DE102021205378A1

DE102021205378A1 - Sensorstruktur und Drucksensor

Info

Publication number: DE102021205378A1
Application number: DE102021205378.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Menzel; Umidjon Nurmetov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorstruktur für einen Drucksensor. Diese weist ein erstes Messelement, ein zweites Messelement, ein drittes Messelement und ein viertes Messelement auf. Das erste Messelement und das zweite Messelement sind eingerichtet, einen Druck in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom zu wandeln. Die Sensorstruktur weist ferner einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss für eine Spannungsversorgung und/oder Stromversorgung auf und darüber hinaus einen ersten Auswerteanschluss und einen zweiten Auswerteanschluss. Die Sensorstruktur umfasst ferner ein Feuchtigkeitsmesselement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorstruktur für einen Drucksensor und einen Drucksensor mit einer solchen Sensorstruktur. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Drucksensoren mit mikroelektromechanischen Systemen und piezoresistive Drucksensoren bekannt. Dabei werden drucksensitive mikroelektromechanische Systeme bzw. piezoresistive Komponenten verwendet, die jeweils ein druckabhängiges Signal liefern können. Da die Messungen mit solchen Sensoren gegebenenfalls temperaturabhängig sein können, kann ferner innerhalb einer Sensorstruktur ein Temperatursensor vorgesehen sein. Gegebenenfalls können solche Sensorstrukturen als integrierte Systeme ausgestaltet sein, wobei ein Auslesen der Sensorelemente mittels einer Brückenschaltung erfolgen kann.
Neben der Abhängigkeit von der Temperatur sind solche Sensorelemente auch feuchteempfindlich, was bedeutet, dass eine Luftfeuchtigkeit der Umgebung auf das Signal der mikroelektromechanischen Struktur oder des piezoresistiven Sensors Einfluss nehmen kann. Da Drucksensoren jedoch unabhängig von der relativen Luftfeuchtigkeit betrieben werden können sollen und beispielsweise eine Feuchtesensitivität von ca. 0,5 bis 1 Pascal pro Prozent relativer Luftfeuchtigkeit aufweisen können, kann eine Änderung der Luftfeuchtigkeit von 10 % relative Luftfeuchte zu 90 % relative Luftfeuchte bereits einen Druckunterschied von mehr als 40 Pascal zur Folge haben, sodass eine mittels dieses Druckwerts ermittelte Höhe um mehrere Meter abweichen kann. Dies kann beispielsweise für eine Indoor-Navigation zur Bestimmung eines Stockwerks innerhalb eines Gebäudes zu ungenau sein.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensorstruktur für einen Drucksensor und einen Drucksensor mit einer solchen Sensorstruktur zur Verfügung zu stellen, bei der die relative Luftfeuchtigkeit keinen Einfluss auf ein Messergebnis liefert bzw. bei denen ein Messergebnis basierend auf der relativen Luftfeuchte korrigiert werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen solchen Drucksensor zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit der Sensorstruktur, dem Drucksensor und dem Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine Sensorstruktur für einen Drucksensor weist ein erstes Messelement, ein zweites Messelement, ein drittes Messelement und ein viertes Messelement auf. Das erste Messelement und das zweite Messelement sind eingerichtet, einen Druck in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom zu wandeln. Die Sensorstruktur weist ferner einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss für eine Spannungsversorgung und/oder Stromversorgung auf und darüber hinaus einen ersten Auswerteanschluss und einen zweiten Auswerteanschluss. Die Sensorstruktur umfasst ferner ein Feuchtigkeitsmesselement. Ein Messwert des ersten Messelements und des zweiten Messelements kann über den ersten Auswerteanschluss und den zweiten Auswerteanschluss abgegriffen werden. Durch das Feuchtigkeitsmesselement kann ferner ein Rückschluss auf die relative Luftfeuchtigkeit gezogen werden und ein Messergebnis, welches an den Auswerteanschlüssen abgegriffen wird, hinsichtlich der relativen Luftfeuchtigkeit kompensiert werden. Somit wird eine genauere Druckmessung möglich.
In einer Ausführungsform sind das erste Messelement und das zweite Messelement Teil des Feuchtigkeitsmesselements. Dies bedeutet, dass eine relative Luftfeuchtigkeit mittels des ersten Messelements und des zweiten Messelements ermittelt werden kann und somit keine weiteren Messelemente innerhalb der Sensorstruktur notwendig sind. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau der Sensorstruktur.
In einer Ausführungsform umfasst das Feuchtigkeitsmesselement zusätzlich oder alternativ ein fünftes Messelement. Das fünfte Messelement wird im Wesentlichen nicht durch einen Druck beeinflusst. Das Feuchtigkeitsmesselement kann also entweder ausschließlich das fünfte Messelement oder ausschließlich das erste und zweite Messelement umfassen. Ferner ist eine Ausgestaltung möglich, in der das Feuchtigkeitsmesselement sowohl das erste als auch das zweite als auch das fünfte Messelement umfasst.
