DE102012209235B4 - Sensormodul mit zwei mikromechanischen Sensorelementen - Google Patents

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Abstract

Sensormodul (100) mit mindestens zwei mikromechanischen Sensorelementen (1, 2), deren Sensorfunktion auf dem direkten oder indirekten Einwirken eines Messmediums beruht, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sensorelemente (1, 2) in einem gemeinsamen Gehäuse (40) mit mindestens einer Zugangsöffnung (43) für das Messmedium angeordnet sind und dass die mindestens zwei Sensorelemente (1, 2) Bauelementrückseite auf Bauelementvorderseite übereinander gestapelt sind, so dass das obere Sensorelement (1) den aktiven Bereich des unteren Sensorelements (2) zumindest teilweise überdeckt, jedoch das für die Sensorfunktion erforderliche Einwirken des Messmediums auf den aktiven Bereich des unteren Sensorelements (2) gewährleistet ist, dass die mindestens zwei Sensorelemente (1, 2) jeweils eine druckempfindliche Membranstruktur (11, 21) umfassen, dass das eine Sensorelement (2) als Drucksensorelement (2) und das andere Sensorelement (1) als Mikrofonbauelement (1) fungiert und dass zumindest die Membranstruktur (11) des Mikrofonbauelements (1) eine Kaverne (12) in seiner Bauelementrückseite überspannt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Sensormodul mit mindestens zwei mikromechanischen Sensorelementen, deren Sensorfunktion auf dem direkten oder indirekten Einwirken eines Messmediums beruht.
  • Die Druckmessung und die Mikrofonfunktion sind wichtige Beispiele für mikromechanisch realisierbare Sensorfunktionen, die auf dem Einwirken eines Messmediums beruhen. Diese Sensorfunktionen gewinnen zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Bereich der Consumer-Anwendungen, wie z.B. bei Mobiltelefonen, Smartphones, Navigationsgeräten, MP3-Playern, Spielekonsolen und Digitalkameras. Mit Hilfe von Drucksensoren können Luftdruckänderungen erfasst werden, um so beispielsweise Klimainformationen oder Höheninformationen für ein Navigationsgerät zu gewinnen. Mikrofone werden hier zur Spracherfassung und Störgeräuschreduktion eingesetzt.
  • Aus der Praxis bekannt sind Mikrofon-Bauteile mit einem mikromechanischen Mikrofonbauelement und einem träger- oder substratbasierten Gehäuse mit Schallöffnung. Der Mikrofon-Chip ist in diesem Fall mittels Chip-on-Board (COB)-Technologie auf einem Träger montiert, elektrisch kontaktiert und mit einem Deckel oder einer Moldmasse gehaust. Wenn die mikromechanische Mikrofonstruktur auf einem MEMS-Bauelement und die Signalauswertung ganz oder teilweise auf einem separaten ASIC-Bauelement implementiert sind, werden die Chips in der Regel nebeneinander auf dem Träger angeordnet, so dass der Flächenbedarf der bekannten Bauteile im Verhältnis zur Fläche des MEMS-Chips relativ groß ist.
  • Weitere MEMS basierte Multi-Sensor Module sind beispielsweise aus den Schriften US2 011 / 0 057 273 A1 , DE 43 07 825 A1 , DE 10 2010 015 400 A1 , WO 2010/049211 A1 , US 2008 / 0 192 962 A1 und DE 10 2005 008 511 A1 bekannt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird eine kostengünstige und äußerst platzsparende Modullösung für zumindest zwei mikromechanische Sensorelemente mit gleichen Verpackungsanforderungen vorgeschlagen.
  • Erfindungsgemäß werden die mindestens zwei Sensorelemente dazu in einem gemeinsamen Gehäuse mit mindestens einer Zugangsöffnung für das Messmedium angeordnet und Bauelementrückseite auf Bauelementvorderseite übereinander gestapelt, so dass das obere Sensorelement den aktiven Bereich des unteren Sensorelements zumindest teilweise überdeckt, jedoch das für die Sensorfunktion erforderliche Einwirken des Messmediums auf den aktiven Bereich des unteren Sensorelements gewährleistet ist.
