DE19804036A1

DE19804036A1 - Sensorsystem und Multisensorsystem zur Erfassung von klimatischen Meßdaten sowie Verfahren zur Herstellung des Sensorsystems und des Multisensorsystems

Info

Publication number: DE19804036A1
Application number: DE19804036A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ing Temmel; Edmund Dr Ing Burte
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-12

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Sensorsystem und Multisensorsystem zur Erfassung von klimatischen Meßdaten sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des Sensorsystems und des Multisensorsystems.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem und das erfindungsgemäße Multisensorsystem können in vorteilhafter Weise zur Steuerung der Haustechnik eingesetzt werden, wodurch beispielsweise die Gebäudeheizung in effizienter Weise geregelt werden kann.

Dabei sind noch weitere Anwendungsbereiche für das erfindungsgemäße Sensorsystem und das erfindungsgemäße Multisensorsystem denkbar. Als ein Beispiel für ein weiteres Einsatzgebiet können Verkehrsleitsysteme angeführt werden. Beispielsweise werden lokale Klimaerfassungsstationen an vielbefahrenen Autobahnrouten in vermehrtem Umfang eingesetzt. Durch die Messung und Analyse der Umweltbedingungen wie Niederschlag, Nebel und Außentemperatur sowie Luftfeuchtigkeit erfolgt die gezielte Steuerung des Verkehrsflusses. Dabei kann das erfindungsgemäße Sensor- bzw. Multisensorsystem in derartigen Klimaerfassungsstationen eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit zur Fertigung kostengünstiger Sensorikelemente ein wichtiger Beitrag zur großflächigen Erweiterung diverser Verkehrsleitsysteme.

Derzeit sind die Vorrichtungen zur Wärmeerzeugung für die Gebäudeheizung mit zentralen Steuerungen und mit Einrichtungen zur Raumtemperaturregelung (meist handregulierbare Thermostatventile) ausgestattet. Dabei beziehen Regelungen von Heizungsanlagen oder Klimaanlagen meist nur die Außentemperatur an der Nordwand von Gebäuden als Außenklimaparameter ein. Die Einbeziehung alternativer Energiequellen unter Ausnutzung von Solar-, Windenergie, Niederschlag und Geothermik in die Heizung, Warmwasserbereitung und Stromversorgung erfordert jedoch die Erfassung von weitaus mehr Daten, als sie für eine herkömmliche Heizungssteuerung notwendig sind. Die Außenklimaparameter sind dort an erster Stelle zu nennen, da die zur Verfügung stehende Energie direkt von diesen Parametern abhängig ist. Genauer gesagt müssen neben den Temperaturen Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und Windrichtung, sowie der Niederschlag erfaßt werden. Die Globalstrahlung gibt Kennwerte für die Photovoltaik, Solarkollektoren und Abschattungseinrichtungen. Windrichtung und Geschwindigkeit ermöglichen eine Aussage über die im Augenblick mögliche Windenergieerzeugung durch Windräder. Sonneneinstrahlung und Windgeschwindigkeit ändern die Transmissionsverluste durch die Außenwände des Gebäudes und damit den Wärmebedarf.

Durch die Meßwertaufnahme und Datenausgabe stehen dann - je nach Betriebszustand des Wohnbereiches - Regelgrößen zur Verfügung. Dies können Komfortklimasteuerung, minimaler Energieeinsatz für Heizung oder Warmwasserbereitung und dergleichen sein.

Dabei sind kostengünstige Einzelsensoren teilweise in einer großen Zahl vorhanden, die erhaltenen Meßgenauigkeiten und die erreichten Einsatztauglichkeiten sind aber durchwegs unzureichend. Die derzeitig am Markt erhältlichen hochpräzisen Einzelsensoren sind allerdings für den Einsatz in Wohn-und Zweckbauten in den meisten Fällen viel zu kostenintensiv.

