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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostatischen kapazitiven
oder piezoelektrischen Drucksensor und ein Verfahren zum Herstellen
desselben und insbesondere eine Bindestruktur und ein Bindeverfahren
für einen
Sensorchip und ein Sensorpaket, die eingesetzt werden, wenn Elektroden
des Sensorchips aus der Unterseite des Sensorchips herausgezogen
werden.
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Als
herkömmlicher
Drucksensor ist ein elektrostatischer kapazitiver Drucksensor bekannt.
Der elektrostatische kapazitive Drucksensor weist ein Substrat mit
einer Ausnehmung, ein auf einem Substrat an seinem Rand getragenes
und an der Ausnehmung angeordnetes Diaphragma, eine an der Unterfläche der
Ausnehmung gebildete stationäre Elektrode
und eine an dem Diaphragma gebildete bewegliche Elektrode auf, um
der stationären
Elektrode gegenüber
zu liegen. In dem Drucksensor mit dieser Anordnung ändert sich
der Abstand zwischen der beweglichen und der stationären Elektrode,
wenn sich das Diaphragma infolge des Erhaltens eines äußeren Drucks
verformt, wodurch sich die elektrostatische Kapazität zwischen
ihnen ändert.
Der an das Diaphragma angelegte Druck wird auf Basis dieser Änderung
der elektrostatischen Kapazität
gemessen.
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JP-A-11
064 137 offenbart einen Halbleiterdrucksensor mit Hochdruck- und
Niedrigdruck-Dehnungsmessgeräten, die
durch Leitungsstifte mit einer externen Signalverarbeitungsschaltung
verbunden sind. Daher kann eine hochpräzise Messung, die von einem
Niedrigdruckbereich zu einem Hochdruckbereich reicht, durchgeführt werden,
indem ein Leitungsstift durch ein leitfähiges Material, das in einem Durchgangsloch
einer Isolationsbasis vorgesehen ist, die luftdicht an einen Schaft
gebunden ist, elektrisch mit dem Elektrodenteil eines Siliziumsubstrats verbunden
wird. Da die Isolationsbasis jedoch an dem Schaft befestigt ist,
muss der Schaft auch mit Durchgangsbohrungen versehen sein. Die
Leitungselemente müssen
den Schaft überqueren,
was zu einem komplexeren Herstellprozess führt. Darüber hinaus erzeugen unterschiedliche
Expansionskoeffizienten der heterogenen Materialien während der
Herstellung Spannung, und daher führt die Herstellung dieser
Drucksensoren zu einer geringeren Ausbeute.
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US-A-4
703 658 zeigt einen Druckwandler umfassend einen kapazitiven Druckwandler
aus Silizium, in dem ein Siliziumdiaphragma anodisch an eine relativ
steife metallisierte Glassubstratbasis gebunden ist und wobei entweder
metallisierte Kontaktlöcher
oder eingebettete Stifte in der Basis verwendet werden können, um
die elektrischen Ausgangsverbindungen des Wandlers vorzusehen.
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JP-A-10
325 772 stellt einen Halbleiterdrucksensor vor, der auf Basis von
n-Typ-Siliziumsubstraten und p-Typ-Piezowiderständen arbeitet, die in der Lage
sind, hohen Druck zu erkennen. Die Struktur umfasst eine Metallbasis,
an die ein Sensor mit einer Glaskappe gebunden ist. Diese Konstruktion
erfordert eine Metallbasis umfassend Durchgangslöcher, in denen die entsprechenden
Leitungen durch ein hermetisches Abdichtmaterial befestigt sind.
Diese Durchgangslöcher
mit der Isolierung führen
zu vergrößerten Dimensionen
des Drucksensors. Zusätzlich
sind viele Schritte nötig,
um diesen Halbleitersensor herzustellen, wobei es wahrscheinlich
ist, dass thermische Belastung auftritt.
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US-A-5
200 363 offenbart eine elektronische Verbindung mit mindestens einem
Siliziumchip, der mit elektronischen Schaltelementen versehen ist. Der
Siliziumchip ist an einen Glasträger
mit Durchgangsbohrungen gebunden und bildet eine Einheit mit ihm.
