DE102023201587A1

DE102023201587A1 - Differential pressure sensor

Info

Publication number: DE102023201587A1
Application number: DE102023201587.0A
Authority: DE
Inventors: David Slogsnat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-02-22
Filing date: 2023-02-22
Publication date: 2024-08-22
Also published as: WO2024175258A1

Abstract

Es wird ein differenzieller Drucksensor 100 zum Erfassen eines Druckunterschiedes zwischen einer ersten und zweiten Medienzugangsöffnung 117, 119 eines Gehäuses 107 des Drucksensors 100 vorgeschlagen, wobei die erste und zweite Medienzugangsöffnung 117, 119 voneinander separiert sind, umfassend:ein MEMS Element 105 mit einer ersten Kavität 115,wobei die erste Kavität 115 mit einer ersten Medienöffnung 120 verbunden ist,die auf einer Unterseite 125 des MEMS Elements 105 ausgebildet ist,wobei die erste Medienöffnung 120 mit der ersten Medienzugangsöffnung 117 des Gehäuses 107 des Drucksensors 100 verbunden ist,wobei die erste Kavität 115 von zumindest einer Membran 135, 170 auf einer Oberseite 140 des MEMS Elements 105 begrenzt wird und die Membran 135, 170 zum Erfassen des Druckunterschiedes zwischen der ersten und zweiten Medienzugangsöffnung 117, 119 ausgebildet ist, undein ASIC Element 110, das derart oberhalb des MEMS Elements 105 in einer Schichtstruktur 145 angeordnet ist, dass auf einer Oberseite 150 des ASIC Elements 110, die der Oberseite 140 des MEMS Elements 105 gegenüberliegt und zumindest eine ASIC-seitige Kontaktfläche 171 umfasst, und auf der Oberseite 140 des MEMS Elements 105, die zumindest eine MEMS-seitige Kontaktfläche 131 umfasst, eine elektrische Verbindung 177 des MEMS Elements 105 und des ASIC Elements 110 ausbildbar ist.A differential pressure sensor 100 is proposed for detecting a pressure difference between a first and second media access opening 117, 119 of a housing 107 of the pressure sensor 100, wherein the first and second media access opening 117, 119 are separated from one another, comprising: a MEMS element 105 with a first cavity 115, wherein the first cavity 115 is connected to a first media opening 120 which is formed on a bottom side 125 of the MEMS element 105, wherein the first media opening 120 is connected to the first media access opening 117 of the housing 107 of the pressure sensor 100, wherein the first cavity 115 is delimited by at least one membrane 135, 170 on a top side 140 of the MEMS element 105 and the membrane 135, 170 for detecting the pressure difference between the first and second media access openings 117, 119, and an ASIC element 110 which is arranged above the MEMS element 105 in a layer structure 145 such that an electrical connection 177 of the MEMS element 105 and the ASIC element 110 can be formed on an upper side 150 of the ASIC element 110 which is opposite the upper side 140 of the MEMS element 105 and comprises at least one ASIC-side contact surface 171, and on the upper side 140 of the MEMS element 105 which comprises at least one MEMS-side contact surface 131.

Description

Die Erfindung betrifft einen differenziellen Drucksensor zum Erfassen eines Druckunterschiedes zwischen zumindest einer ersten und zweiten Medienzugangsöffnung eines Gehäuses des Drucksensors.The invention relates to a differential pressure sensor for detecting a pressure difference between at least a first and a second media access opening of a housing of the pressure sensor.

Stand der TechnikState of the art

Ein differenzieller Drucksensor ist aus der Offenlegungsschrift US 2016/0320255 A1 bekannt.A differential pressure sensor is known from the published patent application US 2016/0320255 A1 known.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen verbesserten differenziellen Drucksensor anzugeben.It is an object of the invention to provide an improved differential pressure sensor.

Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is solved by the independent claim. Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird ein differenzieller Drucksensor zum Erfassen eines Druckunterschiedes zwischen zumindest einer ersten und zweiten Medienzugangsöffnung eines Gehäuses des Drucksensors vorgeschlagen, wobei die erste und zweite Medienzugangsöffnung voneinander separiert sind, umfassend:

ein MEMS Element, das eine erste Kavität aufweist,
wobei die erste Kavität mit einer ersten Medienöffnung verbunden ist, die auf einer Unterseite des MEMS Elements ausgebildet ist,
wobei die erste Medienöffnung mit der ersten Medienzugangsöffnung des Gehäuses des Drucksensors verbunden ist,
wobei die erste Kavität von zumindest einer Membran auf einer Oberseite des MEMS Elements begrenzt wird und die zumindest eine Membran zum Erfassen des Druckunterschiedes zwischen der ersten und zweiten Medienzugangsöffnung ausgebildet ist, und
ein ASIC Element, das derart oberhalb des MEMS Elements in einer Schichtstruktur angeordnet ist, dass auf einer Oberseite des ASIC Elements, die der Oberseite des MEMS Elements gegenüberliegt und zumindest eine ASIC-seitige Kontaktfläche umfasst, und auf der Oberseite des MEMS Elements, die zumindest eine MEMS-seitige Kontaktfläche umfasst, eine elektrische Verbindung des MEMS Elements und des ASIC Elements ausbildbar ist.

