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Die
Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem
Heizelement bzw. von einem Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung
des Heizelements nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüchen.
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Elektrische
Bauelemente in mikromechanischen Vorrichtungen enthalten üblicherweise
Bereiche, die empfindlich gegenüber
aggressiven Medien sind. So können
beispielsweise Kontaktverbindungen wie Bonddrähte oder elektrische Leitungen,
sowie Brennstrecken bzw. Schaltungen im Laufe der Zeit korrodieren,
wenn sie durch aggressive Medien angegriffen werden. Bei elektrischen
Bauelementen, die mit Sensorelementen ausgestattet sind, kann es darüber hinaus
auch zu einer Beeinträchtigung
der Signalerfassung kommen, wenn die Ablagerungen die Signalaufnahme
stören.
So ist denkbar, dass durch derartige Ablagerungen bei einem Drucksensor
die Steifigkeit der verwendeten Membran verändert wird, wodurch eine eindeutige
Zuordnung des Drucks zu einer erfassten Durchbiegung der Membran
nicht mehr gegeben ist.
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Zum
Schutz vor schädigenden
Umwelteinflüssen
können
das elektrische Bauelement, die gefährdeten elektrischen Kontakte
bzw. das Sensorelement mit einer speziellen Passivierungsschicht
bedeckt werden. Dies geschieht beispielsweise derart, dass das Sensorelement
bzw. die (elektrischen und/oder mechanischen) Komponenten, die zur
Erfassung und/oder Auswertung eines Sensorsignals erforderlich sind,
in einem Gehäuse
montiert werden und anschließend
mit einem Passivierungsmittel bedeckt werden. Üblicherweise wird diese Passivierung durch
eine Verfüllung
des Gehäuses
erreicht. Die Verfüllung
dient dabei der Passivierung des Sensorelements bzw. dem Schutz
der Komponenten gegenüber
Medien wie Wasser, Luft, Benzin, Salz, etc. Somit kann eine Korrosion
empfindlicher Elemente des Sensors verhindert werden. Problematisch
bei der Passivierung ist jedoch die Wechselwirkung des Passivierungsmittels
mit dem schädigenden
Medium.
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Mikromechanische
Drucksensoren, bei denen systembedingt der Druck von der Sensorchipvorderseite
zugeführt
wird, werden normalerweise durch ein Gel wie beispielsweise ein
Fluorsilikongel vor Umwelteinflüssen
geschützt.
Dieses Gel bedeckt dabei die Oberfläche des Chips bzw. die Bonddrähte und
verhindert, dass korrosive Medien mit dem Chip in Berührung kommen
können.
Dabei ist bei der Wahl des Gels jedoch darauf zu achten, dass das
Gel den Druck des Mediums zur Erfassung einer Druckgröße auf die
Drucksensormembran im Sensorchip überträgt.
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Für die Anwendung
von Drucksensoren in einer stark korrosiven Umgebung, wie sie regelmäßig im Abgasstrang
eines Fahrzeugmotors zu beobachten ist, können selbst die besten derzeit
verfügbaren Gele
nicht verhindern, dass mit der Zeit korrosive Bestandteile des Mediums
durch das Gel diffundieren und zu einer Korrosion des Sensorelements
oder anderer Komponenten auf dem Sensorchip führen.
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Eine
teure Aufbauvariante, um den Drucksensor zu schützen, besteht darin, das Sensorelement
bestehend aus Sensorchip und Bonddrähten in eine mit Silikonöl gefüllte Kammer
zu montieren, die über
eine Stahlmembran Kontakt mit der Umgebung hält. Eine Änderung des Umgebungsdrucks
wird über
die Stahlmembran direkt an das Silikonöl und somit an das Sensorelement
bzw. den Sensorchip weitergeleitet.