Diese Einheit wird auf ein Gehäuse
mit Verbindungsstiften für
den elektrischen Kontakt mit dem Siliziumchip angewendet. Die Verbindungsstifte
erstrecken sich in die Durchgangsbohrungen, die mit leitfähiger Paste
gefüllt
sind, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen dem Siliziumchip
und den Verbindungsstiften vorgesehen ist.
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Als
weiterer Drucksensor ist ein piezoelektrischer Drucksensor bekannt.
Der piezoelektrische Drucksensor weist anstelle einer Elektrode
ein Dehnungsmessgerät
mit einem piezoresistiven Effekt auf einem Halbleiterdiaphragma
auf. Das Dehnungsmessgerät
wird durch einen an das Diaphragma angelegten Druck verformt. Der
Druck wird gemessen, indem eine Änderung
des Widerstands des Dehnungsmessgeräts erkannt wird, der durch
den piezoresistiven Effekt erzeugt wird.
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Um
einen Druck durch Verwendung des oben beschriebenen, wie in 6 gezeigten
Drucksensors zu messen, wird ein Sensorchip 23 an einer zylindrischen
Glasbasis 22 in einem zylindrischen Metallpaket 21 angebracht,
das durch ein korrosionsbeständiges
Diaphragma 24 abgedichtet ist, und eine abgedichtete Flüssigkeit 25 wie
z.B. Silikonöl
ist in dem Metallpaket 21 abgedichtet. Der Druck wird durch
diese Struktur an den Sensorchip 23 übertragen. Die elektrische
Verbindung zwischen dem Sensorchip 23 und dem Äußeren wird
realisiert, indem Elektrodenherausziehstifte 26, die mit
Glas hermetisch abgedichtet sind, und auf der Oberfläche des Sensorchips 23 gebildete
Elektroden mit Drähten 27 verbunden
werden.
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Mit
der in 6 gezeigten Anordnung treten bei der Übertragung
des Drucks Fehler auf, weil sich das Volumen der abgedichteten Flüssigkeit 25 entsprechend
einer Temperaturänderung ändert, wodurch
es schwierig wird, den Druck mit hoher Genauigkeit zu messen. Wenn
das Diaphragma 24 reißt und
die abgedichtete Flüssigkeit 25 herausleckt,
wird eine Messzielflüssigkeit
(ein Messzielgas) durch die abgedichtete Flüssigkeit 25 kontaminiert.
Daher ist es schwierig, diese Anordnung für Sanitäranwendungen zu verwenden.
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Um
diese Probleme zu lösen,
kann die abgedichtete Flüssigkeit
eliminiert werden. In diesem Fall stellen Korrosion des Sensorchips
und auf den Sensorchip aufgebrachte physikalische Einwirkung Probleme
dar, weil der Sensorchip in direkten Kontakt mit der Messzielflüssigkeit
kommt. Aus diesem Grund können
Elektroden und Drähte
nicht auf der Oberfläche
des Chips gebildet werden, und die Elektroden werden aus der Unterseite
des Sensorchips herausgezogen.
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In
dem herkömmlichen
Drucksensor können die
Elektroden jedoch nicht aus der Unterseite des Sensorchips herausgezogen
werden, wenn der Sensorchip befestigt ist. Wenn sich der Sensorchip
zu der Unterfläche
des Metallpakets erstreckt und die Elektroden aus der Unterseite
des Sensorchips herausgezogen werden, ist es genauer gesagt wahrscheinlich,
dass in dem Bindeabschnitt zwischen dem Sensorchip und der Abdichtoberfläche des
Pakets Spannung auftritt. Aus diesem Grund muss das Diaphragma des
Sensorchips weg von der Abdichtoberfläche platziert werden, was zu
einer Zunahme der Größe des Sensors
führt.
