WO2021104883A1 - Mikromechanische vorrichtung mit lokaler temperaturerfassung - Google Patents

Mikromechanische vorrichtung mit lokaler temperaturerfassung Download PDF

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WO2021104883A1
WO2021104883A1 PCT/EP2020/081821 EP2020081821W WO2021104883A1 WO 2021104883 A1 WO2021104883 A1 WO 2021104883A1 EP 2020081821 W EP2020081821 W EP 2020081821W WO 2021104883 A1 WO2021104883 A1 WO 2021104883A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
substrate
temperature gradient
component
mems
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/081821
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Reinmuth
Amin Jemili
Rolf Scheben
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0083—Temperature control
    • B81B7/0087—On-device systems and sensors for controlling, regulating or monitoring

Definitions

  • the invention is based on a micromechanical component with a first sub strate and a second substrate which enclose a cavern, wherein in the Ka verne a seismic mass is movably arranged.
  • Micromechanical sensors for measuring, for example, acceleration, rotation rate and pressure are known and are mass-produced for many applications in the automotive and consumer sectors.
  • Micromechanical components are usually connected to a printed circuit board 1. Other components are usually attached to this circuit board, some of which can deliver a lot of power. A strong temperature gradient 2 can therefore be impressed on the MEMS component via the printed circuit board (FIG. 1).
  • MEMS components such as acceleration sensors usually have a movable mass (4) whose deflection is measured when acceleration is applied.
  • the movable mass is usually enclosed in a cavity 5 between two substrates 6, 7 with a defined gas and pressure.
  • the gas serves as a damping medium and is required for high-precision acceleration sensors, for example to suppress high-frequency parasitic modes of the sensor mechanics.
  • the disadvantage of the gas inclusion is that if the temperature gradient is applied to the cavern, the gas can transmit radiometric forces to the movable mass and thus cause a false signal.
  • the effect corresponds to the same radiometric effect that is used as a drive in a light mill.
  • the effect causes an additional force on the seismic mass of the acceleration sensor, which is not caused by an external acceleration can be distinguished. With the typical small masses of today's small acceleration sensors, the effect can cause a very large false signal.
  • the error mechanisms that occur due to insufficient mechanical damping are subdivided into a vibration-related offset change and a vibration-related increase in sensor noise.
  • Z-acceleration sensors are particularly sensitive to such effects. They are usually implemented as a rocker with an asymmetrical mass distribution.
  • rockers there are different designs of such rockers. In the simplest case, it is an asymmetrical mass suspended from a torsion spring 8, the deflection of which is measured capacitively to two counter-electrodes 9, 10 firmly anchored on the substrate (FIG. 3a). Due to the asymmetry of the mass, a vertical temperature gradient causes radiometric forces of different strengths on the two sides of the rocker, which leads to a deflection. The effect can be reduced somewhat with additional layers and suitable geometric adjustments, but it can never be completely avoided.
  • a horizontal temperature gradient always causes an asymmetrical force in a rocker arrangement, which leads to a false signal (Fig. 3b).
  • a MEMS component with a seismic mass is sought, which allows an exact measurement of the acceleration even with high damping and with a temperature gradient applied to the component.
  • the invention is based on a micromechanical component with a first sub strate and a second substrate which enclose a cavern, wherein in the Ka verne a seismic mass is movably arranged.
  • the essence of the invention is that the micromechanical component has at least two Temperaturmessnch- ler at a distance from one another for measuring temperatures at at least two locations on the component.
  • An advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the first substrate, the second substrate and the seismic mass are arranged parallel to a main plane of extension (x, y) and the micromechanical component is at least two temperature sensors spaced apart in a first direction has parallel to the main extension plane (x, y). In this way, a horizontal temperature gradient can advantageously be measured directly.
  • the at least two temperature sensors are arranged on the first substrate or on the second substrate. This is technically easy to implement.
  • An advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that at least one of the two temperature sensors is arranged in a cavern area or in a connecting area or in a transition area between the cavern area and the connecting area.
  • Important local horizontal temperature gradients can advantageously be measured here, from which one can infer the vertical temperature gradient.
