DE20105505U1

DE20105505U1 - Drucktransmitter

Info

Publication number: DE20105505U1
Application number: DE20105505U
Authority: DE
Original assignee: Keller AG fuer Druckmesstechnik
Current assignee: Keller AG fuer Druckmesstechnik
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2011-03-30

Description

181 G 50

Drucktransmitter
5

-Die Erfindung betrifft einen Drucktransmitter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine nach dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung eines piezoresistiven Drucksensors, insbesondere piezoresistiven Absolutdrucksensors, umfasst üblicherweise eine Druckmesszelle, die aus einem Siliziumchip bestehen kann, der unter Bildung einer sich bei wechselndem Druck unterschiedlich stark durchbiegbaren Membran mit einer entsprechenden rückseitigen Höhlung versehen ist. Dieser Chip sitzt in der Regel auf einer vorzugsweise aus Silizium bestehenden 0 Rückplatte, mit der er entweder vakuumdicht verschweißt, verlötet oder durch elektrostatische Fusionsprozesse verbunden ist.

Eine derartige piezoresistive Messzelle wird dann auf 5 einem Träger, üblicherweise einer sogenannten Glasdurchführung positioniert und daran befestigt. Die Glasdurch-

führung besteht üblicherweise aus Metall, beispielsweise Stahl oder einer Stahllegierung. Diese Trägerplatte ist an den Stellen, an denen die benachbart zur Messzelle angeordneten elektrischen stiftförmigen Kontakte hindurchgeführt sind, mit der sogenannten Glasisolierung versehen, weshalb der so gebildete Sockel auch Glasdurchführung genannt wird.

Die Kontakte der Messzelle werden dann mit den stiftförmigen Kontakten der Glasdurchführung beispielsweise mit Gold- oder Aluminiumdrähten verbunden. Die Drähte werden dabei bevorzugt mittels Ultraschall-Schweißprozessen auf die Kontakte geheftet (gebondet). Dieser Prozess wird in der Regel in hochvolumigen Anwendungen vorzugsweise mit automatischen Drahtbondern durchgeführt.

Gegenüber den vorstehend genannten Drucksensoren zeichnen sich piezoresistive Drucktransmitter dadurch aus, dass neben der eigentlichen, der messgrößenerfassenden Messzelle ferner auch noch eine Auswertelektronik zur Aufbereitung des gemessenen Drucksignales vorgesehen ist. Diese Auswertelektronik sitzt dabei auf einem Print, d.h. einer Leiterplatine, die am freien Ende der Sockelstifte angelötet ist, die durch die sogenannte Glasdurchführung (also dem Träger der Messzelle) in isolierender Weise in den sogenannten Ölraum hineingeführt sind, wobei im Ölraum eine elektrische Verbindung von den hier liegenden Enden der Sockelstifte zu den entsprechenden Kontaktstellen an der Messzelle hergestellt ist. Die Leiterplatine sitzt 0 also außerhalb des Ölraums im Abstand unterhalb des Trä-

gers, d.h. der Glasdurchführung. Von dieser Leiterplatine mit der Auswertelektronik gehen dann elektrische Ausgangsdrahte aus, die dann wiederum an einem Stecker oder an einem weitergehenden Kabel angelötet sein können.
5

Es gibt seit geraumer Zeit piezoresistive Druckmesszellen, bei denen die Verstärkerelektronik auf dem Chip integriert ist. Bei bekannten Lösungen werden die Sensorsignale über Widerstandsnetzwerke, die auf der Oberfläche mit elektrisehen Leiterbahnen verbunden sind, abgeglichen. Mit Laserstrahlen werden die Leiterbahnen unterbrochen und so die Widerstände für den Abgleich vergrößert oder verkleinert.

Dabei sind auch programmierbare Abgleichschaltungen bekannt geworden, wie sie beispielsweise aus der Vorveröffentlichung Keller Druckmesstechnik, "pressure metrology, June 199.7" zu entnehmen sind. Die daraus bekannte Progress-Schaltung kann als eine Abgleichschaltung mit vier programmierbaren Widerständen oder Potentiometern 0 beschrieben werden. Beim Abgleich eines Drucksensors werden normalerweise in vier Bereichen Abgleiche oder Zuschaltungen vorgenommen, nämlich

1. Zuschaltung des Widerstandes für die Kompensation der 5 Temperatur bedingten Nullpunktverschiebung,·

2. Zuschaltung des Widerstandes für die Kompensation der Temperatur bedingten Empfindlichkeitsverschiebung;

3. Nullpunktabgleich;

4. Verstärkungsabgleich
30

Diese Schaltungen erfordern also vier Programmierleitungen und würden bei Integration eines Sensors und einer Verstärkerschaltung auf einem Chip den Nachteil haben, dass aus dem Ölinnenraum minimal sieben Kontakte herausgeführt werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher einen Drucktransmitter, insbesondere piezoresistiven Drucktransmitter zu schaffen, bei welchem die für die Auswertung des gemessenen Drucksignals benötigte Elektronik auf die gegenüber dem Stand der Technik bessere Weise untergebracht ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung zeichnet sich durch mehrere vorteilhafte 0 Maßnahmen aus.

