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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Drucksensoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf verbesserte Drucksensoren, welche eine kompakte Größe und eine hohe Korrosionsbeständigkeit besitzen und eine hohe Genauigkeit beim Abtasten eines Drucks sicherstellen.
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Die
JP 3 198 779 B2 , deren englische Entsprechung die
US 5 595 939 A ist, offenbart einen Drucksensor, welcher derart konfiguriert ist, dass ein Druck eines höchst korrodierenden Fluids abgetastet wird.
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Entsprechend der Offenbarung besitzt der Drucksensor eine Struktur, bei welcher ein Abtastelement durch Drahtbonden mit Anschlussstiften einer Steckverbindung verbunden ist und das Abtastelement, die Bonddrähte und die Anschlussstifte der Steckverbindung in einem Öl platziert sind und mittels eines korrosionsbeständigen Metalldiaphragmas verschlossen bzw. versiegelt sind.
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Bei einer derartigen Struktur enthält jedoch der Drucksensor zwangsläufig das Metalldiaphragma, das Öl, einen O-Ring zum Verschließen, usw., woraus sich große Schwierigkeiten ergeben, den Drucksensor kompakt auszubilden.
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Kurzfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erwähnten Schwierigkeiten erlangt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Drucksensoren bereitzustellen, welche jeweils eine kompakte Größe und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen und beim Abtasten eines Drucks eine hohe Genauigkeit sicherstellen.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 7.
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Entsprechend einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein Drucksensor bereitgestellt mit:
einem Sensorchip, welcher konfiguriert ist, ein elektrisches Signal als Funktion eines abzutastenden Drucks zu erzeugen, wobei der Sensorchip eine Oberfläche aufweist, welche eine Abtastfläche und eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen enthält, die auf der Oberfläche des Sensorchips angeordnet sind; und
einem Substrat, welches eine Harzschicht, die eine dadurch gebildete Öffnung aufweist, und eine Vielzahl von elektrischen Leitern enthält, die innerhalb der Harzschicht angeordnet sind, wobei das Substrat mit dem Sensorchip derart verbunden ist, dass die Abtastfläche der Oberfläche des Sensorchips dem abzutastenden Druck durch die Öffnung der Harzschicht des Substrats ausgesetzt ist, die elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips mit den elektrischen Leitern des Substrats elektrisch verbunden sind und alle elektrischen Kontaktstellen und elektrischen Leiter hermetisch in der Harzschicht des Substrats eingebettet sind.
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Wenn mit einer derartigen Struktur der Drucksensor in einer korrodierenden Atmosphäre verwendet wird, ist es möglich, zu verhindern, dass der Drucksensor korrodiert.
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Da die elektrischen Leiter innerhalb der Harzschicht des Substrats angeordnet sind, ist des weiteren der Drucksensor dementsprechend ohne das Drahtbonden kompakt ausgebildet, was demgegenüber zur Bildung eines elektrischen Anschlusses des Drucksensors nötig ist.
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Es wird bevorzugt, dass in dem Drucksensor die elektrischen Kontaktstellen auf der Oberfläche des Sensorchips bezüglich der Abtastfläche symmetrisch angeordnet sind.
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Als Ergebnis kann eine Wärmespannung, welche dann, wenn der Drucksensor in einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet wird, infolge der Differenz des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensorchip und den elektrischen Leitern auftreten kann, gleichmäßig auf die Oberfläche des Sensorchips aufgebracht werden, wodurch verhindert wird, dass die Genauigkeit des Drucksensors abfällt.
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Darüber hinaus ist bei dem Drucksensor das Substrat mit dem Sensorchip durch Presspassung verbunden.
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Unter dem Gesichtspunkt der Symmetrie wird es bevorzugt, dass die Oberfläche des Sensorchips eine rechtwinklige Form besitzt und die Abtastfläche auf der rechtwinkligen Oberfläche des Sensorchips zentral gebildet ist und dass wenigstens ein Paar der elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips diagonal in einem gegenüberliegenden Paar von Ecken der rechtwinkligen Oberfläche des Sensorchips angeordnet ist.
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Des weiteren wird es von dem Gesichtspunkt der Symmetrie aus bevorzugt, dass zwei Paare der elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips in vier Ecken der rechtwinkligen Oberfläche des Sensorchips angeordnet sind.
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Des weiteren enthält der Drucksensor vorzugsweise eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen zur Bildung einer elektrischen Verbindung des Drucksensors mit einer externen Schaltungsanordnung oder Geräten. Die elektrischen Anschlüsse sind derart mit dem Substrat verbunden, dass die elektrischen Anschlüsse mit den elektrischen Leitern des Substrats elektrisch verbunden und durch die Harzschicht des Substrats teilweise bedeckt sind, ohne dass irgendein Abschnitt der elektrischen Anschlüsse, welche dem Druck ausgesetzt werden, abgetastet wird.
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Als Ergebnis kann verhindert werden, dass die elektrischen Anschlüsse korrodieren, wenn der Drucksensor in einer korrodierenden Atmosphäre verwendet wird.
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Es wird bemerkt, dass der Drucksensor insbesondere zum Abtasten eines Drucks eines Abgases von einem Motor geeignet ist.
