DE10305625A1

DE10305625A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE10305625A1
Application number: DE10305625A
Authority: DE
Inventors: Seiichiro Ishio; Yasutoshi Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2003-09-11
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: DE10305625B4; FR2836220B1; US20030154796A1; FR2836220A1; JP2003247903A; US6925885B2

Abstract

Ein Drucksensor (S1) enthält ein Sensorelement (10) und ein Harzgehäuseteil (20), welches das Sensorelement (10) hält. Das Sensorelement (10) ist aus einem Halbleiter konstruiert und ist zum externen Ausgeben eines elektrischen Signals entsprechend einer Anspannung geeignet, die gebildet wird, wenn eine Kraft darauf aufgebracht wird. Das Sensorelement (10) haftet direkt auf dem Gehäuseteil (20) über eine Haftschicht (30), welche einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 x 10·3· Pa bis 2,06 x 10·4· Pa besitzt. Des weiteren besitzt die Haftschicht (30) eine Dicke gleich oder größer als 110 mum. Dementsprechend beschränkt der Drucksensor (10) wirksam eine Änderung der Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Änderung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor, in welchem ein Sensorelement in einem Harzgehäuse angebracht ist. In dem Drucksensor haftet das Sensorelement direkt an dem Harzgehäuse durch eine Haftschicht.

Diese Art von Drucksensoren wurden in der JP-P2000-356561A vorgeschlagen. Bei dem Drucksensor haftet ein durch einen Halbleiter gebildetes Sensorelement an einem Leiterrahmen und ist über den Leiterrahmen in einem Harzgehäuseteil angebracht. Des weiteren ist der Drucksensor mit einen Nichtkontaktraum zwischen dem Gehäuseteil und einem Bereich, wo das Sensorelement angebracht ist, in dem Leiterrahmen versehen. Der Sensor wird dabei durch eine thermische Hysterese beschränkt. Dabei ist die thermische Hysterese ein Phänomen, bei welchem sich eine Sensorcharakteristik von einer anfänglichen Charakteristik infolge eines Kühlungserwärmungszyklus mit Wiederholung von hohen und tiefen Temperaturen ändert. Es wird jedoch vom Standpunkt einer Kostenverringerung gewünscht, dass das Sensorelement direkt an dem Gehäuseteil mit einem Haftmittel ohne den Leiterrahmen haftet.

Wenn das Sensorelement in dem Gehäuseteil über den Leiterrahmen angebracht wird, sind Oberflächen eines Leiterabschnitts und eines Inselabschnitts in dem Leiterrahmen auf derselben Ebene befindlich. Daher wird eine Pegellücke (Stufenabschnitt) zwischen Oberflächen des Leiterabschnitts und des auf dem Inselabschnitt angebrachten Sensorelements gebildet, und es ist nötig, den Kontaktflächenabschnitt und das Sensorelement mit einem Draht zu bonden. Um dabei das Drahtbondvermögen zu verbessern, wird es bevorzugt, die Oberflächen des Sensorelements und des Leiterabschnitts auf derselben Ebene vorzusehen.

Ein Entfernen des Inselabschnitts unter dem Sensor führt daher zu einem flexiblen Entwurf des Komponentenlayouts, um möglicherweise die zwei gebondeten Oberflächen auf dieselbe Ebene zu setzen. Es wurde daher gewünscht, dass der Sensor auf dem Gehäuseteil mit einer Haftschicht ohne Verwendung des Leiterrahmens haftet.

Wenn jedoch das obige direkte Anhaften des Sensorelements an dem Gehäuseteil durchgeführt wird, wird leicht die thermische Hysterese durch eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Sensor, dem Haftmittel und dem Gehäuseteil erzeugt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Änderung einer Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Fluktuation in einem Drucksensor zu beschränken, in welchem ein Sensorelement direkt an einem Gehäuseteil über eine Haftschicht haftet.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Demgemäß wird ein Drucksensor mit einem Sensorelement bereitgestellt, welches direkt an einem Gehäuseteil über eine Haftschicht anhaftet, deren Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 2,45.10³ Pa und 2,06.10⁴ Pa liegt. Daher kann die thermische Fluktuation der Sensorcharakteristik wirksam beschränkt werden.

Vorzugsweise enthält eine Haftschicht darin eine Mehrzahl von Kügelchen. Daher kann die Haftschicht mit dem Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 2,45.10³ Pa und 2,06.10⁴ Pa leicht gebildet werden. Wenn eine Haftschicht eine Dicke gleich oder größer als 110 µm besitzt, kann der Vorteil zum Beschränken der Änderung der Sensorcharakteristik weiter verbessert werden.

Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Drucksensor der Ausführungsform in Richtung II entsprechend Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen einem Elastizitätsmodul einer Haftschicht und einem Änderungsbetrag einer Sensorcharakteristik dargestellt;
Fig. 4 zeigt einen Graphen, welcher eine Beziehung zwischen einer Haftschichtdicke und einem Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik dargestellt; und
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Haftschicht, welche Kügelchen enthält.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Drucksensor typischerweise für einen atmosphärischen Drucksensor S1 zum Erfassen des atmosphärischen Drucks verwendet. Entsprechend Fig. 1 enthält ein Sensorelement 10 des Drucksensors S1 ein Halbleitersubstrat 11 wie ein Siliziumsubstrat und einen Sitz 12, welcher aus Glas gebildet ist. Das Substrat 11 besitzt einen Hohlraum derart, dass eine Druckbezugskammer 13 zwischen dem Substrat 11 und dem Sitz 12 vorgesehen ist, welche aufeinander gebondet sind. Dementsprechend ist das Sensorelement 10 mit der Druckbezugskammer 13 versehen und bildet ein Absolutdruckerfassungselement, welches eine Kraft oder einen Druck erfasst, der auf eine äußere Oberfläche davon aufgebracht wird.
Das Sensorelement 10 bildet ein Diaphragma 14 in dem Substrat 11 an einem Abschnitt entsprechend der Kammer 13.
Auf dem Diaphragma 14 sind (nicht dargestellte) Messwiderstände gebildet, welche eine Brückenschaltung darstellen.
Auf dem Substrat 11 ist eine (nicht dargestellte) Verstärkerschaltung gebildet, welche mit der Brückenschaltung elektrisch verbunden ist. Wenn eine äußere Kraft auf das Diaphragma 14 einwirkt, wird das Diaphragma 14 angespannt und deformiert. Ein elektrisches Signal (eine Spannung) von der Brückenschaltung infolge der Anspannung bzw. Beanspruchung oder der Deformierung des Diaphragmas 14 wird verstärkt, um von der Verstärkerschaltung ausgegeben zu werden.
Das Sensorelement 10 ist in einer Wölbung 21 enthalten, die innerhalb des Gehäuseteils 20 gebildet ist, während der Sitz 12 des Sensorelements 10 direkt auf dem Boden der Wölbung 21 über eine Haftschicht 30 anhaftet. Dementsprechend wird das Sensorelement 10 in dem Gehäuseteil 20 gehalten und ist daran befestigt.
Das Gehäuseteil 20 wird durch Pressharz (molding resin) wie Polyphenylensulfid (PPS) gebildet. Die aus Harz gebildete Haftschicht 30 besitzt einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 10³ Pa und 2,06 × 10⁴ Pa (zwischen 2,5 × 10^-4 kgf/mm² und 2,1 × 10^-3 kgf/mm²). Die Haftschicht 30 kann ein Haftmittel auf Siliziumbasis verwenden, welches sich aus Siliziumharz zusammensetzt. Die Dicke der Haftschicht 30 beträgt vorzugsweise nicht weniger als 110 µm.
Hier ist ein Leiterrahmen 40 in das Gehäuseteil 20 integriert eingesetzt und gepresst und erstreckt sich von der Wölbung 21 des Gehäuseteils 20 aus nach außen.
Der Leiterrahmen 40 wird durch Stanzen einer beispielsweise aus einer 42-er Legierung (einer 42-prozentigen Nickeleisenlegierung) gebildet. Der Leiterrahmen 44 ist mit einem Kontaktfleckabschnitt 41, welcher um die Wölbung 21innerhalb des Gehäuseteils 20 bloßliegt, und einem Leiterabschnitt 42 versehen, welcher sich nach außen von dem Kontaktfleckabschnitt 41 aus erstreckt, um durch das Gehäuseteil 20 hindurchzutreten. In der Ausführungsform sind wie in Fig. 2 veranschaulicht die acht Leiterabschnitte 42 beispielsweise vollständig in den rechten und linken Teilen vorgesehen.
Der Kontaktfleckabschnitt 41 des Leiterrahmens 40 ist mit dem Sensorelement 10 durch Drahtbonden unter Verwendung von aus einem Metall wie Aluminiumoxid Gold gebildeten Drähten 50 elektrisch verbunden. Drahtverbindungsoberflächen des Sensorelements 10 und des Kontaktfleckabschnitts 41 sind im wesentlichen auf derselben Ebene positioniert, so dass das Drahtbonden leicht genau durchgeführt werden kann.
Der Leiterabschnitt 42 des Leiterrahmens 40 ist mit einem (nicht dargestellten) äußeren Verbindungsteil in der Außenseite des Gehäuseteils 20 verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist das Gehäuseteil 20 mit einem Schaltungschip 60 versehen, welcher mit dem Sensorelement 10 und dem Kontaktfleck 41 durch die Drähte 40 elektrisch verbunden ist.
