WO2005029008A2 - Heissfilmluftmassensensor mit durchkontaktierungen am sensorchip - Google Patents

Heissfilmluftmassensensor mit durchkontaktierungen am sensorchip Download PDF

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WO2005029008A2
WO2005029008A2 PCT/EP2004/052037 EP2004052037W WO2005029008A2 WO 2005029008 A2 WO2005029008 A2 WO 2005029008A2 EP 2004052037 W EP2004052037 W EP 2004052037W WO 2005029008 A2 WO2005029008 A2 WO 2005029008A2
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sensor
sensor chip
air mass
chip
hot film
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Uwe Konzelmann
Tobias Lang
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Definitions

  • a defined air mass must be supplied in many processes.
  • this includes combustion processes that take place under controlled conditions, such as the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles with subsequent catalytic exhaust gas purification.
  • Hot film air mass sensors are used to measure the air mass flow rate.
  • the connections to the electronics required for data acquisition and power supply to the heating resistor are implemented using thin wire bonds.
  • the thin wire bonds are accommodated on the top of the sensor chip containing the sensor membrane. So that the thin wire bonds do not disturb the flow over the sensor membrane and are protected against the air flow, they are arranged outside the measuring range. This means that the surface of the sensor chip is largely unused compared to the measuring range.
  • the hot film air mass sensor with electrical contacting by means of thin wire bonds has the disadvantage that the measuring channel is sealed against the environment is difficult to realize. Sealing is currently carried out using a sealing adhesive directly on the sensitive sensor chip.
  • a hot film air mass sensor for measuring the air mass throughput comprises a sensor chip with a sensor membrane.
  • the temperature sensors are preferably designed as resistance thermometers.
  • the heating element and the second temperature sensor are arranged in the flow direction of the air.
  • the air mass can be determined with known heating power of the heating element.
  • the heating element is preferably designed in the form of an electrical resistance heater. This ensures that a constant heat flow can be emitted.
  • the voltage supply of the heating element and the acquisition of the measurement data of the temperature sensors takes place with the help of electronics, which is arranged outside the measurement channel.
  • conductor tracks are formed in a carrier structure that receives the sensor chip.
  • plated-through holes are provided in the sensor chip, through which the conductor tracks are guided to the underside of the sensor chip. The contact with the carrier structure is made on the underside of the sensor chip.
  • the vias are in the form of small holes, which are preferably produced by an etching process.
  • a via is preferably provided for each conductor track, although it is also possible to run a plurality of conductor tracks through one via.
  • the conductor tracks on the sensor chip are preferably made of platinum.
  • the generation of the conductor tracks on the sensor chip can e.g. by deposition processes. In order to avoid disturbances in the air flow over the sensor chip, it is possible to seal the vias with an adhesive.
  • a cavern is formed under the sensor membrane, which comprises the heating element and the temperature sensors.
  • the membrane is applied to a support structure.
  • the etching structure can either be in the form of a column structure or in the form of a porous structure.
  • the plated-through holes for contacting the heating element and the temperature sensors are preferably arranged next to the sensor membrane, in particular in the case of sensor chips with a comparatively high chip thickness, an auxiliary cavity can be attached in the area of the din contacts on the underside.
  • the contacts from the sensor chip to the conductor tracks of the support structure in a sensor chip with a cavern under the sensor membrane are preferably arranged around the cavern on the underside. This is possible because the contacts on the underside of the sensor chip do not influence the flow on the top.
  • the arrangement of the contacts around the cavern on the underside of the sensor chip means that the sensor chip can be made smaller. As a result, the manufacturing costs for the chip are reduced.
  • the contacts can also be arranged circumferentially along the edge of the sensor chip on the underside.
  • the sluice structure preferably only takes up part of the thickness of the sensor chip, in the case of a sensor chip with a sluice structure below the sensor membrane, the contacts can also be arranged directly below the membrane on the underside of the sensor chip. This also reduces the required sensor chip area. In addition, the area on the sensor chip surface that was previously intended for the sealing adhesive is no longer required.
  • the sealing adhesive is required in hot film air mass sensors according to the prior art in order to seal the measuring channel with the sensor chip against the environment. According to the invention, the seal between the measuring channel and an electronics room is realized as an adhesive between two plastic parts, namely the support structure and the measuring channel wall.
  • the contact contacts are preferably produced by an etching process. They can take any form that can be produced using the etching process.
  • a separate plated-through hole is preferably provided for each conductor track on the sensor chip. However, it is also possible to route several conductor tracks through one via. If a plurality of conductor tracks are passed through a via, the via is preferably designed as a slot. Furthermore, the plated-through hole can be used when several conductor tracks are being carried out, e.g. also be star-shaped or canart-shaped.
  • the electrical contacting of the sensor chip and carrier structure is preferably carried out by soldering beads or by gluing using anisotropic conductive adhesive.
  • An anisotropic the conductive adhesive is an adhesive on an electrically insulating basis that is filled with electrically conductive particles. In the round state, the adhesive is not electrically conductive in any direction since the particles do not touch each other. The electrically conductive particles come into contact with one another as a result of pressure and the associated compression of the adhesive. This creates an electrically conductive connection.
