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Der vorliegende Gegenstand bezieht sich allgemein auf Drucksensoranordnungen, die dazu ausgelegt sind, den Druck eines Arbeitsfluids zu messen.
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Bekannte Drucksensoranordnungen oder -pakete umfassen einen Halbleiter-Drucksensorchip, der zur strukturellen Unterstützung auf ein Substrat montiert ist. Der Halbleiter-Drucksensorchip kann ein mikroelektromechanisches System (MEMS) sein, das eine kleine Größe in der Größenordnung von Mikrometern hat. Das Substrat kann an einer Einhausung, einem Gehäuse oder einem Block montiert sein, z.B. an einem Getriebegehäuse eines Automobils, so dass der Drucksensorchip den Druck des Öls in dem Gehäuse messen kann.
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Die bekannten Drucksensorpakete sind typischerweise für die Überwachung von relativ inerten Gasen und/oder nicht aggressiven (z.B. begrenzte Korrosivität, begrenzter Säuregehalt usw.) Flüssigkeiten in relativ milden Umgebungen ausgelegt und können in aggressiven chemischen Umgebungen und/oder bei relativ hohem Druck nicht zuverlässig und nachhaltig arbeiten. Zum Beispiel weisen einige Drucksensorpakete, die für den Einsatz mit relativ aggressiven Chemikalien, wie z.B. Kraftstoff, Öl, Harnstoff, Kältemittel oder dergleichen, ausgelegt sind, Öffnungen durch das Substrat auf, die es den Chemikalien ermöglichen, auf eine Unterseite des Drucksensorchips aufzutreffen, während elektrische Elemente auf einer Oberseite des Drucksensorchips angeordnet sind, um die elektrischen Elemente vor den Chemikalien zu schützen.
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Einige Drucksensorchips sind mit einem weichen Klebstoff, wie z.B. bei Raumtemperatur vulkanisiertem (RTV) Silikonkautschuk, auf dem entsprechenden Substrat befestigt. Die Verwendung von RTV-Silikonkautschuk hat jedoch einige Nachteile. Beispielsweise kann der RTV-Silikonkautschuk begrenzte Hafteigenschaften aufweisen, so dass der RTV-Silikonkautschuk den Sensorchip nur bei einem Druck von weniger als etwa 200 psi oder dergleichen zuverlässig an dem Substrat befestigen kann. Daher wird der Standard-RTV-Silikonkautschuk in der Regel nicht für Hochdruckanwendungen bis zu 300 psi oder höher verwendet. Außerdem ist der RTV-Silikonkautschuk möglicherweise nicht in der Lage, den aggressiven Flüssigkeiten standzuhalten, da einige Kraftstoffe bekanntermaßen ein Quellen von RTV-Silikonkautschuk verursachen und andere Fluide möglicherweise bewirken, dass sich der RTV-Silikonkautschuk verschlechtert und seine Haftkraft verliert.
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Einige bekannte Drucksensorchips sind mittels eines metallischen Lötmaterials auf Metallsubstraten befestigt. Der Einsatz von Metallsubstraten bei Drucksensorchips hat jedoch einige Nachteile, insbesondere bei hohen Temperaturen (z.B. bis zu 150 Grad Celsius (C)) und bei niedrigen Temperaturen (z.B. bis zu -40 Grad C). Beispielsweise können die Metallsubstrate einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweisen, der sich deutlich von dem WAK des Drucksensorchips unterscheidet. Diese WAK-Diskrepanz kann bei hohen Temperaturen und niedrigen Temperaturen zu hohen thermomechanischen Belastungen des Drucksensorchips führen. Die Belastungen auf dem Drucksensorchip können Fehler (z.B. thermische Hysterese, Druckhysterese, Nullpunktstabilität, Ausgangsstabilität unter Druck und andere nicht kompensierbare Fehler) in dem Drucksensorchip bewirken, wodurch der Drucksensorchip ungenau und bei der Messung des Fluiddrucks bezüglich der erforderlichen Genauigkeit in seiner Wirksamkeit funktionsunfähig wird.
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Es wäre vorteilhaft, eine Drucksensoranordnung bereitzustellen, die auch in aggressiver Umgebung, die hohe und niedrige Temperaturen, korrosive Flüssigkeiten, hohen Druck und dergleichen umfassen kann, zuverlässig genaue Messungen eines Arbeitsfluid liefert.
