DE102015216806A1 - Sensorvorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung - Google Patents

Sensorvorrichtung und Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit einer Temperaturkompensation, insbesondere eine temperaturkompensierte Sensorvorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Sensor. Für die Kalibrierung der Sensorvorrichtung kann die Sensorvorrichtung mittels eines elektrischen Heizelements in einem Trägersubstrat der Sensorvorrichtung temperiert werden. Die Regelung der Temperatur erfolgt dabei durch Anpassung eines elektrischen Stroms in dem elektrischen Heizelement. Auf diese Weise können besonders einfach Kalibrierdaten für eine Temperaturkompensation des Sensorelements ermittelt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrichtung mit einer Temperaturkompensation.
  • Stand der Technik
  • Sensoren, insbesondere Sensoren auf Basis von mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS), sind bekannt und werden in zahlreichen Anwendungsgebieten eingesetzt. So können beispielsweise MEMS-Sensoren zur Detektion von Beschleunigungen, Drehraten und vielem mehr eingesetzt werden. Auch sind MEMS-Sensoren zur Detektion von Gasen bzw. zur Detektion einer Stoffkonzentration in einem Gasgemisch bekannt.
  • Beispielsweise beschreibt die Deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 002 606 A1 einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, bei dem eine seismische Masse nahe dem Massenschwerpunkt mit einem Substrat verankert ist und bei dem bewegliche Elektroden an einer Außenseite der seismischen Masse angeordnet sind.
  • Sensoren, insbesondere MEMS-Sensoren weisen dabei in der Regel einen Temperaturgang auf. Daher verändert sich das Sensorsignal mit schwankender Temperatur. Zur Kompensation dieses Temperaturgangs können Sensoren am Abschluss des Fertigungsprozesses bei verschiedenen Temperaturen vermessen werden. Basierend auf den so gewonnenen Messergebnissen kann anschließend eine Kompensation des Temperaturgangs durch Korrektur der Sensor-Rohsignale erfolgen.
  • Für die Vermessung eines Sensors bei verschiedenen Temperaturen muss dabei in der Regel das gesamte Sensorsystem auf definierte Temperaturen temperiert werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der zu vermessende Sensor einschließlich der sich in der Messumgebung befindlichen Komponenten entsprechend temperiert werden muss.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einer einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen Temperierung für das Kalibrieren einer Sensorvorrichtung.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Hierzu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
  • Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrichtung mit einer Temperaturkompensation, mit einem ersten Sensor, einem integrierten Schaltelement, einem Trägersubstrat, einer Stromquelle und einer Kalibriervorrichtung. Der erste Sensor ist dazu ausgelegt, einen Sensorwert bereitzustellen. Das integrierte Schaltelement umfasst mindestens einen Temperatursensor, einen Kalibrierdatenspeicher und eine Recheneinrichtung. Der Temperatursensor der integrierten Schaltung ist dazu ausgelegt, einen zu einer Temperatur korrespondierenden Temperaturwert bereitzustellen. Der Kalibrierdatenspeicher ist dazu ausgelegt, Kalibrierdaten zu speichern. Die Recheneinrichtung des integrierten Schaltelements ist dazu ausgelegt, in einem normalen Betriebsmodus basierend auf einem von dem Temperatursensor bereitgestellten Temperaturwert und den in dem Kalibrierspeicher gespeicherten Kalibrierdaten einen von dem ersten Sensor bereitgestellten Sensorwert anzupassen. Das Trägersubstrat der Sensorvorrichtung umfasst ein elektrisches Heizelement. Weiterhin ist das Trägersubstrat mit dem integrierten Schaltelement der Sensorvorrichtung thermisch gekoppelt. Die Stromquelle der Sensorvorrichtung ist dazu ausgelegt, an dem elektrischen Heizelement des Trägersubstrats einen elektrischen Strom bereitzustellen. Die Kalibriereinrichtung der Sensorvorrichtung ist dazu ausgelegt, in einem Kalibriermodus den von der Stromquelle bereitgestellten elektrischen Strom auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Ferner ist die Kalibriereinrichtung dazu ausgelegt, in dem Kalibriermodus basierend auf dem von dem Temperatursensor bereitgestellten Temperaturwert und dem von dem ersten Sensor bereitgestellten Sensorwert Kalibrierdaten zu ermitteln und die ermittelten Kalibrierdaten in dem Kalibrierdatenspeicher zu speichern.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
  • Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit den Schritten des Bereitstellens eines elektrischen Stroms an dem elektrischen Heizelement des Trägersubstrats; des Erfassens eines Temperaturwerts mittels des Temperatursensors des integrierten Schaltelements; des Erfassens eines Sensorwerts mit dem ersten Sensor; des Ermittelns von Kalibrierdaten basierend auf dem erfassten Temperaturwert und dem erfassten Sensorwert; und des Speicherns der ermittelten Kalibrierdaten in dem Kalibrierdatenspeicher des integrierten Schaltelements.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, für die Temperaturkalibrierung einer Sensorvorrichtung die Sensorvorrichtung selbst mit einem geeigneten Heizelement auszustatten. Hierzu wird in ein Trägersubstrat der Sensorvorrichtung ein elektrisches Heizelement integriert. Aufgrund der thermischen Kopplung von Trägersubstrat und den weiteren Komponenten der Sensorvorrichtung, die einen Temperaturgang aufweisen, können somit auf einfache Weise die temperaturabhängigen Komponenten der Sensorvorrichtung während des Kalibriervorgangs gezielt temperiert werden. Dabei kann ein bereits in der Sensorvorrichtung vorhandener Temperatursensor für die Regelung des Heizstroms des elektrischen Heizelements verwendet werden.
  • Auf diese Weise ist mit einem sehr geringen Aufwand eine präzise Temperierung der Sensorvorrichtung möglich. Da das Aufheizen der Sensorvorrichtung mittels des Heizelements in dem Trägersubstrat dabei gezielt diejenigen Bereiche der Sensorvorrichtung temperiert, die mit den temperaturempfindlichen Bauelementen der Sensorvorrichtung thermisch gekoppelt sind, kann mit geringem Energieaufwand sehr rasch die gewünschte Temperierung erfolgen.
  • Somit ist keine aufwändige Temperierung der gesamten Messumgebung während des Kalibriervorgangs erforderlich. Der Kalibriervorgang kann besonders schnell und effizient ausgeführt werden. Da für das Temperieren der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung keine großen klimatisierten Räume bzw. Messkammern erforderlich sind, kann der Kalibriervorgang auch in einer nahezu beliebigen Umgebung erfolgen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Sensorvorrichtung ist der erste Sensor, die Stromquelle und/oder die Kalibriervorrichtung in dem integrierten Schaltelement der Sensorvorrichtung integriert. Bei dem integrierten Schaltelement kann es sich beispielsweise um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) handeln. Auf diese Weise können alle erforderlichen Komponenten für die Kalibrierung des Temperaturgangs der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einem Bauelement kombiniert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das integrierte Schaltelement als Ball Grid Array (BGA) oder Land Grid Array (LGA) ausgeführt. Schallelemente mit derartigen Kontaktelementen ermöglichen eine besonders effiziente Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse. Darüber hinaus sind derartige Bauelemente als substratbasierte Packages auch gut mit der in dem Trägersubstrat angeordneten elektrischen Heizung thermisch koppelbar.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Stromquelle dazu ausgelegt, in dem Kalibriermodus den bereitgestellten elektrischen Strom in Abhängigkeit von dem durch den Temperatursensor bereitgestellten Temperaturwert anzupassen. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente und einfache Regelung für das Temperieren der Sensorvorrichtung auf einen vorbestimmten Temperaturwert erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Trägersubstrat eine erste Substratschicht und eine zweite Substratschicht. Das elektrische Heizelement ist dabei zwischen der ersten Substratschicht und der zweiten Substratschicht angeordnet. Auf diese Weise ist das elektrische Heizelement zwischen den beiden Substratschichten des Trägersubstrats sehr gut vor möglichen Beschädigungen geschützt. Darüber hinaus kann durch eine solche Bauform auch eine besonders gute und gleichmäßige Erwärmung erzielt werden. Insbesondere kann es sich bei dem Trägersubstrat beispielsweise um ein geeignetes organisches Substrat handeln, wobei die erste Substratschicht und die zweite Substratschicht als elektrisch isolierende Substratschichten ausgeführt sind und das elektrische Heizelement eine elektrisch leitfähige Struktur umfasst.