(57)【要約】  圧力センサチップ（１）へと導かれた導圧部（２２）を備えたセラミックス製ハウジング体（２）の据付収容部（２０）上に据え付けられている圧力センサチップ（１）を備えた圧力センサシステムであって、ハウジング体（２）が、３次元的に整形され、かつモノリシックに形成されており、−４０℃以上１５０℃以下の温度範囲内で圧力センサチップ（１）の熱膨張率との差が３０％未満の熱膨張率を有するセラミックス材料によって構成されている圧力センサシステムを提示する。【選択図】  図２Ｃ
2016514254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力センサチップ（１）へと導かれた導圧部（２２）を備えたセラミックス製ハウジング体（２）の据付収容部（２０）上に据え付けられている圧力センサチップ（１）を備えた圧力センサシステムであって、前記ハウジング体（２）が、３次元的に整形され、かつモノリシックに形成されており、−４０℃以上１５０℃以下の温度範囲内で前記圧力センサチップ（１）の熱膨張率との差が３０％未満の熱膨張率を有するセラミックス材料によって構成されている圧力センサシステム。
【請求項２】
前記圧力センサチップ（１）がシリコンをベースとする、請求項１に記載の圧力センサシステム。
【請求項３】
前記セラミックス材料がムライトを含む、請求項１または２に記載の圧力センサシステム。
【請求項４】
前記セラミックス材料が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、および／または窒化ケイ素を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項５】
前記セラミックス材料が、ムライト、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、および／または窒化ケイ素から選択される１種または複数から成る、請求項１から４のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項６】
前記ハウジング体（２）と前記圧力センサチップ（１）の熱膨張率の相互差が、−５０℃以上２００℃以下の温度範囲内では３０％未満、好ましくは２０％未満、特に好ましくは１０％未満である、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサシステム。
【請求項７】
前記ハウジング体（２）が据付側で、平らでない３次元的な表面形状を有しており、かつ前記据付収容部（２０）が前記ハウジング体（２）の隆起部または凹部によって構成されており、かつ前記導圧部（２２）が前記据付収容部（２０）内に通じている、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項８】
前記ハウジング体（２）が圧力接続部（２１）を備えており、かつ前記導圧部（２２）が圧力接続部（２１）から前記圧力センサチップ（１）にまで達している、請求項１から７のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項９】
前記ハウジング体（２）のもう１つの据付収容部（２０）に信号処理チップ（７）が据え付けられている、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項１０】
前記圧力センサチップ（１）が、剛性の結合材料（３）により前記据付収容部（２０）に直接据え付けられており、前記結合材料が、ガラスはんだ、金属はんだ、またはエポキシ樹脂接着剤によって構成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項１１】
前記ハウジング体（２）が、セラミックス射出成形方法により３次元的に整形され、かつモノリシックに形成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項１２】
前記圧力センサシステムが、少なくとも前記圧力センサチップ（１）の電気接続のため、前記ハウジング体（２）上に電気接続部（４）を備えており、前記電気接続部が、以下の要素、すなわち配線支持体（４１）、導体路（４２）、ボンディングワイヤ（４４）のうちの１つまたは複数を備えている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項１３】
前記圧力センサチップ（１）が、ボンディングワイヤ結合部（４４）により電気的に接続されており、前記ボンディングワイヤ結合部がグロブトップポリマー（５）によって覆われている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項１４】
前記圧力センサシステムが蓋（６）を備えており、前記蓋が、前記圧力センサチップ（１）を覆って前記ハウジング体（２）に固定されている、請求項１から１３のいずれか一項に記載の圧力センサシステム。
【請求項１５】
前記蓋（６）が、機械的係止部（７１）により前記ハウジング体（２）に固定されている、請求項１４に記載の圧力センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
