DE102015202423A1

DE102015202423A1 - Bauteil mit einer Wheatstone´schen Messbrücke für eine MEMS-Sensorfunktion

Info

Publication number: DE102015202423A1
Application number: DE102015202423.7A
Authority: DE
Inventors: Marc Wisniewski; Michaela Mitschke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2016-01-14

Abstract

Es wird ein Bauteilkonzept vorgeschlagen, mit dem insbesondere temperaturbedingte Störeinflüsse auf das Sensorsignal eines MEMS-Bauelements am Ort der Sensorstruktur erfasst und kompensiert werden können. Dieses Konzept bezieht sich auf Bauteile mit mindestens einem MEMS-Bauelement (100), in dessen Schichtaufbau mindestens ein deformierbares Strukturelement (10) ausgebildet ist, wobei die Auslenkungen dieses MEMS-Strukturelements (10) mit Hilfe mindestens eines Piezowiderstandselements (11, 12, 13, 14) erfasst werden, das auf diesem MEMS-Strukturelement (10) angeordnet ist und in einer Wheatstone’schen Messbrücke (1) verschaltet ist. Die Ausgangssignale der Messbrücke (1) werden einer Auswerteschaltung zugeführt. Erfindungsgemäß wird außerdem der Gesamtwiderstand der Messbrücke (1) zur lokalen Temperaturmessung erfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Wheatstone’schen Messbrücke für eine MEMS-Sensorfunktion.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Bauteil mit mindestens einem MEMS-Bauelement, in dessen Schichtaufbau mindestens ein deformierbares Strukturelement ausgebildet ist, wobei die Auslenkungen dieses MEMS-Strukturelements mit Hilfe mindestens eines Piezowiderstandselements erfasst werden, das auf diesem MEMS-Strukturelement angeordnet ist und in einer Wheatstone’schen Messbrücke verschaltet ist. Des Weiteren umfasst das Bauteil eine Auswerteschaltung für die Ausgangssignale der Messbrücke.
Bauteile mit derartigen MEMS-Bauelementen werden in der Praxis beispielsweise zur Druckerfassung oder als Inertialsensoren eingesetzt. Die Bauelementstruktur eines Drucksensorelements umfasst in der Regel eine druckempfindliche Membran, deren Auslenkungen mit Hilfe eines oder mehrerer Piezowiderstandselemente in den Membranbereichen größter Deformation in elektrische Signale umgewandelt werden. Inertialsensorelemente umfassen in der Regel ein paddelartiges Strukturelement oder auch mehrere unterschiedlich orientierte paddelartige Strukturelemente, die aufgrund ihrer Massenträgheit beim Auftreten einer Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt werden. Diese Auslenkungen werden ebenfalls mit Hilfe von Piezowiderstandselementen erfasst, die im Bereich der größten Deformation bzw. des größten Stresses in der Bauelementstruktur angeordnet sind, nämlich typischerweise im Bereich der Randanbindung des Paddels.
In der Sensorstruktur der hier in Rede stehenden MEMS-Bauelemente treten aber auch mechanische Spannungen auf, die nicht durch einen Messdruck oder eine zu erfassende Beschleunigung hervorgerufen werden, sondern aufgrund von Temperaturschwankungen am Einsatzort des Bauteils auftreten und/oder auf die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) des Bauteils zurückzuführen sind. Diese Störeinflüsse führen zu einer Verfälschung des Messsignals. Deshalb versucht man die temperatur- und AVT-bedingten mechanischen Spannungen im Bauteilaufbau gesondert zu erfassen, so dass das Messsignal nachträglich durch eine entsprechende Signalverarbeitung von den Störeinflüssen bereinigt werden kann. Zur Ermittlung der Temperatureinflüsse auf das Sensorsignal wird neben dem Sensorsignal auch die Temperatur erfasst. Dazu wird in der Praxis meist eine Diode verwendet, die möglichst in der Nähe der Sensorstruktur auf dem MEMS-Sensorelement oder auf einem weiteren Bauelement des Bauteils integriert ist.
Die Verwendung einer zusätzlichen Diode zur Temperaturmessung erweist sich jedoch in mehrerlei Hinsicht als problematisch. So erlaubt eine Diode immer nur eine punktuelle Temperaturmessung, wobei der Messort in der Regel nicht direkt auf sondern neben der Sensorstruktur liegt. Außerdem benötigt eine Diode zur Temperaturmessung eigene Anschlusspads und Verbindungsleitungen zur elektrischen Anbindung an die Auswerteschaltung. Dies vergrößert den Flächenbedarf des Sensorchips und muss beim Chip-Layout eigens berücksichtigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Bauteilkonzept vorgeschlagen, mit dem insbesondere temperaturbedingte Störeinflüsse auf das Sensorsignal eines MEMS-Bauelements der eingangs beschriebenen Art sehr einfach am Ort der Sensorstruktur erfasst und kompensiert werden können.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gesamtwiderstand der Messbrücke zur lokalen Temperaturmessung erfasst wird.
