DE102017214846A1

DE102017214846A1 - Gehäustes MEMS Bauteil mit Störgrößenkompensation

Info

Publication number: DE102017214846A1
Application number: DE102017214846.2A
Authority: DE
Inventors: Franz Michael Darrer; Philipp GREINER; Marcus Edward Hennecke; Benjamin Kollmitzer; Walter Schuchter; Christoph Steiner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-02-28
Also published as: US10921206B2; US20190064026A1

Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung (10), die unter anderem ein MEMS Bauteil (14) mit einer ersten Messanordnung (27) zum Erfassen einer auf einer physikalischen Größe basierenden Messgröße (X₁), die einen Nutzgrößenanteil (N₁) und einen ersten Störgrößenanteil (Z₁) aufweist, und einer zweiten Messanordnung (35) zum Erfassen eines zweiten Störgrößenanteils (Z₂) aufweist. Die Vorrichtung (10) weist ferner eine Störgrößenkompensationsschaltung (13) auf, die ausgebildet ist, um den zweiten Störgrößenanteil (Z₂) und die Messgröße (X₁) miteinander zu kombinieren und eine störgrößenkompensierte Messgröße (X_comp) zu erhalten. Das MEMS Bauteil (14) ist in einem Gehäuse (15) angeordnet, wobei das MEMS Bauteil (14) mit mindestens 50% einer MEMS Bauteiloberfläche (17₁, 17₂) mit dem Gehäuse (15) in unmittelbarem mechanischem Kontakt ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung, die ein gehäustes MEMS Bauteil mit einer Störgrößenkompensationsschaltung aufweist, zum Beispiel für eine Kompensation von mechanischem Stress auf einen piezoresistiven Drucksensor.
Sensoren im Allgemeinen können gegenüber mechanischer Belastung inhärent empfindlich sein, beispielsweise piezoresistive Drucksensoren. Deren Erfassungsprinzip beruht auf dem piezoresistiven Effekt, der die Veränderung des spezifischen Widerstands eines Materials in Bezug auf mechanische Spannung beschreibt.
Mechanische Spannung kann beispielsweise durch angelegten Druck entstehen, welcher eine Membran auslenkt. Die durch eine solche Membranauslenkung verursachte mechanische Spannung kann durch Piezowiderstände in eine elektrische Spannung übersetzt werden.
Auf die Membran wirkende Druckunterschiede sind im Allgemeinen jedoch nicht die alleinige Ursache mechanischer Spannung. Jegliche äußere Kraft, die auf einen Sensorchip wirkt, kann die auf die zuvor erwähnten piezoresistiven Elemente wirkende mechanische Spannung verändern, wodurch die Ausgabe eines solchen Sensors beeinflusst werden kann. Solche Kräfte können zum Beispiel durch thermomechanische Belastung infolge des Lötprozesses, aus der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Komponenten einer integrierten Schaltung (Vergussmasse, Halbleitermaterial, Chipdrähte usw.), aus dem Aufquellen aufgrund von Luftfeuchtigkeit oder durch andere äußere Kräfte verursacht werden.
Bei konventionellen TPMS Drucksensoren (TPMS: Tire Pressure Monitoring System, Reifendrucküberwachungssystem) werden die sensiblen Elemente üblicherweise mechanisch - unter Verwendung weicher gelartiger Materialien wie Silikonklebstoffen und sogenannter Glob-Top-Materialien - entkoppelt. Dies verringert die unerwünschten mechanischen Spannungen, welche in die sensiblen Elemente eingebracht werden. Allerdings erschwert die Verwendung solch weicher Materialien die Montage und erhöht die Montagekosten.
Es wäre daher wünschenswert, trotz einfacherer Gehäusekonzepte den Einfluss unerwünschter mechanischer Spannungen zu reduzieren, und die Produktionskosten bei gleichzeitig geringem Montageaufwand und einem hohen Ertrag in der Herstellung reduzieren zu können.
Dies kann beispielsweise mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 erreicht werden. Denkbare Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Einige exemplarische Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug auf die einzelnen Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
2A eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung mit weichem beziehungsweise elastischem Material zwischen Gehäuse und Bauteil,
2B eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
3 eine schematische Darstellung eines Chip-Layouts zur Verwendung für eine Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
4 eine schematische Darstellung einer Wheatstone-Brückenschaltung zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels,
5A ein Diagramm zur Darstellung der Querempfindlichkeit eines Drucksensors gegenüber isotroper mechanischer Kompression,
5B ein Diagramm zur Darstellung des Messfehlers für 24 unterschiedliche Sensoren einer Charge im Vergleich zu experimentell abgeleiteten Werten,
6A ein Diagramm zur Darstellung der Richtungsabhängigkeit der Querempfindlichkeit eines Drucksensors gegenüber extern angelegter Normalspannung von 900 kPa in x-Richtung (1,0,0),
6B ein Diagramm zur Darstellung der Richtungsabhängigkeit der Querempfindlichkeit eines Drucksensors gegenüber extern angelegter Normalspannung von 900 kPa in y-Richtung (0,1,0), und
6C ein Diagramm zur Darstellung der Richtungsabhängigkeit der Querempfindlichkeit eines Drucksensors gegenüber extern angelegter Normalspannung von 900 kPa in z-Richtung (0,0,1).

1 zeigt den Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Die Vorrichtung 10 weist ein MEMS Bauteil 14 (MEMS - engl.: Micro Electro Mechanical System - dt.: Mikrosystem) auf. Das MEMS Bauteil 14 weist eine erste Messanordnung 27 zum Erfassen einer auf einer physikalischen Größe basierenden Messgröße X₁ auf. Diese Messgröße X₁ kann einen Nutzgrößenanteil N₁ und einen ersten Störgrößenanteil Z₁ aufweisen.
Das MEMS Bauteil 14 weist ferner eine zweite Messanordnung 35 auf. Die zweite Messanordnung 35 ist ausgebildet, um zumindest einen zweiten Störgrößenanteil Z₂ zu erfassen. In anderen Worten kann die zweite Messanordnung 35 dazu ausgebildet sein, eine zweite, auf einer physikalischen Größe basierenden, zweite Messgröße X₂ zu erfassen. Diese zweite Messgröße X₂ wiederum kann den zuvor erwähnten zweiten Störgrößenanteil Z₂ aufweisen.
Das MEMS Bauteil 14 weist außerdem eine Störgrößenkompensationsschaltung 13 auf. Die Störgrößenkompensationsschaltung 13 ist ausgebildet, um den zweiten Störgrößenanteil Z₂ und die mittels der ersten Messanordnung 27 erfasste Messgröße X₁ miteinander zu kombinieren und eine störgrößenkompensierte Messgröße X_comp zu erhalten.
In anderen Worten kann die Störgrößenkompensationsschaltung 13 dazu ausgebildet sein, um beispielsweise die mittels der zweiten Messanordnung 35 erfasste zweite Störgröße Z₂ , je nach derem mathematischen Vorzeichen, von der mittels der ersten Messanordnung 27 erfassten Messgröße X₁ zu subtrahieren oder zu dieser hinzu zu addieren. Die mittels der ersten Messanordnung 27 erfasste Messgröße X₁ kann somit um den Betrag der zweiten Störgröße Z₂ reduziert beziehungsweise kompensiert werden. Als Ergebnis erhält man eine störgrößenkompensierte Messgröße X_comp , die im Vergleich zu der ersten Messgröße X₁ eine geringere Abhängigkeit bezüglich der Störgröße Z₂ aufweist. Dies wird im Sinne der vorliegenden Offenbarung auch als Störgrößenkompensation bezeichnet.
