DE102017208048B3 - Micromechanical pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Mikromechanischer Drucksensor (100), aufweisend:
- einen Drucksensorrahmen;
- einen Drucksensorkern mit einer Sensormembran (10), wobei die Sensormembran (10) mittels wenigstens eines Federelements (11... 14) vom Drucksensorrahmen entkoppelt ist;
- wobei in dem wenigstens einen Federelement (11... 14) wenigstens abschnittsweise eine spröde elektrische Detektionsleitung (50) angeordnet ist;
- wobei mittels eines durch die Detektionsleitung (50) geführten elektrischen Detektionsstroms ein Bruch des wenigstens einen Federelements (11... 14) detektierbar ist.
Micromechanical pressure sensor (100), comprising:
a pressure sensor frame;
- A pressure sensor core with a sensor membrane (10), wherein the sensor membrane (10) by means of at least one spring element (11 ... 14) is decoupled from the pressure sensor frame;
- Wherein in the at least one spring element (11 ... 14) at least in sections a brittle electrical detection line (50) is arranged;
- By means of a guided through the detection line (50) electrical detection current, a fraction of the at least one spring element (11 ... 14) is detectable.
Description
Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drucksensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors.The invention relates to a micromechanical pressure sensor. The invention further relates to a method for producing a micromechanical pressure sensor.
Stand der TechnikState of the art
MEMS-Drucksensoren bestehen üblicherweise aus einer Silizium-Membran, deren Auslenkung entweder mittels piezoresistiver Widerstände oder durch kapazitive Ausleseverfahren bestimmt wird und mittels einer Transferfunktion in Druck umgerechnet wird. Piezoresistive Widerstände haben hierbei den Nachteil, dass sie querempfindlich gegenüber Stress aus dem Package oder der Leiterplatte sind. Deshalb ist eine Stressentkopplung bekannt, wobei hierzu neuerdings Federn aus Silizium in MEMS-Technologie verwendet werden.MEMS pressure sensors usually consist of a silicon diaphragm, the deflection of which is determined either by means of piezoresistive resistors or by capacitive readout methods and converted into pressure by means of a transfer function. Piezoresistive resistors have the disadvantage that they are cross-sensitive to stress from the package or the printed circuit board. Therefore, a stress decoupling is known, for which purpose recently springs made of silicon in MEMS technology are used.
Moderne Verpackungstechniken machen es erforderlich, den drucksensitiven Teil eines Drucksensors in Form einer Drucksensormembran mittels spezieller Federdesigns zum restlichen Teil des Sensors mechanisch zu entkoppeln und damit unabhängig von AVT-Einflüssen (Aufbau- und Verbindungstechnik) zu machen. Externe Quereinflüsse, welche den Drucksensor unter mechanischen Stress (z.B. Verbiegung) setzen, sind zum Beispiel mechanische Verspannungen aufgrund eines Moldprozesses, ein Aufbau mit mehreren Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Stress durch Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Leiterplatte, usw.Modern packaging techniques make it necessary to mechanically decouple the pressure-sensitive part of a pressure sensor in the form of a pressure sensor membrane by means of special spring designs to the remaining part of the sensor and thus to make independent of AVT influences (assembly and connection technology). External cross influences which put the pressure sensor under mechanical stress (e.g., bending) are, for example, mechanical stresses due to a molding process, a multi-material structure with different coefficients of thermal expansion, stress due to solder joints of the built sensor on an external circuit board, etc.
Ein Bruch dieser Federn ist derzeit nicht sicher detektierbar, da das spröde Silizium brechen kann, die metallischen Leiterbahnen mit duktilen Eigenschaften aber, trotz gebrochenem Silizium, weiterhin in einem unzuverlässigen elektrischen Kontakt verbleiben können.Breakage of these springs is currently not reliably detectable, since the brittle silicon can break, but the metallic interconnects with ductile properties, despite broken silicon, can continue to remain in an unreliable electrical contact.
Ein mikromechanischer Drucksensor, bei dem eine Druckdifferenz in Abhängigkeit von einer Verformung einer Sensormembran gemessen wird, ist z.B. aus
Ein Drucksensor mit einem Widerstandsmäander auf der Sensorfläche ist aus der
Aus der Schrift
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Aus den Schriften
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, mikromechanischen Drucksensor bereit zu stellen, bei dem gebrochene Federstrukturen detektierbar sind.It is an object of the present invention to provide an improved micromechanical pressure sensor in which broken spring structures are detectable.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen Drucksensor, aufweisend:
- - einen Drucksensorrahmen;
- - einen Drucksensorkern mit einer Sensormembran, wobei die Sensormembran mittels wenigstens eines Federelements vom Drucksensorrahmen entkoppelt ist;
- - wobei in dem wenigstens einen Federelement wenigstens abschnittsweise eine spröde elektrische Detektionsleitung angeordnet ist;
- - wobei mittels eines durch die Detektionsleitung geführten elektrischen Detektionsstroms ein Bruch des wenigstens einen Federelements detektierbar ist.