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das elektrische Heizelement eine Mehrzahl von Heizabschnitten umfassen. Auf diese Weise kann das Temperieren des Trägersubstrats und somit der gesamten Sensorvorrichtung gezielt angepasst werden. Insbesondere sind auch Temperaturverläufe bzw. Temperaturgradienten auf diese Weise realisierbar.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stromquelle eine Mehrzahl von Stromtreibern. Die Stromtreiber sind dazu ausgelegt, an der Mehrzahl von Heizabschnitten jeweils einen individuell anpassbaren elektrischen Strom bereitzustellen. Auf diese Weise kann jeder Heizabschnitt des Heizelements individuell temperiert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das integrierte Schaltelement eine Mehrzahl von Temperatursensoren. Jedem Heizabschnitt des Heizelements kann dabei ein separater Temperatursensor zugeordnet werden. Somit kann für jeden Heizabschnitt des Heizelements individuell die sich einstellende Temperatur erfasst werden und eine individuelle Regelung des Temperierens für jeden Heizabschnitt ist möglich.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement in dem Trägersubstrat als Spule ausgeführt. Wird eine solche Spule von einem elektrischen Strom durchflossen, so wird dabei ein Magnetfeld erzeugt. Ein solches Magnetfeld kann beispielsweise in einen Magnetfeldsensor einkoppeln. auf diese Weise ist ein Abgleich des Magnetfeldsensors oder eine Kompensation eines an dem Magnetfeldsensor anliegenden Magnetfelds möglich.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein mikroelektromechanisches Bauteil mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
  • Weitere Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Dabei zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 2: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein Heizelement einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 3: eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Heizvorrichtung einer Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
  • 4: eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform; und
  • 5: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrundeliegt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst ein Trägersubstrat 20 und ein integriertes Schaltelement 10. Das integrierte Schaltelement 10 und das Trägersubstrat 20 sind dabei miteinander verbunden und somit thermisch gekoppelt. Das Trägersubstrat 20 umfasst mindestens ein elektrisches Heizelement 21. Beispielsweise kann das elektrische Heizelement 21 zwischen einer ersten Lage 20a und einer zweiten Lage 20b des Trägersubstrats angeordnet sein. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Trägersubstrat 20 auf der dem integrierten Schaltelement 10 zugewandten Seite oder der dem integrierten Schaltelement 10 abgewandten Seite anzuordnen. Auch ein Aufbau eines Trägersubstrats 20 mit mehr als zwei Schichten ist möglich. In diesem Fall kann das elektrische Heizelement 21 entweder nur zwischen zwei benachbarten Schichten eines mehrlagigen Trägersubstrats 20 angeordnet sein, oder alternativ kann das Heizelement 21 in mehreren Zwischenlagen zwischen benachbarten Schichten des Trägersubstrats angeordnet sein.
  • Das integrierte Schaltelement 10 umfasst mindestens einen Temperatursensor 11, einen Kalibrierdatenspeicher 13 und eine Recheneinrichtung 12. Bei dem integrierten Schaltelement 10 kann es sich um ein beliebiges integriertes Schaltelement handeln, das die erforderlichen Komponenten aufweist. Insbesondere sind beispielsweise sogenannte anwendungsspezifische integrierte Schaltelemente (ASIC) möglich. Derartige ASIC ermöglichen die Realisierung von individuellen integrierten Schaltelementen. Darüber hinaus sind jedoch auch weitere integrierte Schaltelemente möglich, die gegebenenfalls in Klein- oder Großserien hergestellt und vertrieben werden können.