Zum einen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Programmierung nur über eine zusätzliche Leitung erfolgt. Von daher sind im Gegensatz zu der eigentlich notwendigen 5 Anzahl von sieben Leitungen nur noch vier Leitungen notwendig, die aus dem Druckmedium-Innenraum herausführen, d.h. in der Regel aus dem mit Öl befüllten und die Druckmesszelle aufnehmenden Druckraum. Diese vier notwendigen Leitungen umfassen eine Programmierleitung, eine doppelte Speiseleitung einmal zum Anschluss des Plus-Pols

und zum Anschluss der Erdung (Minus-Pol), sowie eine vierte Leitung zum Anschluss einer Signalleitung. Ein Aufbau unter Verwendung nur einer Programmleitung lässt sich dadurch verwirklichen, dass auf dem Chip ein Decoder integriert ist, der erkennt, in welchem der vier Abgleichbereiche die Veränderungen des Widerstandes vorgenommen werden soll. Jeder Programmierbefehl muss mit einem Schlüsselzeichen für den Decoder versehen sein.

Allerdings hat sich gezeigt, dass sich eine Integration von Sensor und Elektronik auf dem gleichen Chip nicht so leicht realisieren lässt, obgleich daran gedacht werden könnte, die Bauteile auf der Membran des Sensors anzuordnen, da hier ja sehr viel ungenützter Platz vorhanden ist.

Es hat sich gezeigt, dass die gegebenenfalls auf der Messmembran mit unterzubringenden Komponenten der Elektronik eine hohe mechanische Spannungsabhängigkeit zeigen, die sich je nach Druckbereich unterschiedlich auswirken. Schließlich wird dabei auch die Ausbeutrate drastisch verschlechtert, da beispielsweise eine Ausbeutrate von 48% bezüglich des Sensorteils sich mit der Ausbeutrate von beispielsweise 60% für den Analog- oder Elektronikanteil multipliziert, also insgesamt dazu führt, dass etwa um 50% der so hergestellten Transmitter die vorgenannten Bedin-5 gungen und Grenzwerte einhalten, also brauchbar sind.

Demgegenüber wird nunmehr bevorzugt vorgeschlagen, dass sowohl die Messzelle, d.h. also die in der Regel als Siliziumchip ausgebildete Messzelle sowie die elektronische Auswertelektronik getrennt positioniert sind, und zwar auf

der sogenannten Glasdurchführung, d.h. dem eigentlichen Träger der Druckmesszelle. Sowohl die Messzelle als auch die Auswertelektronik sind also gemeinsam in dem Druckmedium-Innenraum, d.h. dem mit Öl befüllten Druckraum, positioniert und dort mittels Drähten entsprechend elektrisch angeschlossen und verbunden, so dass über die durch die Glasdurchführung hindurchgeführten Sockel- oder Anschlussstifte schon das abgeglichene Signal herausgeführt wird.

Die elektrische Verbindung zwischen der getrennt aufgebauten elektronischen Auswerteinrichtung und den Kontaktstellen auf der Messzelle bzw. den in der Regel vorgesehenen durch die Glasdurchführung hindurchgeführten Anschlussstifte erfolgt bevorzugt mittels Drahtbonden. Mit modernen Drahtbondmaschinen lässt sich durch diese Lösung eine massive Kostenersparniss gegenüber allen anderen theoretisch denkbaren oder bestehenden Lösungen verwirklichen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Figur 1 : eine schematische Seitenansicht teilweise im Schnitt eines erfindungsgemäßen

Drucktransmitters in piezoresistiver Technologie;

Figur 2 : eine vergrößerte Teildarstellung des 0 Druckinnenraums mit der Messzelle und der

zugehörigen Glasdurchführung; und

Figur 3 : eine Draufsicht längs der Schnittdarstellung III-III in Figur 1.
5

In Figur 1 und 2 ist ein piezoresistiver Absolutdrucksensor mit einer piezoresistiven Druckmesszelle 1 gezeigt, die eine dosenartige Messzelle 1 mit einer Messmembran 3 und einer zugehörigen Rückplatte 5 (Sockel) umfasst. Die Messmembran 3 ist bevorzugt aus einem Siliziumchip gebildet, der an seiner Rückseite mit einer durch Ätzen oder Bohren hergestellten Ausnehmung 3 ' unter Bildung der Membran versehen ist. Die Rückplatte 5 besteht vorzugsweise aus Glas oder Silizium und ist mit dem Rand der Messmembran 3 entweder vakuumdicht verschweißt oder verlötet oder durch elektrostatische Fusionsprozesse oder andere geeignete Maßnahmen verbunden.

Diese piezoresistive Druckmesszelle 1 mit dem Siliziumchip wird als nächstes auf einem Träger 7, d.h. im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer als Träger dienenden sogenannten Glasdurchführung 7 positioniert. Durch den Träger, also die Glasdurchführung 7 hindurch laufen mehrere axiale Sockelstifte 9, die entsprechende Bohrungen 11 in 5 dem Träger 7 durchsetzen und in diesen Bohrungen unter Verwendung von Glas oder Pressglas 13 isoliert eingebettet sind. Der Träger 7 besteht aus geeignetem Material, beispielsweise Metall, bzw. einer Metalllegierung. Dabei wird die Messzelle unter Verwendung eines Klebers auf diesem Träger 7 aufgeklebt.

