Eine derartige Vorrichtung zur Druckmessung ist beispiels- weise aus der DE 100 14 992 A1 bekannt. Der dort gezeigte Hochdrucksensor verwendet als Druckaufnehmer eine mit einer Ausnehmung versehene Druckmesszelle aus Metall. Sensorele- mente und Messmembran sind an einer Seite der metallischen Druckmesszelle ausgebildet. Mit der gegenüberliegenden zwei- ten Seite ist die Druckmesszelle auf einen Anschlussstutzen der Sensorvorrichtung aufgeschweißt. Eine Auswerteschaltung ist auf einer separaten Leiterplatte oder einem Hybrid ange- ordnet und mit den Sensorelementen auf der Oberseite der Druckmesszelle elektrisch verbunden. Mit einer derartigen Vorrichtung lassen sich auch hohe Drücke oberhalb von 140 bar messen.

Weiterhin ist beispielsweise aus der DE 197 31 420 A1 eine Vorrichtung zur Druckmessung mit einem Silizium-Chip als Halbleiter-Druckaufnehmer bekannt, der auf seiner Oberseite mit Sensorelementen und einer Auswerteschaltung versehen ist und auf einen Glassockel aufgebracht ist. Derartige Druck- sensoren werden jedoch nur zur Messung relativ kleiner Drü-

cke unterhalb von 70 bar eingesetzt, da die bei größeren Drücken wirkenden mechanischen Spannungen zu Brüchen im Glas oder Silizium-Chip führen.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Druckmessung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht vor- teilhaft, einen Druckaufnehmer mit einem Halbleiterchip, auf dessen Oberseite Sensorelemente und beispielsweise zusätz- lich eine Auswerteschaltung als integrierte Schaltung ausge- bildet sind, zur Hochdruckmessung oberhalb von 70 bar zu verwenden. Vorteilhaft wird der im Stand der Technik betrie- bene Aufwand zur Isolation der Sensorelemente von der metal- lischen Druckmesszelle bei herkömmlichen Hochdrucksensoren vermieden. Durch Kombination von Auswerteschaltung und Sen- sorelementen auf dem Halbleiterchip kann vorteilhaft ein ho- her Integrationsgrad der Vorrichtung erreicht werden. Dabei wird durch direktes Auflöten des Halbleiterchips mit einem eine Ausnehmung des Halbleiterchips umgebenden Randbereich auf ein mit einem ersten Druckkanalabschnitt versehenes Trä- gerteil, wobei der erste Druckkanalabschnitt und die Ausneh- mung miteinander in Verbindung stehen, vorteilhaft eine hochdruckfeste Verbindung zwischen Halbleiterchip und Trä- gerteil erzeugt.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.

Der Druckaufnehmer kann einstückig aus einem Halbleitermate- rial wie Silizium gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es einen Stapelaufbau zu verwenden aus einer mit der Sensor- membran und den Sensorelementen versehen ersten Halbleiter- struktur und einer damit über eine Verbindungszone fest ver- bundenen und auf das Trägerteil aufgelöteten zweiten Halb-

leiterstruktur. Durch die zweite Halbleiterstruktur wird weitgehend vermieden, dass thermomechanische Spannungsbelas- tungen die Sensorelemente erreichen und beschädigen. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Vorrich- tung erhöhen. Die erste Halbleiterstruktur und die zweite Halbleiterstruktur können vorteilhaft aus Silizium bestehen.

Die Verbindungszone kann aus einer eutektischen Zone aus Gold und Silizium bestehen.

Zur Vermeidung von thermischen Spannungen zwischen dem Halb- leiterchip und dem Trägerteil ist es vorteilhaft, wenn die Lotschicht einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten aufweist als Zinn-Blei-Lot, der besser an das Halb- leitermaterial angepasst ist. Vorteilhaft ist beispielsweise die Verwendung von AuSn20-Lot.

