WO2020152090A1 - Mems-sensor sowie verfahren zum betreiben eines mems-sensors - Google Patents

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Arne Dannenberg
Mike Schwarz
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81B2207/017—Smart-MEMS not provided for in B81B2207/012 - B81B2207/015

Definitions

  • the invention relates to a MEMS sensor, comprising a deflectable functional layer.
  • the invention further relates to a method for operating a MEMS sensor.
  • the present invention is generally applicable to any MEMS sensors with a deflectable functional layer, the present invention is described with reference to MEMS pressure sensors.
  • Pressure sensors manufactured using microsystems technology usually have a membrane made of silicon, which react with a deflection of the membrane when the pressure on the membrane surface changes. This deflection or the mechanical stress on the membrane edge caused thereby can be converted into an electrical signal by means of piezoresistive resistors.
  • piezoresistive resistors In order to avoid negative influences on the sensor performance at low temperatures, for example due to expansion coefficients in the overall structure, pressure sensors with an integrated heater have become known which can raise the temperature of the sensor to a certain minimum level. In these, Joule heat is generated using electrical current in a metal conductor track or in a diffused semiconductor conductor track which is connected via additional bond pads.
  • the present invention provides a MEMS sensor, comprising a deflectably arranged functional layer, a conversion device for converting a deflection of the functional layer into an electrical signal, the converting device comprising at least one electrical element, the at least one electrical element having a first The area is at least partially electrically connected and the first area is at least partially electrically connected to a second area and the first and second areas and / or the first area and the at least one electrical element are electrically operable in a blocking and a forward direction and a control device. wherein the control device is designed to at least partially operate the at least one electrical element and the first region and / or the first region and the second region in the forward direction to provide thermal energy.
  • the first and second regions can be part of the substrate by doping the substrate. This can create first and second areas close to the surface, but also deeper troughs. Alternatively, the application of appropriately doped areas on the substrate can also define these first and second areas.
  • at least one electrical and / or electronic component can subsequently be introduced into one or into both regions / troughs. It is conceivable to introduce a p-doped piezoresistor into an n-doped trough. This prevents the current generated by bending in the piezoresistor from migrating freely into the substrate.
  • the present invention provides a method for operating an M EMS sensor according to one of Claims 1-11, the first and second areas being operated at least partially in the forward direction by means of the control device to provide thermal energy.
  • One of the advantages achieved in this way is that a separate heating device is no longer required and the overall installation space can thus be reduced. Another advantage is that it can reduce manufacturing costs.
  • the blocking and passage directions of the first area and at least one electrical element on the one hand and of the first area and second area on the other are opposite.
  • the advantage of this is that either current flows from the first area to the second area or from the first area to the at least one electrical element, which enables simple operation for reading signals on the one hand and for heating on the other.
  • the conversion device comprises a Wheatstone bridge circuit with at least four electrical elements in the form of resistors.
  • a conversion device for providing an electrical signal for deflecting the functional layer can thus be provided in a simple manner.
  • the electrical resistors are implanted or diffused piezoresistive resistors.
  • the resistors can interact directly with the membrane and deflections of the membrane can be detected directly by means of the resistors.
  • control device is designed to temporarily operate the first and second regions in the blocking direction and temporarily in the forward direction.
  • the electrical signal for deflection of the functional layer can be read out in a simple manner
  • a high current can be passed through the M EMS sensor in the forward direction, so that the MEMS sensor heats up.
  • the first region is designed in the form of a trough in which the at least one electrical element is arranged, in particular wherein the trough and the at least one electrical element have different doping.
  • a “tub” is to be understood in particular as an essentially three-dimensional volume with rounded corners, the volume being limited to one side surface by a first material otherwise completely filled with a second material.
  • a voltage can be applied to the first and / or the second region by means of a plurality of contacts, in particular through-contacts.
  • the deflectable functional layer is arranged in the first area. In this way, the deflection of the functional layer can be converted directly into an electrical signal by means of the at least one electrical element. To this extent, the installation space is reduced.
  • Surrounding element in particular in the form of a trough, arranged, wherein the at least one additional surrounding element is designed such that it at least partially surrounds the first area and the second area. This enables the provision of even more thermal energy.
  • Contacting is arranged for at least one of the areas and the control device is designed to provide thermal energy by operating the first and second areas in the forward direction and to operate the conversion direction at the same time so that an electrical signal can be provided by the conversion device. In this way, the sensor performance is further improved.
  • a temperature measuring element in particular a diode
  • the control device is designed to operate the temperature measuring element in order to provide thermal energy.
  • FIG. 1 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present
  • FIG. 2 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present
  • FIG. 3 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present
  • Figure 1 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a MEMS sensor 1 is shown in plan view in detail in FIG.
