DE102004003181B3

DE102004003181B3 - Mikromechanischer Sensor mit einer Auswerteschaltung

Info

Publication number: DE102004003181B3
Application number: DE102004003181A
Authority: DE
Inventors: Gerald Hopf; Oliver Kohn; Thomas Walker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: US20050160831A1; US7746085B2

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor mit einer Auswerteschaltung und mit wenigstens zwei Messfühlern, wobei jeder der beiden Messfühler mit der Auswerteschaltung durch wenigstens eine Signalleitung in Verbindung steht. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass wenigstens eine Signalleitung mit beiden Messfühlern in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruches.

Mikromechanische Sensoren nach Stand der Technik besitzen pro Sensoreinheit eine gewisse Anzahl von Signalleitungen, die den eigentlichen Messwertaufnehmer mit einer Auswerteelektronik verbinden. Mit fortschreitender Integration werden in einem mikromechanischen Sensor mehrere Messwertaufnehmer integriert, um z.B. einen mehrkanaligen Sensor darzustellen oder eine Plausibilitätsprüfung des Ergebnisses durchzuführen. Hierbei wird die Anzahl der Signalleitungen vervielfacht. Durch die weitere Verkleinerung der mikromechanischen Funktionselemente haben die Bereiche für Verbindungen, wie z.B. Signalleitungen und Bondpads einen wachsenden Anteil an der gesamten Substratfläche eines mikromechanischen Sensors.