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In
der nicht vorveröffentlichten
Schrift 102004006212 A1 wird der Einsatz von elektrischen Bauelementen
in korrosiven Umgebungen durch ein Einbringen einer zusätzlichen
Materialschicht in das Passivierungsmittel beschrieben. Mit dieser
zusätzlichen
Materialschicht wird die Diffusion der korrosiven Bestandteile des
Mediums reduziert bzw. gänzlich kompensiert.
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Vorteile der
Erfindung
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine mikromechanische Vorrichtung
mit einem mikromechanischen Bauelement und einem Heizelement beziehungsweise
ein Verfahren, mit dem das Heizelement gesteuert und/oder geregelt
werden kann, beschrieben. Das Heizelement dient dabei dazu, das
mikromechanische Bauelement, welches vorzugsweise elektrische Komponenten
aufweist, und/oder ein Passivierungsmittel, welches das mikromechanische Bauelement
umgibt, auf eine vorgebbare Temperatur zu bringen.
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Damit
kann eine vereinfachte Temperaturbeaufschlagung beim Abgleich bzw.
bei der Endvermessung des mikromechanischen Bauelements erreicht
werden. Darüber
hinaus kann eine Verbesserung der Medienbeständigkeit der elektrischen Komponenten
auf oder in dem mikromechanischen Bauelement erzielt werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann die mikromechanische Vorrichtung
in aggressiven Medien zum Einsatz kommen. Zum Schutz der elektrischen
Komponenten des Bauelements ist vorgesehen, diese wenigstens teilweise
mit einem Passivierungsmittel zu bedecken. Dabei ist vorgesehen,
das Heizelement in Abhängigkeit
von einer die Temperatur des Passivierungsmittels repräsentierenden
Temperaturgröße anzusteuern.
Vorteilhafterweise wird dadurch die Betriebsdauer des elektrischen
Bauelements im aggressiven Medium verlängert.
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Weiterhin
kann ein Mittel zur Erfassung der Umgebungstemperatur vorgesehen
sein, wobei die Temperatur des Passivierungsmittels aus der Umgebungstemperatur
abgeleitet werden kann.
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In
einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Heizelement das Passivierungsmittel derart erwärmt, dass
es eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur aufweist. Dabei
kann insbesondere vorgesehen sein, das Bauelement über 0°C zu erwärmen. Dies
hat den Vorteil, dass eine Vereisung der kritischen Elemente der Sensoreinrichtung
verhindert werden kann.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische
Bauelement wenigstens ein Sensorelement, ein elektrisches Kontaktierungselement,
ein elektrisches Abgleichelement und/oder eine Auswerteschaltung
aufweist. Dabei kann als besondere Variante vorgesehen sein, dass das
Sensorelement zur Erfassung einer Zustandsgröße eines Mediums geeignet ist,
insbesondere zur Erfassung einer Druckgröße. Im weiteren kann vorgesehen
sein, dass das Passivierungsmittel wenigstens einen Teil des Sensorelements,
des elektrischen Kontaktierungselements, des elektrischen Abgleichelements
und/oder der Auswerteschaltung bedeckt und somit vor einem direkten
Angriff des aggressiven Mediums schützt.
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Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die mikromechanische Vorrichtung einen Temperatursensor
und/oder eine für
diesen Zweck geeignete Schaltung aufweist. So kann der Temperatursensor in
unmittelbarer Nähe
des Sensorelements und/oder im Passivierungsmittel selbst untergebracht
werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Temperatursensor
die Umgebungstemperatur der mikromechanischen Vorrichtung erfasst.
In diesem Fall ist der Temperatursensor zweckmäßigerweise außerhalb
des Passivierungsmittels, beispielsweise am Gehäuse der mikromechanischen Vorrichtung
angebracht. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Teil der Auswerteschaltung
zur Erfassung der Temperaturgröße einsetzbar
ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorelement
mit einer Membran und wenigstens einem insbesondere piezoelektrischen
Widerstand ausgestattet ist. Dabei ist das Sensorelement mittelbar
oder unmittelbar auf einem Träger,
beispielsweise einer Leiterplatte oder einer Keramik (Hybrid), aufgebracht.