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Entsprechend einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein anderer Drucksensor bereitgestellt mit:
einem Trägerteil;
einem Sensorchip, welcher von dem Trägerteil getragen wird und konfiguriert ist, ein elektrisches Signal als Funktion eines abzutastenden Drucks zu erzeugen, wobei der Sensorchip eine Oberfläche aufweist, welche eine Abtastfläche und eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen enthält, die auf der Oberfläche des Sensorchips angeordnet sind;
einem Schaltungschip, welcher von dem Trägerteil getragen wird, wobei der Schaltungschip eine Schaltung enthält, die konfiguriert ist, das von dem Sensorchip erzeugte elektrische Signal zu verarbeiten, wobei der Sensorchip ebenfalls eine Oberfläche besitzt, auf welcher eine Vielzahl von elektrischen Kontaktstellen des Schaltungschips angeordnet ist; und
einem Substrat, welches eine Harzschicht, die eine dadurch gebildete Öffnung besitzt, und eine Vielzahl von elektrischen Leitern enthält, die innerhalb der Harzschicht angeordnet sind, wobei das Substrat sowohl mit dem Sensorchip als auch dem Schaltungschip derart verbunden ist, dass die Abtastfläche der Oberfläche des Sensorchips dem abzutastenden Druck durch die Öffnung der Harzschicht des Substrats ausgesetzt ist, die elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips und des Schaltungschips mit den elektrischen Leitern des Substrats elektrisch verbunden sind und alle elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips und des Schaltungschips und elektrischen Leiter des Substrats hermetisch in der Harzschicht des Substrats eingebettet sind.
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Wenn mit einer derartigen Struktur der Drucksensor in einer korrodierenden Atmosphäre verwendet wird, ist es möglich, zu verhindern, dass der Drucksensor korrodiert.
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Da die elektrischen Leiter innerhalb der Harzschicht des Substrats angeordnet sind, ist des weiteren der Drucksensor ohne das Drahtbonden kompakt ausgebildet, was demgegenüber zur Bildung eines elektrischen Anschlusses des Drucksensors nötig sein kann.
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Es wird bevorzugt, dass bei dem Drucksensor wenigstens einer der elektrischen Leiter des Substrats derart konfiguriert ist, dass er als Antenne arbeitet, und des weiteren der Schaltungschip eine Schaltung enthält, welche derart konfiguriert ist, dass eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Drucksensor und dem Äußeren (beispielsweise eine externe Schaltung oder Gerät) durch die Antenne durchgeführt wird.
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Als Ergebnis kann der Drucksensor mit außen ohne elektrische Anschlüsse oder eine große anwendungsspezifische Antenne kommunizieren, was sonst nötig wäre.
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Es wird des weiteren bevorzugt, dass in dem Drucksensor der Schaltungschip des weiteren eine Schaltung enthält, welche derart konfiguriert ist, dass auf Veranlassung von außen über die Antenne elektrische Leistung erzeugt wird.
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Als Ergebnis kann der Drucksensor mit elektrischer Leistung ohne eine Batterie, elektrische Anschlüsse und Drähte versorgt werden, was andernfalls nötig wäre.
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Des weiteren besitzt in dem Drucksensor die Antenne vorzugsweise eine schleifenähnliche Form, so dass eine hinreichend große Fläche der Antenne für den Empfang von elektrischen Wellensignalen sichergestellt wird, wodurch eine hohe Empfindlichkeit der Antenne sichergestellt wird.
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Es wird bemerkt, dass der Drucksensor insbesondere zur Verwendung beim Abtasten eines Reifendrucks bei einem Kraftfahrzeug geeignet ist.
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Insbesondere wird der Drucksensor vorzugsweise auf dem Reifen oder einem Rad des Reifens installiert, und es wird der Schaltungschip derart konfiguriert, dass eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Drucksensor und einem Gerät, welches in einem Fahrzeugkörper installiert ist, durch die Antenne durchgeführt wird.
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Dementsprechend besitzen sowohl der Drucksensor der ersten Ausgestaltung als auch derjenige der zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung eine kompakte Größe und eine hohe Korrosionsbeständigkeit und stellen eine hohe Genauigkeit beim Abtasten eines Drucks sicher.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die vorliegende Erfindung wird besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung und aus den begleitenden Figuren der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verständlich, welche jedoch nicht dazu bestimmt sind, die Erfindung auf die bestimmten Ausführungsformen zu beschränken, sondern lediglich dem Zwecke der Erläuterung und des Verständnisses dienen.
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In den begleitenden Figuren zeigt:
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1 eine Draufsicht, welche einen Drucksensor der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 eine Querschnittsseitenansicht entlang Linie A-A von 1;
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3A eine Draufsicht, welche ein Substrat des Drucksensors von 1 darstellt;
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3B eine Querschnittsseitenansicht entlang Linie A-A von 3A;
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4 eine Draufsicht, welche alle Teile des Drucksensors von 1 mit Ausnahme des Substrats desselben darstellt;
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5 eine Querschnittsseitenansicht entlang Linie A-A von 4;
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6 eine Draufsicht, welche einen Drucksensor der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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7 eine Querschnittsseitenansicht entlang Linie A-A von 6;
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8A eine Draufsicht, welche ein Substrat des Drucksensors von 6 darstellt;
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8B eine Querschnittsseitenansicht entlang Linie A-A von 8A;
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9 eine Draufsicht, welche alle Teile des Drucksensors von 6 mit Ausnahme des Substrats desselben darstellt; und
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10 eine Querschnittsseitenansicht entlang Linie A-A von 9 darstellt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hiernach unter Bezugnahme auf 1–10 beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 und 2 stellen einen Drucksensor 1 der ersten Ausführungsform der Erfindung dar.
