EP2959281A1 - Drucksensorsystem - Google Patents

Drucksensorsystem

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Publication number
EP2959281A1
EP2959281A1 EP14700924.5A EP14700924A EP2959281A1 EP 2959281 A1 EP2959281 A1 EP 2959281A1 EP 14700924 A EP14700924 A EP 14700924A EP 2959281 A1 EP2959281 A1 EP 2959281A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure sensor
housing body
sensor system
sensor chip
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14700924.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Ihle
Andreas Peschka
Bert HUNDERTMARK
Benjamin Bohl
Bernhard Ostrick
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Priority to EP16194858.3A priority Critical patent/EP3144656A1/de
Publication of EP2959281A1 publication Critical patent/EP2959281A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
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    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/141—Monolithic housings, e.g. molded or one-piece housings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B35/18—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silicates other than clay rich in aluminium oxide
    • C04B35/185—Mullite 3Al2O3-2SiO2
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    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched

Definitions

  • Pressure Sensor System A pressure sensor system with a pressure sensor chip is specified.
  • Housings for example made of plastics or made of
  • Solder contacts, plug contacts and / or cable feeds integrated in the housings are soldered to the housings. Suitable seals such as
  • Adhesive bonds between the system components are a weak point in terms of long-term stability.
  • Plastic housings are also incompatible with
  • At least one object of certain embodiments is to provide a pressure sensor system with a pressure sensor chip in a housing. This object is achieved by an article according to the
  • Pressure sensor system in particular a ceramic encapsulated pressure sensor system provided.
  • the housing body is made of a ceramic material
  • the ceramic is manufactured, which is formed in three dimensions and monolithic.
  • the ceramic is formed in three dimensions and monolithic.
  • the ceramic is formed in three dimensions and monolithic.
  • the ceramic is formed in three dimensions and monolithic.
  • Housing body also has a pressure supply, which is guided to the pressure sensor chip and thus connects the pressure sensor chip with the pressure to be measured.
  • the housing body is not formed by a flat ceramic support, so for example by a
  • Ceramic substrate in the form of a ceramic plate, but has a non-planar three-dimensional surface topography on the mounting side on which the sensor chip is mounted.
  • the ceramic body on the side on which the pressure sensor chip is applied ie on the side with the mounting receptacle, a three-dimensional
  • Monolithically formed means here and below that the housing body is not made of a composite of several prefabricated ceramic parts, but is formed by a single integrally formed ceramic body, in its three-dimensional shape to the requirements of
  • Pressure sensor system is adjusted. This may in particular also mean that the housing body not only with a
  • Pressure supply but also with one or more other mounting receptacles for other pressure sensor chips and / or for other electronic components such as
  • Fasteners such as surveys or Depressions in the form of locking lugs or
  • Anchoring structures is formed.
  • the housing body is that component of the pressure sensor system on which the pressure sensor chip and
  • a signal processing electronics are mounted. Mounted means here and below that the
  • Pressure sensor chip and possibly other electronic components directly which each one by means
  • Connecting material are mounted on correspondingly provided mounting receptacles of the housing body.
  • Housing body can continue to be the only component
  • the ceramic housing body forms a ceramic packaging or a ceramic encapsulation for the pressure sensor chip, so that the pressure sensor system described here can be used especially at high application temperatures and in particularly aggressive media and gases.
  • Housing body can also be very complex, to
  • Housing designs can be produced precisely and reproducibly with a high mechanical strength.
  • Ceramic material of the housing body a thermal
  • Expansion coefficient which deviates in a temperature range of greater than or equal to -40 ° C and less than or equal to 150 ° C by less than 30% of the thermal expansion coefficient of the pressure sensor chip.
  • housing body adapted to the thermal expansion coefficient of the pressure sensor chip.
  • the thermal expansion coefficients of the housing body and of the pressure sensor chip can also be adapted to one another and deviate from one another by less than 30% even in a temperature range of greater than or equal to -50 ° C. and less than or equal to 200 ° C. The smaller the difference between the
  • Expansion coefficients differ by less than 20% and preferably by less than 10%.
  • the pressure sensor system described here is thus characterized in particular by the fact that the thermal Expansion coefficient of the housing body is adapted to the thermal expansion coefficient of the pressure sensor chip.
  • the pressure sensor chip is more capacitive as a piezoresistive silicon pressure sensor
  • Thin film based pressure sensor based on metal or ceramic bending plates or designed as inductive pressure sensor.
  • the pressure sensor chip can
  • Silicon based pressure sensor chip be.
  • Expansion coefficients which is in the range of the material of the pressure sensor chip, so for example silicon, can be greatly reduced or even completely avoided thermally induced mechanical stresses that can lead to a distortion of the pressure sensor signal.
  • Ceramic material mullite so aluminum silicate, on. Furthermore, it may also be possible that the ceramic material of
  • Housing body comprises alumina, zirconia, aluminum nitride, silicon carbide or silicon nitride.
  • the ceramic housing body may also be a combination of said
  • Housing body also consist of one or more of said ceramic materials.
  • each of the mounting receptacles of the ceramic housing body can be recessed or alternatively made increased.
  • the signal processing chip may be provided and configured to detect and further process an electrical signal of the pressure sensor chip so that a pressure measurement signal can be output via electrical connections of the pressure sensor system.
  • the signal processing chip can be designed, for example, as an integrated circuit in the form of a single chip or also in the form of a plurality of electronic components, which are mounted, for example, in thick-film technology.
  • An electrical connection between the pressure sensor chip and the signal processing chip may be provided by conductor tracks on and / or in the housing body and / or by bonding wire connections.
  • the housing body has a pressure port, wherein the pressure supply from
  • Pressure connection may be cylindrical or conical and continue to be executed with a thread, a bayonet closure part or a toothing.
  • a connecting material can be used for attachment and sealing of the pressure sensor chip.
  • that can Connecting material allow a direct mounting of the pressure sensor chip on the housing body.
  • the pressure sensor chip is mounted directly on the mounting receptacle of the ceramic housing body by means of a flexible connecting material.
  • the flexible connection material can be formed in particular by a silicone adhesive.
  • the rigid connecting material can be formed, for example, by an epoxy resin adhesive or more preferably by a glass solder or a metallic solder.
  • Bonded solder in particular a glass solder connection, can only be used if materials similar to those for the pressure sensor chip and the ceramic housing body
  • coefficient of thermal expansion can be used in the case of a silicon-based sensor chip so for the
  • Housing body materials as preferred mullite or
  • Requirement can be adjusted, and in particular freely configurable geometries of the ceramic housing body possible, for example, for forming the integrated one or more mounting receptacles for the pressure sensor chip and optionally for the signal processing chip and
  • the pressure connection Due to the adaptable housing shape with the cavities or elevations for accommodating the pressure sensor and evaluation chips, different chips can be used. Furthermore is also a
  • Feedstock which is a structural ceramic powder
  • Silicon nitride powder or silicon carbide powder, and an organic binder comprises or consists of injected into a corresponding mold.
  • a green body produced in this way is subsequently used extensively in a debinding process, which may be two-stage (aqueous, thermal or catalytic) or one-stage (thermal only)
  • Housing dimensions which allow a simple and standardized assembly without additional system elements with low thermal expansion, a very high mechanical and chemical robustness and an extreme long-term stability.
  • a produced via ceramic injection molding ceramic body is used to form the finished
  • Sinteradditivanteil example at 1500 ° C to 1750 ° C and preferably at 1600 ° C to 1750 ° C in air.