Der Schaltungschip 60 ist zum Einstellen eines Ausgangssignals von dem Sensorelement 10 geeignet. Insbesondere wird das Ausgangssignal (Ausgangsspannung) von dem Sensorelement 10 durch den Schaltungschip 60 über einen Draht 50 eingestellt und von dem Leiterrahmen 40 über einen Draht 50 ausgegeben.
Wie in Fig. 1 dargestellt sind die Oberfläche des Sensorelements 10, die Oberfläche des Halbleitersubtrats 11 in dem Sensorelement 10 und Verbindungsteile zwischen den Kontaktfleckabschnitten 41 des Leiterrahmens 40 und den Drähten 50 von einem Gelteil 70 bedeckt und werden davon umschlossen, wodurch ein Schutz gebildet wird.
Ein Plastikdeckel 80 ist mit dem Gehäuseteil 20 beispielsweise durch Haftung an der Seite der Wölbung verbunden. Der Deckel 80 verschließt das Sensorelement 10, den Schaltungschip 60 und den Draht 50, welche in dem Gehäuseteil 20 enthalten sind.
Der Deckel 80 ist mit einem Druckeinlass 81 versehen, welcher mit der Atmosphäre kommuniziert. Durch den Druckeinlass 81 wird ein Druck aus der Atmosphäre, welcher Messobjekt ist, in einen Raum eingeführt, welcher durch den Deckel 80 und das Gehäuseteil 20 definiert wird.
Das Diaphragma 14 wird infolge einer Druckdifferenz zwischen der eingeführten Atmosphäre und der Bezugskammer 13 in dem Sensorelement 10 angespannt und deformiert. Somit gibt das Sensorelement 10 ein elektrisches Signal als Spannung auf der Grundlage der durch die Anspannung hervorgerufenen Deformierung aus. Die Ausgangsspannung wird von dem Schaltungschip 60 über den Draht 50 eingestellt und nach außen ausgegeben.
Der obige Drucksensor S1 wird wie folgt hergestellt. Zuerst wird der Leiterrahmen 40 in einer Gussform befestigt, welche eine innere Form entsprechend dem Gehäuseteil 20 besitzt, und es wird die innere Form der Gussform mit Harz gefüllt, um das Gehäuseteil 20 integriert mit dem Leiterrahmen 40 zu bilden. Als nächstes wird der Schaltungschip 60 auf dem Gehäuseteil 20 angebracht, das Sensorelement 10 wird an dem Gehäuseteil 20 unter Verwendung der Haftschicht 30 befestigt, und der Schaltungschip 60 und das Sensorelement 10 werden durch Drahtbonden unter Verwendung der Drähte 50 gebondet. Danach wird das Gelteil 70 bereitgestellt, und es wird der Deckel 80 auf das Gehäuseteil 20 gesetzt. Des weiteren kann eine gesamte Oberfläche des Sensorelements 10, welche der Haftschicht 30 gegenüberliegt, an dem Gehäuseteil 20 durch die Haftschicht derart angehaftet werden, dass ein stabiler Elastizitätsmodul der Haftschicht 30 erzielt werden kann.
Bei der vorliegenden Erfindung wird das Sensorelement 10 direkt auf das Gehäuseteil 20 durch die Haftschicht 30 gebondet. Eine Hauptcharakteristik der Ausführungsform besteht darin, dass die Haftschicht 30 einen Elastizitätsmodul in einem Bereich zwischen 2,45 × 10³ Pa und 2,05 × 10⁴ Pa (zwischen 2,5 × 10^-4 kgf/mm² und 2,1 × 10^-3 kgf/mm²) besitzt. Unter Aufrechterhaltung des Elastzitätsmoduls der Haftschicht in dem obigen Bereich wird die Änderung der Sensorcharakteristik infolge der Fluktuation der Temperatur beschränkt, und es wird das Leistungsvermögen des Drucksensors S1 verbessert. Die Grundlage des Definierens des Elastizitätsmoduls der Haftschicht 30 wird unten erläutert.
Die thermische Hysterese ist eine Differenz in dem Sensorausgang bei Raumtemperatur (beispielsweise von 25°C) zwischen einem Anfangszustand und einem Zustand nach einer thermischen Historie (beispielsweise nach einer Erwärmung auf 120°C). D. h., eine thermische Hysterese ist ein Phänomen, bei welchem der Sensorausgang bei Raumtemperatur einer Fluktuation unterworfen ist.
Das Phänomen wird durch Ändern einer Ausgangscharakteristik in dem Sensorelement 10 erzeugt, da eine Kriechspannung infolge der thermischen Historie des Gehäuseteils 20 dem Sensorelement 10 über die Haftschicht 30 aufgebracht wird. Eine Verringerung des Elastizitätsmoduls in der Haftschicht 30 schwächt daher eine Spannung von dem Gehäuseteil 20 auf das Sensorelement 10 ab, so dass die Sensorcharakteristik weniger beeinträchtigt wird.
Die obige Beziehung wird als Gleichung (1) formuliert. Dabei wird eine Kraft F(p) dem Sensorelement 10 durch das Gehäuseteil 20 aufgebracht, während eine Kraft F(t) dem Sensorelement 10 durch die Haftschicht 30 aufgebracht wird.
Eine Spannung Vout wird anfänglich als Anfangsspannung des Sensorelements 10 ausgegeben, während eine Spannung Vout als Ausgang des Sensorelements 10 ausgegeben wird, welches eine thermische Historie für eine Änderung erfahren hat.