Optional ist das Sensorelement mit einer externen Ansteuerschaltung bzw.
Auswerteschaltung verbunden, beispielsweise über eine Bondverbindung.
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Das
Heizelement kann in einer Ausgestaltung der Erfindung direkt an
dem elektrischen Bauelement angebracht sein. Vorteilhafterweise
steht das Heizelement jedoch in unmittelbarem Kontakt mit dem Passivierungsmittel,
um einen guten Wärmeübertrag
zu ermöglichen.
So kann vorgesehen sein, dass das Heizelement auf dem Sensorelement,
z.B. auf der Membran oder zwischen dem Sensorelement und dem Trägerelement
für das
elektrische Bauelement angebracht ist.
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Vorteilhafterweise
ist die mikromechanische Vorrichtung in einem Gehäuse untergebracht,
welches sowohl das elektrische Bauelement als auch das Passivierungsmittel
enthält.
Dabei kann das Heizelement direkt am Gehäuse befestigt werden. In einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement in das
Gehäuse
integriert, so dass beide Elemente eine bauliche Einheit bilden.
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Das
elektrische Bauelement und das Heizelement sind vorteilhafterweise
auf einem Trägerelement
aufgebracht. Dabei kann das Heizelement sowohl auf der gleichen
Seite wie das elektrische Bauelement aber auch auf der entgegengesetzten
Seite des Trägerelements
befestigt werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement mittels einer
mäanderförmigen (Widerstands-)Struktur
dargestellt.
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Weiterhin
ist ein Verfahren vorgesehen, welches die Heizleistung eines Heizelements
in einer mikromechanischen Vorrichtung der geschilderten Art steuert
und/oder regelt. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung wenigstens
ein elektrisches Bauelement und ein Passivierungsmittel aufweist.
Erfindungsgemäß wird bei
diesem Verfahren die Heizleistung wenigstens in Abhängigkeit
einer die Temperatur des Passivierungsmittels repräsentierenden
Temperaturgröße gesteuert
bzw. geregelt. Vorteilhafterweise kann diese Temperaturgröße durch
die Erfassung der Umgebungstemperatur der mikromechanischen Vorrichtung
erfolgen und zur Steuerung und/oder Regelung der Heizleistung berücksichtigt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
die Heizleistung des Heizelements zum Abgleich des elektrischen
Bauelements zu steuern. Weiterhin ist möglich, über die Messung des Widerstands
des Heizelements auf einen Bruch der Widerstandsstruktur und gegebenenfalls
auf einen Bruch der darunter befindlichen Membran zu schließen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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In
den 1 und 3 sind Drucksensor nach
dem Stand der Technik gezeigt. Die 2, 4 und 6 zeigen
verschiedene Möglichkeiten, das
Heizungselement beim Aufbau eines Drucksensors zu platzieren. In
den 5, 7 und 8 werden
mögliche
Anordnungen einer mäanderförmigen Heizstruktur
dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Im
folgenden Ausführungsbeispiel
soll die erfindungsgemäße Verwendung
eines Heizelements zur Reduzierung bzw. Verhinderung der Diffusion
von aggressiven Medien in ein Passivierungsmittel beschrieben werden.
Dabei wird die Verwendung der vorliegenden Erfindung anhand eines
Drucksensors beschrieben, wobei vorgesehen ist, die Erfindung auch
bei anderen elektrischen Bauelementen zu verwenden, die in mikromechanischer
Bauweise hergestellt werden und korrosionsempfindliche Bereiche aufweisen.
Denkbar sind hierbei neben anderen Sensoren wie Luftmassensensoren
oder Temperatursensoren auch Halbleiterschaltungen, die beispielsweise zu
Auswerte- und/oder Abgleichzwecken verwendet werden.