  • Pressure sensor system electrical connections for electrical connection of at least the pressure sensor chip on. Furthermore, the electrical connections can form the external connection of the pressure sensor system.
  • the electrical connections can be formed on and / or in the ceramic housing body and have one or more of the following elements: conductor tracks, wiring supports, metallic vias,
  • the electrical connections can, for example
  • Mounting receptacle for the pressure sensor chip is located, partially planar executed, so that means
  • parts of the electrical connections may be passed through the ceramic housing in the form of vias in order to electrically connect mutually attached conductor tracks to one another.
  • Wiring carrier or be designed as such or have a combination of a directly applied thick or thin layer metallization with a wiring carrier or consist thereof.
  • the wiring carrier can be electrically contacted externally, for example via solder joints.
  • the wiring carrier may be a rigid or flexible
  • Printed circuit board a lead frame or a
  • ceramic body can be made by snapping, crimping or clamping into appropriate structures
  • Basic body done. Furthermore, an attachment of the wiring substrate via direct soldering, for example, soft soldering, brazing, glass soldering, active soldering, or gluing to the base body and / or carried on strip conductors.
  • direct soldering for example, soft soldering, brazing, glass soldering, active soldering, or gluing to the base body and / or carried on strip conductors.
  • the pressure sensor chip may be connected to the electrical connections and / or to a signal processing chip, for example by means of bonding wires or by direct mounting on
  • Conductors be electrically connected.
  • the lid may, for example, plastic, metal or a
  • Wiring carrier which may form at least a portion of the electrical connections, recesses through which engage the parts of the housing body and / or the lid or reach through to lock the wiring board or fasten.
  • the housing body has recesses into which engage or engage through corresponding parts of the cover and / or a wiring carrier which forms at least part of the electrical connections, such that a mechanical locking device for fastening the cover and / or the wiring support is formed.
  • the lid may alternatively also on the housing body
  • the pressure sensor chip and / or a signal processing chip is at least partially covered with a polymer potting.
  • Pressure sensor chip be electrically contacted by means of bonding wire connections, which are covered with the Polymerverguss.
  • the polymer potting may additionally or alternatively cover parts of the housing body or the electrical connections. In particular, the polymer potting a protection of
  • the polymer potting may form a cover which forms at least part of an outside of the
  • Pressure sensor system forms. Alternatively, the
  • Polymer Verguss be arranged under a lid.
  • the polymer potting can continue to be arranged, for example, spaced from the lid.
  • the lid may have a recess in which the pressure sensor chip
  • Pressure sensor system a plurality of pressure sensor chips on mounting receptacles of the ceramic housing body.
  • Pressure sensor system includes the following components:
  • Housing body is connected, and
  • Pressure sensor system additionally one or more of the following components:
  • At least one signal processing chip which is arranged on at least one mounting receptacle of the housing body and which is preferably connected directly to the housing body,
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figures 2A to 2G are schematic representations of
  • FIGS. 3A to 3F are schematic representations of
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale, but rather individual elements, such as layers, components, components and areas may be exaggerated in size for ease of illustration and / or understanding.
  • FIG. 1 shows a pressure sensor system according to FIG.
  • Embodiment shown having a pressure sensor chip 1, which is mounted on a mounting receptacle 20 of a ceramic housing body 2.
  • the mounting receptacle 20 is through a recess of the housing body 2 on a
  • mounting side of the housing body 2 is formed.
  • the mounting receptacle 20 may be formed, for example, as a survey instead of a depression.
  • a pressure port 21 may be provided, as shown in Figure 1, which may be cylindrical or conical and, for example, a thread, a part of a
  • Bayonet or teeth may have.
  • the pressure sensor chip 1 can, for example, as
  • silicon-based pressure sensor chip such as piezoresistive silicon pressure sensor. Weitehrin can the
  • Pressure sensor chip 1 also as capacitive ceramic pressure sensor, piezoresistive thick or thin layer based pressure sensor be formed on the basis of metallic or ceramic bending plates or as an inductive pressure sensor.
  • the housing body 2 is formed in three dimensions and is monolithic. In particular, to produce the ceramic housing body 2, a green body is produced which already has the shape of the final housing body 2
  • the shape of the housing body 2 according to the representation in FIG. 1 is to be understood purely as an example and may be further
  • the ceramic housing body 2 a is formed from the ceramic housing body 2 a.
  • the thermal Expansion coefficient of the pressure sensor chip 1 is adjusted. This means in particular that the thermal
  • Housing body 2 by less than 30%, preferably less than 20% and more preferably less than 10%
  • Expansion coefficients in a temperature range of greater than or equal to -40 ° C and less than or equal to 150 ° C and preferably in a temperature range of greater than or equal to -50 ° C and less than or equal to 200 ° C be adapted to each other. This can ensure that at
  • Expansion coefficients which is in the region of the pressure sensor chip 1, so for example in the range of silicon, which can be used as a basic chip material of the sensor chip 1, are advantageously thermally
  • a rigid connecting material 3 for example an epoxy resin adhesive, a glass solder or a metallic solder, can be used with particular preference.
  • a rigid connecting material 3 for example an epoxy resin adhesive, a glass solder or a metallic solder
  • Housing body 2 by means of a glass solder or a
  • Pressure sensor shown in addition to the pressure sensor chip 1 on the housing body 2 a signal processing chip 7 on another mounting receptacle 20 of the ceramic
  • the pressure sensor system may also include a plurality of
  • Pressure sensor chips 1 and / or signal processing chips 7 have.
  • Signal processing chip 7 are each mounted directly on the housing body 2 by means of a connecting material, not shown in the following figures for the sake of clarity, as described in connection with FIG. 1 and in the general part. Furthermore, the pressure sensor system shown in connection with FIGS. 2A to 2G has electrical connections 4, a polymer potting 5 and a cover 6.
  • Figures 2A and 2B show the pressure sensor system in a closed state by means of the lid 6 from the top and the bottom, while the figure 2C a
  • FIG. 2F shows a detailed view of such a device
  • the pressure sensor system has parts of a wiring carrier 41, printed conductors 42,
  • the pressure sensor chip 1 can be electrically conductively connected to the signal processing chip 7, and furthermore an external electrical connection of the pressure sensor system can be provided.
  • the conductor tracks 42 may, for example, on the ceramic housing body 2 by metallization as
  • Housing body 2 for this purpose at least partially planar running, so that the conductor tracks 42 by means
  • the pressure sensor chip 1 and the signal processing chip 7 are electrically connected to strip conductors 42.
  • the wiring support 41 is provided, the parts of which are soldered by means of solder connections 43 on corresponding contact points of the conductor tracks 42 and from the closed by means of the cover 6 housing body. 2 protrudes so that the pressure sensor system can be electrically connected by soldering the wiring substrate 41.
  • the wiring carrier 41 may, for example, a rigid or flexible circuit board, a stamped grid, so called a leadframe, or at least partially with
  • soldering for example soft soldering
  • Wiring carrier 41 can be mounted on the tracks 42 and further, for example, on parts of the housing body 2, the wiring support 41 can also be attached by gluing. Furthermore, a direct mounting of the wiring substrate 41 on the ceramic housing body 2 by means of snapping, pressing or clamping in corresponding structures of the ceramic body 2 done. Such structures can be made with the above-described method along with the other three-dimensional housing features of the housing body. For example, it is also possible for the wiring support 41 to have recesses through which parts of the ceramic body 2 and / or the cover 6 engage to lock the wiring support 41
  • the lid 6 is used to seal the mounting side of the ceramic base body 2, on which the pressure sensor chip 1 is arranged.