In einer Ausführungsform umfasst die Sensorstruktur ein mikroelektromechanisches System. Das erste Messelement ist als erste Messkapazität ausgestaltet. Das zweite Messelement ist als zweite Messkapazität ausgestaltet. Das dritte Messelement ist als erste Referenzkapazität ausgestaltet. Das vierte Messelement ist als zweite Referenzkapazität ausgestaltet. Die erste Messkapazität, die zweite Messkapazität, die erste Referenzkapazität und die zweite Referenzkapazität sind Teil des mikroelektromechanischen Systems. Die Messkapazitäten sind dabei jeweils derart ausgestaltet, dass die Kapazitäten jeweils vom angelegten Druck abhängen bzw. sich bei einer Druckänderung entsprechend verändern. Die Referenzkapazitäten hingegen sind druckunabhängig und somit für alle Drücke identisch.
In einer Ausführungsform der Sensorstruktur weist die erste Messkapazität eine erste Membran mit einer ersten Membransteifigkeit auf. Die zweite Messkapazität weist eine zweite Membran mit einer zweiten Membransteifigkeit auf. Die erste Membransteifigkeit und die zweite Membransteifigkeit sind unterschiedlich. Durch die unterschiedliche Membransteifigkeit reagieren die erste Messkapazität bzw. die zweite Messkapazität unterschiedlich auf eine relative Luftfeuchtigkeit, sodass durch ein Auslesen der beiden Messkapazitäten ein Rückschluss auf die relative Luftfeuchtigkeit gezogen werden kann. Dieser Rückschluss erlaubt anschließend eine Kompensation eines Messergebnisses hinsichtlich der relativen Luftfeuchtigkeit und dadurch eine genauere Druckbestimmung.
In einer Ausführungsform der Sensorstruktur weist die erste Messkapazität eine erste Passivierungsschicht und die zweite Messkapazität eine zweite Passivierungsschicht auf. Die erste Passivierungsschicht und die zweite Passivierungsschicht sind unterschiedlich. Durch die unterschiedlichen Passivierungsschichten reagiert die erste Messkapazität anders auf eine relative Luftfeuchtigkeit als die zweite Messkapazität, wodurch ebenfalls ein von der Luftfeuchtigkeit abhängiges, jedoch unterschiedliches Signal der beiden Messkapazitäten gewonnen werden kann. Auch dies ermöglicht eine Kompensation einer relativen Luftfeuchtigkeit.
Die Ausführungsformen mit den unterschiedlichen Membransteifigkeiten und den unterschiedlichen Passivierungsschichten können auch kombiniert werden. Die erste Messkapazität bzw. die zweite Messkapazität können sich auch hinsichtlich der Schichtdicken, beispielsweise der Membranen, oder hinsichtlich einer Materialzusammensetzung, ebenfalls beispielsweise hinsichtlich der Membranen unterscheiden und so eine veränderte Luftfeuchtigkeit das erste Messelement stärker beeinflussen als das zweite Messelement.
In einer Ausführungsform der Sensorstruktur umfasst das erste Messelement einen ersten piezoresistiven Widerstand, das zweite Messelement einen zweiten piezoresistiven Widerstand, das dritte Messelement einen dritten piezoresistiven Widerstand und das vierte Messelement einen vierten piezoresistiven Widerstand. Auch die piezoresistiven Widerstände können derart unterschiedlich ausgestaltet werden, dass der erste piezoresistive Widerstand und der zweite piezoresistive Widerstand unterschiedlich auf eine veränderte Luftfeuchtigkeit reagieren.
In einer Ausführungsform der Sensorstruktur sind das erste Messelement, das zweite Messelement, das dritte Messelement und das vierte Messelement in einer Brückenschaltung angeordnet. Dabei ist der erste Anschluss mit dem ersten Messelement und dem dritten Messelement direkt verbunden. Der zweite Anschluss ist mit dem zweiten Messelement und dem vierten Messelement direkt verbunden. Der erste Auswerteanschluss ist mit dem ersten Messelement und dem vierten Messelement direkt verbunden. Der zweite Auswerteanschluss mit dem zweiten Messelement und dem dritten Messelement direkt verbunden. Eine solche Brückenschaltung ermöglicht ein einfaches Auslesen der Messelemente hinsichtlich eines Drucks. Ferner kann für die Ausführungsbeispiele, bei den Ausführungsformen, bei denen das Feuchtigkeitsmesselement das erste Messelement bzw. das zweite Messelement umfasst, ein Signal des ersten Messelements zwischen dem ersten Anschluss und dem ersten Auswerteanschluss und ein Signal das zweiten Messelements zwischen dem zweiten Anschluss und dem zweiten Auswerteanschluss abgegriffen werden.
Ein Drucksensor weist eine erfindungsgemäße Sensorstruktur und eine Auswerteelektronik auf. Die Auswerteelektronik ist eingerichtet, an den Anschlüssen für die Spannungsversorgung eine Spannung oder einen Strom anzulegen und ein Messsignal zwischen den Auswerteanschlüssen abzugreifen. Die Auswerteelektronik ist ferner eingerichtet, ein Feuchtigkeitssignal des Feuchtigkeitsmesselements auszulesen und das Messsignal anhand des Feuchtigkeitssignals zu korrigieren und das korrigierte Messsignal auszugeben.