  • Zunächst ist erkannt worden, dass Sensorelemente, deren Sensorfunktionen jeweils auf dem Einwirken eines Messmediums beruhen, sehr einfach in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden können, wenn dies mit mindestens einer Zugangsöffnung als Medienzugang ausgestattet ist. Allein dadurch lässt sich der Verpackungsaufwand für die Sensorelemente insgesamt deutlich reduzieren. Das erfindungsgemäße Verpackungskonzept sieht außerdem - abweichend von der aus dem Stand der Technik bekannten side-by-side-Chipanordnung - eine gestapelte Anordnung der beiden MEMS-Sensorelemente vor. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich eine gestapelte Anordnung nicht unbedingt nachteilig auf die Sensorfunktionen auswirken muss, sondern im Gegenteil sogar eine gewisse Schutzwirkung gegen Umwelteinflüsse haben kann, wenn eine geeignete Montagetechnik verwendet wird. Außerdem ermöglicht die gestapelte Anordnung der Sensorelemente eine Minimierung der lateralen Abmessungen des Sensormoduls, so dass der Platzbedarf des Sensormoduls bei der 2nd-Level-Montage vergleichsweise gering ist. Dies trägt letztlich ebenfalls zu einer Reduzierung der Fertigungskosten für die Endgeräte bei.
  • Insgesamt bietet das erfindungsgemäße Verpackungskonzept eine sehr hohe Flexibilität, sowohl was die Kombination von Sensorfunktionen und Anordnung der Sensorelemente im Bauelementstapel betrifft, als auch was Art, Form und Material des Gehäuses betrifft sowie die Ausgestaltung des Medienzugangs. Die mikromechanischen Sensorelemente können mit nur einer oder auch mit mehreren Sensorfunktionen ausgestattet sein. Neben den bereits erwähnten Sensorfunktionen, Druckerfassung und Mikrofonfunktion, sei hier beispielhaft noch das Sensieren von Licht, Gas, Feuchte, Temperatur und Fluidströmen erwähnt.
  • Von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung im Consumer-Elektronik-Bereich ist die Kombination von Sensorelementen mit druckempfindlichen Membranstrukturen, und zwar erfindungsgemäß die Kombination eines Mikrofonbauelements und eines Drucksensorelements zum Erfassen des statischen Drucks. Die Membranstruktur des Mikrofonbauelements überspannt erfindungsgemäß eine Kaverne in der Bauelementrückseite, die dann je nach Montage des Mikrofonbauelements das Rückseitenvolumen oder das Frontvolumen des Mikrofonbauelements bildet.
  • In einer ersten Aufbauvariante eines erfindungsgemäßen Sensormoduls mit Drucksensor und Mikrofonbauelement ist das Mikrofonbauelement so innerhalb des Gehäuses und des Bauelementstapels angeordnet, dass die rückseitige Kaverne montagebedingt abgeschlossen ist und als Rückseitenvolumen für das Mikrofonbauelement fungiert, während die Schalldruckbeaufschlagung über die Bauelementvorderseite erfolgt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform dieser ersten Aufbauvariante wird ausgenutzt, dass die Membranstruktur des Mikrofonbauelements in erster Linie für Schalldruck empfindlich ist, also für schnelle Druckschwankungen, während sie für niederfrequente Druckänderungen unterhalb einer designierten Grenzfrequenz durchlässig ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Mikrofonbauelement über der Membranstruktur des Drucksensorbauelements montiert. Der statische Druck wird hier über die Membranstruktur und Kaverne des Mikrofonbauelements auf die Membranstruktur des Drucksensorelements übertragen, so dass die Druckbeaufschlagung der Membranstruktur des Drucksensorbauelements in diesem Fall also indirekt erfolgt. Bei dieser Anordnung der Sensorelemente bildet das Mikrofonbauelement eine Art Kappe für die Vorderseite des Drucksensorelements, wo die Membranstruktur und ggf. auch Schaltungsfunktionen ausgebildet sind. Diese empfindlichen Komponenten des Drucksensorelements werden auf diese Weise gut gegen widrige Einflüsse des Messmediums geschützt.