  • the lid 6 may for example
  • the lid 6 is made in particular of a plastic material.
  • the housing body 2 recesses, through the parts of the lid 6 in the form of Engage detent lugs or teeth, so that a mechanical locking 71 of the lid 6 on the
  • Housing body 2 is formed.
  • the cover 6 has a recess which extends over the mounting side of the housing body 2.
  • Recess of the lid 6 is at least on parts of the
  • Housing body 2 a Polymerverguss 5 arranged, which can serve to protect or stabilize the covered areas or elements.
  • the Polymerverguss 5 can be arranged spaced from the cover 6, so that the recess of the lid 6 is not completely filled with the polymer. especially the
  • Bond wire connections can be made with a polymer for
  • Pressure sensor system also have only a Polymerverguss 5 and no lid.
  • the polymer potting 5 can provide protection of the covered parts and components from the environment.
  • the Polymerverguss 5 form a cover which forms at least part of an outer side of the pressure sensor system.
  • FIGS. 3A and 3B again show views of the top side and the bottom side of the pressure sensor system, while FIG. 3C shows a sectional view through FIG.
  • Pressure sensor system is.
  • Figure 3D is the pressure sensor system shown with the lid 6, while in Figure 3E is a detail view of the open pressure sensor system with
  • FIG. 3F shows an exploded view of the pressure sensor system.
  • the pressure sensor system according to the embodiment of Figures 3A to 3F, a housing body 2 with a mounting receptacle 20, which are formed as elevations.
  • a pressure sensor chip 1 is arranged, which are connected via bonding wires 44 to conductor tracks 42, which in turn with a wiring support 41 for
  • Bonded connections on the chip 1 and the printed conductors 42 are each covered with their own polymer encapsulation 5.
  • the wiring substrate 41 and the conductor tracks 42 are arranged on and partially in a plastic housing 8, which is fixed to the housing body 2 by a mechanical lock or by gluing.
  • the cover 6 is fastened with a mechanical detent 71 in the form of toothings on the plastic housing 8, which has corresponding recesses.
  • the plastic housing 8 serves to hold the electrical connections 4, while the monolithically formed housing body 2 together with the direct
  • Pressure sensor system are not on the features shown limited and may have further or alternative features according to the embodiments in the general part.

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Abstract

Es wird ein Drucksensorsystem mit einem Drucksensorchip (1) angegeben, der auf einer Montageaufnahme (20) eines keramischen Gehäusekörpers (2) mit einer zum Drucksensorchip (1) geführten Druckzuführung (22) montiert ist, wobei der Gehäusekörper (2) dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist und durch ein Keramikmaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird, der in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -40 °C und kleiner oder gleich 150°C um weniger als 30% vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips (1) abweicht.

Description

Beschreibung
DrucksensorSystem Es wird ein Drucksensorsystem mit einem Drucksensorchip angegeben .
Ständig steigende Anforderungen an Drucksensoren hinsichtlich der Langzeitbeständigkeit in aggressiven Medien, der
Einsatztemperaturen und der Robustheit erfordern besonders resistente Sensorsysteme, möglichst in Verbindung mit einer integrierten Sensorsignalverarbeitung. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass solche Systeme durch eine kostengünstige Fertigung herstellbar sind und eine reduzierte
Systemkomplexität aufweisen.
Für eine leichte Montage in einer Anwendung, eine
ausreichende mechanische Stabilität und zum Schutz des eigentlichen Drucksensorelements gegen äußere Einflüsse sowie zur Vermeidung von Korrosion durch aggressive Medien erfolgt der Einbau von Drucksensorelementen üblicherweise in
Gehäusen, die beispielsweise aus Kunststoffen oder aus
Materialverbünden von Kunststoff, Keramik, Glas und/oder Metall bestehen. Für den elektrischen Anschluss sind
Lötkontakte, Steckkontakte und/oder Leitungszuführungen in den Gehäusen integriert. Geeignete Abdichtungen solcher
Systeme erfolgen unter Verwendung von Verschweißungen, Loten, Dichtungen, Vergussmaterialien und/oder Klebstoffen. Die druckdichte Verbindung eines Drucksensorelements mit dem Druck zuführenden Teil des Gehäuses erfolgt nach dem Stand der Technik vorwiegend über Dichtringe oder organische Klebstoffe wie beispielsweise Polyurethanharze, Silikone, Epoxydharze oder Mischungen aus diesen.
Sensorsysteme mit Kunststoff- oder Metallgehäusen sind aufgrund von Korrosionserscheinungen in aggressiven Medien nur begrenzt einsetzbar. Insbesondere die organischen
Klebeverbindungen zwischen den Systemkomponenten stellen eine Schwachstelle in Bezug auf die Langzeitbeständigkeit dar. Kunststoffgehäuse sind darüber hinaus inkompatibel zu
alternativen Fügetechnologien wie beispielsweise
Verschweißungen und Lötverbindungen. Deshalb bestehen die meisten Sensorsysteme im Stand der Technik aus
Materialkombinationen, die wiederum zusätzliche Verbindungen erfordern und die Systeme sehr komplex gestalten.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Drucksensorsystem mit einem Drucksensorchip in einem Gehäuse anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein
Drucksensorsystem, insbesondere ein keramisches gekapseltes DrucksensorSystem, bereitgestellt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein
Drucksensorsystem einen Drucksensorchip auf, der auf einer Montageaufnahme eines keramischen Gehäusekörpers montiert ist. Der Gehäusekörper ist aus einem Keramikmaterial
hergestellt, das dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist. Insbesondere weist der keramische
Gehäusekörper weiterhin eine Druckzuführung auf, die zum Drucksensorchip geführt ist und so den Drucksensorchip mit dem zumessenden Druck verbindet.
Dreidimensional ausgeformt bedeutet hier und im Folgenden, dass der Gehäusekörper nicht durch einen flachen keramischen Träger gebildet wird, also beispielsweise durch ein
Keramiksubstrat in Form einer Keramikplatte, sondern eine nicht-ebene dreidimensionale Oberflächentopographie auf der Montageseite aufweist, auf der der Sensorchip montiert ist. Insbesondere weist der Keramikkörper auf der Seite, auf der der Drucksensorchip aufgebracht ist, also auf der Seite mit der Montageaufnahme, eine dreidimensionale
Oberflächenstruktur auf, in der beispielsweise die
Montageaufnahme als Erhebung oder Vertiefung in einer
Montagefläche ausgebildet ist. Monolithisch ausgebildet bedeutet hier und im Folgenden, dass der Gehäusekörper nicht aus einem Verbund mehrerer vorgefertigter Keramikteile hergestellt ist, sondern durch einen einzelnen einstückig ausgebildeten Keramikkörper gebildet wird, der in seiner dreidimensionalen Form an die Anforderungen des
Drucksensorsystems angepasst ist. Das kann insbesondere auch bedeuten, dass der Gehäusekörper nicht nur mit einer
Montageaufnahme für den Drucksensorchip und mit einer
Druckzuführung, sondern auch mit einer oder mehreren weiteren Montageaufnahmen für weitere Drucksensorchips und/oder für andere elektronische Bauteile wie beispielsweise
Signalverarbeitungschips und/oder mit mechanischen
Befestigungsteilen, wie beispielsweise Erhebungen oder Vertiefungen in Form von Rastnasen oder
Verankerungsstrukturen, ausgebildet ist.