Das Trägerteil weist vorteilhaft einen an das Halbleiterma- terial des Druckaufnehmers angepassten thermischen Ausdeh- nungskoeffizienten auf. Das Trägerteil kann aus einer Me- talllegierung, beispielsweise aus Eisen-Nickel (Invar@) oder Eisen-Nickel-Kobalt (Kovar@) bestehen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausnehmung in dem Halbleiter-Druckaufnehmer durch reaktives Ionen-Ätzen (Trench-Ätzen) an dem Druckaufnehmer ausgebildet ist. Hier- durch werden scharfe Übergänge und Knicke in dem Halbleiter- Druckaufnehmer vermieden, an denen sich bei hohen Druckbe- lastungen Spannungen bilden, die zur Bruchbildung führen.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Vorrichtung ein Sensor- gehäuse aufweist und an einer Außenseite eines mit einer Durchgangsöffnung versehenen ersten Sensorgehäuseteils des Sensorgehäuses ein die Durchgangsöffnung abdeckender An- schlussstutzen als separates Bauteil festgelegt ist und das in dem Sensorgehäuse angeordnete Trägerteil durch die Durch- gangsöffnung hindurch mit dem Anschlussstutzen, beispiels-

weise durch Laserschweißen, in Verbindung gebracht ist, da sich hierdurch thermomechanische Spannungen zwischen dem An- schlussstutzen und dem Trägerteil erheblich verringern las- sen.

Dadurch, dass an einer der Durchgangsöffnung zugewandten Seite des Anschlussstutzens ein umlaufender Kragen ausgebil- det ist, welcher um einen in dem Anschlussstutzen ausgebil- deten zweiten Druckkanalabschnitt herum angeordnet ist, und dass das Trägerteil an seiner dem Anschlussstutzen zugewand- ten Seite einen in den Kragen eingreifenden Stutzen auf- weist, in dem der erste Druckkanalabschnitt verläuft, lassen sich vorteilhaft thermomechanische Spannungen zwischen dem Anschlussstutzen und dem Trägerteil noch weiter reduzieren.

Besonders vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, wenn der Stutzen einen Außendurchmesser aufweist der deutlich kleiner als der Außendurchmesser des Trägerteils ist, so dass nur ein kleiner Verbindungsbereich von Trägerteil und Anschluss- stutzen besteht.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Druckaufnehmer, das Trägerteil und ein auf das Trägerteil aufgesetztes Deckelteil als Druckauf- nehmermodul ausgebildet sind, wobei das Deckelteil und das Trägerteil ein geschlossenes den Druckaufnehmer bergendes Modulgehäuse bilden und an dem Trägerteil ein Stutzen befes- tigt ist oder einstückig damit verbunden ist, in welchem der erste Druckkanalabschnitt verläuft. Der modulare Aufbau hat den Vorteil, dass beim Kalibrieren des Druckaufnehmers als nicht funktionsfähig aussortierte Drucksensormodule vor Ein- bau in das eigentliche Sensorgehäuse aussortiert werden kön- nen. _ Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung er- läutert. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 ein vergrößertes Detail aus Fig. 1, Fig. 4 ein vergrößertes Detail für ein weiteres Ausführungs- beispiel, Fig. 5 ein als Drucksensormodul ausgebildetes weiteres Aus- führungsbeispiel der Erfindung, Fig. 6 einen Drucksensor mit einem darin angeordneten Druck- sensormodul aus Fig. 5.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckmessung. Ein Halblei- ter-Druckaufnehmer 10 ist auf ein sockelförmiges Trägerteil 5 aufgelötet. Eine vergrößerte Detailansicht des auf den Sockel 5 aufgelöteten Halbleiterdruck-Aufnehmers ist in Fig. 3 dar- gestellt. Der Halbleiterdruck-Aufnehmer 10 ist vorzugsweise als Siliziumchip ausgebildet und auf der Oberseite 15 mit Sensorelementen 12 versehen. Ein zentraler Abschnitt an der Oberseite, welcher eine in die Unterseite eingebrachte Aus- nehmung 14 überspannt, dient als Sensormembran 11, wobei die Sensorelemente 12 aus einer Druckbelastung der dünnen Sensor- membran 11 resultierende Verformungen derselben erfassen. Zu- sätzlich zu den Sensorelementen 12 kann noch eine nicht dar- gestellte Auswerteschaltung auf der Oberseite 15 des Halblei- ter-Druckaufnehmers 10 um die Sensormembran 11 herum angeord- net sein. Die Ausnehmung 14 ist vorzugsweise durch reaktives Ionenätzen (Trench-Ätzen) in den Druckaufnehmer eingebracht, wodurch an der Innenwandung der Ausnehmung 14 weiche Übergän- ge entstehen und scharfe Kanten vermieden werden, an denen

