CN106482752A - 传感器装置和用于校准传感器装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有温度补偿的传感器装置，尤其是具有微机电传感器的、被温度补偿的传感器装置。为了校准该传感器装置可借助传感器装置的载体衬底中的电加热元件对传感器装置进行调温。温度的调节在此通过适配电加热元件中的电流来进行。通过该方式可特别简单地求取用于传感器的温度补偿的校准数据。

Description

传感器装置和用于校准传感器装置的方法
技术领域
本发明涉及一种传感器装置以及一种用于校准传感器装置的方法。本发明尤其涉及一种具有温度补偿的传感器装置。
背景技术
传感器、尤其是基于微机电结构(MEMS)的传感器是已知的并且被使用在很多应用领域中。例如可使用MEMS传感器来探测加速度、转速以及其他多种参数。也已知的是用于探测气体或探测混合气体中物质浓度的MEMS传感器。
例如，德国专利申请DE102008002606A1描述了一种微机械加速度传感器，其中，震动质量靠近质心地与衬底锚接并且可运动的电极布置在震动质量的外侧上。
在此，传感器、尤其是MEMS传感器一般具有温度变化。因此传感器信号随波动的温度而改变。为了补偿温度变化，可在制造过程结束时在不同的温度下测量传感器。基于这样获得的测量结果可通过对传感器原始信号的修正来进行对温度变化的补偿。
为了在不同的温度下测量传感器，在此一般必须将整个传感器系统调温到限定的温度上。这例如可通过下述方式进行：待测量的传感器连同位于测量环境中的部件在内必须被相应地调温。
发明内容
因此，为了校准传感器装置而存在对简单的、成本有利的并且可靠的调温的需求。
为此，根据第一方面，本发明提供一种具有独立权利要求1特征的传感器装置。
据此，本发明提供了一种具有温度补偿的传感器装置，其具有第一传感器、集成电路元件(integrierten Schaltelement)、载体衬底、电流源、和校准装置。第一传感器设计用于提供传感器值。集成电路元件包括至少一个温度传感器、校准数据存储器和计算装置。所述集成电路元件的温度传感器设计用于提供与温度相对应的温度值。所述校准数据存储器设计用于存储校准数据。所述集成电路元件的计算装置设计用于在常规运行模式下基于由温度传感器提供的温度值和存储在校准数据存储器中的校准数据来适配由第一传感器提供的传感器值。所述传感器装置的载体衬底包括电加热元件。此外，所述传感器装置的载体衬底与集成电路元件热耦合。所述传感器装置的电流源设计用于给载体衬底的电加热元件提供电流。所述传感器装置的校准装置设计用于在校准模式中将由电流源提供的电流调整到预先确定的值。此外，校准装置设计用于在校准模式中基于由所述温度传感器提供的温度值和由第一传感器提供的传感器值来求取校准数据并且将求取的校准数据存储在校准数据存储器中。
根据另一方面，本发明提供一种具有权利要求11特征的用于校准根据本发明的传感器装置的方法。
据此，本发明提供一种用于校准根据本发明的传感器装置的方法，该方法具有以下步骤：给载体衬底的电加热元件提供电流；借助集成电路元件的温度传感器感测温度值；通过第一传感器感测传感器值；基于所感测的温度值和所感测的传感器值求取校准数据；将所求取的校准数据存储在集成电路元件的校准数据存储器中。
本发明的优点
本发明基于以下构思：为了传感器装置的温度校准，给该传感器装置自身配备合适的加热元件。为此，将电加热元件集成到传感器装置的载体衬底中。因此，基于传感器装置的载体衬底与具有温度变化过程的其他部件的热耦合，可简单地在校准过程期间对传感器装置的与温度有关的部件进行符合目的地调温。在此，可使用已存在于传感器装置中的温度传感器来用于调节电加热元件的热流。
通过该方式，可用很小的耗费实现对传感器装置的精准调温。因为借助载体衬底中的加热元件对传感器装置进行的加热在此符合目的地对所述传感器装置的与该传感器装置的温度敏感的结构元件热耦合的区域进行调温，所以可用低的能量耗费很迅速地实现希望的调温。