Insbesondere ist der Gehäusekörper dasjenige Bauteil des Drucksensorsystems, auf dem der Drucksensorchip sowie
gegebenenfalls weitere elektronische Komponenten wie
beispielsweise eine Signalverarbeitungselektronik montiert sind. Montiert bedeutet hier und im Folgenden, dass der
Drucksensorchip sowie gegebenenfalls weitere elektronische Komponenten direkt, das bedeutet jeweils mittels einem
Verbindungsmaterial, auf entsprechend dafür vorgesehenen Montageaufnahmen des Gehäusekörpers befestigt sind. Der
Gehäusekörper kann weiterhin das einzige Bauteil und
insbesondere das einzige keramische Bauteil des
Drucksensorsystems sein, auf dem die elektronischen und elektrischen Komponenten, also beispielsweise Chips,
Schaltkreise und elektrische Anschlüsse, montiert bzw.
aufgebracht sind. Der keramische Gehäusekörper bildet ein keramisches Packaging bzw. eine keramische Kapselung für den Drucksensorchip, so dass das hier beschriebene Drucksensorsystem insbesondere auch bei hohen Anwendungstemperaturen und in besonders aggressiven Medien und Gasen einsetzbar sein können.
Mit Hilfe der weiter unten ausführlicher beschriebenen keramischen Spritzgusstechnologie zur Herstellung des
Gehäusekörpers können auch sehr komplexe, an
kundenspezifische Anforderungen angepasste keramische
Gehäusebauformen präzise und reproduzierbar mit einer hohen mechanischen Festigkeit hergestellt werden. Dadurch, dass der Gehäusekörper mit seiner dreidimensionalen Form monolithisch ausgebildet ist, kann weiterhin die Komplexität des Drucksensorsystems reduziert werden. Die Reduzierung der Systemkomplexität aufgrund der monolithischen Ausführung des Gehäusekörpers insbesondere auch durch eine Vereinigung mehrer Systemkomponenten in einem einzigen Bauteil, die im Stand der Technik üblicherweise zu einem Verbund
zusammengefügt werden müssen, führt zusätzlich auch zu einer Material- und Kosteneinsparung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Keramikmaterial des Gehäusekörpers einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten auf, der in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -40°C und kleiner oder gleich 150°C um weniger als 30 % vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips abweicht. Mit anderen Worten ist der
thermische Ausdehnungskoeffizient des keramischen
Gehäusekörpers an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips angepasst. Insbesondere können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusekörpers und des Drucksensorchips auch in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -50°C und kleiner oder gleich 200°C aneinander angepasst sein und um weniger als 30 % voneinander abweichen. Je kleiner der Unterschied zwischen den
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusekörpers und des Drucksensorchips ist, desto geringere thermomechanische Spannungen können im Drucksensorsystem zwischen dem
Drucksensorchip und dem keramischen Gehäusekörper auftreten. Darum kann es besonders vorteilhaft sein, wenn in einem der genannten Temperaturbereiche die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten um weniger als 20 % und bevorzugt um weniger als 10 % voneinander abweichen.
Das hier beschriebene Drucksensorsystem zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäusekörpers an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips angepasst ist. Durch eine geeignete Wahl des keramischen Werkstoffs für den das Packaging bildenden Gehäusekörper ist es möglich, durch Temperaturänderungen auftretenden thermomechanischen Stress zwischen dem Drucksensorchip und dem Gehäusekörper zu
reduzieren .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensorchip als piezoresistiver Silizium-Drucksensor, kapazitiver
Keramik-Drucksensor piezoresistiver diek- oder
dünnschichtbasierter Drucksensor auf Basis metallischer oder keramischer Biegeplatten oder als induktiver Drucksensor ausgebildet . Insbesondere kann der Drucksensorchip ein
Silizium basierter Drucksensorchip sein.
Durch eine geeignete Wahl des keramischen Materials des
Gehäusekörpers mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der im Bereich des Materials des Drucksensorchips, also beispielsweise Silizium, liegt, lassen sich vorteilhafterweise thermisch induzierte mechanische Spannungen, die zu einer Verfälschung des Drucksensorsignals führen können, stark reduzieren oder sogar ganz vermeiden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Keramikmaterial Mullit, also Aluminiumsilikat, auf. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass das Keramikmaterial des
Gehäusekörpers Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid aufweist. Der keramische Gehäusekörper kann auch eine Kombination der genannten
Materialien aufweisen. Weiterhin kann der keramische
Gehäusekörper auch aus einem oder mehreren der genannten Keramikmaterialien bestehen. Der Vorteil des hier beschriebenen Drucksensorsystems liegt in der monolithischen Ausführung des Gehäusekörpers mit einem geeigneten
keramischen Material wie dem vorgenannten. Somit ist im
Vergleich zum Stand der Technik eine wesentlich verbesserte Medienbeständigkeit erreichbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auf einer weiteren Montageaufnahme des Gehäusekörpers ein
Signalverarbeitungschip montiert. Jede der Montageaufnahmen des keramischen Gehäusekörpers kann vertieft oder alternativ auch erhöht ausgeführt sein. Der Signalverarbeitungschip kann insbesondere dazu vorgesehen und derart ausgeführt sein, ein elektrisches Signal des Drucksensorchips zu detektieren und weiter zu verarbeiten, sodass über elektrische Anschlüsse des Drucksensorsystems ein Druckmesssignal ausgegeben werden kann. Der Signalverarbeitungschip kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis in Form eines einzelnen Chips oder auch in Form von mehreren elektronischen Komponenten, die beispielsweise in Dickschichttechnologie montiert sind, ausgebildet sein. Eine elektrische Verbindung zwischen dem Drucksensorchip und dem Signalverarbeitungschip kann durch Leiterbahnen auf dem und/oder in dem Gehäusekörper und/oder durch Bonddrahtverbindungen gegeben sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Gehäusekörper einen Druckanschluss auf, wobei die Druckzuführung vom
Druckanschluss bis zum Drucksensorchip reicht. Der
Druckanschluss kann zylinderförmig oder kegelförmig sein und weiterhin mit einem Gewinde, einem Bajonettverschlussteil oder einer Verzahnung ausgeführt sein.
Zur Befestigung und Dichtung des Drucksensorchips kann ein Verbindungsmaterial verwendet werden. Insbesondere kann das Verbindungsmaterial eine direkte Montage des Drucksensorchips auf dem Gehäusekörper ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensorchip mittels eines flexiblen Verbindungsmaterials direkt auf der Montageaufnahme des keramischen Gehäusekörpers montiert. Das flexible Verbindungsmaterial kann insbesondere durch einen Silikonklebstoff gebildet werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der
Drucksensorchip mittels eines starren Verbindungsmaterials direkt auf der Montageaufnahme des keramischen Gehäusekörpers montiert. Das starre Verbindungsmaterial kann beispielsweise durch einen Epoxidharzklebstoff oder besonders bevorzugt durch ein Glaslot oder ein metallisches Lot gebildet werden.