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Der Drucksensor 1 ist derart konfiguriert, dass ein Druck des Abgases von einem Fahrzeugmotor abgetastet wird. Mit anderen Worten, das Fluid, welches von dem Drucksensor 1 abzutasten ist, ist ein Abgas.
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Insbesondere wird der Drucksensor 1 dazu verwendet, einen Druck auf einen Abgasrückführungspfad (EGR-Pfad, Exhaust Gas Recirculation path) oder in einem EGR-System des Fahrzeugs zu messen.
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Wie in 1 und 2 dargestellt enthält der Drucksensor 1 hauptsächlich einen Träger 10, einen Sensorchip (oder ein Sensorelement) 21 und ein Substrat 30. Der Träger ist aus einem Harzmaterial gebildet und besitzt eine darin gebildete Aussparung 11, welche sich entsprechend 2 nach oben öffnet. In der Aussparung 11 des Trägers 10 ist der Sensorchip 21 untergebracht. Das Substrat 30 ist sowohl mit dem Sensorchip 21 als auch dem Träger 10 verbunden, so dass es die oberen Oberflächen des Sensorchips 21 als auch des Trägers 10 bedeckt.
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Das Substrat 30 wird detailliert in 3A und 3B ohne den Träger 10 und den damit verbundenen Sensorchip 21 dargestellt.
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Demgegenüber stellen 4 und 5 den Träger 10 mit dem Sensorchip 21 und eine Vielzahl von darin angeordneten elektrischen Anschlüssen 12a–12d dar, wobei das Substrat 30 ausgelassen ist.
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Wie in 4 und 5 dargestellt besitzt bei dieser Ausführungsform der Träger 10 die Form einer rechtwinkligen Platte, und die Aussparung 11 ist auf der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Trägers 10 zentral gebildet.
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Der Sensorchip 21 ist mit einer oberen Oberfläche eines Glassitzes 20 verbunden und in der Aussparung 11 des Trägers 10 zusammen mit dem Glassitz 20 untergebracht.
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Der Sensorchip 21, welcher aus einem Siliziummaterial gebildet ist, ist in Form einer rechtwinkligen Platte gebildet und besitzt eine Aussparung 22, welche zentral auf der unteren Oberfläche des Sensorchips 21 gebildet ist und sich entsprechend 5 nach unten öffnet. Mit Hilfe der Aussparung 22 wird ein Diaphragma 23 in dem Sensorchip 21 erlangt.
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Insbesondere bilden die Bodenseite der Aussparung 22, welche wie durch die gestrichelte Linie in 4 angezeigt eine achteckige Form besitzt, und eine Abtastfläche 23a der oberen Seite des Sensorchips 21 zusammen das Diaphragma 23. Da der Sensorchip 21 wie in 5 dargestellt mit dem Glassitz 20 verbunden ist, bilden die Aussparung 22 und die obere Oberfläche des Glassitzes 20 zusammen eine geschlossene Bezugsdruckkammer (beispielsweise eine Vakuumkammer).
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Demgegenüber wird die Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 einem abzutastenden Druck ausgesetzt. Auf der Abtastfläche 23a sind vier Messinstrumente bzw. Messstreifen (oder Piezowiderstände) 24a bis 24d vorgesehen, welche auf der Oberfläche des Sensorchips 21 gebildete Störstellendiffusionsschichten sind. Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform die Messstreifen 24a–24d durch Dotieren einer p-Typ-Dotierungssubstanz in ein n-Typ-Siliziumsubstrat gebildet. Des weiteren bilden diese Messstreifen 24a–24d zusammen eine Brückenschaltung in dem Sensorchip 21.
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Wenn ein Druck der Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 aufgebracht wird, induziert die Druckdifferenz zwischen den zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Diaphragmas 23 (d. h. die Abtastfläche 23a und die Bodenseite der Aussparung 22) eine Belastungsänderung in dem Diaphragma 23. Diese Belastungsänderung ruft infolge des Piezowiderstandseffekts, den jene Messstreifen 24a–24d besitzen, eine Änderung der elektrischen Widerstandswerte der Messstreifen 24a–24d hervor. Danach erfasst die Brückenschaltung die Änderungen der elektrischen Widerstandswerte der Messstreifen 24a–24d, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches dem Druck entspricht, welcher der Abtastfläche 23a aufgebracht wird.
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Der Sensorchip 21 enthält wie in 4 und 5 dargestellt vier elektrische Kontaktstellen 25a–25d, welche aus einem Aluminiumfilm gebildet und jeweils in vier Ecken der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Sensorchips 21 angeordnet sind. Durch jene elektrische Kontaktstellen 25a–25d wird die in dem Sensorchip 21 gebildete Brückenschaltung mit elektrischer Leistung versorgt, und es wird das durch die Brückenschaltung erzeugte elektrische Signal nach außen (beispielsweise einer externen Schaltung oder Gerät) ausgegeben. Auf jeder der elektrischen Kontaktstellen 25a–25d sind wiederum ein Nickelfilm (Ni-Film) und ein Goldfilm (Au-Film) plattiert, wodurch eine Aufschichtung 26 gebildet wird, welche es gestattet, dass eine elektrische Verbindung für die elektrische Kontaktstelle durch Löten gebildet wird.
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Somit besitzt der Sensorchip 21, welcher in der Aussparung 11 des Trägers 10 untergebracht ist, das darin gebildete Diaphragma 23 derart, dass das elektrische Signal entsprechend dem abgetasteten Druck erzeugt wird. Der Sensorchip 21 besitzt ebenfalls die obere Oberfläche, welche die Abtastfläche 23a und die elektrischen Kontaktstellen 25a–25d enthält, die auf der oberen Oberfläche angeordnet sind.
