压力检测模块以及具有这种压力检测模块的压力传感器装置

摘要

本发明涉及一种压力检测模块，所述压力检测模块包括一种容纳部件用于容纳载体衬底，其中所述载体衬底在第一侧上设有压力检测设备，其中所述载体衬底借助与所述第一侧背离的第二侧装入所述容纳部件中并且其中所述载体衬底借助其与所述第一侧背离的所述第二侧固定在容纳槽的底部上。为了尽可能小地构造以及可以简单和成本有利地制造所述压力检测模块，在此规定，所述容纳部件与所述容纳槽和环绕所述容纳槽的凸缘构造为碟形的并且所述底部具有接触孔，通过所述接触孔可电接通所述载体衬底的在所述接触孔上暴露的接触面。此外，本发明还涉及一种具有压力检测模块的压力传感器装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有独立装置权利要求的前序部分所述的特征的压力 检测模块以及一种具有压力检测模块的压力传感器装置。

背景技术

由DE 102 28 000 A1公开了一种具有具有独立权利要求的前序部分的 特征的压力检测模块的压力传感器装置。在那示出的压力传感器装置设置 在壳体中并且使用压力传感器、尤其是半导体压力传感器用于检测压力。 半导体压力传感器具有传感器膜片，传感器膜片在上侧上设有传感元件， 其中，中心部分在上侧上由传感器膜片覆盖。至传感器膜片的压力供给在 此通过引入到半导体压力传感器的背侧中的、例如通过反应性离子蚀刻制 造的凹槽实现。在此通过接管部件的压力通道如此钎焊半导体压力传感器， 使得压力通道和凹槽处于直接的压力连接中。半导体压力传感器的上侧上 的传感元件在施加压力的情况下产生电信号，电信号通过电连接(例如引 线键合)转发到载体衬底上或直接转发到接触元件上。盖部件封闭压力传 感器装置。为了借助这种压力传感器装置确定具有小的测量公差的绝对压 力，需要在半导体压力传感器的未施加压力的侧上的壳体中提供恒定的压 力、理想是真空——所谓的标准真空。因此，电信号通过严密密封的—— 例如上光的接触元件引向外部。这种在壳体中具有标准真空的压力传感器 装置的制造和严密密封的接触元件的实现要求压力传感器装置相对较大的 结构体积，此外，制造是费事的并且接触元件的严密密封与高成本关联。

发明内容

与现有技术相比，具有独立权利要求特征的装置具有以下优点：压力 检测模块基于其构造具有更小的尺寸。在小的测量公差的情况下，可以不 用严密密封引向外部的接触元件，从而可以以小的耗费制造压力检测模块。 根据本发明的压力检测模块可用作用于不同的应用的模块化组件，由此尤 其还可以节省成本，因为在安装进压力传感器装置之前能够实现压力检测 模块的模块化的和成本有利的调整。压力检测模块可以有利地与碟形的容 纳部件的凸缘严密密封地固定、尤其是熔焊或钎焊在压力检测装置的接管 部件上。

根据本发明提出一种压力检测模块，其中压力检测模块包括一种容纳 部件用于容纳载体衬底，其中载体衬底在第一侧上设有压力检测设备，其 中载体衬底借助与第一侧背离的第二侧装入容纳部件中并且其中载体衬底 借助其与第一侧背离的第二侧固定在容纳槽的底部上。根据本发明，在此， 在压力检测模块中，容纳部件与容纳槽和环绕容纳槽的凸缘被构造为碟形 的并且底部具有接触孔，通过接触孔可电接触载体衬底的在接触孔上暴露 的接触面。

压力检测设备在载体衬底的第一侧上的设置和载体衬底在第二侧上通 过容纳槽底部中的接触孔的可接触性有利地促使，压力检测模块占据特别 有利地小的结构空间并且可特别简单和成本有利地制造压力检测模块。凸 缘能够特别有利地实现压力检测模块在压力检测装置的支撑面上的密封固 定，通过焊接能够特别优选地实现严密密封的固定。

