JP2016511401A - センサシステム - Google Patents
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Abstract
１つのセラミックハウジング体（２）の１つのアセンブリ部（２０）上に取り付けられた１つのセンサチップ（１）を有するセンサシステムが提示され、このハウジング体（２）は、３次元形状に成形され、かつモノリシックに形成されており、かつ−４０℃以上かつ１５０℃以下の温度範囲において、センサチップ（１）の熱膨張係数（複数）との差が３０％より小さい熱膨張係数（複数）を備えるセラミック材料を用いて形成されている。【選択図】 図２Ｃ
Description
本発明は１つのセンサチップを有するセンサシステムに関する。
センサシステム、たとえば加速度センサ，回転速度センサ，磁気センサ，および圧力センサに対する常に増大している要求は、正確なことおよびドリフトが無いことに関するものであり、また振動及び衝撃に対し機械的に堅牢であることに関するものであり、これらの感受性素子，信号処理，およびハウジング部品の特別な調整を要求し、ここで最後のものは「パッケージング」とも呼ばれるものである。同時にこのようなシステムが安価な製造方法で製造可能であり、かつシステムの複雑さが低減されることが要求されている。特にこれらの部品間の熱機械的応力は、大きな課題となっている。
従来技術においては、応力感受性のセンサ素子は、通常片側でパッケージングとしっかり結合されており、かつ１つのキャビティ中に封止されて取り付けられている。ここでこの固定は通常片面で接着またははんだ付けによって行われている。
充分な機械的剛性のため、および外部の影響や侵食性媒体による腐食に対するセンサ自体の保護のために、通常はプラスチック、またはプラスチック，セラミック，ガラス，および／または金属の複合材料からなるハウジングへの組込みが行われる。このハウジングは、たとえばいわゆるキャビティパッケージとして形成されていてよく、すなわちその縁部に、１つのキャビティを形成する、周回する側壁を有する１つのアセンブリ用プレートを備えたハウジングとして形成されていてよい。電気的接続部として、はんだ接続部，コネクタ接続部および／または導電体リード（Leitungszufuehrungen）がこのハウジングに組み込まれる。このようなシステムに適合したシーリングは、溶接，はんだ付け，ガスケット（Dichtungen），グロブトップ用材料（Vergussmaterialien），および／または接着剤を用いて行われる。
従来技術で一般的なハウジングは、以下のようなものである。
−柔らかい接着剤を用いて接着された感受性素子を有するプラスチックでオーバーモールド成形されたパンチメタルハウジングのようなハウジング、およびボンディングワイヤ接続。
−たとえば柔軟に接着された感受性素子を有する酸化アルミニウムベースのＨＴＣＣキャビティパッケージ（ＨＴＣＣ：“high temperature cofired ceramics”）、およびボンディングワイヤ接続。
−たとえば電気配線上に堅く結合された感受性素子を有する酸化アルミニウムベースのＨＴＣＣキャビティパッケージ（フリップチップ技術）。
−たとえば上部に戴置された感受性素子を有する酸化アルミニウムから成る平坦なセラミック基板であって、１つの蓋によってキャビティが形成されているもの。
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しかしながらこれらのセンサ素子およびパッケージの間の有機接着部が長期安定性に関して弱点となるという問題が発生し得る。さらにプラスチックハウジングは、たとえば溶接およびはんだ結合のような代替の溶着技術とは相性が悪い。このためしかしながら、従来技術における殆どのセンサシステムは、追加の結合部を必要とし、かつシステムの複雑な構成とする材料の組合せから成っている。
特定の実施形態の少なくとも１つの課題は、１つのハウジングの中に１つのセンサ素子を有する１つのセンサシステムを提示することである。
この課題は独立請求項に記載の発明によって解決される。本発明の有利な実施形態および派生実施例は、従属請求項に記載されており、さらに以下の明細書および図面で説明される。
少なくとも１つの実施形態によれば、１つのセンサシステム、具体的には１つのセラミックのカプセル化されたセンサシステムが提供される。
少なくとも１つの実施形態によれば、１つのセンサシステムは、１つのセラミックハウジング体のアセンブリ部に組み込まれている１つのセンサチップを備える。このハウジング体は、１つのセラミック材料から製造されており、３次元形状に成形され、かつモノリシックに形成されている。以下では、３次元形状に成形するとは、このハウジング体が１つの平坦なセラミック基板から形成されるのではなく、すなわちたとえば１つのセラミック基板が１つのセラミックプレートの形態を有するのではなく、１つの平坦でない３次元の表面形状をアセンブリ面上に備えることを意味し、このアセンブリ面上に上記のセンサチップが取り付けられる。具体的にはこのセラミック体はセンサチップが取り付けられる面、すなわち上記のアセンブリ部を有する面上に、１つの３次元の表面構造を備え、この表面構造にたとえば上記のアセンブリ部が隆起部または沈下部としてアセンブリ面に形成されている。以下では、モノリシックに形成されているとは、上記のハウジング体が事前に製作された複数のセラミック部品の１つの複合体から成っているのではなく、１つの単一の１部品によって形成されたセラミック体から形成されていることを意味し、このセラミック体はその３次元の形状がセンサシステムの要求仕様に合わせられている。これは具体的にはこのハウジング体が、センサチップ用の１つのアセンブリ部だけで形成されているのではなく、さらなるセンサチップ用および／またはたとえば信号処理チップのような別の電子デバイス用の１つまたは複数のさらなるアセンブリ部、および／または、たとえば係止突起（Rastnasen）あるいはアンカー構造の形態の隆起部または沈下部のような機械的固定部分を有して形成されていることを意味し得る。
