Außenrand einer Öffnung des Flüssigkeitseinführungsloches (11d) an einem unteren Abschnitt (11e) des inneren Bereichs (11b, 11e) zu umgeben, wobei der Träger (20) mithilfe einer elektrischen Widerstandsschweißnaht (A) luftdicht am ringförmigen Vorsprung (11g) angebracht wird.

2. Der Drucksensor (10) nach Anspruch 1, wobei das Anbringen des Druckabtastelements (13) und des Druckabtaselement- Anbringungsglieds (21-1), und wobei das Anbringen des Druckabtastelement-Anbringungsglieds (21-1) und des Trägerverbindungsglieds (21-2) durch eine Anodenverbindungsschweißnaht (FAB-Verbindung) durchgeführt wird.

3. Der Drucksensor (10) nach Anspruch 1, wobei auf zumindest einem Abschnitt des Trägers (20), der dem Trägerverbindungsglied (21-2) gegenüberliegt, eine goldplattierte Schicht gebildet wird, und wobei auf zumindest einem Abschnitt des dem Träger (20) gegenüberliegenden Trägerverbindungsglieds (21-2) eine goldplattierte Schicht ausgebildet ist, und wobei die Schweißnaht des Trägers (20) und des Trägerverbindungsglieds (21-2) durch eine Gold- und Siliziumlegierung, die durch Hitzezufuhr gebildet wird, durchgeführt wird.

4. Der Drucksensor (10) nach Anspruch 1, wobei das Druckabtastelement-Anbringungsglied (21-1) des Sitzes (21) aus Glas ausgebildet wird, das Trägerverbindungsglied (21-2) aus Silizium oder aus einer Siliziumlegierung ausgebildet wird, und der Träger (20) aus einer 42-Legierung ausgebildet wird.

5. Der Drucksensor (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, wobei das Druckabtastelement (13) einen dünnen Membranabschnitt, der im mittleren Bereich der Halbleiterplatte ausgebildet ist, und einen dicken Abschnitt umfasst, der am Außenrandbereich davon ausgebildet ist und der einer Verformung standhält, und wobei ein Druckabtastabschnitt (131), der eine Mehrzahl an Widerständen hat, am Membranabschnitt im mittleren Bereich angebracht ist, und wobei ein Rechenabschnitt (132-138), der durch ein Herstellungsverfahren einer integrierte Schaltung gebildet wird, am dicken Abschnitt im Außenrandbereich angebracht ist.

6. Der Drucksensor (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, wobei das Druckabtastelement (13) einen dünnen Membranabschnitt, der im mittleren Bereich der Halbleiterplatte ausgebildet ist, und einen dicken Abschnitt umfasst, der am Außenrandbereich davon ausgebildet ist und der einer Verformung standhält, und wobei ein Druckabtastabschnitt (131), der einen Piezo-Widerstand hat, am Membranabschnitt im mittleren Bereich angebracht ist, und wobei ein Rechenabschnitt (132-138), der durch ein Herstellungsverfahren einer integrierten Schaltung gebildet wird, am dicken Abschnitt im Außenrandbereich angebracht ist.

7. Der Drucksensor (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei die Oberfläche des Vorsprungs (11g), die dem Träger (20) gegenüberliegt, im wesentlichen eben ist.

6. Der Drucksensor (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, wobei der Vorsprung (11g) eine bankartige Form hat.