In einer Ausführungsform umfasst die Auswerteelektronik einen Speicher. Im Speicher ist zumindest ein Kompensationsparameter abgelegt. Die Auswerteelektronik ist eingerichtet, das Messsignal anhand des Feuchtigkeitssignals mittels des Kompensationsparameters zu korrigieren. Der Kompensationsparameter kann dabei ein theoretisch oder experimentell bestimmter Kompensationsparameter sein, wobei sich der Kompensationsparameter durch eine experimentelle Auswertung des Feuchtigkeitsmesselements oder durch eine theoretische Betrachtung des Feuchtigkeitsmesselements gewinnen lässt.
In einer Ausführungsform ist zusätzlich zum Kompensationsparameter ein weiterer Kompensationsparameter im Speicher abgelegt. Der Kompensationsparameter und der weitere Kompensationsparameter sich unterschiedlich zueinander. Die Auswerteelektronik ist eingerichtet, das Feuchtigkeitssignal anhand einer Differenz von Messwerten des ersten Messelements und des zweiten Messelements und einer Differenz des Kompensationsparameters und des weiteren Kompensationsparameters zu berechnen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Feuchtigkeitsmesselement das erste Messelement und das zweite Messelement umfasst.
Um einen erfindungsgemäßen Drucksensor herzustellen, wird zunächst die erfindungsgemäße Sensorstruktur und die erfindungsgemäße Auswerteelektronik bereitgestellt. Anschließend wird die Auswerteelektronik mit den Anschlüssen für die Spannungsversorgung und den Auswerteanschlüssen der Sensorstruktur verbunden. Anschließend wird eine Druckkennlinie mittels vorgegebener Drücke bestimmt und die Druckkennlinie in der Auswerteelektronik gespeichert. Anschließend wird eine Feuchtigkeitskompensationskennlinie in der Auswerteelektronik gespeichert. Die Feuchtigkeitskompensationskennlinie kann dabei theoretisch oder experimentell bestimmt werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass bei einer experimentellen Bestimmung der Feuchtigkeitskompensationskennlinie diese mittels einer Referenzsensorstruktur erstellt und beim Herstellen des Drucksensors die Feuchtigkeitskompensationskennlinie anhand der Referenzsensorstruktur gespeichert wird.
Sofern die Sensorstruktur auch einen Temperatursensor beinhaltet, kann beim Bestimmen der Druckkennlinie ferner eine Temperatur variiert werden und dadurch eine temperaturabhängige Druckkennlinie gespeichert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:

1 ein elektronisches Schaltbild einer ersten Sensorstruktur;
2 ein elektronisches Schaltbild einer zweiten Sensorstruktur;
3 ein elektronisches Schaltbild einer dritten Sensorstruktur;
4 ein elektronisches Schaltbild einer vierten Sensorstruktur;
5 eine Membranstruktur eines mikroelektromechanischen Systems;
6 einen Drucksensor; und
7 ein Diagramm für zwei Messelemente mit unterschiedlicher Feuchtigkeitsempfindlichkeit.

1 zeigt eine Sensorstruktur 100 für einen Drucksensor mit einem ersten Messelement 111, einem zweiten Messelement 112, einem dritten Messelement 113 und einem vierten Messelement 114. Das erste Messelement 111 ist dabei als erste Messkapazität 131 ausgestaltet. Das zweite Messelement 112 ist als zweite Messkapazität 132 ausgestaltet. Das dritte Messelement 113 ist als erste Referenzkapazität 133 ausgestaltet. Das vierte Messelement 114 ist als zweite Referenzkapazität 134 ausgestaltet. Die Messkapazitäten 131, 132 und die Referenzkapazitäten 133, 134 sind dabei Teil eines mikroelektromechanischen Systems 130. Die Sensorstruktur 100 weist ferner einen ersten Anschluss 101 und einen zweiten Anschluss 102 für eine Spannungsversorgung und/oder Stromversorgung auf. Darüber hinaus weist die Sensorstruktur 100 einen ersten Auswerteanschluss 103 und einen zweiten Auswerteanschluss 104 auf. Ferner umfasst die Sensorstruktur 100 ein Feuchtigkeitsmesselement 120, wobei das erste Messelement 111 und das zweite Messelement 112 Teil des Feuchtigkeitsmesselements 120 sind. Das erste Messelement 111 und das zweite Messelement 112 sind derart ausgestaltet, dass eine veränderte Luftfeuchtigkeit das erste Messelement 111 stärker beeinflusst als das zweite Messelement 112.
