WO2014033056A1 - Sensorbauteil - Google Patents

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WO2014033056A1
WO2014033056A1 PCT/EP2013/067512 EP2013067512W WO2014033056A1 WO 2014033056 A1 WO2014033056 A1 WO 2014033056A1 EP 2013067512 W EP2013067512 W EP 2013067512W WO 2014033056 A1 WO2014033056 A1 WO 2014033056A1
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Hubert Benzel
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a sensor component having a housing, in which at least one MEMS component with a pressure sensor component and an evaluation circuit are arranged, wherein the housing has at least one media access opening for the pressure sensor component.
  • a sensor component of the type mentioned comprises a micromechanical pressure sensor element and an evaluation chip, which are arranged in a common housing.
  • the sensor element and the evaluation chip side-by-side, ie side by side, were mounted on a support and electrically connected via bonding wires.
  • This arrangement was then embedded in a molding compound with the recess of the sensitive area of the sensor element. Accordingly, there is a media access opening for the pressure sensor element in this region of the mold housing.
  • the housing of humidity sensor elements must be equipped with a media access.
  • the signal detection here is usually capacitive using a moisture-dependent dielectric.
  • moisture sensor elements are known with two interdigital electrodes as measuring capacitor, on which a polymer is located. Since the dielectric constant of the polymer changes with the degree of humidity, the capacitance between the electrodes of the measuring capacitor is also moisture-dependent.
  • humidity sensor elements in which a polymer layer is sandwiched between the two measuring capacitor electrodes. In this case, the upper measuring capacitor electrode porous, so that the moisture can penetrate into the polymer. This causes a capacitance change of the measuring capacitor, which can be easily evaluated by means of an evaluation circuit.
  • temperature sensors in chip form which are based on different measurement concepts. Thus, temperature sensors can be realized for example in the form of a bandgap circuit or a diode circuit.
  • the inventively proposed integration of the three sensor components, pressure sensor, temperature sensor and humidity sensor, in a sensor component can in principle be implemented on the chip level and / or on the packaging level.
  • all three sensor components and the evaluation circuit are integrated on a single chip.
  • the AVT assembly and connection technology
  • packaging of the sensor components of a sensor component according to the invention can be realized in different forms.
  • all components of the sensor component are mounted on a support and with a
  • Molded housing in particular with an OCFM (open-cavity-full-mold) - housing.
  • This packaging variant is cost-effective and reliably protects the sensor components as well as the evaluation circuit and any bonding wire connections against adverse environmental influences.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first sensor component 100 according to the invention with only one functional chip
  • FIG. 2 shows a schematic sectional representation of a second sensor component 200 according to the invention with a MEMS component and an ASIC component
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a first sensor component 100 according to the invention with only one functional chip
  • FIG. 2 shows a schematic sectional representation of a second sensor component 200 according to the invention with a MEMS component and an ASIC component
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of a third sensor component 300 according to the invention with two functional chips.
  • the sensor component 100 shown in FIG. 1 comprises only a single functional chip 10, on which both the sensor functions of an absolute pressure sensor 11, a temperature sensor 12 and a humidity sensor 13 are integrated, as well as an evaluation circuit 14 for these sensor components 11, 12 , 13.
  • Essential part of the pressure sensor component 1 1 is a membrane 1 1 1 in the chip surface, the cavern 1 12 in the substrate of the functional chip 10th spans.
  • This micromechanical sensor structure was produced using surface micromechanical methods, such as in PorSi technology (APSM TM). The signal detection takes place, for example, with the aid of piezoresistors, which are integrated in the edge region of the membrane 11, but this is not shown here.
  • an evaluation circuit 14 has been integrated into the chip surface in CMOS technology.
  • circuit components 12 for measuring the temperature were also generated, such as e.g. a bandgap circuit or a diode circuit; and circuit components 13 for humidity measurement, namely, for example
  • Measuring capacitor with a moisture-sensitive dielectric Measuring capacitor with a moisture-sensitive dielectric.
  • the functional chip 10 is mounted on one side on a leadframe 15 so that the sensitive area with the sensor components 11, 12 and 13 is positioned above an opening 151 in the leadframe 15. In this way, the sensitive region of the functional chip 10 is largely decoupled from the leadframe 15 both mechanically and thermally.
  • the electrical contacting of the functional chip 10 takes place here by means of bonding wires 16 between corresponding connection pads 161 on the functional chip 10 and the leadframe 15.
  • the functional chip 10 and the leadframe 15 were embedded in a molding compound 17. In this case, the sensitive area of the functional chip 10 was recessed. Accordingly, the mold housing 17 has a media access opening 18 in this area.