Die auf der Messzelle vorgesehenen Kontakte 17 werden mit elektrischen Kontakten 9¹ an dem oberen Ende der Sockelstifte 9 mittels Anschlussdrähten 19 verbunden, die beispielsweise aus Gold- oder Aluminiumdrähten bestehen können. Diese Anschlussdrähte 19 werden teilweise auch als Bonddrähte 19 bezeichnet, da die Fixierung der Drähte an den Kontaktstellen der Messzelle und der Sockelstifte durch Bonden erfolgt. Zu einem derartigen Bondverfahren gehört vorzugsweise ein Ultraschall-Schweißprozess zur Anheftung der Drähte an den Kontaktstellen. Diese Prozesse werden bevorzugt in hochvolumigen Anwendungen vorzugsweise mit automatischen Drahtbondern durchgeführt.

Wie insbesondere nunmehr aus Figur 3 auch zu ersehen ist, ist aber auf dem Träger, d.h. der Glasdurchführung 7 nicht nur die Druckmesszelle, sondern daneben auch die elektronische Auswertschaltung 21 positioniert. Sie kann ebenfalls beispielsweise mittels eines Klebers auf dem Träger 7 fixiert sein.

Der elektrische Anschluss der elektronischen Auswertschaltung 21 erfolgt ebenfalls mittels Bonddrähten 19', die beispielsweise von Kontaktstellen 21' an der elektronischen Auswertschaltung 21 ausgehen und eine Verbindung zu Kontaktstellen 9' am oberen Ende der Sockelstifte 9 herstellen. Daneben sind auch noch weitere Bonddrähte 19" vorgesehen, worüber zusätzliche elektrische Verbindungen zwischen auf der Druckmesszelle 1 vorgesehen Kontaktstellen 17 und Kontaktstellen 21' auf der elektrischen Auswertschaltung 21 hergestellt ist.

Aufgrund einer derartigen Anordnung bzw. einem derartigen Aufbau ist es dann möglich mit lediglich vier durch die Glasdurchführungen 13 hindurchführende Anschlussstifte eine elektrische Verbindung zur Sockelunterseite zu schaffen, wobei an den nach unten überstehenden Sockelstiften 9 dann die entsprechenden Kabel oder Drähte 23 angeschlossen, d.h. in der Regel angelötet sind, die zu einem unten liegenden Stecker 2 5 führen können.

Gemäß dem erläuterten neuen Aufbau stehen also am unteren Ende der aus dem Druckmedium-Innenraum herausgeführten Sockelstiften 9 bereits das abgeglichene Signal an, welches durch die Auswertelektronik 21 verarbeitet worden ist. Da die Glasdurchführung 7 ausreichend groß bemessen ist, haben darauf die Messzelle 1 und daneben die Auswertelektronik 21 ausreichend Platz. Messzelle und Auswert elektronik sind also in dem Druckölraum gemeinsam untergebracht .

Claims

1. Drucktransmitter mit einer piezoresistiven Druckmesszelle (1), die zumindest mittelbar auf einem Träger (7) sitzt, der vorzugsweise als sogenannte Glasdurchführung ausgebildet ist, wobei die Druckmesszelle (1) mit einen mit einer Messmembran (3) versehenen Chip gebildet ist, und wobei Kontaktstellen (17) auf der Druckmesszelle (1) über Drähte (19) mit entsprechenden Kontaktstellen (9') vorzugsweise an Sockelstiften (9) verbunden sind, und mit einer elektrischen/elektronischen Auswertschaltung (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertschaltung (21) ebenfalls in dem die Druckmesszelle (1) aufnehmenden und mit einem Druckübertragungsmedium befüllten Raum untergebracht und mittels Drähten (19) angeschlossen ist.

2. Drucktransmitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische/elektronische Auswertschaltung (21) wie die Druckmesszelle (1) auch zumindest mittelbar auf der als Träger fungierenden Glasdurchführung (7) positioniert und gehalten ist.

3. Drucktransmitter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktstellen (21') an den elektrischen/elektronischen Auswertschaltungen (21) über Drähte (19"), vorzugsweise Bonddrähte, mit entsprechenden Kontaktstellen auf der Messmembran (3) verbunden sind.

4. Drucktransmitter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelektronik (21), d. h. entsprechende Kontaktstellen (21') über Drähte, vorzugsweise Bonddrähte (19') mit Kontaktstellen (19") zum aus der Vorrichtung hinausführenden elektrischen Leitung, vorzugsweise an Kontaktstellen (19') von Sockelstiften (9) elektrisch verbunden sind.

5. Drucktransmitter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger oder die Glasdurchführung (7) nur von vier Sockelstiften (9) durchsetzt ist, an welchen das abgeglichene Messsignal abgreifbar ist.