Besonders vorteilhaft erfolgt die Verbindung des
Drucksensorchips zum keramischen Gehäusekörper über ein
Glaslot oder ein Metalllot. Dadurch können Veränderungen des Drucksignals, der mechanischen Verbindung und der
Medienresistenz zwischen dem Drucksensorchip und dem
Gehäusekörper, wie sie durch das Alterungsverhalten von
Polymeren hervorgerufen werden, vermieden werden. Eine
Lotverbindung, insbesondere eine Glaslotverbindung, kann nur eingesetzt werden, wenn für den Drucksensorchip und den keramischen Gehäusekörper Materialien mit ähnlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, im Falle eines Silizium basierten Sensorchips also für den
Gehäusekörper Materialien wie bevorzugt Mullit oder
beispielsweise auch Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbid. Nur mit den dadurch erreichbaren sehr
ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der
Materialien lassen sich bei einer festen Verbindung wie einer Glaslotverbindung thermisch induzierte Verspannungen im
Drucksensorchip, die sich auf das Druckspannungssignal auswirken könnten, vermeiden. Zur Herstellung des keramischen Gehäusekörpers kann dessen dreidimensionale und monolithische Ausbildung mittels der keramischen Spritzgusstechnologie erfolgen. Mit dieser sind eine Gehäusegestaltung, die je nach Anwendung auch auf
Anforderung angepasst werden kann, und insbesondere frei gestaltbare Geometrien des keramischen Gehäusekörpers möglich, beispielsweise zur Ausformung der integrierten einen oder mehreren Montageaufnahmen für den Drucksensorchip und gegebenenfalls für den Signalverarbeitungschip sowie
gegebenenfalls des Druckanschlusses. Durch die anpassbare Gehäuseform mit den Kavitäten oder Erhebungen zur Aufnahme der Drucksensor- sowie Auswertechips können unterschiedliche Chips eingesetzt werden. Weiterhin ist auch eine
Miniaturisierung des Drucksensorsystems möglich. Bei der keramischen Spritzgusstechnologie wird ein
keramisches Rohmaterial, ein sogenannter keramischer
Feedstock, das ein strukturkeramisches Pulver,
vorteilhafterweise Mullitpulver, Aluminiumoxidpulver,
Zirkoniumoxidpulver, Aluminiumnitridpulver,
Siliziumnitridpulver oder Siliziumcarbidpulver, und ein organischen Bindemittel, aufweist oder daraus besteht, in eine entsprechende Form gespritzt. Ein derart hergestellter Grünkörper wird anschließend in einem Entbinderungsprozess , der zweistufig (wässrig, thermisch bzw. katalytisch) oder einstufig (nur thermisch) sein kann, weitgehend vom
organischen Anteil befreit. Nachfolgend werden die
entbinderten Körper gesintert. Der Vorteil von keramischen Spritzgusskörpern liegt insbesondere in der sehr präzisen Ausführung der
Gehäusedimensionen, die eine einfache und standardisierte Montage ohne zusätzliche Systemelemente bei gleichzeitig geringer Wärmedehnung, einer sehr hohen mechanischen und chemischen Robustheit sowie einer extremen Langzeitstabilität ermöglichen .
Ein über keramische Spritzgusstechnologie hergestellter keramischer Körper wird zur Ausbildung des fertigen
keramischen Gehäusekörpers bei einem geeigneten
Temperaturprofil und in einer geeigneten Atmosphäre
gesintert, im Falle von Mullit je nach Reinheit bzw.
Sinteradditivanteil beispielsweise bei 1500°C bis 1750°C und bevorzugt bei 1600°C bis 1750°C in Luft.
Gemäß einer weitern Ausführungsform weist das
Drucksensorsystem elektrische Anschlüsse zum elektrischen Anschluss zumindest des Drucksensorchips auf. Weiterhin können die elektrischen Anschlüsse den externen Anschluss des Drucksensorsystems bilden. Die elektrischen Anschlüsse können auf dem und/oder im keramischen Gehäusekörper ausgebildet sein und eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen: Leiterbahnen, Verdrahtungsträger, metallische Vias,
Bonddrähte.
Die elektrischen Anschlüsse können beispielsweise
Leiterbahnen aufweisen oder daraus bestehen, die direkt auf dem keramischen Gehäusekörper mittels
Metallisierungsverfahren wie beispielsweise Dick- oder
Dünnschichttechnik aufgebracht sind. Vorteilhafterweise ist die Montageseite des Gehäusekörpers, auf der sich die
Montageaufnahme für den Drucksensorchip befindet, bereichsweise ebenflächig ausgeführt, so dass mittels
kostengünstiger Siebdrucktechnik oder Sputtertechnologie Leiterbahnen abgeschieden werden können. Weiterhin ist auch eine dreidimensionale Ausführung der Leiterbahnen
beispielsweise mittels Tampondruck oder Dispensen möglich.
Weiterhin können Teile der elektrischen Anschlüsse durch das keramische Gehäuse in Form von Vias hindurchgeführt sein, um beidseitig angebrachte Leiterbahnen miteinander elektrisch zu verbinden.
Weiterhin können die elektrischen Anschlüsse einen
Verdrahtungsträger aufweisen oder als ein solcher ausgeführt sein oder eine Kombination einer direkt aufgebrachten Dick- oder Dünnschichtmetallisierung mit einem Verdrahtungsträger aufweisen oder daraus bestehen. Der Verdrahtungsträger kann beispielsweise über Lötverbindungen von extern elektrisch kontaktiert werden. Der Verdrahtungsträger kann eine starre oder flexible
Leiterplatte, ein Stanzgitter („lead frame") oder ein
zumindest teilweise mit Kunststoff umhülltes Stanzgitter sein. Eine direkte Montage des Verdrahtungsträgers am
keramischen Grundkörper kann beispielsweise durch Einrasten, Verpressen oder Klemmen in entsprechende Strukturen im
Grundkörper erfolgen. Weiterhin kann auch eine Befestigung des Verdrahtungsträgers über direktes Löten, beispielsweise Weichlöten, Hartlöten, Glaslöten, Aktivlöten, oder Kleben auf den Grundkörper und/oder auf Leiterbahnen erfolgen.
Der Drucksensorchip kann an den elektrischen Anschlüssen und/oder an einem Signalverarbeitungschip beispielsweise mittels Bonddrähten oder durch eine direkte Montage auf
Leiterbahnen elektrisch angeschlossen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Drucksensorsystem einen Deckel auf, der auf dem Gehäusekörper über dem Drucksensorchip befestigt ist. Durch den Deckel kann die Montageseite des Gehäusekörpers, also die Seite mit dem Drucksensorchip, verschlossen bzw. verkapselt werden. Der Deckel kann beispielsweise Kunststoff, Metall oder ein
Keramikmaterial aufweisen oder daraus sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein
Verdrahtungsträger, der zumindest einen Teil der elektrischen Anschlüsse bilden kann, Aussparungen auf, durch die Teile des Gehäusekörpers und/oder des Deckels eingreifen oder hindurch greifen, um den Verdrahtungsträger zu arretieren bzw. zu befestigen .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Gehäusekörper Aussparungen auf, in die entsprechende Teile des Deckels und/oder eines Verdrahtungsträgers, der zumindest einen Teil der elektrischen Anschlüsse bildet, eingreifen oder hindurch greifen, so dass eine mechanische Arretierung zur Befestigung des Deckels und/oder des Verdrahtungsträgers gebildet wird.