- a pressure sensor frame;
- a pressure sensor core with a sensor membrane, wherein the sensor membrane is decoupled from the pressure sensor frame by means of at least one spring element;
- - Wherein in the at least one spring element at least in sections, a brittle electrical detection line is arranged;
- - Wherein a break of the at least one spring element is detectable by means of a guided through the detection line electrical detection current.
Auf diese Weise kann mit einer einfach durchzuführenden elektrischen Widerstandsmessung der spröden elektrischen Detektionsleitung erkannt werden, ob ein Federelement des mikromechanischen Drucksensors gebrochen ist oder nicht. Vorteilhaft sind für diesen Zweck keine zusätzlichen Anschlusspads vorzusehen, da die bereits vorhandenen Kontakte für die Druckauswerteschaltung genutzt werden können.In this way it can be detected with a simple electrical resistance measurement of the brittle electrical detection line, whether a spring element of the micromechanical pressure sensor is broken or not. No additional connection pads are advantageous for this purpose, since the existing contacts for the pressure evaluation circuit can be used.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Drucksensorrahmens;
- - Bereitstellen eines Drucksensorkerns mit einer Sensormembran, wobei die Sensormembran mittels wenigstens eines Federelements vom Drucksensorrahmen entkoppelt ist;
- - wobei in dem wenigstens einen Federelement wenigstens abschnittsweise eine spröde elektrische Detektionsleitung angeordnet wird;
- - wobei die Detektionsleitung derart ausgebildet wird, dass mittels eines Führens eines elektrischen Detektionsstroms durch die spröde elektrische Detektionsleitung ein Bruch des wenigstens einen Federelements detektierbar ist.
- - Providing a pressure sensor frame;
- - Providing a pressure sensor core with a sensor membrane, wherein the sensor membrane is decoupled by means of at least one spring element of the pressure sensor frame;
- - Wherein in the at least one spring element at least partially a brittle electrical detection line is arranged;
- - Wherein the detection line is formed such that by means of passing an electrical detection current through the brittle electrical detection line a breakage of the at least one spring element is detectable.
Bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Drucksensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.Preferred embodiments of the micromechanical pressure sensor are the subject of dependent claims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die spröde elektrische Detektionsleitung zwischen einem Ansteuerkontakt einer Diode und einem Ansteuerkontakt einer Druckauswerteschaltung verschaltet ist, wobei zur Erzeugung des Dektektionsstroms eine elektrische Detektionsspannung derart an die Detektionsleitung anlegbar ist, dass die Diode in Sperrrichtung betrieben wird. Auf diese Weise können Kontakte zum Ansteuern eines Temperaturerfassungselements in Form einer Diode und einer Druckauswerteschaltung für eine Durchführung einer Widerstandsmessung der spröden elektrischen Detektionsleitung genutzt werden.According to the invention, the brittle electrical detection line is connected between a drive contact of a diode and a drive contact of a pressure evaluation circuit, wherein an electrical detection voltage can be applied to the detection line in such a way that the diode is operated in the reverse direction to generate the detection current. In this way, contacts for driving a temperature sensing element in the form of a diode and a pressure evaluation circuit for performing a resistance measurement of the brittle electrical detection line can be used.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Druckauswerteschaltung eine Wheatstone-Brücke ist. Auf diese Weise kann ein Ansteuerkontakt zum Ansteuern der Wheatstone-Brücke auch zum Anlegen einer Detektionsspannung an die Detektionsleitung genutzt werden.According to the invention, it is provided that the pressure evaluation circuit is a Wheatstone bridge. In this way, a control contact for driving the Wheatstone bridge can also be used to apply a detection voltage to the detection line.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des mikromechanischen Drucksensors sehen vor, dass ein Widerstandswert der spröden elektrischen Detektionsleitung um einen Faktor ca. 20 bis ca. 10.000, vorzugsweise ca. 800 bis ca. 2.000, noch mehr bevorzugt ca. 1.000 grösser ist als ein Widerstandswert der Diode. Auf diese Weise werden vorteilhafte Widerstandswerte für die spröde elektrische Detektionsleiterbahn bereitgestellt, mit denen ein Bruch des Federelements sicher von einer ordnungsgemäßen Funktionalität unterscheidbar ist.Further preferred embodiments of the micromechanical pressure sensor provide that a resistance value of the brittle electrical detection line is larger by a factor of about 20 to about 10,000, preferably about 800 to about 2,000, more preferably about 1,000, than a resistance value of the diode. In this way, advantageous resistance values are provided for the brittle electrical detection trace, with which a break of the spring element can be reliably distinguished from a proper functionality.