圧力センサチップを備えた圧力センサシステムを提示する。
【背景技術】
【０００２】
浸食性媒体中での長期耐性、使用温度、およびロバスト性に関し、絶えず増大している圧力センサに対する要求は、可能な限り、一体化されたセンサ信号処理部と接続された、非常に耐性のあるセンサシステムを必要とする。同時に、このようなシステムは、安価な製造方法で製造可能であり、かつシステムの複雑さが軽減されている必要がある。
【０００３】
圧力センサ要素は、適用時に据え付け易くするため、十分な機械的安定性のため、および外部の影響に対する圧力センサ要素自体の保護のため、ならびに浸食性媒体による腐食を回避するため、通常はハウジング内に組み込まれており、このハウジングは、例えばプラスチック、またはプラスチック、セラミックス、ガラス、および／もしくは金属の複合材料から成っている。ハウジングには、電気接続部として、はんだ接続部、コネクタ接続部、および／または導電体リード（Leitungszufuehrungen）が組み込まれている。このようなシステムに適合したシーリングは、溶接、はんだ付け、ガスケット（Dichtungen）、グロブトップ用材料（Vergussmaterialien）、および／または接着剤を使用して行われる。
【０００４】
圧力センサ要素とハウジングの圧力導入部分との圧密接合は、従来技術によれば、主としてパッキンリング、または例えばポリウレタン樹脂、シリコーン、エポキシ樹脂、もしくはそれらの混合物のような有機接着剤によって行われる。
【０００５】
プラスチックハウジングまたは金属ハウジングを備えたセンサシステムは、浸食性媒体中での腐食現象のため、限定的にしか使用できない。とりわけ、システムコンポーネント間の有機接着剤による接合は、長期耐性に関して弱点となる。さらに、プラスチックハウジングは、例えば溶接およびはんだ接合のような代替的な接合技術には適合しない。したがって、従来技術における大部分のセンサシステムは、材料の組み合わせから成っており、この組み合わせもまた追加的な接合を必要とし、システムを非常に複雑なものにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特定の実施形態の少なくとも１つの課題は、ハウジング内に圧力センサチップを備えた圧力センサシステムを提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、独立請求項に記載の発明によって解決される。本発明の有利な実施形態および派生形態は、従属請求項で特徴づけられており、さらに以下の説明および図面から明らかになる。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態によれば、圧力センサシステム、とりわけセラミックス製のカプセル化された圧力センサシステムが提供される。
【０００９】
少なくとも１つの実施形態によれば、圧力センサシステムは、セラミックス製ハウジング体の据付収容部上に据え付けられた圧力センサチップを備えている。ハウジング体は、３次元的に整形され、かつモノリシックに形成されたセラミックス材料から製造されている。とりわけ、セラミックス製ハウジング体は、さらに導圧部を備えており、この導圧部は圧力センサチップへと導かれており、こうして圧力センサチップを測定すべき圧力と結びつけている。
【００１０】
３次元的に整形されるとは、以下では、ハウジング体が平坦なセラミックス支持体によって、つまり例えばセラミックス板の形態のセラミックス基板によって構成されるのではなく、センサチップが据え付けられる据付側で、平坦でない３次元的な表面形状を有することを意味している。とりわけセラミックス体は、圧力センサチップが装着される側で、つまり据付収容部を備えた側で３次元的な表面構造を有しており、この表面構造においては、例えば据付収容部が据付面内の隆起部または凹部として形成されている。モノリシックに形成されるとは、以下では、ハウジング体が、事前に製作された複数のセラミックス部分の組み合わせから製造されるのではなく、単一の一体的に形成されたセラミックス体によって構成されており、このセラミックス体が、その３次元的な形状において、圧力センサシステムの要求に適合されていることを意味する。これはとりわけ、ハウジング体が圧力センサチップのための据付収容部および導圧部を備えているだけでなく、さらなる圧力センサチップおよび／もしくは他の電子部品、例えば信号処理チップのための１つもしくは複数のさらなる据付収容部も備えて、ならびに／または機械的固定部分、例えば係止突起（Ratnasen）もしくはアンカー構造の形態の隆起部もしくは凹部も備えて形成されることをも意味し得る。
【００１１】
ハウジング体はとりわけ、圧力センサチップおよび場合によってはさらなる電子コンポーネント、例えば信号処理電子機器が据え付けられる、圧力センサシステムの部品である。据え付けられるとは、以下では、圧力センサチップおよび場合によってはさらなる電子コンポーネントが、これに対応して設けられたハウジング体の据付収容部に、直接（これはそれぞれ結合材料を用いることを意味する）固定されることを意味している。さらにハウジング体は、電子的および電気的なコンポーネント、つまり例えばチップ、回路、および電気接続部が据え付けられるかまたは装着される、圧力センサシステムの単一の部品およびとりわけ単一のセラミックス部品であり得る。