Mathematisch kann dies zum Beispiel wie folgt ausgedrückt werden: $\begin{matrix} X_{c o m p} = X_{1} - Z_{2}, & w o b e i & X_{1} = N_{1} + Z_{1} \end{matrix}$
Weitere mathematische Details zu dieser Störgrößenkompensation werden später im Text näher erläutert werden.
Wie in 1 außerdem zu erkennen ist, ist das MEMS Bauteil 14 in einem Gehäuse 15 angeordnet. Das MEMS Bauteil 14 ist hierbei mit mindestens 50 % einer MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ mit dem Gehäuse 15 in unmittelbarem mechanischem Kontakt.
In anderen Worten weist das MEMS Bauteil 14 mindestens eine MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ auf. Unter einer MEMS Bauteiloberfläche ist die geometrische Oberfläche des MEMS Bauteils 14 zu verstehen. Wenn also das MEMS Bauteil 14 beispielsweise eine würfelförmige Struktur aufwiese, dann würde das MEMS Bauteil 14 insgesamt sechs geometrische Oberflächen aufweisen, die in diesem Fall als MEMS Bauteiloberflächen bezeichnet werden würden. Die gesamte MEMS Bauteiloberfläche würde demnach sechs einzelne MEMS Bauteiloberflächen aufweisen. Die gesamte MEMS Bauteiloberfläche 17 kann also mehrere einzelne Bauteiloberflächen 17₁ , 17₂ aufweisen oder beinhalten, beziehungsweise aus mehreren einzelnen Bauteiloberflächen 17₁ , 17₂ bestehen.
Wie eingangs erwähnt, ist das MEMS Bauteil 14 mit mindestens 50 % einer MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ mit dem Gehäuse 15 in unmittelbarem mechanischem Kontakt. Dies ist in 1 mit den Bezugszeichen 16a und 16b veranschaulicht.
Das in 1 lediglich beispielhaft rechteckig ausgebildete MEMS Bauteil 14 weist eine erste MEMS Bauteiloberfläche 17₁ und eine zweite MEMS Bauteiloberfläche 17₂ auf. Das Gehäuse 15 weist eine im Gehäuseinnenraum angeordnete, d.h. dem MEMS Bauteil 14 zugewandte, erste und zweite Gehäuseoberfläche 18₁ , 18₂ auf. Wie zu erkennen ist, ist die erste MEMS Bauteiloberfläche 17₁ in direktem mechanischen Kontakt mit der ersten Gehäuseoberfläche 18₁ des Gehäuses 15. Hierbei sind mindestens 50% der ersten MEMS Bauteiloberfläche 17₁ mit der ersten Gehäuseoberfläche 18₁ des Gehäuses 15 in direktem mechanischem Kontakt.
In dem in 1 lediglich beispielhaft abgebildeten Fall ist die erste MEMS Bauteiloberfläche 17₁ vollständig, d.h. zu 100 %, mit der ersten Gehäuseoberfläche 18₁ des Gehäuses 15 in direktem mechanischem Kontakt, und die zweite MEMS Bauteiloberfläche 17₂ ist vollständig, d.h. zu 100 %, mit der zweiten Gehäuseoberfläche 18₂ des Gehäuses 15 in direktem mechanischem Kontakt. Allgemeiner formuliert können Ausführungsbeispiele vorsehen, dass eine MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ vollständig, d.h. zu 100 %, mit dem Gehäuse 15 in direktem mechanischem Kontakt steht.
Weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das MEMS Bauteil 14 mit mindestens 75 % einer MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ , oder mit mindestens 80% einer MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ , oder mit mindestens 90 % einer MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ mit dem Gehäuse 15 in direktem mechanischen Kontakt ist. Wiederum weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das MEMS Bauteil 14 mit mindestens 50 %, oder 75 %, oder 80 %, oder 90 % seiner gesamten MEMS Bauteiloberfläche 17 mit dem Gehäuse 15 in unmittelbarem mechanischem Kontakt ist. Wie eingangs erwähnt, setzt sich die gesamte MEMS Bauteiloberfläche 17 aus den einzelnen MEMS Bauteiloberflächen 17₁ , 17₂ usw. zusammen. Die Anzahl der einzelnen MEMS Bauteiloberflächen 17₁ , 17₂ usw. ist abhängig von der Geometrie beziehungsweise Form des MEMS Bauteils 14.
Wiederum weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das MEMS Bauteil 14 mit seiner gesamten Bauteiloberfläche 17 vollständig, d.h. zu 100 %, mit dem Gehäuse 15 in unmittelbarem mechanischem Kontakt ist.
Unter einem direkten mechanischen Kontakt ist zu verstehen, dass die entsprechende MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ direkt und unmittelbar an das Gehäuse 15 (beziehungsweise an eine Gehäusefläche 18₁ , 18₂ ) angrenzt und diese berührt. In anderen Worten ist zwischen der entsprechenden MEMS Bauteiloberfläche 17₁ , 17₂ und dem Gehäuse 15 (beziehungsweise der entsprechenden Gehäusefläche 18₁ , 18₂ ) kein weiteres zusätzliches Material angeordnet.
Beispielsweise ist zwischen dem MEMS Bauteil 14 und dem Gehäuse 15 kein zusätzliches weiches beziehungsweise elastisches Material angeordnet, das üblicher Weise zur mechanischen Entkopplung von auf das MEMS Bauteil 14 einwirkendem mechanischem Stress Verwendung findet, wie eingangs beschrieben wurde. Dabei kann mit dem hierin beschriebenen Konzept zum Beispiel auf das eingangs erwähnte Aufbringen von Glob-Top Material zwischen dem MEMS Bauteil 14 und dem Gehäuse 15 verzichtet werden.
Ebenso kann auf andere weiche beziehungsweise elastische Materialien, wie zum Beispiel Silikon, Silikonkleber oder Gel verzichtet werden.
Die oben beschriebenen elastischen beziehungsweise weichen Materialien können Elastizitätsmoduln (kurz: E-Moduln) von unter 100 MPa aufweisen. Das Gehäuse 15 hingegen kann im Vergleich zu diesen weichen beziehungsweise elastischen Materialien, wie z.B. Glob-Top, härter beziehungsweise unelastischer sein. Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das Gehäuse 15 ein Material mit einem E-Modul von mindestens 100 MPa aufweist. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Vielzahl gängiger Kunststoffe handeln, die eine starre Struktur aufweisen und daher auch als Hartplastik bezeichnet werden können.
In Montageprozessen verwendete Glob-Top Materialien hingegen weisen einen E-Modul von ca. 30 kPa auf und sind somit also um bis zu fünf Größenordnungen weicher als das hier beschriebene Gehäuse 15.
Weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das Gehäuse 15 ein Material mit einem E-Modul von mindestens 1000 MPa aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise um Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) handeln.
Wiederum weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das Gehäuse 15 ein Material mit einem E-Modul von mindestens 3 GPa aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise um thermoplastischen Polyester (PET), Polyvinylchlorid (PVC), Polyetherimid (PEI), Polyamid oder Plexiglas beziehungsweise Acrylglas (PMMA) handeln.
Wiederum weitere Ausführungsbeispiele sehen vor, dass das Gehäuse 15 ein Material mit einem E-Modul von mindestens 10 GPa, oder sogar von mindestens 25 GPa aufweist.
Bei den oben genannten Materialien kann es sich beispielsweise um Gehäuse-Vergussmassen handeln. Diese werden auf das MEMS Bauteil 14 aufgetragen und formen nach Aushärtung ein hartes Gehäuse 15 um das MEMS Bauteil 14 aus. In anderen Worten kann das MEMS Bauteil 14 mit einer solchen Gehäuse-Vergussmasse vergossen sein.
Mit dem hier vorgestellten Konzept wird also unter anderem vorgeschlagen, den zuvor erläuterten Glob-Top-Prozess auszulassen und anstatt dessen eine ungewollte mechanische Spannung zu erfassen und diese zu korrigieren. Das Messen der mechanischen Spannung in dem Sensorchip kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen, wie nachfolgend näher beschrieben werden soll.