A differential pressure sensor is proposed for detecting a pressure difference between at least a first and a second media access opening of a housing of the pressure sensor, wherein the first and second media access openings are separated from each other, comprising:

a MEMS element having a first cavity,
wherein the first cavity is connected to a first media opening formed on a bottom side of the MEMS element,
wherein the first media opening is connected to the first media access opening of the housing of the pressure sensor,
wherein the first cavity is delimited by at least one membrane on an upper side of the MEMS element and the at least one membrane is designed to detect the pressure difference between the first and second media access opening, and
an ASIC element which is arranged above the MEMS element in a layer structure such that an electrical connection of the MEMS element and the ASIC element can be formed on an upper side of the ASIC element which is opposite the upper side of the MEMS element and comprises at least one ASIC-side contact surface, and on the upper side of the MEMS element which comprises at least one MEMS-side contact surface.

Der differenzielle Drucksensor bzw. Differenzdrucksensor ist ein Drucksensor, der die Differenz zweier Absolutdrücke, den Differenzdruck, misst. Der Drucksensor kann aus zwei Messkammern bestehen, die durch eine Membran hermetisch voneinander getrennt sind. Die Auslenkung der Membran ist dann ein Maß für die Größe des Differenzdruckes.The differential pressure sensor is a pressure sensor that measures the difference between two absolute pressures, the differential pressure. The pressure sensor can consist of two measuring chambers that are hermetically separated from each other by a membrane. The deflection of the membrane is then a measure of the size of the differential pressure.

Dadurch ist der technische Effekt des geringen Platzbedarfs erreichbar. Gleichzeitig nutzt der vorgeschlagene Sensor, mit überschaubar wenigen Änderungen, einen MEMS-ASIC Chipverbund, und ist somit technologisch kompatibel zu entsprechenden barometrischen Drucksensoren. Diese technologische Kompatibilität ermöglicht insgesamt geringere Kosten. Vorteilhaft ist die elektrische Verbindung des MEMS Elements und des ASIC Elements in der oben genannten Schichtstruktur einfach herstellbar, da das MEMS Element auf der Oberseite des MEMS Elements direkt die MEMS-seitige Kontaktfläche und das ASIC Element auf der Oberseite des ASIC Elements direkt die ASIC-seitige Kontaktfläche umfasst.This makes it possible to achieve the technical effect of a small space requirement. At the same time, the proposed sensor uses a MEMS-ASIC chip combination with a manageable few changes and is therefore technologically compatible with corresponding barometric pressure sensors. This technological compatibility enables lower costs overall. The electrical connection of the MEMS element and the ASIC element in the layer structure mentioned above is advantageously easy to produce, since the MEMS element on the top of the MEMS element directly covers the MEMS-side contact surface and the ASIC element on the top of the ASIC element directly covers the ASIC-side contact surface.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine zweite Medienöffnung über eine zweite Kavität mit der zweiten Medienzugangsöffnung des Gehäuses des Drucksensors verbunden. Die zweite Medienöffnung erstreckt sich seitlich zwischen der Oberseite des MEMS Elements und der Oberseite des ASIC Elements. Dies ermöglicht den technischen Effekt der flexiblen Gestaltung des Layouts des Drucksensors.In a further embodiment, a second media opening is connected to the second media access opening of the housing of the pressure sensor via a second cavity. The second media opening extends laterally between the top of the MEMS element and the top of the ASIC element. This enables the technical effect of flexible design of the layout of the pressure sensor.

In einer weiteren Ausführungsform ist eine zweite Medienöffnung über eine zweite Kavität mit der zweiten Medienzugangsöffnung des Gehäuses des Drucksensors verbunden. Das ASIC Element weist die zweite Medienöffnung auf, die als eine Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen ausgebildet sind und sich jeweils durchgängig über eine Höhe des ASIC Elements erstrecken. Die Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen sind mittels Silizium-Durchkontaktierungsprozess herstellbar und weisen insbesondere jeweils einen Durchmesser kleiner gleich 10 µm auf. Dies ermöglicht den technischen Effekt der flexiblen Gestaltung des Layouts des Drucksensors und der Vermeidung des Eindringens unerwünschter Partikel, o.ä. innerhalb des Drucksensors.In a further embodiment, a second media opening is connected to the second media access opening of the housing of the pressure sensor via a second cavity. The ASIC element has the second media opening, which is designed as a plurality of vertical recesses and each extends continuously over a height of the ASIC element. The plurality of vertical recesses can be produced using a silicon through-plating process and in particular each have a diameter of less than or equal to 10 µm. This enables the technical effect of flexible design of the layout of the pressure sensor and preventing the penetration of unwanted particles or the like within the pressure sensor.

In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Verbindung des MEMS Elements und des ASIC Elements mittels eutektischem Bonden der zumindest einen MEMS-seitigen Kontaktfläche und der zumindest einen ASIC-seitigen Kontaktfläche herstellbar. Eine mechanische Verbindung des MEMS Elements und des ASIC Elements ist als zumindest teilweise geschlossener Bondrahmen ausgebildet. Vorteilhaft kann bekannte Kontaktierungs- bzw. Verbindungstechnik eingesetzt werden, bei der flexiblen Gestaltung des Layouts des Drucksensors.In a further embodiment, the electrical connection of the MEMS element and the ASIC element can be established by means of eutectic bonding of the at least one MEMS-side contact surface and the at least one ASIC-side contact surface. A mechanical connection of the MEMS element and the ASIC element is designed as an at least partially closed bonding frame. Known contacting or connection technology can advantageously be used in the flexible design of the pressure sensor layout.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zumindest teilweise geschlossene Bondrahmen zumindest eine Unterbrechungsstelle. Die zumindest eine Unterbrechungsstelle weist einen Durchmesser kleiner gleich 10 µm auf. Dadurch kann vorteilhaft das Eindringen unerwünschter Partikel innerhalb des Drucksensors vermieden werden und somit ein robuster Drucksensor bereitgestellt werden.In a further embodiment, the at least partially closed bonding frame comprises at least one interruption point. The at least one interruption point has a diameter of less than or equal to 10 µm. This advantageously prevents unwanted particles from penetrating the pressure sensor and thus provides a robust pressure sensor.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Bondrahmen als vollständig geschlossener Bondrahmen ausgebildet. Dies ermöglicht den technischen Effekt der flexiblen Gestaltung des Layouts des Drucksensors.In a further embodiment, the bonding frame is designed as a completely closed bonding frame. This enables the technical effect of flexible design of the layout of the pressure sensor.