【００１２】
セラミックス製ハウジング体は、圧力センサチップのためのセラミックスパッケージまたはセラミックスカプセルを構成しており、したがってここで説明される圧力センサシステムは、とりわけ、高い適用温度で、ならびに特に浸食性媒体およびガス中でも、使用可能であり得る。
【００１３】
さらに以下でより詳細に説明する、ハウジング体の製造のためのセラミックス射出成形技術により、非常に複雑で顧客固有の要求に適合させたセラミックスハウジング形状も、精密かつ再現性良く、高い機械的強度を備えて製造することができる。さらに、３次元的な形状を有するハウジング体をモノリシックに形成することにより、圧力センサシステムの複雑さを軽減することができる。これに加え、ハウジング体のモノリシックな製作による、さらにとりわけ、従来技術では通常１つの複合体へと組み合わされねばならない複数のシステムコンポーネントを単一の部品において一体化することによるシステムの複雑さの軽減が、さらに材料および費用の節減をももたらす。
【００１４】
さらなる一実施形態によれば、ハウジング体のセラミックス材料の熱膨張率は、−４０℃以上１５０℃以下の温度範囲内で、圧力センサチップの熱膨張率との差が３０％未満である。言い換えれば、セラミックス製ハウジング体の熱膨張率は、圧力センサチップの熱膨張率に適合されている。とりわけ、ハウジング体と圧力センサチップの熱膨張率が−５０℃以上２００℃以下の温度範囲内で互いに適合されており、相互差が３０％未満であってもよい。ハウジング体と圧力センサチップとの間の熱膨張率の差が小さければ小さいほど、圧力センサシステム内で圧力センサチップとセラミックス製ハウジング体との間に発生する熱機械的応力をより小さくすることができる。それゆえ、上記温度範囲の１つにおいて熱膨張率の相互差が２０％未満、好ましくは１０％未満である場合が特に有利であり得る。
【００１５】
それゆえ、ここで説明した圧力センサシステムは、とりわけハウジング体の熱膨張率が圧力センサチップの熱膨張率に適合されていることを特徴とする。パッケージを構成するハウジング体のためのセラミックス素材を適切に選択することにより、温度変化によって発生する圧力センサチップとハウジング体との間の熱機械的応力を低減することができる。
【００１６】
さらなる一実施形態によれば、圧力センサチップは、ピエゾ抵抗型のシリコン圧力センサ、容量型のセラミックス圧力センサ、金属もしくはセラミックスの湾曲板を基礎とするピエゾ抵抗型の厚膜もしくは薄膜ベースの圧力センサとして、または誘導型の圧力センサとして形成されている。圧力センサチップはとりわけシリコンベースの圧力センサチップであり得る。
【００１７】
圧力センサチップの材料、つまり例えばシリコンの範囲内の熱膨張率を有するハウジング体のセラミックス材料を適切に選択することにより、熱によって誘発され、圧力センサ信号の劣化を引き起こし得る機械的応力を大幅に減らすことができ、またはそれどころか完全に回避することができ、有利である。
【００１８】
さらなる一実施形態によれば、セラミックス材料は、ムライト、つまりケイ酸アルミニウムを含む。さらに、ハウジング体のセラミックス材料は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、または窒化ケイ素を含んでいてもよい。セラミックス製ハウジング体は、上記材料の組合せを含んでもよい。さらにセラミックス製ハウジング体は、上記セラミックス材料の１種または複数から成っていてもよい。ここで説明した圧力センサシステムの利点は、上記材料のような適切なセラミックス材料を含むハウジング体をモノリシックに製作することにある。これにより、従来技術に比べて著しく改善された媒体耐性を達成することができる。
【００１９】
さらなる一実施形態によれば、ハウジング体のもう１つの据付収容部に信号処理チップが据え付けられている。セラミックス製ハウジング体の据付収容部の各々は、くぼませて製作することができ、またはその代わりに隆起させて実現することもできる。信号処理チップはとりわけ、圧力センサチップの電気信号を検出し、さらに処理するために設けることができ、かつそのように製作することができ、したがって圧力センサシステムの電気接続部を介して圧力測定信号を発信することができる。信号処理チップは、例えば単一のチップの形態の集積回路として、または例えば厚膜技術で装着された複数の電子コンポーネントの形態でも形成することができる。圧力センサチップと信号処理チップとの間の電気的接続は、ハウジング体の上および／もしくは中の導体路によって、ならびに／またはボンディングワイヤ結合によってもたらすことができる。
【００２０】
さらなる一実施形態によれば、ハウジング体は圧力接続部を備えており、この場合、導圧部は圧力接続部から圧力センサチップにまで達している。圧力接続部は、円筒形または球形であることができ、さらにネジ山、バヨネット式継手部分、または蟻継ぎを備えて実現することができる。
【００２１】