  • elevations are provided at the contact points between the sensor chip and the support structure either in the conductor tracks on the sensor chip or in the conductor tracks on the electrical carrier structure.
  • the surveys can also be applied in the form of solder bumps on the conductor tracks.
  • any other type of contact known to the person skilled in the art is also conceivable.
  • FIG. 1 shows a section through a hot film air mass sensor in a measuring channel with subsequent electronics room
  • FIG. 2 shows a section through a sensor chip and part of a carrier structure of a hot-film air mass sensor with a cavern below the sensor membrane
  • FIG. 3 shows an underside of a sensor chip designed according to the invention
  • FIG. 4 shows a section through a sensor chip and part of a carrier structure of a hot-film air-mass sensor with a set tracing below the sensor membrane.
  • FIG. 1 shows a section through a hot film air mass sensor according to the invention in a measuring channel.
  • a hot film mass sensor 1 measures the air mass flow flowing through a measuring channel 2.
  • the hot film air mass sensor comprises a sensor chip 3, which is received in a receptacle 4 of a carrier structure 5.
  • the air mass flow flows around the hot film air mass sensor 1 in the direction of flow indicated by reference number 6 into the plane of the drawing.
  • the support structure 5 is aerodynamically designed on the inflow side. For this, e.g. semicircular, parabolic or elliptical profiles.
  • the sensor chip 3 comprises a sensor membrane 8 on which at least one heating element and two temperature sensors are arranged transversely to the direction of flow 6 of the air.
  • a temperature sensor in the flow direction 6 is attached in front of the heating element and a temperature sensor behind the heating element.
  • the air mass flow is determined from the temperature difference between the first temperature sensor and the second temperature sensor when a constant heat flow emitted by the heating element is supplied.
  • Temperature sensors that work as resistance thermometers are preferably used as temperature sensors on the sensor membrane 8. Such a resistance thermometer is e.g. a PT 100.
  • the voltage supply and the acquisition of the measurement data from the heating element and the temperature sensors takes place via chip-side conductor tracks 9, which are preferably made of platinum.
  • a cavern 10 is formed under the sensor membrane 8.
  • the cavern 10 can e.g. are produced by an etching process in the sensor chip 3, which is preferably made of silicon.
  • At least one plated-through hole 11 is accommodated in the sensor chip 3 in order to guide the chip-side conductor tracks 9 from the top 7 of the sensor chip 3 to the bottom 12 of the sensor chip 3.
  • a separate via contact 11 is preferably formed for each chip-side conductor track 9.
  • 5 conductor tracks 13 are formed in the support structure, which lead to an outside of the measurement channel 2, in an electronics room 14 lying evaluation electronics.
  • the conductor tracks 13 in the carrier structure 5 are preferably introduced using MID technology.
  • MID is the abbreviation for molded interconnect device. This means that during the manufacturing process of the carrier structure 5, which is preferably made of plastic, the conductor tracks 13 are also injected.
  • the conductor tracks 13 are introduced into the carrier structure 5 in such a way that contact can be made on the bottom 15 of the receptacle 4.
  • the conductor tracks 13 run from the contact on the bottom 15 of the receptacle 4, preferably along the upper side 18 of the support structure 5, but can also be guided through the support structure 5 as shown in FIG. 1 and run on the underside of the support structure 5.
  • the smallest possible size of the sensor chip 3 is achieved in that the contacts from the sensor chip 3 to the carrier structure 5 are preferably attached to the edge of the sensor chip 3 on the underside 12 of the thickened areas 16 surrounding the cavern 10 around the cavern 10.
  • the contacts can also be arranged in any other form.
  • the electrical contacting of the sensor chip 1 with the carrier structure 5 can - as shown in FIG. 1 - be made by soldering beads 17.
  • the electrical contact can also be made with an anisotropic conductive adhesive.
  • the height of the sensor chip 3 in the receptacle 4 of the carrier structure 5 can be compensated for. This makes it possible to bring the top side 7 of the sensor chip 3 and the top side 18 of the carrier structure 5 to one level. This has the advantage that no step occurs during the transition from the carrier structure 5 to the sensor chip 3 and thus no turbulence is generated in the air flow on the upper side 7 of the sensor chip 3.
  • the carrier structure 5 is attached to the sensor chip 3 with a sealing adhesive 19 in the measuring channel wall 20.
  • This is preferably the bonding of two plastic parts, since both the support structure 5 and the wall of the measuring channel 2 are preferably made of plastic.
  • FIG. 2 shows a section through a sensor chip and part of a carrier structure of a hot-film fragrance mass sensor, the sensor chip being fastened in the carrier structure with anisotropic conductive adhesive.
  • elevations 21 are attached.
  • the elevations 21 can be produced, for example, by material thickening, solder bumps or bulges in the conductor tracks 13 or the chip-side conductor tracks 9 at the contact points.
  • elevations can also be provided both on the chip-side conductor tracks 9 and on the conductor tracks 13 of the carrier structure 5.
  • the at least one via 11 in the sensor chip 3 is preferably produced by an etching process.