本发明的有利的扩展方案和改进方案能够通过在从属权利要求中说明 的措施实现。

本发明的特别有利的实施方式通过以下方式得出：在载体衬底的第二 侧上设置至少一个电的和/或电子的构件。由此能够有利地实现，例如通过 专用集成电路(ASIC)处理压力检测模块中压力检测设备的电信号。通过 无源构件(例如电容器)在压力检测设备和/或ASIC的附近的设置来特别 有利地改善压力检测模块的电磁兼容性。

在一个特别有利的实施方式中，容纳部件被构造为金属深拉伸部件。 由此特别有利地实现，容纳部件的凸缘适合用于借助金属配合件的焊接或 锡焊，从而能够实现容纳部件和金属配合件之间密封的、特别有利地是严 密密封的连接。

通过载体衬底是印刷电路板或陶瓷的方式能够有利地实现，压力检测 设备和/或电构件和/或电子构件的电信号可以通过设置在载体衬底上或载 体衬底中的线路转发。通过载体衬底中严密密封的线路能够特别有利地实 现电信号从载体衬底的第一侧到载体衬底的第二侧的转发。此外，陶瓷作 为载体衬底有利地具有防侵入性的介质(例如机动车排气管路中具有酸性 和/或碱性基团的废气或燃料、制动液、传动装置油和诸如此类)的特别高 的阻力。

借助密封材料、尤其是密封粘结剂或焊料，载体衬底可以有利地固定 在容纳槽的底部上。密封材料特别有利地是密封粘结剂并且密封粘结剂如 此涂装在载体衬底的第二侧和容纳槽的内侧之间，使得容纳槽的设置在底 部中的接触孔通过密封粘结剂和载体衬底密封，尤其是严密密封。由此有 利地实现，在容纳部件中通过密封粘结剂和载体衬底使施加有压力的空间 与包围容纳部件中的接触孔的空间密封隔开。本发明的这类扩展方案特别 有利地引起压力传感器模块中的介质屏障，其方式是，在对压力检测设备 施加流体——即施加液体和/或气体、尤其是侵入性流体时，侵入性流体的 攻击面保持限制于压力检测室。

根据本发明，容纳部件在其与底部相对置的侧上借助隔膜封闭，其中 由隔膜和容纳部件限定的空间以液体、尤其是油填充，所述由隔膜和容纳 部件限定的空间由载体衬底和密封粘结剂相对底部中的接触孔密封。由此 有利地促使，压力检测装置仅仅间接地暴露于其压力应被检测的介质，由 此在检测压力的情况下，侵入性的介质特别有利地增加了压力检测模块的 寿命。在此，特别有利地在容纳部件的底部中施加可关闭的开口，通过所 述可关闭的开口可以将液体、尤其是油注入由隔膜和容纳部件限定的空间 中。由此，特别有利地使压力传感器模块的制造变得容易。

本发明的有利的扩展方案规定，压力检测设备至少包括施加在载体衬 底上的压电传感器装置。对此，特别有利地使用半导体传感器元件，因为 由此可以将制造成本保持得特别低并且将压力检测精度保持得特别高。在 本发明的另一个有利的扩展方案中，压力检测设备包括设置在载体衬底上 的、具有电容式压力检测的传感器装置。由此能够有利地实现特别精确的 压力检测。

通过以下方式：载体衬底是具有陶瓷基体和具有设置在陶瓷基体上的 膜片的陶瓷衬底并且压力检测设备包括具有设置在陶瓷基体上的第一导电 面和具有设置在膜片上的第二导电面的电容式传感器装置，有利地实现： 载体衬底和压力检测设备构成集成的单元并且由此能够有利地降低制造成 本。在本发明的所述扩展方案中，压力检测设备是特别耐抗侵入性的介质， 例如是废弃、燃料和油，因为可以将电线路耐介质地设置在陶瓷基体中并 且引导至载体衬底的未暴露于介质的第二侧上。

通过标准真空被包围在所述压力检测设备中这一方式有利地促使，能 够以小的测量公差实现压力检测并且同时可以特别有利地减小压力检测模 块的结构大小，因为可以不用壳体中的标准真空。这类压力检测设备被特 别有利地作为半导体压力传感器元件以PorSi技术制造，其中包含有标准真 空的空穴在半导体压力传感器的制造过程中被由例如硅制成的薄的膜片覆 盖。