圧力センサチップを固定し、かつ隙間を塞ぐために、結合材料を使用することができる。結合材料はとりわけ、ハウジング体に圧力センサチップを直接据え付けることを可能にし得る。
【００２２】
さらなる一実施形態によれば、圧力センサチップは柔軟な結合材料によりセラミックス製ハウジング体の据付収容部に直接据え付けられている。柔軟な結合材料は、とりわけシリコン接着剤によって構成され得る。
【００２３】
さらなる好ましい一実施形態によれば、圧力センサチップは剛性の結合材料によりセラミックス製ハウジング体の据付収容部に直接据え付けられている。剛性の結合材料は、例えばエポキシ樹脂接着剤または特に好ましくはガラスはんだもしくは金属はんだによって構成され得る。
【００２４】
特に有利なのは、セラミックス製ハウジング体に対する圧力センサチップの結合が、ガラスはんだまたは金属はんだによって行われることである。これにより、ポリマーの老朽化挙動によって引き起こされるような、圧力センサチップとハウジング体との間の圧力信号、機械的結合、および媒体耐性の変動を回避することができる。はんだ結合、とりわけガラスはんだ結合は、圧力センサチップおよびセラミックス製ハウジング体のために類似の熱膨張率を有する材料を使用する場合、つまりシリコンベースのセンサチップにあっては、ハウジング体のために好ましくはムライト、または例えば窒化アルミニウム、窒化ケイ素、もしくは炭化ケイ素を使用する場合にのみ、用いることができる。これにより達成可能な非常に類似の材料熱膨張率によってのみ、ガラスはんだ結合のような固定的な結合の場合に、熱によって誘発され、圧縮応力信号に影響を及ぼし得る圧力センサチップ内の応力を回避することができる。
【００２５】
セラミックス製ハウジング体の製造に関し、セラミックス製ハウジング体の３次元的でモノリシックな形成は、セラミックス射出成形技術によって行うことができる。この技術により、例えば圧力センサチップおよび場合によっては信号処理チップのための組み込まれた１つまたは複数の据付収容部ならびに場合によっては圧力接続部を整形するために、適用に応じて要求に適合させることができるハウジング造形、及びセラミックス製ハウジング体の自由に造形可能な幾何形状が可能となる。圧力センサチップおよび評価チップを収容するための空洞または隆起部を有する適合可能なハウジング形状により、様々なチップを用いることができる。さらに圧力センサシステムの小型化も可能である。
【００２６】
セラミックス射出成形技術では、構造用セラミックスの粉末、有利にはムライト粉末、酸化アルミニウム粉末、酸化ジルコニウム粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化ケイ素粉末、もしくは炭化ケイ素粉末、および有機バインダを含むかまたはそれらから成るセラミックスの原材料、いわゆるセラミックスのフィードストックが、対応する型内に射出される。このようにして製造されたグリーン体はその後、２段階（水性の、熱的な、もしくは触媒反応による）または１段階（熱的のみ）であり得る脱バインダプロセスにおいて、有機分を十分に取り除かれる。その後、脱バインダ処理されたグリーン体は焼結される。
【００２７】
セラミックス射出成形体の利点はとりわけ、容易で規格化された据付を、追加的なシステム要素なしで、小さな熱膨張と、非常に高い機械的および化学的なロバスト性と、極度の長期安定性とを兼ね備えた状態で可能にする、ハウジング寸法の非常に精密な仕上げにある。
【００２８】
セラミックス射出成形技術によって製造されたセラミックス体は、セラミックス製ハウジング体の完成品を形成するために適切な温度プロファイルおよび適切な雰囲気中で焼結され、ムライトの場合、純度または焼結助剤の割合に応じて例えば１５００℃〜１７５０℃で、好ましくは１６００℃〜１７５０℃で、空気中で焼結される。
【００２９】
さらなる一実施形態によれば、圧力センサシステムは、少なくとも１つの圧力センサチップの電気接続のための電気接続部を備えている。さらに電気接続部は、圧力センサシステムの外部接続部を構成することができる。電気接続部はセラミックス製ハウジング体の上および／または中に形成することができ、以下の要素、すなわち導体路、配線支持体（Verdrahtungstraeger）、金属ビア、ボンディングワイヤのうちの１つまたは複数を備えることができる。
【００３０】
電気接続部は、例えば導体路を備えるかまたはそれから成ることができ、導体路は、例えば厚膜または薄膜技術のような金属被覆方法によりセラミックス製ハウジング体に直接装着される。圧力センサチップのための据付収容部が存在するハウジング体の据付側が領域ごとに平面的に製作されることが有利であり、これにより安価なスクリーン印刷技術またはスパッタリング技術を用いて導体路を堆積させることができる。さらに、例えばタンポン印刷またはディスペンシングにより、導体路の３次元的な形成も可能である。
【００３１】
さらに、電気接続部がセラミックス製ハウジングを貫通する部分は、両側に取り付けられた導体路を相互に電気的に接続するため、ビアの形態で貫通していてよい。
【００３２】
