DE19754365A1 - Integrierter Meßwertaufnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integrierten Meßwertaufnehmer.

Aus dem Fachaufsatz "Surface micromachined pressure sensors with integrated CMOS read out electronics" von H. Dudaivecs, M. Kandler, Y. Manoli, W. Mokwa, und E. Spiegel in der Zeitschrift "Sensors and Actors" 1994, Seiten 157-163, ist ein mikromechanischer Druckaufnehmer bekannt. Ein solcher Druckaufnehmer wird in an sich bekannter Weise dadurch hergestellt, daß durch Beschichten und Ätzen von einem Wafer dreidimensionale Oberflächen als Mikrostrukturen erzeugt werden. Hierzu wird die bekannte CMOS-Technik eingesetzt. Im einzelnen werden druck­ empfindliche Mikromembranen aus polykristallinem Silikon durch das Herausätzen eines Kanals zwischen der Silikonbeschichtung und dem Wafersubstrat gewonnen. Der Abstand zwischen der Membran und Wafer beträgt weniger als 1 Micrometer. Der Membran Durchmesser liegt bei ca. 100 Micrometern, je nach zu erfassendem Druckbereich. Auf dem gleichen Substrat sind auch druckunempfindliche Referenz­ membranen angeordnet. Die Druckunempfindlichkeit kann auf einer nicht wegge­ ätzten Oxidschicht beruhen. Das dem gemessenen Druck proportionale Ausgangs­ signal entspricht dem Quotienten der beiden aufgenommenen Werte von Meß- und Referenzelement.

Die erzeugten Sensorsignale sind derart schwach, daß es vorteilhaft ist, auf dem identischen Chip bereits eine Integrationserschaltung gleichfalls in CMOS-Technik vorzusehen.

Der Vorteil dieser Entwicklung liegt gleichermaßen in der außerordentlichen Minia­ turisierung des Sensors, wie auch in der extremen Unempfindlichkeit der auf einem Chip angeordneten monolithischen Strukturen gegenüber extremen Druck- und Te­ mperatureinflüssen. Die Meßwertaufnehmer können somit bei geringstem Platzbe­ darf zum Beispiel in der medizinischen Technik und/oder extremen Außenbedingun­ gen zum Beispiel in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Entwicklung weiter fortzuführen, neue Anwendungen zu erschließen und die Miniaturisierung zu steigern.

Diese Aufgabe wird durch einen integrierten Meßwertaufnehmer gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

Dadurch daß nicht nur aktive oder passive Elemente auf dem selben Chip angeord­ net sind, sondern auch ein Mikroprozessor oder Mikrokontroller sowie entsprechen­ de Speicherelemente und eine geeignete Schnittstelle, kann die gesamte Steue­ rungs- und Auswertelogik auf einem einzigen, monolithischen Meßchip unterge­ bracht sein. Umständliche und störanfällige Verkabelungen mit den genannten Bau­ elementen entfallen. Der Meßchip kann vielmehr als solcher vollständig in das zu überwachende System, beispielsweise einer Flüssigkeit integriert sein. Der Chip kann direkt ohne Zwischenschaltung mit Auswerteeinrichtungen oder einer sonsti­ gen Logik direkt mit angeschlossenen Aktoren und/oder Stellgliedern in Wirkverbin­ dung treten. Darüber hinaus ist der Platzbedarf durch den möglichen Verzicht auf die entsprechenden externen Bausteine wesentlich reduziert. Hierdurch ergibt sich neben neuen Anwendungen auch eine größere Freiheit in der Formgebung.

In vorteilhafter Weiterbildung sind die Sensoren mit Mikromembranen versehen, die ebenfalls in CMOS-Technik hergestellt werden können. Hierdurch ergeben sich Ko­ stenvorteile bei der Fertigung, da nur ein Fertigungsverfahren verwendet werden muß.

In dieser Weise können unterschiedlichste Meßwerte erfaßt werden. Es kommt nur darauf an, mit welcher Größe die jeweilige Membran korreliert.

In Verbindung mit der oft notwendigen Überwachung einer Vielzahl von Parametern mit einer ganzen Reihe von Sensoren und Aktoren, die vorteilhaft an einem Bussy­ stem, insbesondere Feldbussystem betrieben werden, sollte wenigstens eine der Schnittstellen des integrierten Meßchips busfähig sein. Auch hierdurch ist die An­ wendungspalette erweitert.

Es ist darüber hinaus auch denkbar, zumindest Verbraucher mit nur geringer Lei­ stung vom Chip selbst anzusteuern. Hierzu kann ein leistungsübertragendes Inter­ face im Meßchip integriert sein.

