(57)【要約】圧力測定、特に高圧測定のための装置であって、ケーシング（１）内に配置された圧力検出素子（１０）が設けられており、該圧力検出素子は、第１の側（１５）にセンサエレメント（１２）とセンサダイヤフラム（１１）とを有していて、第１の側（１５）とは反対の第２の側（１６）に切欠（１４）が設けられており、該切欠は、第２の側（１６）からセンサダイヤフラム（１１）にまで延びている形式のものにおいて、圧力検出素子（１０）が半導体圧力検出素子として形成されていて、第２の側（１６）の、前記切欠（１４）を取り囲む縁部領域（１６ａ）で、第１の圧力通路区分（５１）を備えた支持部分（５）に直接的に、ろう接層（１３）によってろう接されており、この場合、第１の圧力通路区分（５１）と切欠（１４）とが互いに接続されるようにろう接されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力測定、特に高圧測定のための装置であって、ケーシング（１）内に配置された圧力検出素子（１０）が設けられており、該圧力検出素子は、第１の側（１５）にセンサエレメント（１２）とセンサダイヤフラム（１１）とを有していて、第１の側（１５）とは反対の第２の側（１６）に切欠（１４）が設けられており、該切欠は、第２の側（１６）からセンサダイヤフラム（１１）にまで延びている形式のものにおいて、
圧力検出素子（１０）が半導体圧力検出素子として形成されていて、第２の側（１６）の、前記切欠（１４）を取り囲む縁部領域（１６ａ）で、第１の圧力通路区分（５１）を備えた支持部分（５）に直接的に、ろう接層（１３）によってろう接されており、この場合、第１の圧力通路区分（５１）と切欠（１４）とが互いに接続されるようにろう接されていることを特徴とする、圧力測定のための装置。
【請求項２】
圧力検出素子（１０）が半導体材料から一体的に形成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
圧力検出素子（１０）が、センサダイヤフラム（１１）とセンサエレメント（１２）とが設けられた第１の半導体構造体（１７）と、該第１の半導体構造体（１７）に、接続区分（１８）を介して堅固に結合された、支持部分（５）にろう接される第２の半導体構造体（１９）とを有する積層構造を有している、請求項１記載の装置。
【請求項４】
第１の半導体構造体（１７）と第２の半導体構造体（１９）とがシリコンから成っていて、接続区分（１８）が、金とシリコンとから成る共晶区分である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
ろう接層（１３）が、錫・鉛はんだよりも小さな熱膨張係数を有している、請求項２又は３記載の装置。
【請求項６】
支持部分（５）が、圧力検出素子（１０）の半導体材料に適合した熱膨張係数を有している、請求項２又は３記載の装置。
【請求項７】
ろう接層（１３）がＡｕＳｎ２０から成っている、請求項５記載の装置。
【請求項８】
支持部分（５）が、シリコンの膨張係数に適合した材料、有利には、鉄・ニッケル合金または鉄・ニッケル・コバルト合金から成っている、請求項６記載の装置。
【請求項９】
切欠（１４）が、圧力検出素子において反応性のイオンエッチングによって形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
センサケーシング（１）を有しており、該センサケーシングの、貫通孔（３１）が設けられた第１のセンサケーシング部分（３）の外面（３２）に、前記貫通孔（３１）をカバーする接続管片（４）が固定されていて、センサケーシング内に配置された支持部分（５）が、貫通開口（３１）を通って接続管片（４）に接続されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
支持部分（５）が接続管片（４）に溶接されている、請求項１１記載の装置。
【請求項１２】
接続管片（４）の、貫通孔（３１）に面した側に、接続管片（４）に形成された第２の圧力通路区分（４１）を取り囲む環状のカラー（４２）が配置されていて、支持部分（５）が、接続管片（４）に面した側に、カラー（４２）に係合する管片（５２）を有しており、該管片に第１の圧力通路区分（５１）が延びている、請求項１０又は１１記載の装置。