  • Der Temperatursensor 11 des integrierten Schaltelements 10 erfasst eine Temperatur an einer vorbestimmten Stelle des integrierten Schaltkreises 10 und stellt einen zu dieser erfassten Temperatur korrespondierenden Temperaturwert bereit. In einem normalen Betriebsmodus kann der vom Temperatursensor bereitgestellte Temperaturwert von einer Recheneinrichtung 12 empfangen werden. Die Recheneinrichtung 12 empfängt darüber hinaus einen Sensorwert von einem weiteren Sensor 15. Bei diesem weiteren Sensor 15 kann es sich um einen beliebigen Sensor innerhalb des integrierten Schaltelements 10 handeln, oder alternativ auch um einen Sensor, der außerhalb des integrierten Schaltelements 10 angeordnet ist und seinen Roh-Sensorwert dem integrierten Schaltelement 10 bereitstellt. Die Recheneinrichtung 12 in dem integrierten Schaltelement 10 liest daraufhin aus dem Kalibrierdatenspeicher 13 mindestens einen Teil der in dem Kalibrierdatenspeicher 13 gespeicherten Kalibrierdaten aus und korrigiert den Roh-Sensorwert des weiteren Sensors 15 basierend auf dem vom Temperatursensor 11 bereitgestellten Temperaturwert und den aus dem Kalibrierdatenspeicher 15 ausgelesenen Kalibrierdaten.
  • Beispielsweise kann der Kalibrierdatenspeicher 13 hierzu eine sogenannte Look-up-Tabelle umfassen, in der zu jedem Roh-Sensorwert des weiteren Sensors 15 und den entsprechenden Temperaturwerten ein korrigierter Sensorwert abgespeichert ist. Alternativ können in dem Kalibrierdatenspeicher 13 auch nur einige Stützstellen für die Korrelation der Roh-Sensorwerte zu den korrigierten Sensorwerten basierend auf dem Temperaturverlauf abgespeichert sein. In diesem Fall kann die Recheneinrichtung 13 basierend auf einer Interpolation oder einer anderen Rechenvorschrift aus dem Roh-Sensorwert und dem Temperaturwert den korrigierten Sensorwert berechnen. Ebenso ist es möglich, dass in dem Kalibrierdatenspeicher 13 eine Rechenvorschrift für das Berechnen des korrigierten Sensorwerts basierend auf dem Roh-Sensorwert und dem Temperaturverlauf abgespeichert ist. Grundsätzlich sind darüber hinaus beliebige weitere Möglichkeiten für die Korrektur der Roh-Sensorwerte unter Verwendung der Temperaturwerte möglich.
  • Bei dem weiteren Sensor 15 kann es sich um einen beliebigen Sensor handeln. Insbesondere sind zum Beispiel Sensoren auf Basis auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) möglich. Wie bereits zuvor ausgeführt, kann der weitere Sensor 15 in dem integrierten Schaltelement 10 integriert sein, oder alternativ auch außerhalb des integrierten Schaltelements 10 angeordnet sein. Sofern der weitere Sensor 15 sich außerhalb des integrierten Schaltelements 10 befindet, so sollte der weitere Sensor 15 vorzugsweise auch auf dem Trägersubstrat 20 angeordnet sein und mit dem Trägersubstrat 20 thermisch gekoppelt sein. Hierdurch ist eine gleichmäßige Erwärmung sowohl des integrierten Schaltelements 10 als auch des weiteren Sensors 15 durch das elektrische Heizelement 21 in dem Trägersubstrat 20 möglich.
  • Als weitere Sensoren 15 sind beliebige Sensoren möglich. So kann es sich beispielsweise bei dem weiteren Sensor 15 um einen Beschleunigungssensor, einen Magnetfeldsensor, einen Drehratensensor oder einen beliebigen weiteren Sensor handeln. Auch Sensoren zur Detektion von gasförmigen oder flüssigen Substanzen bzw. zur Bestimmung von Konzentrationen einer Substanz in einer Flüssigkeit oder einem Gas sind ebenso möglich.
  • Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung auch nicht auf die Verwendung eines weiteren Sensors 15 beschränkt. Ebenso ist es möglich, dass durch Recheneinrichtung 13 die Sensorsignale mehrerer weiteren Sensoren 15 basierend auf einer durch den Temperatursensor 11 ermittelten Temperatur korrigiert werden.