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Bei dieser Ausführungsform sind die elektrischen Kontaktstellen 25a–25d symmetrisch auf der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Sensorchips 21 bezüglich der Abtastfläche 23a angeordnet. Insbesondere sind die elektrischen Kontaktstellen 25a und 25d diagonal in einem gegenüberliegenden Paar von Ecken auf der oberen Oberfläche angeordnet, während die elektrischen Kontaktstellen 25b und 25c diagonal in dem anderen Paar von Ecken angeordnet sind.
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Es wird bemerkt, dass dann, wenn lediglich zwei elektrische Kontaktstellen anstelle von vier verwendet werden, es bevorzugt wird, dass die elektrischen Kontaktstellen diagonal in einem Paar von Ecken der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Sensorchips 21 bezüglich der Abtastfläche 23a positioniert sind, welche zentral auf derselben Oberfläche gebildet ist.
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Des weiteren sind entsprechend 4 und 5 vier elektrische Anschlüsse 12a–12d vorgesehen, von denen jeder in dem Träger 10 vergraben ist und eine bloßgelegte Seite in einer Ecke der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Trägers 10 besitzt. Insbesondere besitzen die elektrischen Anschlüsse 12a–12d jeweils die Form einer bandförmigen Platte und erstrecken sich entlang der Längsrichtung des Trägers 10.
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Darüber hinaus liegen wie in 5 dargestellt sowohl die bloßgelegten Seiten der elektrischen Anschlüsse 12a–12d, die obere Oberfläche des Sensorchips 21 als auch die obere Oberfläche des Trägers 10 auf derselben Ebene.
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Um auf 3A–3B zurückzukommen, besitzt das Substrat 30 ebenfalls die Form einer rechtwinkligen Platte. Das Substrat 30 enthält eine Harzschicht 31, welche thermoplastische und elektrisch isolierende Eigenschaften besitzt, und eine Vielzahl von elektrischen Leitern 32a–32d, welche innerhalb der Harzschicht 31 angeordnet sind.
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Die Harzschicht 31 kann beispielsweise ein PEEK (Polyetheretherketon), ein PEI (Polyetherimid), ein PPS (Polyphenylensulfid), ein PBT (Polybutylenterephthalat), ein PET (Polyethylenterephthalat), ein PEN (Polyethylennaphthalat), ein LCP (Flüssigkristallpolymer) oder eine Mischung davon sein. Demgegenüber können die elektrischen Leiter 32a–32d beispielsweise aus Cu gebildet sein.
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Die Harzschicht 31 besitzt wie in 3A–3B dargestellt eine kreisförmige Öffnung 33, welche zentral durch die Harzschicht 31 gebildet ist. Die Öffnung 33 ist dafür vorgesehen, dass dann, wenn die Harzschicht 31 mit dem Sensorchip 21 wie in 1 und 2 dargestellt verbunden ist, zugelassen wird, dass die Abtastfläche 23a des Sensorchips 21 dem abzutastenden Druck ausgesetzt wird. Um die Öffnung 31 herum sind die elektrischen Leiter 32a–32d symmetrisch angeordnet.
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Die Harzschicht 31 besitzt des weiteren eine Vielzahl von Kontaktlöchern 34a–34d, von denen jedes in der Harzschicht 31 an dem inneren Ende (d. h. an dem Ende nahe der Öffnung 33) von einem der elektrischen Leiter 32a–32d gebildet ist. Durch die Kontaktlöcher 34a–34d sind alle inneren Enden der elektrischen Leiter 32a–32d bloßgelegt. Ähnlich sind die äußeren Enden der elektrischen Leiter 32a–32d durch Kontaktlöcher bloßgelegt, welche in der Harzschicht 31 auf dieselbe Weise wie die Kontaktlöcher 34a–34b gebildet sind.
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Somit ist das Substrat 30 derart konfiguriert, dass es die elektrischen Leiter 32a–32d besitzt, welche innerhalb der Harzschicht 31 angeordnet sind. Das Substrat 30 wird sowohl mit den oberen Oberflächen des Sensorchips 21, dem Träger 10 als auch den elektrischen Anschlüssen 12a–12d durch thermische Presspassung verbunden, wodurch der Drucksensor 1 der vorliegenden Ausführungsform gebildet wird.
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Zur selben Zeit werden die elektrischen Leiter 32a–32d des Substrats mit den elektrischen Kontaktstellen 15a–15d des Sensorchips 21 und den elektrischen Anschlüssen 12a–12d (vergleiche 1 und 2) durch Löten verbunden.
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Insbesondere wurde die Lötpaste zuerst sowohl auf die inneren als auch die äußeren Enden der elektrischen Leiter 32a–32d des Substrats 30 durch die in der Harzschicht 31 gebildeten Kontaktlöcher aufgebracht. Danach wurde das Substrat 30 auf die oberen Oberflächen des Sensorchips 21, den Träger 10 und die elektrischen Anschlüsse 12a–12d platziert und damit durch thermische Presspassung verbunden.
