DE102010062802A1 - Sensoreinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1), insbesondere zur Druckmessung, wobei die Sensoreinrichtung (1) aufweist: ein monolithisch ausgebildetes Sensor-Halbleiterbauelement (6), in dem mindestens eine Sensorstruktur (14) und eine analoge Mess-Schaltungseinrichtung (15) zur Ansteuerung und/oder zum Auslesen der Sensorstruktur (14) und zum Erzeugen eines Messsignals (S1) ausgebildet ist, und ein monolithisch ausgebildetes Auswerte-Halbleiterbauelement (5) zur Auswertung des Messsignals (S1) und zur Signalkommunikation, wobei die Sensoreinrichtung (1) eine Signal-Schnittstelleneinrichtung (34) zur Ausgabe digitaler Ausgabesignale (S3) und Aufnahme von Eingangssignalen (S2) aufweist. Hterbauelement (6) zumindest ein Teil der analogen einrichtung (34) ausgebildet ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Für verschiedene Messungen, insbesondere im Automotive-Bereich, werden Sensorstrukturen direkt auf einem Halbleiter-Bauelement ausgebildet. Die Sensorstrukturen werden hierzu vorzugsweise mikromechanisch in einem Sensor-Chip ausgebildet und von analogen Mess-Schaltungen auf dem Sensor-Chip ausgelesen. Die Auswertung der Messsignale sowie die Datenkommunikation mit externen Datenleitungen, z. B. einem Datenbus im Fahrzeug, erfolgt im Allgemeinen über eine digitale Auswerteschaltung.
  • Hierzu sind zum einen monolithisch integrierte ASICs (application specific integrated circuit) bekannt, bei denen sowohl das mikromechanische Sensorelement bzw. die Sensorstruktur als auch die digitale Auswerteschaltung auf demselben Halbleiterbauelement bzw. Silizium-Substrat ausgebildet sind.
  • Weiterhin sind so genannte Zwei-Chip-Lösungen bekannt, bei dem die Sensorstruktur auf dem Sensor-Chip (Sensor-Halbleiterbauelement), und die Auswerteschaltung sowie die für die Daten-Kommunikation erforderlichen Komponenten wie Bus-Treiber für auszugebende Ausgangssignale auf dem Auswerte-ASIC ausgebildet sind. Die beiden Halbleiterbauelemente (Chips, Dies) sind hierbei z. B. in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen, so dass ein Sensormodul gebildet wird, das z. B. als SMD-Element auf einem Schaltungsträger, z. B. einer Leiterplatte, montiert werden kann.
  • Für die digitale Datenkommunikation des Auswerte-ASICs sind im Allgemeinen Schutzmaßnahmen zu treffen, insbesondere bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und möglicher elektrostatischer Entladungen (electrostatic discharge, ESD). Die für die Datenkommunikation vorgesehenen Ein- und Ausgabeeinrichtungen wie z. B. die Bus-Treiber sind auf dem Auswerte-ASIC mit geeignetem EMV-Kapazitäten und ESD-Strukturen ausgebildet.