  • the MEMS sensor 1 comprises a substrate (without reference numerals). There is a first area on the substrate 10 and a second region 11 are arranged.
  • the first and / or second region can be provided directly in the substrate as a doped region close to the surface or as a deeper trough. It is particularly provided that the two areas are doped differently. Alternatively, it can also be provided that first and second areas for defining the first and second regions are applied to the substrate by means of conventional micromechanical methods, such as the use of masking and doping.
  • a conversion device 2 is arranged, which in turn has a Wheatstone bridge circuit 16 with piezoresistive resistors 9 in the first region 10 and corresponding electrical contacts 4a, 4b, 6a, 6b, in the second region 11.
  • An electrical contact 7 for a temperature sensor diode 8 is also arranged in the second region 11.
  • the contacts 4a, 4b of the Wheatstone bridge circuit 16 are connected to a control device 5.
  • two contacts 6a and 6b are arranged in the second region 11, which is essentially L-shaped on an essentially square surface.
  • the contacts 4a, 4b, 6a, 6b are connected to the piezoresistive resistors 9, first and second regions 10, 11 and the like via corresponding metallization paths.
  • the first region 10 is arranged between the two legs of the L-shaped second region 11.
  • the Wheatstone bridge circuit 16 with four piezoresistive p-doped resistors 9 is arranged in the first region 10. These are connected on the one hand to the contacts 6a, 6b for tapping an electrical signal, arranged in the second area 11, and on the other hand to the two contacts 4a, 4b, also arranged in the second area 11, between which a voltage can be applied by means of the control device 5 .
  • the first region 10 is designed here as a trough and is n-doped.
  • the second region 11 is p-doped.
  • the piezoresistive p-doped resistors 9 are connected to a deflectable membrane 3 of the MEMS sensor 1, for example integrated or implanted in this.
  • the membrane edge is designated by reference number 3a. If the diaphragm 3 is deflected, for example by a change in pressure, the respective piezoresistive resistor 9 changes and a correspondingly changed electrical signal is provided via the contacts 6a, 6b for measuring the pressure or the change thereof.
  • these piezoresistors 9 are placed or arranged in the first region 10, which has the shape of a trough, in p-doped piezoresistive resistors 9, for example, in an n-doped trough 10.
  • Piezo resistors 9 In the case of p-doped troughs Piezo resistors 9 must always be at a lower electrical potential than the n-doped well 10, so that on the one hand the p-doped piezo resistors 9 form the n-doped well 10, and on the other hand the n-doped well 10 to the second, likewise p-doped region 11 are connected in the reverse direction.
  • the control device 5 now operates the n-doped well 10 and the p-doped piezoresistors 9 alternately on the one hand in the blocking direction in order to be able to read out the pressure signal due to the deflection of the membrane 3 and on the other hand in the forward direction to ensure a high current through the MEMS sensor To be able to conduct 1, which heats the MEMS sensor 1.
  • the highest resistance in the sequence or chain contact 4a, 4b - "higher electrical potential" - to contact 4b, 4a - "low electrical potential” - the forward direction and through the two areas 10,11, so p- Area 11 / n well 10 be formed diode or a resistor made of a metal conductor or a semiconductor conductor.
  • a p-doped well 10 can also be used with n-doped resistors 9.
  • the p-doped wells 11 can also be used instead of the p-doped piezoresistors 9.
  • a large number of densely arranged vias 60a, 60b is shown, which make it possible to distribute the current over a large cross-sectional area of the p / n transition of the two regions 10, 11.
  • a heating resistor on the MEMS sensor 1 of ⁇ 100 ohms with a supply voltage of 1.6 V is required, so that a current flow of 16 mA and a Power output of 32 mW results.
  • a temperature diode commonly used in already known pressure sensors conducts approximately 1 mA of current at 0.8 V. Assuming the same behavior for the p / n region diode 10, 11 shown in FIG. 1, only 16 times the cross-sectional area is required in order to be able to conduct the required current. This cross-sectional area can be reached with the areas 10, 11 applied around the membrane 3. Half of the heating power is emitted in the diode, 0.8 V, and the other half in metal or semiconductor conductor tracks, 0.8 V, so that a suitable temperature gradient across the chip surface is achieved by suitable placement of the latter conductor tracks can be.
  • the contacts 4a, 4b for the voltage supply and not for the signal lines of the Wheatstone bridge circuit 16 are advantageously connected to a large number of vias or plated-through holes 60a, 60b via corresponding metal conductor tracks or metallizations, so that in the
  • the first contact 4a is grounded and a voltage VDD is applied to the second contact 4b.