  • the at least one plated-through hole 11 - as shown in dashed lines in FIG. 2 - can be guided into a bevelled side wall 23 of the cavern 10.
  • the at least one DurcW onlakttechnik 11 is arranged very close to the sensor membrane 8.
  • the via 11 can be slit-shaped, comb-shaped, star-shaped or also circular. In addition to the shapes described here, any further geometry of the via 11 is also conceivable. However, a separate via 11 is preferably provided for each conductor track.
  • the plated-through holes 11 represent holes through which air can flow under the sensor chip 3, which in particular in the embodiment variant shown in FIGS. 1 and 2 with the cavern 10 below the sensor membrane 8 leads to a flow on the underside of the sensor membrane 8 and thus to measurement errors can lead through holes 11, for example sealed with a sealing adhesive.
  • FIG. 3 shows an underside of a sensor chip designed according to the invention.
  • contact points 24 are arranged on the thickened area 16 around the cavern 10 for the electrical connection of the sensor chip 3 and carrier structure 5.
  • the plated-through holes 11, through which the chip-side conductor tracks 9 are guided from the top 7 (compare FIG. 1) of the sensor chip 3 to the bottom 12 of the sensor chip 3, are arranged in a row next to the cavern 10 in the embodiment variant shown here.
  • the chip-side conductor tracks 9 run from the plated-through holes 11 to the contact points 24.
  • the anisotropic conductive adhesive 22 for contacting the sensor chip 3 with the carrier structure 5 can be in the form of elevations.
  • each further useful geometric arrangement of through-contacts 11 and contact points 24 on the underside 12 of the Sensor chips 3 conceivable.
  • FIG. 4 shows a section through a sensor chip and a support structure with a support structure under the sensor membrane.
  • a support structure 25 is attached below the sensor membrane 8.
  • the support structure 25 can e.g. be designed as a porous silicon oxide structure or as a column structure. Both the porous silicon oxide structure and the column structure are preferably produced by etching processes. Since the support structure 25 is closed to the underside 12 of the sensor chip 3, no air flow can form under the sensor membrane 8. This further reduces the measurement errors.
  • an auxiliary cavity 26 is formed, into which the plated-through holes 11 open. As a result, the length of the plated-through holes 8 can be reduced and the manufacturing process can thus be simplified.
  • the contact points 24 for the electrical connection of the sensor chip 3 and the support structure 5 can also be arranged directly under the sensor membrane 8, since the support structure 25 does not cover the entire thickness of the sensor chip 1 occupies. As a result, the sensor chip 3 can be further reduced in size.
  • the contacting of the sensor chip 3 with the carrier structure 5 takes place at the bottom 15 of the receptacle 4.
  • the electrically conductive connection can be produced by soldering beads 17 or preferably by anisotropic conductive adhesive 22.
  • a height difference between the top 7 of the sensor chip 3 and the top 18 of the carrier structure 5 can be compensated for, so that a uniform surface is formed.
  • a continuous plated-through hole 11 from the top 7 to the bottom 12 of the sensor chip 3 can also be formed in the sensor chip 3 with the slide structure 25 below the sensor membrane 8 be without the use of an auxiliary cavity 26. If the auxiliary cavity 26 can be dispensed with, the area requirement of the sensor chip 3 is further reduced.
  • the plated-through hole 11 can assume any geometrical shape known to the person skilled in the art.
  • a number of interconnects 9 on the chip side can be guided through a via 11, or for a separate via 11 to be arranged preferably for each interconnect 9 on the chip side.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heißfilmluftmassensensor, der einen Sensorchip (3) mit Sensormembran (8) sowie eine Trägerstruktur (5) umfasst. Der Sensorchip (3) ist in einer Aufnahme (4) der Trägerstruktur (5) aufgenommen. Im Sensorchip (3) ist zumindest eine Durchkontaktierung (11) angebracht, durch die chipseitige Leiterbahnen (9) von der Oberseite (7) auf die Unterseite (12) des Sensorchips (3) gefiflrt werden und an an der Unter­seite (12) des Sensorchips (3) positionierten Kontaktstellen (24) mit in der Trägerstruktur (5) aufgenommenen Leiterbahnen (13) am Boden (15) der Aufnahme (4) elektrisch leitend verbunden werden.

Description

Heißfilmluftmasscnscnsor mit Durchkonlakticrungcn am Sensorchip
Technisches Gebiet
Bei vielen Prozessen muss eine definierte Luftmasse zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, die unter geregelten Bedingungen ablaufen, wie die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrerrnungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen mit an- schließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei Heißfilrnluftmassensensoren eingesetzt.
Stand der Technik
Aus „Kraftfahrzeutechnisches Taschenbuch", Herausgeber Robert Bosch GmbH, 23. Auflage, Seite 116 f., Vieweg Verlag, Wiesbaden, 1999, ist bekannt, bei einem Heißfilmluftmas- sensensor auf einer dünnen Sensormembran einen Heizwiderstand anzuordnen, der von zwei Temperaturmesswiderständen umgeben ist. In einem Luftstrom, der über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung und wird von den Temperaturmesswider- ständen erfasst. Aus der Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände ist der Luftmassenstrom bestimmbar.