  • Zur Bestimmung der Kalibrierdaten in dem Kalibrierdatenspeicher 13 muss die Sensorvorrichtung 1 kalibriert werden. Hierzu wird die Sensorvorrichtung 1 mittels des elektrischen Heizelements 21 in dem Trägersubstrat 20 temperiert, das heißt, es wird eine vorbestimmte Temperatur eingestellt. Zum Aufheizen des elektrischen Heizelements 21 in dem Trägersubstrat 20 wird durch eine Stromquelle 16 ein elektrischer Strom bereitgestellt. Der durch die Stromquelle 16 bereitgestellte elektrische Strom fließt durch das elektrische Heizelement 21, wodurch sich das elektrische Heizelement 21 erwärmt. Gleichzeitig erwärmen sich somit auch sämtliche mit dem Trägersubstrat 20 thermisch gekoppelten Bauelemente. Insbesondere erwärmt sich somit auch das integrierte Schaltelement 10. Ist der weitere Sensor 15 außerhalb des integrierten Schaltelements 10 angeordnet und ebenfalls mit dem Trägersubstrat 20 thermisch gekoppelt, so erwärmt sich auch ein externer weiterer Sensor 15 in gleichem Maße wie das integrierte Schaltelement 10. Für ein gezieltes Temperieren der Sensorvorrichtung 1 wird in einem Kalibriermodus mittels der Kalibriereinrichtung 14 die Stromquelle 16 derart angesteuert, dass durch den von der Stromquelle 16 bereitgestellten elektrischen Strom sich eine vorbestimmte Temperatur an dem Trägersubstrat 20 und somit an dem integrierten Schaltelement 10 einstellt. Hierzu kann die Kalibriereinrichtung 14 den von dem Temperatursensor 11 des integrierten Schaltelements 10 bereitgestellten Temperaturwert auswerten und basierend auf dem bereitgestellten Temperaturwert den von der Stromquelle 16 bereitgestellten elektrischen Strom anpassen. Zur Regelung des elektrischen Stroms an dem elektrischen Heizelement 21 und somit der sich einstellenden Temperatur kann ein beliebiger Regelalgorithmus eingesetzt werden. Nachdem durch Auswertung des von dem Temperatursensor 11 in dem integrierten Schaltelement 10 bereitgestellten Temperaturwert detektiert worden ist, dass eine vorbestimmte Temperatur erreicht wurde, wertet die Kalibriereinrichtung 14 einen von dem weiteren Sensor 15 bereitgestellten Roh-Sensorwert aus und bestimmt basierend auf dem aktuellen Temperaturwert und dem aktuellen Roh-Sensorwert die erforderlichen Kalibrierdaten. Die so ermittelten Kalibrierdaten werden daraufhin in dem Kalibrierdatenspeicher 13 des integrierten Schaltelements 10 gespeichert. Für die Ermittlung der Kalibrierdaten kann darüber hinaus noch die Kenntnis des aktuellen, von dem weiteren Sensor 15 erfassten Zustands erforderlich sein. In einem einfachen Anwendungsfall kann hierzu die Sensorvorrichtung 1 während des Kalibrierens in einen zuvor genau definierten Zustand gebracht werden. In diesem Fall kann die Kalibriereinrichtung 14 unter Kenntnis dieses vordefinierten Zustands die Kalibrierdaten unter Verwendung der Roh-Sensorwerte und der Temperaturwerte unmittelbar berechnen. Alternativ ist es auch möglich, die Kalibrierung bei mehreren, verschiedenen Rahmenbedingungen auszuführen. In diesem Fall können Daten bzw. Informationen über die aktuellen Rahmenbedingungen ebenfalls an der Kalibriereinrichtung 14 bereitgestellt werden. Daraufhin kann die Kalibriereinrichtung 14 diese weiteren Daten bzw. Informationen mit in den Kalibriervorgang einfließen lassen.