  • In einer alternativen Ausführungsform der ersten Aufbauvariante ist das Drucksensorelement über der Membranstruktur des Mikrofonbauelements montiert. Da das Drucksensorelement in der Regel nicht durchlässig für Schallwellen ist, wird hier bei der Montage des Drucksensorelements auf dem Mikrofonbauelement mindestens ein Druckanschluss für die Schalldruckbeaufschlagung der Membranstruktur des Mikrofonbauelements ausgebildet. Dazu kann das Drucksensorelement beispielsweise über eine Standoff-Struktur auf dem Mikrofonbauelement montiert werden. Je nach Verbindungstechnik kann eine solche Standoff-Struktur beispielsweise in Form einer strukturierten Verbindungsschicht realisiert werden.
  • In einer zweiten Aufbauvariante eines erfindungsgemäßen Sensormoduls mit Drucksensorelement und Mikrofonbauelement ist das Mikrofonbauelement so innerhalb des Gehäuses und insbesondere über einer Zugangsöffnung des Gehäuses montiert, dass die Schalldruckbeaufschlagung der Membranstruktur über die rückseitige Kaverne erfolgt. Die rückseitige Kaverne bildet in diesem Fall das Frontvolumen des Mikrofonbauelements. Vorteilhafterweise ist das Drucksensorelement so über der Membranstruktur des Mikrofonbauelements montiert, dass eine Druckverbindung zwischen der Vorderseite des Mikrofonbauelements und dem Gehäuseinnenraum besteht. Dadurch kann der gesamte Gehäuseinnenraum als Rückseitenvolumen für das Mikrofonbauelement genutzt werden, was sich positiv auf die Empfindlichkeit, das Signal-Rauch-Verhältnis und auch den Frequenzbereich der Mikrofonfunktion auswirkt. Da das Mikrofonbauelement - wie bereits erwähnt - durchlässig ist für niederfrequente Druckänderungen, wird der statische Druck auch hier indirekt, über die Membranstruktur des Mikrofonbauelements und den Gehäuseinnenraum auf die Membranstruktur des Drucksensorelements übertragen. Bei dieser Aufbauvariante erfüllt das Drucksensorelement außerdem eine Schutzfunktion für die Vorderseite des Mikrofonbauelements mit der Membranstruktur und ggf. integrierten Schaltungsfunktionen.
  • Sensormodule der hier in Rede stehenden Art umfassen üblicherweise auch eine Auswerteelektronik für die Sensorsignale. Im Falle eines erfindungsgemäßen Sensormoduls gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Positionierung einer solchen Auswerteelektronik. Zur Entkopplung der unterschiedlichen Sensorfunktionen kann es sinnvoll sein, jedes Sensorelement mit einer eigenen Auswerteelektronik oder zumindest Teilen einer solchen auszustatten. Bei identischen oder ähnlichen Sensorfunktionen bietet es sich an, eine gemeinsame Auswerteelektronik zu verwenden. Diese kann dann beispielsweise auf einem der Sensorelemente des Sensormoduls integriert sein. Aus herstellungstechnischer Sicht erweisen sich hybrid integrierte Lösungen als besonders vorteilhaft, bei denen die mikromechanische Sensorfunktion und die zugehörige Auswerteelektronik auf getrennten Bauteilen realisiert sind. In diesem Fall kann einfach die Auswerteelektronik für alle Sensorelemente des Sensormoduls auf einem ASIC-Bauelement integriert werden. Sensorelemente mit unterschiedlichen Sensorfunktionen haben meist auch unterschiedliche Auswertezyklen, so dass die unterschiedlichen Sensorsignale mit der gleichen oder mit Teilen der gleichen Schaltung sequentiell ausgewertet werden können. Auch eine etwaig erforderliche Abgleichschaltung kann in der Regel für mehrere Sensorelemente eingesetzt werden.
  • Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung eines ASIC-Bauelements mit Auswerteelektronik innerhalb des Gehäuses des Sensormoduls. So kann ein solches ASIC-Bauelement beispielsweise neben dem Bauelementstapel mit den Sensorelementen angeordnet und face-up oder auch face-down auf der Gehäuseinnenwandung montiert werden. Die elektrische Verbindung zwischen den Sensorelementen und dem ASIC-Bauelement kann dann wahlweise über Drahtbonds und/oder über Leiterbahnen auf der Gehäuseinnenwandung hergestellt werden. In einer besonders vorteilhaften weil platzsparenden Ausführungsform der Erfindung wird das ASIC-Bauelement unter oder über den gestapelten Sensorelementen angeordnet, also innerhalb des Bauelementstapels. Die Orientierung des ASIC-Bauelements face-up oder face-down hängt in diesem Fall sowohl von der Position innerhalb des Bauelementstapels ab als auch von der elektrischen Kontaktierung der Sensorelemente.