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Während der thermischen Presspassung wurde die Lötpaste durch darauf übertragene Wärme geschmolzen, wodurch die inneren Enden der elektrischen Leiter 32a–32d des Substrats 30 mit den elektrischen Kontaktstellen 25a–25d des Sensorchips 21 und die äußeren Enden derselben mit den jeweiligen elektrischen Anschlüssen 12a–12d verbunden wurden. Als Ergebnis wurden alle Verbindungsabschnitte zwischen den elektrischen Leitern 32a–32d und den elektrischen Kontaktstellen 25a–25d und zwischen den elektrischen Leitern 32a–32d und den elektrischen Anschlüssen 12a–12d hermetisch in der Harzschicht 31 vergraben, während die Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 durch die Öffnung 33 der Harzschicht 31 bloßgelegt wurde.
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Mit anderen Worten, mit Ausnahme der Abtastfläche 23a sind sowohl die oberen Oberflächen des Sensorchips 21 als auch des Trägers 10 vollständig von dem Substrat 30 bedeckt. Des weiteren sind die oberen Oberflächen der elektrischen Anschlüsse 12a–12d durch das Substrat 30 teilweise bedeckt, ohne dass irgendeine Fläche davon dem abzutastenden Druck ausgesetzt wird.
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Es wird bemerkt, dass jene Abschnitte der elektrischen Anschlüsse 12a–12d, welche wie in 1 und 2 dargestellt von dem Träger 10 aus herausragen, der Verwendung der Bildung einer elektrischen Verbindung des Drucksensors 1 mit außen dienen; jene Abschnitte werden nicht dem abzutastenden Druck ausgesetzt.
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Zusammenfassend sei erwähnt, dass in dem Drucksensor 1 der vorliegenden Ausführungsform das Substrat 30 derart mit dem Sensorchip 21 verbunden ist, dass die Abtastfläche 23a des Sensorchips 21 dem abzutastenden Druck durch die Öffnung 33 der Harzschicht 31 des Substrats 30 ausgesetzt wird, wobei die elektrischen Kontaktstellen 25a–25d des Sensorchips 21 elektrisch mit den elektrischen Leitern 32a–32d des Substrats 30 verbunden sind und sowohl die elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips 21 als auch die elektrischen Leiter des Substrats 30 hermetisch in der Harzschicht 31 des Substrats 30 eingebettet sind.
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Wenn mit einer derartigen Struktur der Drucksensor 1 in einer korrodierenden Atmosphäre verwendet wird, ist es möglich, zu verhindern, dass der Drucksensor 1 korrodiert.
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Da die elektrischen Leiter 32a–32d innerhalb der Harzschicht 31 des Substrats angeordnet sind, ist dementsprechend der Drucksensor 1 ohne das Drahtbonden kompakt ausgebildet, was andererseits zum Bilden eines elektrischen Anschlusses des Drucksensors 1 nötig wäre. Des weiteren sind die elektrischen Kontaktstellen 25a–25d des Sensorchips 21 symmetrisch auf der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 bezüglich der Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche angeordnet, wodurch eine hohe Genauigkeit des Drucksensors 1 sichergestellt wird.
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Insbesondere besitzen der aus einem Siliziummaterial gebildete Sensorchip 21 und die elektrischen Leiter 32a–32d des Substrats 30, welche aus Cu gebildet sind, unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Daher kann eine thermische Spannung dem Sensorchip 21 infolge der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensorchip 21 und den elektrischen Leitern 32a–32d aufgebracht werden, wodurch veranlasst wird, dass das Diaphragma 23 des Sensorchips 21 deformiert wird.
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Jedoch kann mit der symmetrischen Anordnung der elektrischen Kontaktstellen 25 der vorliegenden Ausführungsform die thermische Spannung gleichmäßig der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 aufgebracht werden, wodurch verhindert wird, dass das Diaphragma 23 des Sensorchips 21 ungleichmäßig deformiert wird. Als Ergebnis kann sogar dann verhindert werden, dass die Genauigkeit des Drucksensors 1 abfällt, wenn der Drucksensor 1 in einer Hochtemperaturatmosphäre verwendet wird.
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Dementsprechend besitzt der Drucksensor 1 der vorliegenden Ausführungsform eine kompakte Größe und eine hohe Korrosionsbeständigkeit und stellt eine hohe Genauigkeit beim Abtasten eines Drucks sicher. Der Drucksensor 1 ist insbesondere zur Verwendung beim Abtasten eines Drucks des Abgases eines Motors geeignet.
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Zweite Ausführungsform
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6 und 7 stellen einen Drucksensor 2 der zweiten Ausführungsform der Erfindung dar.
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Der Drucksensor 2 ist derart konfiguriert, dass er in einem Reifendrucküberwachungssystem eines Fahrzeugs zu verwenden ist. Insbesondere ist der Drucksensor 2 auf einem Reifen (oder dem Rad eines Reifens) des Fahrzeugs zu installieren, um direkt den Reifendruck abzutasten und Informationen über den abgetasteten Reifendruck einer in dem Fahrzeugkörper installierten (nicht dargestellten) Steuervorrichtung durch drahtlose Übertragung zu senden. Wenn der abgetastete Reifendruck kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, gibt die Steuervorrichtung dem Fahrer des Fahrzeugs einen Alarm aus.
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Wie in 6 und 7 dargestellt enthält der Drucksensor 2 vorwiegend einen Träger 10, einen Sensorchip (oder ein Sensorelement) 21, ein Schaltungschip 30 und ein Substrat 40. Der Träger 10 ist aus einem Harzmaterial gebildet und besitzt darin zwei Aussparungen 11 und 12, welche sich entsprechend 7 nach oben öffnen. Der Sensorchip 21 und der Schaltungschip 30 sind jeweils in den Aussparungen 11 und 12 des Trägers 10 untergebracht. Das Substrat 40 ist mit dem Träger 10, dem Sensorchip 21 und dem Schaltungschip 30 derart verbunden, dass es die oberen Oberflächen des Trägers 10 und der zwei Chips 21 und 20 bedeckt.