具体的には、上記のハウジング体は、その上にセンサチップ、および場合によっては、たとえば信号処理回路のような電子部品が取り付けられているセンサシステムの部品である。以下では、取り付けられているということは、このセンサチップ、および場合によっては、さらなる電子部品が直に、これに対応して設けられているこのハウジング体のアセンブリ部に固定されていることを意味し、直にとはそれぞれが１つの結合材料を用いて固定されていることを意味している。このハウジング体は、さらにこのセンサシステムのただ１つの部品、および具体的にはただ１つのセラミック部品であってよく、このハウジング体上に上記の電子部品および電気部品、すなわちたとえばチップ，回路，および電気接続部が搭載あるいは取り付けられている。
しばらく後で詳細に記載する、たとえばセラミック射出成型技術またはＨＴＣＣ多層技術のような適合したハウジング体の製造方法を用いて、非常に複雑な、センサ仕様に合わせたセラミックハウジング形状も精密にかつ再現性良く、高い機械的剛性で製造することができる。以上によりこのハウジング体が、その３次元形状でモノリシックに形成されていることで、さらにセンサシステムの複雑さを低減することができる。このシステムの複雑さの低減は、このハウジング体がモノリシックに実装されるおかげであり、特に複数のシステム部品のただ１つの部品への統合によるものであり、さらに材料およびコストの節減をもたらすものである。このような統合は、従来技術では通常は１つの複合体に込み込まれなければならなかったものである。
もう１つの実施形態によれば、上記のハウジング体のセラミック材料は、−４０℃以上かつ１５０℃以下の温度範囲において、上記のセンサチップの熱膨張係数との差が３０％未満の熱膨張係数を備える。換言すれば、このセラミックハウジング体の熱膨張係数はセンサチップの熱膨張係数に合わせられていることになる。特にこのハウジング体およびセンサチップの熱膨張係数は、−５０℃以上かつ２００℃以下の温度範囲においても、互いに合わせられており、互いに３０％未満の差となっていてよい。このハウジング体とセンサチップの熱膨張係数の差が小さいほど、センサシステムにおけるセンサチップとセラミックハウジング体との間に発生する熱機械的応力が小さくなる。このため、上記の温度範囲の１つにおいて熱膨張係数が互いに２０％未満の差、好ましくは１０％未満の差であると特に有利であり得る。
このように、ここに記載するセンサシステムは、ハウジング体の熱膨張係数がセンサチップの熱膨張係数に合わせられていることを特徴とする。パッケージを構成するハウジング体用のセラミック材料を適宜選択することにより、温度変化によって発生する、センサチップとハウジング体との間の熱機械的応力を低減することが可能である。
もう１つの実施形態によれば、上記のセンサチップはケイ素ベースのセンサチップである。これは具体的には、このセンサチップがケイ素をベース材料として含み、このベース材料内および／またはこのベース材料上で機能領域が形成されおよび／または取り付けられていることを意味する。
もう一つの実施形態によれば、本発明によるセンサシステムは、いわゆるＭＥＭＳセンサシステム（ＭＥＭＳ：“micro-electro-mechanical system”，mikroelektromechanisches System）として形成されている。たとえばこのセンサシステムは、加速度センサ，回転速度センサ，磁気センサ，または圧力センサとして形成されており、このために設けられたセンサチップ、すなわちたとえば加速度センサチップ，回転速度センサチップ，圧力センサチップ，または磁気センサチップを備える。このセンサチップが磁気センサチップとして形成される場合、このセンサチップは特にたとえばＡＭＲ効果（ＡＭＲ：“anisotropic magnetoresistance”，非等方性磁気抵抗効果），ＧＭＲ効果（ＧＭＲ：“giant magnetoresistance”，巨大磁気抵抗），またはＴＭＲ効果（“tunnel magnetoresistance”，トンネル磁気抵抗）の原理で動作し、またこのために設けられているものである。
このセンサチップの材料、すなわちケイ素の領域にある熱膨張係数を有するハウジング体のセラミック材料を適宜選択することにより、センサ信号を誤ったものにしかねない、熱的に誘導される機械的応力を大幅に低減し、あるいは全く避けることができ、有利である。
