KR20050014871A - 실리콘 막과 납땜층을 포함하는 고압 센서 - Google Patents

실리콘 막과 납땜층을 포함하는 고압 센서

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KR20050014871A
KR20050014871A KR10-2004-7020820A KR20047020820A KR20050014871A KR 20050014871 A KR20050014871 A KR 20050014871A KR 20047020820 A KR20047020820 A KR 20047020820A KR 20050014871 A KR20050014871 A KR 20050014871A
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pressure
pressure sensor
semiconductor
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KR10-2004-7020820A
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마스트마틴
로게베르트홀트
하비비마조우트
카이져랄프
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 압력 측정, 특히 고압 측정을 위한 장치에 관한 것으로서, 하우징 내에 배치되고, 센서 요소의 제1면 상에서 센서 막을 갖고, 제1면의 반대편에 위치하는 제 2면 상에서 리세스를 구비하는 압력 센서를 포함한다. 상기 리세스는 제2면에서 센서 막까지 연장한다. 상기 압력 센서는 반도체 압력 센서로서 형성되고, 제1 압력 채널부를 구비하는 지지부 바로 위의, 리세스를 둘러싸는 제2면에 납땜층을 통하여 납땜된다. 제1 압력 채널부와 리세스는 서로 연결된다.

Description

실리콘 막과 납땜층을 포함하는 고압 센서{HIGH-PRESSURE SENSOR COMPRISING SILICON MEMBRANE AND SOLDER LAYER}
압력 측정을 위한 이러한 장치는, 예컨대 독일 특허 제100 14 992 A1호에 개시되어 있다. 여기에 개시된 고압 센서는 리세스를 갖는 금속 압력 측정 셀을 압력 센서로서 사용한다. 센서 요소와 측정막은 금속 압력 측정 셀의 한 면에 형성된다. 반대편에 위치한 제2면에서는, 압력 측정 셀이 센서 장치의 연결부 상에 납땜된다. 평가 회로는 별도의 전도성 기판 또는 하이브리드(Hybrid) 상에 배열되고, 압력 측정 셀의 상부면 상의 센서 요소와 전기적으로 연결된다. 이러한 장치로써 140 바아(bar) 이상의 고압을 측정할 수 있다.
또한, 예컨대, 독일 특허 제197 31 420 A1호에는 상부면 상에 센서 요소와 분석 회로를 구비하고 유리 소켓 상에 장착되는, 반도체 압력 센서인 실리콘 칩을 갖는 압력 측정을 위한 장치가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 압력 센서는 기계적으로 큰 압력이 작용할 경우 유리 또는 실리콘 칩이 파손될 수 있기 때문에, 70 바아 이하의 상대적으로 작은 압력만을 측정할 수 있다.
본 발명은 독립 청구항 제1항의 전제부에 기재된 특징을 갖는 압력 측정을 위한 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되고, 후술하는 설명에 의해 구체하된다.
도1은 본 발명의 제1 실시예의 단면도이다.
도2는 도1의 선II-II을 따른 도1의 실시예의 단면도이다.
도3은 도1의 확대된 상세도이다.
도4는 다른 실시예의 확대된 상세도이다.
도5는 압력 센서 모듈로서 형성된 본 발명의 다른 실시예의 도면이다.
도6은 내부에 정렬된 도5의 압력 센서 모듈을 포함하는 압력 센서의 도면이다.
청구항 제1항의 주요한 특징을 포함하는 압력 측정을 위한 본 발명에 따른 장치는 상부면 상에 센서 요소와, 예컨대 집적 회로와 같은 추가의 평가 회로가 형성되는 반도체 칩을 포함하는 압력 센서를 사용함으로써, 70 바아 이상의 고압 측정을 가능케 한다. 종래의 기술에서 소요되는 비용, 즉 종래의 고압 측정 센서에서의 금속 압력 측정 셀의 센서 요소의 절연을 위한 비용이 양호하게 절감된다. 반도체 칩 상의 센서 요소와 평가 회로의 조합을 통하여 장치의 보다 높은 집적도가 양호하게 달성될 수 있다. 또한, 제1 압력 채널부를 갖는 지지부 상의 반도체 칩을 둘러싸는 경계 영역의 리세스에 반도체 칩을 직접 납땜하여, 제1 압력 채널부와 리세스를 서로 연결시킴으로써, 반도체 칩과 지지부 사이의 내고압성의 결합이 양호하게 달성된다.