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Das Substrat 40 wird detailliert in 8A und 8B ohne den Träger 10 und die damit verbundenen zwei Chips 21 und 30 dargestellt.
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Demgegenüber zeigen 9 und 10 den Träger 10 mit dem Sensorchip 21 und dem darin angeordneten Halbleiterchip 30, wobei das Substrat 40 ausgelassen wird.
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Wie in 9 und 10 dargestellt besitzt bei dieser Ausführungsform der Träger 10 die Form einer rechtwinkligen Platte, und es sind die Aussparungen 11 und 12 in einer mittleren Fläche der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Trägers 10 gebildet.
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Der Sensorchip 21 ist mit einer oberen Oberfläche eines Glassitzes 20 verbunden und in der Aussparung 11 des Trägers 10 zusammen mit dem Glassitz 20 untergebracht.
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Der Sensorchip 21, welcher aus einem Siliziummaterial gebildet ist, besitzt die Form einer rechtwinkligen Platte und eine Aussparung, welche zentral auf der unteren Oberfläche des Sensorchips 21 gebildet ist und sich entsprechend 10 nach unten öffnet. Mit Hilfe der Aussparung 22 wird ein Diaphragma 23 in dem Sensorchip 21 erlangt.
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Insbesondere bilden die Bodenseite der Aussparung 22, welche wie durch eine gestrichelte Linie in 9 angezeigt eine achteckige Form besitzt, und eine Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 zusammen das Diaphragma 23. Da der Sensorchip 21 wie in 10 dargestellt mit dem Glassitz 20 verbunden ist, bilden die Aussparung 22 und die obere Oberfläche des Glassitzes 20 zusammen eine geschlossene Bezugsdruckkammer (beispielsweise eine Vakuumkammer).
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Demgegenüber wird die Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 einem abzutastenden Druck ausgesetzt. Auf der Abtastfläche 23a sind vier Messinstrumente bzw. Messstreifen (oder Piezowiderstände) 24a–24d gebildet, welche auf der Oberfläche des Sensorchips 21 gebildete Störstellendiffusionsschichten sind. Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform die Messstreifen 24a–24d durch Dotieren einer p-Typ-Dotierungssubstanz in ein n-Typ-Siliziumsubstrat gebildet. Des weiteren bilden jene Messstreifen 24a–24d zusammen eine Brückenschaltung in dem Sensorchip 21.
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Wenn ein Druck der Abtastfläche 23a der oberen Oberfläche des Sensorchips 21 aufgebracht wird, induziert die Druckdifferenz zwischen den zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Diaphragmas 23 (d. h. der Abtastfläche 23a und der Bodenseite der Aussparung 22) eine Belastungsänderung in dem Diaphragma 23. Diese Belastungsänderung veranlasst infolge des Piezowiderstandseffekts, den jene Messstreifen 24a–24d besitzen, eine Änderung der elektrischen Widerstandswerte der Messstreifen 24a–24d. Danach erfasst die Brückenschaltung die Änderung der elektrischen Widerstände der Messstreifen 24a–24d, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, das dem Druck entspricht, welcher der Abtastfläche 23a aufgebracht wird.
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Der Sensorchip 21 enthält wie in 9 und 10 dargestellt vier elektrische Kontaktstellen 25a–25d, welche aus einem Aluminiumfilm gebildet und entlang der linken Seite der rechtwinkligen Oberfläche des Sensorchips 21 angeordnet sind. Durch jene elektrischen Kontaktstellen 25a–25d wird die in dem Sensorchip 21 gebildete Brückenschaltung mit elektrischer Leistung versorgt, und es wird das durch die Brückenschaltung erzeugte elektrische Signal nach außen (beispielsweise einer externen Schaltung oder Gerät) ausgegeben. Auf jede der elektrischen Kontaktstellen 25a–25d sind wiederum ein Ni-Film und ein Au-Film plattiert, wodurch eine Aufschichtung 26 gebildet wird, welche es ermöglicht, dass eine elektrische Verbindung für die elektrische Kontaktstelle durch Löten gebildet wird.
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Somit besitzt der Halbleiterchip 21, welcher in der Aussparung 11 des Trägers 10 untergebracht ist, das darin gebildete Diaphragma 23, so dass das elektrische Signal entsprechend dem abzutastenden Druck erzeugt wird. Der Sensorchip 21 besitzt ebenfalls die obere Oberfläche, welche die Abtastfläche 23a und die elektrischen Kontaktstellen 25a–25d enthält, welche auf der oberen Oberfläche angeordnet sind.
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Demgegenüber enthält der Schaltungschip 30 verschiedene Vorrichtungen, durch welche wenigstens drei unterschiedliche elektrische Schaltungen in dem Schaltungschip 30 bereitgestellt werden. Insbesondere sind das die erste Schaltung für die Verarbeitung (beispielsweise für die Verstärkung) des elektrischen Signals von dem Sensorchip 21, die zweite Schaltung zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation zwischen dem Drucksensor 2 und außen (d. h. der in dem Fahrzeugkörper installierten Steuervorrichtung) mittels einer unten beschriebenen Antenne und die dritte Schaltung zur Erzeugung von elektrischer Leistung auf Veranlassung von außen durch die Antenne.