  • the external electrical contacting of the sensor component 100 takes place via the sections of the leadframe 15 projecting from the molding compound 17.
  • the sensor component 200 shown in FIG. 2 is also equipped with an OCFM (open-cavity-full-mold) housing 27.
  • the evaluation circuit 14 is integrated here on its own ASIC component 24, while the pressure sensor component 1 1, the temperature sensor component 12 and the moisture sensor component 13 are implemented on a MEMS component 20.
  • the ASIC component 24 is mounted over the full area on the leadframe 25 of the housing 27.
  • the MEMS component 20 is arranged on the leadframe 25 such that the sensitive region with the sensor components 11, 12 and 13 is located above an opening 251 in the leadframe 25.
  • Component 20 the ASIC device 24 and the leadframe 25 are through Bonding wires 26 are formed, which are embedded together with the other components of the sensor component 200 in the housing gold mass 27. Only above the sensitive area of the MEMS device 20 is there a recess, which acts as a media access opening 28.
  • the sensor component 300 likewise comprises a MEMS component 30 and an ASIC component 34, which are mounted on the leadframe 35 of an OCFM housing 37 and are electrically connected via bonding wires 36.
  • the moisture sensor component 13 was integrated here together with the evaluation circuit 14 on the ASIC component 34.
  • the MEMS component 30 comprises the pressure sensor component 11 together with a temperature sensor component 12. Accordingly, two media access openings 381 and 382 are formed in the housing 37 of the sensor component 300, one 381 above the sensitive area of the MEMS component 30 and the other 382 above the moisture sensor component 13 on the ASIC device 34.

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Abstract

Es wird vorgeschlagen, die Sensorfunktionen eines Drucksensors (11), eines Temperatursensors (12) und eines Feuchtesensors (13) sowie eine Auswerteschaltung (14) für diese Sensorkomponenten (11, 12, 13) in einem Sensorbauteil (200) zu integrieren, wobei zumindest die Drucksensorkomponente (11) in einem MEMS-Bauelement (20) realisiert ist und das Gehäuse (27) des Sensorbauteils (200) mindestens eine Medienzugangsöffnung (28) für die Sensorkomponenten (11, 13) aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Sensorbauteil
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Sensorbauteil mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein MEMS-Bauelement mit einer Drucksensorkomponente und eine Auswerteschaltung angeordnet sind, wobei das Gehäuse mindestens eine Medienzugangsöffnung für die Drucksensorkomponente aufweist.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 01 1 943 A1 wird ein Sensorbauteil der eingangs genannten Art beschrieben. Es umfasst ein mikromechanisches Drucksensorelement und einen Auswertechip, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dazu wurden das Sensorelement und der Auswertechip side-by-side, also nebeneinander, auf einem Träger montiert und über Bonddrähte elektrisch verbunden. Diese Anordnung wurde dann unter Aussparung des sensitiven Bereichs des Sensorelements in eine Moldmasse eingebettet. Dementsprechend befindet sich in diesem Bereich des Moldgehäuses eine Medienzugangsöffnung für das Drucksensorelement.
Auch die Gehäuse von Feuchtesensorelementen müssen mit einem Medienzugang ausgestattet sein. Die Signalerfassung erfolgt hier meist kapazitiv unter Verwendung eines feuchteabhängigen Dielektrikums. Aus der Praxis sind Feuchtesensorelemente bekannt mit zwei Interdigitalelektroden als Messkondensator, auf denen sich ein Polymer befindet. Da sich die Dielektrizitätszahl des Polymers mit dem Grad der Feuchte verändert, ist auch die Kapazität zwischen den Elektroden des Messkondensators feuchteabhängig. Des Weiteren bekannt sind Feuchtesensorelemente, bei denen eine Polymerschicht sandwichartig zwischen den beiden Messkondensatorelektroden angeordnet ist. In diesem Fall ist die obere Messkondensatorelektrode porös, so dass die Feuchte in das Polymer eindringen kann. Dadurch wird eine Kapazitätsänderung des Messkondensators bewirkt, die einfach mit Hilfe einer Auswerteschaltung ausgewertet werden kann. Bekannt sind außerdem Temperatursensoren in Chipform, die auf unterschiedlichen Messkonzepten basieren. So können Temperatursensoren beispielsweise in Form einer Bandgapschaltung oder einer Diodenschaltung realisiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Sensorfunktionen eines Drucksensors, eines Temperatursensors und eines Feuchtesensors in ein Sensorbauteil der eingangs genannten Art zu integrieren. Dies trägt zum einen zu ei- ner Kostenreduzierung bei, was die Verpackung und auch die Fertigung der
Sensorkomponenten betrifft, und zum anderen zu einem höheren Grad an Miniaturisierung von entsprechenden Endgeräten.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Integration der drei Sensorkomponenten, Drucksensor, Temperatursensor und Feuchtesensor, in einem Sensorbauteil kann grundsätzlich auf Chipebene und/oder auf Verpackungsebene realisiert werden.