Im Folgenden werden Drucksensoren als ein Beispiel für das MEMS Bauteil 14 erwähnt. Das MEMS Bauteil 14 kann jedoch auch als ein anderer Sensor zum Erfassen einer auf einer physikalischen Größe basierenden Messgröße ausgebildet sein.
So zeigt beispielsweise 2A einen Drucksensor 14, der in einem Gehäuse 15 angeordnet ist. Zwischen dem Drucksensor 14 und dem Gehäuse 15 ist ein Glob-Top Material 21 angeordnet. Zur Verdeutlichung ist das Glob-Top Material 21 hier in Kreuzschraffur dargestellt.
Der hier lediglich beispielhaft abgebildete Drucksensor 14 besteht aus einer Siliziumschicht 29, welche durch zwei Glasschichten 25 und 31 eingefasst wird. In anderen Worten ist die abgebildete Siliziumschicht 29 zwischen einer ersten Glasschicht 25 und einer zweiten Glasschicht 31 angeordnet. Auf einer Seite der Siliziumschicht 29 ist eine Referenzkavität 26 in der ersten Glasschicht 25 ausgebildet.
Die der Siliziumschicht 29 gegenüberliegende Seite der zweiten Glasschicht 31 kann mittels eines Klebstoffs 32 an einem Leiterrahmen 33 angeordnet sein.
Der Leiterrahmen 33 wiederum kann, wie abgebildet, mit dem Gehäuse 15 starr verbunden sein. Auf der dem Leiterrahmen 33 gegenüberliegenden Seite des Drucksensors 14 ist eine Schaltung 23, zum Beispiel ein ASIC, mittels eines Klebstoffs 24 angeordnet. Die Schaltung 23 ist mittels Bonddrähte 22 mit dem Leiterrahmen 33 gekoppelt. Die Schaltung 23 kann beispielsweise die Störgrößenkompensationsschaltung 13 aufweisen.
Der Drucksensor 14 und das Gehäuse 15 weisen jeweils einen Fluidport 30, 34 auf, wobei beide fluidisch miteinander gekoppelt sind. Zum Beispiel weist die zweite Glasschicht 31 des Drucksensors 14 eine sich durch die zweite Glasschicht 31 vollständig hindurch erstreckende Öffnung 36 auf. Diese Öffnung 36 erstreckt sich von der dem Leiterrahmen 33 zugewandten Seite der zweiten Glasschicht 31 bis zu der der Siliziumschicht 29 zugewandten Seite der zweiten Glasschicht 31.
Die Siliziumschicht 29 ist zumindest abschnittsweise in einem Bereich 28 auf einer Seite, die der ersten bzw. oberen Glasschicht 25 zugewandt ist, rückgedünnt im Vergleich zur übrigen Gesamtdicke der Siliziumschicht 29. Dieser rückgedünnte Bereich 28 kann eine Membran, in diesem Beispiel eine Siliziummembran 28, ausbilden. Auf dieser Membran 28 ist eine erste Messanordnung 27 angeordnet. Die erste Messanordnung 27 kann Druck messende Elemente, zum Beispiel piezoresistive Elemente, aufweisen.
Die in der zweiten Glasschicht 31 ausgebildete Öffnung 36 und die durch die Rückdünnung der Siliziumschicht 29 entstehende Kavität unterhalb der Membran 28 bilden zusammen den Fluidport 30 des Drucksensors 14.
Das Gehäuse 15 weist auf der dem Fluidport 30 des Drucksensors 14 zugewandten Seite eine Öffnung 34 auf, die auch als Fluidport 34 des Gehäuses 15 bezeichnet werden kann. In dem Leiterrahmen 33 kann, bei Bedarf, ebenfalls eine Öffnung 37 vorgesehen sein. Diese Öffnung 37 verbindet den Fluidport 30 des Drucksensors 14 fluidisch mit dem Fluidport 34 des Gehäuses 15.
So kann beispielsweise Umgebungsluft von der Umgebung durch den Fluidport 34 des Gehäuses 15, durch die Öffnung 37 im Leiterrahmen 33 und durch den Fluidport 30 des Drucksensors 14 zu der Membran 28 strömen. Die Membran 28 wird ausgelenkt und diese Auslenkung kann dann wiederum mittels der ersten Messanordnung 27 (z.B. piezoresistive Elemente) erfasst werden.
Bei dieser Druckmessung können allerdings Störgrößen auftreten. Diese Störgrößen können beispielsweise durch auf den Drucksensor 14 beziehungsweise das Gehäuse 15 einwirkende mechanische Spannungen bedingt sein. Es ist wünschenswert, diese Störgrößen zu reduzieren beziehungsweise zu kompensieren, um ein möglichst unverfälschtes Ergebnis der Druckmessung zu erhalten.
Bei dem in 2A abgebildeten Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass der Drucksensor 14 von dem Gehäuse 15 mechanisch entkoppelt wird. Hierfür ist, wie zuvor erwähnt, Glob-Top Material 21 zwischen dem Drucksensor 14 und dem Gehäuse 15 angeordnet. Um einen auf das Gehäuse 15 einwirkenden mechanischen Stress möglichst gut von dem Drucksensor 14 zu entkoppeln, sollte das Glob-Top Material möglichst weich beziehungsweise elastisch sein. Das mechanische Entkoppeln mittels Glob-Top Material funktioniert zwar gut. Das Auftragen des Glob-Top Materials ist jedoch, wie eingangs beschrieben, aufwändig und teuer.
2B zeigt eine alternative Ausgestaltung des zuvor mit Bezug auf 2A beschriebenen Drucksensors 14, wobei gleiche Teile, die die gleiche Funktion aufweisen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Für die Beschreibung dieser gleichen Teile wird daher auf die obigen Absätze der Beschreibung verwiesen.
Im Vergleich zu dem in 2A gezeigten Drucksensor 14 weist das in 2B abgebildete Ausführungsbeispiel kein Glob-Top Material zwischen dem Drucksensor 14 und dem Gehäuse 15 auf. Stattdessen ist der Drucksensor 14 mit mindestens 50 % einer Bauteiloberfläche 17₁ mit dem Gehäuse 15 in direktem beziehungsweise unmittelbarem mechanischen Kontakt.
In dem in 2B abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor 14 mit einer ersten Bauteiloberfläche 17₁ und mit einer gegenüberliegenden zweiten Bauteiloberfläche 17₂ vollständig, d.h. zu 100 %, mit dem Gehäuse 15 in direktem mechanischen Kontakt. Es ist hier demnach kein weiches beziehungsweise elastisches Material, wie zum Beispiel Glob-Top Material, zwischen dem Drucksensor 14 und dem Gehäuse 15 angeordnet.
Auf einer dritten Bauteiloberfläche 17₃ , die in diesem Fall auch als eine Oberseite des Drucksensors 14 bezeichnet werden kann, ist, wie zuvor beschrieben, eine Schaltung 23 angeordnet. Die nicht von der Schaltung 23 bedeckten Abschnitte der dritten Bauteiloberfläche 17₃ können ebenfalls mit dem Gehäuse 15 in direktem mechanischen Kontakt sein.
Wie zuvor in dem die E-Moduln behandelnden Abschnitt erwähnt wurde, kann es sich bei dem Gehäusematerial beispielsweise um eine Vergussmasse handeln. Der Drucksensor 14, beziehungsweise das MEMS Bauteil 14, kann vollständig mit dieser Vergussmasse vergossen sein, die dann nach dem Aushärten ein Gehäuse 15 bildet. Dies ist eine einfache Art und Weise, um das Gehäuse 15 in einen direkten mechanischen Kontakt mit dem MEMS Bauteil 14 zu bringen.