Die zur Datenerfassung und zur Stromversorgung des Heizwiderstandes erforderlichen Verbindungen mit der Elektronik werden durch Dünndrahtbonds realisiert. Bei den derzeit eingesetzten Heißfilrnluftmassensensoren sind die Dünndrahtbonds auf der Oberseite des die Sensormembran enthaltenden Sensorchips aufgenommen. Damit die Dünndrahtbonds die Strömung über die Sensormembran nicht stören und gegenüber dem Luftstrom geschützt sind, sind sie ausserhalb des Messbereichs angeordnet. Das führt dazu, dass die Oberfläche des Sensorchips im Vergleich zum Messbereich zum größten Teil ungenutzt ist.
Neben der großen Fläche weist der Heißfilmluftmassensensor mit elektrischer Kontaktie- rung durch Dünndrahtbonds den Nachteil auf, dass eine Abdichtung des Messkanals gegen die Umgebung nur schwer zu realisieren ist. Derzeit erfolgt die Abdichtung durch eine Dichtklebung direkt am empfindlichen Sensorchip.
Darstellung der Erfindung
Ein Heißfilmluftmassensensor zur Messung des Luftmassen-Durchsatzes umfasst einen Sensorchip mit Sensormembran. Zur Messung des Luftmassen-Durchsatzes sind auf der Sensormembran zumindest ein Heizelement und zwei Temperatursensoren angeordnet Die Temperatursensoren sind vorzugsweise als Widerstandsthermometer ausgeführt. Zur Mes- sung ist es notwendig, dass in Strömungsrichtung der Luft zunächst ein erster Temperatursensor, dann das Heizelement und der zweite Temperatursensor angeordnet sind. Beim Ü- berströmen des Heizelementes erwärmt sich die Luft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor kann die Luftmasse bei bekannter Heizleistung des Heizelementes bestimmt werden. Das Heizelement ist vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsheizung ausgebildet. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein konstanter Wärmestrom abgegeben werden kann. Die Spannungsversorgung des Heizelementes und die Erfassung der Messdaten der Temperatursensoren erfolgt mit Hilfe einer Elektronik, welche ausser- halb des Messkanals angeordnet ist. Hierzu sind in einer Trägerstruktur, die den Sensorchip aufnimmt, Leiterbahnen ausgebildet. Erfindungsgemäß sind im Sensorchip Durchkontaktierungen angebracht, durch die die Leiterbahnen auf die Unterseite des Sensorchips geführt werden. Die Kontaktierung mit der Trägerstruktur erfolgt auf der Unterseite des Sensorchips.
Die Durchkontaktierungen sind in Form von kleinen Löchern, die vorzugsweise durch ein Ätzverfahren erzeugt werden, ausgebildet. Vorzugsweise wird für jede Leiterbahn eine Durchkontaktierung angebracht, wobei es jedoch auch möglich ist, mehrere Leiterbahnen durch eine Durchkontaktierung zu führen. Die Leiterbahnen auf dem Sensorchip sind vorzugsweise aus Platin gefertigt. Die Erzeugung der Leiterbahnen auf dem Sensorchip kann z.B. durch Abscheideverfahren erfolgen. Um Störungen in der Luftströmung über den Sensorchip zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, die Durchkontaktierungen mit einer Klebung zu verschließen.
Unter der Sensormembran, die das Heizelement und die Temperatursensoren umfasst, ist in einer ersten Ausführungsvariante eine Kaverne ausgebildet. In einer zweiten Ausführungsvariante ist die Membran auf einer Stützslxuktur aufgebracht. Die Stätzsfruktur kann entweder in Form einer Säulenslruktur oder in Form einer porösen Struktur ausgebildet sein. Die Durchkontaktierungen zur Kontaktierung des Heizelementes und der Temperatursensoren sind vorzugsweise neben der Sensormembran angeordnet, insbesondere bei Sensorchips mit einer vergleichsweise hohen Chipdicke kann im Bereich der Din hkontaktierungen eine Hilfskaverne auf der Unterseite angebracht sein. Bei einer Verbindung der Durchkontaktie- rung von der Oberseite des Sensorchips in die Hilfskaveme wird die Länge der Durchkontaktierungen verringert. Hierdurch wird der Fertigungsprozess vereinfacht.