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In
dem Drucksensor sollte soweit möglich keine
thermische Spannung von dem Metallpaket auf den Sensorchip übertragen
werden. Das in 6 gezeigte Messverfahren realisiert
dies, indem der Sensorchip 23 auf der Glasbasis 22 angebracht
und die Glasbasis 22 an das Metallpaket 21 gebunden
wird. Mit diesem Verfahren nimmt die Zahl der Herstellungsschritte
zu. Außerdem
nimmt die Anzahl Bindungsoberflächen
zu, wodurch die Ausbeute verschlechtert wird.
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Da
die Elektrodenherausziehstifte 26 mit einer hermetischen
Glasabdichtung 27 an dem Metallpaket 21 befestigt
sind, können
in dem in 6 gezeigten Drucksensor Abstände d1 und
d2 zwischen den Elektrodenherausziehstiften 26 nicht verringert werden,
weil Löcher
gebildet werden müssen.
Außerdem
kann der Isolierabstand (die Größe der hermetischen
Glasabdichtung 27) d3 nicht verringert werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor, wobei
der Sensorchip in einer Struktur, in der Elektroden aus der Unterseite
eines Sensorchips herausgezogen werden, befestigt werden kann und
die Elektroden gleichzeitig herausgezogen werden können, während die
Ausbeute verbessert wird, und ein Verfahren zur Herstellung desselben
bereitzustellen.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Drucksensor und ein Verfahren zur Herstellung nach den Ansprüchen 1 bis 8
vorgesehen. Ein solcher Sensor umfasst ein zylindrisches Sensorpaket,
eine zylindrische Glasbasis, die nur an ihrem Umfang in einem an
eine Innenfläche
des Sensorpakets angepassten Zustand hermetisch gebunden ist, um
einen Raum in dem Sensorpaket zu schließen, einen Sensorchip, der
an der Glasbasis angebracht ist und Elektroden und einen Metallbindungsabschnitt
an seiner Oberfläche
gegenüber
der Glasbasis aufweist, wobei der Bindungsabschnitt an eine Oberfläche der
Glasbasis Die-gebunden (Flip-Chip-kontaktiert) wird, und Leitungselemente,
die angeordnet sind, um den Elektroden gegenüber zu liegen und versenkt
sind, um sich durch die Glasbasis zu erstrecken, wobei ein Ende jedes
der Leitungselemente, das von der Oberfläche der Glasoberfläche freigelegt
ist, elektrisch mit einer korrespondierenden der Elektroden verbunden
ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1A und 1B sind
eine Schnittansicht bzw. eine Draufsicht eines Drucksensors gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2A bis 2C sind
Schnittansichten, die die Schritte beim Herstellen einer in 1A und 1B gezeigten
Glasbasis zeigen;
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3A bis 3F sind
Ansichten, die die Schritte beim Herstellen eines in 1A und 1B gezeigten
Sensorchips zeigen;
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4 ist
eine Schnittansicht, die ein Verfahren des Herstellens des in 1A und 1B gezeigten
Drucksensors zeigt;
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5 ist
eine Schnittansicht einer Glasbasis, die eingesetzt wird, wenn ein
Stift mit Mitteleinfassung als Elektrodenherausziehstift verwendet wird;
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6 ist
eine Schnittansicht eines herkömmlichen
Drucksensors; und
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7A und 7B sind
Draufsichten des Elektrodenabschnitts des in 6 gezeigten
Drucksensors.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung wird detailliert mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben.
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1A zeigt
einen Drucksensor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und 1B zeigt
den in 1A gezeigten Drucksensor. Mit
Bezug auf 1A ist ein zylindrisches Sensorpaket 1 aus
korrosionsbeständigem
Metall wie z.B. rostfreiem Stahl hergestellt. Eine dicke scheibenartige
Glasbasis 2 ist an der Innenwand des Sensorpakets 1 angebracht.
Wie in 1B gezeigt, weist die Glasbasis 2 an
ihrem mittleren Abschnitt eine quadratische Ausnehmung 2a und
einen Träger 2b an
der Unterfläche
der Ausnehmung 2a auf, um einen Sensorchip (wird später beschrieben)
zu tragen.