  • Zur Ausbildung der mikromechanischen Sensorstrukturen sowie der analogen Mess-Schaltungsstrukturen werden für den Sensor-Chip spezifische Halbleiter-Prozesse für Analog-Technik, z. B. NVS2, angewandt. Die Ausbildung des Auswerte-ASIC erfolgt hingegen zum Teil durch spezifische, für die Digitaltechnik optimierte Halbleiterprozesse, die eine sehr hohe Integration ermöglichen, wobei zusätzlich analoge Strukturen für z. B. EMV-Kapazitäten und ESD-Strukturen ausgebildet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teil der analogen Komponenten der Signal-Schnittstelleneinrichtung auf dem Sensor-Chip ausgebildet. Diese Komponenten können insbesondere Schutzstrukturen wie z. B. EMV-Kapazitäten und/oder ESD-Schutzstrukturen sein. Weiterhin kann ein Bus-Treiber für Ausgangssignale auf dem Sensor-Chip ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist auch eine Vorverstärker-Schaltung für die Messsignale der Messstruktur auf dem Sensor-Chip ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß erfolgt somit die Aufteilung der Komponenten nicht gemäß der funktionalen Trennung, so dass einerseits die Sensor-Messtechnik auf dem Sensor-Chip und andererseits sämtliche Auswerteeinrichtungen und die für die externe Datenkommunikation erforderlichen Treiber, Vorverstärker und Schutzstrukturen auf dem Auswerte-Halbeiterbauelement ausgebildet sind, sondern es wird eine Aufteilung gemäß den Herstellungsprozessen vorgenommen. Hierbei werden Komponenten, die üblicherweise aus dem Auswerte-Halbeiterbauelement ausgebildet werden und der Funktionalität der externen Datenkommunikation sowie der Schutzstrukturen für derartige Datenkommunikation dienen, auf den Sensor-Chip ausgelagert.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die gesamte Datenkommunikation bzw. Signalkommunikation, d. h. Signal-Eingabe und -Ausgabe, vollständig über den Sensor-Chip, auf dem die Schutzstrukturen für die Signal-Eingänge, d. h. insbesondere EMV-Kapazitäten und ESD-Schutzstrukturen ausgebildet sind, weiterhin auch Vorverstärker für die Signal-Ausgabe an den Auswerte-Chip. Auch die Anschlüsse für die Spannungsversorgung sind vorzugsweise auf dem Sensor-Chip ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß werden einige Vorteile erreicht:
    Durch die Aufteilung der Komponenten nach den Herstellungsprozessen bzw. in digital und analog können eine hohe Leistungsfähigkeit (Performance) bei kostengünstiger Ausbildung und eine höhere Integration ermöglicht werden. Es können insbesondere die flächenmäßig größeren EMV-Kapazitäten und ESD-Strukturen nunmehr mit den für Analogtechnik typischen Halbleiter-Herstellungsprozessen ausgebildet werden, wobei die Herstellung dieser Schutzstrukturen z. B. kombiniert werden kann mit der Ausbildung der Sensorstruktur, z. B. entsprechender kapazitiver Flächen der Sensorstruktur.
  • Somit kann erfindungsgemäß eine höhere Performance bei gleichen oder geringeren Herstellungskosten erreicht werden. so ist z. B. ein Halbleiterprozess für analoge Schaltungstechnik zwar nicht hochintegriert, hat jedoch bessere Performance-Eigenschaften bezüglich ESD-Fähigkeit und erlaubt die Integration größerer Kapazitäten auf kleiner Fläche als ein Halbleiterprozess für Digitaltechnik. Zudem sind die Kosten pro Chipfläche bei den analogen Prozessen geringer.
  • Der Auswerte-Chip kann insbesondere ein ASIC sein. Da erfindungsgemäß die bisher ergänzend vorgesehenen analogen Strukturen nicht mehr auf diesem Auswerte-ASIC auszubilden sind, kann er sehr hochintegriert ausgebildet werden. Er kann z. B. vollständig in CMOS-Technik ausgebildet sein, z. B. in der Prozesstechnik LBC8. Der Auswerte-Chip kann das analoge Messsignal digitalisieren und auf eine gewünschte Kennlinie abbilden.
  • Erfindungsgemäß wird hierdurch durchaus in Kauf genommen, dass aufgrund der auf beide Dies (Halbleiterbauelementen) verteilten Funktionalität die Datenkommunikation zwischen den beiden Dies zunimmt. So werden Daten bzw. Signale nicht direkt von dem Auswerte-Chip ausgegeben und aufgenommen, sondern z. B. unverstärkte Ausgabesignale zunächst von den digitalen Ports oder Schnittstelleneinrichtungen des Auswerte-Chips zu dem Sensor-Chip übertragen werden, damit sie dort durch z. B. eine Bust-Treiberschaltung verstärkt werden.