본 발명의 양호한 실시예와 추가적인 변경이 종속항에 명시된 특징에 의하여 가능해진다.
압력 센서는 실리콘과 같은 반도체 재료로 일체로 형성될 수 있다. 센서 막과 센서 요소를 구비하는 제1 반도체 구조 및 단단히 결합된 결합 영역 위에 이들을 구비하며 지지부 상에 납땜된 제2 반도체 구조로 이루어진 적층 구조를 사용하는 것이 특히 양호하다. 제2 반도체 구조를 통해서 열적, 기계적 스트레스 부하가 센서 요소에 도달하여 이를 손상시키는 것을 광범위하게 방지할 수 있다. 이로써 장치의 신뢰성과 내구성이 향상될 수 있다. 제1 반도체 구조와 제2 반도체 구조는 양호하게는 실리콘으로 구성될 수 있다. 결합 영역은 금과 실리콘의 공융 영역(eutectic zone)으로 이루어질 수 있다.
반도체 칩과 지지부 사이의 열적 스트레스를 줄이기 위해서는 납땜 층이 반도체 재료에 보다 적합한, 주석-납 땜납보다 작은 열팽창율을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, AuSn20-땜납의 사용이 바람직하다.
지지부는 양호하게는, 압력 센서의 반도체 재료에 적합한 열팽창율을 갖는다. 지지부는 금속 합금, 예컨대 철-니켈(상품명 Invar) 또는 철-니켈-코발트(상품명 Kovar) 합금으로 구성될 수 있다.
압력 센서에 대하여 반응성 이온 에칭(트렌치(trench) 에칭)을 실행함으로써 반도체 압력 센서 내에 리세스를 형성하는 것이 특히 양호하다. 이로써, 큰 압력부하 스트레스를 형성하고, 파손을 발생시키는 급격한 변화와 균열을 피할 수 있다.
나아가, 장치가 센서 하우징을 갖고, 통로 구멍을 구비하는 센서 하우징의 제1 센서 하우징부의 외부면에는 통로 구멍을 덮는 연결부가 별도의 구성요소로서 고정되고, 센서 하우징 내에 배열된 지지부는 통로 구멍을 관통하여, 예컨대, 레이저 용접에 의해 연결부와 결합되는 것이 양호하다. 이는 이러한 구조로써 연결부와 지지부 사이의 열적, 기계적 스트레스를 크게 감소시킬 수 있기 때문이다.
원주 칼라가 통로 구멍을 향한 연결부의 면에서 연결부 내에 형성되는 제2 압력 채널부 주위에 배열되고, 지지부가 연결부를 향하는 면에서 칼라에 맞물리는 접합부를 구비하고, 접합부 내에서 제1 압력 채널부가 연장되도록 함으로써 접합부와 지지부 사이의 열적, 기계적 스트레스가 더욱 감소된다. 이와 관련하여, 접합부가 지지부의 외경보다 분명히 작은 외경을 가져서, 지지부와 접합부의 결합 영역이 더욱 작게 형성되는 것이 특히 바람직하다.
더욱 바람직한 실시예에서는, 압력 센서, 지지부 및 지지부 상에 부착된 덮개부가 압력 센서 모듈을 형성하고, 덮개부와 지지부는 압력 센서를 유지하는 폐쇄된 모듈 하우징을 형성하고, 접합부가 지지부에 고정되거나, 지지부와 일체로 결합되고, 그 내부에서 제1 압력 채널부가 연장된다. 모듈 구조는 압력 센서의 조정 시 장착 전에 작동하지 않도록 선별된 압력 모듈로서 원래의 센서 하우징 내에서 선별될 수 있다는 장점이 있다.