Der Deckel kann alternativ auch auf dem Gehäusekörper
aufgeklebt oder aufgelötet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensorchip und/oder ein Signalverarbeitungschip zumindest teilweise mit einem Polymerverguss bedeckt. Insbesondere kann der
Drucksensorchip mittels Bonddrahtverbindungen elektrisch kontaktiert sein, die mit dem Polymerverguss bedeckt sind. Der Polymerverguss kann zusätzlich oder alternativ auch Teile des Gehäusekörpers oder der elektrischen Anschlüsse bedecken. Insbesondere kann der Polymerverguss einen Schutz der
bedeckten Teile und Komponenten gegenüber der Umgebung bilden. Hierzu kann der Polymerverguss eine Abdeckung bilden, die zumindest einen Teil einer Außenseite des
Drucksensorsystems bildet. Alternativ hierzu kann der
Polymerverguss auch unter einem Deckel angeordnet sein. Der Polymerverguss kann dabei weiterhin beispielsweise vom Deckel beabstandet angeordnet sein. Beispielsweise kann der Deckel eine Vertiefung aufweisen, in der der Drucksensorchip
angeordnet ist, wobei der Polymerverguss in diesem Fall die Vertiefung des Deckels nicht ganz ausfüllt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Drucksensorsystem eine Mehrzahl von Drucksensorchips auf Montageaufnahmen des keramischen Gehäusekörpers auf.
Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere
Signalverarbeitungschips vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das
Drucksensorsystem die folgenden Komponenten auf:
- mindestens ein Drucksensorchip,
- ein keramischer Gehäusekörper, der in monolithischer
Ausführung ausgebildet ist und der mindestens eine
Montageaufnahme für den mindestens einen Drucksensorchip sowie eine Druckzuführung aufweist, wobei der mindestens eine Drucksensorchip direkt mit dem keramischen
Gehäusekörper verbunden ist, und
- elektrische Anschlüsse. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist das
Drucksensorsystem zusätzlich eines oder mehrere der folgenden Komponenten auf:
- mindestens ein Signalverarbeitungschip, der auf mindestens einer Montageaufnahme des Gehäusekörpers angeordnet ist und der bevorzugt direkt mit dem Gehäusekörper verbunden ist,
- ein Druckanschluss und
- ein Deckel.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines
Drucksensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figuren 2A bis 2G schematische Darstellungen von
verschiedenen Ansichten eines Drucksensorsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Figuren 3A bis 3F schematische Darstellungen von
verschiedenen Ansichten eines Drucksensorsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In Figur 1 ist ein Drucksensorsystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel gezeigt, das einen Drucksensorchip 1 aufweist, der auf einer Montageaufnahme 20 eines keramischen Gehäusekörpers 2 montiert ist. Die Montageaufnahme 20 ist durch eine Vertiefung des Gehäusekörpers 2 auf einer
Montageseite des Gehäusekörpers 2 gebildet. Alternativ dazu kann die Montageaufnahme 20 beispielsweise auch als Erhebung anstelle einer Vertiefung ausgebildet sein.
Weiterhin weist der Gehäusekörper 2 eine Druckzuführung 22 auf, über die der zumessende Druck dem Drucksensorchip 1 zugeführt werden kann. Die Druckzuführung 22 reicht dazu bis zur Montageaufnahme 20. Zum Anschluss des Drucksensorsystems kann ein Druckanschluss 21 vorgesehen sein, wie in Figur 1 gezeigt ist, der zylinder- oder kegelförmig ausgebildet sein kann und beispielsweise ein Gewinde, einen Teil eines
Bajonettverschlusses oder eine Verzahnung aufweisen kann.
Die Montage des Drucksensorchips 1 auf der Montageaufnahme 20 des keramischen Gehäusekörpers 2 sowie gleichzeitig die
Abdichtung des Drucksensorchips 1 erfolgt durch ein
Verbindungsmaterial 3, sodass der Drucksensorchip 1 direkt auf dem Gehäusekörper 2 montiert ist.
Der Drucksensorchip 1 kann beispielsweise als
siliziumbasierter Drucksensorchip ausgebildet sein, etwa also piezoresistiver Silizium-Drucksensor. Weitehrin kann der
Drucksensorchip 1 auch als kapazitiver Keramik-Drucksensor, piezoresistiver dick- oder dünnschichtbasierter Drucksensor auf Basis metallischer oder keramischer Biegeplatten oder als induktiver Drucksensor ausgebildet sein.
Der Gehäusekörper 2 ist dreidimensional ausgeformt und ist monolithisch ausgebildet. Insbesondere wird zur Herstellung des keramischen Gehäusekörpers 2 ein Grünkörper hergestellt, der bereits die Form des endgültigen Gehäusekörpers 2
aufweist und der in dieser Form je nach Material getrocknet und/oder entbindert sowie gesintert wird.
Die Herstellung des Gehäusekörpers 2 erfolgt mittels
keramischer Spritzgusstechnologie, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist, wodurch frei gestaltbare Geometrien und beispielsweise eine gezielte Ausbildung der integrierten Montageaufnahme 20 für den Drucksensorchip 1 möglich ist. Die Form des Gehäusekörpers 2 gemäß der Darstellung in Figur 1 ist rein exemplarisch zu verstehen und kann weitere
geometrische Merkmale und Oberflächenstrukturen oder Formen aufweisen, die beispielsweise zur Aufnahme weiterer
elektronischer Bauteile, elektrischer Kontakte, eines Deckels oder zur Montage des Drucksensorsystems vorgesehen sein können .
Wird beispielsweise Mullit als Keramikmaterial für den keramischen Gehäusekörper 2 verwendet, kann der mittels
Spritzgusstechnologie hergestellte Grünkörper je nach
Reinheit und je nach Sinteradditivanteil beispielsweise in einem Temperaturbereich von 1500°C bis 1750°C in Luft
gesintert werden.
Insbesondere weist der keramische Gehäusekörper 2 ein
Keramikmaterial auf, das einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips 1 angepasst ist. Das bedeutet insbesondere, dass die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips 1 und des
Gehäusekörpers 2 um weniger als 30 %, bevorzugt um weniger als 20 % und besonders bevorzugt um weniger als 10 %
voneinander abweichen. Insbesondere können die
Ausdehnungskoeffizienten in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -40°C und kleiner oder gleich 150°C und bevorzugt in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -50°C und kleiner oder gleich 200°C aneinander angepasst sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei
typischen Betriebstemperaturen des Drucksensorsystems die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 möglichst wenig voneinander
abweichen.
Als besonders vorteilhaft hat sich als Keramikmaterial für den keramischen Gehäusekörper 2 Mullit, also
Aluminiumsilikat, erwiesen. Alternativ hierzu kann das
Keramikmaterial des Gehäusekörpers 2 auch Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid oder
Siliziumnitrid aufweisen oder aus einem oder mehreren der genannten Keramikmaterialien bestehen. Durch eine geeignete Wahl des Keramikmaterials mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der im Bereich des Drucksensorchips 1, also beispielsweise im Bereich von Silizium, das als grundlegendes Chipmaterial des Sensorchips 1 verwendet werden kann, liegt, lassen sich vorteilhafterweise thermisch
induzierte mechanische Spannungen, die zu einer Verfälschung des Drucksignals führen könnten, deutlich reduzieren oder sogar ganz vermeiden. Durch die monolithische Ausführung des Gehäusekörpers 2, der im Vergleich zum Stand der Technik eine Vereinigung mehrerer Systemkomponenten in einem einzigen Bauteil darstellt, kann die Systemkomplexität des Drucksensorsystems deutlich reduziert werden, was im
Vergleich zum Stand der Technik zu einer Material- und
Kosteneinsparung führt. Weiterhin ist eine sehr hohe
Medienresistenz auch bei hohen Temperaturen und sehr
aggressiven Medien möglich.