  • Wie bereits erwähnt, herrscht eine große Gestaltungsfreiheit bei der Realisierung des Gehäuses eines erfindungsgemäßen Sensormoduls, solange es mit mindestens einer Zugangsöffnung als Medienzugang ausgestattet ist. Im Hinblick auf eine einfache Aufbau- und Verbindungstechnik erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Gehäuse einen Träger umfasst, auf dem der Bauelementstapel und ggf. auch weitere Bauelemente montiert werden. Ein derartiges Gehäuse umfasst des Weiteren mindestens ein Deckelteil und/oder eine Deckelstruktur, das bzw. die über dem Bauelementstapel angeordnet wird und zumindest mit dem Träger verbunden wird. Zugangsöffnungen können hier sowohl im Träger als auch im Deckelteil bzw. in der Deckelstruktur ausgebildet sein. Die Anordnung der mindestens einen Zugangsöffnung hängt jedenfalls maßgeblich von den Sensorfunktionen und dem Einsatzort des Sensormoduls ab.
  • An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verpackungskonzept sehr gut für die First-Level-Verpackung von MEMS-Mikrofonbauelementen in Kombination mit MEMS-Drucksensorelementen eignet, aber nicht auf diese Anwendung beschränkt ist und auch mehr als zwei mikromechanische Sensorelemente umfassen kann.
  • Figurenliste
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende 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.
    • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Sensormoduls 100 mit einem Mikrofonbauelement und einem Drucksensorelement, wobei das Mikrofonbauelement auf dem Drucksensorelement angeordnet ist,
    • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Sensormoduls 200, bei dem das Drucksensorelement auf dem Mikrofonbauelement angeordnet ist und der Medienzugang im Gehäusedeckel ausgebildet ist, und
    • 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Sensormoduls 300, bei dem das Drucksensorelement auf dem Mikrofonbauelement angeordnet ist und das Mikrofonbauelement über dem Medienzugang im Träger des Gehäuses montiert ist,
    • 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines vierten erfindungsgemäßen Sensormoduls 201, bei dem die Auswerteelektronik für beide Sensorelemente auf dem Mikrofonbauelement integriert ist, und
    • 5a, 5b zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines Sensormoduls 501 bzw. 502, bei dem die Auswerteelektronik für beide Sensorelemente auf einem separaten ASIC-Bauelement integriert ist.
  • In allen Figuren werden für gleiche Komponenten des Sensormodulaufbaus einheitliche Bezugszeichen verwendet.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Sensormodul mit einem Mikrofonbauelement 1 und einem Drucksensorelement 2 als mikromechanische Sensorelemente, deren Sensorfunktionen auf dem direkten oder indirekten Einwirken eines Messmediums beruhen.
  • In der Vorderseite des Mikrofonbauelements 1 ist eine Membranstruktur 11 mit Mitteln zur Signalerfassung ausgebildet, die über Anschlusspads 13 auf der Vorderseite des Mikrofonbauelements 1 kontaktiert werden. Die Membranstruktur 11 überspannt eine Kaverne 12 in der Bauelementrückseite und ist für Schalldruck empfindlich, während sie für Druckänderungen mit niedrigen Frequenzen, sogenannte statische Druckänderungen, durchlässig ist.
  • Auch die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 ist in der Bauelementvorderseite ausgebildet und mit Mitteln zur Signalerfassung ausgestattet, die über Anschlusspads 23 in der Bauelementvorderseite kontaktiert werden. Die Membranstruktur 21 überspannt einen Hohlraum 22 im Substrat des Drucksensorelements 2, das rückseitig geschlossen ist. Sie dient der Erfassung des statischen Umgebungsdrucks.