  • the second region 11 is thus at a lower potential than the first region 10 and the diode thus formed between the two regions 10, 11 is operated in the reverse direction; the current flows through the Wheatstone bridge circuit 16.
  • the contact 4b is now grounded and the contact 4a is supplied with a voltage VDD by means of the control device 5.
  • the second region 11 thus has a higher electrical potential than the first region 10 and the diode formed between the two regions 10, 11 is thus operated in the forward direction.
  • the current flows in the direction 50 from the second region 11 to the first region 10, the resistance formed by the diode being the heating resistor.
  • the distance between the plated-through holes 60b in the first region 10 can be increased compared to the plated-through holes 60a in the second region 11.
  • the plated-through holes 60a, 60b in contrast to that shown in FIG. 1, cannot be connected to the contacts 4a, 4b, but at least partially, in particular completely, to the signal lines which are connected to the contacts 6a, 6b.
  • FIG. 2 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 essentially shows a MEMS sensor 1 according to FIG. 1.
  • the difference 1 two additional differently doped wells 14, 15 are now arranged in the MEMS sensor 1 according to FIG. 2, so that the following arrangement essentially results from the inside out:
  • An n-doped well 10 is arranged inside , which comprises the Wheatstone bridge circuit 16 with the piezo-resistive resistors 9, which are p-doped.
  • This n-doped trough 10 is surrounded by a second trough 11 which is p-doped and which corresponds to the second region 11 with contacts 4a, 4b, 6a, 6b for the Wheatstone bridge circuit 16.
  • n-doped Trough 14 which comprises the two troughs 10, 11 and which in turn is arranged in a p-doped trough 15.
  • the operation for reading out electrical signals of the Wheatstone bridge circuit 16 and for providing thermal energy is again as follows, with the current flow 50 in the heating mode from the tub 10 to the additional tub 14.
  • the current flow 50 in the heating mode essentially takes place from the inside to the outside.
  • an additional contact 12 is arranged which is at the same potential as the contact 4b and ensures a uniform application of electrical voltage to the through contacts 60a.
  • FIG. 3 shows a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a MEMS sensor 1 according to FIG. 2 is shown in detail in FIG.
  • the MEMS sensor 1 according to FIG. 3 now has an additional contact 13, which makes it possible to heat and measure in parallel, regardless of the respective voltage applied to the contacts 4a, 4b: a supply voltage VDD can be applied to the contact 4a and the contact 4b can be grounded and the negative supply voltage -VDD can be applied to the additional contact 13.
  • a separate temperature sensor diode 8 or also a temperature sensor MOSFET can be used instead of or in addition to the diodes formed by the regions 10, 11, 14, 15. This can be used as a temperature sensor at low currents and can be operated as an alternative or additional heating element at high currents.
  • At least one of the embodiments of the invention has at least one of the following advantages: • Small space.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor, umfassend eine auslenkbar angeordnete Funktionsschicht, eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung einer Auslenkung der Funktionsschicht in ein elektrisches Signal, wobei die Umwandlungseinrichtung zumindest ein elektrisches Element umfasst, wobei das zumindest eine elektrische Element mit einem ersten Bereich zumindest teilweise elektrisch verbunden ist und wobei der erste Bereich mit einem zweiten Bereich zumindest teilweise elektrisch verbunden und wobei erster und zweiter Bereich und/oder erster Bereich und das zumindest eine elektrische Element in einer Sperr-und einer Durchlassrichtung elektrisch betreibbar sind und eine Steuereinrichtung, wobeidie Steuereinrichtungausgebildet ist, das zumindest eine elektrische Element und den ersten Bereich und/oder den ersten Bereich undden zweiten Bereich in Durchlassrichtung zumindest teilweise zum Bereitstellen von Wärmeenergie zu betreiben.

Description

MEMS-Sensor sowie Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Sensors
Tech nisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen MEMS Sensor, umfassend eine auslenkbar angeordnete Funktionsschicht.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Sensors.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige MEMS-Sensoren mit auslenkbar angeordneter Funktionsschicht anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung anhand von MEMS-Drucksensoren beschrieben.