【請求項１３】
管片（５２）が、支持部分（５）の外径よりも著しく小さな外径を有している、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
圧力検出素子（１０）と、支持部分（５）と、支持部分（５）に載着されたカバー部分（６１）とが、圧力検出素子モジュール（６６）として形成されていて、この場合、カバー部分（６１）と支持部分（５）とが、圧力検出素子（１０）を取り囲んで保護する閉じられたモジュールケーシングを形成しており、支持部分（５）に管片（５２）が固定されているか、又はこれに一体に結合されており、該管片（５２）内には第１の圧力通路区分（５１）が延びている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載の形式の圧力測定のための装置に関する。
【０００２】
このような形式の圧力測定のための装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１００１４９９２号明細書により公知である。ここに示された高圧センサは、金属から成る、切欠が設けられた圧力測定セルを圧力検出素子として使用している。センサエレメントと測定ダイヤフラムとは金属製の圧力測定セルの一方の側に形成されている。圧力測定セルは、反対側の第２の側で、センサ装置の接続管片に溶接されている。評価回路は、別個のプリント配線板またはハイブリッドモジュールに配置されていて、圧力測定セルの上面におけるセンサエレメントに電気的に接続されている。このような形式の装置により、１４０ｂａｒ以上の高い圧力も測定できる。
【０００３】
さらに例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７３１４２０号明細書により、半導体圧力検出素子としてのシリコンチップを有した圧力測定のための装置が公知である。この圧力検出素子は上面にセンサエレメントと評価回路とが設けられていて、ガラスベース上に取り付けられている。このような形式の圧力センサは、しかしながら、７０ｂａｒよりも小さい比較的小さな圧力を測定するためにしか使用されない。何故ならば、大きな圧力のもとで作用する機械的な応力はガラスまたはシリコンチップにおける破損を引き起こすからである。
【０００４】
発明の効果
請求項１の特徴を有する本発明による圧力測定のための装置により有利には、上面にセンサエレメントと、例えば付加的に集積された回路として評価回路が形成されている半導体チップを有した圧力検出素子を、７０ｂａｒよりも高い高圧測定のために使用することができる。有利には、従来の高圧センサの場合のように金属的な圧力測定セルからセンサエレメントを絶縁するための先行技術における手間を回避できる。半導体チップ上における評価回路とセンサエレメントとの組合せにより有利には、装置の高い集積率が得られる。この場合、半導体チップを、半導体チップの切欠を取り囲む縁部領域で、第１の圧力通路区分が設けられた支持部分に直接ろう接し、この場合、第１の圧力通路区分と切欠とが互いに接続されることにより、半導体チップと支持部分との間に有利には耐高圧的な接続が得られる。
【０００５】
本発明の有利な実施例および別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【０００６】
圧力検出素子はシリコンのような半導体材料から一体的に形成することができる。特に有利には、センサダイヤフラムとセンサエレメントとが設けられた第１の半導体構造体と、接続区域を介してこの第１の半導体構造体に堅固に結合され、支持部分にろう接される第２の半導体構造体とから成る積層構造体が使用される。第２の半導体構造体により、熱機械的な応力負荷がセンサエレメントに達し、損傷させることがほぼ回避される。これにより、装置の確実性と耐用期間とが高められる。第１の半導体構造体と第２の半導体構造体とは有利にはシリコンから成っている。接続区域は、金とシリコンとから成る共晶区域から成っている。
【０００７】
半導体チップと支持部分との間の熱的な応力を回避するために、ろう接層が、より半導体材料に適合した、錫・鉛はんだよりも小さな熱膨張係数を有していると有利である。例えばＡｕＳｎ２０はんだの使用が有利である。
【０００８】