もう１つの実施形態によれば、上記のセラミック材料は、ムライト、すなわちケイ酸アルミニウムを含む。さらにこのハウジング体のセラミック材料は、窒化アルミニウム，炭化ケイ素，または窒化ケイ素を含む。このセラミックハウジング体は、上記の材料の組合せを含んでもよい。さらにこのセラミックハウジング体は、上記のセラミック材料の内の１つ以上から成っていてもよい。ここに記載するセンサシステムの利点は、上記のような適合したセラミック材料を有するハウジング体をモノリシックに実装することにある。これにより従来技術と比較して、ハウジング体のセンサチップへの大幅に改善された熱機械的マッチングが可能となる。
もう１つの実施形態によれば、上記のハウジング体のもう１つのアセンブリ部上に、１つの信号処理チップが搭載されている。このセラミックハウジング体のアセンブリ部は、いずれも沈下されて実装されていてよく、あるいは代替として隆起して実装されていてよい。具体的にはこの信号処理チップは、上記のセンサチップの電気信号を検出し、かつさらに処理して、このセンサシステムの電気的接続部を介して測定信号が出力できるために設けられおよびそのように実装することができる。この信号処理チップは、たとえば集積回路として１つの単一のチップの形態で形成されていてよく、またはたとえば厚膜技術で取り付けられた複数の電子部品の形態で形成されていてもよい。センサチップと信号処理チップとの電気的接続部は、上記のハウジング体上および／またはハウジング体内の導電路によって設けられていてよい。
もう１つの実施形態によれば、上記のセンサチップは、柔軟な結合材料を用いて上記のセラミックハウジング体のアセンブリ部上に直に全面的あるいは部分的に取り付けられている。この柔軟な結合材料は、具体的にはシリコーン接着剤，または担体の無い接着フィルム，または内部すなわち２つの接着フィルムの間に担体が存在する両面接着シートを用いて形成することができる。
もう１つの実施形態によれば、好ましくは上記のセンサチップは、固い結合材料を用いて上記のセラミックハウジング体のアセンブリ部上に直に取り付けられている。この固い結合材料は、たとえばエポキシ樹脂接着剤で形成されてよく、またはとりわけ好ましくは、ガラスはんだまたは金属はんだによって形成されてよい。
とりわけ有利には、センサチップのセラミックハウジング体への結合は、ガラスはんだまたは金属はんだを介して行われる。これによりセンサ信号、およびセンサチップとハウジング体との間の機械的結合の変化、ポリマーの経年変化によって引き起こされるような変化を避けることができる。はんだ結合、特にガラスはんだ結合は、同じような熱膨張係数を有するセンサチップおよびセラミックハウジング体に用いられる場合にのみ使用することができ、すなわちケイ素ベースのセンサチップの場合、ハウジングには、好ましくはムライトのような材料を使用することができ、あるいは窒化アルミニウム，窒化珪素、または炭化ケイ素も使用することができる。以上により達成され得るこれらの材料の非常に似通った熱膨張係数によってのみ、ガラスはんだ結合のような堅い結合で、センサ信号に作用しかねない、センサチップにおいて熱的に生じる応力を避けることができる。
セラミックハウジング体の製造のために、その３次元形成およびモノリシック形成をセラミック射出成形技術を用いて行うことができる。これを用いてセラミックハウジング体の自在に構築可能な幾何形状が可能であり、たとえば上記のセンサチップ、および場合によっては上記の信号処理チップ用に組み込まれた、１つ以上のアセンブリ部の成形のための自在に構築可能な幾何形状が可能である。センサおよび処理チップの設置のためのキャビティ（複数）または隆起部（複数）を有する調整可能なハウジング形状によって、種々のチップを用いることができる。さらにこのセンサシステムの小型化も可能である。
セラミック射出成形技術では、１つのセラミック原料，すなわち工業セラミック材料粉末，好ましくはムライト粉末，窒化アルミニウム粉末，窒化ケイ素粉末，または炭化ケイ素粉末，および有機バインダ剤を含むか、またはこれらから成る、いわゆるセラミック工業原料が、１つの適合した形状に射出成型される。このように製造されたグリーン体は、続いて脱バインダ処理において大部分の有機成分が取り除かれる。この脱バインダ処理は、２段階（水性，熱的あるいは触媒的）であってよい。これに続いてこの脱バインダされたグリーン体は焼結される。
セラミック射出成型体の利点は、ハウジンング寸法を非常に精度良く実現することにあり、このハウジング寸法は、小さな熱膨張と同時に、非常に大きな機械的および化学的堅牢性、また極めて長時間の安定性での、追加のシステム部品無しの簡単かつ標準的な取り付けを可能とする。
代替として、このセラミックハウジング体を３次元およびモノリシックに形成して製造することは、ＨＴＣＣ多層技術によって行うことができる。このハウジングの構造化は、たとえば上記のアセンブリ部用には、セラミックシート（複数）の打ち抜き加工によって行われ、これらは１つのセラミックグリーン体に組み込まれる。
セラミック射出成型技術またはＨＴＣＣ多層技術によって製造されたセラミック体は、最終的なセラミックハウジング体の形成のために、適合した温度条件および適合した雰囲気で焼結される。ムライトの場合では、純度あるいは焼結助剤成分により、たとえば１５００℃〜１７５０℃で、好ましくは１６００℃〜１７５０℃で、空気中で焼結される。
