DE102008001885A1

DE102008001885A1 - Sensoranordnung und Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102008001885A1
Application number: DE200810001885
Authority: DE
Inventors: Ingo Herrmann; Karl-Franz Reinhart; Daniel Herrmann; Frank Freund; Ando Feyh; Martin Eckhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-11-26
Also published as: WO2009141192A1

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung mit einem Substrat, einer in dem Substrat angeordneten Kaverne, einer die Kaverne senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats überlappenden Membran und einer Mehrzahl von Sensorelementen vorgeschlagen, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen in Reihe geschaltet auf der einen Membran angeordnet sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 10 2006 028 435 A1 ein Sensor zur ortsaufgelösten Detektion bekannt, wobei der Sensor ein Substrat, ein mikrostrukturiertes Sensorelement mit einer ihren Wert temperaturabhängig ändernden elektrischen Eigenschaft, insbesondere eine Diode, und eine oberhalb einer Kaverne im Substrat angeordneten Membran aufweist und wobei das Sensorelement an einer Unterseite der Membran angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Signal-Rausch-Verhältnis beim Auslesen eines Sensorpixels in erheblicher Weise verbessert wird, wobei ein Sensorpixel im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Membran und die auf dieser Membran angeordneten Sensorelemente umfasst. die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auf einem Sensorpixel eine Mehrzahl von Sensorelementen angeordnet ist, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen miteinander in einer Reihenschaltung verschaltet sind, so dass beim Auslesens des Sensorpixels die Mehrzahl von Sensorelementen insbesondere gleichzeitig ausgelesen werden und sich die Signalhöhe pro Sensorpixel somit vervielfacht. Das Rauschen eines Sensorpixels wird im Wesentlichen bestimmt durch das Rauschen einer den Sensorpixel auslesenden Auswerteschaltung, so dass das Rauschen eines Sensorpixels bei einer Erhöhung der Anzahl von in Reihe geschalteten Sensorelementen pro Sensorpixel im Wesentlichen konstant ist. Die Erhöhung der Signalhöhe eines Sensorpixels bewirkt somit eine deutliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis, so dass insbesondere auch die Eigenschaften wie Detektivität, Sensitivität und Messgenauigkeit des Sensorpixels bzw. der Sensoranordnung im Vergleich zum Stand der Technik in erheblicher Weise verbessert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl von Sensorelementen zumindest teilweise elektrisch voneinander getrennt sind. Besonders vorteilhaft wird somit ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Sensorelementen, insbesondere durch einen elektrischen Strom durch die Membran, unterbunden und eine Reihenschaltung der Sensorelemente ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran wenigstens eine Dotierwanne aufweist, wobei ein Sensorelement in der Dotierwanne angeordnet ist. Besonders vorteilhaft wird durch die Ausbildung von Dotierwannen in der Membran eine Realisierung von elektrisch getrennten Bereichen auf der Membran in besonders einfacher Weise mit vergleichsweise gut beherrschbaren Standardverfahren ermöglicht. Besonders bevorzugt ist wenigstens ein Sensorelement oder die gesamte Mehrzahl der Sensorelemente in jeweils einer Dotierwanne angeordnet, so dass jeweils ein in einer Dotierwanne angeordnetes Sensorelement von benachbarten Sensorelementen elektrisch isoliert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran wenigstens einen Graben aufweist, wobei wenigstens zwei Sensorelemente durch den Graben voneinander elektrisch isoliert sind. Besonders vorteilhaft ist somit eine elektrische Isolierung zweier benachbarter Sensorelemente in vergleichsweise einfacher Weise realisierbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gräben durch Ätzverfahren hergestellt vorgesehen sind, so dass die elektrische Isolierung benachbarter Sensorelemente mittels vergleichsweise gut beherrschbaren Standardverfahren besonders kostengünstig zu