支持部分は、有利には、圧力検出素子の半導体材料に適合した熱膨張係数を有している。支持部分は、金属合金、例えば鉄・ニッケル合金（Ｉｎｖａｒ（Ｒ））または鉄・ニッケル・コバルト合金（Ｋｏｖａｒ（Ｒ））から成っていて良い。
【０００９】
特に有利には、半導体圧力検出素子における切欠は、圧力検出素子において反応性のイオンエッチング（トレンチエッチング）によって形成されている。これにより半導体圧力検出素子において、破損を引き起こすような高い圧力負荷の際に応力が形成される鋭い移行部および屈曲部が回避される。
【００１０】
装置がセンサケーシングを有していて、センサケーシングの、貫通開口が設けられた第１のセンサケーシング部分の外面に、貫通開口をカバーする接続管片が、別個の構成部分として固定されていて、センサケーシングに配置された支持部分は、貫通開口を通って接続管片に、例えばレーザ溶接によって接続されると特に有利である。何故ならば、これにより接続管片と支持部分との間の熱機械的な応力が著しく減じられるからである。
【００１１】
接続管片の、貫通開口に面した側に、接続管片に形成された第２の圧力通路区分を取り囲むように配置されている環状のカラーが形成されていて、支持部分が、接続管片に面した側に、カラーに係合する管片を有していて、該管片内に第１の圧力通路区分が延びていることにより、有利には、接続管片と支持部分との間の熱機械的な応力がさらに減じられる。この関係で、管片が、支持部分の外径よりも極めて小さな外径を有していると特に有利である。これにより、支持部分と接続管片との小さな結合領域しか生じない。
【００１２】
別の有利な構成では、圧力検出素子と、支持部分と、該支持部分に載着されたカバー部分とが圧力検出素子モジュールとして形成されていて、この場合、カバー部分と支持部分とが、圧力検出素子を取り囲んで保護する閉じられたモジュールケーシングを形成しており、支持部分に管片が固定されているか、またはこれに一体に結合されていて、この管片内には第１の圧力通路区分が延びている。モジュール状の構成は、圧力検出素子を校正する際に、作用不能な選り分けられた圧力センサモジュールとして、実際のセンサケーシング部分に組み込む前に抜き出すことができるという利点を有している。
【００１３】
図面
次に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例を示す断面図であって、
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って断面した横断面図であって、
図３は、図１の細部の拡大図であって、
図４は、別の実施例の細部の拡大図であって、
図５は、圧力センサモジュールとして形成された、本発明の別の実施例を示す図であって、
図６は、図５の圧力センサモジュールが内部に配置された圧力センサを示す図である。
【００１５】
実施例の説明
図１及び図２には、本発明による、圧力測定のための装置の第１実施例が示されている。半導体圧力検出素子１０は、ベース状の支持部分５にろう接されている。ベース５にろう接された半導体圧力検出素子の拡大詳細図は、図３に詳しく示されている。半導体圧力検出素子１０は有利にはシリコンチップとして形成されていて、その上面１５にセンサエレメント１２が設けられている。下面に設けられた切欠１４を覆う上面における中央区分は、センサダイヤフラム１１として働く。この場合、センサエレメント１２は、薄いセンサダイヤフラム１１の圧力負荷による変形を検出する。センサエレメント１２に対して付加的に、半導体圧力検出素子１０の上面１５に、センサダイヤフラム１１の周りにさらに評価回路（図示せず）が配置されていて良い。切欠１４は有利には、反応性のイオンエッチング（トレンチエッチング）によって圧力センサに設けられている。これにより、切欠１４の内壁には、軟かいの移行部が形成され、高い圧力負荷の際に破損が生じる恐れがある鋭いエッジは回避されている。半導体圧力検出素子１０は、下面１６の、切欠１４を取り囲む縁部領域１６ａで、支持部分５の上面５５に直接的にろう接されている。上面５５は、圧力検出素子１０をセンタリングするための環状のカラー５６によって取り囲まれている。
【００１６】