Erfindungsgemäß sind die Kontaktierungen vom Sensorchip zu den Leiterbahnen der Trägerstruktur bei einem Sensorchip mit einer Kaverne unter der Sensormembran vorzugsweise um die Kaverne herum auf der Unterseite angeordnet. Dies ist möglich, da die Kontaktierungen auf der Unterseite des Sensorchips die Strömung an der Oberseite nicht beeinflussen. Die Anordnung der Kontaktierungen um die Kaverne herum auf der Sensorchipunterseite fuhrt dazu, dass der Sensorchip kleiner gestaltet werden kann. Hierdurch werden die Herstellungskosten für den Chip gesenkt. Bei der Ausffihrungsvariante des Sensorchips mit einer Stütztstruktur unter der Membran können die Kontaktierungen ebenfalls umlaufend am Rand des Sensorchips entlang auf der Unterseite angeordnet sein. Da die Slützstruktur vorzugsweise jedoch nur einen Teil der Dicke des Sensorchips einnimmt, können bei einem Sensorchip mit einer Slützstruktur unter der Sensormembran die Kontaktierungen auch direkt unterhalb der Membran an der Unterseite des Sensorchips angeordnet sein. Hierdurch wird ebenfalls die benötigte Sensorchipfläche verringert. Zudem wird der Bereich auf der Sensorchip-Oberfläche, der bisher für die Dichtklebung vorgesehen war, nicht mehr benötigt. Die Dichtklebung ist bei Heißfilrnluftmassensensoren gemäß dem Stand der Technik erforderlich, um den Messkanal mit dem Sensorchip gegen die Umgebung abzudichten. Die Abdichtung zwischen dem Messkanal und einen Elektronikraum wird erfϊndungsgemäß als Klebung zweier Kunststoffteile, nämlich der Trägerstruktur und der Messkanalwand realisiert.
Die DurclΛontaktierungen werden vorzugsweise durch ein Ätzverfahren hergestellt. Dabei können sie jede Form annehmen, die mit dem Ätzverfahren herstellbar ist. Vorzugsweise wird für jede Leiterbahn auf dem Sensorchip eine eigene Durchkontaktierung angebracht. Es ist aber auch möglich, mehrere Leiterbahnen durch eine Durchkontaktierung zu führen. Wenn mehrere Leiterbahnen durch eine Durchkontaktierung geführt werden, wird die Durchkontaktierung vorzugsweise als Schlitz ausgebildet. Weiterhin kann die Durchkontaktierung, wenn mehrere Leiterbahnen durchgeführt werden, z.B. auch sternförmig oder kanartförmig ausgebildet sein.
Die elektrische Kontaktierung von Sensorchip und Trägerstruktur erfolgt vorzugsweise durch Lötperlen oder durch eine Verklebung mittels anisotropem Leitkleber. Ein anisotro- per Leitkleber ist dabei ein Klebstoff auf elektrisch isolierender Basis, der mit elektrisch leitfähigen Partikeln gefüllt ist. Im Clrundzustand ist der Klebstoff in keine Richtung elektrisch leitend, da sich die Partikel nicht gegenseitig berühren. Durch Einwirkung von Druck und damit einhergehendem Zusammenpressen des Klebstoffes kommen die elekrisch leitfä- higen Partikel miteinander in Kontakt. Hierdurch wird eine elektrisch leitfahige Verbindung hergestellt. Um die notwendige Flächenpressung und damit eine elektrische Kontaktierung von Sensorchip und Trägerstruktur zu erhalten, sind an den Kontaktstellen zwischen dem Sensorchip und der Trägerstruktur entweder in den Leiterbahnen auf dem Sensorchip oder in den Leiterbahnen auf der Elektionikträgerstruktur Erhebungen vorgesehen. Die Erhebun- gen können dabei auch in Form von Lotbumps auf den Leiterbahnen aufgebracht sein.
Neben der elektrischen Kontaktierung von Sensorchip und Trägershuktur mit Lötperlen oder anisotropen Leitkleber ist aber auch jede weitere dem Fachmann bekannte Kontaktie- rungsart denkbar.
Zeichnung
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Heißfilmluftmassensensor in einem Messkanal mit anschließendem Elektronikraum,
Figur 2 einen Schnitt durch einen Sensorchip und einen Teil einer Trägerstruktur eines Heißfilmluftmassensensors mit einer Kaverne unterhalb der Sensormembran,
Figur 3 eine Unterseite eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorchips,
Figur 4 einen Schnitt durch einen Sensorchip und einen Teil einer Trägerstruktur eines Heißfilmluftmassensensors mit einer S tzstrakrur unterhalb der Sensormembran.
Ausmhrungsvarianten In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassensensor in einem Messkanal dargestellt.
Ein HeißfilnjQufhnassensensor 1 misst den durch einen Messkanal 2 strömenden Luftmas- senstrom. Hierzu umfasst der Heißfilmluftmassensensor einen Sensorchip 3, der in einer Aufnahme 4 einer Trägerslruktur 5 aufgenommen ist. Der Luftmassenstrom umströmt den Heißfilmluftmassensensor 1 bei der in Figur 1 dargestellten Λusführungsvariante in der mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichneten Anströmrichtung in die Zeichenebene hinein. Damit sich auf dem Sensorchip 3 keine Verwirbelungen ausbilden und sich somit eine gleichmäßige Strömung über die Oberseite 7 des Sensorchips 3 einstellt, ist die Trägerstruktur 5 an der Anströmseite aerodynamisch ausgebildet. Hierzu eignen sich z.B. halbrunde, parabolische oder elliptische Profile.