In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Medienöffnung des MEMS Elements und/oder die erste Kavität und/oder die zweite Medienöffnung des ASIC Elements mit einem Schutzelement versehbar. Das Schutzelement ist insbesondere als ein Füllmedium ausgebildet. Vorteilhaft kann damit die Sensibilität des Drucksensors gegenüber äußeren (schädlichen) Einflüssen reduziert werden. Gleichzeitig muss das Schutzelement den Druck des Mediums ungehindert an das MEMS Element weitergeben. Hier kommt vorzugsweise ein Gel auf Silizium- bzw. Silikonbasis zum Einsatz.In a further embodiment, the first media opening of the MEMS element and/or the first cavity and/or the second media opening of the ASIC element can be provided with a protective element. The protective element is designed in particular as a filling medium. This can advantageously reduce the sensitivity of the pressure sensor to external (damaging) influences. At the same time, the protective element must pass the pressure of the medium on to the MEMS element without hindrance. A silicon- or silicone-based gel is preferably used here.

In einer weiteren Ausführungsform ist das ASIC Element mittels zumindest einem Durchkontaktierungselement, zumindest einer weiteren ASIC-seitigen Kontaktfläche und zumindest einem Bonddraht elektrisch kontaktierbar. Eine Unterseite des ASIC Elements weist zumindest eine weitere ASIC-seitige Kontaktfläche auf. Die zumindest eine weitere ASIC-seitige Kontaktfläche ist ausgelegt, mittels dem zumindest einen Bonddraht eine elektrische Verbindung zu einem Substrat herzustellen. Vorteilhaft kann bekannte Kontaktierungs- bzw. Verbindungstechnik eingesetzt werden.In a further embodiment, the ASIC element can be electrically contacted by means of at least one through-hole element, at least one further ASIC-side contact surface and at least one bonding wire. An underside of the ASIC element has at least one further ASIC-side contact surface. The at least one further ASIC-side contact surface is designed to establish an electrical connection to a substrate by means of the at least one bonding wire. Known contacting or connection technology can advantageously be used.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Drucksensor zur Verwendung für Blutdruckmessungen und/oder als E-Zigarette und/oder als Hörgerät und/oder für Lungenfunktionsmessungen und/oder in Klimaanlagen und/oder in Luftfiltergeräten ausgebildet. Vorteilhaft bietet der vorgeschlagene Drucksensor eine vielfältige Reihe an Anwendungsfeldern bzw. -gebieten, die aufgrund der flexiblen Gestaltung des Layouts des Sensors möglich ist.In a further embodiment, the pressure sensor is designed for use for blood pressure measurements and/or as an e-cigarette and/or as a hearing aid and/or for lung function measurements and/or in air conditioning systems and/or in air filter devices. The proposed pressure sensor advantageously offers a diverse range of application fields or areas, which is possible due to the flexible design of the sensor layout.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich in Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines differenziellen Drucksensors nach einer ersten Ausführungsform;
2 a eine erste schematische perspektivische Darstellung des Drucksensors in 1;
2 b eine zweite schematische perspektivische Darstellung des Drucksensors in 1;
3 eine schematische Darstellung eines differenziellen Drucksensors nach einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische perspektivische Darstellung des Drucksensors in 3; und
5 eine schematische Darstellung eines differenziellen Drucksensors nach einer dritten Ausführungsform.

The above-described properties, features and advantages of this invention, as well as the manner in which they are achieved, will become clearer and more readily understood in connection with the following description of embodiments, which are explained in more detail in connection with the schematic drawings.