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Es wird eine Drucksensoranordnung bereitgestellt, die einen Sensorchip und ein Keramiksubstrat umfasst. Der Sensorchip hat eine erste Seite und eine zweite Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt. Der Sensorchip umfasst einen Siliziumchip mit einer Membran, die dazu ausgelegt ist, einem Arbeitsfluid ausgesetzt zu werden. Der Sensorchip umfasst eines oder mehrere elektrische Erfassungselemente, die auf der Membran montiert und dazu ausgelegt sind, einen Druck des Arbeitsfluids zu messen. Der Sensorchip ist mittels einer Lötschicht, die an dem Keramiksubstrat und der zweiten Seite des Sensorchips angreift, auf dem Keramiksubstrat montiert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen exemplarisch beschrieben. In denen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Drucksensoranordnung gemäß einer Ausführungsform.
- 2 eine Explosions-Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung gemäß einer Ausführungsform.
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Montage einer Drucksensoranordnung gemäß einer Ausführungsform.
- 4 eine Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform.
- 5 eine seitliche Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung, die in einer Steckverbindung gemäß einer exemplarischen Anwendung installiert ist.
- 6 eine seitliche Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung gemäß einer weiteren exemplarischen Anwendung.
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Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen eine Drucksensoranordnung bereit, die dazu ausgelegt ist, den Druck eines Arbeitsfluids unter aggressiven Bedingungen zuverlässig und genau zu messen. So kann beispielsweise die Drucksensoranordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen so ausgelegt sein, dass sie in einem breiten Temperaturbereich arbeiten kann, der kalte Temperaturen bis zu mindestens -40 Grad C und heiße Temperaturen bis zu mindestens 150 Grad C umfasst. Darüber hinaus kann die Drucksensoranordnung so ausgelegt sein, dass sie aggressiven Medien, wie z.B. Öl, Kraftstoff, Harnstoff, Kältemittel und dergleichen, standhält. Die Drucksensoranordnung kann in einer oder mehreren Ausführungsformen dazu ausgelegt sein, den Druck eines Arbeitsfluids in einem Druckbereich zu messen, der sich bis zu 1500 psi oder mehr erstreckt.
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Drucksensoranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Drucksensoranordnung 100 umfasst einen Sensorchip 102, der auf einem Substrat 104 montiert ist. Die Drucksensoranordnung 100 ist dazu ausgelegt, den Druck eines Arbeitsfluids zu messen, das auf den Sensorchip 102 auftrifft. Die Drucksensoranordnung 100 kann in Automobilanwendungen verwendet werden, um den Druck von Kraftstoff in einem Kraftstofftank, Öl in einem Getriebegehäuse und dergleichen zu messen. Die Drucksensoranordnung 100 kann auch in verschiedenen anderen Anwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise in anderen Fahrzeugtypen (z.B. Schienenfahrzeugen, Booten, Flugzeugen usw.), Geräten und Industriemaschinen.
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Der Sensorchip 102 ist ein Halbleiterchip, der eine Membran 106 und elektrische Erfassungselemente 109 umfasst, die auf der Membran 106 montiert sind. Der Sensorchip 102 ist in einer oder mehreren Ausführungsformen eine Vorrichtung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), das eine Größe in der Größenordnung von Mikrometern oder Millimetern umfasst. Der Sensorchip 102 dient als Druckwandler. So bewirkt beispielsweise eine Druckänderung, dass sich die Membran 106 in einem Ausmaß bewegt oder verformt, das der Größe der Druckänderung entspricht. Die elektrischen Erfassungselemente 109 erfassen die Verformung der Membran 106 und geben ein Spannungssignal aus, das proportional zu dem Ausmaß der Verformung ist. Die elektrischen Erfassungselemente 109 sind piezoresistive Elemente (z.B. Dehnungsmessstreifen, Widerstände usw.) und die Verformung der Membran 106 wirkt sich auf den Widerstand der Elemente 109 aus.