Ebenfalls in 1 dargestellt ist, dass die Sensorstruktur 100 eine Brückenschaltung 105 aufweist, wobei das erste Messelement 111, das zweite Messelement 112, das dritte Messelement 113 und das vierte Messelement 114 in der Brückenschaltung 105 angeordnet sind. Der erste Anschluss 101 ist mit dem ersten Messelement 111 und dem dritten Messelement 113 direkt verbunden. Der zweite Anschluss 102 ist mit dem zweiten Messelement 112 und dem vierten Messelement 114 direkt verbunden. Der erste Auswerteanschluss 103 ist mit dem ersten Messelement 111 und dem vierten Messelement 114 direkt verbunden. Der zweite Auswerteanschluss 104 ist mit dem zweiten Messelement 112 und dem dritten Messelement 113 direkt verbunden. Direkt verbunden kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass zwischen beiden genannten Elementen ausschließlich elektrische Leitungen, jedoch keine weiteren Bauelemente angeordnet sind. Das Messprinzip der Sensorstruktur 100 der 1 basiert darauf, dass die Referenzkapazitäten 133, 134 sich durch eine Druckänderung nicht verändern. Die Messkapazitäten 131, 132 sind drucksensitiv, wobei durch die Brückenschaltung 105 sich eine Druckänderung an den Messkapazitäten 131, 132 derart auswirkt, dass eine Druckänderung eine veränderte Spannung bzw. einen veränderten Strom zwischen den Auswerteanschlüssen 103, 104 zur Folge hat. Dabei sind das erste Messelement 111 und das zweite Messelement 112, also die Messkapazitäten 131, 132 derart ausgestaltet, dass eine veränderte Luftfeuchtigkeit das erste Messelement 111 stärker beeinflusst als das zweite Messelement 112. Eine Auswertung der durch die veränderte Luftfeuchtigkeit unterschiedlich beeinflussten Messkapazitäten 131, 132 kann jeweils derart erfolgen, dass die erste Messkapazität 131 mittels des ersten Anschlusses 101 und des ersten Auswerteanschlusses 103 und die zweite Messkapazität 132 mittels des zweiten Anschlusses 102 und des zweiten Auswerteanschlusses 104 ausgelesen wird.
2 zeigt eine Sensorstruktur 100, die der Sensorstruktur 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist ebenfalls wieder eine Brückenschaltung 105 mit der Anordnung der Messelemente 111, 112, 113, 114 analog zur 1 vorgesehen. Das erste Messelement 111 ist jedoch als erster piezoresistiver Widerstand 161 ausgestaltet. Das zweite Messelement 112 umfasst einen zweiten piezoresistiven Widerstand 162. Das dritte Messelement 113 umfasst einen dritten piezoresistiven Widerstand 163 und das vierte Messelement 114 umfasst einen vierten piezoresistiven Widerstand 164. Dabei sind die piezoresistiven Widerstände 161, 162, 163, 164 derart ausgestaltet, dass eine Druckerhöhung eine dadurch entstehende Piezospannung am ersten piezoresistiven Widerstand 161 und am zweiten piezoresistiven Widerstand 162 erhöht, während dieselbe Druckerhöhung eine Piezospannung am dritten piezoresistiven Widerstand 163 und am vierten piezoresistiven Widerstand 164 verringert. Dadurch kann ebenfalls bei Anliegen eines vorgegebenen Drucks ein entsprechendes zu diesem Druck gehöriges Signal zwischen den Auswerteanschlüssen 103, 104, also insbesondere eine Spannung und/oder eine Stromstärke zwischen den Auswerteanschlüssen 103, 104 abgegriffen werden. Das Feuchtigkeitsmesselement 120 umfasst wiederum das erste Messelement 111 und das zweite Messelement 112, wobei diese wiederum derart ausgestaltet sind, dass eine veränderte Luftfeuchtigkeit das erste Messelement 111 stärker beeinflusst als das zweite Messelement 112.
3 zeigt eine weitere Sensorstruktur 100, die im Wesentlichen der Sensorstruktur 100 der 1 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Das Feuchtigkeitsmesselement 120 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel nicht die erste Messkapazität 131 und die zweite Messkapazität 132, sondern es ist ein fünftes Messelement 115 vorgesehen, das in diesem Fall als dritte Messkapazität 135 ausgestaltet ist. Die dritte Messkapazität 135, also das fünfte Messelement 115 ist im Wesentlichen nicht durch einen veränderten Druck beeinflusst. Das bedeutet, dass ein am fünften Messelement 115 abgegriffenes Signal nur unwesentlich von einer Druckänderung abhängt. Das fünfte Messelement 115 ist jedoch derart ausgestaltet, dass ein vom fünften Messelement 115 abgegriffenes Signal von der Feuchtigkeit abhängt. Um das fünfte Messelement 115 auszuwerten, sind ein dritter Auswerteanschluss 116 und ein vierter Auswerteanschluss 117 vorgesehen, wobei der dritte Auswerteanschluss 116 und der vierte Auswerteanschluss 117 jeweils mit dem fünften Messelement 115 verbunden sind.