Erfindungsgemäß wird die Messbrücke also nicht nur zur Messsignalerfassung genutzt, sondern auch zur Temperaturerfassung. Dabei wird ausgenutzt, dass der Gesamtwiderstand der Messbrücke mit mindestens einem Piezowiderstandselement temperaturabhängig ist. Da die Temperaturerfassung erfindungsgemäß mit denselben Schaltungselementen erfolgt, wie die Messsignalerfassung, also am selben Messort, kann der Temperatureinfluss auf das Messsignal sehr genau bestimmt werden. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die Sensorstruktur bzw. das deformierbare Strukturelement des MEMS-Bauelements in der Regel dünnwandiger ist als die statischen Komponenten des Bauteils und deshalb Temperaturschwankungen deutlich schneller folgt, als die statischen Bauteilkomponenten. Dadurch tritt beispielsweise bei einem Drucksensor eine dynamische Temperaturhysterese zwischen Membran und dem umliegenden Chip-Festland auf. Wenn mehrere Piezowiderstandselemente der Messbrücke auf der Sensorstruktur angeordnet sind, liefert die Auswertung des Gesamtwiderstands der Messbrücke einen gemittelten Wert für die Temperatur im Bereich der Sensorstruktur. Von besonderem Vorteil ist außerdem, dass die Temperaturermittlung mit Hilfe des Gesamtwiderstands der Messbrücke weder zusätzliche Schaltungselemente noch eigene Anschlussleitungen oder Anschlusspads erfordert.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung der Erfindung, insbesondere was die Anordnung, Orientierung und Anzahl der Piezowiderstandselemente der Messbrücke auf der Sensorstruktur bzw. auf dem deformierbaren Strukturelement des MEMS-Bauelements betrifft. Im Hinblick auf einen möglichst hohen Signalpegel des Messsignals und eine möglichst hohe Messgenauigkeit ist es besonders vorteilhaft, wenn die Widerstandselemente aller vier Zweige der Messbrücke in Form von Piezowiderstandselementen realisiert sind und auf dem deformierbaren Strukturelement angeordnet sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden auch die AVT-bedingten mechanischen Spannungen in der Sensorstruktur ermittelt. Dazu ist eine zweite Wheatstone’schen Brückenschaltung vorgesehen, die als Kompensationsbrücke bezeichnet wird. In der Kompensationsbrücke ist ebenfalls mindestens ein stressempfindliches Piezowiderstandselement verschaltet. Im Unterschied zur Messbrücke ist dieses Piezowiderstandselement allerdings in einem statischen Bereich des Bauteils, d.h. außerhalb der Sensorstruktur, angeordnet. Das Ausgangssignal der Kompensationsbrücke wird ebenfalls der Auswerteschaltung zugeführt, so dass es bei der Verarbeitung und Auswertung des Messsignals der Messbrücke berücksichtigt werden kann. Vorteilhafterweise wird neben dem Ausgangssignal der Kompensationsbrücke, das die mechanischen Spannungen im Bauteilaufbau repräsentiert, auch der Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke erfasst und zur Ermittlung der lokalen Temperatur ausgewertet, also der Temperatur am Ort des bzw. der Piezowiderstände der Kompensationsbrücke. Auf diese Weise können auch Temperaturunterschiede zwischen der Sensorstruktur und dem statischen Teil des Bauteilaufbaus bei der Messsignalbereinigung berücksichtigt werden.
Die Piezowiderstandselemente der Kompensationsbrücke können in einem statischen Bereich des MEMS-Bauelements angeordnet sein, also beispielsweise auf der Rahmenstruktur bzw. im Bereich der Aufhängung des deformierbaren Strukturelements. In diesem Fall können Temperaturunterschiede innerhalb des MEMS-Bauelements erfasst und in die Messsignalverarbeitung mit einbezogen werden.
Häufig umfassen Bauteile der hier in Rede stehenden Art aber auch noch weitere MEMS- und/oder ASIC-Bauteile, die beispielsweise einen Chipstapel innerhalb des Bauteilaufbaus bilden. In einem solchen Fall können die Piezowiderstandselemente der Kompensationsbrücke auch vorteilhaft auf einem benachbarten Bauelement im Chipstapel angeordnet sein. Mit Hilfe des Gesamtwiderstands der Messbrücke und des Gesamtwiderstands der Kompensationsbrücke lassen sich dann auch Temperaturunterschiede innerhalb des Chipstapels erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die einzige Figur zeigt eine Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 100 mit einer druckempfindlichen Membran 10.
Ausführungsform der Erfindung
Die druckempfindliche Membran 10 ist in der Oberseite des hier dargestellten MEMS-Bauelements 100 ausgebildet. Sie ist im Wesentlichen quadratisch und umlaufend geschlossen an den Schichtaufbau des MEMS-Bauelements 100 angebunden. Die Membranauslenkungen werden mit Hilfe von vier Piezowiderstandselementen 11, 12, 13 und 14 erfasst und in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dazu wurden die vier Piezowiderstände 11, 12, 13 und 14 im Randbereich der Membran 10 in die Membranschicht integriert, da die Membran 10 im Bereich der Randanbindung am stärksten deformiert wird und in diesem Bereich also die größten mechanischen Spannungen auftreten. Die Piezowiderstände 11, 13 und 12, 14 sind paarweise einander gegenüber und parallel zueinander angeordnet. Sie sind in einer Wheatstone’schen Messbrücke 1 verschaltet, deren Ausgangssignal einer hier nicht