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Ein
Sensorchip 3 ist auf dem Träger 2b der Glasbasis 2 angebracht.
Elektrodenherausziehstifte (werden im Folgenden als Elektrodenstifte
bezeichnet) 4 sind in der Glasbasis 2 versenkt,
um sich durch den Träger 2b zu
erstrecken, und dienen als Leitungselemente. Eine Metallplatte 5 ist
leicht in dem Träger 2b der
Glasbasis 2 versenkt, um dem Rand des Sensorchips 3 zu
entsprechen. Ein Atmosphärendruckeinführrohr 6 ist
in der Glasbasis 2 versenkt, um sich durch den mittleren
Abschnitt des Trägers 2b zu
erstrecken. Die Elektrodenstifte 4 weisen jeweils Köpfe 4a auf,
die von dem Träger 2b der
Glasbasis 2 freigelegt sind. Die Metallplatte 5 ist
aus einer Fe-Cr-Legierung, einer Fe-Ni-Cr-Legierung, einer Fe-Ni-Legierung,
einer Fe-Ni-Co-Legierung, einer Nickelgruppenlegierung oder dergleichen
hergestellt und bildet einen quadratischen Rahmen.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen Drucksensors wird
mit Bezug auf 2A bis 2C, 3A bis 3F und 4 beschrieben.
Zuerst wird beschrieben, wie das Paket hergestellt wird, auf dem
der Sensorchip 3 angebracht werden soll.
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Wie
in 2A gezeigt, wird die dicke scheibenartige (bodenzylindrische)
Glasbasis 2 mit einer Ausnehmung 2a geformt. Wenn
die Glasbasis 2 geformt wird, werden die Elektrodenstifte 4,
die Metallplatte 5 mit der quadratischen Form und das Atmosphärendruckeinführrohr 6 durch
integrales Formen in dem Träger 2b der
Glasbasis 2 versenkt. In diesem Fall werden die Elektrodenstifte 4 so
versenkt, dass ihre Köpfe 4a von
dem Träger 2b der
Glasbasis 2 freigelegt sind und ihre distalen Enden von
der Unterseite der Glasbasis 2 hervorstehen.
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In
einer lochfreien Struktur vom Absolutdrucktyp, die kein Atmosphärendruckeinführrohr 6 verwendet,
ist der Schritt des Versenkens des Atmosphärendruckeinführrohrs 6 eliminiert.
Auch in dieser Struktur vom Absolutdrucktyp kann der vollständig gleiche
Effekt wie der der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
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Wie
in 2B gezeigt, wird die Glasbasis 2 in das
Sensorpaket 1 eingeführt
und erwärmt.
Die Glasbasis 2 wird dadurch geschmolzen, so dass sie hermetisch
an das Sensorpaket gebunden wird. Wie in 2C gezeigt,
wird ein Lötummanteln
durchgeführt,
um Lötabschnitte 7 an
den Köpfen 4a der
Elektrodenstifte 4 und der Metallplatte 5 zu bilden.
Auf diese Weise wird die Herstellung des Sensorpakets 1 beendet.
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Es
wird beschrieben, wie der Sensorchip 3 hergestellt wird.
Wie in 3A gezeigt, wird eine leitfähige Dünnschicht
auf der Unterfläche
eines ersten Saphirsubstrats 10 auf der Diaphragmaseite
gebildet und gemustert, um eine bewegliche Elektrode 11 mit einer
vorbestimmten Form zu bilden.
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Wie
in 3B gezeigt, wird in der Mitte der Oberfläche eines
zweiten Saphirsubstrats 12 eine Ausnehmung 13 durch
Nass- oder Trockenätzen
gebildet, und in der Ausnehmung 13 werden Durchgangslöcher 14 für Elektrodenleitungen
gebildet, so dass die Ausnehmung 13 und das Äußere miteinander
durch die Durchgangslöcher 14 kommunizieren. Eine
leitfähige
Dünnschicht
wird in der Mitte der Bodenfläche
der Ausnehmung 13 gebildet und gemustert, um eine stationäre Elektrode 15 mit
einer vorbestimmten Form zu bilden. Die leitfähigen Dünnschichten auf den Substraten 10 und 12 können durch
CVD (chemische Dampfablagerung), Vakuumablagerung, Sputtern oder
dergleichen gebildet werden.