Am Markt erhältliche Wetterstationen, d . h. Multisensorsysteme mit zusammengefügten Sensorsystemen gibt es für eine Reihe von meteorologischen Meßaufgaben. Die Kosten derartiger Systeme sind für viele Anwendungen zu hoch. Bekannte Beispiele für Billigsensorsysteme hingegen haben den Nachteil, daß ihre Genauigkeit zu gering ist, so daß sie lediglich als Anzeigeelement zu verwenden sind, nicht jedoch zur Regelung von Vorrichtungen zur Wärmeerzeugung. Durch den Aufbau und die verwendeten Systeme ist ein jahrelanger Dauerbetrieb nicht ohne massive Wartungen oder Austausch von Komponenten möglich. Darüber hinaus sind die Schnittstellen nicht zu Bussystemen kompatibel.

Bei der Konzeption von Sensorsystemen, die auf Mikrosystemtech nik-(MST-)Komponenten, insbesondere aus Silizium, beruhen, stellt sich insbesondere das Problem, daß die auf dem Sensorchip integrierte Elektronik vor dem Einfluß der Lichtstrahlung ausreichend geschützt werden muß. Beispielsweise generieren eintreffende Lichtquanten beim Auftreffen auf den Siliziumkörper freie Ladungsträger, die zu Störungen in der Signalverarbeitung führen.

Deshalb werden weitverbreitet Kapselungen eingesetzt, um die weiterverarbeitende Elektronik vor Außenklimaeinflüssen zu schützen. Derartige Kapselungen behindern jedoch den freien Zugang der Sensoren zum Außenklima.

Entsprechend entsteht beim Aufbau des Klimameßsystems das Problem, daß einerseits die Sensoren freien Zugang zum Außenklima haben müssen, anderseits die weiterverarbeitende Elektronik vor genau diesen Klimaeinflüssen (Hitze, Kälte, Wasser . . .) ausreichend geschützt werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges, zuverlässiges Sensorsystem zu schaffen, mit dem das Problem beseitigt werden kann, daß das Sensorsystem einerseits Wetterdaten erfassen soll und daher der Umwelt ausgesetzt werden soll, andererseits die empfindliche weiterverarbeitende Elektronik anfällig gegenüber Witterungsbedingungen ist und daher gegenüber der Umwelt geschützt werden soll.

Des weiteren liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und zuverlässiges Multisensorsystem zu schaffen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch das Sensorsystem nach Anspruch 1, das Multisensorsystem nach Anspruch 11 sowie das Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystems nach Anspruch 16 und das Verfahren zur Herstellung eines Multisensorsystems nach Anspruch 25 gelöst. Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensor- oder Multisensorsystems nach den Ansprüchen 30 und 31 bereit.

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dadurch, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die sensoraktive Fläche des Sensorelements auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist, während die Schaltung zwischen Sensorelement und Substrat angeordnet ist und die Schaltung, das Sensorelement und das Substrat geeignet miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind, wird ein zuverlässiges Sensorsystem realisiert, bei dem einerseits die Umweltdaten sicher erfaßt werden können, andererseits die Meßdaten durch die weiterverarbeitende Elektronik ohne Störungen von außen weiterverarbeitet werden können.

Mit der mikrosystemtechnisch herstellbaren, vor allem aber kostengünstig zu fertigenden Wetterstation, die das erfindungsgemäße Multisensorsystem umfaßt, können Außentemperatur, Luftdruck und -feuchte, Sonneneinstrahlung, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie UV-Strahlung erfaßt werden. Die Meßwerte können einem Haus- oder Gebäudeleitsystem zur Verfügung gestellt oder zu Regel- und Steuerungsaufgaben von autarken Einheiten (z. B. Wintergarten) herangezogen werden. Außerdem kann der Nutzer durch die Klimastation Informationen über das lokale Wetter abrufen.

Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Sensor- bzw. Multisensorsystem den Vorteil, daß es in einer CMOS-kompatiblen Massenfertigung herstellbar ist und durch automatisierte Fertigungslinien weiterverarbeitet werden kann. Um dies realisieren zu können, werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die meisten Herstellungsschritte konsequent durch CMOS-Prozeßschritte realisiert, wie sie auch in einer ASIC Fertigung eingesetzt werden. Nur einige wenige Prozeßschritte, für die es keine kompatiblen Techniken gibt oder die zu Störungen im Prozeßablauf führen, werden nachträglich ausgeführt. Dies sind unter anderem Spincoating-Verfahren zum Aufbringen von sensitiven Schichten und das mikromechanische, anisotrope Ätzen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sollen in dem Multisensorsystem die einzelnen Sensorelemente und die dazugehörige Ansteuer- und Auswerteelektronik integriert werden. Die Herstellung der elektronischen Bauteile erfolgt somit vorzugsweise in einem implementierten CMOS-Prozeß. Die Herstellung zusätzlicher sensitiver und elektrisch aktiver Schichten kann dann mit den Methoden der Mikrosystemtechnik erfolgen.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor- bzw. Multisensorsystem werden die Sensoren vorzugsweise mit den heutigen Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik weitgehend monolithisch integriert auf Siliziumsubstraten hergestellt. Der Aufbau auf den Träger ist durch Flip-Chip Bonden vorgesehen, wodurch eine schnelle und zuverlässige Kontaktierung und mechanische Befestigung sichergestellt werden. Ein Schutz vor äußeren Einflüssen wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch Verkapselung und eine zumindest teilweise strahlungsdurchlässige Kappe gewährleistet.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem im Querschnitt;

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf den geöffneten Sensorchip; und

Fig. 3 zeigt einen strömungsoptimierten Windleitdeckel von unten gesehen.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem im Querschnitt. Dabei soll die Kantenlänge der Grundfläche als Zielgröße etwa 9 mm betragen.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 den in Fig. 3 gezeigten Windleitdeckel, Bezugszeichen 2 den in Fig. 2 gezeigten Sensorchip, Bezugszeichen 3 sogenannte Bumps, um die Anschlußpads des Sensors mit den Anschlußpads 4 des Trägers zu verbinden, Bezugszeichen 5 bezeichnet eine strömungsoptimierte Schutzkappe, die vorzugsweise aus einem Polymerwerkstoff hergestellt ist, und Bezugszeichen 17 bezeichnet ein Substrat. Der Sensorchip und der Windleitdeckel sind vorzugsweise aus Silizium hergestellt und werden mit Hilfe von beispielsweise einer Klebe- oder Bondverbindung aufeinander gefügt. Die Schutzkappe 5 enthält vorzugsweise zwei Strahlungsöffnungen beispielsweise für sichtbares Licht und für UV-Strahlung.

Die Schutzkappe 5 kann aus einem transparenten Kunststoff hergestellt sein. Dieser hat jedoch den Nachteil, daß er für UV-Strahlung nicht durchlässig ist. Des weiteren kann die Schutzkappe 5 aus Quarzglas, welches für UV-Strahlung durchlässig ist, hergestellt sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß die Schutzkappe 5 aus Spritzgußkunststoff hergestellt ist und zwei Löcher - eines für gewöhnliche Lichteinstrahlung, eines für UV-Strahlung - aufweist. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß durch derartige Löcher auch Regenwasser in das erfindungsgemäße Sensor- bzw. Multisensorsystem eindringen kann.

In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 6 einen Meßfühler zur Erfassung der Temperatur, Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Meßfühler zur Ermittlung der relativen Luftfeuchtigkeit, Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Meßfühler zur Ermittlung der Helligkeit, Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Meßfühler zur Ermittlung der eingestrahlten UV-Strahlung, und Bezugszeichen 10 bis 13 bezeichnen Meßfühler zur Bestimmung von Luftdruck, Windrichtung und Windgeschwindigkeit. Diese Meßfühler sind auf dem Sensorchip angeordnet. Ihre genaue Funktion wird nachstehend noch detaillierter beschrieben werden.

Die von den einzelnen Meßfühlern zur Verfügung gestellten Ausgangssignale können beispielsweise mit einer Busschnittstelle (EIB, LON, M-Bus, . . .) versehen werden, wodurch die entwickelten Komponenten an eine Vielzahl von Installationssystemen in Wohn- oder Zweckbauten angekoppelt werden können.