도1과 도2는 압력 측정을 위한 본 발명에 따른 장치의 제1 실시예를 도시한다. 반도체 압력 센서(10)는 소켓 형태의 지지부(5) 상에 납땜된다. 도3은 소켓(5) 상에 납땜되는 반도체 압력 센서의 확대된 상세도이다. 반도체 압력 센서(10)는 특히 실리콘 칩으로서 구성되고 상부면(15) 상에 센서 요소(12)를 구비한다. 하부면 내에 위치되는 리세스(14) 상에 걸쳐있는 상부면의 중심부는 센서 막(11)으로서 기능하고, 센서 요소(12)는 얇은 센서 막(11)의 압력 부하로부터 야기되는 변형을 검출한다. 센서 요소(12)에 추가로 도시되지 않은 평가 회로가 반도체 압력 센서(10)의 상부면(15) 상에서 센서 막(11) 주위에 배열될 수 있다. 리세스(14)는 반응성 이온 에칭(트렌치(trench)-에칭)을 통해서 압력 센서 내에 형성되는 것이 바람직하다. 이로써 리세스(14)의 내벽에는 부드러운 전환부가 형성되고, 고압 부하 시에 균열을 형성할 수 있는 날카로운 모서리를 피할 수 있게 된다. 반도체 압력 센서는 지지부(5)의 상부면(55) 상에서, 리세스(14)를 둘러싸는 하부면(16)의 경계 영역(16a)에 직접 납땜된다. 상부면(55)은 압력 센서(10)를 중심에 위치시키기 위하여 원주 칼라(56)에 의해 둘러싸인다.
반도체 압력 센서(10)와 지지부(5) 사이의 열적 스트레스를 줄이기 위하여, 지지부(5)는 실리콘의 열팽창율에 적합한 재료, 양호하게는 철-니켈 합금(상품명: Invar) 또는 철-니켈-코발트 합금(상품명: Kovar)으로 제작된다. 반도체 압력 센서(10)와 지지부(5) 사이의 납땜층(13)은 매우 작은 열팽창율, 양호하게는 종래의 주석-납 땜납보다 분명히 작은 열팽창율을 갖는다. AuSn20 땜납을 사용하는 것이 특히 바람직하다. 도3에서 알 수 있듯이, 리세스(14)는 지지부(5) 내에 정렬되는 제1 압력 채널부(51)와 연결되어서, 리세스(14)를 향하는 센서 막(11)의 하부면이 제1 압력 채널부(51)를 통해 압력에 의해 가압된다.
또 다른 실시예에서는, 반도체 압력 센서(10)는 그 상부면(15) 상에 센서 요소(12)가 배치되고, 센서 요소(12)로부터 멀리 떨어진 면 상에서 제2 반도체 구조(19)와 결합하는 제1 반도체 구조(17)를 갖는다. 제1 및 제2 반도체 구조는 실리콘으로 형성될 수 있는데, 이들 반도체 구조의 결합 영역(18)은 양호하게는 금과 실리콘의 공융 영역으로 이루어진다. 제2 반도체 구조(19)는 제1 반도체 구조(17)로부터 먼, 지지부(5) 상의 면(16)에 납땜된다. 이러한 실시 형태에서는 제2 반도체 구조가 제1 반도체 구조를 위한 보호막으로서 기능하는 것이 특히 바람직하다. 열적 기계적 스트레스는 초기에는 지지부로부터 제2 반도체 구조에만 전달된다. 이를 통하여 센서 요소(12)와 센서 막(11)이 양호하게 보호된다.
도1에서 알 수 있듯이, 소켓 형태의 지지부(5)는 예컨대, 스테인레스 재질의 금속 연결부(4)를 갖는, 반도체 압력 센서(1)로부터 멀리 떨어진 면에 레이저 용접에 의해 결합된다. 연결부(4)는 볼트 연결부로서 형성되고, 별도의 부재로서 금속의 제1 센서 하우징부(3)의 외부면(32) 상에 용접된다. 따라서, 연결부(4)는 제1 센서 하우징부(3) 내의 중심 통로 구멍(31)을 덮는다. 제1 센서 하우징부(3)의 주위벽은 도2에서 가장 잘 알 수 있듯이, 정육각형을 형성한다.
대략 실린더 형으로 형성되는 지지부(5)는 통로 구멍(31)보다 작은 직경을 갖는다. 반도체 압력 센서(10)로부터 먼, 지지부(5)의 면에는 접합부(52)가 형성되며, 그 내부에는 제1 압력 채널부(51)가 중앙에 삽입된다. 연결부(4)는 통로 구멍(31)을 향한 면에서 원주 칼라(42)를 갖고, 이 원주 칼라(42)는 연결부(4) 내에 배열된 제2 압력 채널부(41) 주위에 원주형으로 배열된다. 지지부(5)는 칼라(42)내에서 접합부(52)에 끼워져서 이에 용접된다. 또한, 지지부(5)는 제1 센서 하우징부(3)의 통로 구멍(31)을 통해 끼워질 수 있고, 연결부는 영역(43)에서 제1 센서 하우징부(3)의 외부면(32)에 용접될 수 있다. 작동 시, 제2 압력 채널층(41)으로부터 제1 압력 채널부(51)로, 또한 여기서부터 반도체 압력 센서의 하부면의 리세스(14)로 압력이 수송된다.