.Zur Messung des Luftmassenstromes umfasst der Sensorchip 3 eine Sensormembran 8, auf der quer zur Anströmrichtung 6 der Luft zumindest ein Heizelement und zwei Temperatursensoren angeordnet sind. Dabei ist ein Temperatursensor in Anströmrichtung 6 vor dem Heizelement und ein Temperatursensor hinter dem Heizelement angebracht. Die Bestimmung des Luftmassenstroms erfolgt aus der Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor bei Zufuhr eines vom Heizelement abgegebenen konstanten Wärmestromes. Als Temperatursensoren auf der Sensormembran 8 werden vorzugsweise Temperatursensoren eingesetzt, die als Widerstandsthermometer arbeiten. Ein solches Widerstandsthermometer ist z.B. ein PT 100. Die Spannungsversorgung und die Erfassung der Messdaten vom Heizelement und den Temperatursensoren erfolgt über chipseitige Leiterbahnen 9, die vorzugsweise aus Platin gefertigt sind.
Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante ist unter der Sensormembran 8 ein Kaverne 10 ausgebildet. Die Kaverne 10 kann z.B. durch einen Ätzprozeß in dem vorzugsweise aus Silizium gefertigten Sensorchip 3 erzeugt werden.
Erfindungsgemäß ist im Sensorchip 3 zumindest eine Durchkontaktierung 11 aufgenommen, um die chipseitigen Leiterbahnen 9 von der Oberseite 7 des Sensorchips 3 auf die Unterseite 12 des Sensorchips 3 zu führen. Neben einer Durchkontaktierung 11 für mehrere chipseitige Leiterbahnen 9 wird vorzugsweise für jede chipseitige Leiterbahn 9 eine eigene Durchkon- taktierung 11 ausgebildet.
Zur Übertragung der Messdaten und zur Spannungsversorgung sind in der Trägerstruktur 5 Leiterbahnen 13 ausgebildet, die zu einer außerhalb des Messkanals 2, in einem Elektronik- raum 14 liegenden Auswerteelektronik führen. Die Leiterbahnen 13 in der Trägerstruktur 5 sind dabei vorzugsweise durch MID-Technologie eingebracht. Dabei ist MID die Abkürzung für molded interconnect device. Das bedeutet, dass beim Herstellungsprozess der Trä- gerstxuktur 5, die vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt wird, die Leiterbahnen 13 bereits mit eingespritzt werden. Die Leiterbahnen 13 sind so in die Trägerstaiktur 5 eingebracht, dass eine Kontaktierung am Boden 15 der Aufnahme 4 erfolgen kann. Die Leiterbahnen 13 verlaufen von de Kontaktierung am Boden 15 der Aufnahme 4 vorzugsweise entlang der Oberseite 18 der Trägerstruktur 5, können aber auch wie in Figur 1 dargestellt durch die Trägerstruktur 5 geführt werden und an der Unterseite der Trägerstruktur 5 verlaufen.
Eine möglichst geringe Baugröße des Sensorchips 3 wird dadurch erreicht, dass die Kontaktierungen vom Sensorchip 3 zur Trägerstruktur 5 vorzugsweise am Rand des Sensorchips 3 auf der Unterseite 12 der die Kaverne 10 umgebenden verdickten Bereiche 16 um die Kaverne 10 herum angebracht sind. Neben den um die Kaverne 10 herum angebrachten Kontaktierungen können die Kontaktierungen jedoch auch in jeder beliebigen anderen Form angeordnet sein. Die elektrische Kontaktierung des Sensorchips 1 mit der Trägershuktur 5 kann - wie in Figur 1 dargestellt - durch Lötperlen 17 erfolgen. Neben der elektrischen Kontaktierung mit Lötperlen 17 kann die elektrische Kontaktierung auch mit einem anisotropen Leitkleber erfolgen. Bei der Verwendung von anisotropem Leitkleber zur Kontak- tie ung des Sensorchips 3 mit der Trägerstaiktur 5 kann ein Höhenausgleich des Sensorchips 3 in der Aufnahme 4 der Trägerstruktur 5 erfolgen. Hierdurch ist es möglich, die O- berseite 7 des Sensorchips 3 und die Oberseite 18 der Trägerstruktur 5 auf eine Höhe zu bringen. Dies hat den Vorteil, dass beim Übergang von der Trägerstruktur 5 zum Sensorchip 3 keine Stufe auftritt und damit keine Verwirbelungen in der Luftströmung an der O- berseite 7 des Sensorchips 3 erzeugt werden.
Um zu verhindern, dass Leckluft aus dem Messkanal 2 in den Elektronikraum 14 strömt, ist die Trägerstaiktur 5 mit dem Sensorchip 3 mit einer Dichtklebung 19 in der Messkanalwand 20 befestigt. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um die Verklebung zweier Kunststofftei- le, da bevorzugt sowohl die Trägerstaiktur 5 als auch die Wand des Messkanals 2 aus Kunststoff gefertigt werden.
Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Sensorchip und einen Teil einer Trägersfruktur eines Heißfilrrduftmassensensors, wobei der Sensorchip mit anisotropem Leitkleber in der Träger- Struktur befestigt ist.