Der Drucksensor ist hier, wie gesagt, lediglich beispielhaft als eines von mehreren denkbaren Ausgestaltungen des MEMS Bauteils 14 beschrieben. Bei einem solchen Drucksensor bildet beispielsweise die zuvor beschriebene Membran 28 eine mechanisch auslenkbare bewegliche Messstruktur zum Erfassen der physikalischen Größe „Druck“. Die piezoresistiven Elemente 27 sind hier ebenfalls lediglich als ein mögliches Ausführungsbeispiel der ersten Messanordnung 27 zum Erfassen einer auf dieser physikalischen Größe „Druck“ basierenden Messgröße zu verstehen.
In dem in 2B abgebildeten Ausführungsbeispiel weist also der Drucksensor 14 eine Membran 28 auf, die auf Druckänderungen reagiert und eine entsprechende Auslenkung erfährt. Diese Auslenkung der Membran 28 kann mittels der ersten Messanordnung 27 erfasst werden. Hierfür kann die erste Messanordnung 27 also beispielsweise eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen aufweisen.
In anderen Worten weist das MEMS Bauelement 14 in diesem Ausführungsbeispiel eine mechanisch auslenkbare bewegliche Messstruktur 28 zum Erfassen der physikalischen Größe auf, wobei ein Betrag einer mechanischen Auslenkung der beweglichen Messstruktur 28 mittels der ersten Messanordnung 27 erfassbar ist.
Das in 2B abgebildete Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zu dem in 2A abgebildeten Beispiel ferner darin, dass das MEMS Bauelement 14 eine zweite Messanordnung 35 aufweist. Diese zweite Messanordnung 35 ist ausgebildet, um einen zweiten Störgrößenanteil Z₂ zu erfassen.
Hierfür kann die zweite Messanordnung 35 beispielsweise eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen aufweisen. Die erste Anzahl von piezoresistiven Elementen der ersten Messanordnung 27 und die zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen der zweiten Messanordnung 35 kann gleich sein. Zum Beispiel kann in beiden Messanordnungen 27, 35 jeweils ein piezoresistives Element vorgesehen sein. Es wäre aber auch denkbar, dass zwei oder mehr piezoresistive Elemente pro Messanordnung 27, 35 vorgesehen sind. Die erste Anzahl von piezoresistiven Elementen der ersten Messanordnung 27 und die zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen der zweiten Messanordnung 35 kann jedoch auch voneinander abweichen. Das heißt, die erste Messanordnung 27 kann beispielsweise mehr oder weniger piezoresistive Elemente aufweisen als die zweite Messanordnung 35.
Wie in 2B zu sehen ist, kann die erste Messanordnung 27 an der beweglichen Messstruktur 28 angeordnet sein. Am Beispiel des abgebildeten Drucksensors 14 können also beispielsweise die ein oder mehreren piezoresistiven Elemente der ersten Messanordnung 27 an der Membran 28 angeordnet sein. Die zweite Messanordnung 35 hingegen kann um die bewegliche Messstruktur 28 herum, und optional nicht an der beweglichen Messstruktur 28 sondern an einem unbeweglichen Abschnitt des MEMS Bauteils 14, angeordnet sein. Am Beispiel des abgebildeten Drucksensors 14 können also beispielsweise die ein oder mehreren piezoresistiven Elemente der zweiten Messanordnung 35 um die bewegliche Membran 28 herum, und optional nicht an der beweglichen Membran 28, angeordnet sein.
Dies soll nachfolgend mit Bezug auf 3 näher beschrieben werden. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Chip Layout für ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 weist das MEMS Bauteil 14 auf, das hier wiederum zum Beispiel ein Drucksensor sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 10 beispielsweise auch ein zweites Bauteil 14' aufweisen. Das zweite Bauteil 14 kann ebenfalls ein MEMS Bauteil sein.
Das zweite Bauteil 14' kann ebenfalls eine bewegliche Messstruktur 28' aufweisen. Das zweite Bauteil 14' kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor sein, wobei die bewegliche Messstruktur 28' eine seismische Masse sein kann.
Wie im unteren Teil von 3 dargestellt ist, kann die erste Messanordnung 27 an der beweglichen Messstruktur 28 angeordnet sein. Am Beispiel des abgebildeten Drucksensors 14 weist die erste Messanordnung 27 vier piezoresistive Elemente 27₁ , 27₂ , 27₃ , 27₄ auf, die an der beweglichen Membran 28 angeordnet sind.
Die zweite Messanordnung 35 hingegen ist an einem unbeweglichen Referenzbereich 39 benachbart zu der beweglichen Messstruktur 28 angeordnet. Der unbewegliche Referenzbereich 39 kann ein unbeweglicher Abschnitt des MEMS Bauteils 14 sein. Am Beispiel des abgebildeten Drucksensors 14 weist die zweite Messanordnung 35 vier piezoresistive Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ auf, die nicht an der beweglichen Membran 28, sondern um die bewegliche Membran 28 herum an ebendiesem unbeweglichen Referenzabschnitt 39 angeordnet sind.
Wie beispielsweise wiederum in 2B deutlicher zu erkennen ist, kann es sich bei dem nicht beweglichen Referenzbereich 39 beispielsweise um einen Abschnitt der Siliziumschicht 29, und insbesondere um einen nicht ausgedünnten und daher nicht beweglich gestalteten Abschnitt der Siliziumschicht 29 handeln.
Mit Ausführungsbeispielen des MEMS Bauteils 14, wie sie hierin beschrieben sind, kann beispielweise eine Störgrößenkompensation zum Kompensieren beziehungsweise Reduzieren von mechanischem Stress beziehungsweise mechanischer Spannung bereitgestellt werden, und zwar ohne dass weiche beziehungsweise elastische Materialien zum mechanischen Entkoppeln des mechanischen Stresses vorgesehen werden. Hierfür können die erste und die zweite Messanordnung 27, 35 mit einer Störgrößenkompensationsschaltung 13 gekoppelt sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Störgrößenkompensationsschaltung 13 ausgebildet sein, um einen auf das MEMS Bauteil 14 einwirkenden mechanischen Stress zu kompensieren, indem dieser mechanische Stress mittels der zweiten Messanordnung 35 erfasst und sein erwarteter Einfluss auf die Messgröße X₁ von der Messgröße X₁ entfernt wird.
In anderen Worten kann eine die Auslenkung der Membran 28 repräsentierende Messgröße mittels der ersten Messanordnung 27, z.B. mittels der in den 2B und 3 beispielhaft abgebildeten piezoresistiven Elemente 27₁ , 27₂ , 27₃ , 27₄ erfasst werden. Die Membran 28 kann aufgrund des zu erfassenden Drucks ausgelenkt werden. Bei dem Druck handelt es sich um die Nutzgröße N₁ der Messgröße X₁ . Bei auf das MEMS Bauteil 14 einwirkenden (ungewollten) mechanischen Stress kann die Membran 28 allerdings zusätzlich um einen bestimmten Betrag ausgelenkt werden. Diese Auslenkung wäre demnach nicht durch den Druck induziert sondern durch den unerwünschten mechanischen Stress. Dieser Anteil der Auslenkung der Membran 28 kann daher als (unerwünschte) erste Störgröße Z₁ bezeichnet werden.
Die zweite Messanordnung 35 ist neben der Membran 28 an einem unbeweglichen Referenzabschnitt 39 angeordnet. Die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ der zweiten Messanordnung 35 erfassen somit direkt den auf das MEMS Bauteil 14 einwirkenden mechanischen Stress, vorzugsweise ohne dabei die Auslenkung der Membran 28 zu erfassen. Die zweite Messanordnung 35 erfasst also eine zweite Messgröße X₂ , die als eine Komponente zumindest den als zweite Störgröße Z₂ bezeichneten mechanischen Stress aufweisen kann.