Fig. 3 zeigt den Windleitdeckel 1, der in dem in Fig. 1 gezeigten Sensorsystem zwischen Sensorchip und Schutzkappe angeordnet ist. Dieser wird vorzugsweise aus einem Silizium-Chip durch anisotropes Ätzen mikromechanisch strukturiert. Dieser "Windleitdeckel" erfüllt zwei Funktionen. Die konischen Formen der Kanten an der Unterseite werden als Strömungskanäle für die Drucksensoren benötigt. Abhängig von den geometrischen Dimensionen wird die Montage auf dem Substratträger realisiert. Eine Aussparung 14 in der Mitte ermöglicht es der Sonnenstrahlung, die auf dem Sensorchip mittig angeordneten Strahlungssensoren zu erreichen. Zusätzlich kann für den UV-Sensor ein Bandkantenfilter 15 in der Abdeckungsmembran integriert sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Elektronik auf der Unterseite des Chips angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird dies unter Ausnutzung der anisotropen Ätztechnik erreicht. Mit dieser Technik kann das Siliziumsubstrat auf eine definierte Schichtdicke geätzt werden. Zur Realisierung von photosensitiven Sensoren sollen die Schichten dieser Bauelemente auf der Unterseite des Siliziumsubstrates strukturiert und durch einen Ätzschritt von der Oberseite her optisch zugänglich gemacht werden. Diese Prozeßabfolge vermeidet die durch Schicht- und Maskentechnik aufwendigere Durchkontaktierung der Sensoren auf die Oberseite. Sie sollte zudem einen verbesserten Übergangswiderstand vom Sensor zur Signalauswertung bieten. Dabei können die Membranen für die Drucksensoren zur Messung der Windgeschwindigkeit im selben Ätzschritt hergestellt werden.

Für den optimalen Einsatz beispielsweise bei einem Wintergarten können die gemessenen lokalen Klimaparameter für die Bereitstellung von Sicherheits- und Regelungsfunktionen in folgenden Szenarien eingesetzt werden:

- Vorgelagerte Abschattungsvorrichtungen müssen vor Beschädigung durch starke Windböen geschützt werden.
- Der Innenraum muß vor eindringendem Niederschlag durch offene Lüftungsklappen oder Fenster geschützt werden.
- Je nach Sonnenstand und Außentemperatur müssen der Anstellwinkel von Jalousien und die Luftzirkulation/Ventilation geregelt werden.
- Optionen wie die zusätzliche Überwachung der UV-Strahlung oder sogar der Ozon- oder Luftschadstoffkonzentration können angekoppelt werden, um den Nutzer über eine schädigende Wirkung eines Aufenthaltes außerhalb der Wohnräume zu informieren.

Für die Überwachung und Steuerung von ressourcensparenden und alternativen Einrichtungen im Wohn- und Zweckgebäudebau, z. B. Windräder, Solarstromanlagen, Regenwasserzisternen, ist die Verwendung der Außenklima-Parameter ebenfalls möglich. Der Einsatz der Anlagen kann optimiert werden, wodurch die Kosteneffizienz der Anlagen erhöht werden kann. Die Aussagen über Sturm, Nachtfrost und Niederschläge werden für eine Erfassung von gefährlichen Betriebszuständen des Wohn- und Zweckbaues benötigt. Durch Schutzvorrichtungen können Fenster und Lüftungsklappen geschlossen und Jalousien eingefahren werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Einzelsensoren so in die Wetterstation integriert, daß ein an die Aufgabenstellung angepaßtes mikrosystembasiertes Multisensormodul in einem kostengünstigen Herstellungsverfahren entsteht. Dabei genügt die Funktionalität den Erfordernissen der Wetter- und Korrosionsbeständigkeit sowie der mechanischen Robustheit.

Nachfolgend werden die einzelnen Meßfühler detaillierter beschrieben.