sich bei hohen Druckbelastungen Brüche ausbilden könnten. Der Halbleiter-Druckaufnehmer ist mit einem die Ausnehmung 14 um- gebenden Randbereich 16a der Unterseite 16 auf die Oberseite 55 des Trägerteils 5 direkt aufgelötet. Die Oberseite 55 ist mit einem umlaufenden Kragen 56 zur Zentrierung des Druckauf- nehmers 10 umgeben.

Um thermische Spannungen zwischen Halbleiter-Druckaufnehmer 10 und Trägerteil 5 zu reduzieren, ist das Trägerteil 5 aus einem an den Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepass- ten Material und vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel- Legierung (Invar@) oder Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung (Ko- var@) hergestellt. Die Lotschicht 13 zwischen dem Halbleiter- Druckaufnehmer 10 und dem Trägerteil 5 weist einen sehr klei- ner Ausdehnungskoeffizienten auf, der vorzugsweise deutlich kleiner als der Ausdehnungskoeffizient von herkömmlichen Zinn-Blei-Lot ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von AuSn20-Lot. Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, steht die Aus- nehmung 14 mit einem in dem Trägerteil 5 angeordneten ersten Druckkanalabschnitt 51 in Verbindung, so dass die der Ausneh- mung 14 zugewandte Unterseite der Sensormembran 11 über den ersten Druckkanalabschnitt 51 mit Druck beaufschlagbar ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Halbleiter-Druckaufnehmer 10 eine erste Halbleiterstruk- tur 17 aufweist, auf deren Oberseite 15 die Sensorelemente 12 angeordnet sind und die auf ihrer von den Sensorelementen 12 abgewandten Seite mit einer zweiten Halbleiterstruktur 19 verbunden ist. Beide Halbleiterstrukturen können aus Silizium gebildet sein, wobei die Verbindungszone 18 der beiden Halb- leiterstrukturen vorzugsweise aus einer euktektischen Zone aus Gold und Silizium besteht. Die zweite Halbleiterstruktur 19 wird mit ihrer von der ersten Halbleiterstruktur 17 abge- wandten Seite 16 auf das Trägerteil 5 aufgelötet. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass die zweite Halbleiterstruktur als Schutzschicht für die erste Halblei-

terstruktur wirkt. Thermomechanische Belastungen werden vom Trägerteil zunächst nur auf die zweite Halbleiterstruktur ü- bertragen. Vorteilhaft werden hierdurch die Sensorelemente 12 und die Sensormembran 11 geschützt.

Wie weiter in Fig. 1 zu erkennen ist, wird das sockelartige Trägerteil 5 mit seiner von dem Halbleiter-Druckaufnehmer 10 abgewandten Seite mit einem metallischen Anschlussstutzen 4 aus beispielsweise Edelstahl durch Laserschweißen verbunden.

Der Anschlussstutzen 4 ist als Schraubanschluss ausgebildet und wird als separates Bauteil auf die Außenseite 32 eines metallischen ersten Sensorgehäuseteils 3 aufgeschweißt, so dass der Anschlussstutzen 4 eine zentrale Durchgangsöffnung 31 in dem ersten Sensorgehäuseteil 3 überdeckt. Die Umfangs- wand des ersten Sensorgehäuseteils 3 bildet einen Sechskant, wie am besten in Fig. 2 zu erkennen ist.