Durch die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 aneinander kann besonders bevorzugt ein starres Verbindungsmaterial 3, beispielsweise ein Epoxidharzklebstoff, ein Glaslot oder ein metallisches Lot, verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Verbindung des Drucksensorchips 1 zum keramischen
Gehäusekörper 2 mittels eines Glaslots oder eines
metallischen Lots. Derartige Verbindungsmaterialien weisen im Gegensatz zu Polymeren kein für diese typisches
Alterungsverhalten auf, wodurch Veränderungen des
Drucksignals und der mechanischen Verbindung vermieden werden können. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensorchips 1 und des Gehäusekörpers 2 aneinander angepasst sind, kann trotz einer festen direkten Verbindung zwischen dem Drucksensorchip 1 und dem Gehäusekörper 2 durch das Verbindungsmaterial 3 die Ausbildung thermisch
induzierter Verspannungen im Sensorchip 1, die sich auf das Drucksignal auswirken könnten, vermieden werden.
Mittels der keramischen Spritzgusstechnologie kann eine sehr präzise Ausführung der Gehäusedimensionen erreicht werden. Hierdurch ist eine einfache und standardisierte Montage des Drucksensorchips 1 ohne zusätzliche Systemelemente möglich, während gleichzeitig eine geringe thermische Verspannung, eine sehr hohe mechanische und chemische Robustheit sowie eine extreme Langzeitstabilität erreicht werden kann. In den folgenden Figuren sind weitere Ausführungsbeispiele für Drucksensorsysteme gezeigt, die Weiterbildungen und
Modifikationen des Drucksensorsystems gemäß dem
Ausführungsbeispiel in Figur 1 zeigen. Die nachfolgende
Beschreibung beschränkt sich daher hauptsächlich auf die Unterschiede zum bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In Verbindung mit den Figuren 2A bis 2G sind verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein
Drucksensorsystem gezeigt, das zusätzlich zum Drucksensorchip 1 auf dem Gehäusekörper 2 einen Signalverarbeitungschip 7 auf einer weiteren Montageaufnahme 20 des keramischen
Gehäusekörpers 2 aufweist, wobei die Montageaufnahme 20 für den Drucksensorchip 1 und den Signalverarbeitungschip 7 jeweils durch Vertiefungen gebildet sind. Alternativ hierzu kann das Drucksensorsystem auch eine Mehrzahl von
Drucksensorchips 1 und/oder von Signalverarbeitungschips 7 aufweisen. Der Drucksensorchip 1 und der
Signalverarbeitungschip 7 sind jeweils mittels eines in den nachfolgenden Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten Verbindungsmaterials, wie in Verbindung mit der Figur 1 und im allgemeinen Teil beschrieben ist, direkt auf dem Gehäusekörper 2 montiert. Weiterhin weist das in Verbindung mit den Figuren 2A bis 2G gezeigte Drucksensorsystem elektrische Anschlüsse 4, einen Polymerverguss 5 sowie einen Deckel 6 auf.
Die Figuren 2A und 2B zeigen das Drucksensorsystem in einem mittels des Deckels 6 verschlossenen Zustand von der Ober- und der Unterseite, während die Figur 2C eine
Schnittdarstellung durch das Drucksensorsystem zeigt. In den Figuren 2D und 2E ist das Drucksensorsystem zur besseren Veranschaulichung mit geöffnetem Deckel 6 dargestellt, wobei in Figur 2E zusätzlich der Polymerverguss 5 abgehoben ist. Die Figur 2F zeigt eine Detailansicht eines derartig
geöffneten Drucksensorsystems, während in Figur 2G eine
Explosionsdarstellung des Drucksensorsystems dargestellt ist.
Als elektrische Anschlüsse 4 weist das Drucksensorsystem Teile eines Verdrahtungsträgers 41, Leiterbahnen 42,
Lotverbindungen 43 und Bonddrähte 44 auf. Über die
elektrischen Anschlüsse 4 kann der Drucksensorchip 1 mit dem Signalverarbeitungschip 7 elektrisch leitend verbunden werden und es kann weiterhin ein externer elektrischer Anschluss des Drucksensorsystems bereitgestellt werden.
Die Leiterbahnen 42 können beispielsweise auf dem keramischen Gehäusekörper 2 mittels Metallisierungsverfahren wie
beispielsweise Dick- oder Dünnschichttechnik aufgebracht werden. Vorteilhafterweise ist die Montageseite des
Gehäusekörpers 2 hierzu zumindest bereichsweise ebenflächig ausgeführt, sodass die Leiterbahnen 42 mittels
kostengünstiger Siebdrucktechnik oder Sputtertechnologie abgeschieden werden können. Alternativ hierzu kann bei einer entsprechenden Oberflächentopographie des Gehäusekörpers 2 auch eine dreidimensionale Ausbildung von Leiterbahnen beispielsweise mittels Tampondruck oder Dispensen erfolgen.
Mittels den Bonddrähten 44 sind der Drucksensorchip 1 und der Signalverarbeitungschip 7 an Leiterbahnen 42 elektrisch angeschlossen. Zur externen Kontaktierung des
Drucksensorsystems ist der Verdrahtungsträger 41 vorgesehen, dessen Teile mittels Lotverbindungen 43 auf entsprechenden Kontaktstellen der Leiterbahnen 42 aufgelötet sind und der aus dem mittels des Deckels 6 verschlossenen Gehäusekörpers 2 herausragt, sodass das Drucksensorsystem durch Verlöten der Verdrahtungsträgers 41 elektrisch angeschlossen werden kann. Der Verdrahtungsträger 41 kann beispielsweise eine starre oder flexible Leiterplatte, ein Stanzgitter, also ein so genanntes Leadframe, oder ein zumindest teilweise mit
Kunststoff umhülltes Stanzgitter sein.
Alternativ zu einem Löten, beispielsweise Weichlöten,
Hartlöten, Glaslöten oder Aktivlöten, mittels dem der
Verdrahtungsträger 41 auf den Leiterbahnen 42 und weiterhin beispielsweise auch auf Teilen des Gehäusekörpers 2 befestigt werden kann, kann der Verdrahtungsträger 41 auch mittels Kleben befestigt werden. Weiterhin kann eine direkte Montage des Verdrahtungsträgers 41 am keramischen Gehäusekörper 2 mittels Einrasten, Verpressen oder Klemmen in entsprechende Strukturen des Keramikkörpers 2 erfolgen. Solche Strukturen können mit dem oben beschriebenen Verfahren zusammen mit den anderen dreidimensionalen Gehäusemerkmalen des Gehäusekörpers hergestellt werden. Beispielsweise ist es auch möglich, dass der Verdrahtungsträger 41 Aussparungen aufweist, durch die Teile des Keramikkörpers 2 und/oder des Deckels 6 hindurch greifen, um den Verdrahtungsträger 41 zu arretieren
beziehungsweise zu befestigen. Der Deckel 6 dient zum Verschluss der Montageseite des keramischen Grundkörpers 2, auf der der Drucksensorchip 1 angeordnet ist. Der Deckel 6 kann beispielsweise aus
Kunststoff, Metall oder einer Keramik bestehen oder zumindest eines oder mehrere der genannten Materialien aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Deckel 6 insbesondere aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Zur Befestigung des Deckels 6 auf dem Gehäusekörper 2 weist der Gehäusekörper 2 Aussparungen auf, durch die Teile des Deckels 6 in Form von Rastnasen oder Verzahnungen hindurch greifen, sodass eine mechanische Arretierung 71 des Deckels 6 auf dem
Gehäusekörper 2 gebildet wird. Der Deckel 6 weist eine Vertiefung auf, die sich über die Montageseite des Gehäusekörpers 2 erstreckt. In der
Vertiefung des Deckels 6 ist zumindest auf Teilen des
Drucksensorchips 1 und/oder der elektrischen Anschlüsse 4 und/oder des Signalverarbeitungschips 7 und/oder des
Gehäusekörpers 2 ein Polymerverguss 5 angeordnet, der zum Schutz oder zur Stabilisierung der bedeckten Flächen oder Elemente dienen kann. Wie in Figur 2C gezeigt ist, kann der Polymerverguss 5 dabei vom Deckel 6 beabstandet angeordnet sein, sodass die Vertiefung des Deckels 6 nicht gänzlich mit dem Polymer gefüllt ist. Insbesondere die
Bonddrahtverbindungen können mit einem Polymer zur
Stabilisierung dieser bedeckt sein.