본 실시예에서, 외부면(32) 반대측의, 제1 센서 하우징부(3)의 면 상에 용접되는 천공 만곡부(6)가 제공된다. 천공 만곡부(6)는 개구(61)를 구비하고, 이를 통하여 지지부(5)가 안내된다. 제1 센서 하우징부(3)로부터 먼, 천공 만곡부(6)의 면 상에는 리세스(71)를 구비하는 도전성 기판(7) 또는 하이브리드 또는 상응하는 부재가 배치되고, 이 리세스(71)를 관통하여 지지부(5)가 안내된다. 반도체 압력 센서(10)는 도시되지 않은 결합 와이어로 도전성 기판(7) 상에서 도전성 채널(72)에 연결된다. 도전성 기판(7)의 접속면(73)은 접촉 스프링요소(9)에 의하여 전기 접속요소(8)에 연결되고, 예컨대, 플라스틱으로 형성되는 제2 센서 하우징부(2) 내에 위치되는데, 이 제2 센서 하우징부(2)는 천공 만곡부(6) 상에 장착된다. 도1에 도시된 실시예에서, 천공 만곡부는 도전성 채널을 구비하는, 천공 만곡부 상에 장착되는 도전성 기판의 상부면이 반도체 센서(10)의 상부면과 대략 동일 평면 상에 배열되도록 만곡된다. 접속요소(8)는 커넥터(23)로부터 센서 하우징(1)의 내부로 안내된다. 천공 만곡부의 외부 영역은 홈 형상의 외형부(62)를 갖고, 그 내부에 제2 센서 하우징부(2)의 실린더 형상의 벽(22)이 끼워진다. 외형부(62) 내에서의 밀봉 결합에 의해 제2 센서 하우징부(2)는 천공 만곡부(6)를 향해 밀봉된다. 제1센서 하우징부(3), 제2 센서 하우징부(2), 이들 사이에 위치된 천공 만곡부(6) 및 연결부(4)는 폐쇄된 센서 하우징(1)을 형성하고, 이 내부에 지지부(5)와 압력 센서(10)가 배열된다.
제2 센서 하우징부(2)도 제1 센서 하우징부(3)에 직접 연결될 수 있고, 천공 만곡부가 제거될 수 있다. 천공 만곡부(6) 내의 개구(61)를 확장하고, 천공 만곡부를 링 형상으로 형성하고, 도전성 기판(7)을 제1 센서 하우징부(3) 상에 장착함으로써 도전성 기판이 천공 만곡부 내의 확장된 개구에 끼워 넣어지도록 하는 것도 가능하다.
압력 측정을 위한 장치의 또 다른 실시예가 도5에 도시된다. 이 실시예에서 금속 지지부(5)는 모듈 하우징의 하우징 바닥을 형성하고, 여기에 반도체 압력 센서(10)가 위치된다. 본 실시예의 반도체 압력 센서(10)는 두 개의 반도체 구조를 갖는 도4의 실시예와 유사하고, 지지부(5) 상의 홈(55) 내부에서 제2 반도체 구조(19)에 납땜된다. 핀 형상의 전기 접촉요소(62)는 유리 부싱(63) 내에서 용융결합되고, 이러한 유리 부싱은 지지부(5)의 통로 구멍(56) 내에 위치된다. 지지부(5)의 중심 구멍(57) 내에, 중공 실린더형 접합부(52)가 위치되고, 그 내부에서 제1 압력 채널부(51)가 연장된다. 접합부(52)는 지지부와 일체로도 형성될 수 있다. 압력 센서(10)는 결합 와이어(64)에 의하여 핀 형상의 접촉요소(62)에 연결된다. 지지부(5) 상에 장착되는 덮개부(61)는 지지부(5)와 함께 폐쇄된 모듈 하우징(66)을 형성한다. 압력 센서(10)가 기준압력을 측정할 수 있도록, 덮개부(61)와 지지부(5) 사이의 기준압력량 (예컨대, 진공)이 밀봉되는 것이 바람직하다.