4 zeigt eine weitere Sensorstruktur 100, die im Wesentlichen der Sensorstruktur 100 der 2 entspricht, sofern im Folgenden keine Unterschiede beschrieben sind. Auch in 4 umfasst das Feuchtigkeitsmesselement 120 nicht das erste Messelement 111 und das zweite Messelement 112, sondern ein fünftes Messelement 115, welches als Feuchtigkeitswiderstand 165 ausgestaltet ist. Der Feuchtigkeitswiderstand 165 kann dabei ebenfalls einen piezoresistiven Widerstand umfassen. Das fünfte Messelement 115 ist wieder mit dem dritten Auswerteanschluss 116 und dem vierten Auswerteanschluss 117 verbunden, wobei dies der Auswertung des Feuchtigkeitsmesselements 120 dient.
Es kann vorgesehen sein, dass in den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 das Feuchtigkeitsmesselement 120 neben dem fünften Messelement 115 auch zusätzlich das erste Messelement 111 und das zweite Messelement 112 umfasst. Dies ermöglicht eine noch genauere Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit.
5 zeigt die erste Messkapazität 131 und die zweite Messkapazität 132, wie sie beispielsweise in den 1 oder 3 zum Einsatz kommen können. Die erste Messkapazität 131 weist dabei eine erste Membran 141 auf. Die zweite Messkapazität 132 weist eine zweite Membran 142 auf. Die erste Membran 141 kann dabei eine erste Membransteifigkeit aufweisen und die zweite Membran 142 eine zweite Membransteifigkeit aufweisen. Die erste Membransteifigkeit und die zweite Membransteifigkeit sind unterschiedlich. Insbesondere kann diese unterschiedliche Membransteifigkeit dazu führen, dass sich bei Anlagerung von Wasser durch eine relative Luftfeuchtigkeit die erste Membran 141 stärker gegenüber einem Substrat 137 krümmt als die zweite Membran 142, wodurch die erste Membran 141 stärker durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst ist als die zweite Membran 142. Das Messprinzip der Messkapazitäten 131, 132 besteht darin, eine Kapazität zwischen den Membranen 141, 142 und dem Substrat 137 auszuwerten. Durch einen veränderten Druck außerhalb der Messkapazitäten 131, 132 biegen sich die Membranen 141, 142 stärker in Richtung des Substrats 137, wenn der Druck außerhalb erhöht wird. Dies kann als Messsignal ausgelesen werden, wobei zusätzlich die durch die unterschiedliche Membransteifigkeit vorhandene Sensitivität hinsichtlich einer Luftfeuchtigkeit ausgewertet wird.
Ebenfalls in 5 dargestellt ist, dass die erste Messkapazität 131 eine erste Passivierungsschicht 143 umfasst. Die zweite Messkapazität 132 umfasst eine zweite Passivierungsschicht 144. Die erste Passivierungsschicht 143 und die zweite Passivierungsschicht 144 sind unterschiedlich. Dies kann ebenfalls dazu führen, dass Anlagern von Wasser aus der relativen Luftfeuchtigkeit aufgrund der unterschiedlichen Passivierungsschichten 143, 144 zu einer unterschiedlichen Krümmung der Membranen 141, 142 führt und somit das erste Messelement 111 in Form der ersten Messkapazität 131 stärker durch eine veränderte Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird als das zweite Messelement 112 in Form der zweiten Messkapazität 132.
Ebenfalls in 5 dargestellt ist, dass die erste Membran 141 mit der ersten Passivierungsschicht 143 eine erste Schichtdicke 145 aufweist und dass die zweite Membran 142 mit der zweiten Passivierungsschicht 144 eine zweite Schichtdicke 146 aufweist. Dabei sind in 5 sowohl die Membranen 141, 142 als auch die Passivierungsschichten 143, 144 jeweils in den Schichtdicken 145, 146 inkludiert. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, keine Passivierungsschichten 143, 144 vorzusehen, sodass nur die Membranen 141, 142 angeordnet sind. Um die Messkapazitäten 131, 132 derart ausgestalten, dass sie unterschiedlich auf eine relative Luftfeuchtigkeit reagieren, können die Schichtdicken 145, 146 unterschiedlich sein. Dies gilt sowohl für die Ausgestaltung inklusive Passivierungsschichten 143, 144 als auch für die Ausgestaltungen ohne Passivierungsschichten 143, 144. Ferner kann ein unterschiedliches Verhalten der Membranen 141, 142 hinsichtlich einer relativen Luftfeuchte dadurch zustande kommen, dass die erste Membran 141 aus einem anderen Material besteht als die zweite Membran 142.
6 zeigt einen Drucksensor 200 bestehend aus einer Sensorstruktur 100 und einer Auswerteelektronik 210. Die Auswerteelektronik 210 ist mit den Anschlüssen 101, 102 und den Auswerteanschlüssen 103, 104, 116, 117 verbunden, wobei der dritte Auswerteanschluss 116 und der vierte Auswerteanschluss 117 optional und insbesondere nur dann vorhanden sind, wenn die Sensorstruktur 100 wie in den 3 und 4 gezeigt ausgestaltet ist. Ist die Sensorstruktur 100 ausgestaltet wie in den 1 und 2 gezeigt, so können der dritte Auswerteanschluss 116 und der vierte Auswerteanschluss 117 weggelassen werden.