因此在校准过程期间不需要对整个测量环境进行费事的调温。校准过程可特别快地并且特别有效地被实施。因为不需要大的空调室或测量腔来对根据本发明的传感器装置进行调温，所以校准过程也可以在近乎任何环境中进行。
根据所述传感器装置的一种实施方式，所述第一传感器、所述电流源和/或所述校准装置集成在所述传感器装置的集成电路元件中。所述集成电路元件例如可涉及专用集成电路(AS1C)。通过该方式可将为根据本发明的传感器装置的温度变化过程的校准所需的所有部件组合在一个结构元件中。
根据另一实施方式，所述集成电路元件实施为焊球阵列封装(BGA)或栅格阵列封装(LGA)。具有这种接触元件的开关元件使得电接头能特别有效地接触。此外，作为基于衬底的封装的这种结构元件也能良好地与布置在载体衬底中的电导线热耦合。
根据另一实施方式，所述电流源设计用于在校准模式中根据由所述温度传感器提供的温度值来适配所提供的电流。通过该方式可实现特别简单且有效的调节，用于将传感器装置调温到预先确定的温度值。
根据另一实施方式，所述载体衬底包括第一衬底层和第二衬底层。电加热元件在此布置在第一衬底层和第二衬底层之间。通过该方式，电加热元件在载体衬底的两个衬底层之间针对可能的损害很好地受到保护。此外，通过这种构造方式也可获得特别好的并且特别均匀的加热。载体衬底例如尤其可涉及合适的有机衬底，其中，第一衬底层和第二衬底层实施为电绝缘的衬底层并且所述电加热元件包括导电结构。
根据另一实施方式，所述电加热元件可包括多个加热区段。通过该方式可符合目的地适配对载体衬底的调温并从而适配对整个传感器装置的调温。尤其是也可通过该方式实现温度变化过程或温度梯度。
根据另一实施方式，所述电流源包括多个电流驱动器。这些电流驱动器设计用于给所述多个加热区段提供各一个能个体化地适配的电流。通过该方式可个体化地调温所述加热元件的每个加热区段。
根据另一实施方式，所述集成电路元件包括多个温度传感器。所述加热元件的每个加热区段在此可配属有一个单独的温度传感器。因此，可对加热元件的每个加热区段个体化地感测产生的温度，并且，针对每个加热区段的个体化调温调节是可能的。
根据另一实施方式，所述载体衬底中的加热元件实施为线圈。如果电流流过这种线圈，则在此产生磁场。这种磁场例如可耦入到磁场传感器中。通过该方式可实现磁场传感器的对比或可实现对作用于磁场传感器上的磁场进行补偿。
根据另一方面，本发明提供一种微机电构件，其具有根据本发明的传感器装置。
附图说明
本发明的其他实施方式和优点由后面参照附图进行的描述得到。附图示出：
图1：根据一种实施方式的传感器装置的示意图；
图2：根据一种实施方式的传感器装置的加热元件的示意图；
图3：根据另一实施方式的传感器装置的加热装置的俯视示意图；
图4：根据又一实施方式的传感器装置的示意图；以及
图5：流程图的示意图，所述流出图是如根据一种实施方式的用于校准传感器装置的方法所基于的那种流程图。
具体实施方式
图1示出根据一种实施方式的传感器装置1的示意图。该传感器装置1包括载体衬底20和集成电路元件10。该集成电路元件10和该载体衬底20在此相互连接并且相互热耦合。载体衬底20包括至少一个电加热元件21。该电加热元件21例如可布置在载体衬底的第一层体20a和另一层体20b之间。然而在原则上也可能的是，将载体衬底20布置在面向集成电路元件10的一侧上或布置在背离集成电路元件10的一侧上。载体衬底20构造成多于两层也是可能的。在该情况下，电加热元件21可或者仅布置在多层式载体衬底20的两个相邻的层之间，或者，加热元件21替代地可布置在载体衬底的相邻的层之间的多个中间层体中。
集成电路元件10包括至少一个温度传感器11、校准数据存储器13和计算装置12。所述集成电路元件10可涉及具有所需部件的任意集成电路元件。尤其可能的是例如所谓的专用集成电路(AS1C)。这种AS1C使得能实现个体化的集成电路元件。此外，在必要时可小批量地或大批量地制造和出售的其他集成电路元件也是可能的。