Bei der Verwendung von anisotropem Leitkleber 22 zur elektrischen Kontaktierung des Sensorchips 3 mit der Trägerstruktur 5 ist es erforderlich, dass entweder an den Kontakt- stellen der chipseitigen Leiterbahnen 9 oder an den Kontaktstellen der Leiterbahnen 13 der Trägerstruktur 5 Erhebungen 21 angebracht sind. Die Erhebungen 21 können z.B. durch Materialverdickung, Lotbumps oder Ausbuchtungen in den Leiterbahnen 13 oder den chipseitigen Leiterbahnen 9 an den Kontaktstellen erzeugt werden. Neben den Erhebungen 21 an den chipseitigen Leiterbahnen 9 oder an den Leiterbahnen 13 der Trägerslruktur 5 können auch Erhebungen sowohl an den chipseitigen Leiterbahnen 9 als auch an den Leiterbahnen 13 der Trägerstruktur 5 angebracht sein.
Die zumindest eine Durchkontaktierung 11 im Sensorchip 3 wird vorzugsweise durch einen Atzprozess hergestellt. Um die Tiefe der Durchkontaktierung 11 zu reduzieren und damit den Ätzprozeß sicherer beherrschbar zu machen, kann die zumindest eine Durchkontaktierung 11 - wie in Figur 2 gestrichelt dargestellt - in eine angeschrägte Seitenwand 23 der Kaverne 10 geführt werden. Hierbei ist die zumindest eine DurcW onlaktierung 11 allerdings sehr dicht an der Sensormembran 8 angeordnet. Um den Abstand zwischen der Durchkontaktierung 11 und der Sensormembran 8 zu vergrößern, besteht auch die Möglichkeit, eine Hilfskaverne in den Sensorchip 3 einzubringen und die Durchkontaktierung 11 in die Hilfskaverne zu führen. Insbesondere bei Verwendung nur einer Durchkontaktierung 11 für mehrere chipseitige Leiterbahnen 9 kann die Durchkontaktierung 11 schlitzförmig, kammförmig, sternförmig oder auch als kreisförmig ausgebildet sein. Neben den hier be- schriebenen Formen ist aber auch jede weitere Geometrie der Durchkontaktierung 11 denkbar. Vorzugsweise wird jedoch für jede Leiterbahn eine eigene Durchkontaktierung 11 angebracht.
Da die Durchkontaktierungen 11 Löcher darstellen, durch die Luft unter den Sensorchip 3 strömen kann, was insbesondere bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsvariante mit der Kaverne 10 unterhalb der Sensormembran 8 zu einer Strömung auf der Unterseite der Sensormembran 8 und damit zu Messfehlern führen kann, können die Durchkontaktierungen 11 z.B. mit einer Dichtklebung verschlossen werden.
Figur 3 zeigt eine Unterseite eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sensorchips.
Bei der in Figur 3 dargestellten Ausführungsvariante sind zur elektrischen Verbindung von Sensorchip 3 und Trägerslruktur 5 Kontaktstellen 24 auf dem verdickten Bereich 16 um die Kaverne 10 herum angeordnet. Die Durchkontaktierungen 11, durch die die chipseitigen Leiterbahnen 9 von der Oberseite 7 (vergleiche Figur 1) des Sensorchips 3 auf die Unterseite 12 des Sensorchips 3 geführt werden, sind bei der hier dargestellten Ausführungsvariante in einer Reihe neben der Kaverne 10 angeordnet. Von den Durchkontaktierungen 11 verlaufen die chipseitigen Leiterbahnen 9 zu den Kontaktstellen 24. Bei der Verwendung von anisotropem Leitkleber 22 zur Kontaktierung des Sensorchips 3 mit der Trägerstruktur 5 können die Kontaktstellen 24 als Erhebungen ausgebildet sein.
Neben der in Figur 3 dargestellten Ausführungsvariante mit den Kontaktstellen 24, die auf dem verdickten Bereich 16 um die Kaverne 10 herum angeordnet sind und den in einer Reihe angeordneten Durchkontaktierungen 11 ist jede weitere sinnvolle geometrische Anordnung von Durchkontaktierungen 11 und Kontaktstellen 24 auf der Unterseite 12 des Sensorchips 3 denkbar.
Figur 4 zeigt einen Schnitt durch einen Sensorchip und eine Trägerstruktur mit einer Stütz- struktur unter der Sensormembran.
Im Unterschied zu der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführurigsvariante mit einer Kaverne 10 unterhalb der Sensormembran 8 ist in der in Figur 4 dargestellten Ausführungs- Variante eine Slützstruktur 25 unter der Sensormembran 8 angebracht. Die Stützstruktur 25 kann z.B. als poröse Siliziumoxidstruktur oder als Säulenstruktur ausgebildet sein. Sowohl die poröse Smziumoxidsfruktur als auch die Säulenstiuktur werden vorzugsweise durch Ätzprozesse erzeugt. Da die Stützslruktur 25 zur Unterseite 12 des Sensorchips 3 geschlossen ist, kann sich keine Luftströmung unter der Sensormembran 8 ausbilden. Hierdurch werden die Messfehler weiter reduziert. Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsvariante ist neben dem Messbereich mit der Sensormembran 8 eine Hilfskaverne 26 ausgebildet, in die die Durchkontaktierungen 11 münden. Hierdurch kann die Länge der Durchkontaktierungen 8 verringert und damit der Herstellungsprozess vereinfacht werden.