Stand der Technik
Mikrosystemtechnisch hergestellte Drucksensoren weisen üblicherweise eine Membran aus Silizium auf, die bei Änderung des Druckes auf der Membranoberfläche mit einer Auslenkung der Membran reagieren. Diese Auslenkung beziehungsweise der dadurch verursachte mechanische Stress an der Membrankante kann mittels piezoresistiver Widerstände in ein elektrisches Signal überführt werden. Um negative Einflüsse auf die Sensorperformance bei niedrigen Temperaturen, zum Beispiel aufgrund Ausdehnungskoeffizienten im Gesamtaufbau, zu vermeiden, sind Drucksensoren mit integriertem Heizer bekannt geworden, welche die Temperatur des Sensors auf ein gewisses Mindestniveau erhöhen können. Bei diesen werden in einer Metallleiterbahn oder auch in einer eindiffundierten Halbleiter-Leiterbahn, die über zusätzliche Bondpads angeschlossen wird, über elektrischen Strom Joule'sche Wärme erzeugt. Offen baru ng der Erfin d u ng
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen MEMS-Sensor bereit, umfassend eine auslenkbar angeordnete Funktionsschicht, eine Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung einer Auslenkung der Funktionsschicht in ein elektrisches Signal, wobei die Umwandlungseinrichtung zumindest ein elektrisches Element umfasst, wobei das zumindest eine elektrische Element mit einem ersten Bereich zumindest teilweise elektrisch verbunden ist und wobei der erste Bereich mit einem zweiten Bereich zumindest teilweise elektrisch verbunden und wobei erster und zweiter Bereich und/oder erster Bereich und das zumindest eine elektrische Element in einer Sperr- und einer Durchlassrichtung elektrisch betreibbar sind und eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, das zumindest eine elektrische Element und den ersten Bereich und/oder den ersten Bereich und den zweiten Bereich in Durchlassrichtung zumindest teilweise zum Bereitstellen von Wärmeenergie zu betreiben.
Die ersten und zweiten Bereiche können Teil des Substrats sein, indem das Substrat dotiert wird. Dadurch können oberflächennahe erste und zweite Bereiche entstehen, aber auch tiefergehende Wannen. Alternativ kann auch das Aufbringen von entsprechend dotierten Flächen auf dem Substrat diese ersten und zweiten Bereiche definieren. Durch eine geeignete Dotierung kann nachfolgend in einen oder in beide Bereiche/Wannen wenigstens eine elektrische und/oder elektronische Komponenten eingebracht werden. So ist denkbar, in eine n-dotierte Wanne ein p-dotierten Piezowiderstand einzubringen. Hierdurch wird verhindert, dass der durch eine Verbiegung erzeugte Strom in dem Piezowiderstand ungehindert in das Substrat abwandert.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines M EMS-Sensors gemäß einem der Ansprüche 1-11 bereit, wobei mittels der Steuereinrichtung der erste und zweite Bereich in Durchlassrichtung zumindest teilweise zum Bereitstellen von Wärmeenergie betrieben wird.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass dadurch eine separate Heizeinrichtung entfallen und damit der Bauraum insgesamt gesenkt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit die Herstellungskosten reduziert werden können.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Sperr- und Durchlassrichtung von erstem Bereich und zumindest einem elektrischen Element einerseits und von erstem Bereich und zweitem Bereich andererseits entgegengesetzt. Vorteil hiervon ist, dass damit entweder ein Stromfluss von dem ersten Bereich zu dem zweiten Bereich oder von dem ersten Bereich zu dem zumindest einen elektrischen Element erfolgt, was ein einfaches Betreiben zum Auslesen von Signalen einerseits und zum Heizen andererseits ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Umwandlungseinrichtung eine Wheatstone- Brückenschaltung mit zumindest vier elektrischen Elementen in Form von Widerständen. Damit kann auf einfache Weise eine Umwandlungseinrichtung zur Bereitstellung eines elektrischen Signals für die Auslenkung der Funktionsschicht bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die elektrischen Widerstände implantierte oder eindiffundierte piezoresistive Widerstände. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit die Widerstände direkt mit der Membran interagieren können und Auslenkungen der Membran direkt mittels den Widerständen detektierbar sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuereinrichtung ausgebildet, den ersten und zweiten Bereich temporär in Sperrrichtung und temporär in Durchlassrichtung zu betreiben. Damit kann auf einfache Weise einerseits gezielt das elektrische Signal für eine Auslenkung der Funktionsschicht ausgelesen werden, andererseits kann in Durchlassrichtung ein hoher Strom durch den M EMS-Sensor geleitet werden, sodass der MEMS-Sensor sich aufheizt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Bereich in Form einer Wanne ausgebildet, in der das zumindest eine elektrische Element angeordnet ist, insbesondere wobei Wanne und das zumindest eine elektrische Element unterschiedliche Dotierung aufweisen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Strom von dem zumindest einen elektrischen Element abfließt anstatt durch die Umwandlungseinrichtung zu fließen. Dies verbessert die Effizienz und die Sensorperformance. Unter einer„Wanne“ ist insbesondere ein im Wesentlichen dreidimensionales Volumen mit abgerundeten Ecken zu verstehen, wobei das Volumen durch ein erstes Material bis auf eine Seitenfläche begrenzt ist und ansonsten mit einem zweiten Material vollständig aufgefüllt ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind der erste und/oder der zweite Bereich mittels jeweils einer Mehrzahl von Kontaktierungen, insbesondere Durchkontaktierungen mit einer Spannung beaufschlagbar. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit der Strom auf eine große Querschnittsfläche des Übergangs zwischen den beiden Bereichen verteilt werden kann, was einen hohen gleichmäßigen Stromdurchfluss ermöglicht und eine hohe Erwärmung sicherstellen kann, da der Widerstand beim Übergang zwischen den beiden Bereichen gering gehalten werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die auslenkbar angeordnete Funktionsschicht im ersten Bereich angeordnet. Auf diese Weise kann mittels des zumindest einen elektrischen Elements direkt die Auslenkung der Funktionsschicht in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Insoweit wird der Bauraum verkleinert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest ein zusätzliches
Umgebungselement, insbesondere in Form einer Wanne, angeordnet, wobei das zumindest eine zusätzliche Umgebungselement so ausgebildet ist, dass es den ersten Bereich und den zweiten Bereich zumindest teilweise umgibt. Damit wird die Bereitstellung von noch mehr Wärmeenergie ermöglicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zumindest eine zusätzliche
Kontaktierung für zumindest einen der Bereiche angeordnet und die Steuereinrichtung ist ausgebildet, Wärmeenergie mittels Betreiben von erstem und zweitem Bereich in Durchlassrichtung bereitzustellen und zeitlich parallel die Umwandlungsrichtung so zu betreiben, dass ein elektrisches Signal von der Umwandlungseinrichtung bereitstellbar ist. Auf diese Weise wird die Sensorperformance weiter verbessert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist ein Temperaturmesselement, insbesondere eine Diode, angeordnet und die Steuereinrichtung ist ausgebildet, das Temperaturmesselement zum Bereitstellen von Wärmeenergie zu betreiben. Damit wird eine genaue Kontrolle beziehungsweise Steuerung der Abgabe der Wärmeenergie ermöglicht. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Ku rze Besch rei bu ng der Zeich n u ngen
Dabei zeigt Figur 1 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Figur 2 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und
Figur 3 einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
Ausfü h ru ngsformen der E rfi nd u ng
Figur 1 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail ist in Figur 1 ein MEMS-Sensor 1 in Draufsicht gezeigt. Der MEMS-Sensor 1 umfasst dabei ein Substrat (ohne Bezugszeichen). Auf dem Substrat sind ein erster Bereich 10 und ein zweiter Bereich 11 angeordnet. Der erste und/oder zweite Bereich kann dabei direkt im Substrat als dotierter oberflächennaher Bereich oder als tiefergehende dotierte Wanne vorgesehen sein. Hierbei ist besonders vorgesehen, dass beide Bereiche unterschiedlich dotiert sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mittels üblicher mikromechanischer Verfahren, wie der Verwendung von Maskierungen und Dotierungen, erste und zweite Flächen zur Definition der ersten und zweiten Bereiche auf dem Substrat aufgebracht werden. Weiter ist eine Umwandlungseinrichtung 2 angeordnet, die ihrerseits eine Wheatstone- Brückenschaltung 16 mit piezoresistiven Widerständen 9 im ersten Bereich 10 und entsprechenden elektrischen Kontaktierungen 4a, 4b, 6a, 6b, im zweiten Bereich 11 aufweist. Im zweiten Bereich 11 ist weiter eine elektrische Kontaktierung 7 für eine Temperatursensordiode 8 angeordnet. Weiterhin sind die Kontaktierungen 4a, 4b der Wheatstone- Brückenschaltung 16 mit einer Steuereinrichtung 5 verbunden. Des Weiteren sind in dem zweiten Bereich 11, der im wesentlichen L-förmig auf einer im wesentlichen quadratischen Fläche ausgebildet ist, zwei Kontaktierungen 6a und 6b angeordnet. Die Kontaktierungen 4a, 4b, 6a, 6b sind hierbei über entsprechende Metallisierungsbahnen mit den piezoresistiven Widerständen 9, erstem und zweitem Bereich 10, 11 und dergleichen verbunden.