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In
der 1 ist ein bekannter Aufbau eines mikromechanischen
Drucksensors in einem Gehäuse
dargestellt. Dabei wird ein mikromechanisches Sensorelement 120 mit
piezoelektrischen Widerständen 125 mittels
geeigneter Verbindungsmaterialien 115 mit einem Substrat 110 verbunden.
Bei der üblicherweise
verwendeten Verbindungstechnik, dem Anodischen Bonden, kann die
Verbindungsschicht auch entfallen. Das so erzeugte elektrische Bauelement
mit dem Sensorelement 120 wird anschließend mittels einer entsprechenden
Verbindungsschicht 105 auf ein Trägerelement 100, beispielsweise
einer Keramik oder einer (Hybrid-)Leiterplatte aufgebracht. Generell
soll jedoch davon ausgegangen werden, dass das Sensorelement des
Drucksensors auch durch einen anderen Aufbau realisiert werden kann. Gängige Materialien
für das
mikromechanische Sensorelement sind darüber hinaus Halbleitermaterialien,
Glas oder Stähle.
Das Sensorelement 120 kann beispielsweise mit einer Membran
und einer unter der Membran liegenden Kaverne 145 mit einem
vorgegebenen Druck p2 ausgestattet sein.
Beispielsweise, wenn das Substrat 110 kein Zugangsloch 150 unter
der Kaverne aufweist und ein Vakuum beim Verbinden von Substrat
und Sensorelement eingeschlossen wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein,
dass das Substrat 110 und das Trägerelement 100 für Differenzdruckapplikationen
eine Durchführung 150 zur
Kaverne 145 bzw. zur Membran aufweist, so dass der Druck
p2 in der Kaverne 145 variiert
werden kann.
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Zwischen
dem Druck p2 in der Kaverne 145 und
dem Umgebungsdruck p1 des Sensors herrscht somit
eine Druckdifferenz. Eine Variation des Umgebungsdrucks äußert sich
dabei in einer Bewegung der Membran. Durch geeignete elektrische
Komponenten wie beispielsweise die gezeigten piezoelektrischen Widerstände 125 auf
der Membran kann diese Bewegung in eine Messgröße gewandelt werden, die proportional
zur auftretenden Druckdifferenz erzeugt wird. Zur Weiterleitung
dieser Messgröße sind
Verbindungselemente wie beispielsweise Bonddrähte 135 vorgesehen,
die vom Sensorchip 120 zur weiteren Auswertung der Messgröße beispielsweise
auf das Trägerelement 100 geführt werden. Üblicherweise
werden diese Bonddrähte 130 mittels
Bondpads an dem Sensorchip 120 und/oder dem Trägerelement 100 befestigt.
Es ist jedoch auch denkbar, dass auf dem Sensorchip 120 und/oder
auf dem Trägerelement 100 Kontaktierungsflächen 130 bzw. 140 vorgesehen
sind, über
die eine Ansteuerung des Sensorchips 120 und/oder eine
Auswertung, Verstärkung bzw.
Weiterleitung der Messgröße durch
externe Steuermittel ermöglicht
werden. Daneben können
jedoch auch direkt auf dem Sensorelement 120 selbst integrierte
Schaltungen vorgesehen sein, die die Signalaufbereitung, d.h. Verstärkung, Linearisierung und/oder
Auswertung durchführen.
Zum Schutz des Sensorelements vor Beschädigung wird das Sensorelement
in einem Gehäuse 155 untergebracht.
Dabei kann das Gehäuse 155 wie
in 1 dargestellt, sowohl lediglich
aus Gehäusewänden 155 als
auch aus Gehäusewänden inklusive
einem Gehäusedeckel bestehen.
Da die Kontaktierungsstellen 130 bzw. 140 der
Bonddrähte 135 und/oder
weitere elektrische Komponenten des Sensorelements (Leiterbahnen, Schaltungen
etc.) korrosionsempfindliche Bereiche darstellen, die durch aggressive
Medien angegriffen werden können,
ist vorgesehen, den Innenraum des Gehäuses 155 mit einem
Passivierungsmittel 160 beispielsweise einem Gel wenigstens
teilweise aufzufüllen.