1 a schematic representation of a differential pressure sensor according to a first embodiment;
2 a a first schematic perspective view of the pressure sensor in 1 ;
2 b a second schematic perspective view of the pressure sensor in 1 ;
3 a schematic representation of a differential pressure sensor according to a second embodiment;
4 a schematic perspective view of the pressure sensor in 3 ; and
5 a schematic representation of a differential pressure sensor according to a third embodiment.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren lediglich schematischer Natur und nicht maßstabsgetreu sind. In diesem Sinne können in den Figuren gezeigte Komponenten und Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß oder verkleinert dargestellt sein. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Bezugszeichen in den Figuren unverändert oder ähnlich gewählt worden sind, wenn es sich um gleich oder ähnlich ausgebildete Elemente und/oder Komponenten handelt.It should be noted that the figures are merely schematic in nature and not to scale. In this sense, components and elements shown in the figures may be exaggeratedly large or reduced in size for better understanding. It should also be noted that the reference symbols in the figures have been chosen to be unchanged or similar if they refer to elements and/or components of the same or similar design.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines differenziellen Drucksensors 100 nach einer ersten Ausführungsform zum Erfassen eines Druckunterschiedes eines Mediums bzw. unterschiedlicher Medien zwischen zumindest einer ersten und zweiten Medienzugangsöffnung 117, 119 eines Gehäuses 107 des Drucksensors 100. Die erste und zweite Medienzugangsöffnung 117, 119 des Gehäuses des Drucksensors 100 sind voneinander separiert. Der differenzielle Drucksensor 100 kann als differenzieller barometrischer Drucksensor ausgebildet sein. Medium bezeichnet bei einem barometrischen Drucksensor in der Regel die Umgebungsluft, es sind aber auch andere gasförmige oder flüssige Stoffe denkbar, wie z.B. Wasser, deren Druck gemessen wird. Der Drucksensor 100 umfasst ein MEMS Element 105 (MEMS: micro electro mechanical systems), das eine erste Kavität 115 aufweist. Die erste Kavität 115 ist mit einer ersten Medienöffnung 120 verbunden, die auf einer Unterseite 125 des MEMS Elements 105 ausgebildet ist. 1 shows a schematic representation of a differential pressure sensor 100 according to a first embodiment for detecting a pressure difference of a medium or different media between at least a first and second media access opening 117, 119 of a housing 107 of the pressure sensor 100. The first and second media access opening 117, 119 of the housing of the pressure sensor 100 are separated from one another. The differential pressure sensor 100 can be designed as a differential barometric pressure sensor. In a barometric pressure sensor, medium usually refers to the ambient air, but other gaseous or liquid substances are also conceivable, such as water, whose pressure is measured. The pressure sensor 100 comprises a MEMS element 105 (MEMS: micro electro mechanical systems), which has a first cavity 115. The first cavity 115 is connected to a first media opening 120 which is formed on a bottom side 125 of the MEMS element 105.

Die erste Medienöffnung 120 ist mit der ersten Medienzugangsöffnung 117 des Gehäuses 107 des Drucksensors 100 verbunden. Die erste Kavität 115 wird von zumindest einer Membran 135, 170 auf einer Oberseite des MEMS Elements 105 begrenzt, wobei die zumindest eine Membran 135, 170 zum Erfassen des Druckunterschiedes zwischen der ersten und zweiten Medienzugangsöffnung 117, 119 ausgebildet ist. Der so ermittelte Druckunterschied bzw. Differenzdruck ist vorteilhaft sehr viel genauer als ein über die Messung zweier Absolutdrucksensoren berechneter Wert. Die zumindest eine Membran 135, 170 ist ausgelegt, den erfassten Druckunterschied bzw. die Druckdifferenz des Mediums bzw. der beiden Medien in ein elektrisches Signal umzuwandeln.The first media opening 120 is connected to the first media access opening 117 of the housing 107 of the pressure sensor 100. The first cavity 115 is delimited by at least one membrane 135, 170 on an upper side of the MEMS element 105, wherein the at least one membrane 135, 170 is designed to detect the pressure difference between the first and second media access openings 117, 119. The pressure difference thus determined or differential pressure is advantageously much more accurate than a value calculated by measuring two absolute pressure sensors. The at least one membrane 135, 170 is designed to convert the detected pressure difference or the pressure difference of the medium or the two media into an electrical signal.

Der Drucksensor 100 umfasst ferner ein ASIC Element 110 (ASIC: applicationspecific integrated circuit), das derart oberhalb des MEMS Elements 105 in einer Schichtstruktur 145 angeordnet ist, dass auf einer Oberseite 150 des ASIC Elements 110, die der Oberseite 140 des MEMS Elements 105 gegenüberliegt und zumindest eine ASIC-seitige Kontaktfläche 171 umfasst, und auf der Oberseite 140 des MEMS Elements 105, die zumindest eine MEMS-seitige Kontaktfläche 131 umfasst, eine elektrische Verbindung 177 des MEMS Elements 105 und des ASIC Elements 110 ausbildbar ist.The pressure sensor 100 further comprises an ASIC element 110 (ASIC: application-specific integrated circuit), which is arranged above the MEMS element 105 in a layer structure 145 such that an electrical connection 177 of the MEMS element 105 and the ASIC element 110 can be formed on an upper side 150 of the ASIC element 110, which is opposite the upper side 140 of the MEMS element 105 and comprises at least one ASIC-side contact surface 171, and on the upper side 140 of the MEMS element 105, which comprises at least one MEMS-side contact surface 131.

Die MEMS-seitige Kontaktfläche 131 sowie die ASIC-seitige Kontaktfläche 171 sind in den 2 a und b noch detaillierter dargestellt.The MEMS-side contact area 131 and the ASIC-side contact area 171 are in the 2 a and b are shown in more detail.

