RESONATOR CHIP SENSOR FÜR DRUCK, KRAFT MIT MECHANISCH ENTKOPPELTEN TEIL- BEREICHEN (SCHLITZE) SOWIE WEICHER MEMBRAN Die Erfindung betrifft einen Sensor gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Der eingesetzte Chip, bei dem als Messfühler ein Resonator eingesetzt ist, ist bekannt durch einen Vortrag von Herrn M. Haueis auf dem 20th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, August 27 to September 02, 2000, Chicago, Illinois, USA, der als Abstract TL1"Single cristalline microreso- nator for force sensing with on-chip vibration exitation and de- tection"von M. Haueis et al veröffentlicht worden ist.

Eine ausführlichere Beschreibung dieses Sensors, dessen Entwick- lung die Aufgabe zugrundelag, einen Sensor für einen erweiterten Temperaturbereich-bis etwa 300° C-zu schaffen, ist publiziert in dem Paper : Haueis M. et al. :"Packaged bulk micromachined resonant-force sensor for high temperature applications", SPIE-Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS, Paris, May 2000, vol. 4019,2000, pp. 379-388.

Der Chip dieses bekannten Sensors ist in einem Gehäuse durch zwei, auf beiden Seiten des Messfühlers angeordnete Bolzen eingespannt.

Es hat sich nun gezeigt, dass dieser Sensor empfindlich auf Tempe- raturschwankungen reagiert, durch die wechselnde Spannungen in den Messfühler induziert werden. Diese Temperaturempfindlichkeit ist verursacht durch unterschiedliche thermische Ausdehnung von Chip- material, im vorliegenden Beispiel Silizium, und Gehäuse, welches im allgemeinen aus Stahl besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Temperaturempfindlichkeit min- destens zu reduzieren, was durch die Merkmale im Kennzeichen von Anspruch 1 erreicht wird.

Ist der Chip nur auf einer Seite des Messfühlers mit dem Gehäuse verbunden, so können sich beide Chipseiten von den Bereichen der Befestigung aus ungehindert verschieden stark ausdehnen, ohne dass dadurch in dem Messfühler thermisch mechanische Spannungen indu- ziert werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich beispielsweise, wenn die zentrale Befestigung durch einen Bolzen in einem mittleren Schenkel des Chips erfolgt, während die seitlichen Befestigungen durch Einschieben seitlicher Schenkel in einen Schlitz des Gehäu- ses gewährleistet sind.

Um die Steifigkeit des Chips in den beiden Richtungen senkrecht zur Richtung der Krafteinleitung zu erhöhen, kann man den entkop- pelten mittleren Schenkel mit den seitlichen Schenkeln örtlich durch Stege verbinden.

Eine genaue Justierung des Chips in Richtung der Krafteinleitung lässt sich durch einen Anschlag erreichen. Eine weitere Möglich- keit besteht darin, die Aussenkanten der seitlichen Schenkel in Längsrichtung parallel zur Kante des Schlitzes auszurichten.

Weiterhin kann der mittlere Schenkel, über den die Krafteinleitung erfolgt, relativ zu den seitlichen Schenkeln, vorzugsweise auf Zug, vorgespannt sein, um die Linearität der Messergebnisse zu verbessern und/oder den Messbereich festzulegen.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen : Fig. 1 in räumlicher Darstellung den, den Messfühler enthaltenden Chip ; Fig. 2 in einer Seitenansicht, den in einen Teil des Gehäuses eingeschobenen Chip ; Fig. 3 eine Aufsicht auf Fig. 2 ; Fig. 4 einen Längsschnitt IV-IV von Fig. 3 durch den voll- ständigen, d. h. durch einen zweiten Gehäuseteil ergänzten, Sensor ; Fig. 5 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 eine zweite Ausführungsform des Chips.