  • Grundsätzlich ist es möglich, dass die Stromquelle 16 und die Kalibriereinrichtung 14 als eigenständige, separate Bauelemente ausgeführt sind und mittels geeigneter elektrischer Verbindungen mit dem integrierten Schaltelement 10 sowie dem Heizelement 21 des Trägersubstrats 20 gekoppelt sind. In diesem Fall ist es auch möglich, dass die Kalibriereinrichtung 14 und/oder die Stromquelle 16 nach dem Kalibriervorgang entfernt und ggf. für eine Kalibrierung weiterer Sensorvorrichtungen wiederverwendet werden. Alternativ ist es auch möglich, dass sowohl die Kalibriereinrichtung 14 als auch die Stromquelle 16 gegebenenfalls auch in dem integrierten Schaltelement 10 integriert sind. Dies ermöglicht einen besonders kompakten und effizienten Aufbau.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf ein Heizelement 21 in dem Trägersubstrat 20. Das Heizelement 21 kann dabei, wie in 2 dargestellt, beispielsweise eine mäanderförmige Struktur aufweisen. Grundsätzlich ist jedoch auch jede beliebige andere Struktur, wie zum Beispiel eine spiralförmige Leiterbahnführung oder ähnliches möglich. Bei dem Heizelement 21 kann es sich beispielsweise um eine elektrisch leitfähige Leiterbahnstruktur mit einem endlichen, ohmschen Widerstand handeln. Insbesondere sind zum Beispiel gedruckte Leiterbahnstrukturen aus Graphit oder einem elektrisch leitfähigen, insbesondere einem leitfähigen organischen Material möglich.
  • 3 zeigt eine alternative Form für ein elektrisches Heizelement 21 des Trägersubstrats 20 für eine weitere Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1. Wie hierbei zu erkennen ist, umfasst das elektrische Heizelement 21 dabei mehrere Heizabschnitte 21a bis 21d. Die hier gewählte Anzahl von vier Heizabschnitten 21a bis 21d ist dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellt keine Einschränkung dar. Ebenso ist auch eine beliebige, von vier abweichende Anzahl von Heizabschnitten 21a bis 21d möglich. So sind zum Beispiel auch nur zwei oder drei Heizabschnitte 21a bis 21d möglich. Aber auch fünf und mehr Heizabschnitte 21a bis 21d sind denkbar.
  • Umfasst das Heizelement 21 mehr als einen Heizabschnitt 21a bis 21d, so wird vorzugsweise jeder dieser Heizabschnitte 21a bis 21d von einem eigenständigen Stromtreiber der Stromquelle 16 gespeist. Auf diese Weise kann die Heizleistung jedes Heizabschnitts 21a bis 21d individuell angepasst werden. Hierdurch kann beispielsweise den unterschiedlichen thermischen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen der Sensorvorrichtung 1 Rechnung getragen werden. Darüber hinaus sind beispielsweise auch Temperaturverläufe bzw. Temperaturgradienten oder ähnliches auf diese Weise einstellbar.
  • Ferner ist es auch möglich, das Heizelement 21 als Spule auszuführen. Hierzu kann das Heizelement 21 beispielsweise als gedruckte Leiterbahnstruktur mit einer odermehreren Windungen in oder auf dem Trägersubstrat 20 angebracht werden. In diesem Fall kann durch eine derartige Spule ein Magnetfeld erzeugt werden, wenn durch die Spule ein elektrischer Strom fließt. handelt es sich bei dem weiteren Sensor 15 beispielsweise um einen Magnetfeldsensor, so kann das Magnetfeld der Spule dazu genutzt werden an dem Magnetfeldsensor ein vorbestimmtes Magnetfeld bereitzustellen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kalibrierung des Magnetfeldsensors erfolgen. Ferner kann das durch die Spule hervorgerufene Magnetfeld auch dazu genutzt werden, ein weiteres Magnetfeld zu kompensieren. Wird dabei durch dem Magnetfeldsensor detektiert, dass das weitere Magnetfeld durch das Magnetfeld der Spule kompensiert worden ist, so kann daraufhin basierend auf dem Strom, der durch die Spule fließt auf die Stärke des weiteren Magnetfelds geschlossen werden.