So werden in einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung alle drei Sensorkomponenten und die Auswerteschaltung auf einem einzigen Chip inte- griert. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es aber auch von Vorteil sein, für die Auswerteschaltung einen eigenen ASIC-Chip vorzusehen, aber alle drei Sensorkomponenten auf einem MEMS-Bauelement zu integrieren. Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, die Drucksensorkomponente mit der Temperatursensorkomponente in einem MEMS-Bauelement zu kombinieren und die Feuchte- sensorkomponente mit der Auswerteschaltung in einem ASIC-Bauelement zu integrieren.
Auch die AVT (Aufbau- und Verbindungstechnik) bzw. die Verpackung der Sensorkomponenten eines erfindungsgemäßen Sensorbauteils kann in unterschiedlicher Form realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden sämtliche Bauelemente des Sensorbauteils auf einem Träger montiert und mit einem
Moldgehäuse versehen, insbesondere mit einem OCFM (open-cavity-full-mold)- Gehäuse. Diese Verpackungsvariante ist kostengünstig und schützt die Sensor- komponenten sowie die Auswerteschaltung und etwaige Bonddrahtverbindungen zuverlässig gegen widrige Umwelteinflüsse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Sensorbauteils 100 mit nur einem Funktionschip, Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorbauteils 200 mit einem MEMS-Bauelement und einem ASIC-Bauelement, und
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Sensorbauteils 300 mit zwei Funktionschips.
Ausführungsformen der Erfindung Das in Fig. 1 dargestellte Sensorbauteil 100 umfasst nur einen einzigen Funktionschip 10, auf dem sowohl die Sensorfunktionen eines Absolutdrucksensors 1 1 , eines Temperatursensors 12 und eines Feuchtesensors 13 integriert sind, als auch eine Auswerteschaltung 14 für diese Sensorkomponenten 1 1 , 12, 13. Wesentlicher Bestandteil der Drucksensorkomponente 1 1 ist eine Membran 1 1 1 in der Chipoberfläche, die eine Kaverne 1 12 im Substrat des Funktionschips 10 überspannt. Diese mikromechanische Sensorstruktur wurde mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik, wie z.B. in PorSi-Technik (APSM™), erzeugt. Die Signalerfassung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Piezowiderständen, die im Randbereich der Membran 1 1 1 integriert sind, was hier allerdings nicht darge- stellt ist.
Neben der mikromechanischen Struktur der Drucksensorkomponente 1 1 wurde eine Auswerteschaltung 14 in CMOS-Technologie in die Chipoberfläche integriert. Dabei wurden auch Schaltungskomponenten 12 zur Temperaturmessung erzeugt, wie z.B. eine Bandgap-Schaltung oder eine Diodenschaltung, und Schaltungskomponenten 13 zur Feuchtemessung, nämlich beispielsweise ein
Messkondensator mit einem feuchteempfindlichen Dielektrikum.
Der Funktionschip 10 ist einseitig auf einem Leadframe 15 montiert, so dass der sensitive Bereich mit der Sensorkomponenten 1 1 , 12 und 13 über einer Öffnung 151 im Leadframe 15 positioniert ist. Auf diese Weise ist der sensitive Bereich des Funktionschips 10 sowohl mechanisch als auch thermisch weitestgehend vom Leadframe 15 entkoppelt. Die elektrische Kontaktierung des Funktionschips 10 erfolgt hier mit Hilfe von Bonddrähten 16 zwischen entsprechenden An- schlusspads 161 auf dem Funktionschip 10 und dem Leadframe 15. Funktions- chip 10 und Leadframe 15 wurden in eine Moldmasse 17 eingebettet. Dabei wurde der sensitive Bereich des Funktionschips 10 ausgespart. Dementsprechend weist das Moldgehäuse 17 in diesem Bereich eine Medienzugangsöffnung 18 auf. Die externe elektrische Kontaktierung des Sensorbauteils 100 erfolgt über die aus der Moldmasse 17 herausragenden Abschnitte des Leadframes 15.