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Wie
in 3C gezeigt, werden die ersten und zweiten Substrate 10 und 12 in
engem Kontakt miteinander überlagert,
in einen Vakuumofen eingebracht und im Vakuum erwärmt, so
dass sind eng aneinander gebunden werden. Wie in 3D gezeigt, wird
das erste Substrat 10 auf eine vorbestimmte Stärke abgeschliffen,
um ein Diaphragma zu bilden. Diese Diaphragmaoberfläche kann
durch Zurückätzen des
ersten Substrats 10 gemäß Nassätzen, Trockenätzen oder
dergleichen gebildet werden.
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Wie
in 3E gezeigt, wird ein aus einem Metallfilm bestehender
Bindungsabschnitt 16 entlang dem Rand der Unterfläche des
zweiten Substrats 12 durch Vakuumablagerung gebildet und
weist eine quadratische rahmenartige Form auf. Wie in 3F gezeigt,
wird eine Lötummantelung
durchgeführt,
um an dem Bindungsabschnitt 16 einen Lötabschnitt 17 zu bilden.
Während
der Lötummantelung
füllt Lötmittel
auch die Durchgangslöcher 14,
so dass mit den beweglichen Elektroden 11 verbundene Elektroden 18 und
mit der stationären
Elektrode 15 verbundene Elektroden 19 in dem Bindungsabschnitt 16 gebildet werden.
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Der
Bindungsabschnitt 16 muss keinen quadratischen Rahmen bilden,
sondern es kann eine Mehrzahl Bindungsabschnitte 16 in
vorbestimmten Intervallen gebildet werden. Um die Elektroden 18 und 19 durch
Löten an
dem Sensorchip 3 zu bilden, wird ein vorab platziertes
Hartlöten
in einem Lötofen durchgeführt. Auf
diese Weise wird die Herstellung des Sensorchips 3 beendet.
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Wie
in 4 gezeigt, werden schließlich der Sensorchip 3 und
die Glasbasis 2 so ausgerichtet, dass der Bindungsabschnitt 16 des
Sensorchips 3 und im Wesentlichen die Elektroden 18 und 19 des Sensorchips 3 der
Metallplatte 5 der Glasbasis 2 bzw. den Köpfen 4a der
Elektrodenstifte 4 der Glasbasis 2 gegenüberliegen.
Anschließend
wird der ausgerichtete Sensorchip 3 auf der Glasbasis 2 platziert.
Der Sensorchip 3 und die Glasbasis 2 werden dann
erwärmt,
um das Lötmittel
zu schmelzen, wodurch sie miteinander verschmolzen werden. Auf diese
Weise wird die Herstellung des Drucksensors beendet.
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Gemäß der obigen
Ausführungsform
kann Wärmespannung
von dem Sensorpaket 1 durch die gesamte Glasbasis 2 ausgeglichen
werden, weil die Glasbasis 2 an die Innenwand des Sensorpakets 1 siegelgebunden
wird, um den Freiraum in dem Sensorpaket 1 zu schließen. Da
die Elektrodenstifte 4 während der Herstellung der Glasbasis 2 versenkt werden,
können
die Elektroden 18 und 19 des Sensorchips 3 mit
den Köpfen 4a der
Elektrodenstifte 4 verbunden werden, indem nur der Sensorchip 3 an der
Glasbasis 2 befestigt wird.
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Wenn
durch Metallisieren oder dergleichen eine Metallschicht auf der
Glasbasis gebildet wird, nimmt die Zahl der Herstellungsschritte
um eins zu. Gemäß der obigen
Ausführungsform
nimmt die Zahl der Schritte nicht zu, weil die Elektrodenstifte 4 und die
Metallplatte 5 durch integrales Formen während der
Herstellung der Glasbasis 2 in der Glasbasis 2 versenkt
werden.