  • Zur Überwachung der Temperaturen in den einzelnen Bereichen der Heizabschnitte 21a bis 21d kann das integrierte Schaltelement 10 auch eine Mehrzahl von Temperatursensoren 11 umfassen. In diesem Fall kann vorzugsweise jedem Heizabschnitt 21a bis 21d ein separater Temperatursensor 11 zugeordnet werden. Die Kalibriereinrichtung 14 kann daraufhin basierend auf den von der Mehrzahl von Temperatursensoren 11 bereitgestellten Temperaturwerten die einzelnen Stromtreiber der Stromquelle 16 individuell ansteuern, um die Temperatur in jedem Heizabschnitt 21a bis 21d separat zu regeln.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Sensorvorrichtung 1. Die Sensorvorrichtung 1 dieser Ausführungsform umfasst ein integriertes Schaltelement 10, in dem hierbei neben dem Temperatursensor 11, der Recheneinrichtung 12 und dem Kalibrierdatenspeicher 13 auch die Kalibriereinrichtung 14, die Stromquelle 16 und der weitere Sensor 15 integriert sind. Das elektrische Heizelement 21 des Trägersubstrats 20 ist dabei mittels elektrischer Verbindungen mit der Stromquelle 16 des integrierten Schaltelements 10 verbunden. Beispielsweise kann die Verbindung zwischen elektrischem Heizelement 21 und der Stromquelle 16 mittels sogenannter Bonddrähte erfolgen. Ist das elektrische Heizelement 21 zwischen zwei Lagen des Trägersubstrats 20 angeordnet, so kann die Kontaktierung des elektrischen Heizelements 21 beispielsweise am Rand des Trägersubstrats 20 erfolgen. Alternativ kann das Trägersubstrat 20 auch geeignete Durchkontaktierungen aufweisen, an denen das elektrische Heizelement 21 mit der Stromquelle 16 des integrierten Schaltelements 10 verbunden werden kann. Darüber hinaus kann das integrierte Schaltelement 10 auch noch weitere elektrische Anschlüsse aufweisen, mittels derer das integrierte Schaltelement 10 mit einer Spannungsversorgung sowie gegebenenfalls auch weiteren Bauelementen verbunden werden kann. Vorzugsweise kann das integrierte Schaltelement als Ball Grid Array (BGA) oder Land Grid Array (LGA) ausgeführt sein. Darüber hinaus kann das integrierte Schaltelement 10 auf dem Trägersubstrat 20 auch noch mit einer zusätzlichen Schutzsubstanz 30 umgeben werden. Hierdurch kann die Sensorvorrichtung 1 vor Beschädigungen oder unerwünschten Umwelteinflüssen geschützt werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zum Kalibrieren einer Sensorvorrichtung 1 zugrundeliegt. In Schritt S1 wird an dem elektrischen Heizelement 21 des Trägersubstrats 20 ein elektrischer Strom bereitgestellt. In Schritt S2 wird mittels eines Temperatursensors 11 des integrierten Schaltelements 1 ein Temperaturwert erfasst. In Schritt S3 wird ein Roh-Sensorwert des weiteren Sensors 15 erfasst. In Schritt S4 werden Kalibrierdaten basierend auf dem erfassten Temperaturwert und dem erfassten Roh-Sensorwert ermittelt. Gegebenenfalls können zur Ermittlung der Kalibrierdaten auch noch weitere Informationen mit in den Kalibriervorgang einfließen. Schließlich werden in Schritt S5 die ermittelten Kalibrierdaten in dem Kalibrierdatenspeicher des integrierten Schaltelements 10 abgespeichert.
  • Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrichtung mit einer Temperaturkompensation, insbesondere eine temperaturkompensierte Sensorvorrichtung mit einem mikroelektromechanischen Sensor. Für die Kalibrierung der Sensorvorrichtung kann die Sensorvorrichtung mittels eines elektrischen Heizelements in einem Trägersubstrat der Sensorvorrichtung temperiert werden. Die Regelung der Temperatur erfolgt dabei durch Anpassung eines elektrischen Stroms in dem elektrischen Heizelement. Auf diese Weise können besonders einfach Kalibrierdaten für eine Temperaturkompensation des Sensorelements ermittelt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008002606 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Sensorvorrichtung (1) mit einer Temperaturkompensation, mit: einem ersten Sensor (15), der dazu ausgelegt ist, einen Sensorwert bereitzustellen; einem integrierten Schaltelement (10), umfassend: einen Temperatursensor (11), der dazu ausgelegt ist, einen zu einer Temperatur korrespondierenden Temperaturwert bereitzustellen; einen Kalibrierdatenspeicher (13), der dazu ausgelegt ist, Kalibrierdaten zu speichern; und eine Recheneinrichtung (12), die dazu ausgelegt ist, in einem normalen Betriebsmodus basierend auf einem von dem Temperatursensor (11) bereitgestellten Temperaturwert und den in dem Kalibrierdatenspeicher (13) gespeicherten Kalibrierdaten den von dem ersten Sensor (15) bereitgestellten Sensorwert anzupassen; einem Trägersubstrat (20), mit einem elektrischen Heizelement (21), wobei das Trägersubstrat mit dem integrierten Schaltelement (10) thermisch gekoppelt ist; einer Stromquelle (16), die dazu ausgelegt ist, an dem elektrischen Heizelement (21) des Trägersubstrats (20) einen elektrischen Strom bereitzustellen; und einer Kalibriervorrichtung (14), die dazu ausgelegt ist, in einem Kalibriermodus den von der Stromquelle (16) bereitgestellten elektrischen Strom auf einem vorbestimmten Wert einzustellen, und basierend auf dem von dem Temperatursensor (11) bereitgestellten Temperaturwert und dem von dem ersten Sensor (15) bereitgestellten Sensorwert Kalibrierdaten zu ermitteln und die ermittelten Kalibrierdaten in dem Kalibrierdatenspeicher (13) zu speichern.
  2. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (15), die Stromquelle (16) und/oder die Kalibriervorrichtung (14) in dem integrierten Schaltelement (10) integriert sind.
  3. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das integrierte Schaltelement (10) als Ball Grid Array oder Land Grid Array ausgeführt ist.
  4. Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromquelle (16) dazu ausgelegt ist, in dem Kalibriermodus den bereitgestellten Strom in Abhängigkeit von dem durch den Temperatursensor (11) bereitgestellten Temperaturwert anzupassen.
  5. Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Trägersubstrat (20) eine erste Substratschicht (20a) und eine zweite Substratschicht (20b) umfasst und das elektrische Heizelement (21) zwischen der ersten Substratschicht (20a) und der zweiten Substratschicht (20b) angeordnet ist.
  6. Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Heizelement (21) eine Mehrzahl von Heizabschnitte (21a–21d) umfasst.
  7. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Stromquelle (16) eine Mehrzahl von Stromtreibern umfasst, die dazu ausgelegt sind, an der Mehrzahl von Heizabschnitte (21a–21d) jeweils einen individuell anpassbaren elektrischen Strom bereitzustellen.
  8. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei das integrierte Schaltelement (10) eine Mehrzahl von Temperatursensoren (11) umfasst, und jedem Heizabschnitt (21a–21d) des Heizelements (21) des Trägersubstrats (20) ein separater Temperatursensor (11) zugeordnet ist.
  9. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Heizelement als Spule ausgeführt ist.
  10. Mikroelektromechanisches Bauelement mit einer Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
  11. Verfahren zum Kalibrieren einer temperaturkompensierenden Sensorvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Schritten: Bereitstellen (S1) eines elektrischen Stroms an dem elektrischen Heizelement (21) des Trägersubstrats (20); Erfassen (S2) eines Temperaturwerts mittels des Temperatursensors (11) des integrierten Schaltelements (10); Erfassen (S3) eines Sensorwerts mittels des ersten Sensors (15); Ermitteln (S4) von Kalibrierdaten basierend auf dem erfassten Temperaturwert und dem erfassten Sensorwert; und Speichern (S5) der ermittelten Kalibrierdaten in dem Kalibrierdatenspeicher (13) des integrierten Schaltelements (10).
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