集成电路元件10的温度传感器11感测该集成式开关电路10的预先确定的部位上的温度并且提供与所感测的温度相对应的温度值。在常规运行中，由温度传感器提供的温度值可被计算装置12接收。计算装置12还接收另一传感器15的传感器值。所述另一传感器15可涉及集成电路元件10内的任意传感器，或替代地也可涉及布置在集成电路元件10之外的并且将其原始传感器值提供给集成电路元件10的传感器。集成电路元件10中的计算装置12接着从校准数据存储器13读取至少一部分存储在校准数据存储器13中的校准数据并且基于由温度传感器11提供的温度值和由校准数据存储器15读取的校准数据来修正所述另一传感器15的原始传感器值。
例如，校准数据存储器13可为此包括所谓的查找表(Look-up-Tabelle)，在该查找表中对于所述另一传感器15的每个原始传感器值和相应的温度值存储有一个修正过的传感器值。替代地，也可仅在校准数据存储器13存储原始传感器值与修正过的传感器值的基于温度变化的关联的一些网格点。在该情况下，计算装置13可基于插值或其他计算方法由原始传感器值和温度值算出修正过的传感器值。同样可能的是，在校准数据存储器13中存储有用于基于原始传感器值和温度变化过程算出修正过的传感器值的计算方法。此外，用于在使用温度值的情况下修正原始传感器值的任何其他可能性在原则上都是可能的。
所述另一传感器15可涉及任意传感器。尤其可能的是例如基于微机电结构(MEMS)的传感器。如之前已说明过的那样，所述另一传感器15可被集成在集成电路元件10中，或者替代地也可布置在集成电路元件10之外。如果所述另一传感器15位于集成电路元件10之外，则所述另一传感器15优选也布置在载体衬底20上并且与载体衬底20热耦合。由此可用载体衬底20中的电加热元件21对集成电路元件10以及所述另一传感器15均匀地加热。
可使用任意的传感器作为所述另一传感器15。所述另一传感器15例如可涉及加速度传感器、磁场传感器、转速传感器或任意其他传感器。同样也可能的是用于探测气态或液态物质的或用于确定液体或气体中一种物质的浓度的传感器。
在原则上，本发明也不局限于使用一个另外的传感器15。同样可能的是，通过计算装置13基于通过温度传感器11求取的温度来修正多个另外的传感器15的传感器信号。
为了确定校准数据存储器13中的校准数据必须对传感器装置1进行校准。为此，借助载体衬底20中的电加热元件21对传感器装置1调温，即设定预先确定的温度。为了加热载体衬底20中的电加热元件21，通过电流源16来提供电流。通过电流源16提供的电流流过电加热元件21，由此电加热元件21变热。由此，所有与载体衬底20热耦合的结构元件同时变热。因此，尤其是集成电路元件10也变热。如果所述另一传感器15布置在集成电路元件10之外并且同样与载体衬底20热耦合，则外部的所述另一传感器15以与集成电路元件10相同的尺度变热。为了符合目的地对传感器装置1调温，在校准模式中借助校准装置14这样操控电流源16，使得由电流源16提供的电流在载体衬底20上并从而在集成电路元件10上产生预先确定的温度。为此，校准装置14可分析处理由集成电路元件10的温度传感器11提供的温度值并基于所提供的温度值适配由电流源16提供的电流。对于电加热元件21上的电流的调节并且因此对于产生的温度的调节可使用任意的调节规则。在通过对集成电路元件10中的温度传感器11提供的温度值的分析处理而探测到已达到预先确定的温度之后，校准装置14分析处理由所述另一传感器15提供的原始传感器值并基于当前的温度值和当前的原始传感器值来确定所需的校准数据。这样被求取的校准数据接着被存储在集成电路元件10的校准数据存储器13中。此外，为了求取校准数据还会需要对由所述另一传感器15感测的当前状态的认知。在简单的应用情况中可为此将传感器装置1在校准期间引入到之前精确限定的状态中。在该情况下，校准装置14可在知道所述预先限定的状态的情况下使用原始传感器值和温度值来直接算出校准数据。替代地也可能的是，在多个不同的框架条件下实施所述校准。在该情况下，同样可将关于当前框架条件的数据或信息提供给校准装置14。接着，校准装置14可将另外的这些数据或信息一起加入校准过程。