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Die elektrischen Erfassungselemente 109 sind über Drahtverbindungen 114 elektrisch mit den Schaltungselementen 112 auf dem Substrat 104 verbunden. Jede der Drahtverbindungen 114 umfasst einen Draht 116, der sich von einer ersten Seite 118 des Sensorchips 102 zu einem entsprechenden Schaltungselement 112 erstreckt. Die Schaltungselemente 112 können elektrische Leiterbahnen auf einer Leiterplatte sein. Die Drahtverbindungen 114 sind über Kontaktflächen 117 elektrisch mit den Schaltelementen 112 verbunden und über Drahtbindungskontaktflächen 108 elektrisch mit den Erfassungselementen 109 auf der Membran 106 verbunden. In der gezeigten Ausführungsform ist das Substrat 104, auf dem der Sensorchip 102 montiert ist, die Leiterplatte, die die Schaltungselemente 112 umfasst. Die Kontaktflächen 117 und die Schaltungselemente 112 sind von einem Montagebereich 120 des Substrats 104 beabstandet, der an dem Sensorchip 102 angreift, und die Drahtverbindungen 114 durchqueren den Raum. Die von den Erfassungselementen 109 ausgegebenen Spannungssignale werden zur Verarbeitung und/oder Kommunikation des gemessenen Drucks entlang der Drahtverbindungen 114 und der Schaltelemente 112 zu Prozessoren (nicht gezeigt), Sendern (nicht gezeigt) oder dergleichen weitergeleitet.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Erfassungselemente 109 auf einer ersten Seite 118 des Sensorchips 102 angeordnet, die von dem Substrat 104 abgewandt angeordnet ist. Die erste Seite 118 wird hierin als Oberseite 118 des Sensorchips 102 bezeichnet. Wie hierin verwendet, werden relative oder räumliche Begriffe wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „obere“ und „untere“ nur zur Unterscheidung der referenzierten Elemente verwendet und erfordern nicht unbedingt bestimmte Positionen oder Ausrichtungen in Bezug auf die Schwerkraft oder die Umgebung der Drucksensoranordnung 100. In einer alternativen Ausfiihrungsform können die Erfassungselemente 109 an einem anderen Abschnitt des Sensorchips 102 als auf der Oberseite 118 montiert sein.
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Das Substrat 104 hat eine Zusammensetzung, die ein keramisches Material umfasst. Das Substrat 104 kann hierin als Keramiksubstrat 104 bezeichnet werden. Das Keramiksubstrat 104 ist über eine metallische Lötschicht 201 an dem Sensorchip 104 befestigt (siehe 2). Obwohl das Keramiksubstrat 104 in der gezeigten Ausführungsform eine Leiterplatte ist, ist das Substrat 104 nicht auf eine planare Leiterplatte beschränkt und kann auch andere Formen aufweisen.
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2 ist eine Explosions-Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Drucksensoranordnung 100 umfasst den Sensorchip 102, das Keramiksubstrat 104 und die zwischen dem Sensorchip 102 und dem Substrat 104 angeordnete metallische Lötschicht 201. Die Lötschicht 201 dient der mechanischen Befestigung des Sensorchips 102 an dem Substrat 104. Die elektrischen Erfassungselemente 109 und Drahtverbindungen 114 entfallen in 2.
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In einer Ausführungsform umfasst der Sensorchip 102 die erste Seite 118 und eine zweite Seite 204, die der ersten Seite 118 gegenüberliegt. Die zweite Seite 204 ist dem Keramiksubstrat 104 zugewandt angeordnet und greift an der Lötschicht 201 an. In der gezeigten Ausrichtung ist die erste Seite 118 eine Oberseite 118 und ist die zweite Seite 204 eine Unterseite 204. Der Sensorchip 102 umfasst einen Siliziumchip 202, der aus Silizium gebildet ist. Der Siliziumchip 202 definiert in der gezeigten Ausführungsform die Oberseite 118 des Sensorchips 102. Der Siliziumchip 202 umfasst die Membran 106. Die Membran 106 befindet sich entlang der Oberseite 118 in einem mittleren Bereich des Sensorchips 102. Die Membran 106 weist im Vergleich zu anderen Abschnitten des Sensorchips 102 eine reduzierte Dicke auf, wodurch sich die Membran 106 aufgrund von Druckschwankungen bewegen (z.B. verformen) kann. Die Membran 106 ist dazu ausgelegt, einem Arbeitsfluid ausgesetzt zu werden, so dass das Arbeitsfluid auf eine Innenseite 208 oder eine gegenüberliegende Außenseite 210 der Membran 106 auftrifft. Die Innenseite 208 ist dem Keramiksubstrat 104 zugewandt angeordnet.
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Das Keramiksubstrat 104 weist eine dem Chip zugewandte Seite 212 auf, die dem Sensorchip 102 zugewandt angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Keramiksubstrat 104 eine planare Platte und umfasst eine Rückseite 214, die der dem Chip zugewandten Seite 212 gegenüberliegt. In einer Ausführungsform hat das Keramiksubstrat 104 eine Zusammensetzung, die Alumina (z.B. Aluminiumoxid) umfasst. Das Keramiksubstrat 104 kann zu 100% aus Alumina gebildet sein oder zusätzliche Verbindungen und/oder Komponenten außer Alumina umfassen. So kann beispielsweise das Keramiksubstrat 104 hauptsächlich aus Alumina, wie beispielsweise 80% oder 90% Alumina, bestehen. In anderen Ausführungsformen kann die Zusammensetzung des Keramiksubstrats 104 eines oder mehrere andere keramische Materialien anstelle von Alumina aufweisen, wie beispielsweise andere Metalloxide als Aluminium.