Zwischen den beiden Schenkeln des L-förmigen zweiten Bereichs 11 ist der erste Bereich 10 angeordnet. In dem ersten Bereich 10 ist, wie vorstehend ausgeführt, die Wheatstone- Brückenschaltung 16 mit vier piezoresistiven p-dotierten Widerständen 9 angeordnet. Diese sind einerseits mit den Kontaktierungen 6a, 6b zum Abgreifen eines elektrischen Signals, angeordnet im zweiten Bereich 11, verbunden, andererseits mit den beiden Kontaktierungen 4a, 4b, ebenfalls angeordnet im zweiten Bereich 11, zwischen den eine Spannung mittels der Steuereinrichtung 5 angelegt werden kann. Der erste Bereich 10 ist hier als Wanne ausgebildet und n-dotiert. Der zweite Bereich 11 ist hingegen p-dotiert. Weiterhin sind die piezoresistiven p-dotierten Widerstände 9 mit einer auslenkbaren Membran 3 des MEMS- Sensors 1 verbunden, beispielsweise in diese eingebunden oder implantiert. Die Membrankante ist mit Bezugszeichen 3a bezeichnet. Wird die Membran 3 beispielsweise durch eine Druckänderung ausgelenkt, ändert sich der jeweilige piezoresistive Widerstand 9 und es wird ein entsprechend verändertes elektrisches Signal über die Kontaktierungen 6a, 6b bereitgestellt zur Messung des Drucks beziehungsweise der Änderung desselben.
Um zu vermeiden, dass bei einer Beaufschlagung der Kontaktierungen 4a, 4b der Strom von den piezoresistiven Widerständen 9 ins Substrat abfließt statt durch die komplette Wheatstone-Brückenschaltung 16 zu fließen, sind diese Piezowiderstände 9 in dem ersten Bereich 10, der die Form einer Wanne aufweist, angelegt beziehungsweise in dieser angeordnet, bei p-dotierten piezoresistiven Widerständen 9 beispielsweise in eine n-dotierten Wanne 10. Bei p-dotierten Piezowiderständen 9 müssen diese stets auf einem niedrigeren elektrischen Potential als die n-dotierte Wanne 10 liegen, damit einerseits die p-dotierten Piezowiderstände 9 zur n-dotierten Wanne 10, anderseits die n-dotierte Wanne 10 zum zweiten, ebenfalls p-dotierten Bereich 11 in Sperrrichtung verschaltet sind.
Die Steuereinrichtung 5 betreibt nun n-dotierte Wanne 10 und die p-dotierten Piezowiderstände 9 abwechselnd einerseits gezielt in Sperrrichtung, um das Drucksignal durch die Auslenkung der Membran 3 auslesen zu können und andererseits gezielt in Durchlassrichtung, um einen hohen Strom durch den MEMS-Sensor 1 leiten zu können, welcher den MEMS-Sensor 1 aufheizt. Hierbei kann der höchste Widerstand in der Abfolge beziehungsweise Kette: Kontaktierung 4a, 4b - „höheres elektrisches Potential“ - zu Kontaktierung 4b, 4a -„niedriges elektrisches Potential“ - die in Durchlassrichtung betriebene und durch die beiden Bereiche 10,11, also p-Bereich 11/n-Wanne 10 gebildete Diode sein oder aber auch ein Widerstand aus einer Metallleiterbahn oder einer Halbleiterleiterbahn. Auch kann umgekehrt bei n-dotierten Widerständen 9 eine p-dotierte Wanne 10 verwendet werden.
Um einen höheren Heizstrom zu erreichen, können statt den p-dotierten Piezowiderständen 9 auch die p-dotierten Wannen 11 verwendet werden. Zusätzlich ist eine hohe Zahl an dicht angeordneten Durchkontaktierungen 60a, 60b dargestellt, die es ermöglichen, den Strom auf eine große Querschnittsfläche des p/n-Übergangs der beiden Bereiche 10, 11 zu verteilen. Um beispielsweise ein ME MS- Drucksensorpackage mit üblicher Wärmeankopplung um 15 °C zu erwärmen, wird ein Heizwiderstand auf dem MEMS-Sensor 1 von <100 Ohm bei einer Versorgungsspannung von 1,6 V benötigt, so dass sich ein Stromfluss von 16 mA und eine Leistungsabgabe von 32 mW ergibt. Eine bei bereits bekannten Drucksensoren üblicherweise verwendete Temperaturdiode leitet bei 0,8 V circa 1 mA Strom. Nimmt man für die in Figur 1 dargestellte p/n-Bereichsdiode 10, 11 ein gleiches Verhalten an, so wird lediglich die 16-fache Querschnittsfläche benötigt, um den erforderlichen Strom leiten zu können. Diese Querschnittsfläche ist mit den um die Membran 3 angelegten Bereiche 10, 11 erreichbar. Dabei wird die Hälfte der Heizleistung in der Diode, 0,8 V, und die andere Hälfte in Metall- oder Halbleiterleiterbahnen, 0,8 V, abgegeben, so dass durch geeignetes Platzieren letzterer Leiterbahnen ein geringer Temperaturgradient über die Chip-Oberfläche realisiert werden kann.