半導体圧力検出素子１０と支持部分５との間の熱的な応力を減じるために、支持部分５はシリコンの膨張係数に適合する材料から、有利には、鉄・ニッケル合金（Ｉｎｖａｒ（Ｒ））または鉄・ニッケル・コバルト合金（Ｋｏｖａｒ（Ｒ））から成っている。半導体圧力検出素子１０と支持部分５との間のろう接層１３は、極めて小さな膨張係数を有していて、これは有利には、従来の錫・鉛はんだの膨張係数よりも著しく小さい。特に有利には、ＡｕＳｎ２０はんだが使用されている。図３に示したように、切欠１４は、支持部分５に配置された第１の圧力通路区分５１に接続されている。これにより、センサダイヤフラム１１の、切欠１４に面した下面には、第１の圧力通路区分５１を介して圧力が負荷され得る。
【００１７】
別の実施例では、半導体圧力検出素子１０が、第１の半導体構造体１７を有している。この半導体構造体１７の上面１５にセンサエレメント１２が配置されていて、半導体構造体１７はセンサエレメント１２とは反対の側で第２の半導体構造体１９に結合されている。両半導体構造体はシリコンから形成することができる。この場合、両半導体構造体の結合区分１８は有利には、金およびシリコンから成る共晶区分から成っている。第２の半導体構造体１９は、第１の半導体構造体１７とは反対の側１６で支持部分５にろう接されている。この実施例で特に有利には、第２の半導体構造体１９は、第１の半導体構造体１７の保護層として機能する。熱的な負荷は、支持部分からまず最初に、第２の半導体構造体１９にのみ伝達される。これによりセンサエレメント１２とセンサダイヤフラム１１とが有利には保護される。
【００１８】
図１に示したように、ベース状の支持部分５は、半導体圧力検出素子１０とは反対の側で、例えば特殊鋼から成る金属的な接続管片４にレーザ溶接によって結合されている。接続管片４はねじ接続部として形成されていて、別個の構成部分として、金属的な第１のセンサケーシング部分３の外面３２に溶接されている。これにより接続管片４は、第１のセンサケーシング部分３における中央の貫通開口３１を覆っている。第１のセンサケーシング部分３の周壁は、図２に示したように６角形を形成している。
【００１９】
ほぼ円筒状に形成された支持体５は、貫通開口３１よりも小さな直径を有している。支持部分５の、半導体圧力検出素子１０とは反対の側に管片５２が形成されている。この管片には第１の圧力通路区分５１が中央に設けられている。接続管片４は、貫通開口３１に面した側に環状のカラー４２を有している。このカラー４２は接続管片の側では、接続管片４内に配置された第２の圧力通路区分４１を取り囲むように配置されている。支持部分５は管片５２でカラー４２に押し込まれていて、このカラー４２に溶接されている。次いで、支持部分５は、第１のセンサケーシング部分３の貫通開口３１から挿入され、接続管片４は、領域４３で第１のセンサケーシング部分３の外面に溶接されている。運転中は、第２の圧力通路区分４１から第１の圧力通路区分５１へと圧力の供給が行われ、ここから半導体圧力検出素子１０の下面に設けられた切欠１４へと供給される。
【００２０】
図示の実施例ではさらに、第１のセンサケーシング部分３の、外面３２とは反対の側に溶接されている打ち抜き曲げ部分６が設けられている。この打ち抜き曲げ部分６は、開口６１を有していて、この開口には支持部分５が案内されている。打ち抜き曲げ部分６の、第１のセンサケーシング部分３とは反対の側には、プリント配線板７またはハイブリッドモジュールまたは相応の部分が取り付けられている。このプリント配線板７は切欠７１を有している。この切欠７１を通って支持部分５が同様に貫通案内されている。半導体圧力検出素子１０は、ボンディングワイヤを介してプリント配線板７上の導体路７２に接続されている。プリント配線板７の接続面７３は、コンタクトばねエレメント９を介して電気的な接続エレメント８に接続されている。電気的な接続エレメント８は、例えばプラスチックから成る第２のセンサケーシング部分２内に配置されている。この第２のセンサケーシング部分２は、打ち抜き曲げ部分６に載着されている。図１に示した実施例では打ち抜き曲げ部分６は、打ち抜き曲げ部分６に載着されたプリント配線板７の、導体路が設けられた上面が、圧力検出素子１０の上面とほぼ同一平面に配置されているように屈曲されている。接続エレメント８は、コネクタ２３からセンサケーシング１の内部へと案内されている。打ち抜き曲げ部分６の外側の領域は、溝状の輪郭６２を有している。この輪郭６２内に、第２のセンサケーシング部分２の円筒状の壁２２が係合する。輪郭６２におけるシール接着を介して、第２のセンサケーシング部分２は、打ち抜き曲げ部分６に対してシールされる。第１のセンサケーシング部分３、第２のセンサケーシング部分２、これらの間に配置された打ち抜き曲げ部分６、接続管片４が、閉じられたセンサケーシング１を形成していて、このセンサケーシング１内には支持部分５と圧力検出素子１０とが配置されている。