原则上可能的是，电流源16和校准装置14实施为单独的独立结构元件并且借助合适的电连接与集成电路元件10以及载体衬底20的加热元件21耦合。在该情况下也可能的是，在校准过程之后移除校准装置14和/或电流源16并且必要时为其他传感器装置的校准重复使用它们。替代地也可能的是，校准装置14以及电流源16必要时也被集成在集成电路元件10中。这使得能实现特别紧凑和有效的构造。
图2示出载体衬底20中的加热元件21的俯视示意图。该加热元件21在此可如图2所示的那样例如具有回形结构。但原则上也可能是任意的其他结构，例如螺旋形的导体轨延伸部(Leiterbahnfuhrung)或类似物。所述加热元件21例如可涉及具有有限欧姆电阻的、导电的导体轨结构。尤其可能的例如是由石墨或导电材料(尤其是导电的有机材料)制成的印制导体轨结构。
图3示出传感器装置1另一实施方式的载体衬底20的电加热元件21的替代形式。如在此可看到的那样，电加热元件21在此包括多个加热区段21a至21d。在这里选择成四个的加热区段21a至21d在此要仅示例性地去理解并且不构成任何限制。同样也可能的是与四个不同的任意数量的加热区段21a至21d。例如仅两个或三个加热区段21a至21d也是可能的。但是也可设想五个或更多个加热区段21a至21d。
如果加热元件21包括多于1个的加热区段21a至21d，则优选其中每个加热区段21a至21d由电流源16的一个独立的电流驱动器供给。通过该方法可个体化地适配每个加热区段21a至21d。由此例如可考虑传感器装置1的不同区域中的不同热特性。此外例如也可通过该方式产生温度变化过程或温度梯度或类似的。
此外也可能的是，加热元件21实施为线圈。为此，加热元件21例如可作为具有多个圈的印制导体轨结构被安装在载体衬底20中或被安装在其上。在该情况下，当电流流过这种线圈时，可通过该线圈产生磁场。如果所述另一传感器15例如涉及磁场传感器，则该线圈的磁场可用于给磁场传感器提供预先确定的磁场。通过该方式例如可进行磁场传感器的校准。此外，通过该线圈引起的磁场也可用于补偿另一磁场。如果在此通过所述磁场传感器探测到所述另一磁场被所述线圈的磁场补偿，则接着可基于流过该线圈的电流来推断出所述另一磁场的强度。
为了监视加热区段21a至21d的各个区域中的温度，集成电路元件10也可包括多个温度传感器11。在该情况下，每个加热区段21a至21d优选可配属有一个单独的温度传感器11。由此，校准装置14可基于由多个温度传感器11提供的温度值个体化地操控电流源16的各个电流驱动器，以单独地调节每个加热区段21a至21d中的温度。
图4示出传感器装置1的另一实施方式的示意图。该实施方式的传感器装置1包括集成电路元件10，在该集成电路元件中，除了温度传感器11、计算装置12和校准数据存储器13以外也还集成有校准装置14、电流源16和所述另一传感器15。载体衬底20的电加热元件21在此借助电连接与集成电路元件10的电流源16连接。电加热元件21和电流源16之间的连接例如可借助所谓的键合线来进行。如果电加热元件21布置在载体衬底20的两个层体之间，则电加热元件21的接触例如可在载体衬底20的边缘进行。替代地，载体衬底20也可具有合适的贯通接触部(Durchkontaktierungen)，电加热元件21与集成电路元件10的电流源16可在所述贯通接触部上连接。此外，集成电路元件10也还可具有其他接头，所述集成电路元件10可借助所述接头与电压供应部连接以及必要时也可借助所述接头与其他结构元件连接。所述集成电路元件优选可实施为焊球阵列封装(BGA)或栅格阵列封装(LGA)。此外，集成电路元件10在载体衬底20上也还可被附加的保护物质30围绕。由此可保护传感器装置1免受不希望的环境影响的损害。
图5示出如用于校准传感器装置1的方法所基于的流程图的示意图。在步骤S1中给载体衬底20的电加热元件21提供电流。在步骤S2中，借助集成电路元件10的温度传感器11感测温度值。在步骤S3中，感测所述另一传感器15的原始传感器值。在步骤S4中，基于所感测的温度值和所感测的原始传感器值求取校准数据。必要时，为了求取校准数据，也还可有其他信息一起加入到校准过程中。最后在步骤S5中将求取的校准数据存储在集成电路元件10的校准数据存储器中。