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Es wird bemerkt, dass, obwohl die drei elektrischen Schaltungen in einem einzigen Schaltungschip in dieser Ausführungsform integriert sind, sie ebenfalls jeweils in drei unterschiedlichen Schaltungschips vorgesehen und elektrisch miteinander verbunden sein können.
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Wie in 9 und 10 dargestellt besitzt der Schaltungschip 30 die Form einer rechtwinkligen Platte und enthält vier elektrische Kontaktstellen 31a–31d, welche aus einem Aluminiumfilm gebildet und entlang der rechten Seite der rechtwinkligen oberen Oberfläche des Schaltungschips 30 angeordnet sind. Der Schaltungschip 30 enthält des weiteren zwei elektrische Kontaktstellen 32a–32b, welche ebenfalls aus einem Aluminiumfilm gebildet und entlang der linken Seite der oberen Oberfläche des Schaltungschips 30 nahe der oberen linken Ecke desselben angeordnet sind. Auf jeder der elektrischen Kontaktstellen 31a–31d und 32a–32b sind wiederum ein Ni-Film und ein Au-Film plattiert, wodurch eine Aufschichtung 32 gebildet wird, welche die Bildung einer elektrischen Verbindung für die elektrische Kontaktstelle durch Löten ermöglicht.
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Somit besitzt der Schaltungschip 30, welcher in der Aussparung 12 des Trägers 10 untergebracht ist, drei elektrische Schaltungen und die obere Oberfläche, auf welcher die elektrischen Kontaktstellen 31a–31d und 32a–32b angeordnet sind. Durch die elektrischen Kontaktstellen 31a–31d führt der Schaltungschip 30 elektrische Leistung dem Sensorchip 21 zu und empfängt das elektrische Signal entsprechend dem abgetasteten Druck von dem Sensorchip 21. Durch die elektrischen Kontaktstellen 32a–32b ist der Schaltungschip 30 mit der Antenne für eine Kommunikation mit außen elektrisch verbunden.
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Darüber hinaus liegen wie in 10 dargestellt alle oberen Oberflächen des Sensorschips 21, des Schaltungschips 30 und des Trägers 10 auf derselben Ebene.
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Um wieder auf 8A und 8B zurückzukommen, das Substrat 40 besitzt ebenfalls die Form einer rechtwinkligen Platte. Das Substrat 40 enthält eine Harzschicht 41, welche thermische Plastizitäts- und elektrische Isoliereigenschaften aufweist, und eine Vielzahl von elektrischen Leitern 42a–42d und 43, welche innerhalb der Harzschicht 31 angeordnet sind.
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Die Harzschicht 41 kann beispielsweise aus PEEK, PEI, PPS, PBT, PET, PEN, LCP oder einer Mischung davon gebildet sein. Demgegenüber können die elektrischen Leiter 42a–42d und 43 beispielsweise aus Cu gebildet sein.
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Die Harzschicht 41 besitzt wie in 8A und 8B dargestellt eine kreisförmige Öffnung 44, welche vorgesehen ist, um es zu ermöglichen, dass dann, wenn die Harzschicht 41 wie in 6 und 7 dargestellt mit dem Sensorchip 21 verbunden ist, die Abtastfläche 23a des Sensorchips 21 dem abzutastenden Druck ausgesetzt wird.
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Die elektrischen Leiter 42a–42d sind zueinander parallel in einem mittleren Bereich der Harzschicht 41 angeordnet und werden für eine elektrische Verbindung des Sensorchips 21 mit dem Schaltungschips 30 verwendet. Der elektrische Leiter 43 besitzt eine schleifenähnliche Form und bildet die Antenne, durch welche die drahtlose Kommunikation zwischen dem Drucksensor 2 und außen durchgeführt wird und der Schaltungschip 30 von außen zur Erzeugung von elektrischer Leistung veranlasst wird. Darüber hinaus sind alle elektrischen Leiter 42a–42d und 43 auf der unteren Oberfläche der Harzschicht 41 bloßgelegt.
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Somit ist das Substrat 40 derart konfiguriert, dass es die Harzschicht 41 aufweist, in welchem die elektrischen Leiter 42a–42d und die Antenne 43 angeordnet sind. Das Substrat 40 wird mit allen Oberflächen des Sensorchips 21, des Schaltungschips 30 und des Trägers 10 durch thermische Presspassung verbunden, wodurch der Drucksensor 2 der vorliegenden Ausführungsform gebildet wird.
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Zur selben Zeit werden die elektrischen Leiter 42a–42d und die Antenne 43 des Substrats 40 entsprechend 6 und 7 mit den elektrischen Kontaktstellen 25a–25d des Sensorchips 21 und den elektrischen Kontaktstellen 31a–31d und 32a–32b des Schaltungschips 30 durch Löten verbunden.
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Insbesondere wurde Lötpaste zuerst beiden Enden von jedem der elektrischen Leiter 42a–42d und der Antenne 43 aufgebracht, welche auf der unteren Oberfläche der Harzschicht bloßgelegt waren. Danach wurde das Substrat 40 auf den oberen Oberflächen des Sensorchips 21, des Schaltungschips 30 und des Trägers 10 platziert und damit durch thermische Presspassung verbunden.