In abermaliger Weiterbildung kann auch eine kontaktlose Datenübermittlung, bei­ spielsweise mittels induktiver Kopplung, zwischen dem Meßchip und den ange­ schlossenen Stellgliedern, Aktoren und Sensoren erwünscht sein. Dies gilt insbe­ sondere im Falle eines Einsatzes des Meßchips in schwer oder unmöglich zu verka­ belnden Bereichen.

Eine weiter Entkopplung des Meßchips von der Umgebung ist zumindest zeitweise bei einer Ausführung gemäß Anspruch 7 möglich, wenn eine zumindest teilweise oder zeitweilig autarke Betriebsspannungserzeugung auf dem Meßchip möglich ist.

Nicht jede Anwendung muß programmiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann es beispielsweise aus Sicherheitsgründen, erforderlich sein, einzelne Funktionen fest zu verdrahten. Daher kann es vorteilhaft sein, zusätzlich einige aktive oder passive Elemente monolithisch auf dem einen Meßchip zusätzlich anzuordnen.

Vorteilhafte Verwendungen des integrierten Meßaufnehmers ergeben sich aus den Ansprüchen 6 und 7.

Ein Temperatureinsatzbereich von beispielsweise -40 Grad Celsius bis über 100 Grad Celsius erlaubt es, den integrierten Meßaufnehmern nach Art einer Meß­ tablette unmittelbar in einer hydraulischen Flüssigkeit anzuordnen.

In analoger Weise kann ein solcher Meßaufnehmer auch in sonstigen zu überwa­ chenden Flüssigkeiten angeordnet sein. Hier kommt die Überwachung verfahrens­ technischer Anlagen und Reaktionsketten ebenso in Betracht, wie der Baumaschi­ nenbereich. Beispielsweise kann die Veränderung gewisser Eigenschaften, wie Druck, Viskosität, Temperatur oder Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar erfaßt und nach einer entsprechenden Auswertung auf dem Meßchip mit den entspre­ chenden Stellgliedern zur Wahrung eines Sollwertes interagiert werden.

In analoger Weise können Körperflüssigkeit überwacht werden. So können zum Bei­ spiel thrombosegefährdete Gefäße anhand der Strömungsgeschwindigkeit des durchströmenden Blutes überwacht werden.

Claims (10)

1. Integrierter Meßwertaufnehmer, bei dem wenigstens ein in CMOS (complementary-metal-oxyd semiconductor field-effect-transistor)- Technik ausgeführter Sensor, ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller, ein Arbeits-, Daten und/oder Programmspeicher sowie zumindest eine Datenschnittstelle gemeinsam, monolithisch auf einem einzigen insgesamt in CMOS-Technik erstellten Meßchip angeordnet und vergossen sind.

2. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren in Dünnschichttechnik hergestellte Mikromembranen aufweisen, wobei die solcherart erzeugten Membranen in vorbestimmter Weise mit der jeweiligen Meßgröße korrelieren.

3. Meßwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die integrierten Sensoren zur Erfassung von Druck, Temperatur, Strömung, Leitfähigkeit, Kapazität, Viskosität Ionenkonzentrationen, magnetischer oder elektrischer Feldstärke, Infrarot- sichtbarer oder höherenergetischer Strahlung, biologischer oder chemischer Parameter oder anderer Meßparameter ausgelegt ist bzw. sind.

4. Meßwertaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Schnittstelle des Meßwertaufnehmers als Busschnittstelle ausgebildet ist.

5. Meßwertaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßchip zusätzlich ein zur Leistungsansteuerung geeignetes Interface aufweist.

6. Meßwertaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßchip mit einer zur kontaktlosen Datenübertragung geeigneten Schnittstelle versehen ist.

7. Meßwertaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßchip mit einer wenigstens zur teilweisen oder vorübergehenden Spannungsversorgung geeigneten Energieversorgungseinrichtung ausgerüstet ist.

8. Meßwertaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich passive und/oder aktive Elemente auf dem Meßchip angeordnet sind.

9. Verwendung des Meßwertaufnehmers nach Anspruch 1 innerhalb eines hydraulischen Systems, derart, daß der Meßchip als solcher unmittelbar in einer Hydraulikflüssigkeit, inbesondere einer Arbeitsmaschine, angeordnet ist.

10. Verwendung des Meßwertaufnehmers nach Anspruch 1 in der medizinischen Technik, insbesondere in der Kardiologie, derart, daß der Meßchip als solcher unmittelbar in einer Körperflüssigkeit angeordnet ist.