Eine zweite Medienöffnung 130 ist über eine zweite Kavität 190, die sich zwischen Gehäuse 107 des Sensorelements 100 und der Schichtstruktur 145 und/oder Substrat 113 erstreckt, mit der zweiten Medienzugangsöffnung 119 des Gehäuses 107 verbunden. Das ASIC Element 110 weist in der Abbildung in 1 die zweite Medienöffnung 130 auf, die als eine vertikale Ausnehmung 155 bzw. als eine Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen 165 (vgl. 2 b) ausgebildet sein kann und sich durchgängig über eine Höhe des ASIC Elements 110 erstreckt bzw. im Falle der Ausbildung der zweiten Medienöffnung 130 als Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen 165 sich jeweils durchgängig über die Höhe des ASIC Elements 110 erstrecken. Über die erste und zweite Medienzugangsöffnung 117, 119 des Gehäuses 107 kann die Membran 135, 170 beidseitig mit Medien mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden. Die Höhe des ASIC Elements 110 bzw. des Drucksensors 100 verläuft in der schematischen Darstellung in 1 (sowie in den nachfolgenden Figuren) parallel zur z-Achse. Die als zweite Medienöffnung 130 des ASIC Elements 110 ausgebildete vertikale Ausnehmung 155 bzw. die Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen 165 (vgl. 2 b) sind jeweils mittels Silizium-Durchkontaktierungsprozess herstellbar (TSV-Prozess, TSV: Through-Silicon-Via). Bevorzugt weist die vertikale Ausnehmung 155 bzw. weisen die Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen 165 jeweils einen Durchmesser kleiner gleich 10 µm auf, um ein Eindringen von Partikeln (z.B. Staub, Verschmutzung, etc.) zu erschweren.A second media opening 130 is connected to the second media access opening 119 of the housing 107 via a second cavity 190, which extends between the housing 107 of the sensor element 100 and the layer structure 145 and/or substrate 113. The ASIC element 110 has in the figure in 1 the second media opening 130, which is designed as a vertical recess 155 or as a plurality of vertical recesses 165 (cf. 2 b) can be designed and extends continuously over a height of the ASIC element 110 or, in the case of the design of the second media opening 130 as a plurality of vertical recesses 165, each extending continuously over the height of the ASIC element 110. The membrane 135, 170 can be subjected to media with different pressures on both sides via the first and second media access openings 117, 119 of the housing 107. The height of the ASIC element 110 or the pressure sensor 100 runs in the schematic representation in 1 (as well as in the following figures) parallel to the z-axis. The vertical recess 155 formed as the second media opening 130 of the ASIC element 110 or the plurality of vertical recesses 165 (cf. 2 b) can each be produced using a silicon through-plating process (TSV process, TSV: Through-Silicon-Via). Preferably, the vertical recess 155 or the majority of vertical recesses 165 each have a diameter of less than or equal to 10 µm in order to make it more difficult for particles (eg dust, dirt, etc.) to penetrate.

Die elektrische Verbindung 177 des MEMS Elements 105 und des ASIC Elements 110 ist mittels eutektischem Bonden bzw. eutektischem Bonding (nicht dargestellt) der zumindest einen MEMS-seitigen Kontaktfläche 131 und der zumindest einen ASIC-seitigen Kontaktfläche 171 herstellbar. Das eutektische Bonden kann vorzugsweise direkt auf Waferebene erfolgen, indem die elektrische Verbindung 177 durch eutektische metallische Strukturen hergestellt wird. Eine mechanische Verbindung des MEMS Elements 105 und des ASIC Elements 110 ist als zumindest teilweise geschlossener Bondrahmen 193 bzw. zumindest teilweise geschlossener Bondring ausgebildet. Der Drucksensor 100 in 1 weist einen vollständig geschlossenen bzw. umlaufenden Bondrahmen 195 auf, wie anhand der nachfolgenden 2 noch genauer dargestellt ist.The electrical connection 177 of the MEMS element 105 and the ASIC element 110 can be produced by means of eutectic bonding or eutectic bonding (not shown) of the at least one MEMS-side contact surface 131 and the at least one ASIC-side contact surface 171. The eutectic bonding can preferably be carried out directly at the wafer level by producing the electrical connection 177 by eutectic metallic structures. A mechanical connection of the MEMS element 105 and the ASIC element 110 is designed as an at least partially closed bonding frame 193 or at least partially closed bonding ring. The pressure sensor 100 in 1 has a completely closed or circumferential bonding frame 195, as can be seen from the following 2 is presented in more detail.

Das ASIC Element 110 ist mittels zumindest einem Durchkontaktierungselement 121, zumindest einer weiteren ASIC-seitigen Kontaktfläche 180 und zumindest einem Bonddraht 185 elektrisch kontaktierbar. Das Durchkontaktierungselement 121 kann dabei als sogenanntes Via bzw. TSV ausgebildet sein und mithilfe des oben genannten Silizium-Durchkontaktierungsprozesses hergestellt worden sein. Elektrische Verbindungen können durch das Durchkontaktierungselement 121 auf die Unterseite 160 bzw. Rückseite des ASIC Elements 110 geführt werden, auf der die zumindest eine weitere ASIC-seitige Kontaktfläche 180 angebracht ist. Die elektrischen Verbindungen können ebenso über die eutektischen Bonds bzw. über das eutektische Bonden hergestellt werden. Typischerweise bildet sich an den Stellen, an denen keine eutektischen Bonds erfolgen, ein Abstand (eine Kavität) zwischen MEMS Element 105 und ASIC Element 110 aus.The ASIC element 110 can be electrically contacted by means of at least one via element 121, at least one further ASIC-side contact surface 180 and at least one bonding wire 185. The via element 121 can be designed as a so-called via or TSV and can have been produced using the silicon via process mentioned above. Electrical connections can be made through the via element 121 to the underside 160 or rear side of the ASIC element 110, on which the at least one further ASIC-side contact surface 180 is attached. The electrical connections can also be made via the eutectic bonds or via eutectic bonding. Typically, a gap (a cavity) forms between the MEMS element 105 and the ASIC element 110 at the points where no eutectic bonds are made.