implementieren ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensorelemente Dioden umfassen und/oder dass die Membran gegenüber dem Substrat thermisch entkoppelt vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft wird durch die Verwendung von Dioden als Sensorelemente eine ortsaufgelöste Temperatursensierung durch die Sensoranordnung ermöglicht. Durch eine thermische Entkopplung der Sensoranordnung von dem Substrat wird ferner die Sensitivität der Sensorelemente erhöht und der Störeinfluss der Temperatur des Substrats auf die Sensierung der Sensorelemente und somit das Rauschen der Sensorelemente reduziert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran mittels Federelementen an dem Substrat befestigt vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft wird somit in besonders einfacher Weise eine elastische Aufnahme, sowie Befestigung der Membran an dem Substrat und gleichzeitig eine vergleichsweise gute thermische Entkopplung der Membran von dem Substrat ermöglicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mehrzahl von Sensorelementen mittels Leiterbahnen elektrisch kontaktiert sind, wobei vorzugsweise die Leiterbahnen zumindest teilweise auf den Federelementen angeordnet sind, so dass in vorteilhafter Weise eine elektrische Kontaktierung der Sensorelement realisierbar ist und die entsprechenden Kontakte in einfacher Weise von der Membran auf das Substrat überführbar sind. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Auswerteschaltung zum Auslesen der Mehrzahl von Sensorelementen eines Sensorpixels, insbesondere als Halbleiterstruktur, auf dem Substrat oder einem weiteren Substrat realisiert ist und mittels der Leiterbahnen mit den Sensorelementen elektrisch leitfähig verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf der Membran vier Sensorelemente, insbesondere in zwei Zeilen und in zwei Spalten, angeordnet sind, so dass in besonders vorteilhafter Weise ein Sensorpixel realisierbar ist, welcher aufgrund seiner im Wesentlichen quadratischen Formgebung besonders kompakt ist und ferner vergleichsweise einfach in Sensorpixelarrays anzuordnen ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, auf einer Membran eine beliebige Mehrzahl von Sensorelementen in einer Zeilen-Spalten-Struktur derart anzuordnen, dass die Anzahl der Zeilen mit der Anzahl der Spalten identisch ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung einen Sensor zur ortsaufgelösten Detektion, insbesondere von Temperatur, Strahlung und/oder eines Fingerabdruckes, und/oder einen Sensor zur Detektion einer Gaskonzentration umfasst.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung, wobei die Signale der Mehrzahl von in Reihe geschalteten Sensorelementen mittels einer Auswerteschaltung gleichzeitig ausgelesen werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird beim Auslesen eines Sensorpixels gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung mittels der Auswerteschaltung die Mehrzahl von Sensorelementen gleichzeitig ausgelesen. Durch die Verschaltung der Mehrzahl von Sensorelementen in einer Reihenschaltung wird somit die Signalhöhe des Sensorpixels erhöht, während der Rauschbeitrag der Auswerteschaltung im Wesentlichen konstant bleibt, so dass in Summe das Signal-Rausch-Verhältnis eines einzigen Sensorpixels bzw. der Sensoranordnung in erheblicher Weise verbessert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
2 eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist eine schematische Seitenansicht und in 2 eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung 1 ein Substrat 2, eine in dem Substrat 2 angeordnete Kaverne 3 und eine die Kaverne 3 senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2 überlappende Membran 4 aufweist. Ferner weist die Sensoranordnung 1 eine Mehrzahl von Sensorelementen 5, 5', 5'', 5''' auf, welche in Reihe geschaltet auf der einen Membran 4 angeordnet sind und welche elektrisch voneinander isoliert sind. Die Sensorelemente 5, 5', 5'', 5''' umfassen Dioden jeweils mit einem pn-Übergang, insbesondere zur ortsaufgelösten Temperatursensierung. Die Membran 4 ist