Die Auswerteelektronik 210 ist eingerichtet, an den Anschlüssen 101, 102 eine Spannung oder einen Strom anzulegen und ein Messsignal zwischen den Auswerteanschlüssen 103, 104 abzugreifen. Ferner ist die Auswerteelektronik 210 eingerichtet, ein Feuchtigkeitssignal des Feuchtigkeitsmesselements 120 auszulesen, und eingerichtet, das Messsignal anhand des Feuchtigkeitssignals zu korrigieren und das korrigierte Messsignal auszugeben.
Ebenfalls in 6 dargestellt ist, dass die Auswerteelektronik 210 einen Speicher 211 umfasst. Im Speicher 211 ist zumindest ein Kompensationsparameter abgelegt, wobei die Auswerteelektronik 210 eingerichtet ist, das Messsignal anhand des Feuchtigkeitssignals mittels dieses Kompensationsparameters zu korrigieren. Diese Ausgestaltung kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn das fünfte Messelement 115, wie in den 3 und 4 gezeigt, zum Einsatz kommt und über den dritten Auswerteanschluss 116 und den vierten Auswerteanschluss 117 ausgelesen wird. Das Feuchtigkeitssignal wird dann anhand dieses Kompensationsparameters in eine vorzunehmende Druckkorrektur umgewandelt und das über die Auswerteanschlüsse 103, 104 ausgewertete Drucksignal entsprechend korrigiert.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, im Speicher 211 einen weiteren Kompensationsparameter abzulegen, wobei der Kompensationsparameter und der weitere Kompensationsparameter unterschiedlich zueinander sind. Die Auswerteelektronik 210 ist eingerichtet, das Feuchtigkeitssignal anhand einer Differenz von Messwerten des ersten Messelements 111 und des zweiten Messelements 112 und einer Differenz des Kompensationsparameters und des weiteren Kompensationsparameters zu berechnen. Dies kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn die Sensorstruktur 100 ausgestaltet ist wie in den 1 und 2 gezeigt.
Um die relative Luftfeuchtigkeit zu bestimmen und anschließend die entsprechende Kompensation vornehmen zu können, können folgende Überlegungen zum Einsatz kommen. Eine Kennlinie der ersten Messkapazität 131 stellt eine Funktion abhängig von Druck, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit dar. Eine Kennlinie der zweiten Messkapazität 132 stellt ebenfalls eine Funktion von Druck, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit dar. Dabei sollen die beiden Messkapazitäten 131, 132 unterschiedlich auf eine veränderte Luftfeuchtigkeit reagieren und damit unterschiedlich empfindlich sein.
Allgemein ist dies in 7 dargestellt, wobei in 7 auf einer ersten Achse 301 ein Messsignal und auf einer zweiten Achse 302 eine relative Luftfeuchtigkeit aufgetragen sind. Eine erste Kennlinie 303 bildet das Messignal des ersten Messelements und eine zweite Kennlinie 304 das Messsignal des zweiten Messelements. Dabei ist durch die unterschiedlichen Steigungen der Kennlinien 303, 304 verdeutlicht, dass das erste Messelement 111 stärker durch eine veränderte Luftfeuchtigkeit beeinflusst wird als das zweite Messelement 112. Dies kann beispielsweise für die Messkapazitäten 131, 132 ausgewertet werden. Die erste Messkapazität 131 ist dabei anhand der Kennlinie 304 derart ausgestaltet, dass die gemessene Kapazität proportional zu einem Proportionalitätsfaktor (Kompensationsparameter) und der relativen Luftfeuchtigkeit ist. Die zweite Messkapazität 132 ist ebenfalls proportional zur relativen Luftfeuchtigkeit und in diesem Fall proportional zu einem zweiten Parameter, in dem Fall dem weiteren Kompensationsparameter. Subtrahiert man nun das für die erste Messkapazität 131 und die zweite Messkapazität 132 jeweils individuell ausgewertete Messsignal, so ergibt sich, dass die Differenz der Messkapazitäten 131, 132 proportional zu einer Differenz der Kompensationsparameter und der relativen Luftfeuchtigkeit ist. Diese Proportionalität kann mittels theoretischer Überlegungen oder experimentell derart bestimmt werden, dass entsprechende Kennlinien im Speicher 211 abgelegt werden können und somit eine Feuchtigkeitskompensation der Messergebnisse ermöglicht wird. Je stärker sich die Kennlinien 303, 304 unterscheiden, desto größer ist die Sensitivität hinsichtlich der relativen Luftfeuchtigkeit.