Temperaturmessung

Zur Temperaturmessung wird die Temperaturabhängigkeit von Platin-Dünnschicht widerständen ausgenutzt. Die Signalauswertung bereitet die Kennlinie auf ein lineares Spannungssignal von 0 V bis 5 V auf. Dieses Verhalten ermöglicht einen linearen Betriebsbereich von -50°C bis +150°C. Um die Problematik der Exemplarstreuungen durch Schichtdicken- und Morphologievariationen zu lösen, werden vorzugsweise automatisierte Kalibrierroutinen mit Schaltungsabgleich eingebaut und Lasertrimmverfahren verwendet. Dadurch wird eine Langzeitstabilität ohne Drift über einen Zeitraum von mehreren Jahren erreicht.

Windmessung

Mit der Windmessung werden simultan Luftdruck, Windgeschwindigkeit und -richtung erfaßt. Die mikrosystemtechnische Lösung soll die teuren mechanischen Komponenten herkömmlicher Sensorik, Schalenkreuzanemometer und Windfahne, ersetzen. Die Bestimmung der Windgeschwindigkeit läßt sich - über p_s = 0,5 ρv² (p_s = Staudruck, ρ = Luftdichte, v = Windgeschwindigkeit) - auf eine Messung des Staudrucks zurückführen. Zur Messung werden vorzugsweise Differenzdrucksensoren, die Windgeschwindigkeitskomponenten messen, verwendet. Der Gesamtdruck wird in Fig. 1 auf der Oberseite der Differenzdrucksensoren anliegen, während der statische Luftdruck auf der Unterseite der Sensoren zwischen dem Sensorsystem 2 und geeignet ausgeformten Substrat 17 gegeben ist. Der statische Luftdruck und der Gesamtdruck werden durch die Verformung der Membranen gemessen. Dabei ändern Polysilizium-Leiterbahnen den Widerstandswert und verstimmen eine Wheatstone'sche Brückenschaltung.

Vier dieser vorzugsweise als Si-Membranen ausgeführten Sensoren 10, 11, 12 und 13 werden parallel auf dem Sensormodul plaziert. Die anisotrope Ätztechnik ermöglicht mittels Ätzstoppmechanismen eine hoch präzise Steuerung der Membrandicke. Dieser Parameter bestimmt entscheidend die Charakteristik der Meßfühler (Maximaldruck, Empfindlichkeit).

Der vorzugsweise ebenfalls in Mikrotechniken hergestellte Windleitdeckel 1 sorgt für eine weitgehend exakte Signalantwort. Durch vektorielle Addition der Beiträge zweier benachbarter Kanäle können Geschwindigkeit und Richtung des Windes berechnet werden.

Luftfeuchtigkeit

Zur Detektion der Luftfeuchtigkeit werden vorzugsweise organische Polymere eingesetzt. Diese zeigen eine, im sonstigen Gebrauch nicht erwünschte Abhängigkeit ihrer Stoffeigenschaften von der Luftfeuchtigkeit. Solche hochvernetzten Polymere, wie z. B. Polyimide, besitzen die Eigenschaft, eine gewisse Menge an Wassermolekülen in ihrer offenporigen Struktur aufzunehmen. Dabei ändern sich die Dichte, das Volumen bzw. die Masse der Polymerschicht und deren dielektrische Eigenschaften. Diese Änderungen werden vorzugsweise durch massensensitive Resonatorbauelemente bzw. durch kapazitive elektrische Messungen nachgewiesen. Die Integration des Feuchtesensors 7 erfolgt direkt neben dem Temperatursensor 6, dessen Signal zudem für die Kompensation von Temperatureinflüssen benötigt wird.

Die Beschichtung der für den Sensor genutzten Interdigitalstrukturen erfolgt dabei vorzugsweise selektiv durch ein photolithographisches Verfahren.