  • Erfindungsgemäß wird ein derartiger erhöhter interner Datenfluss zwischen den Dies jedoch in Kauf genommen, um die höhere Integration und kostengünstigere Ausbildung zu ermöglichen.
  • Vorteilhafterweise weist der Auswerte-ASIC somit keine analogen Leistungsstrukturen mehr auf, gegebenenfalls sogar gar keine analogen Strukturen mehr.
  • Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann insbesondere als SMD-Sensormodul ausgebildet sein. Sie dient insbesondere der Druckmessung, kann aber auch für andere Messungen eingesetzt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Aufsicht;
  • 2 zeigt eine hierzu alternative Ausbildung in gestaffelter Anordnung; und
  • 3 zeigt eine funktionelle Darstellung der Funktionalitäten der Schaltungsanordnung.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Gemäß 1 weist eine Schaltungsanordnung 1 ein Chipgehäuse 2 mit Anschlusspins 3 zur Montage auf einem Schaltungsträger, z. B. einer Leiterplatte auf. Im Gehäuseinnenraum 4 sind ein Auswerte-ASIC 5 und ein Sensor-Chip 6 aufgenommen, die jeweils als monolithische, integrierte Halbleiter-Bauelemente ausgebildet sind. Das Gehäuse 2 kann z. B. ein Metallgehäuse oder ein Premold-(Kunststoff)-Gehäuse sein. Ein auf das Gehäuse 2 gesetzter oder als Teil des Gehäuses 2 ausgebildeter Deckel ist zur besseren Darstellung nicht gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform bildet ein Leadframe 12 nach außen die Anschlusspins 3 zur äußeren Kontaktierung und nach innen Kontaktpads 10 zur Kontaktierung der beiden Dies (Halbleiterbauelemente) 5, 6 aus. Die Dies 5 und 6 können auch in dem Gehäuse 2 eingemoldet sein.
  • Die beiden Dies 5, 6 weisen Bondpads 9 zur Kontaktierung auf und sind miteinander über erste Drahtbonds 8a und mit den Kontaktpads 10 des Leadframes 12 über zweite Drahtbonds 8b kontaktiert. Alternativ oder zusätzlich hierzu können die Dies 5, 6 auch über ihre Unterseite kontaktiert sein, vorzugsweise über entsprechende Kontaktpads und Lotballs.
  • Auf dem Sensor-Chip 6 ist mindestens eine Sensorstruktur 14 ausgebildet, mit der äußere Einflüsse detektiert werden. Die Sensorstruktur 14 kann z. B. zur Druckmessung dienen und eine Druckmembran aufweisen, die mikromechanisch im Halbleiter-Substrat des Sensor-Chips 6 ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Sensorstruktur 14 zur Messung einer Temperatur oder einer Trägheitskraft, z. B. einer Beschleunigung oder einer Drehzahl (Gyrosensor) vorgesehen sein. Weiterhin können z. B. auch Sensorstrukturen für Feuchte-Messungen, chemische Messungen oder spektroskopische Sensorstrukturen ausgebildet sein, die entsprechend licht- bzw. strahlungsempfindlich sind. Bei Ausbildung als Drucksensor oder für chemische oder Feuchte-Messungen sind im nicht gezeigten Deckel entsprechende Öffnungen für einen Druckaustausch ausgebildet.
  • Der Sensor-Chip 6 weist weiterhin eine analoge Mess-Schaltungseinrichtung 15 auf, die zum Auslesen bzw. zur Spannungsversorgung der Sensorstruktur 14 dient. Die Mess-Schaltungseinrichtung 15 detektiert somit die jeweilige Mess-Größe, je nach den physikalischen Eigenschaften der Sensorstruktur 14 z. B. eines Mess-Widerstandes, einer Mess-Kapazität oder einer (z. B. von Piezo-Kristallen) erzeugten Mess-Spannung, und gibt Messsignale S1 über eine Vorverstärkerschaltung 16 und erste Bondpads 8a an den Auswerte-ASIC 5 aus.