  • An advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the two temperature measuring sensors are arranged at the same distance from a connection area. In this way, a horizontal temperature gradient with respect to the movable mass can advantageously be measured particularly precisely.
  • An advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that a third temperature sensor is arranged in a connection area and the two temperature sensors are arranged symmetrically to this connection area. In this way, an important local temperature gradient can advantageously be measured particularly precisely.
  • An advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the first substrate, the second substrate and the seismic mass are arranged parallel to a main extension plane (x, y) and the micromechanical component is at least two temperature sensors at a distance from one another in a second direction perpendicular to the main plane of extension (x, y). In this way, a vertical temperature gradient can advantageously be measured directly.
  • a first temperature measuring sensor is arranged on the first substrate and a second temperature measuring sensor is arranged on the second substrate, because this is easy to implement technically.
  • a particularly advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the component has a processing device which is set up to determine a first horizontal temperature gradient in a direction parallel to the main extension plane (x, y) from measured values of the at least two temperature sensors.
  • a temperature-compensated MEMS component for horizontal gradients can advantageously be created.
  • a particularly advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the component has a processing device which is configured to use measured values from the at least two temperature sensors to generate a second vertical temperature gradient in a direction (z) perpendicular to the main extension plane (x, y) determine.
  • a temperature-compensated MEMS component for vertical gradients can advantageously be created.
  • a particularly advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the component has a processing device which is set up to determine a second vertical temperature gradient in a direction perpendicular to the main extension plane (x, y) from measured values of the at least two or three temperature sensors .
  • a temperature-compensated MEMS component for vertical gradients with horizontal temperature measurement can advantageously be created.
  • a particularly advantageous embodiment of the micromechanical component according to the invention provides that the component has a processing device which is configured to use measured values from the at least two or three temperature sensors to generate a first horizontal temperature gradient in a direction parallel to the main extension plane (x, y) and determine a second vertical temperature gradient in a direction perpendicular to the main extension plane (x, y), wherein the processing device is further configured to correct the second temperature gradient as a function of the first temperature gradient.
  • the accuracy of an indirect determination of the vertical temperature gradient that is to say from horizontal temperature measurement values, can advantageously be improved.
  • the invention also relates to a method for calibrating a MEMS component via a temperature gradient.
  • different temperatures are applied to the component as early as the manufacturing process and this enables a comparison via temperature gradients.
  • the invention consists in measuring the temperature and thus the temperature gradient applied to the MEMS component at several points.
  • the measured acceleration signal of a sensor can then advantageously be corrected with a compensation value that is dependent on the temperature gradient.
  • It is proposed to measure the temperature at several locally different points on one of the two substrates, preferably on a side facing the MEMS component.
  • a method is proposed to determine both the horizontal and the vertical temperature gradient from the measured values and in particular to compensate for them.
  • a method is proposed in which the vertical temperature gradient can be derived from a measurement of temperatures on a substrate.
  • Figure 1 shows schematically a MEMS component on a circuit board in the prior art.
  • FIG. 2 schematically shows a bare die MEMS component on a circuit board in the prior art.
  • Figures 3a and b show schematically a MEMS X acceleration sensor and the effect of a horizontal temperature gradient.
  • Figures 3c and d schematically show a MEMS Z acceleration sensor and the effect of a vertical temperature gradient.
  • FIG. 4a and b show schematically an inventive MEMS component in a first and a second embodiment.
  • FIG. 5 schematically shows a MEMS component according to the invention in a third exemplary embodiment.
  • FIG. 6 schematically shows a MEMS component according to the invention in a fourth exemplary embodiment.
  • FIGS. 7 a and b schematically show a MEMS component according to the invention in a fifth exemplary embodiment.
  • FIG. 8 schematically shows a MEMS component according to the invention in a sixth exemplary embodiment with a bare die structure.
  • FIG. 9 schematically shows a method according to the invention for calibrating a MEMS component over a temperature gradient.
  • FIG. 1 shows schematically a MEMS component on a circuit board in the prior art.