さらに電気接続部は、配線支持体を備えるかもしくは配線支持体として製作することができ、または直接装着された厚膜もしくは薄膜金属被覆と配線支持体の組合せを備えるかもしくはこの組合せから成ることができる。配線支持体は、例えばはんだ結合部を介して外部から電気的に接続され得る。
【００３３】
配線支持体は、剛性のもしくは柔軟なプリント基板、打ち抜き格子（「リードフレーム」）、または少なくとも部分的にプラスチックで被包された打ち抜き格子（Stanzgitter）であることができる。セラミックス基板への配線支持体の直接の据付は、例えば基板の対応する構造への係合、圧入、クランプ締めによって行うことができる。さらに配線支持体の固定を、基板および／または導体路への直接のはんだ付け、例えば軟質はんだ付け、硬質はんだ付け、ガラスはんだ付け、活性金属ろう付け（Aktivloeten）、または接着によって行ってもよい。
【００３４】
圧力センサチップは、例えばボンディングワイヤを用いるかまたは導体路に直接据え付けることにより、電気接続部および／または信号処理チップに電気的に接続することができる。
【００３５】
さらなる一実施形態によれば、圧力センサシステムは、圧力センサチップを覆ってハウジング体に固定された蓋を備えている。この蓋により、ハウジング体の据付側、つまり圧力センサチップを備えた側を閉じるまたはカプセル化することができる。蓋は、例えばプラスチック、金属、もしくはセラミックス材料を含むかまたはそれから成ることができる。
【００３６】
さらなる一実施形態によれば、電気接続部の少なくとも一部を構成し得る配線支持体がギャップを有しており、このギャップを介して、配線支持体を係止または固定するためハウジング体および／または蓋の一部が、中で噛み合うかまたは貫通して噛み合う。
【００３７】
さらなる一実施形態によれば、ハウジング体が開口を有しており、この開口に、蓋の対応する部分および／または電気接続部の少なくとも一部を構成する配線支持体の対応する部分が、中で噛み合うかまたは貫通して噛み合い、これにより蓋および／または配線支持体を固定するための機械的係止部が構成される。
【００３８】
その代わりに、蓋をハウジング体に接着またははんだ付けすることもできる。
【００３９】
さらなる一実施形態によれば、圧力センサチップおよび／または信号処理チップは、少なくとも部分的にグロブトップポリマー（Polymerverguss）によって覆われている。とりわけ圧力センサチップは、グロブトップポリマーによって覆われたボンディングワイヤ結合により、電気的に接続され得るグロブトップポリマー。それに加えてまたはその代わりに、グロブトップポリマーがハウジング体または電気接続部の部分を覆うこともできる。とりわけ、グロブトップポリマーは、覆った部分およびコンポーネントの、周囲に対する保護を構成することができる。これに関し、グロブトップポリマーは、圧力センサシステムの外側の少なくとも一部を構成するカバーを構成することができる。その代わりに、グロブトップポリマーを蓋の下に配置してもよい。この場合、グロブトップポリマーをさらに例えば蓋から離して配置することができる。例えば蓋は、圧力センサチップが中に配置される凹部を備えることができ、この場合、グロブトップポリマーは蓋の凹部を完全には満たさない。
【００４０】
さらなる一実施形態によれば、圧力センサシステムは、セラミックス製ハウジング体の据付収容部上に多数の圧力センサチップを備えている。その代わりにまたはそれに加えて、複数の信号処理チップを設けることもできる。
【００４１】
好ましい一実施形態によれば、圧力センサシステムは以下のコンポーネント、すなわち
−  少なくとも１つの圧力センサチップと、
−  モノリシックな形態で形成されており、少なくとも１つの圧力センサチップのための少なくとも１つの据付収容部および導圧部を備えたセラミックス製ハウジング体であって、少なくとも１つの圧力センサチップがセラミックス製ハウジング体と直接結合されているセラミックス製ハウジング体と、
−  電気接続部と
を備えている。
【００４２】
さらなる好ましい実施形態では、圧力センサシステムが追加的に以下のコンポーネント、すなわち
−  ハウジング体の少なくとも１つの据付収容部に配置されており、好ましくはハウジング体と直接結合している少なくとも１つの信号処理チップと、
−  圧力接続部と、
−  蓋と
のうちの１つまたは複数を備えている。
【００４３】
さらなる利点、有利な実施形態、および派生形態は、以下で図を参照しながら説明する実施例から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】１つの実施例による圧力センサシステムの概略図である。
【図２Ａ−２Ｇ】さらなる実施例による圧力センサシステムの様々な概略図である。
【図３Ａ−３Ｆ】さらなる実施例による圧力センサシステムの様々な概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
実施例および図では、同じ要素、同種の要素、または同じ作用の要素にはそれぞれ同じ符号が付されている可能性がある。図示した要素および要素同士の大きさの関係は縮尺どおりと見なすことはできず、むしろより表示し易くするため、および／またはより理解し易くするために、例えば層、部品、部材、および領域のような個々の要素を誇張して大きく示している可能性がある。