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Während des thermischen Presspassens wurde die Lötpaste durch darauf übertragene Wärme geschmolzen, wodurch die elektrischen Leiter 42a–42d des Substrats 40 mit den elektrischen Kontaktstellen 25a–25d des Sensorchips 21 und den elektrischen Kontaktstellen 31a–31d des Schaltungschips 30 und die Antenne 43 mit den elektrischen Kontaktstellen 32a–32b jeweils verbunden wurden. Als Ergebnis sind alle Verbindungsabschnitte zwischen den elektrischen Leitern 42a–42d und den elektrischen Kontaktstellen 25a–25d, 31a–31d und zwischen der Antenne und den elektrischen Kontaktstellen 32a–32b in der Harzschicht 41 hermetisch vergraben, während die Abtastfläche 23a des Sensorchips 21 durch die Öffnung 44 der Harzschicht 41 bloßgelegt ist.
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Mit anderen Worten, es sind mit Ausnahme der Abtastfläche 23a alle oberen Oberflächen des Sensorchips 21, des Schaltungschips 30 und des Trägers 10 vollständig von dem Substrat 40 bedeckt.
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Zusammenfassend dargestellt, es ist in dem Drucksensor 2 der vorliegenden Ausführungsform das Substrat 40 sowohl mit dem Sensorchip 21 als auch mit dem Schaltungschip 30 derart verbunden, dass die Abtastfläche 23a des Sensorchips 21 gegenüber dem abzutastenden Druck durch die Öffnung 44 der Harzschicht des Substrats 40 bloßgelegt ist, die elektrischen Kontaktstellen 25a–25d des Sensorchips 21 und die elektrischen Kontaktstellen 31a–31d, 32a–32b des Schaltungschips 30 elektrisch mit den elektrischen Leitern 42a–42d und 43 des Substrats 40 verbunden sind und alle elektrischen Kontaktstellen des Sensorchips 21 und des Schaltungschips 30 und die elektrischen Leiter des Substrats 40 hermetisch in der Harzschicht 41 des Substrats 40 eingebettet sind.
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Wenn der Drucksensor 2 in einer korrodierenden Atmosphäre verwendet wird, ist es mit einer derartigen Struktur möglich, zu verhindern, dass der Drucksensor 2 korrodiert.
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Da die elektrischen Leiter 42a–42d und die Antenne in der Harzschicht 41 des Substrats 40 angeordnet sind, wird des weiteren der Drucksensor 2 dementsprechend ohne Drahtbonden kompakt ausgebildet, was andernfalls zur Bildung einer elektrischen Verbindung des Drucksensors 2 und einer großen anwendungsspezifischen Antenne nötig wäre.
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Des weiteren enthält der Schaltungschip 30 die erste Schaltung zum Verarbeiten des elektrischen Signals von dem Sensorchip 21, die zweite Schaltung zum Durchführen der drahtlosen Kommunikation zwischen dem Drucksensor 2 und dem Äußeren (d. h. die Steuervorrichtung in dem Fahrzeugkörper) mittels der Antenne 43 und die dritte Schaltung zum Erzeugen von elektrischer Leistung auf Veranlassung von außen durch die Antenne 43.
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Folglich kann der Drucksensor 2 ohne irgendwelche zusätzlichen elektrischen Anschlüsse und Batterie drahtlos mit außen kommunizieren und mit elektrischer Leistung versorgt werden, was andernfalls für die Übertragung von elektrischen Signalen und einer Versorgung mit elektrischer Leistung nötig wäre.
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Darüber hinaus besitzt die Antenne 43 eine schleifenähnliche Form, so dass eine hinreichend große Fläche der Antenne 43 für den Empfang von elektrischen Wellensignalen sichergestellt ist, wodurch eine hohe Empfindlichkeit der Antenne 43 sichergestellt ist.
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Darüber hinaus wird bemerkt, dass der Schaltungschip 30 des Drucksensors 2 des weiteren eine Temperaturkompensationsschaltung enthält, um Abtastfehler des Drucksensors zu kompensieren, welche infolge von Änderungen der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden.
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Dementsprechend besitzt der Drucksensor 2 der vorliegenden Ausführungsform eine kompakte Größe und eine hohe Korrosionsbeständigkeit und stellt eine hohe Genauigkeit beim Abtasten eines Drucks sicher. Der Drucksensor 2 ist insbesondere zur Verwendung in einem Reifendrucküberwachungssystem eines Fahrzeugs geeignet.
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Weitere Ausführungsformen
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Während die obigen speziellen Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, versteht es sich für den Anwender der Erfindung und für den Fachmann, dass verschiedene Modifizierungen, Änderungen und Verbesserungen der Erfindung durchgeführt werden können, ohne dass von dem offenbarten Konzept der Erfindung abgewichen wird.
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Beispielsweise ist in der ersten Ausführungsform der Erfindung der Drucksensor derart konfiguriert, dass ein Druck des Abgases von einem Motor abgetastet wird.
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Jedoch kann der Drucksensor 1 ebenfalls konfiguriert sein, um andere Drücke wie den Reifendruck wie bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung abzutasten.
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Darüber hinaus enthält bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung der Schaltungschip 30 des Drucksensors 2 die drei elektrische Schaltungen.
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Jedoch kann der Schaltungschip 30 ebenfalls derart konfiguriert sein, dass er lediglich die erste Schaltung zum Verarbeiten des elektrischen Signals von dem Sensorchip 21 und die zweite Schaltung zum Durchführen der drahtlosen Kommunikation mit dem Drucksensor 2 und außen mittels der Antenne 42 enthält, ohne dass die dritte Schaltung zum Erzeugen von elektrischer Leistung vorgesehen ist. Dabei ist der Drucksensor 2 noch immer kompakter als der vorhandene Drucksensor, welcher vorausgehend beschrieben wurde.