  • Der Auswerte-ASIC 5 weist einen Mikrocontroller 19 und eine digitale Auswerteschaltung 18 auf, die zur Digitalisierung und digitalen Auswertung der Messsignale S1 dient. Weiterhin weist der Auswerte-ASIC 5 Eingangs-Ports 26 und Ausgangs-Ports 28 zur Datenkommunikation über einen externen Datenbus 20 auf, der in 1 schematisiert dargestellt ist.
  • Erfindungsgemäß sind auf dem Sensor-Chip 6 analoge Komponenten 22, 24, 30 ausgebildet, die der Signalaufnahme von externen Eingangssignalen S3, der Signalausgabe der Ausgangssignale S2 und der Spannungsversorgung der gesamten Schaltungsanordnung 1 dienen. EMV-Kapazitäten 22 (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) dienen der Filterung der aufgenommenen Eingangssignale S3. ESD-Schutzstrukturen (ESD = electrostatic discharge, elektrostatische Entladung) 24 dienen zur Filterung zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen. Eine Bus-Treiberschaltung 30 dient zur Verstärkung und Ausgabe der Ausgabesignale S2 an die externe Datenleitung 20.
  • Somit erfolgt die Datenkommunikation, vorzugsweise auch der Anschluss der Energieversorgung, nicht direkt zwischen den Ports 26, 28 des Auswerte-ASICs 5 und der externen Datenleitung 20, sondern über die auf dem Sensor-Chip 6 ausgebildeten analogen Strukturen 22, 24, 30.
  • Vorzugsweise ist der Auswerte-ASIC 5 somit ausschließlich mit digitalen Schaltungselementen gebildet und hierzu hoch integriert. Auf dem Sensor-Chip 6 sind neben der mikromechanisch ausgebildeten Sensorstruktur 14 und der analogen Mess-Schaltungseinrichtung 15 somit zusätzliche analoge Schaltungseinrichtungen bzw. Schutzelemente 20, 24, 30 ausgebildet.
  • Die schematisierte Darstellung der 3 zeigt die auf beide Dies 5, 6 verteilten Funktionalitäten. Eine gesamte Auswerteeinrichtung 32 weist zusätzlich zu der digitalen Auswerteschaltung 18 analoge Auswertestrukturen 33 auf.
  • Eine gesamte Signal-Schnittstelleneinrichtung 34 zur Signaleingabe und Signalausgabe mit der externen Datenleitung 20 umfasst die Eingangs-Ports 26 und Ausgangs-Ports 28 des Auswerte-ASICs 5 und weiterhin die EMV-Kapazitäten 22, ESD-Schutzstrukturen 24 und Bustreibern 30 des Sensor-Chips 6.
  • Grundsätzlich kann somit sämtliche externe Kommunikation, d. h. sowohl die Aufnahme externer Eingangssignale S3 als auch die Ausgabe von digitalen Ausgangssignalen S2 an den externen Daten-Bus 20 oder andere externe Leitungen über den Sensor-Chip 6 erfolgen.
  • Gemäß 2 können der Auswerte-ASIC 5 und der Sensor-Chip 6 auch als Stapel übereinander in dem Chip-Gehäuse 2 angebracht werden, wodurch die Anzahl der ersten Drahtbonds 8a reduziert werden kann.
  • Zur Herstellung des Sensor-Chips 6 kann somit ein Halbleiter-Prozess zur Ausbildung analoger Strukturen, z. B. NVS2, eingesetzt werden, der grundsätzlich eine effektive Herstellung auch der ESD-Schutzstrukturen 24 und der EMV-Kapazitäten 22 ermöglicht. Zur Herstellung des Auswerte-ASICs 5 kann ein hochintegrierter Halbleiterprozess, z. B. LBC8, eingesetzt werden.