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Die Lötschicht 201 greift an der Unterseite 204 des Sensorchips 102 und der dem Chip zugewandten Seite 212 des Keramiksubstrats 104 an, um den Sensorchip 102 an dem Keramiksubstrat 104 zu befestigen. Die Lötschicht 201 weist eine Metalllegierungszusammensetzung auf, die Zinn umfasst und zusätzliche Metalle oder andere Komponenten umfassen kann. So kann beispielsweise die Zusammensetzung der Lötschicht 201 unter anderen Metallen und/oder Komponenten auch Silber, Kupfer, Mangan, Antimon, Wismut, Nickel, Blei oder Indium umfassen. Die Metalle in den Lötschichten 201 sind im Gegensatz zu weichen Klebstoffen wie Silikonkautschuk in der Lage, Ablagerungen und korrosiven Arbeitsfluiden, wie z.B. Kraftstoff, Öl, Kältemittel und Harnstoff, standzuhalten, ohne zu zerbrechen oder zu quellen.
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In einer Ausführungsform umfasst der Sensorchip 102 eine Chipmetallisierungsschicht 218, die an der Lötschicht 201 angreift. Die Chipmetallisierungsschicht 218 ist entlang der Unterseite 204 des Sensorchips 102 angeordnet. Die Chipmetallisierungsschicht 218 kann die Unterseite 204 des Chips 102 definieren oder sich von der Unterseite 204 erstrecken. Die Chipmetallisierungsschicht 218 hat eine Zusammensetzung, die Titan, Nickel, Gold, Chrom und/oder Platin umfassen kann. In einer Ausführungsform ist eine Kombination aus mindestens einigen dieser Metalle sequentiell auf die Unterseite 204 des Sensorchips 102 aufgebracht, so dass die Chipmetallisierungsschicht 218 (zumindest vor dem Löten) unterschiedliche Teilschichten umfasst.
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Der Sensorchip 102 umfasst optional eine Beschränkungsbasis 220, die auf dem Siliziumchip 202 montiert ist. Die Beschränkungsbasis 220 kann aus Glas oder einem anderen kristallinen Keramikmaterial bestehen. Die Beschränkungsbasis 220 ist zwischen dem Siliziumchip 202 und der Lötschicht 201 angeordnet. Die Beschränkungsbasis 220 kann durch anodisches Bonden oder ein anderes Verfahren, wie beispielsweise Klebstoff, an dem Siliziumchip 202 befestigt sein. In einer Ausführungsform ist die Chipmetallisierungsschicht 218 direkt auf einer dem Substrat zugewandten Oberfläche 222 der Beschränkungsbasis 220 angeordnet. Optional, wie in 2 gezeigt, kann die Chipmetallisierungsschicht 218 im Wesentlichen die gesamte dem Substrat zugewandte Oberfläche 222 bedecken, so dass die Chipmetallisierungsschicht 218 in Angriff an die Oberfläche 222 gelangt und mindestens 90% oder 95% des Oberflächenbereichs der Oberfläche 222 bedeckt. Alternativ kann die Chipmetallisierungsschicht 218 an nur einem Teil (z.B. weniger als 90%) der dem Substrat zugewandten Oberfläche 222 in Angriff sein und diesen bedecken. In einer alternativen Ausführungsform kann die Beschränkungsbasis 220 an dem Sensorchip 102 nicht vorhanden sein und ist die Chipmetallisierungsschicht 218 direkt auf einer dem Substrat zugewandten Oberfläche 226 des Siliziumchips 202 angeordnet.
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Das Keramiksubstrat 104 umfasst eine Substratmetallisierungsschicht 230, die auf der dem Chip zugewandten Seite 212 des Keramiksubstrats 104 angeordnet ist. Die Substratmetallisierungsschicht 230 greift an der Lötschicht 201 an. Die Substratmetallisierungsschicht 230 hat eine Zusammensetzung, die eines oder mehrere Metalle umfasst. Die Zusammensetzung der Substratmetallisierungsschicht 230 kann unter anderen Metallen oder Komponenten optional Platin, Palladium und/oder Silber umfassen. -
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In einer Ausführungsform hat das Keramiksubstrat 104 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK), der relativ nahe an dem WAK der Beschränkungsbasis 220 aus Glas liegt. So unterscheidet sich beispielsweise in einem Arbeitsbeispiel der Drucksensoranordnung 100 der WAK des Keramiksubstrats 104 um weniger als 5 ppm/Grad C von dem WAK der Beschränkungsbasis aus Glas 220. Diese Wärmeausdehnungsdiskrepanz ist im Vergleich zu Wärmeausdehnungsdiskrepanzen bekannter Drucksensorpakete, die beispielsweise Metallsubstrate verwenden, relativ gering. Aufgrund der relativ kleinen Diskrepanz sind die mechanischen Belastungen, die bei hohen Temperaturen und niedrigen Temperaturen von dem Substrat 104 auf den Sensorchip 102 übertragen werden, relativ schwach und verursachen keine nennenswerten Druckmessfehler durch thermische Hysterese, Druckhysterese, Nullpunktstabilität, Ausgangsstabilität unter Druck und andere nicht kompensierbare Fehler. Daher kann die hierin beschriebene Drucksensoranordnung 100 genauer und funktioneller sein als die bekannten Drucksensorpakete, wenn sie hohen Temperaturen (z.B. bis zu mindestens 150 Grad C) und niedrigen Temperaturen (z.B. bis zu mindestens -40 Grad C) ausgesetzt ist.