In anderen Worten kann also die zweite Messanordnung 35 eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ aufweisen, die ausgebildet sind, um einen im Bereich der ersten Messanordnung 27 einwirkenden mechanischen Stress in der Umgebung der ersten Messanordnung 27 zu erfassen, wobei der in dieser Umgebung erfasste mechanische Stress die zweite Störgröße Z₂ repräsentiert.
Diese zweite Störgröße Z₂ repräsentiert also den im Referenzbereich 39 auftretenden mechanischen Stress. Sofern die zweite Messanordnung 35 möglichst nahe an der ersten Messanordnung 27 beziehungsweise an der Membran 28 angeordnet ist, kann der auf die Membran 28 einwirkende mechanische Stress (erste Störgröße Z₁ ) sehr genau mit dem mittels der zweiten Messanordnung 35 erfassten mechanischen Stress (zweite Störgröße Z₂ ) übereinstimmen. In anderen Worten können die erste Störgröße Z₁ und die zweite Störgröße Z₂ sehr genau übereinstimmen.
Im Idealfall kann die zweite Messanordnung 35 relativ zu der ersten Messanordnung 27 derart angeordnet sein, dass die erste Störgröße Z₁ und die zweite Störgröße Z₂ identisch sind. Dann könnte mittels der Störgrößenkompensationsschaltung 13 die Störgröße Z₁ durch Kombination mit der Störgröße Z₂ komplett von der Messgröße X₁ entfernt werden.
Alternativ kann es aber auch vorstellbar sein, dass die zweite Messanordnung 35 relativ zu der ersten Messanordnung 27 derart angeordnet ist, dass der erste und der zweite Störgrößenanteil Z₁ , Z₂ innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 50 %, oder von ± 10 % oder von ± 1 % liegen. In anderen Worten kann der zweite Störgrößenanteil Z₂ um ± 50 %, oder um ± 10 % oder um ± 1 % von dem ersten Störgrößenanteil Z₁ abweichen. Dies könnte beispielsweise durch Messtoleranzen, Bauteiltoleranzen und dergleichen verursacht sein.
In einer denkbaren Ausgestaltung der zweiten Messanordnung 35 könnte die zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ beispielsweise in einer Wheatstone-Brückenschaltung zusammengeschaltet sein, wie in 4 schematisch gezeigt. Hierbei veranschaulichen die abgebildeten Pfeile das Vorzeichen der Änderung des spezifischen Widerstandes beim Anlegen einer Normaldruckbelastung in der in 3 eingezeichneten x-Richtung.
Bei einer solchen Anordnung der piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ in einer Wheatstone-Brückenschaltung könnten drei zusätzliche Anschlussflächen bereitgestellt werden. Eine Anschlussfläche „V_{GND_S} “ um die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ durch Verbinden mit Masse auszuwählen und zu versorgen, und zwei Anschlussflächen „V_{SENSE_S1} “ und „V_{SENSE_S2} “ zur Verbindung mit einem Differenzverstärker. Der positive Versorgungspin „V_DD “ kann mit dem Beschleunigungsmesser 14' und/oder dem Drucksensor 14 geteilt werden, sodass keine zusätzliche Anschlussfläche benötigt werden würde.
Der in 3 skizzierte Aufbauvorschlag für einen Sensorchip mit, zum Beispiel einem Drucksensor 14, ist ausgebildet, um eine mechanische Bulk-Belastung in der oben beschriebenen Art und Weise zu erfassen. Zur Erinnerung, in der in 2A abgebildeten Ausführungsform hingegen wurde der mechanische Stress durch mechanische Entkopplung mittels weichem beziehungsweise elastischem Material kompensiert.
Im Vergleich zu der in 2A abgebildeten Ausführungsform kann der in 3 abgebildete Sensor zusätzliche Metalldrähte, Anschlussflächen und Leiter aufweisen. Zusätzliche Metalldrähte sind mit Bezugszeichen 43₁ , 43₂ , 43₃ gekennzeichnet, zusätzliche Anschlussflächen sind mit Bezugszeichen 42₁ , 42₂ , 42₃ gekennzeichnet, und zusätzliche vergrabene Leiter sind mit Bezugszeichen 41₁ , 41₂ , 41₃ gekennzeichnet. Die Piezowiderstände RS1-RS4 der zweiten Messanordnung 35 sind mit den Bezugszeichen 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ versehen. Durch das Schrumpfen der Anschlussflächen könnte der Einfluss auf die Sensorchipgröße reduziert werden.
Auch in dem in 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel sind die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ der zweiten Messanordnung 35 in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet.
Die Wheatstone-Brückenschaltung weist einen ersten Zweig 45 auf, in dem ein erstes Piezoelement 35₁ und ein zweites Piezoelement 35₂ L-förmig zueinander angeordnet sind. Die Wheatstone-Brückenschaltung weist ferner einen zweiten Zweig 44 auf, in dem ein drittes Piezoelement 35₃ und ein viertes Piezoelement 35₄ L-förmig zueinander angeordnet sind.
Gemäß dem in 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel sind das erste und das vierte Piezoelement 35₁ , 35₄ jeweils in eine erste Richtung orientiert angeordnet, und das zweite und das dritte Piezoelement 35₂ , 35₃ sind jeweils in eine von der ersten unterschiedlichen zweiten Richtung orientiert angeordnet. In diesem Beispiel sind das erste und das vierte Piezoelement 35₁ , 35₄ jeweils um 90° versetzt gegenüber dem zweiten und dem dritten Piezoelement 35₂ , 35₃ angeordnet.
Sofern piezoresistive Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ in der zweiten Messanordnung 35 Verwendung finden, kann deren Eigenschaft der Richtungsabhängigkeit vorteilhaft genutzt werden. Insbesondere wenn die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ in Form einer Wheatstone-Brücke verbunden und ausgelesen werden, dann kann dies Querempfindlichkeiten gegenüber Effekten minimieren, die symmetrisch an den piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ auftreten. Aufgrund der Sensorgeometrie können mechanische Belastungen im Allgemeinen inhomogen auf die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ wirken und somit die Sensorausgabe beeinflussen. Mit dem hierin beschriebenen Konzept kann der Einfluss von mechanischer Belastung minimiert werden.
Bezüglich der soeben erwähnten Richtungsabhängigkeit der piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ würde beispielsweise ein Anlegen einer Druckbelastung in der eingezeichneten x-Richtung (3) mittels des piezoresistiven Effekts den Widerstandswert des ersten piezoresistiven Elements 35₁ und des vierten piezoresistiven Elements 35₄ erhöhen. Gleichzeitig würde sich der Widerstandswert des zweiten piezoresistiven Elements 35₂ und des dritten piezoresistiven Elements 35₃ verringern.
Mit der zuvor erwähnten Wheatstone-Brückenschaltung könnte somit beispielsweise eine gewisse Vorkompensation des mechanischen Stresses durchgeführt werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 3 und 4 könnte außerdem beispielsweise beim Verbinden von V_{GND_S} zwischen V_{SENSE_S1} und V_{SENSE_S2} eine Spannungsdifferenz proportional zu der effektiven mechanischen Belastung erfasst werden. Durch das Platzieren der Widerstände beziehungsweise der piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ auf der, beispielsweise linken, Seite der Membran 28, wird ihr Einfluss auf den abgebildeten Drucksensor 14 und die Verdrahtung desselben minimiert. Somit kann das wohlbekannte Verhalten eines Drucksensors fast unverändert bleiben. Es ist jedoch zu beachten, dass dieser Aufbau nur eine von mehreren Möglichkeiten veranschaulicht, um einen Belastungssensor auszugestalten.