Die erste Kennlinie 303 kann dabei proportional zu einer Funktion sein, die abhängig von Druck p, Temperatur T und Luftfeuchtigkeit H ist. Die zweite Kennlinie 304 kann dabei ebenfalls proportional zu einer Funktion sein, die abhängig von Druck p, Temperatur T und Luftfeuchtigkeit H ist. Allgemein ausgedrückt ist beispielsweise eine Kapazität der ersten Messkapazität 131: $C_{1} ~ ƒ (p, T, H)$
Für eine Kapazität der zweiten Messkapazität 132 gilt: $C_{2} ~ ƒ (p; T, H)$
Die Abhängigkeiten vom Druck p und der Temperatur T können über eine Kalibrierung bestimmt werden, die für jede Sensorstruktur 100 einzeln durchgeführt wird. Danach muss nur noch die Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit H betrachtet werden, wobei hier gilt: $C_{1} \sim a H$
$C_{2} \sim b H$
Hier sind a und b Proportionalitätsfaktoren, die unterschiedlich sind, wenn die erste Messkapazität 131 und die zweite Messkapazität 132 unterschiedlich auf die Luftfeuchtigkeit H reagieren.
Nun kann eine Differenz der Kapazitäten berechnet werden, wobei gilt: $C_{1} - C_{2} \sim (a - b) H$
Die Differenz der Kapazitäten kann dann als Maß für die Luftfeuchtigkeit genutzt werden, wenn a und b mittels theoretischer Überlegungen oder mittels Messung einer Sensorstruktur 100 bestimmt werden. Da die Bestimmung mittels Messung aufwändig ist, kann vorgesehen sein, dass diese Bestimmung nur für eine Sensorstruktur einer Charge durchgeführt wird und die dabei bestimmten Koeffizienten a und b für alle Sensorstrukturen 100 verwendet werden.
Dieses Verfahren kann analog auch für die piezoresistiven Widerstände der Sensorstruktur 100 der 2 verwendet werden, und so Aussagen über die relative Luftfeuchtigkeit getroffen werden.
Um den Drucksensor 200 herzustellen, kann nun zunächst die Sensorstruktur 100, wie in den 1 bis 4 gezeigt, bereitgestellt werden. Ferner kann die Auswerteelektronik 210 bereitgestellt werden und die in 6 dargestellten Verbindungen zwischen Sensorstruktur 100 und Auswerteelektronik 210 hergestellt werden. Anschließend kann eine Druckkennlinie mittels vorgegebener Drücke bestimmt werden, wobei für den Fall, dass die Sensorstruktur 100 zusätzlich einen Temperatursensor aufweist, auch eine veränderte Temperatur in die Druckkennlinie einfließen kann. Die Druckkennlinie wird dann in der Auswerteelektronik 210 gespeichert, wobei das Bestimmen der Druckkennlinie und das anschließende Speichern einer Kalibrierung des Drucksensors 200 nach der Herstellung entspricht. Ferner kann in der Auswerteelektronik 210 eine Feuchtigkeitskompensationskennlinie gespeichert werden, die beispielsweise mittels des im Zusammenhang mit 7 erläuterten Verfahren bestimmt oder die aufgrund von theoretischen Überlegungen bestimmt wurde. Die Auswerteelektronik 210 kann dann das Drucksignal anhand der Feuchtigkeitskompensationskennlinie entsprechend korrigieren.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zunächst ein Drucksensor 200 hergestellt wird und die Feuchtigkeitskompensationskennlinie mittels vorgegebener Luftfeuchtigkeiten bestimmt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass die Sensitivität hinsichtlich veränderter Luftfeuchtigkeit bzw. eine Veränderung der Messsignale des ersten Messelements 111, des zweiten Messelements 112 und/oder des fünften Messelements 115 ermittelt wird. Da diese Messungen relativ lange dauern und insbesondere das Einstellen eines Gleichgewichts einer relativen Luftfeuchtigkeit auf langen Zeitskalen abläuft, wird diese Messung nur einmal für eine Vielzahl von Sensorstrukturen 100 vorgenommen und die daraus entstehende Feuchtigkeitskompensationskennlinie für sämtliche weiteren Sensorstrukturen 100 verwendet, selbst wenn für diese Sensorstrukturen 100 keine eigenen Messungen hinsichtlich der Luftfeuchtigkeit erfolgen. Jede hergestellte Sensorstruktur 100 wird jedoch hinsichtlich der Druckkennlinie mit vorgegebenen Drücken und gegebenenfalls vorgegebenen Temperaturen kalibriert, sodass insgesamt ein effizientes Verfahren zur Herstellung dieser Drucksensoren angegeben wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Sensorstruktur (100) für einen Drucksensor (200) mit einem ersten Messelement (111), einem zweiten Messelement (112), einem dritten Messelement (113) und einem vierten Messelement (114), wobei das erste Messelement (111) und das zweite Messelement (112) eingerichtet sind, einen Druck in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom zu wandeln, wobei die Sensorstruktur (100) einen ersten Anschluss (101) und einen zweiten Anschluss (102) für eine Spannungsversorgung und/oder Stromversorgung aufweist, wobei die Sensorstruktur (100) einen ersten Auswerteanschluss (103) und einen zweiten Auswerteanschluss (104) aufweist, wobei die Sensorstruktur (100) ferner ein Feuchtigkeitsmesselement (120) umfasst.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 1, wobei das erste Messelement (111) und das zweite Messelement (112) Teil des Feuchtigkeitsmesselements (120) sind, wobei das erste Messelement (111) und das zweite Messelement (112) derart ausgestaltet sind, dass eine veränderte Luftfeuchtigkeit das erste Messelement (111) stärker beeinflusst als das zweite Messelement (112).