  • An integrated MEMS component 100 is shown which has a MEMS and an integrated circuit (IC) 140 in a common BGA housing 110 made of potting compound.
  • the MEMS consists of a first substrate 6, namely a cap and a second substrate 7, a MEMS substrate.
  • the two substrates enclose a cavern 5 in which a seismic mass 4 is movably arranged.
  • the seismic mass is a surface micromechanical structure that is suspended from the MEMS substrate.
  • the MEMS component 100 has a wiring level 120 and is connected to a circuit board 1 by means of solder contacts 130.
  • the circuit board 1 has a cold area 101, a warm area 102 and, as a result, a temperature gradient 2.
  • a strong temperature gradient 2 can likewise be impressed on the MEMS component via the circuit board. If there is a temperature difference between circuit board 1 and environment 3, a vertical temperature gradient is created in the MEMS component.
  • FIG. 2 schematically shows a bare-die MEMS component on a circuit board in the prior art.
  • the MEMS component consists of a first substrate 6, namely a cap and a second substrate 7, here a multilayer substrate consisting of a thin MEMS substrate and an underlying ASIC 140.
  • the two substrates enclose a cavity 5 in which a seismic mass 4 is movable is arranged.
  • the seismic mass is a surface micromechanical structure that is suspended from the MEMS substrate.
  • the MEMS component 100 is connected to a circuit board 1 by means of solder contacts 130.
  • the circuit board 1 has a cold area 101, a warm area 102 and, as a result, a temperature gradient 2.
  • FIG. 3a shows schematically an x acceleration sensor.
  • the sensor has a first substrate 6 and a second substrate 7, which are arranged parallel to a main extension plane (x, y) and enclose a cavern 5.
  • a seismic mass (30) which is suspended on springs 31 such that it can move in the X direction.
  • a deflection of the seismic mass 4 as a result of an acceleration in the x direction is measured.
  • the distance between the seismic mass and a counter electrode 32 anchored on the second substrate is measured capacitively.
  • FIG. 3b shows schematically an x acceleration sensor with a horizontal temperature gradient.
  • a horizontal temperature gradient in the circuit board also causes a horizontal temperature gradient in the MEMS chip, which exerts a force on the seismic mass in the x detection direction and thus leads to a false signal.
  • FIG. 3c schematically shows a z acceleration sensor.
  • the sensor has a first substrate 6 and a second substrate 7, which are arranged parallel to a main extension plane (x, y) and enclose a cavern 5.
  • a seismic mass 4 in the form of an asymmetrical rocker is movably suspended.
  • the rocker is suspended in its axis of rotation, which lies in the main extension plane, by means of a torsion spring 8 and is anchored to the second substrate 7.
  • a deflection of the seismic mass 4 as a result of an acceleration in the z direction is measured as a rotation of the rocker about the axis of rotation.
  • FIG. 3d schematically shows a z acceleration sensor with a horizontal temperature gradient.
  • a horizontal temperature gradient in the circuit board causes a horizontal temperature gradient in the MEMS chip and consequently also a vertical temperature gradient, which then leads to a false signal in a rocker arrangement.
  • the cause is the lack of symmetry of the MEMS chip arrangement on the circuit board. Only an arrangement of a MEMS chip between two circuit boards with the same temperature gradient could produce this symmetry. The effect of the asymmetry can also be seen in FIG. 3d.
  • the substrate 7 is connected to the circuit board.
  • a strong horizontal temperature gradient (33) forms in the substrate 7.
  • the substrate 6 is only indirectly connected to the circuit board via the substrate 7 a related party.
  • a weaker horizontal temperature gradient (34) forms. The different horizontal temperature gradients in the two substrates cause a vertical temperature gradient from substrate 7 to 6 in the MEMS chip.
  • FIG. 4a schematically shows a MEMS component according to the invention in a first exemplary embodiment.
  • the micromechanical component has at least two temperature sensors 12, 13 at a distance from one another in order to measure at least two temperatures TI and T2 in a spatially resolved manner and to determine a temperature gradient (T2-T1) therefrom.