Auch das in Fig. 2 dargestellte Sensorbauteil 200 ist mit einem OCFM (open- cavity-full-mold)-Gehäuse 27 ausgestattet. Im Unterschied zur 1 -Chiplösung des Sensorbauteils 100 ist die Auswerteschaltung 14 hier allerdings auf einem eigenen ASIC-Bauelement 24 integriert, während die Drucksensorkomponente 1 1 , die Temperatursensorkomponente 12 und die Feuchtesensorkomponente 13 auf einem MEMS-Bauelement 20 realisiert sind. Das ASIC-Bauelement 24 ist vollflächig auf dem Leadframe 25 des Gehäuses 27 montiert. Daneben ist das MEMS- Bauelement 20 so auf dem Leadframe 25 angeordnet, dass sich der sensitive Bereich mit den Sensorkomponenten 1 1 , 12 und 13 über einer Öffnung 251 im Leadframe 25 befindet. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem MEMS-
Bauelement 20, dem ASIC-Bauelement 24 und dem Leadframe 25 werden durch Bonddrähte 26 gebildet, die zusammen mit den übrigen Komponenten des Sensorbauteils 200 in die Gehäusemoldmasse 27 eingebettet sind. Lediglich über dem sensitiven Bereich des MEMS-Bauelements 20 befindet sich eine Aussparung, die als Medienzugangsöffnung 28 fungiert.
Auch bei der in Fig. 3 dargestellten Bauteilvariante handelt es sich um eine 2- Chiplösung. Das Sensorbauteil 300 umfasst ebenfalls ein MEMS-Bauelement 30 und ein ASIC-Bauelement 34, die auf dem Leadframe 35 eines OCFM-Gehäuses 37 montiert sind und über Bonddrähte 36 elektrisch verbunden sind. Allerdings wurde die Feuchtesensorkomponente 13 hier zusammen mit der Auswerteschaltung 14 auf dem ASIC-Bauelement 34 integriert. Das MEMS-Bauelement 30 umfasst die Drucksensorkomponente 1 1 zusammen mit einer Temperatursensorkomponente 12. Dementsprechend sind im Gehäuse 37 des Sensorbauteils 300 zwei Medienzugangsöffnungen 381 und 382 ausgebildet, die eine 381 über dem sensitiven Bereich des MEMS-Bauelements 30 und die andere 382 über der Feuchtesensorkomponente 13 auf dem ASIC-Bauelement 34.

Claims

Ansprüche
1 . Sensorbauteil (100) mit einem Gehäuse (17), in dem zumindest ein
MEMS-Bauelement (10) mit einer Drucksensorkomponente (1 1 ) und eine Auswerteschaltung (14) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (17) mindestens eine Medienzugangsöffnung (18) für die Drucksensorkomponente (1 1 ) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorbauteil (100) des Weiteren mindestens
• eine Temperatursensorkomponente (12) und
• eine Feuchtesensorkomponente (13)
umfasst.
2. Sensorbauteil (100) nach Anspruch 1 , wobei alle drei Sensorkomponenten (1 1 , 12, 13) und die Auswerteschaltung (14) in einem einzigen Bauelement (10) integriert sind.
3. Sensorbauteil (200) nach Anspruch 1 , wobei alle drei Sensorkomponenten (1 1 , 12, 13) in einem MEMS-Bauelement (20) realisiert sind und die Auswerteschaltung (14) in einem ASIC-Bauelement (24) integriert ist.
4. Sensorbauteil (300) nach Anspruch 1 , wobei die Drucksensorkomponente (1 1 ) und die Temperatursensorkomponente (12) in einem MEMS- Bauelement (30) realisiert sind, während die Feuchtesensorkomponente (13) und die Auswerteschaltung (14) in einem ASIC-Bauelement (34) integriert sind.
5. Sensorbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensorkomponente (1 1 ) eine oberflächenmikro- mechanisch erzeugte Sensormembran (1 1 1 ) umfasst, insbesondere eine PorSi-Membran.
6. Sensorbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensorkomponente (12) in Form einer Dioden- oder Bandgap-Schaltung realisiert ist.
7. Sensorbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtesensorkomponente (13) in Form einer Kondensatoranordnung mit einem feuchtabhängigen Dielektrikum realisiert ist, insbesondere mit einem Polymer, dessen Dielektrizitätszahl feuchteabhängig ist.
8. Sensorbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Bauelement (10) auf einem Träger (15) montiert ist und mit einem Moldgehäuse (17) versehen ist, insbesondere mit einem OCFM (open-cavity-full-mold)-Gehäuse.
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