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In einer Ausführungsform definiert der Sensorchip 102 einen Hohlraum 232, der sich durch die Unterseite 204 zu der Membran 106 erstreckt. Die Membran 106 erstreckt sich über den Hohlraum 232 und definiert eine Decke oder Kappe des Hohlraums 232. Der Hohlraum 232 erstreckt sich vollständig durch die Chipmetallisierungsschicht 218 und die Beschränkungsbasis 220. So kann beispielsweise der Hohlraum 232 eine Durchgangsöffnung in der Beschränkungsbasis 220 sein und wird die Chipmetallisierungsschicht 218 anschließend auf die dem Substrat zugewandte Oberfläche 222 der Beschränkungsbasis 220 aufgebracht, so dass die Chipmetallisierungsschicht 218 den Hohlraum 232 umfangmäßig umgibt. Der Hohlraum 232 erstreckt sich auch teilweise durch den Siliziumchip 202 von der dem Substrat zugewandten Oberfläche 226 bis zu der Membran 106. Das Keramiksubstrat 104 definiert eine Öffnung oder einen Eingang 234, die bzw. der sich von der Rückseite 214 durch die dem Chip zugewandte Seite 212 erstreckt. Die Substratmetallisierungsschicht 230 auf der dem Chip zugewandten Seite 212 des Keramiksubstrats 104 umgibt die Öffnung 234 .
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Die Öffnung 234 in dem Keramiksubstrat 104 ist zumindest teilweise so mit dem Hohlraum 232 in Ausrichtung, dass die Öffnung 234 mit dem Hohlraum 232 in Fluidverbindung steht. Die Öffnung 234 und der Hohlraum 232 definieren zusammen einen Fluidkanal 236. Die Lötschicht 201 umgibt den Fluidkanal 236 umfangmäßig. So definiert beispielsweise die Lötschicht 201 einen Abschnitt des Fluidkanals 236 zwischen dem Hohlraum 232 des Sensorchips 102 und der Öffnung 234 des Keramiksubstrats 104. Der Fluidkanal 236 ist dazu ausgelegt, Arbeits- oder Testfluid von unterhalb der Rückseite 214 des Keramiksubstrats 104 darin aufzunehmen. Das Arbeitsfluid tritt in einer Fluideintrittsrichtung 240 in den Fluidkanal 236 ein und trifft auf die Innenseite 208 der Membran 106 auf. Der Druck, den das Arbeitsfluid auf die Membran 106 ausübt, kann durch die elektrischen Erfassungselemente 109 (in 1 gezeigt) auf dem Siliziumchip 202 gemessen werden. In einer Ausführungsform sind die elektrischen Erfassungselemente 109 auf der Außenseite 210 der Membran 106 montiert und dem Arbeitsfluid in dem Fluidkanal 236 nicht ausgesetzt. So stellt beispielsweise die Membran 106 eine Barriere dar, die die Erfassungselemente 109, die Drahtverbindungen 114 (1) und andere Elektronik vor der Einwirkung des Arbeitsfluids schützt, das korrosiv sein kann.
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Da das Arbeitsfluid von unter dem Keramiksubstrat in die Drucksensoranordnung 100 eingebracht wird, drückt der von dem Arbeitsfluid auf die Membran 106 ausgeübte Druck den Sensorchip 102 in eine Richtung von dem Keramiksubstrat 104 weg. Die Lötschicht 201 hat in einer Ausführungsform ausreichende Hafteigenschaften, um dem Druck des Arbeitsfluids bis zu einem relativ hohen Druck, wie beispielsweise 1500 psi oder mehr, standzuhalten. Die in bekannten Drucksensorpaketen verwendeten Klebstoffe, wie beispielsweise RTV-Silikonkautschuk, können bei niedrigerem Druck (z.B. etwa 200 psi oder 300 psi) versagen, was dazu führt, dass sich der Sensorchip von dem Substrat löst.