  • Das Mikrofonbauelement 1 und das Drucksensorelement 2 sind jeweils Bauelementrückseite auf Bauelementvorderseite übereinander gestapelt, so dass das obere Sensorelement den aktiven Bereich des unteren Sensorelements zumindest teilweise überdeckt, jedoch das für die Sensorfunktion erforderliche Einwirken des Messmediums auf den aktiven Bereich des unteren Sensorelements gewährleistet ist. Dieser Aspekt der Erfindung wird nachfolgend nochmals für jedes Ausführungsbeispiel gesondert erörtert.
  • Bei allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Bauelementstapel in einem Gehäuse 40 angeordnet, das einen Träger 41 und ein Deckelteil 42 umfasst und mit einem Medienzugang in Form mindestens einer Zugangsöffnung 43 zum Gehäuseinnenraum 44 ausgestattet ist. Der Bauelementstapel ist jeweils auf dem Träger 41 montiert, der vorzugsweise mit mindestens einer leitfähigen, strukturierten Schicht zur elektrischen Kontaktierung und Abschirmung versehen ist. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Leiterplattensubstrat in Form eines Multi-Panel-Substrats handeln. Das Deckelteil 42 ist über dem Bauelementstapel angeordnet und umlaufend mit dem Träger 41 verbunden, so dass es den Gehäuseinnenraum 44 begrenzt und einen mechanischen Schutz für die dort angeordneten Bauelemente bildet. Auch das Deckelteil 42 kann zur elektrischen Abschirmung des Gehäuseinnenraums 44 mit einer leitfähigen Schicht versehen sein.
  • Die Bauhöhe eines solchen Sensormoduls kann durch Verwendung von abgedünnten Sensorbauelementen verringert werden.
  • Zur elektrischen Kontaktierung der einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Sensormoduls können die Verbindungsschichten zwischen den einzelnen Sensorelementen des Bauelementstapels sowie die Verbindungsschicht zum Träger zumindest bereichsweise leitfähig ausgelegt werden.
  • Im Fall des in 1 dargestellten Sensormoduls 100 ist das Drucksensorelement 2 über eine Verbindungsschicht 45 mit seiner Rückseite auf dem Träger 41 montiert und bildet dementsprechend das untere Sensorelement des Bauelementstapels. Je nach Art der Verbindungsschicht 45 kann diese ausschließlich der mechanischen Fixierung dienen aber auch eine elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement und dem Träger herstellen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Drucksensorelement 2 außerdem noch über die Anschlusspads 23 und Bonddrähte 46 elektrisch an den Träger 41 angeschlossen. Erfindungsgemäß ist das Mikrofonbauelement 1 mit seiner Rückseite auf der Vorderseite des Drucksensorelements 2 montiert, und zwar über der Membranstruktur 21, die den aktiven Bereich des Drucksensorelements 2 bildet. Das Mikrofonbauelement 1 ist auf dem Rahmen der Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 mechanisch fixiert. Dementsprechend ist die Kaverne 12 des Mikrofonbauelements 1 rückseitig durch die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 abgeschlossen. Über die mechanische Verbindung zwischen den beiden Bauelementen kann ggf. auch eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Jedenfalls ist das Mikrofonbauelement 1 auch über die Anschlusspads 13 und Bonddrähte 47 mit dem Träger 41 elektrisch verbunden.
  • Das Gehäuse 40 des Sensormoduls 100 hat lediglich eine Zugangsöffnung 43, die hier im Deckelteil 42 ausgebildet ist. Alternativ oder auch ergänzend dazu könnte auch eine Zugangsöffnung im Träger neben dem Drucksensorelement angeordnet sein, je nachdem wie das Sensormodul in einer Anwendung verbaut werden soll und wie die Zuführung des Messmediums bei dieser Anwendung gestaltet ist. Jedenfalls wirkt der Schalldruck im Fall des Sensormoduls 100 von der Bauelementvorderseite aus auf die Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 ein und der gesamte Gehäuseinnenraum 44 dient als Frontvolumen. Die durch die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 abgeschlossene Kaverne 12 bildet dementsprechend das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements 1.