Eine Unterseite 160 des ASIC Elements 110 weist dabei die zumindest eine weitere ASIC-seitige Kontaktfläche 180 auf. Die zumindest eine weitere ASIC-seitige Kontaktfläche 180 ist ausgelegt, mittels dem zumindest einen Bonddraht (Draht-Bonds bzw. wirebonds) 185 eine elektrische Verbindung zu einem Substrat 113 herzustellen. Dieses verbindet elektrisch zum „2nd level substrat“, d.h. einer Leiterplatte eines Systems, in der der Drucksensor 100 eingesetzt wird. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise über nach dem Stand der Technik bekannte Löt- und Verbindungstechniken.A bottom side 160 of the ASIC element 110 has the at least one further ASIC-side contact surface 180. The at least one further ASIC-side contact surface 180 is designed to establish an electrical connection to a substrate 113 by means of the at least one bonding wire (wire bonds) 185. This electrically connects to the "2nd level substrate", i.e. a circuit board of a system in which the pressure sensor 100 is used. This connection is preferably made using soldering and connection techniques known from the prior art.

Der Drucksensor 100 weist das Gehäuse 107 auf, das insbesondere als ein Metalldeckel oder Mold-Deckel ausgebildet ist. Das Gehäuse 107 kann so beschaffen sein, dass es mittels eines O-Ringes im Host-System dicht installiert werden kann. Das Gehäuse 107 ist auf einer Oberseite 109 des Substrats 113 angeordnet. Das MEMS Element 105 ist zumindest teilweise an der Unterseite 125 des MEMS Elements 105 mittels einer Klebverbindung 197 mit der Oberseite 109 des Substrats 113 verbunden. Dabei kann die Klebverbindung 197 mittels eines Klebers, zur Stressentkopplung vorteilhafterweise ein weichelastischer Kleber wie z.B. Silikonkautschuk hergestellt werden.The pressure sensor 100 has the housing 107, which is designed in particular as a metal cover or mold cover. The housing 107 can be designed such that it can be installed tightly in the host system by means of an O-ring. The housing 107 is arranged on a top side 109 of the substrate 113. The MEMS element 105 is at least partially attached to the bottom side 125 of the MEMS element 105 by means of an adhesive connection. 197 is connected to the upper side 109 of the substrate 113. The adhesive connection 197 can be produced by means of an adhesive, for stress decoupling advantageously a soft elastic adhesive such as silicone rubber.

Dabei sind die erste Medienzugangsöffnung 117 des Gehäuses 107 (und/oder des Substrats 113) und die zweite Medienzugangsöffnung 119 des Gehäuses 107 des Drucksensors 100 jeweils ausgebildet, das Medium darin aufzunehmen und damit eine Seite der zumindest einen Membran 135, 170, über die erste Medienöffnung 120 des MEMS Elements 105, die mit der ersten Medienzugangsöffnung 117 verbunden ist, zu beaufschlagen, sowie eine weitere Seite der zumindest einen Membran 135, 170, über die zweite Medienöffnung 130, 155 des ASIC Elements 110, die mit der zweiten Medienzugangsöffnung 119 des Gehäuses 107 verbunden ist, zu beaufschlagen. Die erste Medienöffnung 120 des MEMS Elements 105 ist oberhalb der ersten Medienzugangsöffnung 117 angeordnet, sodass ein durchgängiger Medienzugang zur zumindest einen Membran 135, 170 entsteht.The first media access opening 117 of the housing 107 (and/or the substrate 113) and the second media access opening 119 of the housing 107 of the pressure sensor 100 are each designed to receive the medium therein and thus to act on one side of the at least one membrane 135, 170 via the first media opening 120 of the MEMS element 105, which is connected to the first media access opening 117, and to act on another side of the at least one membrane 135, 170 via the second media opening 130, 155 of the ASIC element 110, which is connected to the second media access opening 119 of the housing 107. The first media opening 120 of the MEMS element 105 is arranged above the first media access opening 117, so that a continuous media access to at least one membrane 135, 170 is created.

Der Drucksensor 100 ist zur Verwendung für Blutdruckmessungen und/oder als E-Zigarette und/oder als Hörgerät und/oder für Lungenfunktionsmessungen und/oder in Klimaanlagen und/oder in Luftfiltergeräten ausgebildet. Diese Liste ist nicht abschließend aufzufassen. Es versteht sich zudem, dass die oben genannten Merkmale für den Drucksensor 100 auch für die nachfolgenden Ausführungsbeispiele gelten.The pressure sensor 100 is designed for use for blood pressure measurements and/or as an e-cigarette and/or as a hearing aid and/or for lung function measurements and/or in air conditioning systems and/or in air filter devices. This list is not intended to be exhaustive. It is also understood that the above-mentioned features for the pressure sensor 100 also apply to the following embodiments.