もう１つの実施形態によれば、本発明によるセンサシステムは、少なくもセンサチップの電気的接続のための電気的接続部（複数）を備える。さらにこれらの電気的接続部は、このセンサシステムの外部接続部を形成することができる。これらの電気的接続部は、セラミックハウジング体上および／またはセラミックハウジング体内に形成されていてよく、かつ１つ以上の以下の部材を備えてよい。導電路，配線担体（Verdrahtungstraeger），金属ビア，ボンディングワイヤ。
上記の電気的接続部は、たとえば導電路（複数）を含んでよく、あるいはこれらから成っていてよく、これらの導電路は、たとえば厚膜技術または薄膜技術のようなメタライジング処理を用いて、上記のセラミックハウジング体上に直に取り付けられていてよい。有利にはこのハウジング体の、上記のセンサチップ用のアセンブリ部が存在するアセンブリ面は、領域毎に平坦に実装されており、このため安価なシルクスクリーン印刷技術またはスパッタリング技術を用いて導電路を堆積することができる。さらにこれらの導電路の３次元実装は、たとえばタンポン印刷またはディスペンサを用いて可能である。
さらにこれらの電気的接続部がセラミックハウジングを貫通する部分は、両面に設けられた導電路を互いに電気的に接続するために、ビアの形態で貫通していてよい。
さらにこれらの電気的接続部は、１つの配線担体を備えてよく、あるいはこのような１つの配線担体として実装されていてよく、あるいは１つの配線担体を有する直に取り付けられた厚膜メタライジング部または薄膜メタライジング部を備えてよく、またはこれらから成っていてよい。この配線担体は、たとえばはんだ接続部を介して外部から電気的に接続されてよい。
この配線担体は、固い回路基板または可撓性の回路基板，打ち抜き格子（“lead frame”），または１つの少なくとも部分的にプラスチックで覆われた打ち抜き格子（Stanzgitter）であってよい。この配線担体のセラミック基体への直の取り付けは、たとえばこの基体における対応する構造への嵌め込み，圧入，またはクランプによって行われる。さらにこの配線担体の固定は、軟質はんだ，硬質はんだ，ガラスはんだ，活性金属ろう（Aktivloeten）による基体および／または導電路への直接のはんだ付けによって，または接着によって行われてよい。
上記のセンサチップは、これらの電気的接続部および／または１つの信号処理チップに、たとえばボンディングワイヤによって、あるいは導電路への直の取り付けによって電気的に接続されていてよい。
もう１つの実施形態によれば、本発明によるセンサシステムは、１つの蓋を備え、この蓋は上記のセンサチップの上に上記のハウジング体上で固定されている。この蓋によって、ハウジング体のアセンブリ面、すなわちセンサチップを有する面を封止あるいはカプセル化することができる。この蓋は、たとえばプラスチック，金属，またはセラミック材料を含んでよく、あるいはこれらから成っていてよい。
もう１つの実施形態によれば、上記の電気的接続部の少なくとも一部を形成し得る１つの配線担体は、凹部（複数）を備え、これらの凹部を通って上記のハウジング体および／または上記の蓋の一部を？み込みあるいは食い込んで、この配線担体を拘束あるいは固定する。
もう１つの実施形態によれば、上記のハウジング体は、凹部（複数）を備え、これらの凹部の中に上記の蓋および／または、上記の電気的接続部の少なくとも一部を形成する１つの配線担体の対応する部分が？み込みあるいは食い込み、これによってこの蓋および／または配線担体の固定のための機械的拘束部が形成される。
上記の蓋は、代替として上記のハウジング体上に接着あるいははんだ付けされていてもよい。もう１つの実施形態によれば、上記のセンサチップおよび／または１つの信号処理チップは、少なくとも部分的にグロブトップポリマー（Polymerverguss）によって覆われている。特にこのセンサチップは、ボンディングワイヤ接続部（複数）を用いて電気的に接続されていてよく、これらのボンディングワイヤ接続部はこのグロブトップポリマーによって覆われている。
特にこのグロブトップポリマーは、それが覆う部分および部品の外部環境に対する保護部を形成することができる。このためこのグロブトップポリマーは、１つのカバー部を形成し、このカバー部は、圧力センサシステムの１つの外面の少なくとも一部を形成してよい。代替として、このグロブトップポリマーは、１つの蓋の下に配設されていてよい。この際このグロブトップポリマーは、追加的にまたは代替として上記のハウジング体または上記の電気的接続部の部分も覆ってよい。このグロブトップポリマーは、さらにこの蓋から離間して配設されていてよい。たとえばこの蓋は、１つの沈下部を備えてよく、この沈下部に上記のセンサチップが配設されており、ここでこのグロブトップポリマーは、この場合、この蓋の沈下部を完全に充填しない。
特にこのグロブトップポリマーは、それが覆う部分および部品の外部環境に対する保護部を形成することができる。このためこのグロブトップポリマーは、１つのカバー部を形成し、このカバー部は、圧力センサシステムの１つの外面の少なくとも一部を形成してよい。代替として、このグロブトップポリマーは、１つの蓋の下に配設されていてよい。この際このグロブトップポリマーは、追加的にまたは代替として上記のハウジング体または上記の電気的接続部の部分も覆ってよい。このグロブトップポリマーは、さらにこの蓋から離間して配設されていてよい。たとえばこの蓋は、１つの沈下部を備えてよく、この沈下部に上記のセンサチップが配設されており、ここでこのグロブトップポリマーは、この場合、この蓋の沈下部を完全に充填しない。