  • Das Messmedium wirkt bei dieser Anordnung nicht direkt auf die druckempfindliche Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 ein. Der im Gehäuseinnenraum 44 herrschende Umgebungsdruck wird hier über die Membranstruktur 11 und die Kaverne 12 des Mikrofonbauelements 1 auf die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 übertragen und dort als Membranauslenkung erfasst.
  • Im Unterschied zum Sensormodul 100 ist bei dem in 2 dargestellten Sensormodul 200 das Mikrofonbauelement 1 auf dem Träger 41 montiert, so dass die rückseitige Kaverne 12 durch den Träger 41 abgeschlossen ist. Das Drucksensorelement 2 ist erfindungsgemäß mit seiner Rückseite auf der Vorderseite des Mikrofonbauelements 1 montiert, und zwar über der Membranstruktur 11, die den aktiven Bereich des Mikrofonbauelements 1 bildet. Um die Sensorfunktion des Mikrofonbauelements 1 zu gewährleisten, ist das Drucksensorelement 2 über eine Verbindungsschicht 51 im Rahmenbereich der Membranstruktur 11 auf dem Mikrofonbauelement 1 mechanisch fixiert und ggf. auch elektrisch verbunden. Diese Verbindungsschicht 51 bildet eine nicht umlaufend geschlossene Standoff-Struktur zwischen dem Drucksensorelement 2 und dem Mikrofonbauelement 1 und stellt sicher, dass zwischen der Vorderseite des Mikrofonbauelements 1 und dem Gehäuseinnenraum 44 eine Druckverbindung besteht. Die Druckverbindung kann in Form einer oder auch mehrerer rohrleitungsartiger Öffnungen in der ansonsten geschlossenen Verbindungsschicht 51 realisiert sein oder auch dadurch, dass sich die Verbindungsschicht 51 lediglich über einen Abschnitt des Rahmenbereichs erstreckt und das Drucksensorelement 2 dementsprechend nur in diesem Abschnitt mit dem Mikrofonbauelement 1 verbunden ist. Diese Variante bietet sich insbesondere dann an, wenn die beiden Sensorelemente versetzt zueinander angeordnet sind oder das Drucksensorelement eine deutlich kleinere Chipfläche aufweist als das Mikrofonbauelement. In jedem Fall entsteht bei dieser Art der Befestigung ein fluidischer Bereich mit einer fluidischen Impedanz, durch die das Übertragungsverhalten der Sensorelemente gezielt beeinflusst werden kann, beispielsweise indem der Überlappungsgrad der so verbundenen Sensorelemente variiert wird. Im Falle der Mikrofonfunktion kann dies zur Einstellung des Rauschens, des Frequenzgangs und der Richtungsabhängigkeit genutzt werden.
  • Wie im Fall des Sensormoduls 100 hat das Gehäuse 40 des Sensormoduls 200 lediglich eine Zugangsöffnung 43 im Deckelteil 42. Dementsprechend herrscht im Gehäuseinnenraum 44 der Umgebungsdruck des Sensormoduls 200, der unmittelbar auf die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 einwirkt. Der Gehäuseinnenraum 44 bildet außerdem das Frontvolumen für das Mikrofonbauelement 1, da der Schalldruck über die Druckverbindung zum Gehäuseinnenraum 44 auf die Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 einwirkt. Die durch den Träger 41 abgeschlossene Kaverne 12 bildet hier das Rückseitenvolumen des Mikrofonbauelements 1. Im Fall des Sensorelements 200 wirkt das Messmedium also sowohl auf die Membranstruktur 21 des Drucksensors 2 als auch auf die Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 direkt ein.
  • Der einzige Unterschied zwischen dem Aufbau des Sensormoduls 200 und dem in 3 dargestellten Sensormodul 300 besteht in der Anordnung des Medienanschlusses bzw. der Zugangsöffnung 43 des Gehäuses 40. Bei dem Sensormodul 300 ist die Zugangsöffnung 43 im Träger 41 ausgebildet. Das Mikrofonbauelement 1 ist hier über der Zugangsöffnung 43 auf dem Träger 41 montiert, so dass der Medienanschluss in die rückseitige Kaverne 12 des Mikrofonbauelements 1 mündet. Wie im Fall des Sensormoduls 200 ist das Drucksensorelement 2 über der Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 montiert, und zwar über eine Verbindungsschicht 51 im Rahmenbereich der Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1, so dass eine Druckverbindung zwischen der Vorderseite des Mikrofonbauelements 1 und dem Gehäuseinnenraum 44 besteht.