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In
dem in 6 gezeigten herkömmlichen Drucksensor können die
Abstände
d1 und d2 zwischen den Elektrodenherausziehstiften und der Isolierabstand
nicht verringert werden. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
existiert dieses herkömmliche
Problem im Grunde nicht, weil die Elektrodenstifte 4 in
der Glasbasis 2 versenkt sind, und der Drucksensor kann
verkleinert werden.
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Gemäß der obigen
Ausführungsform,
wie in 5 gezeigt, kann eine höhere Druckfestigkeit der Stifte
in der Längsrichtung
sichergestellt werden, weil Stifte mit Mitteleinfassung als Elektrodenstifte 4 verwendet
werden, was wesentlich zu einer Zunahme der Druckfestigkeit des
Pakets beiträgt.
In dem in 6 gezeigten herkömmlichen
Drucksensor kann kein großer
Isolierabstand erhalten werden, wenn Stifte mit Mitteleinfassung
verwendet werden. Umgekehrt wird der gesamte Drucksensor sehr groß, wenn ein
großer
Isolierabstand erhalten werden soll, was zu einem großen Bindungsabstand
führt.
Ein solcher Drucksensor kann als Produkt nicht realisiert werden.
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Während die
Köpfe 4a der
Elektrodenstifte 4 und die Elektroden 18 und 19 in
der obigen Ausführungsform
durch Löten
elektrisch miteinander verbunden werden, kann die elektrische Bindung
auch durch Hartlöten
oder leitendes Glasbinden erreicht werden. Während für das Die-Binden des Bindungsabschnitts 16 und
der Oberfläche
der Glasbasis 2 Löten
durchgeführt
wird, kann dieses Die-Binden auch durch Hartlöten oder Glasverkapselung erreicht
werden. Um den Sensorchip 3 zu befestigen und gleichzeitig
die Elektroden herauszuziehen, müssen
das oben beschriebene elektrische Binden und Die-Binden gemäß dem gleichen
Bindungsverfahren durchgeführt
werden. Wenn die Metallplatte 5 in der Oberfläche der Glasbasis 2 gegenüber dem
Bindungsabschnitt 16 versenkt werden soll, kann dies von
den oben beschriebenen Bindungsverfahren nur durch Löten und
Hartlöten
erreicht werden.
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Das
Material der Glasbasis 2 umfasst Saphirglas.
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Wie
oben beschrieben wurde, werden die Elektrodenherausziehstifte und
Elektroden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch Löten
verbunden, und der Bindungsabschnitt und die Oberfläche der Glasbasis
werden durch Löten
gebunden, so dass der Sensorchip befestigt und die Elektroden gleichzeitig
herausgezogen werden können.
Da der Sensorchip direkt an die Glasbasis gebunden wird, werden
die Herstellungsschritte vereinfacht, wodurch die Ausbeute verbessert
wird.
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Da
die Elektrodenherausziehstifte in der Glasbasis versenkt werden,
kann der resultierende Drucksensor mehr als ein herkömmlicher
Drucksensor verkleinert werden, in dem Elektrodenherausziehstifte
mit einer hermetischen Glasdichtung an einem Metallsensorpaket befestigt
werden. Da die Stifte mit Mitteleinfassung als Elektrodenherausziehstifte
verwendet werden, kann eine höhere
Druckfestigkeit der Stifte in der Längsrichtung sichergestellt
werden, was wesentlich zu einer Erhöhung der Druckfestigkeit des
Pakets beiträgt.
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Da
die Elektrodenherausziehstifte und die Metallplatte während des
Formens der Glasbasis gleichzeitig versenkt werden können, muss
kein Lötmetallisierabschnitt
auf der Glasbasis gebildet werden, und die Zahl der Herstellungsschritte
nimmt nicht zu. Außerdem
kann eine größere Befestigungskraft
als die durch Metallisieren erhaltene erwartet werden.