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors sieht vor, dass an die spröde elektrische Detektionsleitung eine elektrische Detektionsspannung zwischen Ansteuerkontakte zum Auslesen einer Brückenspannung einer Wheatstone-Brücke anlegbar ist. Dabei wird ausgenutzt, dass die elektrische Brückenspannung der Wheatstone-Brücke im Wesentlichen stromlos erfasst wird und eine gegenüber duktilen, metallischen Detektionsleitungen meist hochohmigere, spröde Detektionsleitung die Messung der elektrischen Brückenspannung der Wheatstone-Brücke nur geringfügig beeinflusst.A further preferred embodiment of the micromechanical pressure sensor provides that an electrical detection voltage between control contacts for reading a bridge voltage of a Wheatstone bridge can be applied to the brittle electrical detection line. It is exploited that the electrical bridge voltage of the Wheatstone bridge is detected substantially de-energized and compared to ductile, metallic detection lines usually high-impedance, brittle detection line affects the measurement of the electrical bridge voltage of the Wheatstone bridge only slightly.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors zeichnet sich dadurch aus, dass die spröde elektrische Detektionsleitung in dem wenigstens einen Federelement wenigstens einfach geführt ist. Dadurch ist eine hohe Designvielfalt bei der Leitungsführung der spröden elektrischen Detektionsleitung unterstützt, wodurch eine hohe Detektionsgüte des Drucksensors betreffend Federbruch realisiert ist.Another preferred embodiment of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the brittle electrical detection line in the at least one spring element is guided at least simply. As a result, a high degree of design diversity in the routing of the brittle electrical detection line is supported, whereby a high detection quality of the pressure sensor is realized regarding spring break.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die spröde elektrische Detektionsleitung ein in das Federelement eindiffundierter Halbleiterwiderstand ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine nicht-duktile Struktur bereitgestellt, die gebrochene Silizium-Strukturen sensieren kann.A further preferred embodiment of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the brittle electrical detection line is a semiconductor resistor diffused into the spring element. In this way, it is advantageous to provide a non-ductile structure that can sense broken silicon structures.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Drucksensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die spröde elektrische Detektionsleitung eine silizidierte Metallleiterbahn ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine alternative Variante für die spröde elektrische Detektionsleitung bereitgestellt, wodurch eine Designvielfalt für den mikromechanischen Drucksensor erhöht ist.A further preferred embodiment of the micromechanical pressure sensor is characterized in that the brittle electrical detection line is a silicided metal conductor track. In this way, an alternative variant for the brittle electrical detection line is advantageously provided, whereby a design variety for the micromechanical pressure sensor is increased.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben darin gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.The invention will be described below with further features and advantages with reference to several figures in detail. Identical or functionally identical elements have the same reference numerals therein. The figures are particularly intended to illustrate the principles essential to the invention and are not necessarily to scale. For better clarity, it can be provided that not all the figures in all figures are marked.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen Drucksensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und technischen Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Drucksensors ergeben und umgekehrt.Disclosed method features are analogous to corresponding disclosed device features and vice versa. This means, in particular, that features, technical advantages and embodiments relating to the micromechanical pressure sensor result analogously from corresponding embodiments, features and technical advantages relating to the method for producing a micromechanical pressure sensor and vice versa.
In den Figuren zeigt:
-
1 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensors; -
2 den mikromechanischen Drucksensor von1 in einem höheren Detaillierungsgrad; -
3 eine prinzipielle Darstellung einer weiteren Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensors; und -
4 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen Drucksensors.
-
1 a schematic representation of an embodiment of a proposed micromechanical pressure sensor; -
2 the micromechanical pressure sensor of1 in a higher level of detail; -
3 a schematic representation of another embodiment of the proposed micromechanical pressure sensor; and -
4 a basic sequence of an embodiment of a method for producing a proposed micromechanical pressure sensor.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Externe mechanische Quereinflüsse, welche einen mikromechanischen Drucksensor unter mechanischen Stress (z.B. Verbiegung) setzen, sind z.B. eine mechanische Verspannung aufgrund eines Moldprozesses, und/oder ein Aufbau mit einem Materialmix mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder Stress durch Lötverbindungen des aufgebauten Sensors auf einer externen Kunden-Leiterplatte. Soweit diese verbiegenden Einflüsse auf den Drucksensorkern des mikromechanischen Drucksensors gelangen, können sie in einem fehlerhaften Drucksignal resultieren.External mechanical transients which place a micromechanical pressure sensor under mechanical stress (e.g., bending) are e.g. a mechanical stress due to a molding process, and / or a construction having a material mix with different coefficients of thermal expansion and / or stress due to solder joints of the assembled sensor on an external customer printed circuit board. As far as these bending influences reach the pressure sensor core of the micromechanical pressure sensor, they can result in a faulty pressure signal.