概括地说，本发明涉及一种具有温度补偿的传感器装置，尤其是一种具有微机电传感器的、被温度补偿的传感器装置。为了校准所述传感器装置，可借助传感器装置的载体衬底中的电加热元件对传感器装置进行调温。温度的调节在此通过适配电加热元件中的电流来进行。通过该方式可特别简单地求取用于传感器元件的温度补偿的校准数据。

Claims (11)

1.一种具有温度补偿的传感器装置(1)，该传感器装置具有：
第一传感器(15)，所述第一传感器设计用于提供传感器值；
集成电路元件(10)，所述集成电路元件包括：
温度传感器(11)，所述温度传感器设计用于提供与温度相对应的温度值；
校准数据存储器(13)，所述校准数据存储器设计用于存储校准数据；以及
计算装置(12)，所述计算装置设计用于在常规运行模式中基于由所述温度传感器(11)提供的温度值和存储在所述校准数据存储器(13)中的校准数据来适配由所述第一传感器(15)提供的传感器值；
载体衬底(20)，所述载体衬底具有电加热元件(21)，其中，所述载体衬底与所述集成电路元件(10)热耦合；
电流源(16)，所述电流源设计用于给所述载体衬底(20)的电加热元件(21)提供电流；和
校准装置(14)，所述校准装置设计用于：在校准模式中将由所述电流源(16)提供的电流调整到预先确定的值、基于由所述温度传感器(11)提供的温度值和由所述第一传感器(15)提供的传感器值求取校准数据、以及将所求取的校准数据存储在所述校准数据存储器(13)中。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(1)，其中，所述第一传感器(15)、所述电流源(16)和/或所述校准装置(14)集成在所述集成电路元件(10)中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置(1)，其中，所述集成电路元件(10)实施为焊球阵列封装或栅格阵列封装。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置(1)，其中，所述电流源(16)设计用于在所述校准模式中根据由所述温度传感器(11)提供的温度值来适配所提供的电流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器装置(1)，其中，所述载体衬底(20)包括第一衬底层(20a)和第二衬底层(20b)，并且，所述电加热元件(21)布置在所述第一衬底层(20a)和所述第二衬底层(20b)之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器装置(1)，其中，所述加热元件(21)包括多个加热区段(21a-21d)。
7.根据权利要求6所述的传感器装置(1)，其中，所述电流源(16)包括多个电流驱动器，所述电流驱动器设计用于给所述多个加热区段(21a-21d)提供各一个能个体化地适配的电流。
8.根据权利要求6或7所述的传感器装置(1)，其中，所述集成电路元件(10)包括多个温度传感器(11)，并且，所述载体衬底(20)的加热元件(21)的每个加热区段(21a-21d)配属有一个单独的温度传感器(11)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感器装置(1)，其中，所述加热元件实施为线圈。
10.微机电结构元件，其具有根据权利要求1至9中任一项所述的传感器装置(1)。
11.一种用于校准温度补偿的、根据权利要求1至9中任一项所述的传感器装置(1)的方法，该方法具有以下步骤：
给所述载体衬底(20)的电加热元件(21)提供(S1)电流；
借助所述集成电路元件(10)的温度传感器(11)感测(S2)温度值；
借助第一传感器(15)感测(S3)传感器值；
基于所感测的温度值和所感测的传感器值求取(S4)校准数据；以及
将所求取的校准数据存储(S5)在所述集成电路元件(10)的校准数据存储器(13)中。
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