Weitere Ausführungsbeispiele sehen eine Kombination der bisher beschriebenen Funktionen mit einer Temperaturkompensation vor. Beispielsweise kann mittels einer Temperaturmessschaltung eine auf die erste und/oder die zweite Messanordnung 27, 35 wirkende Temperatur gemessen werden. Die Temperaturmessschaltung kann beispielsweise in der Schaltung 23 (z.B. ASIC) integriert sein.
Basierend auf der gemessenen Temperatur kann die Temperaturmessschaltung einen Temperaturkorrekturfaktor T_x bestimmen. Dieser Temperaturkorrekturfaktor T_x kann eine Temperaturabhängigkeit der gemessenen ersten und/oder zweiten Messanordnung 27, 35 repräsentieren. In anderen Worten könnte der Betrag des Temperaturkorrekturfaktors T_x derart bestimmt sein, dass dieser ein temperaturabhängiges Verhalten der ersten und/oder zweiten Messanordnung 27, 35 in Form eines mathematischen Werts abbilden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Temperaturmessschaltung diesen ermittelten Temperaturkorrekturfaktor T_x mit dem zweiten Störgrößenanteil Z₂ und der mittels der ersten Messanordnung 27 ermittelten ersten Messgröße X₁ kombinieren. Somit erhielte man eine nicht nur um den zweiten Störgrößenanteil Z₂ sondern zusätzlich auch um den Temperaturkorrekturfaktor T_x reduzierte beziehungsweise kompensierte Messgröße X₃ .
Mathematisch vereinfacht ausgedrückt würde dies bedeuten: $\begin{matrix} X_{3} = X_{1} - Z_{2} - T_{x}, & wobei & X_{1} = N_{1} + Z_{1} \end{matrix}$
Die Störgrößenkompensationsschaltung und die Temperaturmessschaltung könnten als einzelne Schaltelemente, oder gemeinsam in einer integrierten Schaltung 23, zum Beispiel einem ASIC 23, ausgebildet sein. Die Störgrößenkompensationsschaltung 13 sowie die Messanordnungen 27, 35 könnten ebenfalls in dieser integrierten Schaltung 23 ausgeführt sein.
Nachdem Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 10 strukturell beschrieben wurden, folgt nun eine funktionale Beschreibung der Vorrichtung 10 sowie eine detaillierte mathematische Beschreibung der Störgrößenkompensation, wie sie mittels der Störgrößenkompensationsschaltung 13 ausführbar wäre.
Das hierin beschriebene Konzept schlägt also vor, einen Glob-Top-Prozess auszulassen und anstatt dessen eine ungewollte mechanische Belastung zu erfassen und diese zu korrigieren. Das Messen der mechanischen Bulk-Belastung in dem Sensorchip kann mittels der zweiten Messanordnung 35 durchgeführt werden, wobei die zweite Messanordnung 35 beispielsweise eine Anzahl von piezoresistiven Elementen 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ aufweisen kann. Diese wiederum können beispielsweise über eine reguläre Messschnittstelle ausgelesen werden, die bereits vorhanden sein kann, um den Drucksensor 14 auszulesen.
Um die mechanische Bulk-Belastung zu messen, kann also zusätzlich zu einer ersten Messanordnung 27 eine zweite Messanordnung 35 mit piezoresistiven Elementen 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ verwendet werden. Die piezoresistiven Elementen 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ sollten sich an Positionen r_i in der Nähe der beispielsweise Druck erfassenden piezoresistiven Elemente 27₁ , 27₂ , 27₃ , 27₄ der ersten Messanordnung 27 befinden, jedoch nicht Belastungen ausgesetzt sein, die von dem ausgeübten Druck p_in ausgehen.
Beispielsweise könnten sich demnach die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ der zweiten Messanordnung 35 in der Nähe jedoch nicht auf der Membran 28 des Drucksensors 14 befinden. Die mechanische Belastung σ, die von ungewollten Quellen ausgeht, kann dann durch das Messen der Änderung des spezifischen Widerstands Δρ(r_i) dieser piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ der zweiten Messanordnung 35 bestimmt werden. Mit dieser Information kann die Ausgabe des Drucksensors 14 hinsichtlich Beeinflussungen von ungewollter mechanischer Belastung kompensiert werden.
Bei einer Implementierung könnte die Abhängigkeit P_raw = f(p_in, σ, X) der Ausgabe P_raw des Drucksensors 14 von dem ausgeübten Druck p_in , der mechanischen Belastung σ und weiteren Parametern X, zum Beispiel Temperatur, bestimmt werden. Diese Abhängigkeit ist die sogenannte Sensormodellfunktion. Gemäß der benötigten Präzision könnte diese Modellfunktion f aus Berechnungen, Simulationen und/oder experimenteller Charakterisierung bestimmt werden. Anschließend könnte die Beziehung für die kompensierte Sensorausgabe p_out = F(P_raw, σ, X) durch Invertieren der Sensormodellfunktion f erhalten werden.
Falls sich die kompensierte Sensorfunktion F(P_raw, σ, X) bei dieser Implementierung ausreichend berechenbar verhalten würde und ihre Abhängigkeit von der mechanischen Belastung σ ausreichend klein wäre, könnte F in einer Taylorreihe bis zur ersten Ordnung in σ erweitert werden. Dies würde die einfachste mögliche Kompensationsformel für mechanische Belastung ergeben, gegeben durch: $p_{o u t} = F_{0} \cdot (P_{r a w}, X) + S_{σ} \cdot σ$
wobei F₀ die Kompensationsformel ohne Belastungskompensation bezeichnet und S_σ der Proportionalitätskoeffizient für die Querempfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung ist.
Eine mechanische Belastung in einem elastischen Festkörper kann durch das zeitlich und räumlich variierende Cauchy-Spannungstensorfeld beschrieben werden, das aus drei Normal- und drei Scherspannungskomponenten besteht. Je nach Platzierung und Ausrichtung der piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ können unterschiedliche Projektionen oder Kombinationen dieser Komponenten erfasst werden. Bei der einfachsten Implementierung würde nur eine spezifische Komponente gemessen werden, z. B. die Normalspannung parallel zu dem Stromfluss durch die piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ des Drucksensors 14. Bei anderen Implementierungen könnte man jedoch genauso gut zusätzliche Komponenten der mechanischen Belastung messen. Solch ein verbesserter Messaufbau könnte eine bessere Belastungskompensation ermöglichen, würde jedoch beispielsweise zusätzliche Piezowiderstände benötigen.
In den verbleibenden Absätzen dieses Abschnitts wird eine spezifische Implementierung beispielhaft beschrieben. Dieses Beispiel beruht auf dem in 3 abgebildeten Sensorchip, der neben einem Drucksensor 14 auch einen Beschleunigungsmesser 14' aufweist.
Um die Informationen der zweiten Messanordnung 35 zum Korrigieren der Ausgabe des Drucksensors 14 zu verwenden, sollten ihre wechselseitigen Abhängigkeiten bekannt sein. Aufgrund der hohen Symmetrie des abgebildeten Drucksensors 14 kann ein Großteil der mechanischen Belastungsempfindlichkeit bereits durch die Wheatstone-Brücke aufgehoben werden. Es kann also hier bereits eine gewisse Vorkompensation durch die Wheatstone-Brückenschaltung stattfinden. Die verbleibende Empfindlichkeit gegenüber Belastung kann daher klein sein, sodass eine Verarbeitung bis zur ersten Ordnung in der mechanischen Belastung bereits ausreichend sein kann.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2B soll nochmals auf die dort abgebildete Schaltung 23 verwiesen werden. Diese Schaltung 23 kann beispielsweise ein ASIC oder auch eine andere Form eines integrierten Schaltkreises (IC) sein. Die Schaltung 23 kann beispielsweise die Störgrößenkompensationsschaltung 13 aufweisen. Die Störgrößenkompensationsschaltung 13 kann die mittels der piezoresistiven Elemente 27₁ , 27₂ , 27₃ , 27₄ der ersten Messanordnung 27 und die mittels der piezoresistiven Elemente 35₁ , 35₂ , 35₃ , 35₄ der zweiten Messanordnung 35 erfassten Werte durch Anwenden der obigen Formeln 2 und 3 störgrößenkompensieren. Der Output wäre eine entsprechend störgrößenkompensierte Messgröße X_comp , wie weiter oben beschrieben.