  • this gradient can be used to compensate for an error signal (see FIGS. 3 a and b).
  • temperature compensation can also be carried out with the Z acceleration sensor shown.
  • a vertical temperature gradient follows from the horizontal temperature gradient, which leads to a false signal.
  • a z acceleration sensor to calculate compensation values for the measured acceleration and thus to compensate for the value to be output by the acceleration sensor.
  • two temperature sensors 12, 13 are arranged at said positions for this purpose, as shown in FIG.
  • FIG. 4b schematically shows a MEMS component according to the invention in a second exemplary embodiment.
  • the movable MEMS structure is not symmetrically arranged within the bond frame, it is beneficial, in symmetry with respect to the mass or spring of the movable MEMS structure, to provide at least two temperature measuring points on one of the two substrates and to calculate a compensation value from the temperature measured values .
  • the temperature can of course also be measured at more than two points and the temperature gradient can be averaged relative to the position of the movable MEMS element.
  • the two temperature measuring sensors 12, 13 are arranged on an inner surface of the second substrate or near the surface of the cavern 5.
  • FIG. 5 schematically shows a MEMS component according to the invention in a third exemplary embodiment.
  • a vertical temperature gradient 22 i.e. in the z-direction (shown by the two arrows to the left and right of the seismic mass 4 in the MEMS component)
  • At least one temperature sensor each is arranged on the inside of the first and second substrate 6, 7.
  • FIG. 6 schematically shows a MEMS component according to the invention in a fourth exemplary embodiment.
  • the acceleration sensor is net angeord in a cavern between two substrates.
  • the connection between the two substrates is formed by a bonding process.
  • the wafer stack consisting of the two substrates has a higher thermal conductivity in the vertical direction in the bonding frame area 11, in which there is a fixed connection between the two types of substrates, than in the area of the cavern, in which heat transport is predominantly enclosed via that in the cavern sen gas takes place.
  • a vertical temperature gradient 22 is applied to the component, this temperature gradient is converted into a horizontal temperature gradient 17 in the transition area between the bond frame area and the cavity area due to the different thermal conductivity of the two areas.
  • the global horizontal gradient is determined with two sensors, e.g. TI and T4, which have a large distance.
  • a local gradient is determined with two further sensors, e.g. TI and T2, with a small distance and suitable position, for example close to the bond frame. If the local, horizontal gradient deviates significantly from the global, horizontal gradient, this is an indication of a vertical gradient. If you subtract the global horizontal gradient from local gradients, the local gradient should primarily only be a function of that of the horizontal gradients.
  • the temperature gradient can also be determined and averaged at at least two, as symmetrical as possible, locations at two opposite transition areas 18 and 19, thereby also compensating for a homogeneous horizontal temperature gradient.
  • the temperatures TI, T2, T3 and T4 are measured at four points in accordance with the example above.
  • FIGS. 7 a and b schematically show a MEMS component according to the invention in a fifth exemplary embodiment.
  • FIG. 7a shows a MEMS component with a vertical temperature gradient impressed from the outside.
  • the device has an additional bond connection 20 within the bond frame 11.
  • Temperature measuring points TI, T2 and T3 are arranged in the connection area created by the bond frame and at a distance next to it in order to be able to measure the vertical temperature gradients particularly precisely in the vicinity of the connection area.
  • a connection surface 201 is proposed which is narrower than the bond frame 11. Due to the small extent of this water surface and the possibility of measuring the temperature gradient in two or four directions, one is particularly well able to determine the vertical temperature gradient. Due to the local limitation of all measuring points, an additional horizontal gradient can also be calculated out. The measurement accuracy can be increased even further if the respective structure on the two subsets has a particularly good thermal conductivity in the area of the connection surface.
  • suitable measures can be used to locally grow monocrystalline silicon, which has a 5-10 times higher thermal conductivity (compared to polysilicon), and many contact holes with metal fillings can be arranged on the ASIC substrate in order to also be used in This Be rich to achieve a particularly good vertical thermal conductivity and thus to ensure a particularly good conversion of a vertical temperature gradient into a local horizontal temperature gradient.