もう１つの実施形態によれば、本発明によるセンサシステムは、上記のセラミックハウジング体のアセンブリ部上に複数のセンサチップを備える。代替としてまたは追加的に、複数の信号処理チップが設けられていてもよい。
１つの好ましい実施形態によれば、本発明によるセンサシステムは、以下のような部品を備える。
−少なくとも１つのケイ素ベースのセンサチップ。
−モノリシックに実装されて形成されており、かつ少なくとも１つのセンサチップ用の少なくとも１つのアセンブリ部を備える、１つのセラミックハウジング体であって、この少なくとも１つのセンサチップが、このセラミックハウジング体と直に結合されているセラミックハウジング体。
−電気的接続部。
−少なくとも１つのケイ素ベースのセンサチップ。
−モノリシックに実装されて形成されており、かつ少なくとも１つのセンサチップ用の少なくとも１つのアセンブリ部を備える、１つのセラミックハウジング体であって、この少なくとも１つのセンサチップが、このセラミックハウジング体と直に結合されているセラミックハウジング体。
−電気的接続部。
もう１つの好ましい実施形態においては、本発明によるセンサシステムは、さらに１つ以上の以下の部品を備える。
−少なくとも１つの信号処理チップであって、上記のハウジング体の少なくとも１つのアセンブリ部上に配設されており、かつ好ましくは上記のハウジング体と直に結合されている、信号チップ。
−１つの蓋。
−少なくとも１つの信号処理チップであって、上記のハウジング体の少なくとも１つのアセンブリ部上に配設されており、かつ好ましくは上記のハウジング体と直に結合されている、信号チップ。
−１つの蓋。
さらなる利点，有利な実施形態，および派生実施例が、図を参照して以下に説明する実施形態例から示される。
これらの実施形態例および図において、同等の、または同等に機能する要素にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。これらの図示された要素およびこれらの大きさの関係はそれぞれ、正確な寸法を示すものでなく、むしろたとえば層，部品，デバイスおよび領域などの個々の要素をより見易くするため、および／またはより理解し易くするために誇張した厚さまたは大きさの寸法で示してある。
図１には、１つの実施形態による１つのセンサシステムが示されており、このセンサシステムは、１つのセラミックハウジング体２の１つのアセンブリ部２０上に取り付けられている、１つのセンサチップ１を備える。このアセンブリ部２０は、ハウジング体２の１つのアセンブリ面上の、このハウジング体２の１つの沈下部によって形成されている。代替として、このアセンブリ部２０は、１つの沈下部の代わりにたとえば隆起部として形成されていてもよい。センサチップ１の、このセラミックハウジング体２のアセンブリ部２０上での取り付けは、１つの結合材料３によって行われ、これによってセンサチップ１はハウジング体２上に直に取り付けられている。
センサチップ１は、ケイ素ベースのセンサチップとして形成されており、このセンサチップは、たとえば加速度，回転速度，圧力，または磁場の測定のために設けられ、構築されている。
ハウジング体２は、３次元形状に成形され、かつモノリシックに形成されている。具体的には、セラミックハウジング体２の製造のために１つのグリーン体が製造され、このグリーン体は既に最終的なハウジング体２の形状を備えており、かつこの形状で材料によっては乾燥および／または脱バインダされ、また焼結される。
ハウジング体２の製造は、とりわけ好ましくは、上記の一般的説明の部分に記載したように、セラミック射出成形技術を用いて行われ、これによって自在に構築可能な幾何形状、およびたとえばセンサチップ１用に組み込まれたアセンブリ部を狙い通りに形成することが可能である。図１に示すハウジング体２の形状は、単に例示的なものと理解すべきであり、他の幾何形状的特徴（複数）および表面構造（複数）または形状（複数）を備えてよく、これらはたとえば他の電子部品（複数），電気的接続部（複数），蓋の設置のため，またはこのセンサシステムの取り付けのために設けられていてよい。
セラミック射出成型技術の代替として、このセラミックハウジング体２は、たとえばＨＴＣＣ多層技術を用いて製造されてもよい。たとえばアセンブリ部２０の生成のために、このハウジング体の構造化は、ここではセラミックシート（複数）の打ち抜き加工によって行われ、これらはセラミックグリーン体の生成のために続いてプレスされ、ハウジング体２の完成のために焼結される。
たとえばこのセラミックハウジング体２用のセラミック材料としてムライトが用いられる場合、上記の射出成型技術またはＨＴＣＣ多層技術によって生成されたグリーン体が、その純度および焼結助剤成分によって、たとえば１５００℃〜１７５０℃の温度範囲で空気中で焼結される。
特にこのセラミックハウジング体２は、センサチップ１の熱膨張係数に合わせられた熱膨張係数を有するセラミック材料を含む。これは具体的には、センサチップ１およびハウジング体２の熱膨張係数が、互いに３０％未満の差であり、好ましくは２０％未満の差であり、とわけ好ましくは１０％未満の差であることを意味している。特に−４０℃以上かつ１５０℃以下の温度範囲における膨張係数が互いに合わせられていてよく、好ましくは−５０℃以上かつ２００℃以下の温度範囲における膨張係数が互いに合わせられていてよい。以上により、このセンサシステムの通常の動作温度で、センサチップ１およびハウジング体２の熱膨張係数が、互いにできる限り小さな差となることを保証することができる。