  • Bei dem Sensormodul 300 erfolgt die Druckbeaufschlagung über die Rückseite der Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1, wobei die Kaverne 12 als Frontvolumen fungiert. Der Schalldruck wird vom Mikrofonbauelement 1 als Membranvibration erfasst, wobei der gesamte Gehäuseinnenraum 44 als Rückseitenvolumen genutzt wird. Dadurch können nicht nur die Mikrofonempfindlichkeit gesteigert und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Auch der Frequenzbereich der Mikrofonfunktion vergrößert sich gegenüber den voranstehend beschriebenen Modulvarianten. Da das Mikrofonbauelement 1 für Druckänderungen unterhalb einer designierten Grenzfrequenz durchlässig ist, wird der am Sensormodul 300 anliegende statische Druck über die Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 auf den Gehäuseinnenraum 44 und damit auf die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 übertragen. Wie Im Fall des Sensorelements 100 wirkt das Messmedium hier also nicht direkt auf die druckempfindliche Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 ein. Der Umgebungsdruck des Sensormoduls 300 wird vielmehr indirekt über die Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 auf den Gehäuseinnenraum und auf die Membranstruktur 21 des Drucksensorelements 2 übertragen und dort als Membranauslenkung erfasst.
  • An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass zusätzlich zu der Zugangsöffnung 43 im Träger 41 unterhalb der Membranstruktur 11 des Mikrofonbauelements 1 auch noch weitere Zugangsöffnungen im Deckelteil und/oder im Träger des Gehäuses ausgebildet sein können. Dies erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn das Sensormodul an Messmedien angebunden werden soll, die an beiden Gehäuseseiten anliegen. Im Falle der Mikrofonfunktion kann dies beispielsweise zur Rauschunterdrückung, zur Formung der Übertragungsfunktion oder der Richtungsabhängigkeit eingesetzt werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Sensormodul ist in der Regel auch mit einer Auswerteelektronik für die einzelnen Sensorelemente ausgestattet. 4 zeigt eine Ausführungsvariante 201 des Sensormoduls 200, bei der eine gemeinsame Auswerteelektronik 15 für beide Sensorelemente, Mikrofonbauelement 1 und Drucksensorelement 2, auf dem Mikrofonbauelement 1 integriert ist. Das Drucksensorelement 2 ist hier so auf dem Mikrofonbauelement 1 über der Auswerteelektronik 15 und der Membranstruktur 11 montiert, dass es einen mechanischen Schutz und eine elektro-magnetische Abschirmung für die Auswerteelektronik 15 bildet.
  • Die Auswerteelektronik für die Sensorelemente kann aber auch auf einem separaten ASIC-Bauelement 50 integriert werden, das dann zusammen mit den Sensorelementen im Gehäuse des Sensormoduls angeordnet wird. Neben einer side-by-side-Anordnung, bei der das ASIC-Bauelement neben dem Bauelementstapel der Sensorelemente face-up oder face-down auf dem Träger angeordnet wird, kann das ASIC-Bauelement 50 auch innerhalb des Bauelementstapels angeordnet werden. Im Fall des in 5a dargestellten Sensormoduls 501 ist das ASIC-Bauelement 50 face-down, also geflippt, auf dem Drucksensorelement 2, dem oberen Sensorelement des Bauelementstapels, montiert. 5b zeigt eine Aufbauvariante, bei der das ASIC-Bauelement 50 in Flip-Chip-Technik auf dem Träger 41 montiert wurde und der Bauelementstapel, bestehend aus Mikrofonbauelement 1 und Drucksensorelement 2, auf der Rückseite des ASIC-Bauelements 50 montiert wurde. Im Hinblick auf die Bauhöhe des Sensormoduls werden bei den hier dargestellten Aufbauvarianten werden bevorzugt abgedünnte Sensor- und ASIC-Bauelemente verwendet. In diesem Zusammenhang sei hier noch auf die Möglichkeiten hingewiesen, einen oder auch mehrere Bauelemente in den Träger einzubetten und/oder das Deckelteil so auszulegen, dass es zum obersten oder auch einem anderen Bauelement des Sensormoduls mediendicht abschließt.