  • FIG. 8 schematically shows a MEMS component according to the invention in a sixth exemplary embodiment with a “bare-die” structure.
  • CMOS temperature measuring element and
  • the local temperature of the ASIC can be shot very precisely by measuring the forward voltage of the diode, without the need for additional additional work.
  • the MEMS element is electrically connected to the ASIC. Therefore, a structure can be formed in or next to the MEMS structure that serves as a temperature resistor and is evaluated as such. It is particularly favorable if this temperature measurement structure is mechanically and thermally coupled to the MEMS substrate.
  • FIG. 9 schematically shows a method according to the invention for calibrating a MEMS component over a temperature gradient with the following steps:
  • A Calibrating the MEMS component, in particular offset and sensitivity, in a first operating state.
  • B Heating the MEMS component in a second operating state in order to generate a temperature difference DT therein.
  • C Measurement of at least two temperatures with at least two temperature sensors at a distance from one another for measuring temperatures at at least two locations on the component and determining a temperature gradient.
  • step D Reading out the offset change caused by step B from the MEMS component and determining a coefficient using the temperature gradient from step C.
  • the process is as follows:
  • Step A The MEMS component, especially a sensor, is trimmed under normal conditions (offset and sensitivity).
  • Step B The evaluation circuit sends current through the heating element on the Sen sor to generate a temperature difference DT.
  • Step C The temperature sensor on the evaluation ASIC measures the temperature change caused by the heating in step B.
  • Step D The offset change caused by step B is read out and used to determine a coefficient with the aid of the temperature gradient from step C.
  • an external system would be used as the heating element, which, for example, has the same dimensions as a wafer and is placed on a wafer stack comprising the first and second substrate to compensate for this error for a large number of MEMS components.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauteil mit einem ersten Substrat (6) und einem zweiten Substrat (7), welche eine Kaverne (5) umschließen, wobei in der Kaverne (5) eine seismische Masse (4) beweglich angeordnet ist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass das mikromechanische Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfühler (12, 13, 15, 16) mit einem Abstand voneinander zur Messung von Temperaturen an wenigstens zwei Orten des Bauteils aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibrierung eines MEMS-Bauteils über einen Temperaturgradienten.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanische Vorrichtung mit lokaler Temperaturerfassung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauteil mit einem ersten Sub strat und einem zweiten Substrat, welche eine Kaverne umschließen, wobei in der Ka verne eine seismische Masse beweglich angeordnet ist.
Mikromechanische Sensoren (MEMS) zur Messung von beispielsweise Beschleuni gung, Drehrate und Druck sind bekannt und werden für viele Anwendungen im Auto mobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
Zwei wesentliche Trends in der Consumer-Elektronik sind eine Miniaturisierung und höhere Genauigkeitsanforderungen.
Mikromechanische Bauelemente werden üblicherweise auf einer Leiterplatte 1 aufgelö tet. Auf dieser Leiterplatte werden meist weitere Bauteile aufgebracht, die zu Teil viel Leistung abgeben können. Daher kann über die Leiterplatte auf das MEMS-Bauteil ein starker Temperaturgradient 2 eingeprägt werden (Fig. 1).
MEMS-Bauteile wie Beschleunigungssensoren besitzen üblicherweise eine bewegliche Masse (4), deren Auslenkung bei einer anliegenden Beschleunigung gemessen wird. Die bewegliche Masse ist meist in einer Kaverne 5 zwischen zwei Substraten 6, 7 mit definiertem Gas und Druck eingeschlossen. Das Gas dient als Dämpfungsmedium und wird für hochgenaue Beschleunigungssensoren benötigt, um beispielsweise hochfre quente parasitäre Moden der Sensormechanik zu unterdrücken.
Nachteilig an dem Gaseinschluss ist, dass das Gas bei einem an der Kaverne anlie genden Temperaturgradient radiometrische Kräfte auf die bewegliche Masse übertra gen kann, und damit ein Fehlsignal verursachen kann.