Bei der Wahl des Passivierungsmittels 160 ist darauf zu
achten, dass alle korrosionsempfindlichen Bereiche ausreichend abgedeckt
werden, so dass sie vor dem ggf. korrosiven Medium geschützt werden.
Darüber
hinaus ist das Passivierungsmittel 160 derart zu wählen, dass
es einerseits so weich ist, dass es keine mechanischen Verspannungen
auf der Sensormembran hervorruft, andererseits jedoch auch den Umgebungsluftdruck
direkt an die Membran weiterleitet.
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Die
Zuführung
des zu messenden Drucks erfolgt durch eine Zuführung des druckführenden
Mediums an den Drucksensor. In vielen Anwendungsgebieten, wie z.B.
in der Automobiltechnik, Anlagentechnik, etc., handelt es sich dabei
um chemisch aggressive Medien. Wie bereits erwähnt, ist der Sensor bei derartigen
Anwendungen üblicherweise
durch besondere Maßnahmen,
z.B. den Einsatz von Passivierungsgelen, gegen diese aggressive
Medien geschützt.
Bei bestimmten Anwendungen ist dieser Schutz jedoch nicht ausreichend,
da die Medien die Passivierungsschichten z.B. durch Diffusionsvorgänge durchwandern
können.
In diesen Fällen
besteht nun insbesondere bei den Schaltungselementen bzw. Sensorelementen
des Drucksensors die Gefahr, dass aggressive Medien auf dem Drucksensor
zu Korrosion und somit zur Zerstörung
des Sensors führen.
Typische Bereiche, bei denen es zu Korrosion kommen kann, sind dabei
die integrierten Auswerteschaltungen im Drucksensor, die Bondlands
der Bonddrähte
sowie Bereiche, die für
den Abgleich des Sensors benötigt
werden, wie beispielsweise Brennstrecken.
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Während einige
der aufgeführten
Bereiche mit einer stabilen Passivierungsschicht aus z.B. Siliziumnitrid
vor Medieneinflüssen
geschützt
werden können,
sind andere Bereiche, wie beispielsweise die Brennstrecken oder
Bondpads nur durch eine variablere zusätzliche Passivierung, z.B.
durch ein Passivierungsgel, vor den aggressiven Medien zu schützen. Insgesamt
besteht jedoch bei allen Passivierungsmaterialien die Gefahr, dass
die aggressiven Bestandteile im Laufe des Sensorbetriebs durch Diffusionsvorgänge die
Passivierungsschichten durchwandern und an die anfälligen Bereiche
kommen. Durch eine integrierte Heizung im Drucksensor lässt sich
der Diffusionsgradient dahingehend verändern, dass eine Durchwanderung
der Passivierung durch aggressive Medien verhindert wird. Weiterhin
lässt sich
durch eine integrierte Heizung die Kondensierung von aggressiven
Medien auf der Sensor- und/oder
Passivierungsoberfläche
verhindern, so dass die Ansammlung von schädlichen Konzentrationen aggressiver
Medien beispielsweise auf der Membranoberfläche verhindert wird.
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Eine
derartige integrierte Heizung lässt
sich durch Heizelemente, wie sie in der 2 dargestellt sind,
realisieren. So können
Heizelemente 210 und 230 vorgesehen sein, die
einen direkten Kontakt mit dem Passivierungsmittel 160 aufweisen,
wohingegen die Heizelemente 200 bzw. 220 den Drucksensor bzw.
das Passivierungsmittel 160 nur indirekt erwärmen.