Sonneneinstrahlung

Die Sonneneinstrahlung (Helligkeit) außerhalb des Wohn- oder Zweckgebäudes wird vorzugsweise durch einen Photodetektor 8 gemessen, der beispielsweise als Siliziumphotodiode ausgeführt ist. Dieser Detektor wird ebenfalls von der Unterseite des in Fig. 2 gezeigten Sensorchips in das Multisensorarray integriert. Durch anisotropes Ätzen wird von der Oberseite die photosensitive Fläche freigelegt. Bei dem Detektor ergibt sich in einem festgelegten Arbeitspunkt ein der Lichtintensität proportionaler, lichtgenerierter Diodensperrstrom. Die Variation des Sperrstromes wird durch eine Signalnachverarbeitung auf 0 bis 5 V aufbereitet. Der tages- und jahresabhängige Einstrahlungswinkel wird vorzugsweise softwaremäßig angepaßt.

UV-Strahlungsmessung

Für die UV-Strahlungsmessung werden vorzugsweise UV-sensitive optische Detektoren zur Lichtintensitätsmessung im UV-A und UV-B-Bereich durch Einsatz ultraflacher pn-Übergänge und spezieller RTP-Prozesse (Kurzzeit-Heißtemperatur-Prozesse, 800°C-1200°C, 10 s bis 40 s) verwendet. Die Abscheidung von Bandkantenfiltern (Strahlungsdurchlässigkeit nur unter 400 nm) auf den Windleitdeckel ermöglicht darüber hinaus eine einfachere Prozessierung des Sensormoduls und vermeidet störende Querempfindlichkeiten. Dabei sind die durch UV-Photonen generierte Elektron-Lochpaare bei einer Eindringtiefe des Lichtes von ca. 10 nm im elektrischen Feld des p-n Überganges zu trennen, so daß man ein verwertbares Signal erhält. Die Herstellung ultraflacher p-n Übergänge wird dabei vorzugsweise in das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Sensorsystems bzw. Multisensorsystems integriert.

Niederschlagsmessung

Die Niederschlagsmessung beruht vorzugsweise auf dem Leitfähigkeitsmeßprinzip und dient als Schwellwertschalter, beispielsweise zur Markisensteuerung oder Steuerung des Fensterschließmotors. Von einer korrosionsbeständigen Platin-Interdigitalstruktur wird fortlaufend die Leitfähigkeit bestimmt. Fällt Niederschlag auf das Element, so ändert sich der Widerstand durch Überbrückung einzelner Mikrostrukturen. Nach dem Ablaufen des Wassers am Ende des Regens nimmt der Leitwert wieder seinen Ausgangswert an. Die Steuerung spricht erst mit einer gewissen Zeitverschiebung nach Ende eines Niederschlages an. Optional kann auch eine kapazitive Interdigitalstruktur als Meßprinzip verwendet werden. Dies ermöglicht die Unterscheidung nach Betauung, hohe/niedrige Luftfeuchtigkeit, Vereisung, Trocknungszustand, Schneebedeckung, usw.

Dabei kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Platin-Interdigitalstruktur auf der der Umgebung ausgesetzten Oberfläche der Schutzkappe angeordnet sein.

Die Kalibrierung des Gesamtsystems wird durch mehrkanalige Meßwerterfassung mit entsprechenden Softwareroutinen vorgenommen. Dabei werden die Nullpunkte und die Endbereiche für die einzelnen Sensoren eingestellt (in einer Klimakammer). In der Signalverarbeitungen sind programmierbare Verstärker für die Endbereiche und programmierbare Widerstände für die Nullpunktsverschiebung integriert, die sich über den I/O-Port des Controllers ansteuern und einstellen lassen. Über einen Optimierungsalgorithmus werden die Widerstandswerte solange verändert, bis sich der gefragte Nullpunkt und Endbereich ergibt. Die erhaltenen Daten werden abgespeichert (auf einem Flash-EPROM auf der Signalvorverarbeitung) und stehen für die Lebenszeit des Sensorsystems zur Verfügung.