根据本发明，可以如此制造具有根据本发明的压力检测模块的压力传 感器装置，使得压力传感器装置具有设有压力通道和包围压力通道的装配 面的接管部件与盖部件并且压力检测模块的容纳部件借助凸缘如此装配在 接管部件的支撑面上，使得压力检测设备与压力通道直接地或间接地处于 压力连接中。由此有利地促使，压力检测模块作为集成部件直接装配在压 力待检测的位置上。在此，接管部件和盖部件可以设计为用户专用的，而 不必建设性地改变压力检测模块。由此能够实现用于不同应用的特别低成 本的制造。

通过以下方式：通过熔焊、钎焊、粘结或在使用可压缩的密封环的夹 层的情况下使容纳部件的凸缘与接管部件密封连接，有利地实现，压力传 感器装置也可用于中压应用(约10巴至100巴)。此外，特别有利地实现， 其压力应被确定的侵入性介质(例如废弃、燃料、传动装置油和诸如此类) 不能够从压力传感器装置的内部漏出。

本发明的有利的扩展方案规定，盖部件借助接触元件可电接通载体衬 底的第二侧，其中接触元件与盖部件的引向外部的插头接触部导电连接。 由此能够有利地实现成本有利的和简单的装配。载体衬底的第二侧通过弹 簧接触部的电接通特别有利地引起不同的运行条件下(尤其在不同的温度 下)和装配时的公差平衡并且由此有利地保证持久可靠的电接通。

通过以下方式：盖部件具有环绕的轮缘，所述环绕的轮缘借助其端面 支撑在凸缘的背离接管部件的侧上并且借助卷边连接固定在接管部件上的 轮缘的背离端面的侧上，一方面有利地促使盖部件持久防损地固定在接管 部件上并且由此持久保证插头接触部与载体衬底的暴露的接触面(208)的 电接通。另一方面，在使用可压缩的用于接管部件和容纳部件之间的密封 的密封环(例如O形环)的情况下，通过将轮缘的端面套装在容纳部件的 凸缘上和随后的压接连接来特别有利地实现密封环的持久的密封压力。

附图说明

在附图中示出并且在随后的描述中详细解释本发明的实施例。示出：

图1a  根据本发明的压力检测模块的实施例的透视图的剖面；

图1b  图1a中的碟形容纳元件的底部中的接触孔的视图；

图1c  图1a中的实施例的与底部中的接触孔相对置的侧的视图；

图1d  根据图1c的无隔膜的视图，其中用于以液体充满的液体空 间可见；

图1e  本发明的另一个实施例的与底部中的接触孔相对置的侧的 视图，其中没有填充液体；

图2a  具有接管部件和盖部件的压力传感器装置的实施例的外观 图；

图2b  根据图2a的、具有根据图1a的装配在压力传感器装置中的 压力检测模块的压力传感器装置的实施例的横截面；

图2c  图2b的详细视图，其中压力检测模块借助O形环固定在接 管部件上；

图2d  压力传感器装置的另一个实施例的详细视图，其中压力检测 模块通过焊接处与接管部件严密密封地连接；

图3  压力传感器装置的另一个实施例的详细视图，其中压力检测 模块的压力检测设备是陶瓷压力传感器。

具体实施方式

图1a中示出根据本发明的压力检测模块(100)的一个实施例的透视 图的剖面。这种压力检测模块(100)例如适合用于具有例如约1巴至约7 巴的范围内压力的低压区内——例如机动车发动机的进气道中或排气管路 中的压力检测。此外，这种压力检测模块还适合用于检测中压区——即从 约10巴至约100巴内、例如在传动装置控制应用中的压力的检测。图1a 中所示的实施例特别适合用于检测流体——即气体或液体、尤其是具有侵 入性的化学或机械特性的流体的压力。这类流体例如是具有强酸性或碱性 基团的传动装置油、制动液或废气，而不限制于这类流体。此外，还可考 虑机动车制造以外的、例如空调中的应用，在空调内压力模块可能暴露于 以冷却剂的形式的流体。