【００４６】
図１には、１つの実施例による圧力センサシステムが示されており、当該圧力センサシステムは、セラミックス製ハウジング体２の据付収容部２０に据え付けられた圧力センサチップ１を備えている。据付収容部２０は、ハウジング体２の据付側でのハウジング体２の凹部によって構成されている。それに代えて、据付収容部２０を、凹部の代わりに例えば隆起部として形成してもよい。
【００４７】
さらにハウジング体２は導圧部２２を備えており、この導圧部を通じて、圧力センサチップ１に測定すべき圧力を導入することができる。このために導圧部２２は据付収容部２０にまで達している。圧力センサシステムの接続のために、図１に示されるように圧力接続部２１を設けることができ、この圧力接続部は円筒形または球形に形成することができ、かつ例えばネジ山、バヨネット式継手部分、または蟻継ぎを備えることができる。
【００４８】
セラミックス製ハウジング体２の据付収容部２０上への圧力センサチップ１の据え付け、および同時に圧力センサチップ１の密閉は、結合材料３によって行われ、その結果、圧力センサチップ１はハウジング体２の上に直接据え付けられている。
【００４９】
圧力センサチップ１は、例えばシリコンベースの圧力センサチップ、つまり例えばピエゾ抵抗型のシリコン圧力センサとして形成することができる。さらに圧力センサチップ１を容量型のセラミックス圧力センサ、金属もしくはセラミックスの湾曲板を基礎とするピエゾ抵抗型の厚膜もしくは薄膜ベースの圧力センサとして、または誘導型の圧力センサとして形成してもよい。
【００５０】
ハウジング体２は３次元的に整形されており、かつモノリシックに形成されている。とりわけセラミックス製ハウジング体２の製造のためにグリーン体が製造され、このグリーン体は既に最終的なハウジング体２の形状を有しており、この形態で、材料に応じて乾燥および／または脱バインダ処理され、さらに焼結される。
【００５１】
ハウジング体２の製造は、総論の部で説明したようにセラミックス射出成形技術によって行われ、これにより自由に造形可能な幾何形状、および例えば圧力センサチップ１のための一体化された据付収容部２０を狙い通りに形成することが可能となる。図１での表示によるハウジング体２の形状は、単なる例として理解されるべきであり、例えばさらなる電子部品、電気接続部、蓋を収容するために、または圧力センサシステムを据え付けるために設けられ得るさらなる幾何学的特徴および表面構造または形状を有することができる。
【００５２】
セラミックス製ハウジング体２のためのセラミックス材料として例えばムライトを使用する場合、射出成形技術によって製造されたグリーン体を、純度および焼結助剤の割合に応じて例えば１５００℃〜１７５０℃の温度範囲内で、空気中で焼結することができる。
【００５３】
セラミックス製ハウジング体２はとりわけ、圧力センサチップ１の熱膨張率に適合させた熱膨張率を有するセラミックス材料を含む。これはとりわけ、圧力センサチップ１とハウジング体２の熱膨張率の相互差が３０％未満、好ましくは２０％未満、特に好ましくは１０％未満であることを意味する。とりわけ−４０℃以上１５０℃以下の温度範囲内、好ましくは−５０℃以上２００℃以下の温度範囲内で膨張率を互いに適合させることができる。これにより、圧力センサシステムの典型的な稼働温度では圧力センサチップ１とハウジング体２の熱膨張率の相互差が可能な限り小さいことを保証することができる。
【００５４】
セラミックス製ハウジング体２のためのセラミックス材料としては、ムライト、つまりケイ酸アルミニウムが特に有利であることが判明した。その代わりに、ハウジング体２のセラミックス材料が酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、もしくは窒化ケイ素を含むか、または上記セラミックス材料の１種もしくは複数から成ることもできる。圧力センサチップ１の範囲内、つまり例えばセンサチップ１の基本的なチップ材料として使用され得るシリコンの範囲内の熱膨張率を有するセラミックス材料を適切に選択することにより、熱によって誘発され、圧力信号の劣化を引き起こし得る機械的応力を顕著に低減することができ、またはそれどころか完全に回避できることが有利である。従来技術に比べてより多くのシステムコンポーネントの単一の部品における一体化を具現したハウジング体２のモノリシックな実現により、圧力センサシステムのシステムの複雑さを顕著に軽減することができ、これは従来技術に比べて材料および費用の節減をもたらす。さらに、高い温度および非常に浸食性媒体の場合でも非常に高い媒体耐性が可能である。
【００５５】
圧力センサチップ１とハウジング体２の熱膨張率を互いに適合させることにより、剛性の結合材料３、例えばエポキシ樹脂接着剤、ガラスはんだ、または金属はんだを使用し得ることが特に好ましい。特に有利なのは、ガラスはんだまたは金属はんだを用いて圧力センサチップ１をセラミックス製ハウジング体２に結合することである。このような結合材料はポリマーとは異なり、当該ポリマーに典型的な老朽化挙動を有さず、これにより圧力信号および機械的結合の変動を回避することができる。圧力センサチップ１とハウジング体２の熱膨張率を互いに適合させているので、結合材料３による圧力センサチップ１とハウジング体２の間の固定的で直接的な結合にもかかわらず、熱によって誘発され、圧力信号に影響を及ぼし得るセンサチップ１内での応力の形成を回避することができる。