In anderen Worten kann mit dem hierin beschriebenen Konzept die Querempfindlichkeit eines Sensors gegenüber ungewollter mechanischer Belastung durch eine direkte Messung der Belastung selbst kompensiert werden.
Der Einfluss der mechanischen Belastung auf das Signal des Drucksensors 14 konnte bereits untersucht werden, was zu den nachfolgend näher beschriebenen Ergebnissen führte.
So zeigen beispielsweise die in den 5A und 5B abgebildeten Diagramme die Querempfindlichkeit eines Sensorchips gegenüber extern ausgeübter mechanischer Belastung. Dies wurde mit FEM (Finite-Elemente-Methode) simuliert. Die Ergebnisse der FEM für isotrop ausgeübte äußere Kräfte wurde mit verfügbaren experimentellen Daten verglichen, wobei eine annehmbare Übereinstimmung gefunden wurde.
Insbesondere ist in 5A die Querempfindlichkeit eines Drucksensors 14 gegenüber äußerlich ausgeübter, isotropischer mechanischer Belastung p_pkg aufgetragen. In dem Diagramm wird die Druckabweichung Δp gegenüber des Eingangsdrucks p_in gezeigt, die aus FEM-Simulationen (Kreise und gepunktete Linien) oder Experimenten (schwarze durchgehende Linien) erhalten wurden.
So zeigen die in 5A in Strichlinien dargestellten Kurven 51, 52, 53, 54 die Ergebnisse der FEM Berechnungen, und die in durchgezogenen Linien dargestellten Kurven zeigen die experimentell ermittelten Daten. Die Kurve 51 repräsentiert eine Belastung von 100 kPa, die Kurve 52 repräsentiert eine Belastung von 400 kPa, die Kurve 53 repräsentiert eine Belastung von 700 kPa und die Kurve 54 repräsentiert eine Belastung von 1000 kPa.
Das in 5B abgebildete Diagramm zeigt Δp für 24 unterschiedliche Sensoren einer aktuellen Sensor-Charge (Bezugszeichen 55) im Vergleich zu experimentell abgeleiteten Werten aus dem Jahr 2014 (Bezugszeichen 56).
Mit FEM-Simulationen können die externen Kräfte aber beispielsweise auch anisotrop ausgeübt werden, wie beispielsweise in den 6A, 6B und 6C dargestellt ist. Die in den 6A, 6B und 6C abgebildeten Diagramme zeigen die Direktionalität der Querempfindlichkeit eines Drucksensors 14 gegenüber einer äußerlich ausgeübten Normalbelastung von 900 kPa. 6A zeigt diese Querempfindlichkeit in x-Richtung (1,0,0), 6B zeigt diese Querempfindlichkeit in y-Richtung (0,1,0) und 6C zeigt diese Querempfindlichkeit in z-Richtung (0,0,1). Dargestellt ist in diesen Diagrammen die Druckabweichung Δp im Vergleich zu dem Eingangsdruck p_in , die aus FEM-Simulationen erhalten wurden.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Querempfindlichkeit des Drucksensors 14 gegenüber einer mechanischen Bulk-Belastung am stärksten in x-Richtung des Sensors 14 ausgeprägt ist.
Reifendrucksensoren beispielsweise können kapazitive Drucksensoren nutzen. Obwohl diese nicht direkt durch unbeabsichtigte mechanische Belastung beeinflusst werden, sind sie von kleinsten Verschiebungen betroffen. Über die Elastizität von Silizium erzeugt die mechanische Beanspruchung Verschiebungen, die sich dann auch auf kapazitive Drucksensoren auswirken können.
Selbstverständlich könnten auch andere Anwendungen außer Drucksensoren empfindlich gegenüber mechanischer Belastung sein. Beispielsweise könnte auch jede Bandlückenschaltung empfindlich gegenüber mechanischer Belastung sein.
Zusätzliche oder alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können wie folgt ausgeführt sein:
Gemäß einem ersten Aspekt kann eine Vorrichtung folgende Merkmale aufweisen: ein MEMS Bauteil mit einer ersten Messanordnung zum Erfassen einer auf einer physikalischen Größe basierenden Messgröße, die einen Nutzgrößenanteil und einen ersten Störgrößenanteil aufweist, und einer zweiten Messanordnung zum Erfassen eines zweiten Störgrößenanteils, und eine Störgrößenkompensationsschaltung, die ausgebildet ist, um den zweiten Störgrößenanteil und die Messgröße miteinander zu kombinieren und eine störgrößenkompensierte Messgröße zu erhalten, wobei das MEMS Bauteil in einem Gehäuse angeordnet ist, und wobei das MEMS Bauteil mit mindestens 50% einer MEMS Bauteiloberfläche mit dem Gehäuse in unmittelbarem mechanischem Kontakt ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das Gehäuse ein Material mit einem Elastizitätsmodul von mindestens 100 MPa aufweisen.
Gemäß einem dritten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das MEMS Bauteil mit allen MEMS Bauteiloberflächen vollständig mit dem Gehäuse in direktem mechanischem Kontakt sein.
Gemäß einem vierten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Störgrößenkompensationsschaltung ausgebildet sein, um einen auf das MEMS Bauteil einwirkenden mechanischen Stress zu kompensieren, indem dieser mechanische Stress mittels der zweiten Messanordnung erfasst und sein erwarteter Einfluss auf die Messgröße von dieser entfernt wird.
Gemäß einem fünften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann zwischen dem MEMS Bauteil und dem Gehäuse kein zusätzliches elastisches Material zur mechanischen Entkopplung von auf das MEMS Bauteil einwirkenden mechanischen Stress angeordnet sein.
Gemäß einem sechsten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das MEMS Bauteil eine mechanisch auslenkbare bewegliche Messstruktur zum Erfassen der physikalischen Größe aufweisen, und ein Betrag einer mechanischen Auslenkung der beweglichen Messstruktur mittels der ersten Messanordnung erfassbar sein.
Gemäß einem siebten Aspekt unter Bezugnahme auf den sechsten Aspekt kann die erste Messanordnung an der beweglichen Messstruktur angeordnet sein, und die zweite Messanordnung kann an einem unbeweglichen Referenzbereich benachbart zu der beweglichen Messstruktur angeordnet sein.
Gemäß einem achten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann das MEMS Bauteil ein Drucksensor sein.
Gemäß einem neunten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die erste Messanordnung eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen aufweisen.
Gemäß einem zehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die zweite Messanordnung eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen aufweisen, die ausgebildet sind, um einen im Bereich der ersten Messanordnung einwirkenden mechanischen Stress in der Umgebung der ersten Messanordnung zu erfassen, wobei der in der Umgebung erfasste mechanische Stress die zweite Störgröße repräsentiert.
Gemäß einem elften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die erste Messanordnung eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen und die zweite Messanordnung eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen aufweisen, wobei die erste Anzahl von piezoresistiven Elementen relativ zu der zweiten Anzahl von piezoresistiven Elementen derart angeordnet ist, dass der erste und der zweite Störgrößenanteil innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 50 %, oder von ± 10 % oder von ± 1 % liegen.