Vout = Vout × F(p)/F(t) (Gleichung 1)
Dabei hängt die Kraft F(p) vom Material des Gehäuseteils 20 wie einem harzartigen Material ab, welches das Gehäuseteil 20 bildet, während die Kraft F(t) von der Dicke des Haftmittels 30 und dem Elastizitätsmodul des Materials des Haftmittels 30 abhängt.
Ein Änderungsbetrag (Änderungsverhältnis) der Sensorcharakteristik infolge der Fluktuation der Temperatur ist im wesentlichen äquivalent zu einer Differenz zwischen Vout und Vout. Das Verhältnis zwischen dem Elastizitätsmodul der Haftschicht 30 und dem Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik wird in Fig. 3 beispielsweise durch eine Analyse in der Finite Elementemethode (FEM) dargestellt.
Die Vertikalachse stellt den Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik dar, während die horizontale Achse den Elastizitätsmodul der Haftschicht 30 in Fig. 3 darstellt. Der Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik ist derjenige bei Raumtemperatur nach einer thermischen Historie (Thermalwechselbeanspruchung (thermal cycling)), in einem Bereich zwischen -40°C und 120°C. Der Änderungsbetrag wird mit einem Prozentsatz relativ zu einem Skalenendwert (FS, full scale) einer Ausgangsspannung des Drucksensors S1 angezeigt. Da der Änderungsbetrag eine hohe Genauigkeit für eine Verwendung im Fahrzeug erfordert, muss dabei ein erlaubtes Kriterium innerhalb von einem Prozent des Skalenendwerts liegen.
Wie in Fig. 3 dargestellt sollte zum Erzielen des Änderungsbetrags innerhalb von einem Prozent des Skalenendwerts die Haftschicht 30 einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 10³ Pa und 2,06 × 10⁴ Pa (zwischen 2,5 × 10^-4 kgf/mm und 2,1 × 10^-3 kgf/mm²) besitzen. Dabei ist in dem in Fig. 3 veranschaulichten Beispiel das Material des Gehäuseteils 20 PPS, während das Material der Haftschicht 30 ein Haftmittel auf Siliziumbasis ist und die Haftschicht 30 eine Dicke von 110 µm besitzt. Entsprechend einer Analyse und Experimenten durch die Erfinder besitzen andere Fälle, bei welchen unterschiedliche Materialien verwendet werden, eine Beziehung ähnlich zu dem in Fig. 3 veranschaulichten Trend.
Die von dem Gehäuseteil 20 dem Sensorelement 10 aufgebrachte Spannung verringert sich, wenn die Dicke der Haftschicht 30 kleiner wird. Der Änderungsbetrag der Sensorcharakteristik relativ zu der Dicke der Haftschicht 30 wird dadurch mit einer FEM-Analyse wie in Fig. 4 dargestellt analysiert.
Der in Fig. 4 veranschaulichte Fall wird in dem äußerst ernsten Zustand erzielt, bei welchem der Elastizitätsmodul der Haftschicht 30 2,1 × 10^-3 kgf/mm² beträgt, wobei die Änderung lediglich gerade bei einer Änderung von einem Prozent entsprechend Fig. 3 liegt. Das Ergebnis von Fig. 4 zeigt, dass die Haftschicht von wenigstens einer Dicke von 110 µm den Änderungsbereich innerhalb eines Prozents des Skalenendwerts sogar dann sicherstellt, wenn der Elastizitätsmodul den äußerst ernsten Wert aufweist.
Mit anderen Worten, wenn eine Haftschicht verwendet wird, welche einen Elastizitätsmodul in dem obigen vorbestimmten Bereich und eine Dicke von mehr als 100 µm besitzt, wird das Leistungsvermögen des Drucksensors S1 verbessert. Dieser Drucksensor S1 beschränkt wirksam die Änderung der Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Fluktuation.