【００５６】
セラミックス射出成形技術により、ハウジング寸法の非常に精密な仕上げを達成することができる。これにより、圧力センサチップ１の容易で規格化された据付が、追加的なシステム要素なしで可能であり、その一方で熱による応力が少ないこと、非常に高い機械的および化学的なロバスト性、ならびに極度の長期安定性を同時に達成することができる。
【００５７】
以降の図では、圧力センサシステムに関するさらなる実施例が示されており、これらの実施例は、図１の実施例による圧力センサシステムの派生形態および改変形態を示している。したがって以降の説明は主に、これまで説明してきた実施例に対する相違点に限定されている。
【００５８】
図２Ａ〜図２Ｇに関して、ハウジング体２上の圧力センサチップ１に加えてセラミックス製ハウジング体２のもう１つの据付収容部２０上に信号処理チップ７を備えた圧力センサシステムの別の実施例の様々な図が示されており、この場合、圧力センサチップ１および信号処理チップ７のための据付収容部２０はそれぞれ凹部によって構成されている。その代わりに圧力センサシステムが多数の圧力センサチップ１および／または信号処理チップ７を備えることもできる。圧力センサチップ１および信号処理チップ７はそれぞれ、以降の図では見やすくするために示されていない結合材料を用い、図１との関連でおよび総論の部において説明したようにハウジング体２上に直接据え付けられている。
【００５９】
さらに、図２Ａ〜図２Ｇに関して示された圧力センサシステムは、電気接続部４、グロブトップポリマー５、および蓋６を備えている。
【００６０】
図２Ａおよび図２Ｂは、上側および下側からの、蓋６で閉じられた状態の圧力センサシステムを示しており、その一方で図２Ｃは圧力センサシステムの断面図を示している。図２Ｄおよび図２Ｅでは、より図解し易くするために蓋６が開かれた圧力センサシステムが示されており、その際、図２Ｅでは加えてグロブトップポリマー５が持ち上げられている。図２Ｆは、このように開かれた圧力センサシステムの詳細図を示しており、その一方で図２Ｇでは圧力センサシステムの分解図が示されている。
【００６１】
圧力センサシステムは、電気接続部４として、配線支持体４１、導体路４２、はんだ結合部４３、およびボンディングワイヤ４４の部分を備えている。電気接続部４により、圧力センサチップ１を信号処理チップ７と導電的に結合することができ、さらに圧力センサシステムの外部の電気接続を提供することができる。
【００６２】
例えば導体路４２は、例えば厚膜または薄膜技術のような金属被覆方法によりセラミックス製ハウジング体２上に被着され得る。このためにハウジング体２の据付側が少なくとも領域ごとに平面的に実現されることが有利であり、これにより安価なスクリーン印刷技術またはスパッタリング技術を用いて導体路４２を堆積させることができる。その代わりに、ハウジング体２の表面形状が対応していれば、例えばタンポン印刷またはディスペンシングにより、導体路の３次元的な形成を行うこともできる。
【００６３】
圧力センサチップ１および信号処理チップ７は、ボンディングワイヤ４４を用いて導体路４２に電気的に接続されている。圧力センサシステムの外部との接続のために配線支持体４１が設けられており、この配線支持体の一部は導体路４２の対応する接続部位にはんだ結合部４３によりはんだ付けされており、かつ配線支持体は、蓋６によって閉ざされたハウジング体２から突き出ており、したがって圧力センサシステムは、配線支持体４１のはんだ付けにより電気的に接続され得る。配線支持体４１は、例えば剛性のまたは柔軟なプリント基板、打ち抜き格子、つまりいわゆるリードフレーム、または少なくとも部分的にプラスチックで被包された打ち抜き格子であることができる。
【００６４】
配線支持体４１を導体路４２上に、およびさらに例えばハウジング体２の部分上にも固定し得るはんだ付け、例えば軟質はんだ付け、硬質はんだ付け、ガラスはんだ付け、または活性金属ろう付けの代わりに、配線支持体４１を接着によって固定してもよい。さらに、セラミックス製ハウジング体２への配線支持体４１の直接の据付を、セラミックス体２の対応する構造への係合、圧入またはクランプ締めによって行ってもよい。このような構造は、ハウジング体のその他の３次元的なハウジングの特徴と共に上で説明した方法によって製造することができる。例えば配線支持体４１がギャップを有しており、このギャップを介して、配線支持体４１を係止または固定するためセラミックス体２および／または蓋６の一部が貫通して噛み合うことも可能である。
【００６５】
蓋６は、セラミックス製ハウジング体２の圧力センサチップ１が配置されている据付側を閉じるために用いられる。蓋６は、例えばプラスチック、金属、もしくはセラミックスから成るかまたは上記材料の少なくとも１種もしくは複数を含むことができる。示された実施例では、蓋６はとりわけプラスチック材料から製造されている。ハウジング体２上に蓋６を固定するためにハウジング体２が開口を有しており、この開口に、係止突起または蟻継ぎの形態の蓋６の一部が貫通して噛み合い、これによりハウジング体２上での蓋６の機械的係止部７１が構成されている。