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Feuchtigkeitsmesselement (120) ein fünftes Messelement (115) umfasst, wobei das fünfte Messelement (115) im Wesentlichen nicht durch einen Druck beeinflusst wird.
Sensorstruktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sensorstruktur (100) ein mikroelektromechanisches System (130) umfasst, wobei das erste Messelement (111) als erste Messkapazität (131), das zweite Messelement (112) als zweite Messkapazität (132), das dritte Messelement (113) als erste Referenzkapazität (133), das vierte Messelement (114) als zweite Referenzkapazität (134) ausgestaltet ist, wobei die erste Messkapazität (131), die zweite Messkapazität (132), die erste Referenzkapazität (133) und die zweite Referenzkapazität (134) Teil des mikroelektromechanischen Systems (130) sind.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 4, wobei die erste Messkapazität (131) eine erste Membran (141) mit einer ersten Membransteifigkeit aufweist, wobei die zweite Messkapazität (132) eine zweite Membran (142) mit einer zweiten Membransteifigkeit aufweist, wobei die erste Membransteifigkeit und die zweite Membransteifigkeit unterschiedlich sind.
Sensorstruktur (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die erste Messkapazität (131) eine erste Passivierungsschicht (143) und die zweite Messkapazität (132) eine zweite Passivierungsschicht (144) aufweist, wobei die erste Passivierungsschicht (143) und die zweite Passivierungsschicht (144) unterschiedlich sind.
Sensorstruktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Messelement (111) einen ersten piezoresistiven Widerstand (161) umfasst, wobei das zweite Messelement (112) einen zweiten piezoresistiven Widerstand (162) umfasst, wobei das dritte Messelement (113) einen dritten piezoresistiven Widerstand (163) umfasst, wobei das vierte Messelement (114) einen vierten piezoresistiven Widerstand (164) umfasst.
Sensorstruktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste Messelement (111), das zweite Messelement (112), das dritte Messelement (113) und das vierte Messelement (114) in einer Brückenschaltung (105) derart angeordnet sind, dass der erste Anschluss (101) mit dem ersten Messelement (111) und dem dritten Messelement (113) direkt verbunden ist, der zweite Anschluss (102) mit dem zweiten Messelement (112) und dem vierten Messelement (114) direkt verbunden ist, der erste Auswerteanschluss (103) mit dem ersten Messelement (111) und dem vierten Messelement (114) direkt verbunden ist und der zweite Auswerteanschluss (104) mit dem zweiten Messelement (112) und dem dritten Messelement (113) direkt verbunden ist.
Drucksensor (200) mit einer Sensorstruktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer Auswerteelektronik (210), wobei die Auswerteelektronik (210) eingerichtet ist, an den Anschlüssen (101, 102) für die Spannungsversorgung eine Spannung oder einen Strom anzulegen, ein Messsignal zwischen den Auswerteanschlüssen (103, 104) abzugreifen und ein Feuchtigkeitssignal des Feuchtigkeitsmesselements (120) auszulesen, wobei die Auswerteelektronik (210) ferner eingerichtet ist, das Messsignal anhand des Feuchtigkeitssignals zu korrigieren und das korrigierte Messsignal auszugeben.
Drucksensor (200) nach Anspruch 9, wobei die Auswerteelektronik (210) einen Speicher (211) umfasst, wobei im Speicher (211) zumindest ein Kompensationsparameter abgelegt ist, wobei die Auswerteelektronik (210) eingerichtet ist, das Messsignal anhand des Feuchtigkeitssignals mittels des Kompensationsparameters zu korrigieren.
Drucksensor (200) nach Anspruch 10, wobei zusätzlich zum Kompensationsparameter ein weiterer Kompensationsparameter im Speicher (211) abgelegt ist, wobei der Kompensationsparameter und der weitere Kompensationsparameter unterschiedlich zueinander sind und wobei die Auswerteelektronik (210) eingerichtet ist, das Feuchtigkeitssignal anhand einer Differenz von Messwerten des ersten Messelements (111) und des zweiten Messelements (112) und einer Differenz des Kompensationsparameters und des weiteren Kompensationsparameters zu berechnen.
Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors (200) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen der Sensorstruktur (100); - Bereitstellten der Auswerteelektronik (210); - Verbinden der Auswerteelektronik (210) mit den Anschlüssen (101, 102) für die Spannungsversorgung und den Auswerteanschlüssen (103, 104); - Bestimmen einer Druckkennlinie mittels vorgegebener Drücke; - Speichern der Druckkennlinie in der Auswerteelektronik (210); - Speichern einer Feuchtigkeitskompensationskennlinie in der Auswerteelektronik (210).