mittels Federelementen 6 am Substrat 2 elastisch befestigt und über die Federelemente 6 gegenüber dem Substrat 2 thermisch entkoppelt. Die Mehrzahl von Sensorelementen 5, 5', 5'', 5''' auf der Membran 4 bilden gemeinsam einen Sensorpixel, wobei die Mehrzahl von Sensorelementen 5, 5, 5'', 5''' insbesondere vier Sensorelemente 5, 5', 5'', 5''' umfassen, welche in einer im Wesentlichen quadratischen Zeilen-Spalten-Struktur auf der Membran 4 von jeweils zwei Sensorelementen 5, 5''; 5', 5''' pro Spalte und zwei Sensorelementen 5, 5'; 5'', 5''' pro Zeile angeordnet sind. Auf der Membran 4 sind eine Vielzahl von Leiterbahnen 7 zur elektrischen Kontaktierung der Sensorelemente 5, 5', 5'', 5''' angeordnet, wobei ferner weitere Leiterbahnen 7' zur Ausbildung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer nicht dargestellten Auswerteeinheit auf dem Substrat 2 oder auf einem weiteren Substrat und der Mehrzahl von Sensorelementen 5, 5', 5'', 5''' auf den Federelementen 6 angeordnet sind. Die Leiterbahnen 7 auf der Membran 4 sind derart ausgebildet, dass die Sensorelemente 5, 5', 5'', 5''' in einer Reihenschaltung miteinander verschaltet sind. Das heißt jedes Sensorelement 5, 5', 5'', 5''' weist einen ersten und einen zweiten Kontakt 8, 8' auf, wobei der zweite Kontakt 81 eines ersten Sensorelements 5 mit dem ersten Kontakt 82 eines zweiten Sensorelements 5'' verbunden ist, wobei der zweite Kontakt 83 des zweiten Sensorelements 5'' mit dem ersten Kontakt 84 eines dritten Sensorelements 5' verbunden ist, wobei der zweite Kontakt 85 des dritten Sensorelements 5' mit dem ersten Kontakt 85 eines vierten Sensorelements 5''' verbunden ist und wobei ferner der erste Kontakt 80 des ersten Sensorelements 5 mit einer ersten weiteren Leiterbahn 90 und der zweite Kontakt 86 des vierten Sensorelements 5''' mit einer zweiten weiteren Leiterbahn 91 verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006028435 A1 [0002]

Claims

Sensoranordnung (1) mit einem Substrat (2), einer in dem Substrat (2) angeordneten Kaverne (3), einer die Kaverne (3) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (100) des Substrats (2) überlappenden Membran (4) und einer Mehrzahl von Sensorelementen (5, 5', 5'', 5'''), dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Sensorelementen (5, 5', 5'', 5''') in Reihe geschaltet auf der einen Membran (4) angeordnet sind
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Sensorelementen (5, 5', 5'', 5''') zumindest teilweise elektrisch voneinander getrennt sind.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) wenigstens eine Dotierwanne aufweist, wobei ein Sensorelement (5, 5', 5'', 5''') in der Dotierwanne angeordnet ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran wenigstens einen Graben aufweist, wobei wenigstens zwei Sensorelemente (5, 5', 5'', 5''') durch den Graben voneinander elektrisch isoliert sind.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gräben durch Ätzverfahren hergestellt vorgesehen sind.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (5, 5', 5'', 5''') Dioden umfassen und/oder dass die Membran (4) gegenüber dem Substrat (2) thermisch entkoppelt vorgesehen ist.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) mittels Federelementen (6) an dem Substrat (2) befestigt vorgesehen sind.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Sensorelementen (5, 5', 5'', 5''') mittels Leiterbahnen (7) elektrisch kontaktiert sind, wobei vorzugsweise die Leiterbahnen (7) zumindest teilweise auf den Federelementen (6) angeordnet sind.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Membran (4) vier Sensorelemente (5, 5', 5'', 5'''), insbesondere in zwei Reihen und in zwei Spalten, angeordnet sind.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) einen Sensor zur ortsaufgelösten Detektion, insbesondere von Temperatur, Strahlung und/oder eines Fingerabdruckes, und/oder einen Sensor zur Detektion einer Gaskonzentration umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der Mehrzahl von in Reihe geschalteten Sensorelementen von einer Auswerteschaltung gleichzeitig ausgelesen werden.