【００６６】
蓋６は、ハウジング体２の据付側を覆って広がる凹部を備えている。蓋６の凹部内では、少なくとも圧力センサチップ１および／または電気接続部４および／または信号処理チップ７および／またはハウジング体２の部分の上に、グロブトップポリマー５が配置されており、このグロブトップポリマーは覆った面または要素の保護または安定化のために用いることができる。図２Ｃで示したように、このグロブトップポリマー５は蓋６から離して配置することができ、したがって蓋６の凹部はポリマーで完全には満たされていない。とりわけボンディングワイヤ結合部をその安定化のためにポリマーによって覆うことができる。
【００６７】
圧力センサシステムは、示された実施例の代わりに、グロブトップポリマー５だけを備えて蓋を備えないことも可能である。この場合、グロブトップポリマー５は、覆った部分およびコンポーネントの、周囲に対する保護を構成することができる。これに関しグロブトップポリマー５は、圧力センサシステムの外側の少なくとも一部を構成するカバーを構成することができる。
【００６８】
図３Ａ〜図３Ｆに関して、前出の実施例の改変形態である圧力センサシステムの別の実施例が示されている。図３Ａおよび図３Ｂでは、ここでも圧力センサシステムの上側および下側の図が示されており、その一方で図３Ｃは圧力センサシステムの断面図である。図３Ｄでは蓋６が開かれた圧力センサシステムが示されており、その一方で図３Ｅでは、グロブトップポリマー５を取り除いた開かれた圧力センサシステムの詳細図が示されている。図３Ｆは圧力センサシステムの分解図を示している。
【００６９】
前出の実施例に比べ、図３Ａ〜図３Ｆの実施例による圧力センサシステムは、隆起部として形成された据付収容部２０を備えたハウジング体２を備えている。据付収容部２０上に圧力センサチップ１が配置されており、この圧力センサチップはボンディングワイヤ４４により導体路４２に接続されており、導体路はここでも外部接続のための配線支持体４１と結合されている。チップ１および導体路４２上のボンディング結合部を保護するため、ボンディング結合部がそれぞれ各々のグロブトップポリマー５で覆われている。
【００７０】
前出の実施例に比べ、ハウジング体２に機械的係止または接着により固定されたプラスチックハウジング８の上および部分的には中に、配線支持体４１および導体路４２が配置されている。蓋６は、蟻継ぎの形態の機械的係止部７１により、対応するスロットを有するプラスチックハウジング８に固定されている。その代わりに例えば接着剤により蓋６をプラスチックハウジング８上に固定してもよい。プラスチックハウジング８は電気接続部４を保持するために用いられ、その一方でモノリシックに形成されたハウジング体２が、直接据え付けられた圧力センサチップ１と共に、圧力センサシステムの圧力測定のために設けられた部分を構成している。
【００７１】
図に示した圧力センサシステムの実施例は、示された特徴に限定されず、総論の部での実施形態によるさらなるまたは代替的な特徴を有することができる。
【００７２】
本発明は、これらの実施例に基づく説明によりその実施例に限定されるわけではない。むしろ本発明は、あらゆる新規の特徴および特徴のあらゆる組合せを含んでおり、これはとりわけ、たとえこれらの特徴またはこれらの組合せ自体が特許請求の範囲または実施例で明示的に提示されていなくても、特許請求の範囲での特徴のあらゆる組合せを含意している。
【符号の説明】
【００７３】
１    圧力センサチップ
２    ハウジング体
３    結合材料
４    電気接続部
５    グロブトップポリマー
６    蓋
７    信号処理チップ
８    プラスチックハウジング
２０  据付収容部
２１  圧力接続部
２２  導圧部
４１  配線支持体
４２  導体路
４３  はんだ結合部
４４  ボンディングワイヤ結合部
７１  機械的係止部
【図１】
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【図２Ａ】
2016514254.tif 000004
【図２Ｂ】
2016514254.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2016514254.tif 000007
【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３Ａ】
2016514254.tif 000011
【図３Ｂ】
2016514254.tif 000012
【図３Ｃ】
2016514254.tif 000013
【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【国際調査報告】
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2016514254.tif 000018
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