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3 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zur Montage einer Drucksensoranordnung gemäß einer Ausführungsform. Die durch das Verfahren 300 hergestellte Drucksensoranordnung kann eine oder mehrere der Ausführungsformen der in den 1, 2, 4, 5 und 6 gezeigten Drucksensoranordnung 100 darstellen. Bei 302 wird ein Sensorchip vorgesehen, der einen Siliziumchip mit einer Membran umfasst, die einem Arbeitsfluid ausgesetzt ist. Das Arbeitsfluid kann eine relativ aggressive Flüssigkeit oder ein relativ aggressives Gas sein, wie beispielsweise Öl, Kraftstoff, Harnstoff, Kältemittel, Kraftstoffdampf oder dergleichen. Der Sensorchip umfasst auch eines oder mehrere elektrische Erfassungselemente, die auf dem Siliziumchip montiert und dazu ausgelegt sind, einen Druck des Arbeitsfluids zu messen. Das eine oder die mehreren Erfassungselemente können piezoresistive Elemente sein, die dazu ausgelegt sind, den spezifischen Widerstand zu ändern und eine Spannungsausgabe basierend auf der Verformung (z.B. Verlagerung) der Membran bereitzustellen, so dass sich die Spannungsausgabe auf Grundlage eines Ausmaßes der Verformung der Membran ändert. Die Membran hat eine Innenseite und eine gegenüberliegende Außenseite. In einer Ausführungsform ist die Innenseite dem Arbeitsfluid ausgesetzt, das durch einen Hohlraum in dem Sensorchip in den Sensorchip eintritt. Das eine oder die mehreren Erfassungselemente sind auf der Außenseite der Membran montiert und dem Arbeitsfluid in dem Hohlraum nicht ausgesetzt.
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Bei 304 wird eine Chipmetallisierungsschicht auf eine Seite des Sensorchips aufgebracht. Die Membran kann beispielsweise an oder in der Nähe einer ersten Seite des Sensorchips angeordnet sein und die Chipmetallisierungsschicht kann auf eine zweite Seite des Sensorchips aufgebracht werden, die der ersten Seite gegenüberliegt. Die Chipmetallisierungsschicht umfasst eines oder mehrere Metalle, wie z.B. Titan, Nickel, Gold, Chrom und/oder Platin. Die Metalle können über einen Sputter-Prozess, einen Dampfabscheidungsprozess oder dergleichen aufgebracht werden. Optional umfasst der Sensorchip eine Beschränkungsbasis, die aus Glas gebildet ist. Die Beschränkungsbasis ist auf dem Siliziumchip befestigt. Die Chipmetallisierungsschicht wird direkt auf die Beschränkungsbasis entlang der zweiten Seite des Sensorchips aufgebracht. In einer Ausführungsform definiert die Beschränkungsbasis einen Abschnitt des Hohlraums des Sensorchips durch diesen, so dass das Arbeitsfluid durch die Beschränkungsbasis entlang des Hohlraums zu der Membran fließt. Die Chipmetallisierungsschicht auf der Beschränkungsbasis umgibt den Hohlraum umfangmäßig.
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Bei 306 wird ein Keramiksubstrat bereitgestellt und wird eine Substratmetallisierungsschicht auf eine Seite des Keramiksubstrats aufgebracht. Das Keramiksubstrat hat eine Zusammensetzung, die ein keramisches Material, wie beispielsweise Alumina, umfasst. In einer Ausführungsform ist die Zusammensetzung des Keramiksubstrats aus mindestens 90% Alumina gebildet. Das Keramiksubstrat kann eine planare Platte, wie beispielsweise eine Leiterplatte, sein oder das Keramiksubstrat kann verschiedene andere Formen aufweisen, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf Formen, die zur Aufnahme einer axialen oder radialen O-Ring-Dichtung, einer verjüngten Crimpverbindung, einer zylindrischen Struktur, eines Gewindes usw. vorgesehen sind. Die Substratmetallisierungsschicht hat eine Zusammensetzung, die unter anderen Metallen oder Komponenten eines oder mehrere Metalle wie z.B. Platin, Palladium und/oder Silber umfasst. Die Substratmetallisierungsschicht kann mittels Siebdruck, Sputtern, Dampfabscheidung oder dergleichen auf das Keramiksubstrat aufgebracht werden. In einer Ausführungsform definiert das Keramiksubstrat eine Öffnung durch das Keramiksubstrat von einer Rückseite zu einer gegenüberliegenden, dem Chip zugewandten Seite, auf die die Substratmetallisierungsschicht aufgebracht wird. Die Öffnung in dem Keramiksubstrat ist in Ausrichtung mit dem Hohlraum des Sensorchips, so dass die Kombination aus Öffnung und Hohlraum einen Fluidkanal darstellt, der es dem Arbeitsfluid ermöglicht, durch das Keramiksubstrat und einen Abschnitt des Sensorchips zu fließen, bevor es auf die Membran auftrifft. Die Substratmetallisierungsschicht umgibt die Öffnung des Keramiksubstrats umfangmäßig.