このセラミックハウジング体２用のセラミック材料として、ムライト，すなわちケイ酸アルミニウムが特に有利であることが判明した。代替としてこのハウジング体２のセラミック材料は、窒化アルミニウム，炭化ケイ素，または窒化ケイ素を含んでもよく、あるいはこれらのセラミック材料の１つ以上から成っていてもよい。ケイ素の領域にある熱膨張係数を有する、センサチップ１の基本的チップ材料として用いられるセラミック材料を適宜選択することにより、センサ信号を誤ったものにしかねない、熱的に誘導される機械的応力を顕著に低減し、あるいは全く避けることができ、有利である。従来技術と比較して、より多くのシステム部品を１つの単一の部品に統合する、ハウジング体２のモノリシックな実装により、このセンサシステムのシステムの複雑さを顕著に低減することができる。これは従来技術と比較して材料およびコストの節約をもたらすものである。
センサチップ１とハウジング体２の熱膨張係数を互いに合わせるために、とりわけ好ましくは、エポキシ樹脂接着剤，ガラスはんだ，または金属はんだのような固い結合材料３が用いられてよい。ガラスはんだまたは金属はんだによる、センサチップ１のセラミックハウジング体２への結合は、とりわけ有利である。このような結合材料は、ポリマーとは対照的に、これらに特有な経年変化を有しておらず、これによりセンサ信号および機械的結合の変化を避けることができる。センサチップ１およびハウジング体２の熱膨張係数が互いに合わせられているので、センサチップ１とハウジング体２との間の結合材料３による直接の堅い結合にも拘らず、センサチップ１において熱的に誘導される、センサ信号に作用しかねない応力の生成を避けることができる。
特に、セラミック射出成型技術を用いて製造されるセラミックハウジング体２の場合においては、ハウジング寸法の非常に高い精度の実装を達成することができる。これによって、追加のシステム部材無しに、センサチップ１の容易かつ標準的な取り付けが可能であり、一方同時に僅かな熱膨張，非常に大きな機械的および化学的堅牢性ならびに非常に長期の安定性を達成することができる。
以下の図においては、センサシステムのさらなる実施形態例が示されており、これらは図１の実施形態例によるセンサシステムの派生実施例および変形例を表している。したがって以下の説明は、主に今までに説明した実施形態例との違いに限定されている。
図２Ａ〜２Ｇは、センサシステムのもう１つの実施形態例のを異なる方向から見た図を示しており、このセンサシステムは、ハウジング体２上に、センサチップ１に追加して、このセラミックハウジング体２のもう１つのアセンブリ部２０上の１つの信号処理チップ７を備え、ここでこのセンサチップ１および信号処理チップ７用のアセンブリ部２０は、沈下部によって形成されている。
この代替として、このセンサシステムは、複数のセンサチップ１および／または複数の信号処理チップ７を備えてもよい。センサチップ１および信号処理チップ７は、それぞれ以下の図では見易さのために示されていない結合材料によって、図１に関連して上記の一般的説明の部分に記載したように、ハウジング体２上に直に取り付けられている。
この代替として、このセンサシステムは、複数のセンサチップ１および／または複数の信号処理チップ７を備えてもよい。センサチップ１および信号処理チップ７は、それぞれ以下の図では見易さのために示されていない結合材料によって、図１に関連して上記の一般的説明の部分に記載したように、ハウジング体２上に直に取り付けられている。
さらにこれらの図２Ａ〜２Ｇに関連して示すセンサシステムは、電気的接続部（複数）４，グロブトップポリマー５および蓋６を備える。
図２Ａおよび２Ｂは、蓋６を用いて封止された状態のセンサシステムの上側および下側を示し、一方図２Ｃは、このセンサシステムの断面図を示す。図２Ｄおよび２Ｅでは、このセンサシステムを、より見易くするために、蓋６を外して示されており、ここで図２Ｅではさらにグロブトップポリマー５が、持ち上げられて示されている。図２Ｆは、こうして開放されたセンサシステムの詳細図を示しており、一方図２Ｇには、このセンサシステムの分解図が示されている。 このセンサシステムは、電気的接続部（複数）４として、配線担体４１，導電路（複数）４２，はんだ結合部（複数）４３，およびボンディングワイヤ（複数）４４の部分を備える。これらの電気的接続部４を介して、センサチップ１は、信号処理チップ７と電気的に導通して接続され、さらにこのセンサシステムの外部電気的接続部が提供されている。導電路４２は、たとえばセラミックハウジング体２上に、たとえば厚膜技術または薄膜技術のようなメタライジング処理を用いて取り付けられてよい。このためハウジング体２のアセンブリ面は、少なくとも領域毎に平坦に実装されており、これにより導電路４２は安価なシルクスクリーン印刷またはスパッタリング技術を用いて堆積することができる。この代替として、ハウジング体２の適合した表面形状では、たとえばタンポン印刷またはディスペンサを用いて導電路の３次元形成が行われてもよい。