图1a在此示出具有用于载体衬底(200)的容纳槽(112)和具有凸缘 (114)的碟形容纳部件(110)。容纳部件(110)在容纳槽(112)的底部 (112)中具有尤其大面积的接触孔(130)。在此，接触孔(130)优选如 此连续地在容纳部件(101)的底部(120)中的区域上延伸，使得通过接 触孔(130)连同基本上垂直地穿过接触孔(130)的接触元件(710)(在 此未示出)能够实现载体(200)的所有暴露的接触面(208)的接通。在 此，接触孔(130)至少在底部(120)的六分之一面上、特别优选至少在 底部(120)的四分之一面上并且很特别地优选至少在底部(120)的五分 之一面上在连续地延伸。在凸缘处密封封闭的隔膜(140)与凸缘(114) 平行地在容纳部件(110)的与容纳槽(112)的底部(120)背离的侧上延 伸。在本发明的另一个在此未示出的扩展方案中，用于增加弯曲刚度的接 触口(130)未被连续地构造。在此，图1a中所示实施例的接触孔(130) 通过底部(120)中的条细分。在此扩展方案中在容纳槽(112)的底部(120) 中优选仅仅将在ASIC(290)上、在无源构件(280)上的区域构造为开口 并且在接触面(208)上的区域构造为接触孔(130)。

“碟形”从本专利申请的意义上理解为一种形状，其中容纳部件(110) 具有设置在第一平面内的边缘区域(凸缘(114))。边缘区域包围构成容纳 槽(112)的中央区域，所述容纳槽的底部(120)在与第一平面平行的并 且隔开的第二平面内延伸。容纳槽(112)可以无间隙地连接在作为U形轮 廓的、具有侧壁(122)的凸缘(114)上，所述侧壁优选具有朝底部(120) 在45°和90°之间角度范围内的倾斜，特别优选具有在75°和90°之间的角度。 容纳部件(110)的这种碟形的构造例如可以通过深拉伸过程表示。容纳部 件(110)在此优选由金属、特别优选由钢或钢合金制成。

载体衬底(200)在所示实施例中是两个层面或多个层面的印刷电路板 (202)。载体衬底具有第一侧(210)，所述第一侧分配待检测的压力并且 被设置在所述一个压力检测设备(240)上。压力检测设备(240)在此优 选以PorSi技术构造为半导体压力传感器。在此，以PorSi技术蚀刻半导体 中的空穴，并且该空穴在真空条件下密封地借助由硅制成的新的表面、薄 的膜片覆盖。最后传感元件施加在新的表面上。通过这种技术，标准真空 已经集成到半导体压力传感器中，由此半导体压力传感器构造得特别小并 且因此成本很低。传感元件在此通常被构造为压阻式的或被构造为电容式 的元件或结构并且将由于压力施加引起的膜片变形和由此引起的长度或距 离变化转换为电信号，所述电信号与施加的压力成函数关系。

在所述实施例中，在载体衬底(200)的第二侧(220)上设置电的和 电子的构件，优选地但不限制与此，设置无源构件(280)——例如电阻、 电容器(例如用于改善EMV保护)和诸如此类以及用于处理压力检测设备 的信号的ASIC(290)和接触面(208)。压力检测设备(240)的电信号优 选通过印刷电路板中严密密封的线路(所谓的“burried vias：埋孔”)从第 一侧(210)引导至第二侧(220)上。

载体衬底(200)借助密封材料(150)、优选密封粘结剂(152)或焊 料(154)如此固定在容纳部件(110)中，使得接触孔(130)和隔膜(140) 彼此严密密封。此外，在容纳部件(110)的底部(120)中设置填充管(174)， 所述填充管具有可关闭的开口(170)。通过开口(170)和穿过载体衬底(200) 中被密封防接触孔(130)的凹部(270)，可以将液体、优选是不可压缩的、 非导电性的液体、特别优选是油注入压力检测模块(100)的液体室(180)、 优选是油室(182)中。优选借助球(172)，可以在注入过程之后密封关闭 填充管(174)。然而，还可考虑其他例如以圆柱、圆锥、椭圆或圆盘形的 实现的密封元件，而不限制于这些构型方式。载体衬底(200)的第二侧(220) 的至少一部分在此可通过碟形容纳部件(110)中的接触孔(130)电接通。