Es ist nicht so einfach eine Haftschicht mit einer Dicke von 110 µm unter Verwendung eines Haftmittels sicherzustellen, dessen Elastizitätsmodul so niedrig wie bei dieser Ausführungsform ist. Daher können Harzkügelchen 31 in der Haftschicht 30 enthalten sein, um die Dicke wie in Fig. 5 dargestellt sicherzustellen. Da ein übermäßiges Hinzufügen der Harzkügelchen 31 der Haftschicht 30 den Elastizitätsmodul erhöht, wird der Additionsbetrag der Harzkügelchen 31 derart eingestellt, dass der geeignete Elastizitätsmodul der Haftschicht 30 aufrechterhalten wird. Dabei können die Harzkügelchen 31 aus einem Material gebildet werden, dass sich von demjenigen der Haftschicht unterscheidet.
Es kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein heiß gehärtetes Haftmittel auf Siliziumbasis (Markenname TSE 322) verwendet werden, welches von der Toshiba Silicon Corporation hergestellt wird. Die Harzkügelchen 31 werden in das Haftmittel (TSE322) eingesetzt, und das Haftmittel wird danach heiß gehärtet, so dass der Elastizitätsmodul der Haftschicht 30 in dem Bereich zwischen 1,5 × 10^-3 kgf/mm² und 2,1 × 10^-3 kgf/mm² eingestellt werden kann.
Vorstehend wurde ein Drucksensor offenbart. Der Drucksensor (S1) enthält ein Sensorelement (10) und ein Harzgehäuseteil (20), welches das Sensorelement (10) hält. Das Sensorelement (10) ist aus einem Halbleiter konstruiert und ist zum externen Ausgeben eines elektrischen Signals entsprechend einer Anspannung geeignet, die gebildet wird, wenn eine Kraft darauf aufgebracht wird. Das Sensorelement (10) haftet direkt auf dem Gehäuseteil (20) über eine Haftschicht (30), welche einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 10³ Pa bis 2,06 × 10⁴ Pa besitzt. Des weiteren besitzt die Haftschicht (30) eine Dicke gleich oder größer als 110 µm. Dementsprechend beschränkt der Drucksensor (10) wirksam eine Änderung der Sensorcharakteristik infolge einer thermischen Änderung.

Claims

1. Drucksensor mit:
einem durch einen Halbleiter gebildeten Sensorelement (10), wobei das Sensorelement entsprechend einer aufgebrachten äußeren Kraft angespannt wird und ein elektrisches Signal auf der Grundlage der Anspannung ausgibt;
einem aus Harz hergestellten Gehäuseteil (20), welches zum Tragen des Sensorelements angeordnet ist; und
einer Haftschicht (30), durch welche das Sensorelement direkt an dem Gehäuseteil (20) anhaftet,
wobei die Haftschicht einen Elastizitätsmodul in einem Bereich von 2,45 × 10³ Pa bis 2,06 × 10⁴ Pa besitzt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (30) darin eine Mehrzahl von Kügelchen (31) besitzt.

3. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (30) eine Dicke gleich oder größer als 110 µm besitzt.

4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (30) durch ein auf Silizium basierendes Haftmittel gebildet ist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Sensorelement (10) eine Oberfläche gegenüberliegend der Haftschicht (30) besitzt und
die gesamte Oberfläche des Sensorelements (10) an dem Gehäuseteil (20) durch die Haftschicht (30) anhaftet.