Gemäß einem zwölften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die erste Messanordnung eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen und die zweite Messanordnung eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen aufweisen, wobei die erste Anzahl von piezoresistiven Elementen relativ zu der zweiten Anzahl von piezoresistiven Elementen derart angeordnet ist, dass der erste und der zweite Störgrößenanteil identisch sind.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den zehnten Aspekt kann die zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen in einer Wheatstone-Brückenschaltung zusammengeschaltet sein.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den dreizehnten Aspekt kann die Wheatstone-Brückenschaltung einen ersten Zweig, in dem ein erstes Piezoelement und ein zweites Piezoelement L-förmig zueinander angeordnet sind, und einen zweiten Zweig, in dem ein drittes Piezoelement und ein viertes Piezoelement L-förmig zueinander angeordnet sind, aufweisen.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierzehnten Aspekt kann das erste und das vierte Piezoelement jeweils in eine erste Richtung orientiert angeordnet sein, und das zweite und das dritte Piezoelement kann jeweils in eine von der ersten unterschiedlichen zweiten Richtung orientiert angeordnet sein.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann die Vorrichtung eine Temperaturmessschaltung aufweisen, die ausgebildet ist, um eine auf die erste und/oder zweite Messanordnung wirkende Temperatur zu messen und einen Temperaturkorrekturfaktor zu bestimmen, der eine Temperaturabhängigkeit der ersten und/oder zweiten Messanordnung repräsentiert, und die Schaltung kann ausgebildet sein, um den Temperaturkorrekturfaktor, den zweiten Störgrößenanteil und die Messgröße miteinander zu kombinieren und eine um den zweiten Störgrößenanteil und den Temperaturkorrekturfaktor reduzierte Messgröße zu erhalten.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die beschriebene Vorrichtung kann also auch entsprechend als eine Beschreibung von Verfahrensschritten verstanden werden. Ebenso kann das beschriebene Verfahren entsprechend als eine Beschreibung von Vorrichtungsmerkmalen verstanden werden. Die Austauschbarkeit beziehungsweise Analogie von Verfahrensschritten und entsprechenden Vorrichtungsmerkmalen ist hierin somit offenbart.
Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des offenbarten Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass diese Offenbarung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Vorrichtung (10) aufweisend: ein MEMS Bauteil (14) mit einer ersten Messanordnung (27) zum Erfassen einer auf einer physikalischen Größe basierenden Messgröße (X₁), die einen Nutzgrößenanteil (N₁) und einen ersten Störgrößenanteil (Z₁) aufweist, und einer zweiten Messanordnung (35) zum Erfassen eines zweiten Störgrößenanteils (Z₂), und eine Störgrößenkompensationsschaltung (13), die ausgebildet ist, um den zweiten Störgrößenanteil (Z₂) und die Messgröße (X₁) miteinander zu kombinieren und eine störgrößenkompensierte Messgröße (X_comp) zu erhalten, wobei das MEMS Bauteil (14) in einem Gehäuse (15) angeordnet ist, und wobei das MEMS Bauteil (14) mit mindestens 50% einer MEMS Bauteiloberfläche (17₁, 17₂) mit dem Gehäuse (15) in unmittelbarem mechanischem Kontakt ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (15) ein Material mit einem Elastizitätsmodul von mindestens 100 MPa aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das MEMS Bauteil (14) mit allen MEMS Bauteiloberflächen (17₁, 17₂) vollständig mit dem Gehäuse (15) in direktem mechanischem Kontakt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Störgrößenkompensationsschaltung (13) ausgebildet ist, um einen auf das MEMS Bauteil (14) einwirkenden mechanischen Stress zu kompensieren, indem dieser mechanische Stress mittels der zweiten Messanordnung (35) erfasst und sein erwarteter Einfluss auf die Messgröße (X₁) von dieser entfernt wird.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem MEMS Bauteil (14) und dem Gehäuse (15) kein zusätzliches elastisches Material zur mechanischen Entkopplung von auf das MEMS Bauteil (14) einwirkenden mechanischen Stress angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das MEMS Bauteil (14) eine mechanisch auslenkbare bewegliche Messstruktur (28) zum Erfassen der physikalischen Größe aufweist, und ein Betrag einer mechanischen Auslenkung der beweglichen Messstruktur (28) mittels der ersten Messanordnung (27) erfassbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die erste Messanordnung (27) an der beweglichen Messstruktur (28) angeordnet ist, und wobei die zweite Messanordnung (35) an einem unbeweglichen Referenzbereich (39) benachbart zu der beweglichen Messstruktur (28) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das MEMS Bauteil (14) ein Drucksensor ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messanordnung (27) eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen (27₁, 27₂, 27₃, 27₄) aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Messanordnung (35) eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen (35₁, 35₂, 35₃, 35₄) aufweist, die ausgebildet sind, um einen im Bereich der ersten Messanordnung (27) einwirkenden mechanischen Stress in der Umgebung der ersten Messanordnung (27) zu erfassen, wobei der in der Umgebung erfasste mechanische Stress die zweite Störgröße (Z₂) repräsentiert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messanordnung (27) eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen (27₁, 27₂, 27₃, 27₄) und die zweite Messanordnung (35) eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen (35₁, 35₂, 35₃, 35₄) aufweist, wobei die erste Anzahl von piezoresistiven Elementen (27₁, 27₂, 27₃, 27₄) relativ zu der zweiten Anzahl von piezoresistiven Elementen (35₁, 35₂, 35₃, 35₄) derart angeordnet ist, dass der erste und der zweite Störgrößenanteil (Z₁, Z₂) innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 50 %, oder von ± 10 % oder von ± 1 % liegen.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Messanordnung (27) eine erste Anzahl von piezoresistiven Elementen (27₁, 27₂, 27₃, 27₄) und die zweite Messanordnung (35) eine zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen (35₁, 35₂, 35₃, 35₄) aufweist, wobei die erste Anzahl von piezoresistiven Elementen (27₁, 27₂, 27₃, 27₄) relativ zu der zweiten Anzahl von piezoresistiven Elementen (35₁, 35₂, 35₃, 35₄) derart angeordnet ist, dass der erste und der zweite Störgrößenanteil (Z₁, Z₂) identisch sind.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die zweite Anzahl von piezoresistiven Elementen (35₁, 35₂, 35₃, 35₄) in einer Wheatstone-Brückenschaltung zusammengeschaltet ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, wobei die Wheatstone-Brückenschaltung einen ersten Zweig (45), in dem ein erstes piezoresistives Element (35₁) und ein zweites piezoresistives Element (35₂) L-förmig zueinander angeordnet sind, und einen zweiten Zweig (44), in dem ein drittes piezoresistives Element (35₃) und ein viertes piezoresistives Element (35₄) L-förmig zueinander angeordnet sind, aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei das erste und das vierte piezoresistives Element (35₁, 35₄) jeweils in eine erste Richtung orientiert angeordnet sind, und wobei das zweite und das dritte piezoresistives Element (35₂, 35₃) jeweils in eine von der ersten unterschiedlichen zweiten Richtung orientiert angeordnet sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine Temperaturmessschaltung aufweist, die ausgebildet ist, um eine auf die erste und/oder zweite Messanordnung (27, 35) wirkende Temperatur zu messen und einen Temperaturkorrekturfaktor (T_x) zu bestimmen, der eine Temperaturabhängigkeit der ersten und/oder zweiten Messanordnung (27, 35) repräsentiert, und wobei die Temperaturmessschaltung ausgebildet ist, um den Temperaturkorrekturfaktor (T_x), den zweiten Störgrößenanteil (Z₂) und die Messgröße (X₁) miteinander zu kombinieren und eine um den zweiten Störgrößenanteil (Z₂) und den Temperaturkorrekturfaktor (T_x) reduzierte Messgröße (X₃) zu erhalten.