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Konkret
können
die Heizelemente 210 bzw. 220 an das Gehäuse 155 angebracht
werden, wobei auch denkbar ist, dass die Heizelemente direkt in
die Gehäusewand
integriert wird. Durch eine Verwendung eines Heizelements 200,
wie es in 2 unterhalb des Trägerelements 100 angedeutet
ist, kann eine flächige
Erwärmung
des Trägerelements
und somit des Passivierungsmittels 160 erreicht werden. Daneben
kann jedoch auch vorgesehen sein, das wenigstens ein Heizelement
neben den Leiterbahnen zur elektrischen Versorgung des Drucksensors
auf das Trägerelement 100 aufgebracht
wird. Mit Heizelementen 230, die in der Nähe bzw.
auf dem Sensorelements 120 aufgebracht werden können, kann
das Passivierungsmittel in den gefährdeten Bereichen erwärmt werden.
Es ist jedoch auch denkbar, dass das Heizelement direkt in das Passivierungsmaterial
eingebettet wird (nicht gezeigt).
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Das
vorgesehene wenigstens eine Heizelement kann beispielsweise ebenfalls
wie die piezoelektrischen Widerstände auf dem Drucksensor durch einen
Druckprozess erzeugt werden. Ebenfalls ist eine Erzeugung des Heizelements
mittels mikromechanischer Herstellungsprozesse denkbar, wie es beispielsweise
bei der Herstellung eines Luftmassensensors möglich ist. Darüber hinaus
ist auch möglich, das
Heizelement zusätzlich
als Bauelement aufzukleben oder in den Drucksensor-IC zu integrieren.
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Um
die Heizleistung, mit der das Heizelement betrieben wird, zu steuern
bzw. zu regeln, kann vorgesehen sein, dass zur Erfassung der Temperatur des
Passivierungsmittels 160 Mittel vorgesehen sind, die eine
Temperaturgröße erfassen.
Dabei kann es sich beispielsweise um Temperatursensoren handeln,
die direkten Kontakt zum Passivierungsmittel 160 haben.
Denkbar ist hierbei, dass derartige Temperatursensoren im Passivierungsmittel 160 selbst eingebettet
oder auf dem Sensorelement 120 aufgebracht sind. Dabei
kann auch ein für
die Erfassung des Sensorsignals verwendeter Temperatursensor verwendet
werden. Darüber
hinaus ist jedoch auch möglich,
dass der Temperatursensor am Gehäuse, am
Substrat oder am Trägerelement
angebracht ist und unter Umständen
die Temperatur des Passivierungsmittels nur indirekt erfasst. Eine
weitere Möglichkeit
zur Erfassung der Temperatur des Passivierungsmittels besteht darin,
dass aus der Ansteuerung des Sensorelements 120 auf die
Temperatur des Passivierungsmittels geschlossen werden kann.
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Durch
die Erfassung der Temperatur des Passivierungsmittels kann gezielt
die Heizleistung des Heizelements und somit der Diffusionsgradient eingestellt
werden. Eine mögliche
Regelvariante besteht darin, dass die Temperatur des Passivierungsmittels
derart gewählt
wird, dass sie oberhalb der Umgebungstemperatur des Drucksensors
liegt. Zu diesem Zweck ist jedoch ein Temperatursensor notwendig,
der die Umgebungstemperatur erfasst. Optional kann dabei auf einen
Temperatursensor im Passivierungsmittel verzichtet werden, da die
Temperatur des Passivierungsmittels und die Umgebungstemperatur
in einer gewissen Abhängigkeit
stehen. Diese Abhängigkeit,
die durch die Temperaturabstrahlung des Passivierungsmittels bzw.
Aufwärmung
des Passivierungsmittels durch das umgebende Medium bewirkt wird,
kann dann bei der Ansteuerung des Heizelements berücksichtig
werden.