In Figur 1 sind vorteilhafterweise die Kontaktierungen 4a, 4b zur Spannungsversorgung und nicht für die Signalleitungen der Wheatstone- Brückenschaltung 16 über entsprechende Metallleiterbahnen beziehungsweise Metallisierungen an eine hohe Zahl der Vias beziehungsweise Durchkontaktierungen 60a, 60b angeschlossen, damit im
Drucksensorsignal-Auslesemodus, wobei die Bereiche 10, 11 in Sperrrichtung betrieben werden, ein möglicher Leckstrom durch die Sperrschicht der Bereiche 10, 11 keinen Einfluss auf das Sensorsignal hat: Bei externer Spannungsregelung der Wheatstone- Brückenschaltung 16 beziehungsweise ihrer Kontaktierungen 4a, 4b ändert sich der Strom durch die Wheatstone-Brückenschaltung 16 auch bei einem sich verändernden Leckstrom nicht signifikant.
Zum Auslesen des elektrischen Signals wird die erste Kontaktierung 4a geerdet und die zweite Kontaktierung 4b mit einer Spannung VDD beaufschlagt. Damit ist der zweite Bereich 11 auf einem niedrigeren Potenzial als der erste Bereich 10 und die so zwischen den beiden Bereichen 10, 11 gebildete Diode wird in Sperrrichtung betrieben; der Strom fließt durch die Wheatstone-Brückenschaltung 16. Zum Bereitstellen von Wärmeenergie wird nun die Kontaktierung 4b geerdet und die Kontaktierung 4a mit einer Spannung VDD beaufschlagt mittels der Steuereinrichtung 5. Damit weist der zweite Bereich 11 ein höheres elektrisches Potenzial auf als der erste Bereich 10 und die zwischen den beiden Bereichen 10, 11 gebildete Diode wird somit in Durchlassrichtung betrieben. Der Strom fließt in Richtung 50 vom zweiten Bereich 11 zum ersten Bereich 10, wobei der durch die Diode gebildete Widerstand der Heizwiderstand ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Abstand zwischen den Durchkontaktierungen 60b im ersten Bereich 10 gegenüber den Durchkontaktierungen 60a im zweiten Bereich 11 erhöht werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Durchkontaktierungen 60a, 60b, anders als in Figur 1 dargestellt, nicht an die Kontak tierungen 4a, 4b angeschlossen werden, sondern zumindest teilweise, insbesondere vollständig an die Signalleitungen, die mit den Kontaktierungen 6a, 6b verbunden sind.
Figur 2 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 2 ist im Wesentlichen ein MEMS-Sensor 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Sensor 1 gemäß Figur 1 sind beim MEMS-Sensor 1 gemäß Figur 2 nun zwei zusätzliche unterschiedlich dotierte Wannen 14, 15 angeordnet, sodass sich im Wesentlichen von innen nach außen folgende Anordnung ergibt: Im Inneren ist eine n-dotierte Wanne 10 angeordnet, welche die Wheatstone- Brückenschaltung 16 mit den piezo-resistiven Widerständen 9, welche p-dotiert sind, umfasst. Diese n-dotierte Wanne 10 ist von einer zweiten Wanne 11 umgeben, die p-dotiert ist und die dem zweiten Bereich 11 entspricht mit Kontaktierungen 4a, 4b, 6a, 6b für die Wheatstone- Brückenschaltung 16. Zusätzlich ist nun eine weitere n-dotierte Wanne 14 angeordnet, die die beiden Wannen 10, 11 umfasst und die wiederum in einer p-dotierten Wanne 15 angeordnet ist. Das Betreiben zum Auslesen von elektrischen Signalen der Wheatstone- Brückenschaltung 16 und zum Bereitstellen von Wärmeenergie ist hierbei wiederum wie folgt, wobei hier der Stromfluss 50 im Heizmodus von der Wanne 10 zur zusätzlichen Wanne 14 erfolgt. Der Stromfluss 50 im Heizmodus erfolgt hierbei im Wesentlichen von innen nach außen. Weiterhin ist eine zusätzliche Kontaktierung 12 angeordnet, die auf dem gleichen Potential wie die Kontaktierung 4b liegt und für eine gleichmäßige Beaufschlagung der Durchkontaktierungen 60a mit elektrischer Spannung sorgt.