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Bei 308 wird der Sensorchip auf das Keramiksubstrat gelötet, indem eine Lötschicht zwischen der Chipmetallisierungsschicht auf dem Sensorchip und der Substratmetallisierungsschicht auf dem Keramiksubstrat aufgebracht wird. Die Lötschicht hat eine Metalllegierungszusammensetzung, die Zinn umfasst und unter anderen Metallen oder Komponenten zusätzliche Metalle oder andere Komponenten wie z.B. Silber, Kupfer, Mangan, Antimon, Wismut, Nickel, Blei und/oder Indium umfassen kann. Die Lötschicht wird so auf die Metallisierungsschichten aufgebracht, dass die Lötschicht den Fluidkanal, der sich durch den Sensorchip und das Keramiksubstrat erstreckt, nicht behindert.
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4 ist eine Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. In der gezeigten Ausführungsform kann die Drucksensoranordnung 100 der in 2 gezeigten Drucksensoranordnung 100 ähnlich sein, mit Ausnahme der Hinzufügung einer Vakuumkappe 402 auf der Oberseite 118 des Siliziumchips 202. Die Vakuumkappe 402 ist in Ausrichtung mit der Membran 106 des Siliziumchips 202. Die Vakuumkappe 402 definiert eine Tasche oder Kammer 404 direkt über der Außenseite 210 der Membran 106. In einer Ausführungsform steht die Tasche 404 unter einem Vakuum, so dass die Außenseite 210 der Membran 106 nicht unter Druck von Luft oder einem anderen Fluid außerhalb des Hohlraums 232 steht. Mit der Hinzufügung der Vakuumkappe 402 ist der Sensorchip 102 ein Absolutdrucksensorchip, der dazu ausgelegt ist, einen Absolutdruck des Arbeitsfluids zu messen. Der in 2 gezeigte Sensorchip 102, dem die Vakuumkappe 402 fehlt, ist ein Überdrucksensorchip oder ein Differenzdrucksensorchip, der dazu ausgelegt ist, einen Relativ- oder Differenzdruck des Arbeitsfluids zu messen. Somit können, wie hierin beschrieben, verschiedene Arten von Drucksensorchips montiert und mittels der Lötschicht 201 an dem Keramiksubstrat 104 befestigt werden.
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5 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung 100, die gemäß einer exemplarischen Anwendung in einer Steckverbindung 502 installiert ist. Die Steckverbindung 502 kann dazu ausgelegt sein, an einen Behälter, der ein Arbeitsfluid umfasst, wie beispielsweise einem Kraftstofftank, einem Getriebe (z.B. ein Getriebegehäuse) oder dergleichen, montiert zu werden. Die Steckverbindung 502 umfasst in der gezeigten Ausführungsform einen Kopf 504 und einen sich von dem Kopf 504 erstreckenden Schaft 506. Der Kopf 504 definiert eine Aussparung 508 an einem oberen Ende 509 der Steckverbindung 502, die die Drucksensoranordnung 100 aufnimmt. Der Schaft 506 umfasst Gewinde 516 zum gewindefähigen Verbinden der Steckverbindung 502 mit dem entsprechenden Flüssigkeitsbehälter. In einer alternativen Ausführungsform können die Gewinde 516 anstelle oder zusätzlich zu dem Schaft 506 entlang des Kopfes 504 angeordnet sein. In weiteren Ausführungsformen können der Schaft 506 und/oder der Kopf 504 anstelle der Gewinde 516 verformbare Rippen oder andere Merkmale zum Koppeln der Steckverbindung 502 mit dem Behälter umfassen.
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Der Schaft 506 definiert einen Durchgang 510, der sich durch den Schaft 506 von einem unteren Ende 511 der Steckverbindung 502 bis zu der Aussparung 508 in dem Kopf 504 erstreckt. Der Durchgang 510 ist so ausgelegt, dass ein Arbeitsfluid durch das untere Ende 511 in die Steckverbindung 502 eindringen und in die Drucksensoranordnung 100 gelangen kann. Die Steckverbindung 502 umfasst mindestens ein Dichtungselement 512, um zu verhindern, dass das Arbeitsfluid um die Ränder des Keramiksubstrats 104 in der Aussparung 508 leckt. In der gezeigten Ausführungsform ist das Keramiksubstrat 104 eine planare Platte und das Dichtungselement 512 ein axialer O-Ring, der zu der Rückseite 214 des Keramiksubstrats 104 hin abdichtet (z.B. als Gleitringdichtung). In anderen Ausführungsformen kann das Dichtungselement 512 um einen Rand des Keramiksubstrats 104 oder dergleichen herum abdichten.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Sensorchip 102 der Drucksensoranordnung 100 die Vakuumkappe 402, kann aber in anderen Ausführungsformen die Vakuumkappe 402 auch nicht umfassen. Obwohl nicht gezeigt, kann die Drucksensoranordnung 100 und/oder die Verbindung 502 eine Haube oder Abdeckung umfassen, die den Sensorchip umgibt und 102 vor Schmutz, Verunreinigungen, äußeren Einflüssen, Feuchtigkeit und dergleichen schützt.