图1b中示出图1a中碟形的容纳元件(110)的底部(120)中的接触 孔(130)的透视图。可以特别明显地看出容纳部件(110)的碟形。由所 述构造中可以很好地看出，能够特别简单地调整这种压力检测模块。

优选标准真空集成到压力检测设备(240)中，从而在以压力检测设备 (240)和电构件和/或电子构件(280，290)装备载体衬底(200)之后已 经能够实现调整，这能够实现制造过程的特别优选的简化。“调整”在此理 解为以下过程：其中检测所施加的压力和由压力检测设备(240)的传感元 件输出的电信号之间的函数关系并且补偿寄生效应的影响，例如温度。

在图1c中示出图1a中的实施例的与底部(120)相对置的侧、尤其是 隔膜(140)的透视图。隔膜在所述实施例中由薄的金属板制成，优选由钢 或钢合金制成。然而，还可考虑其他惰性的并且能够严密密封连接凸缘的 材料，例如塑料薄膜，特别优选是Teflar。这种塑料薄膜能够通过胶粘工艺 或通过热工艺(例如通过激光熔焊)密封固定在凸缘(114)上。

图1d示出根据图1c的视图，其中已删去膜片(140)，以便可看见隔 膜(140)下的空间、尤其是用于以液体填充的液体室(180)。该附图示出 压力检测设备(240)连同其在载体衬底(200)的第一侧(210)上的接触 面(242)。同样可以看出载体衬底(200)中的凹部(270)，通过其，非导 电性、不可压缩的液体、尤其是油可以从填充管(174)到达液体室(180) 或油室(182)。

图1e中示出本发明的另一实施例的与底部(120)中的接触孔(130) 相对置的侧的透视图。在压力检测模块(100)的该实施例中，不设置以液 体的填充。这种实施方式特别优选地适合于低压应用(约1巴至约7巴)， 尤其适合于气体状的介质。在本发明的这种扩展方案中，压力检测设备可 以特别优选地借助被构造为具有“Through Silicon Vias：穿透硅过孔”的接 触面(242)。在此，接触面(242)位于压力检测设备(240)的面对载体 衬底(200)的侧上。由此有利地增加压力检测设备(240)的介质阻力。 在这类扩展方案中，特别有利地提高压力检测设备的介质阻力，其方式是， 在载体衬底(200)上接通压力检测设备(240)之后，将耐介质的材料引 入压力检测设备(240)和载体衬底之间。

相反地，在此，在无隔膜(140)、无凹部(270)的情况下，压力检测 模块(100)在无开口(170)和无填充管(174)的载体衬底(200)中实 现。在这种实施例中，直接在压力检测设备(240)上施加待检测的压力。 在这种扩展方案中，可以通过施加在此未示出的保护层、例如通过凝胶或 其他的耐介质的保护层、优选是聚对二甲苯涂层或诸如此类来保护压力检 测设备(240)、其接触面(242)和其至载体衬底(200)的电接通(例如 引线键合，在此未示出)免受机械影响(例如颗粒)和免受来自于所施加 的流体的化学攻击(例如由于侵入性的，例如酸性或碱性的介质)。这种保 护层增加了压力检测模块(100)的寿命。

在所示的实施例中，载体衬底(200)被构造为印刷电路板(202)，然 而他也可以被构造为陶瓷衬底(204)。当例如将压力检测模块(100)使用 在柴油颗粒过滤器系统中或传动装置控制器中或制动系统中的应用中时， 作为陶瓷衬底(204)的构造改善了防侵入性的介质的阻力，在所述制动系 统中，载体衬底暴露于制动液。

图2a示出具有接管部件(600)和盖部件(700)的压力传感器装置(500) 的实施例的外观图。盖部件(700)在接管部件(600)上的机械固定在此 通过在将盖部件(700)套装在接管部件(600)上并且借助盖部件密封粘 结剂(670)将盖部件(700)粘附在接管部件(600)上之后的压接连接(630) 来实现。