Das Messelement des Sensors ist ein Chip 1 (Fig. 1), der aus drei gasdicht miteinander verbundenen Silizium-Wafern besteht. Er ist in bekannter Weise mittels der SOI-Technik gefertigt und enthält in der mittleren Schicht den eigentlichen Messfühler 2, der bei- spielsweise ein mikromechanischer Resonator ist, jedoch auch ein anderes kraftempfindliches Element sein kann. So können zum Bei- spiel als Messfühler auch piezoelektrische oder magnetorestriktive Elemente sowie piezoresistive oder magnetoresistive Widerstände eingesetzt werden.

In Fig. 1 sind oberhalb des Messfühlers 2 Kontaktpads 3 angedeutet, über die der Messfühler 2 mittels Wirebonding mit der zugehörigen Elektronik 15 (Fig. 2) verbunden wird. Ein Schlitz 4 schirmt den Messfühler 2 gegen mechanische Fehlbelastungen ab, die beispiels- weise durch die gebondeten Drahtverbindungen der Kontaktpads 3 zur Elektronik verursacht sein können.

Der Messfühler 2 ist in einem relativ schmalen Streifen des Chips 1 untergebracht. Dieser Streifen, der sich zu einem, die zentrale Befestigung aufnehmenden, mittleren Schenkel 5 erweitert, ist durch Schlitze 6 und Hohlräume 7 von seitlichen Schenkeln 8 getrennt und mechanisch entkoppelt, die ihrerseits die seitlichen Befestigungen bilden. Er hat die Aufgabe die eingeleiteten Kräfte gezielt zum Messfühler 2 hin zu bündeln.

Als zentrale Befestigung dient ein Bolzen 9 (Fig. 4), der mit leichtem Spiel in eine Bohrung 10 des Chips 1 eingesetzt und bei- spielsweise durch Börteln mit einem Sensorkopf 11 (Fig. 4) verbun- den ist.

Als seitliche Befestigungen dienen Teilflächen 12 der seitlichen Schenkel 8, die in einem Schlitz 25 eines zylindrischen Gehäuse- teils 13 (Fig. 2) eingeschoben und durch einen Anschlag 14 in Längsrichtung des Chips 2 justiert sind. Die Teilbereiche 12 kön- nen durch Kleben oder eine andere feste Verbindung im Gehäuseteil 13 zusätzlich fixiert sein. In den beiden zur Krafteinleitung 17 orthogonalen Richtungen ist der Chip 1 durch den Schlitz 25 ausge- richtet.

Der Sensorkopf 11, der ein Innengewinde 21 (Fig. 4) für einen An- schluss einer krafteinleitenden Verbindung aufweist, ist an seinem äusseren Umfang mit einer Stahlmembrane 22 verbunden, die über ei- ne Membranhülse 23 im Gehäuseteil 13 in Längsrichtung, d. h. in Richtung der Krafteinleitung, einstellbar verschoben und fixiert (Punkt 24) werden kann. Mit Hilfe dieser Verschiebbarkeit der Mem- brane 22 ist es möglich, eine gewisse Vorspannung am mittleren Schenkel 5, und damit am Messfühler 2, gegenüber den durch den An- schlag 14 justierten seitlichen Schenkeln 8 einzustellen. Wie be- reits erwähnt, besteht diese Vorspannung vorzugsweise aus einer Zugbelastung. Die Membrane 22 wird relativ weich ausgebildet, wo- durch eine hohe Empfindlichkeit und eine Verringerung der auf den Messfühler gelangenden thermischen Fehler erzielt wird. Darüber hinaus wird mit einer weichen Membrane 22 die genau axiale und zentrale Krafteinleitung in den Chip 1 verbessert.

Die die Schlitze 6 überbrückenden Stege 16 bewirken, dass die Ela- stizität des Sensors in Richtung 17 der Krafteinleitung gross ist, während in den beiden dazu senkrechten Richtungen eine erhöhte Steifigkeit vorhanden ist.