도5에 도시된 압력 센서 모듈(66)은 제6도에 도시된 것 처럼, 센서 하우징(1) 내에 배치된다. 이로써, 압력 센서 모듈(66)은 도전성 기판(7) 상에 장착된다. 전기접촉요소(62)는 도전성 기판(7)의 도전성 채널에 예컨대, 납땜에 의하여 결합되는 반면, 접합부(52)는 도전성 기판의 개구를 관통하여 안내되고, 센서 하우징(1)의 연결부(4)의 칼라(42) 내에 장착되고, 도1의 실시예와 같이, 칼라에 용접된다. 연결부(4)는 제1 센서 하우징부(3)에 배치된다. 플라스틱으로 만들어지는 제2 센서 하우징부(2)는 대략 실린더 형상의 금속 부시(26)에 결합되고, 제2 센서 하우징부(2)로부터 먼 금속 부시의 단부는 만곡된 모서리부(28)를 갖고, 이 모서리부는 제1 센서 하우징부(3)에 용접된다. 밀봉 결합재(27)는 금속 부시(26)와 제1 센서 하우징부(2)의 결합 영역을 밀봉한다. 전기 접속요소(8)는 제2 센서 하우징부(2)에 의하여 센서 하우징(1)의 내부로 안내되고 도전성 기판(7)에 전기적으로 연결된다. 결합재(67)는 압력 센서 모듈(66)의 덮개부(61)를 제2 센서 하우징부(2)의 내부면에 결합시킨다.

Claims (14)

  1. 하우징(10) 내에 배치되고, 제1면(15) 상에 센서 요소(12)와 센서 막(11)을 구비하고 제1면에 대향하여 위치하는 제2면(16) 상에 제2면(16)으로부터 센서 막(11)까지 연장하는 리세스(14)를 구비하는 압력 센서(10)를 포함하는 압력 측정, 특히 고압 측정용 장치에 있어서,
    압력 센서(10)는 반도체 압력 센서로서 형성되고, 제1 압력 채널부(51)를 구비하는 지지부(5) 상에서, 리세스(14)를 둘러싸는 제2면(16)의 경계 영역(16a)에 납땜층(13)에 의해 납땜되어, 제1 압력 채널부(51)와 리세스(14)는 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 압력 측정용 장치.
  2. 제1항에 있어서, 압력 센서(10)는 반도체 재료로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 압력 센서(10)는 센서 막(11)과 센서 요소(12)를 구비하는 제1 반도체 구조(17) 및 단단히 결합된 결합 영역(18) 위에 이들을 구비하며 지지부(5) 상에 납땜된 제2 반도체 구조(19)를 포함하는 적층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 제1 반도체 구조(17)와 제2 반도체 구조(19)는 실리콘으로구성되고 결합 영역(18)은 금과 실리콘의 공융 영역을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 납땜층(13)은 주석-납 땜납보다 작은 열팽창율을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 지지부(5)는 압력 센서(10)의 반도체 재료에 적합한 열팽창율을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제5항에 있어서, 납땜층(13)은 AuSn20으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항에 있어서, 지지부(5)는 실리콘의 열팽창율에 적합한 재료로 구성되고, 양호하게는 철-니켈 합금 또는 철-니켈-코발트 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 리세스(14)는 압력 센서에 대하여 반응성 이온 에칭을 실행함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 센서 하우징(1)을 갖고,
    통로 구멍(31)을 구비한 센서 하우징의 제1 센서 하우징부(2)의 외부면(32)에는 통로 구멍(31)을 덮는 연결부(4)가 고정되고,
    센서 하우징 내에 배열되는 지지부(5)는 통로 구멍(31)을 관통하여 연결부(4)와 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제11항에 있어서, 지지부(5)는 연결부(4)에 용접되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 원주 칼라(42)는 통로 구멍(31)을 향한 연결부(4)의 면에서 연결부(4) 내에 형성되는 제2 압력 채널부(41) 주위에 배열되고, 지지부(5)는 연결부(4)를 향하는 면에서 칼라(42)에 맞물리는 접합부(52)를 구비하고, 접합부(52) 내에서 제1 압력 채널부(51)가 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 접합부(52)는 지지부(5)의 외경보다 분명히 작은 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 압력 센서(10), 지지부(5) 및 지지부(5) 상에 장착된 덮개부(61)가 압력 센서 모듈(66)을 형성하고,
    덮개부(61)와 지지부(5)는 압력 센서(10)를 유지하는 폐쇄된 모듈 하우징을 형성하고,
    접합부(52)가 지지부(5)에 고정되거나, 지지부(5)와 일체로 결합되고, 그 내부에서 제1 압력 채널부(51)가 연장되는 것을 특징으로 하는 장치.
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