Vorteile der Erfindung

Vorteilhaft ist dabei, dass durch die gemeinsame Benutzung von Signalleitungen Substratfläche des mikromechanischen Sensors für diese Leitungen sowie für nicht benötigte Bondpads eingespart wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der beiden Messfühler derart aufgebaut ist, dass der Messwert in Form einer Differentialkapazität dargestellt ist. Das kapazitive Messverfahren, insbesondere das Messen von Differentialkapazitäten ist ein gebräuchliches Messverfahren in mikromechanischen Sensoren. Für einen Messfühler werden 4 Signalleitungen zur Auswerteelektronik benötigt. Bei einer Integration weiterer Messfühler in den mikromechanischen Sensor ergibt sich ein beträchtliches Einsparungspotential bei Signalleitungen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Auswerteschaltung auf einem ersten Substrat und wenigstens zwei Messfühler auf einem zweiten Substrat vorgesehen sind, und dass das erste und das zweite Substrat durch eine Signalleitung in Verbindung stehen. Eine solche Signalleitung wird Substratleitung genannt. Sie verbindet die Substrate von Messfühler und Auswerteschaltung miteinander. Vorteilhaft ist dabei, dass die Messfühler auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, weil dadurch eine gemeinsame Substratleitung von den Messfühlern zur Auswerteschaltung vorgesehen werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor bei einer Anzahl von N Messfühlern eine Anzahl von N+3 Signalleitungen aufweist. Bei einem Messwertaufnehmer mit 4 Signalleitungen, wie im Beispiel der Messwertaufnahme nach dem Prinzip der Differentialkapazität und bei Anordnung aller Messfühler auf einem gemeinsamen Substrat, sowie Anordnung der Auswerteeinheit auf einem anderen Substrat ist N+3 die kleinstmögliche Anzahl von Signalleitungen zur Verbindung von N Messfühlern mit der Auswerteeinheit.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Auswerteschaltung auf einem ersten Substrat, der erste Messfühler auf einem zweiten Substrat und wenigstens der zweite Messfühler auf einem dritten Substrat vorgesehen sind. Dabei stehen das erste und das zweite Substrat durch eine erste Signalleitung, sowie das erste und das dritte Substrat durch eine zweite Signalleitung miteinander in Verbindung. Vorteilhaft ist hierbei, dass einzelne auf jeweils eigenen Substraten angeordnete Messwertaufnehmer in dein mikromechanischen Sensor beliebig angeordnet und mit der Auswerteeinheit verbunden werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor bei einer Anzahl von N Messfühlern eine Anzahl von 2N+2 Signalleitungen aufweist. Bei einem Messwertaufnehmer mit 4 Signalleitungen, wie im Beispiel der Messwertaufnahme nach dem Prinzip der Differentialkapazität und bei Anordnung jedes Messfühlers auf einem eigenen Substrat, sowie Anordnung der Auswerteeinheit auf einem weiteren Substrat ist 2N+2 die kleinstmögliche Anzahl von Signalleitungen zur Verbindung von N Messfühlern mit der Auswerteeinheit. Die N Messfühler können jedoch auch auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein und trotzdem jeweils eine eigene Substratleitung zur Verbindung mit der Auswerteeinheit aufweisen, etwa um Einflüsse von Restkapazitäten auf dem Substrat zu vermeiden. Auch in diesem Fall ist 2N+2 die kleinstmögliche Anzahl von Signalleitungen zur Verbindung von N Messfühlern mit der Auswerteeinheit.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 schematisch den kapazitiven Messfühler eines mikromechanischen Sensors nach Stand der Technik,
2 schematisch einen mikromechanischen Sensor nach Stand der Technik mit zwei kapazitiven Messfühlern,
3 einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor mit zwei kapazitiven Messfühlern und fünf Signalleitungen,
4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit zwei kapazitiven Messfühlern und sechs Signalleitungen.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
1 zeigt schematisch einen kapazitiven Messfühler eines mikromechanischen Sensors nach Stand der Technik. Der Messfühler arbeitet nach dem Prinzip einer Differentialkapazität. Dabei ist eine erste feste Elektrode 11 vorgesehen, die sich gegenüber einer zweiten beweglichen Elektrode 12 befindet. Die einander gegenüberliegenden Elektroden 11, 12 bilden zusammen einen Kondensator mit veränderlichem Plattenabstand. Die bewegliche Elektrode 12 bildet mit einer weiteren feststehenden Elektrode 13 einen zweiten Kondensator mit veränderlichem Plattenabstand. Die bewegliche Elektrode 12 befindet sich an einer seismischen Masse. Auslenkungen der seismischen Masse entlang der Richtung 14 führen zu Änderungen der Kapazität zwischen den Elektroden 11, 12 und 12, 13, die gemessen werden können. Der beschriebene Messfühler ist durch vier Signalleitungen mit einer Auswerteschaltung verbunden. Dabei ist die Signalleitung 1 mit der feststehenden Elektrode 11, die Signalleitung 2 mit der beweglichen Elektrode 12 und die Signalleitung 3 mit der feststehenden Elektrode 13 verbunden. Die Signalleitung 4 stellt eine sogenannte Substratleitung dar, welche das Substrat des Messfühlers mit der Auswerteschaltung verbindet.
2 zeigt einen mikromechanischen Sensor mit zwei kapazitiven Messfühlern nach Stand der Technik. Der mikromechanische Sensorin diesem Beispiel weist eine mikromechanische Messeinheit 20 und eine elektronische Auswerteeinheit 21 auf. Die Messeinheit 20 beinhaltet zwei hier nicht dargestellten kapazitive Messfühler. Der erste Messfühler weist die Signalleitungen 1 bis 4 und der zweite Messfühler die Signalleitungen 5 bis 8 auf. Diese Signalleitungen stehen über Kontaktierungsflächen (Bondpads) 22 und 23 mit der elektronischen Auswerteeinrichtung 21 in Verbindung. Im Unterschied zu einem einkanaligen Sensor sind bei einem zweikanaligen Sensor doppelt so viele Signalleitungen vorhanden. Die Signalleitungen 1 bis 8 und die 16 Bondpads 21, 23 benötigen einen beträchtlichen Teil der Chipfläche des Messfühlers 20 und der Auswerteeinrichtung 21.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit zwei kapazitiven Messfühlern. Die vormaligen Signalleitungen 1 und 5 bilden nunmehr zusammen eine einzige Signalleitung 31. Die vormaligen Signalleitungen 3 und 7 bilden nunmehr die gemeinsame Signalleitung 33. Weiterhin bilden die vormaligen Substratleitungen 4 und 8 nunmehr die gemeinsame Substratleitung 34. Durch die erfindungsgemäße Beschaltung der beiden kapazitiven Messfühler sind insgesamt nur noch fünf Signalleitungen 2, 6, 31, 33, 34 und zehn Bondpads 22, 23 vorgesehen, um die mikromechanische Messeinheit 20 mit der elektronischen Auswerteeinheit 21 zu verbinden.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit zwei kapazitiven Messfühlern. Im Unterschied zu dem in 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel werden jedoch in dieser Ausführungsform die Substratleitungen 4 und 8 der beiden kapazitiven Messfühler weiterhin, wie im Stand der Technik, getrennt geführt. Diese Ausgestaltung kann sinnvoll sein, wenn die Messfühler sich auf unterschiedlichen Substraten befinden, oder wenn Einflüsse auf die Messung durch Restkapazitäten verhindert werden sollen. In diesem Beispiel sind die mikromechanische Messeinheit 20 und die elektronische Auswerteinheit 21 durch sechs Signalleitungen 2, 4, 6, 8, 31, 33 und zwölf Bondpads 22, 23 miteinander verbunden.

Claims

Mikromechanischer Sensor mit einer Auswerteschaltung und mit wenigstens zwei Messfühlern, – wobei jeder der beiden Messfühler eine bewegliche Elektrode aufweist, die mit der Auswerteschaltung durch eine eigene Signalleitung (2, 6) in Verbindung steht, – wobei die beiden Messfühler mit der Auswerteschaltung durch wenigstens eine weitere gemeinsame Signalleitung (31, 33) in Verbindung stehen.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Messfühler derart aufgebaut ist, dass der Messwert in Form einer Differentialkapazität dargestellt ist,
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung auf einem ersten Substrat und wenigstens zwei Messfühler auf einem zweiten Substrat vorgesehen sind, und dass das erste und das zweite Substrat durch eine Signalleitung in Verbindung stehen.
Mikromechanischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor bei einer Anzahl von N Messfühlern eine Anzahl von N+3 Signalleitungen aufweist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Auswerteschaltung auf einem ersten Substrat, – der erste Messfühler auf einem zweiten Substrat und – wenigstens der zweite Messfühler auf einem dritten Substrat vorgesehen sind, – und dass das erste und das zweite Substrat durch eine erste Signalleitung, sowie das erste und das dritte Substrat durch eine zweite Signalleitung in Verbindung stehen.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor bei einer Anzahl von N Messfühlern eine Anzahl von 2N+2 Signalleitungen aufweist.