Um unerwünschte mechanische Belastungen auf den Messfühler 2 durch die mechanische Fixierung des Chips 1 im Gehäuse 13 infolge von Temperatur-Änderungen zu minimieren, sollte die thermische Ausdeh- nung der Bauelemente für die Einleitung der zu messenden Kraft möglichst gleich gross sein wie diejenige der Fixierung des Chips 1 im Gehäuseteil 13 und der Krafteinleitung. Dies wird vorzugswei- se durch eine gleiche Materialwahl der dazwischen liegenden Baue- lemente 11,13 und 23 und einen gleichen Abstand a der Krafteinlei- tung über das Innengewinde 21 einerseits zu der Bohrung 10 und andererseits zu den Klebe-bzw. Klemmbereichen auf den Teilflächen 12 der seitlichen Befestigungen bzw. zu dem Anschlag 14 gewähr- leistet.

Selbstverständlich ist es auch möglich, für die Elemente 11,13 und 23 verschiedene Materialien mit unterschiedlichen thermischen Aus- dehnungen vorzusehen, was beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen notwendig sein kann.

Hierfür ist es zweckmässig, unterschiedliche Abstände der Kraft- einleitung bei 21 zu den Fixierungen einerseits der zentralen Be- festigung 9,10 des Chips 1 und andererseits zu den Klebe-bzw.

Klemmbereichen 12 der seitlichen Befestigungen vorzusehen, wobei der für Temperaturdehnungen massgebende Abstand Krafteinlei- tung/Fixierung der seitlichen Befestigung auch durch den Anschlag 14 des Chips 1 im Gehäuseteil 13 gegeben sein kann.

Ein Chip 1 für eine solche Variante ist in Fig. 5 gezeigt. Theore- tisch sollte bei diesem Chip 1 die Verschiebung des am Anschlag 14 anliegenden Endes der seitlichen Schenkel 8 bzw. der Fixierungsbe- reiche 12 gegenüber dem Angriffspunkt der Krafteinleitung an der Bohrung 10 des zentralen Schenkels 5 der Differenz der Wärmedeh- nungen der verschiedenen Materialien für den Sensorkopf 11 einer- seits und für die Membranhülse 23 und den Gehäuseteil 13 anderer- seits für den maximal geforderten Temperaturbereich entsprechen.

Wie die Figuren 2 und 3 erkennen lassen, ist der zylindrische Ge- häuseteil 13 auf der linken Seite"aufgeschnitten"und bildet dort eine Schale, deren freies Ende mit einem Gewinde 18 versehen ist.

Auf dieses ist ein zweiter Gehäuseteil 19 (Fig. 4) aufgeschraubt, der die offene Schale des Gehäuseteils 13 schliesst und sowohl die Elektronik 15 als auch den Chip 1 abdeckt. Der Teil 19 ist links als Sechskantkopf für den Ansatz eines Maulschlüssels ausgebildet und hat rechts ein Gewinde 20, mit dem der Sensor in ein Messob- jekt eingeschraubt werden kann. Durch die Zweiteiligkeit des Ge- häuses wird darüber hinaus eine Entkopplung vom Messobjekt und eine Unempfindlichkeit gegenüber Spannungen erreicht, die durch den Einbau des Sensors verursacht werden.

Wie bereits beschrieben, bestehen die Gehäuseteile 13,19 vorzugs- weise aus Stahl.

Referenzliste Fig. 1 1 Si-Chip 2 Messfühler 3 Kontaktpad 4 Abschirmschlitz 5 Mittlerer Schenkel 6 Entkopplungs-Schlitze 7 Entkopplungs-Hohlräume 8 Seitliche Schenkel 10 Bohrung 12 Teilfläche für seitliche Befestigung 16 Steg 17 Richtung der Krafteinleitung Fig. 2 13 Gehäuseteil und 3 14 Anschlag 15 Elektronik 18 Gewinde 22 Stahlmembrane 25 Schlitz a Abstand Krafteinleitung/Fixierungen Fig. 4 9 Bolzen 11 Sensorkopf 19 Gehäuseteil 20 Gewinde 21 Innengewinde 23 Membranhülse 24 Fixierungsstelle