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6 ist eine seitliche Querschnittsansicht der Drucksensoranordnung 100 gemäß einer weiteren exemplarischen Anwendung. In der gezeigten Ausführungsform ist das Substrat 104 ein Keramikpellet, das so ausgelegt sein kann, dass es ohne die Verwendung einer separaten Verbindung (z.B. der in 5 gezeigten Verbindung 502) direkt an einem Behälter, der ein Arbeitsfluid umfasst, wie beispielsweise einem Kraftstofftank, einem Getriebe (z.B. Getriebegehäuse) oder dergleichen, montiert werden kann. So umfasst beispielsweise das Substrat 104 einen Kopfabschnitt 602 und einen Schaftabschnitt 604. Der Sensorchip 102 ist mit der dem Chip zugewandten Seite 212 des Substrats 104 entlang des Kopfabschnitts 602 verlötet. Das Substrat 104 definiert einen Durchgang 610, der sich durchgehend durch den Schaftabschnitt 604 und den Kopfabschnitt 602 zu dem Sensorchip 102 erstreckt, um dem Arbeitsfluid den Zugang zu dem Sensorchip 102 zu ermöglichen. Eine radiale O-Ring-Dichtung 612 umgibt den Schaftabschnitt 604 des Substrats 104 und ist dazu ausgelegt, zu verhindern, dass das Arbeitsfluid um die Außenseite des Substrats 104 aus dem Durchgang 610 leckt, sowie um zu verhindern, dass externe Ablagerungen und Verunreinigungen in den Durchgang 610 hinein lecken.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Sensorchip 102 den Siliziumchip 202, jedoch ohne die in 2 gezeigte Beschränkungsbasis 220. So kann beispielsweise die Chipmetallisierungsschicht 218 (2) direkt auf die substratspezifische Oberfläche 226 des Siliziumchips 202 aufgebracht werden, um den Siliziumchip 202 an das Substrat 104 zu löten.
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Die verschiedenen Ausführungsformen der Drucksensoranordnung, die hierin mit Bezugnahme auf 1-6 beschrieben werden, haben mehrere Vorteile gegenüber bekannten Chipbefestigungsmethoden. So reduziert beispielsweise das Keramiksubstrat der Drucksensoranordnung im Vergleich zu einigen bekannten Metall- und Kunststoffsubstraten thermomechanische Belastungen, die bei der Einwirkung von niedrigen Temperaturen und hohen Temperaturen auf dem Sensorchip durch Diskrepanzen in der thermischen Ausdehnung hervorgerufen werden. Das Keramiksubstrat kann auch von Natur aus besser geeignet sein, hohen und niedrigen Temperaturen und aggressiven Medien, wie z.B. Kraftstoff, Öl, Harnstoff, Kältemittel und dergleichen, standzuhalten als die bekannten Metall- und Kunststoffsubstrate. Darüber hinaus kann die Lötschicht, die verwendet wird, um den Sensorchip auf dem Keramiksubstrat zu befestigen, mehrere vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. So kann beispielsweise die Lötschicht im Vergleich zu anderen Typen von Lötmittel relativ hohe Benetzungs- und Haftungseigenschaften sowie ein relativ niedriges Young-Modul (z.B. hohe Elastizität), eine geringere Härte und eine geringere Zerbrechlichkeit aufweisen. Die Eigenschaften der Lötschicht ermöglichen es, dass die Lötschicht wiederholt ohne Ausfall relativ hohem Fluiddruck standhält, der den Sensorchip in eine Richtung weg von dem Keramiksubstrat drückt. Die Lötschicht kann auch geringe Eigenspannungen nach dem Reflow sowie eine geringe Erzeugung von intermetallischen Verbindungen (IMC) und ein vermindertes IMC-Wachstum (im Vergleich zu bekannten Lötmitteln) im Laufe der Zeit aufweisen, so dass die Lötschicht die Metalle in den Metallisierungsschichten während des Lötprozesses oder nach dem Altern in der Umgebung mit aggressiven Temperaturen und Medien nicht signifikant verbraucht.