Der Effekt entspricht dem gleichen radiometrischen Effekt der in einer Lichtmühle als Antrieb genutzt wird. Der Effekt verursacht eine Zusatzkraft auf die seismische Masse des Beschleunigungssensors, der nicht von einer außen anliegenden Beschleunigung unterschieden werden kann. Der Effekt kann bei den typischen kleinen Massen der heutigen kleinen Beschleunigungssensoren ein sehr großes Fehlsignal hervorrufen.
Um diesen Effekt zu reduzieren kann man Druck reduzieren, damit wird auch die Dämpfung reduziert und damit wird die Empfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Be- schleunigungs-Stör-Signalen erhöht.
Die eintretenden Fehlermechanismen, welche durch zu niedrige mechanische Dämp fung entstehen, werden unterteilt in vibrationsbedingte Offsetänderung und vibrations bedingte Erhöhung des Sensorrauschens.
Besonders empfindlich für derartige Effekte sind Z-Beschleunigungssensoren. Sie werden meist als Wippe mit einer asymmetrischen Massenverteilung realisiert.
Es gibt unterschiedlich Ausführungen derartiger Wippen. Im einfachsten Fall handelt es sich um eine asymmetrisch, an einer Torsionsfeder 8 aufgehängte Masse, deren Aus lenkung kapazitiv zu zwei fest auf dem Substrat verankerten Gegenelektroden 9, 10 gemessen wird (Fig. 3a). Ein vertikaler Temperaturgradient bewirkt aufgrund der Asymmetrie der Masse unterschiedlich starke radiometrische Kräfte auf den beiden Wippenseiten, wodurch es zu einer Auslenkung kommt. Über zusätzlicher Schichten und geeignete geometrische Anpassungen kann der Effekt etwas reduziert werden, er kann aber nie ganz vermeiden werden.
Ein horizontaler Temperaturgradient verursacht in einer Wippenanordnung immer eine asymmetrische Kraft, die zu einem Fehlsignal führt (Fig. 3b).
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102015 222 756 Al ist ein mikromechani scher Drucksensor bekannt, an dessen Membran neben Messwiderständen für die Verformung auch Temperaturmessfühler angeordnet sind.
Aufgabe der Erfindung
Es wird ein MEMS-Bauteil mit seismischer Masse gesucht, welches auch bei hoher Dämpfung und bei einem am Bauteil anliegenden Temperaturgradienten eine genaue Messung der Beschleunigung erlaubt.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauteil mit einem ersten Sub strat und einem zweiten Substrat, welche eine Kaverne umschließen, wobei in der Ka verne eine seismische Masse beweglich angeordnet ist. Der Kern der Erfindung be steht darin, dass das mikromechanische Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfüh- ler mit einem Abstand voneinander zur Messung von Temperaturen an wenigstens zwei Orten des Bauteils aufweist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils sieht vor, dass das erste Substrat, das zweite Substrat und die seismische Masse pa rallel zu einer Haupterstreckungsebene (x, y) angeordnet sind und das mikromechani sche Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfühler mit einem Abstand voneinander in einer ersten Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x, y) aufweist. Vorteil haft kann hierdurch direkt ein horizontaler Temperaturgradient gemessen werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die wenigstens zwei Temperaturmessfühler an dem ersten Substrat oder an dem zweiten Substrat angeordnet sind. Das ist technisch einfach zu realisieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils sieht vor, dass mindestens einer der zwei Temperaturmessfühler in einem Kavernen bereich oder in einem Verbindungsbereich oder in einem Übergangsbereich zwischen Kavernenbereich und Verbindungsbereich angeordnet ist. Vorteilhaft lassen sich hier wichtige lokale horizontale Temperaturgradienten messen, aus denen man auf den vertikalen Temperaturgradienten schließen kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils sieht vor, dass die zwei Temperaturmessfühler mit einem gleichen Abstand von einem Verbindungsbereich angeordnet sind. Vorteilhaft lässt sich hierdurch ein horizontaler Temperaturgradient in Bezug auf die bewegliche Masse besonders genau messen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils sieht vor, dass ein dritter Temperaturmessfühler in einem Verbindungsbereich ange ordnet ist und die zwei Temperaturmessfühler symmetrisch zu diesem Verbindungsbe reich angeordnet sind. Vorteilhaft lässt sich hierdurch ein wichtiger lokaler Temperatur gradient besonders genau messen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils sieht vor, dass das erste Substrat, das zweite Substrat und die seismische Masse pa rallel zu einer Haupterstreckungsebene (x, y) angeordnet sind und das mikromechani sche Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfühler mit einem Abstand voneinander in einer zweiten Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) aufweist. Vor teilhaft lässt sich hierdurch ein vertikaler Temperaturgradient direkt messen.