ボンディングワイヤ４４を用いて、センサチップ１および信号処理チップ７が導電路４２に電気的に接続される。このセンサシステムの外部接続部のために配線担体４１が設けられており、この部分ははんだ結合を用いて導電路４２の対応する接続部位にはんだ付けされており、その一部は、蓋６を用いて封止されているハウジング体２から突出しており、こうしてこのセンサシステムは配線担体４１のはんだ付けによって電気的に接続することができる。この配線担体４１は、固い回路基板または可撓性の回路基板，打ち抜き格子，すなわちいわゆるリードフレーム，または１つの少なくとも部分的にプラスチックで覆われた打ち抜き格子（Stanzgitter）であってよい。
たとえば軟質はんだ，硬質はんだ，ガラスはんだ，または活性金属ろうのようなものを用いて、導電路４２上およびさらにたとえばハウジング体２の一部の上に配線担体４１を固定することができるが、このようなはんだ付けの代替として、この配線担体４１は接着によって固定することもできる。さらにこの配線担体４１のセラミックハウジング体２への直接の取り付けは、このセラミック体２の対応した構造への嵌めこみ，圧入，またはクランプを用いて行われてよい。このような構造は、上述の方法を用いて、このハウジング体の他の３次元のハウジングの特徴と共に生成することができる。たとえば、上記の配線担体４１は、凹部（複数）を備えることも可能であり、これらの凹部を通り、セラミック体２および／または蓋６の一部に食い込んで、この配線担体４１を拘束あるいは固定する。
蓋６は、セラミック基体２の、センサチップ１が配設されているアセンブリ面を封止するために用いられる。この蓋６は、たとえばプラスチック，金属，またはセラミックから成ってよく、または少なくともこれらの材料の１つ以上を含んでよい。ここに示す実施形態例においては、この蓋６は、具体的にはプラスチック材料から製造されている。この蓋６のハウジング体２上への固定のために、このハウジング体２は凹部（複数）を備えてよく、この凹部の中へ蓋６の一部が？み込みまたは食い込み、こうして蓋６のハウジング体２への機械的拘束部７１が形成される。
蓋６は、ハウジング体２のアセンブリ面の上に延伸する１つの沈下部を備える。この蓋６の沈下部において、少なくともセンサチップ１および／または電気的接続部４および／または信号処理チップ７および／またはハウジング体２の上にグロブトップポリマー５が配設されており、このグロブトップポリマーはこれが覆っている面または部材の保護または安定化のために用いられている。図２Ｃに示すように、この際このグロブトップポリマー５は蓋６から離間して配設されており、こうして蓋６の沈下部はこのポリマーで完全には充填されていない。特にボンディングワイヤ接続部は、この安定化のためのポリマーによって覆われていなくてよい。
ここに示す実施形態例の代替として、この圧力センサシステムは、グロブトップポリマー５のみを備え、全く蓋を備えなくともよい。この場合このグロブトップポリマー５は、覆われた部分および部品の外部環境に対する保護部を形成することができる。このためこのグロブトップポリマー５は、１つのカバー部を形成し、このカバー部は、この圧力センサシステムの１つの外面の少なくとも一部を形成してよい。
図３Ａ〜３Ｆに関連して、上記の実施形態例の変形例である、センサシステムのもう１つの実施形態例が示されている。図３Ａおよび３Ｂには、ここでもこのセンサシステムの上側および下側を示し、一方図３Ｃは、このセンサシステムの断面図である。図３Ｄには、蓋６が外されたセンサシステムが示されており、一方図３Ｅには、開放されたセンサシステム詳細図がグロブトップポリマー５無しで示されている。図３Ｆは、このセンサシステムの分解図を示す。
これまでの実施形態例と比較して、図３Ａ〜３Ｆに示すセンサシステムは、アセンブリ部（複数）２０を有する１つのハウジング体２を備え、これらのアセンブリ部は隆起部として形成されている。これらのアセンブリ部２０上には、それぞれ１つのセンサチップ１および１つの信号処理チップ７が配設されており、これらはボンディングワイヤ４４を介して互いに電気的に接続されている。ボンディングワイヤの保護のために、これらのチップ１，７の上で、これらはそれぞれ１つの個別のグロブトップポリマー５で覆われている。電気的接続部４は、これまでの実施形態例と比較して、上記のアセンブリ面に向いていないハウジング体２の下面上に、配線担体４１および導電路４２の部分を備える。これらのチップ１，７との電気的接続は、金属ビア（複数）４５を介して行われ、これらのビアは、その下面からハウジング体２を貫通して、アセンブリ部２０を貫通するまで達している。
蓋６のハウジング体２上への固定のために、厚膜メタライジング部７２が、このハウジング体２上に設けられている。この厚膜メタライジング部は、蓋６をこのハウジング体２とはんだ付けするために用いられる。この代替として、蓋６は、たとえば接着剤を用いてハウジング体２上に固定されてもよい。
以上の図に示す、本発明によるセンサシステムの実施形態例は、これらの図示された特徴に限定されるものでなく、上述の一般的説明の部分における実施形態による、さらなる特徴あるいは代替の特徴を備えてよい。
本発明は、実施例を参照した上記の記載によってこれらに限定されない。
むしろ本発明はいかなる特徴およびいかなる特徴の組み合わせ、とりわけ請求項における特徴のあらゆる組み合わせを含んでいる。また、特徴またはこれらの組み合わせ自体が請求項または実施例に顕わに示されていない場合も含んでいる。