dargestellten Auswerteschaltung als Messsignal zugeführt wird. Diese Auswerteschaltung kann entweder in das MEMS-Bauelement 100 integriert sein. Sie kann aber auch auf einem weiteren Bauelement realisiert sein, wie z.B. auf einem ASIC-Bauelement, das zusammen mit dem MEMS-Bauelement 100 in ein Bauteil eingebunden ist. Die elektrische Anbindung der Messbrücke 1 erfolgt über die Bondpads 31 und 32. Für den Abgriff des Messsignals sind die Bondpads 33 und 34 vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird außerdem noch der Gesamtwiderstand der Messbrücke 1 erfasst und ausgewertet, um die lokale Temperatur am Ort der Messbrücke 1 zu ermitteln. Da alle vier Piezowiderstandselemente 11, 12, 13 und 14 zum Gesamtwiderstand der Messbrücke 1 beitragen, repräsentiert der Gesamtwiderstand im vorliegenden Fall die über den Membranbereich gemittelte Temperatur. Vorteilhafterweise erfolgt die Auswertung des Gesamtwiderstandes der Messbrücke 1 mit Hilfe der Auswerteschaltung. Die so gewonnenen Informationen über die Temperatur am Ort der Messbrücke 1 können dann im Rahmen der Auswertung des Messsignals zur Kompensation von Temperatureinflüssen genutzt werden.
Des Weiteren ist das hier dargestellte MEMS-Bauelement 100 mit Mitteln zum Erfassen und Kompensieren von mechanischen Spannungen in der Bauelementstruktur ausgestattet, die nicht auf einen Messdruck zurückzuführen sind. Derartige Spannungen können beispielsweise durch die Montage auf einem Bauelementträger oder innerhalb eines Gehäuses hervorgerufen werden oder auch durch die Einbindung in einen Chipstapel. Sie führen zu einer Verfälschung des Messsignals.
Im vorliegenden Fall werden diese mechanischen Spannungen mit Hilfe von vier Piezowiderstandselementen 21, 22, 23 und 23 erfasst und in ein elektrisches Kompensationssignal umgewandelt. Diese Piezowiderstände 21, 22, 23 und 24 wurden im Bereich des die Membran 10 umgebenden Chip-Festlands 20 in die Bauelementoberfläche integriert, da dieser Bereich unempfindlich für Messdrücke ist. Die Piezowiderstandselemente 21, 22, 23 und 24 sind jeweils parallel zu den Piezowiderständen 11, 13 und 12, 14 angeordnet, also ebenfalls paarweise einander gegenüber und parallel zueinander. Sie sind in einer Wheatstone’schen Kompensationsbrücke 2 verschaltet. Die elektrische Anbindung der Kompensationsbrücke 2 erfolgt über die Bondpads 41 und 42. Für den Abgriff des Kompensationssignals sind die Bondpads 43 und 44 vorgesehen. Das Kompensationssignal wird vorteilhafterweise ebenfalls der Auswerteschaltung zugeführt, so dass es bei der Auswertung des Messsignals berücksichtigt werden kann.
Um die lokale Temperatur am Ort der Kompensationsbrücke 2 zu ermitteln, wird außerdem noch der Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke 2 erfasst und ausgewertet. Da alle vier Piezowiderstandselemente 21, 22, 23 und 24 zum Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke 2 beitragen, repräsentiert der Gesamtwiderstand im vorliegenden Fall die mittlere Temperatur in dem Bereich des Chip-Festlands 20, der die Membran 10 umgibt. Auch die Auswertung des Gesamtwiderstandes der Kompensationsbrücke 2 erfolgt vorteilhafterweise mit Hilfe der Auswerteschaltung. Die so gewonnenen Informationen über die Temperatur im Rahmenbereich der Membran 10 können dann ebenfalls bei der Auswertung des Messsignals zur Kompensation von Temperatureinflüssen genutzt werden.
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird also über den Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke 2 die Temperatur in einem statischen Bereich 20 des MEMS-Bauelements 100 erfasst, während über den Gesamtwiderstand der Messbrücke 1 die Temperatur im Bereich der druckempfindlichen Membran 10 erfasst wird. An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass die Kompensationsbrücke auch auf einem weiteren Bauelement realisiert sein kann, das bevorzugt in unmittelbarer Nähe des MEMS-Bauelements angeordnet ist, wie z.B. auf einem benachbarten Bauelement innerhalb eines Chipstapels. In diesem Fall dient die Kompensationsbrücke der Erfassung von mechanischen Spannungen innerhalb des Chipstapels. Außerdem können über die Gesamtwiderstände der Messbrücke und der Kompensationsbrücke Temperaturunterschiede innerhalb des Chipstapels erfasst werden.
Das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung dient lediglich der Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Konzepts, das die Widerstandssymmetrie von Wheatstone’schen Brückenschaltungen zur Stressmessung und deren Gesamtwiderstand zur Temperaturmessung nutzt. Obwohl es sich bei dem einzigen Ausführungsbeispiel um ein Drucksensorbauelement handelt, ist die Erfindung nicht auf derartige MEMS-Bauelemente beschränkt. Als weitere vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts seien an dieser Stelle beispielhaft auch Bauteile mit Beschleunigungs- und Intertialsensorelementen genannt.