Bei der Ausfuhrungsvariante mit der Stütestruktur 25 unter der Sensormembran 8 können die Kontaktstellen 24 (vergleiche Figur 3) für die elektrische Verbindung von Sensorchip 3 und Trägerstruktur 5 auch direkt unter der Sensormembran 8 angeordnet sein, da die Stützslruktur 25 nicht die gesamte Dicke des Sensorchips 1 einnimmt. Hierdurch kann eine weitere Verkleinerung des Sensorchips 3 erreicht werden. Die Kontaktierung des Sensorchips 3 mit der Trägerstruktur 5 erfolgt am Boden 15 der Aufnahme 4. Die elektrisch leitende Verbindung kann dabei durch Lötperlen 17 oder vorzugsweise durch anisotropen Leitkleber 22 erzeugt werden. Vorteilhaft bei der Verklebung des Sensorchips 3 mit der Trägerstruktur 5 mit anisotropem Leitkleber 22 ist es, dass eine Höhendifferenz zwischen der Oberseite 7 des Sensorchips 3 und der Oberseite 18 der Trägerstruktur 5 ausgeglichen werden kann, so dass sich eine einheitliche Oberfläche ausbildet. Neben der in Figur 4 dargestellten Ausfuhrungs- variante, bei der die Durchkontaktierungen 11 in die Hilfskaverne 26 münden, kann auch bei dem Sensorchip 3 mit der Slützβhuktur 25 unter der Sensormembran 8 eine durchgehende Durchkontaktierung 11 von der Oberseite 7 zur Unterseite 12 des Sensorchips 3 ausgebildet sein ohne die Verwendung einer Hilfskaverne 26. Wenn auf die Hilfskaveme 26 verzichtet werden kann, reduziert sich der Flächenbedarf des Sensorchips 3 weiter. Auch bei einem Sensorchip 3 mit einer Stützstruktur 25 unter der Sensormembran 8 kann die Durchkontaktierung 11 jede beliebige dem Fachmann bekannte geometrische Form annehmen. Auch hier ist es möglich, dass mehrere chipseitige Leiterbahnen 9 durch eine Durchkontaktierung 11 geführt werden oder dass vorzugsweise für jede chipseitige Leiterbahn 9 eine eigene Durchkontaktierung 11 angeordnet ist.
Bezugszeichenliste
Heißfürnluftmassensensor
Messkanal
Sensorchip
Aufnahme
Trägerstruktur
Λnstiörnrichtung
Oberseite des Sensorchips 3
Sensormembran
Chipseitige Leiterbahnen
Kaverne
Durchkontaktierung
Unterseite des Sensorchips 3
Leiterbahn
Elektronikraum
Boden der Aufnahme 4 verdickter Bereich
Lötperlen
Oberseite der Trägerstruktur 5
Dichtklebung
Messkanalwand
Erhebungen
Anisotroper Leitkleber angeschrägte Seitenwand
Kontaktstellen
Stützstruktur
Hilfskaveme

Claims

Patentansprüche
1. HeißfilnJuftmassensensor, einen Sensorchip (3) mit Sensormembran (8) sowie eine Trägerstniktur (5) umfassend, wobei der Sensorchip (3) in einer Aufnahme (4) der Trägerstruktur (5) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorchip (3) zumindest eine Durchkontaktierung (11) angebracht ist, durch die chipseitige Leiterbahnen (9) von der Oberseite (7) auf die Unterseite (12) des Sensorchips (3) geführt werden und an an der Unterseite (12) des Sensorchips (3) positionierten Kontaktstellen (24) mit in der Trägerslruktur (5) aufgenommenen Leiterbahnen (13) am Boden (15) der Aufnahme (4) elektrisch leitend verbunden werden.
2. Heißfilmluftmassensensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Sensormembran (8) eine Kaverne (10) ausgebildet ist.
3. Heißfilmluftmassensensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Sensormembran (8) eine Sratzstruktur (25) ausgebildet ist.
4. Heißfilmluftmassensensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (24) an der Unterseite (12) des Sensorchips (3) unter der Stätzstraktur (25) angeordnet sind.
5. Heißfümluftmassensensor gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstelllen (24), auf der Unterseite (12) des Sensorchips (3) umlaufend am Rand des Sensorchips (3) entlang angeordnet sind.
6. HeißfilnjJuftmassensensor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ∑Ηmindest eine Durchkontaktierung (11) als kreisförmiges Loch ausgebildet ist.
7. Heißfilmluftmassensensor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Durchkontaktierungen (11) mindestens eine Durchkontaktierung (11) kreisförmig ausgebildet ist.
8. Heißfilmluftmassensensor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Durchkontaktierung (11) in Form eines Schlitzes ausgebildet ist.
9. Heißfjhnluftmassensensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Durchkontaktierung (8) in eine angeschrägte Seitenwand (23) der Kaverne (10) verläuft.
10. Heißfilmluftmassensensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Durchkontaktierung (11) in eine neben der Stützstπiktur (25) angeordnete Hilfskaveme (26) verläuft.
11. Heißfilmluftmassensensor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung durch Lötperlen (17) erfolgt.
12. Heißfilmluftmassensensor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung mittels anisotropem Leitkleber (22) erfolgt.
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