Claims (12)

  1. Sensoreinrichtung (1), insbesondere zur Druckmessung, wobei die Sensoreinrichtung (1) aufweist: ein monolithisch ausgebildetes Sensor-Halbleiterbauelement (6), in dem mindestens eine Sensorstruktur (14) und eine analoge Mess-Schaltungseinrichtung (15) zur Ansteuerung und/oder zum Auslesen der Sensorstruktur (14) und zum Erzeugen eines Messsignals (S1) ausgebildet ist, und ein monolithisch ausgebildetes Auswerte-Halbleiterbauelement (5) zur Auswertung des Messsignals (S1) und zur Signalkommunikation, wobei die Sensoreinrichtung (1) eine Signal-Schnittstelleneinrichtung (34) zur Ausgabe digitaler Ausgabesignale (S3) und Aufnahme von Eingangssignalen (S2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sensor-Halbleiterbauelement (6) zumindest ein Teil der analogen Komponenten (22, 24, 30) der Signal-Schnittstelleneinrichtung (34) ausgebildet ist.
  2. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Sensor-Halbleiterbauelement (6) ausgebildeten analogen Komponenten der Signal-Schnittstelleneinrichtung (34) eines oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: – eine Treiberschaltung (30) zur Ausgabe der Ausgabesignale (S3); – Schutzstrukturen (22, 24) der Signal-Schnittstelleneinrichtung (34).
  3. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzstrukturen (22) der Signal-Schnittstelleneinrichtung (34) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: EMV-Kapazitäten (22) zur analogen Filterung aufgenommener externer Eingangssignale (S3); ESD-Strukturen (22) zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen.
  4. Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausgabe von digitalen Ausgabesignalen (S2) und zur Aufnahme von Eingangssignalen (S3) ausschließlich Anschlüsse (9), z. B. Bondpads (9), des Sensor-Halbleiterbauelementes (6) vorgesehen sind.
  5. Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sensor-Halbleiterbauelement (6) weiterhin eine analoge Vorverstärkereinrichtung (16) zur Verstärkung des Messsignals (S1) und Ausgabe an das Auswerte-Halbleiterbauelement (59 ausgebildet ist.
  6. Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerte-Halbleiterbauelement (5) eine digitale Auswerteschaltung (18) zur digitalen Auswertung des Messsignale (S1) und einen Mikrocontroller (19) aufweist.
  7. Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sensor-Halbleiterbauelement (6) sämtliche analogen Komponenten (22, 24, 30) der Signal-Schnittstelleneinrichtung (34) ausgebildet sind und das Auswerte-Halbleiterbauelement (5) frei von analogen Leistungsstrukturen ist
  8. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerte-Halbleiterbauelement (5) lediglich digitale Strukturen (18, 19) aufweist.
  9. Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Sensormodul (1), insbesondere SMD-Sensormodul ausgebildet ist und ein Chip-Gehäuse (2) aufweist, in dem das Sensor-Halbleiterbauelement (6) und das Auswerte-Halbleiterbauelement (5) aufgenommen sind, wobei das Chip-Gehäuse (2) einen Leadframe (12) mit Anschlusspins (3) zur externen Kontaktierung aufweist, wobei zwischen dem Sensor-Halbleiterbauelement und dem Auswerte-Halbleiterbauelement (5) erste Drahtbonds (8a) ausgebildet sind, und zwischen den Halbleiterbauelementen (5, 6) und dem Leadframe (12) zweite Drahtbonds (8b) ausgebildet sind.
  10. Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor-Halbleiterbauelement (6), durch einen Halbleiter-Prozess zur Ausbildung analoger Strukturen, z. B. NVS2, und das Auswerte-Halbleiterbauelement (5) durch einen hochintegrierten Halbleiterprozess zur Ausbildung digitaler Strukturen, z. B. LBC8, ausgebildet ist.
  11. Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensorstruktur (14) mikromechanisch ausgebildet ist
  12. Sensoreinrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sensorstruktur (14) für mindestens eine der folgenden Messungen ausgelegt ist: Druckmessung, Kraftmessung, Beschleunigungsmessung, Drehzahlenmessung, spektroskopische Messung.
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