Claims

Bauteil • mit mindestens einem MEMS-Bauelement (100), in dessen Schichtaufbau mindestens ein deformierbares Strukturelement (10) ausgebildet ist, wobei die Auslenkungen dieses MEMS-Strukturelements (10) mit Hilfe mindestens eines Piezowiderstandselements (11, 12, 13, 14) erfasst werden, das auf diesem MEMS-Strukturelement (10) angeordnet ist und in einer Wheatstone’schen Messbrücke (1) verschaltet ist, und • mit einer Auswerteschaltung für die Ausgangssignale der Messbrücke (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtwiderstand der Messbrücke (1) zur lokalen Temperaturmessung erfasst wird.
Bauteil nach Anspruch 1, mit mindestens einem weiteren Piezowiderstandselement (21, 22, 23, 24) zum Erfassen von mechanischen Spannungen im Bauteilaufbau, wobei dieses mindestens eine weitere Piezowiderstandselement (21, 22, 23, 24) in einem statischen Bereich (20) des Bauteils angeordnet ist und in einer Wheatstone’schen Kompensationsbrücke (2) verschaltet ist und die Ausgangssignale der Kompensationsbrücke (2) mit Hilfe der Auswerteschaltung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke (2) zur lokalen Temperaturmessung erfasst wird.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezowiderstandselement (21, 22, 23, 24) der Kompensationsbrücke (2) in einem statischen Bereich (20) des MEMS-Bauelements (100) angeordnet ist, so dass über den Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke (2) die Temperatur in diesem statischen Bereich (20) des MEMS-Bauelements (100) erfasst wird, während über den Gesamtwiderstand der Messbrücke (1) die Temperatur im Bereich des deformierbaren MEMS-Strukturelements (10) erfasst wird.
Bauteil nach Anspruch 2, mit mindestens einem weiteren MEMS- oder ASIC-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezowiderstandselement der Kompensationsbrücke auf diesem weiteren Bauelement angeordnet ist und dass mit dem Gesamtwiderstand der Kompensationsbrücke die Temperatur im Bereich des weiteren Bauelements erfasst wird.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Bauelement und das mindestens eine weitere MEMS- oder ASIC-Bauelement einen Chipstapel bilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem MEMS-Bauelement, in dessen Schichtaufbau eine druckempfindliche Membran und/oder eine Inertialsensorstruktur ausgebildet ist.