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann das
Drucksensorsystem auch nur einen Polymerverguss 5 und keinen Deckel aufweisen. In diesem Fall kann der Polymerverguss 5 einen Schutz der bedeckten Teile und Komponenten gegenüber der Umgebung bilden. Hierzu kann der Polymerverguss 5 eine Abdeckung bilden, die zumindest einen Teil einer Außenseite des Drucksensorsystems bildet.
In Verbindung mit den Figuren 3A bis 3F ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Drucksensorsystem gezeigt, das eine Modifikation des vorherigen Ausführungsbeispiels darstellt. In den Figuren 3A und 3B sind wiederum Ansichten der Ober- und der Unterseite des Drucksensorsystems gezeigt, während die Figur 3C eine Schnittdarstellung durch das
Drucksensorsystem ist. In Figur 3D ist das Drucksensorsystem mit geöffnetem Deckel 6 gezeigt, während in Figur 3E eine Detailansicht des geöffneten Drucksensorsystems mit
entferntem Polymerverguss 5 gezeigt ist. Figur 3F zeigt eine Explosionsdarstellung des Drucksensorsystems.
Im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel weist das Drucksensorsystem gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3A bis 3F einen Gehäusekörper 2 mit einer Montageaufnahme 20 auf, die als Erhebungen ausgebildet sind. Auf der
Montageaufnahme 20 ist ein Drucksensorchip 1 angeordnet, der über Bonddrähte 44 an Leiterbahnen 42 angeschlossen sind, die wiederum mit einem Verdrahtungsträger 41 zur
Außenkontaktierung verbunden sind. Zum Schutz der
Bondverbindungen auf dem Chip 1 und den Leiterbahnen 42 sind diese jeweils mit einem eigenen Polymerverguss 5 bedeckt.
Im Vergleich zum vorherigen Ausführungsbeispiel sind der Verdrahtungsträger 41 und die Leiterbahnen 42 auf sowie teilweise in einem Kunststoffgehäuse 8 angeordnet, das am Gehäusekörper 2 durch eine mechanische Arretierung oder durch Kleben befestigt ist. Der Deckel 6 ist mit einer mechanischen Arretierung 71 in Form von Verzahnungen am Kunststoffgehäuse 8 befestigt, das entsprechende Aussparungen aufweist.
Alternativ hierzu kann der Deckel 6 beispielsweise auch mittels eines Klebstoffs auf dem Kunststoffgehäuse 8
befestigt werden. Das Kunststoffgehäuse 8 dient der Halterung der elektrischen Anschlüsse 4, während der monolithisch ausgebildete Gehäusekörper 2 zusammen mit dem direkt
montierten Drucksensorchip 1 den zur Druckmessung
vorgesehenen Teil des Drucksensorsystems bildet.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele des
Drucksensorsystems sind nicht auf die gezeigten Merkmale beschränkt und können weitere oder alternative Merkmale gemäß den Ausführungsformen im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Drucksensorchip
2 Gehausekörper
3 Verbindungsmaterial
4 elektrischer Anschluss
5 Polymerverguss
6 Deckel
7 Signalverarbeitungschip
8 Kunststoffgehäuse
20 Montageaufnähme
21 Druckanschluss
22 DruckZuführung
41 Verdrahtungsträger
42 Leiterbahn
43 Lot erbindung
44 Bonddraht
71 mechanische Arretierung

Claims

Patentansprüche
Drucksensorsystem mit einem Drucksensorchip (1), der auJ einer Montageaufnahme (20) eines keramischen
Gehäusekörpers (2) mit einer zum Drucksensorchip (1) geführten Druckzuführung (22) montiert ist, wobei der Gehäusekörper (2) dreidimensional ausgeformt und
monolithisch ausgebildet ist und durch ein
Keramikmaterial mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird, der in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -40 °C und kleiner oder gleich 150 C um weniger als 30 ~6 vom
thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Drucksensorchips (1) abweicht.
Drucksensorsystem nach Anspruch 1, wobei
Drucksensorchip (1) auf Silizium basiert.
Drucksensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Keramikmaterial Mullit aufweist.
Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Keramikmaterial Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid aufweist .
Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das Keramikmaterial aus einem oder mehreren ausgewählt aus Mullit, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid und/oder Siliziumnitrid besteht.
6. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die thermisehen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusekörpers (2) und des Drucksensorchips (1) in einem Temperaturbereich von größer oder gleich -50 °C und kleiner oder gleich 200°C um weniger als 30%, bevorzugt um weniger als 20% und besonders bevorzugt um weniger als 10% voneinander abweichen.
Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (2) eine nicht-ebene
dreidimensionale Oberflächentopographie auf der
Montageseite aufweist und die Montageaufnahme (20) durch eine Erhöhung oder eine Vertiefung des Gehäusekörpers (2) gebildet wird und die Druckzuführung (22) in die Montageaufnahme (20) mündet.
Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (2) einen Druckanschluss (21) aufweist und die Druckzuführung (22) von Druckanschluss (21) bis zum Drucksensorchip (1) reicht.
Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf einer weiteren Montageaufnahme (20) des
Gehäusekörpers (2) ein Signalverarbeitungschip (7) montiert ist.
Drucksensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Drucksensorchip (1) mittels eines starren Verbindungsmaterials (3) direkt auf der Montageaufnahme (20) montiert ist, das durch ein Glaslot, ein
metallisches Lot oder einen Epoxidharzklebstoff gebildet wird .
Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gehäusekörper (2) mittels eines keramischen Spritzgussverfahrens dreidimensional ausgeformt und monolithisch ausgebildet ist.
12. Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Drucksensorsystem elektrische Anschlüsse (4) auf dem Gehäusekörper (2) zum elektrischen Anschluss zumindest des Drucksensorchips (1) aufweist, die eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen:
Verdrahtungsträger (41), Leiterbahnen (42), Bonddrähte (44) .
13. Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Drucksensorchip (1) mittels
Bonddrahtverbindungen (44) elektrisch kontaktiert ist, die mit einem Polymerverguss (5) bedeckt sind.
14. Drucksensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Drucksensorsystem einen Deckel (6) aufweist, der auf dem Gehäusekörper (2) über dem Drucksensorchip (1) befestigt ist.
15. Drucksensorsystem nach Anspruch 14, wobei der Deckel (6) auf dem Gehäusekörper (2) durch eine mechanische
Arretierung (71) befestigt ist.
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