Claims (9)

  1. Sensormodul (100) mit mindestens zwei mikromechanischen Sensorelementen (1, 2), deren Sensorfunktion auf dem direkten oder indirekten Einwirken eines Messmediums beruht, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sensorelemente (1, 2) in einem gemeinsamen Gehäuse (40) mit mindestens einer Zugangsöffnung (43) für das Messmedium angeordnet sind und dass die mindestens zwei Sensorelemente (1, 2) Bauelementrückseite auf Bauelementvorderseite übereinander gestapelt sind, so dass das obere Sensorelement (1) den aktiven Bereich des unteren Sensorelements (2) zumindest teilweise überdeckt, jedoch das für die Sensorfunktion erforderliche Einwirken des Messmediums auf den aktiven Bereich des unteren Sensorelements (2) gewährleistet ist, dass die mindestens zwei Sensorelemente (1, 2) jeweils eine druckempfindliche Membranstruktur (11, 21) umfassen, dass das eine Sensorelement (2) als Drucksensorelement (2) und das andere Sensorelement (1) als Mikrofonbauelement (1) fungiert und dass zumindest die Membranstruktur (11) des Mikrofonbauelements (1) eine Kaverne (12) in seiner Bauelementrückseite überspannt.
  2. Sensormodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofonbauelement (1) so innerhalb des Gehäuses (40) und des Bauelementstapels angeordnet ist, dass die rückseitige Kaverne (12) montagebedingt abgeschlossen ist und als Rückseitenvolumen für das Mikrofonbauelement (1) fungiert, während die Schalldruckbeaufschlagung über seine Bauelementvorderseite erfolgt.
  3. Sensormodul (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofonbauelement (1) über der Membranstruktur (21) des Drucksensorelements (2) montiert ist und dass die Druckbeaufschlagung des Drucksensorelements (2) über die Membranstruktur (11) und Kaverne (12) des Mikrofonbauelements (1) erfolgt.
  4. Sensormodul (200) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorelement (2) über der Membranstruktur (11) des Mikrofonbauelements (1) montiert ist, so dass sich zwischen der Vorderseite des Mikrofonbauelements (1) und der Rückseite des Drucksensorelements (2) mindestens ein Druckanschluss für die Schalldruckbeaufschlagung der Membranstruktur (11) des Mikrofonbauelements (1) befindet.
  5. Sensormodul (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofonbauelement (1) so innerhalb des Gehäuses (40) und insbesondere über einer Zugangsöffnung (43) des Gehäuses (40) montiert ist, dass die Schalldruckbeaufschlagung der Membranstruktur (11) über die rückseitige Kaverne (12) erfolgt.
  6. Sensormodul (300) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorelement (2) über der Membranstruktur (11) des Mikrofonbauelements (1) montiert ist, so dass zwischen der Vorderseite des Mikrofonbauelements (1) und dem Gehäuseinnenraum (44) eine Druckverbindung besteht und der Gehäuseinnenraum (44) als Rückseitenvolumen für das Mikrofonbauelement (1) fungiert.
  7. Sensormodul (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Auswerteelektronik (15) für die Sensorelemente (1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Auswerteelektronik (15) auf mindestens einem der Sensorelemente (1, 2) und/oder mindestens einem ASIC-Bauelement integriert sind, das ebenfalls innerhalb des Gehäuses (40) angeordnet ist.
  8. Sensormodul (501, 502) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit mindestens einem ASIC-Bauelement (50), auf dem zumindest Teile einer Auswerteelektronik für die Sensorelemente (1, 2) integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC-Bauelement (50) Bestandteil desselben Bauelementstapels ist wie die Sensorelemente (1, 2).
  9. Sensormodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (40) einen Träger (41) umfasst, auf dem der Bauelementstapel montiert ist, und mindestens ein Deckelteil (42) und/oder eine Deckelstruktur, das bzw. die mit dem Träger (41) verbunden ist und den Bauelementstapel umgibt, und dass die mindestens eine Zugangsöffnung (43) im Träger und/oder im Deckelteil (42) bzw. der Deckelstruktur ausgebildet ist.
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