１ ： センサチップ
２ ： ハウジング体
３ ： 結合材料
４ ： 電気的接続部
５ ： グロブトップポリマー
６ ： 蓋
７ ： 信号処理チップ
２０ ： アセンブリ部
４１ ： 配線担体
４２ ： 導電路
４３ ： はんだ結合部
４４ ： ボンディングワイヤ
４５ ： ビア
７１ ： 機械的拘束部
７２ ： 厚膜メタライジング部
２ ： ハウジング体
３ ： 結合材料
４ ： 電気的接続部
５ ： グロブトップポリマー
６ ： 蓋
７ ： 信号処理チップ
２０ ： アセンブリ部
４１ ： 配線担体
４２ ： 導電路
４３ ： はんだ結合部
４４ ： ボンディングワイヤ
４５ ： ビア
７１ ： 機械的拘束部
７２ ： 厚膜メタライジング部
Claims (15)
- １つのセラミックハウジング体（２）の１つのアセンブリ部（２０）上に取り付けられた１つのセンサチップ（１）を有するセンサシステムであって、
前記ハウジング体（２）は、３次元形状に成形され、かつモノリシックに形成されており、かつ−４０℃以上かつ１５０℃以下の温度範囲において、前記センサチップ（１）の熱膨張係数との差が３０％より小さい熱膨張係数を有するセラミック材料を用いて形成されていることを特徴とするセンサシステム。 - 前記センサチップ（１）はケイ素ベースであることを特徴とする請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記セラミック材料はムライトを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサシステム。
- 前記セラミック材料は、窒化アルミニウム，炭化ケイ素および／または窒化ケイ素を含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記セラミック材料はムライト，窒化アルミニウム，および／または窒化ケイ素の内の１つ以上から成ることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記ハウジング体（２）の熱膨張係数と前記センサチップ（１）の熱膨張係数とは、−５０℃以上かつ２００℃以下の温度範囲において、互いに３０％未満の差となっており、好ましくは２０％未満の差となっており、とりわけ好ましくは１０％以下の差となっていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記ハウジング体（２）は、平坦でない３次元の表面形状をアセンブリ面上に備え、かつ前記アセンブリ部（２０）は、当該ハウジング体（２）の隆起部または沈下部によって形成されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記ハウジング体（２）のもう１つのアセンブリ部（２０）上には、１つの信号処理チップ（７）が取り付けられていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記センサチップ（１）は、固い結合材料（３）を用いて、前記アセンブリ部（２０）上に直に取り付けられており、当該結合材料は、ガラスはんだ，金属はんだ，またはエポキシ樹脂接着剤から形成されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記センサチップ（１）は、柔軟な結合材料（３）を用いて、前記アセンブリ部（２０）上に直に取り付けられており、当該結合材料はシリコーン接着剤から形成されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記ハウジング体（２）は、セラミック射出成型技術またはＨＴＣＣ多層技術を用いて、３次元形状に成形され、かつモノリシックに形成されていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記センサシステムは、少なくとも前記センサチップ（１）の電気的接続のために、電気的接続部（４）を前記ハウジング体（２）上および／または前記ハウジング体（２）内に備え、当該電気的接続部は、
配線担体（４１），導電路（４２），ボンディングワイヤ（４４），金属ビア（４５）の内の１つ以上の部材を備えることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のセンサシステム。 - 前記センサチップ（１）は、ボンディングワイヤ接続部（４４）を用いて電気的に接続されており、当該ボンディングワイヤ接続部は、グロブトップポリマー（５）によって覆われていることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記センサシステムは、前記センサチップ（１）の上に、前記ハウジング体（２）上に固定されている蓋（６）を備えることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のセンサシステム。
- 前記蓋（６）は、前記ハウジング体（２）上に、接着，はんだ付け，または機械的拘束部（７１）によって固定されていることを特徴とする請求項１４に記載のセンサシステム。
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