Das etwas zylinderförmig ausgebildete Trägerteil 5 weist ei- nen kleineren Durchmesser als die Durchgangsöffnung 31 auf.

An einer von dem Halbleiter-Druckaufnehmer 10 abgewandten Seite des Trägerteils 5 ist ein Stutzen 52 ausgebildet, in dem der ersten Druckkanalabschnitt 51 zentrisch eingelassen ist. Der Anschlussstutzen 4 weist an seiner der Durchgangs- öffnung 31 zugewandten Seite einen umlaufenden Kragen 42 auf, der an dieser Seite um einen in dem Anschlussstutzen 4 ange- ordneten zweiten Druckkanalabschnitt 41 umlaufend angeordnet ist. Das Trägerteil 5 wird mit dem Stutzen 52 in den Kragen 42 eingeschoben und mit diesem verschweißt. Anschließend kann das Trägerteil 5 durch die Durchgangsöffnung 31 des ersten Sensorgehäuseteils 3 geschoben werden und der Anschlussstut- zen mit der Außenseite 32 des ersten Sensorgehäuseteils 3 im Bereich 43 verschweißt werden. Im Betrieb erfolgt die Druck- zuführung vom zweiten Druckkanalabschnitt 41 in den ersten Druckkanalabschnitt 51 und von dort in die Ausnehmung 14 an der Unterseite des Halbleiter-Druckaufnehmers.

In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiels ist noch ein Stanzbiegeteil 6 vorgesehen, welches auf die von der Außen- seite 32 abgewandte Seite des ersten Sensorgehäuseteils 3 aufgeschweißt ist. Das Stanzbiegeteil 6 weist eine Öffnung 61 auf, durch welche das Trägerteil 5 geführt ist. Auf die von dem ersten Sensorgehäuseteil 3 abgewandte Seite des Stanzbie- geteils 6 ist eine Leiterplatte 7 oder ein Hybrid oder ent- sprechendes Teil aufgebracht, welches eine Ausnehmung 71 auf- weist, durch die das Trägerteil 5 ebenfalls durchgeführt ist.

Der Halbleiter-Druckaufnehmer 10 ist über nicht dargestellte Bonddrähte mit den Leiterbahnen 72 auf der Leiterplatte 7 verbunden. Anschlussflächen 73 der Leiterplatten 7 sind über Kontaktfederelemente 9 mit elektrischen Anschlusselementen 8 verbunden, die in einem aus beispielsweise Kunststoff gebil- deten zweiten Sensorgehäuseteil 2 angeordnet sind, welches auf das Stanzbiegeteil 6 aufgesetzt wird. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Stanzbiegeteil 6 so ge- bogen, dass die mit den Leiterbahnen versehene Oberseite der auf das Stanzbiegeteil aufgesetzten Leiterplatte in etwa bün- dig mit der Oberseite des Druckaufnehmers 10 angeordnet ist.

Die Anschlusselemente 8 sind von einem Stecker 23 ins Innere des Sensorgehäuses 1 geführt. Der äußere Bereich des Stanz- biegeteils weist eine nutförmige Kontur 62 auf, in welche ei- ne zylinderförmige Wand 22 des zweiten Sensorgehäuseteils 2 eingreift. Über ein Dichtklebung in der Kontur 62 wird das zweite Sensorgehäuseteil 2 gegen das Stanzbiegeteil 6 abge- dichtet. Das erste Sensorgehäuseteil 3, das zweite Sensorge- häuseteil 2, das dazwischen angeordnete Stanzbiegeteil 6 und der Anschlussstutzen 4 bilden ein geschlossenes Sensorgehäuse 1, in dem das Trägerteil 5 und der Druckaufnehmer 10 angeord- net sind.