Figur 3 zeigt einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Im Detail ist in Figur 3 ein MEMS-Sensor 1 gemäß Figur 2 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Sensor 1 gemäß Figur 2 beim MEMS-Sensor 1 gemäß Figur 3 nun eine zusätzliche Kontaktierung 13 angeordnet, die es ermöglicht, unabhängig von der jeweiligen Spannungsbeaufschlagung der Kontaktierungen 4a, 4b, parallel zu heizen und zu messen: Hierzu kann beispielsweise eine Versorgungsspannung VDD an die Kontaktierung 4a angelegt werden und die Kontaktierung 4b geerdet werden und an die zusätzliche Kontaktierung 13 kann die negative Versorgungsspannung -VDD angelegt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann anstelle oder zusätzlich zur durch die Bereiche 10, 11, 14, 15 gebildeten Dioden eine separate Temperatursensordiode 8 oder auch ein Temperatur-Sensor-MOSFET verwendet werden. Diese kann bei niedrigen Strömen als Temperatursensor verwendet werden und bei hohen Strömen können diese als alternatives oder zusätzliches Heizelement betrieben werden.
Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf: • Kleiner Bauraum.
• Reduzierte Kosten.
• Kleinere Chipfläche für den MEMS-Sensor.
• Einfache Implementierung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. MEMS-Sensor (1), umfassend
eine auslenkbar angeordnete Funktionsschicht (3),
eine Umwandlungseinrichtung (2) zur Umwandlung einer Auslenkung der Funktionsschicht (3) in ein elektrisches Signal, wobei die Umwandlungseinrichtung (2) zumindest ein elektrisches Element umfasst,
wobei das zumindest eine elektrische Element (9) mit einem ersten Bereich (10) zumindest teilweise elektrisch verbunden ist und wobei der erste Bereich (10) mit einem zweiten Bereich (11) zumindest teilweise elektrisch verbunden und wobei erster und zweiter Bereich (10, 11) und/oder erster Bereich (10) und das zumindest eine elektrische Element (9) in einer Sperr- und einer Durchlassrichtung elektrisch betreibbar sind und
eine Steuereinrichtung (5), wobei
die Steuereinrichtung (5) ausgebildet ist, das zumindest eine elektrische Element (9) und den ersten Bereich (10) und/oder den ersten Bereich (10) und den zweiten Bereich (11) in Durchlassrichtung zumindest teilweise zum Bereitstellen von Wärmeenergie zu betreiben.
2. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die Sperr- und Durchlassrichtung von erstem Bereich (10) und zumindest einem elektrischen Element (9) einerseits und von erstem Bereich (10) und zweitem Bereich (11) andererseits entgegengesetzt sind.
3. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die Umwandlungseinrichtung (2) eine Wheatstone- Brückenschaltung mit zumindest vier elektrischen Elementen in Form von Widerständen (9) umfasst.
4. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 3, wobei die elektrischen Widerstände (9) implantierte oder eindiffundierte piezo-resistive Widerstände sind.
5. MEMS-Sensor gemäß zumindest einem der Ansprüche 1-4, wobei die Steuereinrichtung (5) ausgebildet ist, den ersten und zweiten Bereich (10, 11) temporär in Sperrrichtung und temporär in Durchlassrichtung zu betreiben.
6. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der erste Bereich (10) in Form einer Wanne ausgebildet ist, in der das zumindest eine elektrische Element (9) angeordnet ist, insbesondere wobei Wanne (10) und das zumindest eine elektrische Element (9) unterschiedliche Dotierung aufweisen.
7. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei der erste und/oder der zweite Bereich (10, 11) mittels jeweils einer Mehrzahl von Kontaktierungen, insbesondere Durchkontaktierungen (60a, 60b) mit einer Spannung beaufschlagbar ist.
8. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei die auslenkbar angeordnete Funktionsschicht (3) im ersten Bereich (10) angeordnet ist.
9. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei zumindest ein zusätzliches Umgebungselement (14, 15), insbesondere in Form einer zusätzlichen Wanne, angeordnet ist und wobei das zumindest eine zusätzliche Umgebungselement (14, 15) so ausgebildet ist, dass es den ersten Bereich (10) und den zweiten Bereich (11) zumindest teilweise umgibt.
10. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei zumindest eine zusätzliche
Kontaktierung (12, 13) angeordnet ist und die Steuereinrichtung (5) ausgebildet ist, Wärmeenergie mittels Betreiben des ersten und zweiten Bereichs (10, 11) in
Durchlassrichtung bereitzustellen und zeitlich parallel die Umwandlungsrichtung (2) so zu betreiben, dass ein elektrisches Signal von der Umwandlungseinrichtung (2) bereitstellbar ist.
11. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei ein
Temperaturmesselement (8), insbesondere eine Diode (8) angeordnet ist, und die Steuereinrichtung (5) ausgebildet ist, das Temperaturmesselement (8) zum Bereitstellen von Wärmeenergie zu betreiben.
12. Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Sensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1- 11, wobei mittels der Steuereinrichtung (5) der erste und zweite Bereich (10, 11) in Durchlassrichtung zumindest teilweise zum Bereitstellen von Wärmeenergie betrieben wird.
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