Die in der Gegenwart zur Verfügung stehenden Rechnerleistungen erlauben es, mit Hilfe von Kalibrierdaten zunehmend nichtlineare Sensorsignale und billigere Sensoren zu verwenden. Für manche Sensoren bzw. Übertragungsprinzipien sind nicht die Absolutwerte entscheidend, vielmehr kann über die dynamische Änderung des Sensorsignals auf den Absolutwert der zu messenden Größe zurückgerechnet werden. Dies soll anhand eines Gassensors kurz erläutert werden: Bei Gassensoren tritt bei geeignetem Sensormaterial die monomolekulare Adsorption (physikalische Adsorption) gegenüber anderen Mechanismen in den Vordergrund. Es kann gezeigt werden, daß bei konstantem Druck (auf der Erde hinreichend genau erfüllt) die Adsorptionsenergie des Sensors nur von der Temperatur abhängig ist. Wird nun auf einen solchen Sensor eine Heizung integriert, so kann die Gaskonzentration bei zwei verschiedenen Temperaturen gemessen werden. Hieraus erhält man über die Änderung der Sensorspannungen die Änderung der Adsorptionsenergie des Sensors. Die Änderung der Adsorptionsenergie ist eine von der Anzahl an freien Adsorptionsstellen des Sensors unabhängige Größe und kann auch bei einem stark verschmutzten Sensor bestimmt werden. Aus einem zuvor ermittelten Kennlinienfeld des Sensors kann dann die Gaskonzentration über die Änderung der Adsorptionsenergie bestimmt werden. Der Sensor braucht durch diese Art der Softwaresensorkompensation nicht mehr neu kalibriert zu werden.

Montage

Durch die Verbindung zweier Techniken, der monolithischen Integration und des Flip-Chip Bondens, kann darüber hinaus eine kostengünstige Herstellung des erfindungsgemäßen Sensorsystems bzw. Multisensorsystems realisiert werden. Der Aufbau des Systems als ein monolithisch integriertes Sensormodul hat den Vorteil, daß alle Sensoren in einem Prozeßablauf gefertigt werden. Nur die nicht CMOS-kom patiblen Prozeßschritte und Schichten werden nachträglich aufgebracht und strukturiert. Bauteilschwankungen werden somit vermieden und über den ganzen Chip können strenge Qualitätsanforderungen eingehalten werden, die mit anderen Aufbauverfahren nicht möglich sind. Einerseits wird so der Gesamtaufbau vereinfacht, anderseits werden Kosten durch den Wegfall von separaten Gehäusen eingespart.

Der erfindungsgemäße Aufbau, bei dem die sensoraktive Fläche des Sensorelements auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist, während die Schaltung zwischen Sensorelement und Substrat angeordnet ist und die Schaltung, das Sensorelement und das Substrat geeignet miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind, kann besonders bevorzugt durch Flip-Chip Bonding realisiert werden. Dabei werden die Anschlußpads der Sensor dies vorher durch Bumps (höckerartige oder pilzartige Metallisierung aus Gold) auf das nachfolgende Flip-Chip-Bonding vorbereitet, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Die Sensoren werden mit der aktiven Seite nach unten positioniert, und durch beispielsweise Thermokompressionsschweißen wird die Kontaktierung zwischen den Leiterbahnen auf der Epoxydharzplatine und den auf den Sensorsubstraten vorhandenen Bumps hergestellt. Bis auf die sensoraktive Fläche wird somit die restliche Elektronik von der Leiterplatte abgedeckt und dadurch geschützt.

Hierbei ist aber die Funktionstüchtigkeit des Windsensors, d. h. der für die Messung des statischen Drucks erforderliche Abstand zwischen dem Sandwich-Sensor Chip und dem Substrat, zu berücksichtigen.

Claims

1. Sensorsystem zur Erfassung von klimatischen Meßdaten mit

- einem Sensorelement zur Messung einer klimatischen Meßgröße, wobei die entsprechenden klimatischen Meßdaten erzeugt werden;
- einer Schaltung zur Verarbeitung der von dem Sensorelement erzeugten Meßdaten;
- einem Substrat,
wobei die sensoraktive Fläche des Sensorelements auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist, während die Schaltung zwischen Sensorelement und Substrat angeordnet ist und die Schaltung, das Sensorelement und das Substrat geeignet miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.

3. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement, die Schaltung und das Substrat durch eine Flip-Chip-Technik miteinander verbunden sind.

4. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Messung des Windes geeignet ist.

5. Sensorsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement mindestens 4 Differenzdrucksensoren, die Windgeschwindigkeitskomponenten messen, umfaßt.

6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzdrucksensoren als Silizium-Membranen realisiert sind.

7. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Messung der Lichteinstrahlung geeignet ist.

8. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement aus einer Photodiode aufgebaut ist.

9. Sensorsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Messung von UV-Strahlung geeignet ist.

10. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch eine Schutzkappe, die auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements bzw. des Windleitdeckels angeordnet ist.

11. Multisensorsystem zur Erfassung von klimatischen Meßdaten mit

- mindestens zwei Sensorelementen zur Messung einer klimatischen Meßgröße, wobei die entsprechenden klimatischen Meßdaten erzeugt werden;
- einer Schaltung zur Verarbeitung der von den Sensorelementen erzeugten Meßdaten;
- einem Substrat,
wobei die sensoraktive Fläche von mindestens einem Sensorelement auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist, während die Schaltung zwischen Sensorelement und Substrat angeordnet ist und die Schaltung, das Sensorelement und das Substrat geeignet miteinander mechanisch und elektrisch verbunden sind.

12. Multisensorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.

13. Multisensorsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente auf dem gemeinsamen Substrat mikrosystemtechnisch integriert sind.

14. Multisensorsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, weiter gekennzeichnet durch einen auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordneten Windleitdeckel.

15. Multisensorsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiter gekennzeichnet durch eine Schutzkappe, die auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements bzw. des Windleitdeckels angeordnet ist.

16. Verfahren zur Herstellung eines Sensorsystem zur Erfassung von klimatischen Meßdaten mit den Schritten zum

- Bereitstellen eines Sensorelements zur Messung einer klimatischen Meßgröße, wobei die entsprechenden klimatischen Meßdaten erzeugt werden;
- Bereitstellen einer Schaltung zur Verarbeitung der von dem Sensorelement erzeugten Meßdaten;
- Bereitstellen eines Substrats,
mechanisches und elektrisches Verbinden des Sensorelements mit dem Substrat, so daß die sensoraktive Fläche des Sensorelements auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist, während die Schaltung zwischen Sensorelement und Substrat angeordnet ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleitersubstrat ist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement und das Substrat durch eine Flip-Chip-Technik miteinander verbunden werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Messung des Windes geeignet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement mindestens 4 Differenzdrucksensoren, die Windgeschwindigkeitskomponenten messen, umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzdrucksensoren als Silizium-Membranen realisiert werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Messung der Lichteinstrahlung geeignet ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement aus einer Photodiode aufgebaut wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Messung von UV-Strahlung geeignet ist.

25. Verfahren zur Herstellung eines Multisensorsystems zur Erfassung von klimatischen Meßdaten mit den Schritten zum

- Bereitstellen von mindestens zwei Sensorelementen zur Messung einer klimatischen Meßgröße, wobei die entsprechenden klimatischen Meßdaten erzeugt werden;
- Bereitstellen einer Schaltung zur Verarbeitung der von den Sensorelementen erzeugten Meßdaten;
- Bereitstellen eines Substrats,
mechanisches und elektrisches Verbinden der mindestens zwei Sensorelemente mit dem Substrat, so daß die sensoraktive Fläche von mindestens einem Sensorelement auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements angeordnet ist, während die Schaltung zwischen Sensorelement und Substrat angeordnet ist.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Sensorelemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente auf dem gemeinsamen Substrat mikrosystemtechnisch integriert werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, weiter gekennzeichnet durch den Schritt zum Aufbringen eines Windleitdeckels auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, weiter gekennzeichnet durch den Schritt zum Aufbringen einer Schutzkappe auf der der Umgebung zugewandten Seite des Sensorelements bzw. des Windleitdeckels.

30. Verwendung des Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder des Multisensorsystems nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur Steuerung von Heizungs- oder Klimaanlagen.

31. Verwendung des Sensorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder des Multisensorsystems nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur Steuerung eines Verkehrsleitsystems.