Vorgesehen ist daher, Federelemente derart auszulegen bzw. anzuordnen, dass sie einen Drucksensorkern mechanisch von einem Drucksensorrahmen des mikromechanischen Drucksensors entkoppeln, wobei die genannten Federelemente die mechanischen Verspannungen aufnehmen können.It is therefore provided to design or arrange spring elements such that they mechanically decouple a pressure sensor core from a pressure sensor frame of the micromechanical pressure sensor, wherein said spring elements can absorb the mechanical stresses.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Bereitstellung eines verbesserten, insbesondere eines robusten und stressentkoppelten mikromechanischen Drucksensors, für den ein einfaches und sicheres Detektieren von gebrochenen Federelementen möglich ist.A central idea of the present invention is in particular a provision of an improved, in particular a robust and stress-decoupled micromechanical pressure sensor, for which a simple and reliable detection of broken spring elements is possible.
Vorgeschlagen wird zu diesem Zweck ein Anordnen einer spröden elektrischen Detektionsleiterbahn 50 auf bzw. in den Silizium-Federelementen, wobei die spröde Detektionsleiterbahn
Dabei ist der Widerstandswert der genannten spröden elektrischen Detektionsleiterbahn 50 um einen Faktor ca. 20 bis ca. 10.000, bevorzugt ca. 800 bis ca. 2000, noch mehr bevorzugt ca. 1.000 größer als ein Widerstandswert einer Diode 40, die zu einer Temperaturerfassung vorgesehen ist, bzw. des Eingangswiderstandes der Druckauswerteschaltung. Die genannte elektrische Widerstandsmessung der spröden Detektionsleitung
Vorteilhaft ermöglicht dies im Ergebnis ein Aussortieren von Bauteilen mit gebrochenen Federelementen beim ohnehin erforderlichen elektrischen End-of-Line-Test in der Herstellung des mikromechanischen Drucksensors. Ferner ist vorteilhaft auch kein zusätzliches Anschlusspad auf einem MEMS-Element und einem ASIC des mikromechanischen Drucksensors erforderlich, was vorteilhaft in einer Flächen- und Kostenersparnis resultiert.As a result, this advantageously makes it possible to sort out components with broken spring elements in the case of the anyway required electrical end-of-line test in the manufacture of the micromechanical pressure sensor. Furthermore, advantageously no additional connection pad on a MEMS element and an ASIC of the micromechanical pressure sensor is required, which advantageously results in a space and cost savings.
Vorteilhaft kann die spröde elektrische Detektionsleitung
Die spröde elektrische Detektionsleitung
Beispielhaft weist ein Brückenwiderstand R der Wheatstone-Brücke einen Widerstandswert von 1 kΩ auf. Ein Widerstandswert der Diode
Ein Widerstandswert der spröden elektrischen Detektionsleitung
Der Gesamtwiderstand der Wheatstone-Brücke in Höhe von ca. 1 kΩ ist gegenüber dem Widerstand der Diode
Im Falle einer Temperaturmessung mit der Diode
Im Falle der Detektionsmessung der Federelemente
Im Falle eines gebrochenen Federelements
Der mikromechanische Drucksensor
Statt die spröde elektrische Detektionsleitung
Die spröde Detektionsleitung
Statt die Druckauswerteschaltung
Der elektrische Widerstand der spröden elektrischen Detektionsleitung
In diesem Fall ist vorzugsweise vorgesehen, die spröde elektrische Detektionsleitung 50 als eine silizidierte, d.h. spröde Metallleiterbahn auszubilden, die zwischen die Ansteuerkontakte
Für die Detektionsmessung wird die elektrische Detektionsspannung UDet zwischen den Ansteuerkontakten
Statt einer Diode
Vorteilhaft sind bei beiden vorgehend erläuterten Ausführungsformen eine Ausgestaltung der spröden elektrischen Detektionsleitung
In einem Schritt
In einem Schritt
In einem Schritt
Obwohl vorgehend die Erfindung anhand eines piezoresistiven mikromechanischen Drucksensors beschrieben wurde, ist es auch denkbar, dass der mikromechanische Drucksensor kapazitiv ausgebildet ist.Although the invention has been described above with reference to a piezoresistive micromechanical pressure sensor, it is also conceivable that the micromechanical pressure sensor is capacitively formed.
Der Fachmann kann also vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen der Erfindung realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Thus, the person skilled in the art can realize previously or only partially disclosed embodiments of the invention without deviating from the gist of the invention.
Claims (6)
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- 2017-05-12 DE DE102017208048.5A patent/DE102017208048B3/en active Active
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Legal Events
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