Das zweite Sensorgehäuseteil 2 kann auch direkt mit dem ers- ten Sensorgehäuseteil 3 verbunden werden und das Stanzbiege- teil 6 entfallen. Weiterhin ist es möglich, die Öffnung 61 in dem Stanzbiegeteil 6 zu vergrößern und das Stanzbiegeteil

ringförmig auszubilden und die Leiterplatte 7 auf das erste Sensorgehäuseteil 3 so aufzusetzen, dass die Leiterplatte die vergrößerte Öffnung in dem Stanzbiegeteil durchgreift.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Druck- messung ist in Fig. 5 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbei- spiel bildet das metallische Trägerteil 5 den Gehäuseboden eines Modulgehäuses, in welchem der Halbleiter-Druckaufnehmer 10 angeordnet ist. Der Halbleiter-Druckaufnehmer 10 ist hier analog zur dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 aus zwei Halb- leiterstrukturen aufgebaut und mit der zweiten Halbleiter- struktur 19 in einer Vertiefung 55 auf das Trägerteil 5 auf- gelötet. Stiftförmige elektrische Kontaktelemente 62 sind in Glasdurchführungen 63 eingeschmolzen, welche Glasdurchführun- gen in Durchgangsöffnungen 56 des Trägerteils 5 angeordnet sind. In einer zentrischen Öffnung 57 des Trägerteils 5 ist ein rohrförmiger zylindrischer Stutzen 52 angeordnet, in wel- chem der erste Druckkanalabschnitt 51 verläuft. Der Stutzen 52 kann aber auch einstückig mit dem Trägerteil ausgebildet sein. Der Druckaufnehmer 10 ist über Bonddrähte 64 mit den stiftförmigen Kontaktelementen 62 kontaktiert. Ein auf das Trägerteil 5 aufgesetztes Deckelteil 61 bildet zusammen mit dem Trägerteil 5 ein geschlossenes Modulgehäuse 66. Vorteil- haft kann ein Referenzdruckvolumen (beispielsweise Vakuum) zwischen Deckelteil 61 und Trägerteil 5 eingeschlossenen wer- den, so dass der Druckaufnehmer 10 einen Referenzdruck misst.

Das in Fig. 5 dargestellte Druckaufnehmermodul 66 kann, wie in Fig. 6 dargestellt, in ein Sensorgehäuse 1 eingebaut wer- den. Dabei wird das Druckaufnehmermodul 66 auf eine Leiter- platte 7 aufgesetzt. Die elektrischen Kontaktelemente 62 wer- den mit Leiterbahnen der Leiterplatte 7 beispielsweise durch Löten verbunden, während der Stutzen 52 durch eine Öffnung der Leiterplatte hindurchgeführt ist und in einen Kragen 42 eines Anschlussstutzens 4 des Sensorgehäuses 1 eingesetzt ist und wie bei dem Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 damit ver-

scheißt ist. Der Anschlussstutzen 4 ist an einem ersten Sen- sorgehäuseteil 3 angeordnet. Ein zweites Sensorgehäuseteil 2 aus Kunststoff ist mit einer etwa zylinderförmigen Metallhül- se 26 verbunden, deren von dem zweiten Sensorgehäuseteil 2 abstehendes Ende einen umgebogenen Rand 28 aufweist, der mit dem ersten Sensorgehäuseteil 3 verscheißt ist. Ein Dichtkle- ber 27 dichtet den Verbindungsbereich von Metallhülse 26 und erstem Sensorgehäuseteil 2 ab. Die elektrischen Anschlussele- mente 8 sind durch das zweite Sensorgehäuseteil 2 in den In- nenraum des Sensorgehäuses 1 geführt und mit der Leiterplatte 7 elektrischen verbunden. Ein Kleber 67 verbindet das Deckel- teil 61 des Drucksensormoduls 66 mit der Innenseite des zwei- ten Sensorgehäuseteils 2.