2 a zeigt eine erste schematische perspektivische Darstellung des Drucksensors in 1, wobei in 2 a z.B. der Abschnitt des Drucksensors 100 in 1 unterhalb der Linie 5 dargestellt ist. Gut ersichtlich ist die sich in x-y-Richtung erstreckende Membran 135 des MEMS Elements 135 sowie die weitere Membran 170 des MEMS Elements 105 und der vollständig geschlossene Bondrahmen 195. Es versteht sich, dass die Anzahl der Membranen 135, 170 exemplarischer Natur ist und je nach elektrischer Verschaltung des Drucksensors 100 (z.B. Einzelelement, Wheatstone'sche Voll- oder Halbbrücke) und auch dessen Messbereichs auch abweichend umgesetzt werden kann. Ebenfalls gut ersichtlich in 2 a ist die zumindest eine MEMS-seitige Kontaktfläche 131 zur Ausbildung der elektrischen Verbindung 177 mit dem ASIC-Element 110. Auch die Anzahl der dargestellten MEMS-seitigen Kontaktfläche 131 ist exemplarischer Natur und kann ebenfalls abweichend umgesetzt sein. 2 a shows a first schematic perspective view of the pressure sensor in 1 , where 2 a e.g. the section of the pressure sensor 100 in 1 below line 5. The membrane 135 of the MEMS element 135 extending in the xy direction as well as the further membrane 170 of the MEMS element 105 and the completely closed bonding frame 195 are clearly visible. It is understood that the number of membranes 135, 170 is exemplary in nature and can be implemented differently depending on the electrical wiring of the pressure sensor 100 (e.g. single element, Wheatstone full or half bridge) and also its measuring range. Also clearly visible in 2 a is the at least one MEMS-side contact surface 131 for forming the electrical connection 177 with the ASIC element 110. The number of MEMS-side contact surfaces 131 shown is also exemplary in nature and can also be implemented differently.

2 b zeigt eine zweite schematische perspektivische Darstellung des Drucksensors in 1, wobei in 2 b z.B. der Abschnitt des Drucksensors 100 in 1 oberhalb der Linie 5 dargestellt ist. Gut erkennbar in 2 b ist die zweite Medienöffnung 130 des ASIC Elements 110, die als eine Mehrzahl an vertikalen Ausnehmungen 165 des ASIC Elements 110 ausgebildet sind und hierbei ein Array in Bezug auf Ihre Anordnung bilden. Das Layout des ASIC Elements 110 ist in Bezug auf den vollständig geschlossenen Bondrahmen 195 sowie die ASIC-seitigen Kontaktflächen 171 gleich ausgebildet, sodass bei dem o.g. eutektischem Bondprozess die mechanische Verbindung 179 des MEMS Elements 105 und des ASIC Elements 110 über den geschlossenen Bondrahmen 195 und die elektrische Verbindung 177 des MEMS Elements 105 und des ASIC Elements 110 hergestellt werden kann. 2 b shows a second schematic perspective view of the pressure sensor in 1 , where 2 b e.g. the section of the pressure sensor 100 in 1 shown above line 5. Clearly visible in 2 b is the second media opening 130 of the ASIC element 110, which are designed as a plurality of vertical recesses 165 of the ASIC element 110 and form an array in terms of their arrangement. The layout of the ASIC element 110 is designed the same with respect to the completely closed bonding frame 195 and the ASIC-side contact surfaces 171, so that in the above-mentioned eutectic bonding process, the mechanical connection 179 of the MEMS element 105 and the ASIC element 110 can be established via the closed bonding frame 195 and the electrical connection 177 of the MEMS element 105 and the ASIC element 110.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines differenziellen Drucksensors nach einer zweiten Ausführungsform 200. Der Drucksensor 200 in 3 unterscheidet sich vom Drucksensor 100 in 1 nur dadurch, wie das obere Medium über die zweite Medienzugangsöffnung 119 und über die zweite Medienöffnung 130 an die Membran 135 des MEMS Elements 105 geführt wird. Die zweite Medienöffnung 130 erstreckt sich seitlich 227 zwischen der Oberseite 140 des MEMS Elements 105 und der Oberseite 150 des ASIC Elements 210. Bei der Verwendung des eutektischen Bondes bedeutet dies, dass der Bondrahmen zumindest eine Unterbrechungsstelle 273 umfasst bzw. eine Mehrzahl an Unterbrechungsstellen umfasst, so dass durch diese Lücke bzw. Lücken das Medium zugeführt werden kann. Auch hier weist die zumindest eine Unterbrechungsstelle 273 idealerweise einen Durchmesser kleiner gleich 10 µm auf, ähnlich wie oben genannt. 3 shows a schematic representation of a differential pressure sensor according to a second embodiment 200. The pressure sensor 200 in 3 differs from pressure sensor 100 in 1 only by the way in which the upper medium is guided to the membrane 135 of the MEMS element 105 via the second media access opening 119 and via the second media opening 130. The second media opening 130 extends laterally 227 between the top side 140 of the MEMS element 105 and the top side 150 of the ASIC element 210. When using the eutectic bond, this means that the bond frame comprises at least one interruption point 273 or a plurality of interruptions so that the medium can be supplied through this gap or gaps. Here too, the at least one interruption point 273 ideally has a diameter of less than or equal to 10 µm, similar to that mentioned above.

Die zweite Medienöffnung 130 in 3 kann ebenfalls als Mehrzahl an sich seitlich 227 zwischen der Oberseite 140 des MEMS Elements 105 und der Oberseite 150 des ASIC Elements 210 erstreckenden Ausnehmungen ausgebildet sein, die als Array anordenbar sind (nicht dargestellt).The second media opening 130 in 3 can also be formed as a plurality of recesses extending laterally 227 between the upper side 140 of the MEMS element 105 and the upper side 150 of the ASIC element 210, which can be arranged as an array (not shown).