【００２１】
第２のセンサケーシング部分２は、直接的に第１のセンサケーシング部分３に結合することもでき、打ち抜き曲げ部分６はなくても良い。さらに、打ち抜き曲げ部分６における開口６１を拡大し、打ち抜き曲げ部分６をリング状に形成し、プリント配線板７を第１のセンサケーシング部分３に、このプリント配線板７が、打ち抜き曲げ部分６における拡大された開口に係合するように載着されても良い。
【００２２】
圧力測定するための装置の他の実施例が図５に示されている。この実施例では、金属的な支持部分５が、半導体圧力検出素子１０が配置されているモジュールケーシングのケーシング底面を形成している。半導体圧力検出素子１０はこの場合、図４の実施例と同様に、２つの半導体構造体から形成されていて、第２の半導体構造体１９で、支持部分５に設けられた凹部５５にろう接されている。ピン状の電気的なコンタクトエレメント６２は、ガラス管通案内部６３に溶着されていて、このガラス管通案内部６３は支持部分５の貫通開口５６に配置されている。支持部分５の中央開口５７は、管状の円筒状管片５２が配置されていて、この管片内には第１の圧力通路区分５１が延びている。しかしながら管片５２は、支持部分５と一体に形成されていても良い。圧力検出素子１０はボンディングワイヤ６４を介して、ピン状のコンタクトエレメント６２に接触している。支持部分５に載着されたカバー部分６１は、支持部分５といっしょに閉じられたモジュールケーシング６６を形成している。有利には、カバー部分６１と支持部分５との間に基準圧力体積（例えば真空）が閉じ込められていて、これにより圧力検出素子１０は基準圧を測定する。
【００２３】
図５に示した圧力センサモジュール６６は、図６に示したようにセンサケーシング１に組み込むことができる。この場合、圧力センサモジュール６６はプリント配線板７に載着されている。電気的なコンタクトエレメント６２はプリント配線板７の導体路に例えばろう接によって接続されていて、管片５２はプリント配線板７の開口を通って貫通案内されていて、センサケーシング１の接続管片４のカラー４２内に装着されていて、図１に示した実施例と同様にこれに溶接されている。接続管片４は第１のセンサケーシング部分３に配置されている。プラスチックから成る第２のセンサケーシング部分２は、ほぼ円筒状の金属スリーブ２６に結合されている。この金属スリーブ２６の、第２のセンサケーシング部分２から離れた端部は、屈曲された縁部２８を有していて、この縁部２８は第１のセンサケーシング部分３に溶接されている。シール接着部２７は、金属スリーブ２６と第１のセンサケーシング部分３との結合領域をシールする。電気的な接続エレメント８は、第２のセンサケーシング部分２によってセンサケーシング１の内室に案内されていて、プリント配線板７に電気的に接続されている。接着部６７は、圧力センサモジュール６６のカバー部分６１を第２のセンサケーシング部分２の内面に接続する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施例を示す断面図である
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って断面した横断面図である
【図３】図１の細部の拡大図である
【図４】本発明の別の実施例の細部の拡大図である
【図５】圧力センサモジュールとして形成された、本発明の別の実施例を示す図である
【図６】図５の圧力センサモジュールが内部に配置された圧力センサを示す図である
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2005530990.tif 000010
2005530990.tif 000011
2005530990.tif 000012
2005530990.tif 000013
2005530990.tif 000014