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Neben
der Reduzierung der Diffusionsgeschwindigkeit der aggressiven Medien
durch die Erwärmung
das Passivierungsmittels 160 kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel
die Steuerung der Heizleistung des Heizelements auch erreichen,
dass auf der Oberfläche
des Passivierungsmittels bzw. auf den nicht bedeckten Bereichen
des Drucksensors weniger korrodierendes Material abgeschieden wird. Dabei
kann beispielsweise die Umgebungstemperatur des Drucksensors herangezogen
werden, um die Heizleistung zu steuern bzw. zu regeln.
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Alternativ
zu dem bereits gezeigten Drucksensorelement, kann die Membran und
die Kaverne auch mittels Erzeugung von porösem Silizium hergestellt werden.
Eine gängige
Ausgestaltung zeigt dabei 3. Dabei
wird wie bereits anhand der 1 dargestellt,
das Sensorelement 300 bzw. der Sensorchip mit entsprechender
(Auswerte-)Schaltung auf ein Trägerelement 100 über einen
Klebstoff oder Lot 105 aufgebracht. Oberhalb der aus dem
porösen
Silizium entstandenen Kaverne 310 sind piezoelektrische
Widerstände 125 vorgesehen.
Die elektrische Anknüpfung
der piezoelektrischen Widerstände 125 bzw.
der auf dem Chip befindlichen Auswerteschaltung (nicht gezeigt)
erfolgt über
eine Bondverbindung 135. Zum Schutz der elektrischen Kontakte
und Verbindungen ist auf dem Sensorelement 300 eine Passivierungsschicht 160 vorzugsweise
in einem Gehäuse 155 oder
einem Gelring aufgebracht. Um auch die Bonddrähte 135 wirksam zu
schützen,
muss die Höhe
des Passivierungsmittels 160 mindestens die Höhe der Bondverbindung
erreichen.
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In 4 ist
beispielhaft eine weitere Anordnung eines Heizelements 240 in
Relation zu einem Sensorelement 300 dargestellt. Dabei
wird das Heizelement 240 in das Trägerelement 100 (z.B.
Keramik) integriert, bevor das Sensorelement 300 mittels des
Klebstoffs oder des Lots 105 auf dem Trägerelement 100 fixiert
wird. Allgemein sollen die verschiedenen Positionierungen der Heizelemente 200, 210, 220, 230 und 240 sowie
die noch darzustellenden Ausgestaltungen der Heizelemente für alle Anwendungen
anwendbar sein.
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Eine
spezielle Ausgestaltung eines Drucksensors 650 in Flip-Chip-Technik
mit elektrischer Kontaktierung, bei der das Heizelement direkt auf dem
sensierenden Element aufgebracht ist, stellt 6 dar. Dabei
wird das Sensorelement 600 derart auf das Trägerelement 100 aufgebracht,
dass das Medium keinen direkten Zugang zu der Membran 620 aufweist.
Vielmehr wird mittels einer Aussparung 640 im Trägerelement 100 eine
Verbiegung des Trägerelements
erreicht, das seinerseits auf die Membran 620 wirkt. Notwendig
hierzu sind jedoch Entkopplungskavernen 630, die beispielsweise
ebenfalls aus porösem
Silizium hergestellt werden können.
Zwischen der Membran 620 und dem gedünnten Trägerelement in der Aussparung 640 kann
das Heizelement 250 untergebracht werden, um die bereits
geschilderten Temperaturänderungen
hervorzurufen.
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Die
Heizelemente 200 bis 240 können beispielhaft als Widerstandsfläche vorgesehen
sein, die mittels einer speziellen Kontaktierung elektrisch angeschlossen
werden können.
In 5 ist eine mögliche
Ausgestaltung eines mäanderförmigen elektrischen
Heizelements 245 in einer Trägerplatte 100 mit Kontaktstellen 520 dargestellt.
Oberhalb des Heizelements 245 befindet sich so der Sensorchip 300 mit der
Membran 500 und den piezoelektrischen Widerständen 510,
so dass kein direkter Kontakt des Heizelements 245 mit
der Membran bzw. den messwertaufnehmenden Widerständen vorliegt.