图2b中示出根据图2a的、具有装配在压力传感器装置(500)中的根 据图1a的压力检测模块(100)的压力传感器装置(500)的实施例的横截 面。在此，压力传感器装置(500)具有设有压力通道(610)和包围压力 通道(610)的支撑面(620)的接管部件(600)和盖部件(700)，其中容 纳部件(110)借助凸缘(114)如此装配在接管部件(600)的支撑面(620) 上，使得在本实施例中压力检测设备(240)与压力通道(610)间接地— —也即通过隔膜(140)隔开地处于压力连接中。在装配压力检测模块(100) 之后，盖部件(700)借助环绕盖部件(700)的轮缘(730)的端面(732) 套装在接管部件(600)上和在与凸缘(114)的背离接管部件的侧上。如 此实现所述套装，使得盖部件(700)的插头接触部(750)借助设置在载 体衬底(200)的第二侧(220)上的接触面(208)通过接触元件(710)、 特别优选地是弹簧接触部(712)到达电接触部并且通过这种方式可以量取 压力检测模块(100)的电信号。盖部件(700)通过盖部件密封粘结部(670) 与接管部件(600)密封粘结。通过在轮缘(730)的背离端面(732)的侧 上的压接连接(630)可以将盖部件(700)防损地并且机械稳健地固定在 接管部件(600)上。

图2c示出图2b的详细视图，其中压力检测模块(500)借助O形环(640) 固定并且密封在接管部件(600)上。因此，压力检测设备(240)与压力 通道(610)处于压力连接中。盖部件(700)通过盖部件密封粘结部(670) 密封地固定在接管部件(600)的支撑面(620)上。盖部件(700)插头接 触部(750)至载体衬底(200)的第二侧(220)的电连接借助固定在盖部 件(700)中的接触元件(710)、优选是穿过压力检测模块(100)的容纳 部件(110)中的接触孔(130)的弹簧接触部(712)(螺钉弹簧接触部、 螺旋弹簧接触部或例如S形叶片弹簧接触部)来实现。接触元件(710)、 优选是弹簧接触部(712)在此一方面在不同的使用条件下也能够实现可靠 的接通，因为弹簧接触部(712)可以通过其预张平衡由温度决定的距离变 化。另一方面，弹簧接触部(712)能够实现盖元件简单的装配，因为所述 弹簧接触部在装配时能够通过弹簧预张自动实现盖部件(700)和载体衬底 的第二侧(220)之间的距离公差中的公差平衡。

图2d中示出压力传感器装置(500)的另一个实施例的详细视图，其 中压力检测模块(100)通过凸缘(114)和支撑面(620)之间的焊接处(650) 严密密封地与接管部件(600)连接。因此保证了，施加在压力通道(610) 中、在压力检测模块(100)和接管部件(600)之间的过道上的流体不能 够到达接管部件(600)之外的区域内。通过严密密封的焊接处(650)还 保证，朝着载体衬底(200)的第二侧(220)，在整个寿命期间和在压力检 测模块(100)的所有运行条件下不出现介质泄露。在另一个在此未示出的 实施例中，也可以无隔膜(140)地构造严密焊接在接管部件(600)上的 压力检测模块(100)，从而压力直接施加在压力检测设备(240)上。在其 他的实施例中，凸缘(114)和支撑面(620)之间的严密密封还可以通过 焊料连接或粘合剂连接实现。

最后，在图3中示出压力传感器装置(500)的另一实施例的详细视图， 其中压力检测模块(100)的压力检测设备(240)是陶瓷压力传感器(250)， 其中优选电容式地实现压力检测。为此，载体衬底被构造为陶瓷衬底(204) 并且借助焊料(154)固定在容纳部件(110)的容纳槽(112)中。陶瓷衬 底(204)包括陶瓷基体(260)和设置在陶瓷基体(260)上的膜片(262)。 因此，压力检测设备(240)集成在载体衬底中。被构造为陶瓷压力传感器 (250)的载体衬底在此时具有设置在陶瓷基体(260)上的第一导电面(260) 和具有设置在膜片(262)上第二导电面(268)的电容式传感器装置。这 两个导电面(266，268)在此通过陶瓷焊料(玻璃)(264)彼此非导电性 连接并且因此构成一类板电容器。膜片(262)的变形在此改变两个导电面 (266，268)的距离，这导致充电延迟，所述充电延迟被作为陶瓷衬底(204) 的第二侧(220)上的电信号检测。