4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Drucksensors 200 in 3 mit der zumindest einen Unterbrechungsstelle 273 des Bondrahmens 193. 4 shows a schematic perspective view of the pressure sensor 200 in 3 with at least one interruption point 273 of the bonding frame 193.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines differenziellen Drucksensors 300 nach einer dritten Ausführungsform. Im Unterschied zu den vorangehenden Darstellungen sind die erste Medienzugangsöffnung 117 sowie die erste Medienöffnung 120 des MEMS Elements 305 mit einem Schutzelement versehen. In der Darstellung bildet das Schutzelement 353 ein Füllmedium 357, z.B. ein Silikon-basiertes Gel. Dieses schützt den unteren Medienzugang des Sensors 300 noch besser vor aggressiven Medien. Alternativ könnte die erste Medienöffnung 120 auch mit einer weiteren Membran als Schutzelement 353 versehen werden (nicht dargestellt). In weiteren nicht dargestellten Alternativen kann die erste Kavität 115 und/oder die zweite Medienöffnung 130 des ASIC Elements 110 und/oder die zweite Medienzugangsöffnung 119 ebenfalls mit einem Schutzelement 353 versehen werden. 5 shows a schematic representation of a differential pressure sensor 300 according to a third embodiment. In contrast to the previous representations, the first media access opening 117 and the first media opening 120 of the MEMS element 305 are provided with a protective element. In the representation, the protective element 353 forms a filling medium 357, e.g. a silicone-based gel. This protects the lower media access of the sensor 300 even better against aggressive media. Alternatively, the first media opening 120 could also be provided with another membrane as a protective element 353 (not In further alternatives not shown, the first cavity 115 and/or the second media opening 130 of the ASIC element 110 and/or the second media access opening 119 can also be provided with a protective element 353.

Die Erfindung wurde im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Anstelle der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, welche weitere Abwandlungen oder Kombinationen von beschriebenen Merkmalen aufweisen können. Die Erfindung ist aus diesem Grund nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt, da vom Fachmann andere Variationen daraus abgeleitet werden können, ohne dabei den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The invention has been described in detail by means of preferred embodiments. Instead of the embodiments described, further embodiments are conceivable, which may have further modifications or combinations of the described features. For this reason, the invention is not limited by the disclosed examples, since other variations can be derived therefrom by the person skilled in the art without departing from the scope of the invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 20160320255 A1 [0002]

Claims

Differential pressure sensor (100, 200, 300) for detecting a pressure difference between at least a first and second media access opening (117, 119) of a housing (107) of the pressure sensor (100, 200, 300), wherein the first and second media access opening (117, 119) are separated from one another, comprising: a MEMS element (105, 305) having a first cavity (115), wherein the first cavity (115) is connected to a first media opening (120) formed on an underside (125) of the MEMS element (105, 305), wherein the first media opening (120) is connected to the first media access opening (117) of the housing (107) of the pressure sensor (100, 200, 300), wherein the first cavity (115) is delimited by at least one membrane (135, 170) on an upper side (140) of the MEMS element (105, 305) and the at least one membrane (135, 170) is designed to detect the pressure difference between the first and second media access openings (117, 119), and an ASIC element (110, 210) which is arranged above the MEMS element (105, 305) in a layer structure (145) such that an electrical connection is formed on an upper side (150) of the ASIC element (110, 210), which is opposite the upper side (140) of the MEMS element (105, 305) and comprises at least one ASIC-side contact surface (171), and on the upper side (140) of the MEMS element (105, 305), which comprises at least one MEMS-side contact surface (131). (177) of the MEMS element (105, 305) and the ASIC element (110, 210).

Pressure sensor after Claim 1 , wherein a second media opening (130) is connected via a second cavity (190) to the second media access opening (119) of the housing (107) of the pressure sensor (100, 200, 300), wherein the second media opening (130) extends laterally (227) between the top side (140) of the MEMS element (105, 305) and the top side (150) of the ASIC element (210).

Pressure sensor after Claim 1 , wherein a second media opening (130) is connected via a second cavity (190) to the second media access opening (119) of the housing (107) of the pressure sensor (100, 200, 300), wherein the ASIC element (110) has the second media opening (130), which are designed as a plurality of vertical recesses (165) and each extend continuously over a height of the ASIC element (110), and wherein the plurality of vertical recesses (165) can be produced by means of a silicon through-plating process and each have in particular a diameter of less than or equal to 10 µm.

Pressure sensor according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the electrical connection (177) of the MEMS element (105, 305) and the ASIC element (110, 210) can be produced by means of eutectic bonding of the at least one MEMS-side contact surface (131) and the at least one ASIC-side contact surface (171), and wherein a mechanical connection (179) of the MEMS element (105, 305) and the ASIC element (110, 210) is designed as an at least partially closed bonding frame (193, 195).

Pressure sensor after Claim 4 , wherein the at least partially closed bonding frame (193) comprises at least one interruption point (273), wherein the at least one interruption point (273) has a diameter of less than or equal to 10 µm.

Pressure sensor after Claim 4 , wherein the bonding frame (193) is designed as a completely closed bonding frame (195).

Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the first media opening (120) of the MEMS element (105, 305) and/or the first cavity (115) and/or the second media opening (130) of the ASIC element (110, 210) can be provided with a protective element (353), and wherein the protective element (353) is designed in particular as a filling medium (357).

Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the ASIC element (110, 210) can be electrically contacted by means of at least one through-hole element (121), at least one further ASIC-side contact surface (180) and at least one bonding wire (185), wherein an underside (160) of the ASIC element (110, 210) has the at least one further ASIC-side contact surface (180), and wherein the at least one further ASIC-side contact surface (180) is designed to establish an electrical connection to a substrate (113) by means of the at least one bonding wire (185).

Pressure sensor according to one of the preceding claims, wherein the pressure sensor (100, 200, 300) is designed for use for blood pressure measurements and/or as an e-cigarette and/or as a hearing aid and/or for lung function measurements and/or in air conditioning systems and/or in air filter devices.