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Eine
weitere Ausgestaltung zeigt 7, bei dem
die mäanderförmige Widerstandsstruktur 255 auf
der Oberfläche
eines Sensorchips aufgebracht ist. Dabei wird nicht nur die Membran 500 sondern auch
die um die Membran befindliche Fläche mit der Heizstruktur bedeckt.
Es ist jedoch auch möglich,
die Widerstandsstruktur 260 nur auf die Membran 500 aufzubringen,
wie in 8 dargestellt ist. Somit stünde die Fläche 530 um die Membran
herum zum Aufbringen einer Auswerteelektronik zur Verfügung.
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Die
Heizelemente lassen sich je nach Positionierung in die Oberfläche des
Trägerelements 100, des
Sensorelements 120 bzw. 300 oder des Gehäuses 155 eindiffundieren
oder metallisieren. Dabei kann entweder die gesamte Chipoberfläche des
Sensorelements wie in 7 oder auch nur die Membran 500 wie
in 8 mit einer heizenden Schicht versehen werden.
Somit ist eine Temperaturbeaufschlagung beim Abgleich des Sensorelements
möglich,
so dass sich Aufwand und Kosten des Abgleichs erheblich reduzieren
lassen.
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Wiederstandsmäander in
der Membran ermöglichen
neben der Temperaturbeaufschlagung auch eine Temperaturmessung.
Darüber
hinaus ist auch die Erkennung von Membranrissen möglich. So kann
bei einer entsprechend dünnen
Ausführung
der Mäanderstruktur
das Heizelement bei einem Membranriss ebenfalls unterbrochen werden.
Durch die Rückmeldung
der Unterbrechung kann somit auf einen Membranriss geschlossen werden.
Eine derartige Risserkennung kann vor allem bei sicherheitskritischen
Anwendungen von Vorteil sein.
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Die
Beheizbarkeit kann weiterhin dazu genutzt werden, bei Umgebungstemperaturen
des Sensors bzw. des Sensorelements unter 0°C eine Eisbildung im Sensorbereich
bzw. auf der Membran zu verhindern. Darüber hinaus kann bei einer im
Verhältnis zur
Umgebungstemperatur eingestellten Übertemperatur eine Kondensation
von Wasser an kritischen Stellen des Sensorelements beispielsweise
auf der Membran verhindert werden. In einem besonderen Ausführungsbeispiel
kann vorgesehen sein, dass bei der Steuerung der Heizleistung des
Heizelements in einem Drucksensor generell geheizt wird, unabhängig von
einer erfassbaren Temperaturgröße. In diesem
Fall ist deshalb die Erfassung einer zusätzlichen Temperaturgröße nicht
notwendig.
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Eine
andere Möglichkeit
eine Heizung des Sensorelements bzw. des Sensorchips zu realisieren besteht
in der Verwendung von Transistoren oder Thyristoren, mit denen die
Temperatur aktiv gesteuert bzw. geregelt werden kann.
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Allgemein
ist eine gleichmäßige Temperaturverteilung
auf dem Sensorchip wichtig, um die beschriebenen Effekte darzustellen.
Dies kann durch eine optimierte Anordnung der Heizelemente auf dem
Chip realisiert werden. Denkbar ist hierbei an die Verwendung von
mehreren nebeneinander liegenden oder ineinander greifenden Heizelementen.
In Kombination mit einem Temperaturfühler ist darüber hinaus
eine sehr schnelle Temperaturregelung möglich.
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Die
Wärmeabfuhr
erfolgt über
die Chipbefestigung (z.B. Kleber, Lot) und über das Passivierungsmittel
(z.B. Gel). Werden Kleber und Gel aus wärmeisolierenden Materialien
hergestellt, lässt
sich darüber
hinaus die Heizleistung minimieren. Eine entsprechende Wärmeisolierung
kann auch durch die Verwendung einer dicken Klebeschicht erreicht
werden.