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass ein erster Temperaturmessfühler an dem ersten Substrat und ein zweiter Temperaturmessfühler an dem zweiten Substrat angeordnet ist, weil dies technisch leicht zu realisieren ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechani schen Bauteils sieht vor, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, wel che dazu eingerichtet ist aus Messwerten der wenigstens zwei Temperaturmessfühler einen ersten horizonztalen Temperaturgradienten in einer Richtung parallel zur Haupt erstreckungsebene (x, y) zu bestimmen. Vorteilhaft kann so ein temperaturkompensier tes MEMS Bauteil für horizontale Gradienten geschaffen werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechani schen Bauteils sieht vor, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, wel che dazu eingerichtet ist, aus Messwerten der wenigstens zwei Temperaturmessfühler einen zweiten vertikalen Temperaturgradienten in einer Richtung (z) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen. Vorteilhaft kann so ein temperaturkom pensiertes MEMS Bauteil für vertikale Gradienten geschaffen werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechani schen Bauteils sieht vor, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, wel che dazu eingerichtet ist aus Messwerten der wenigstens zwei oder drei Temperatur messfühler einen zweiten vertikalen Temperaturgradienten in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen. Vorteilhaft kann so ein temperatur kompensiertes MEMS Bauteil für vertikale Gradienten bei horizontaler Temperatur messung geschaffen werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikromechani schen Bauteils sieht dabei vor, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung auf weist, welche dazu eingerichtet ist aus Messwerten der wenigstens zwei oder drei Temperaturmessfühler einen ersten horizontalen Temperaturgradienten in einer Rich tung parallel zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen und einen zweiten verti kalen Temperaturgradienten in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen, wobei die Verarbeitungseinrichtung weiter dazu eingerichtet ist, den zweiten Temperaturgradienten in Abhängigkeit vom ersten Temperaturgradienten zu korrigieren. Vorteilhaft kann hierdurch die Genauigkeit einer indirekten Bestimmung des vertikalen Temperaturgradienten, das heißt aus horizontalen Temperaturmesswer ten, verbessert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kalibrierung eines MEMS-Bauteils über einen Temperaturgradienten. Vorteilhaft wird das Bauteil schon im Herstellungsprozess mit verschiedenen Temperaturen beaufschlagt und hierdurch ein Abgleich über Tem peratu rgradienten ermöglicht.
Zusammenfassen besteht die Erfindung darin, an mehreren Stellen die Temperatur und somit den Temperaturgradienten der am MEMS-Bauteil anliegt zu messen. Das gemessene Beschleunigungssignal eines Sensors kann dann vorteilhaft mit einem vom Temperaturgradienten abhängigen Kompensationswert korrigiert werden. Es wird vor geschlagen auf einer der beiden Substrate, bevorzugt auf einer dem MEMS-Bauteil zugewandte Seite die Temperatur an mehreren örtlich unterschiedlichen Punkten zu messen. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, um aus den Messwerten sowohl den horizontalen als auch den vertikalen Temperaturgradienten zu bestimmen und insbe sondere zu kompensieren. Insbesondere wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem aus einer Messung von Temperaturen auf einem Substrat der vertikale Temperatur gradient abgeleitet werden kann.
Zeichnung
Figur 1 zeigt schematisch ein MEMS Bauteil auf einer Leiterplatte im Stand der Tech nik.
Figur 2 zeigt schematisch eine Bare-Die-MEMS-Bauteil auf einer Leiterplatte im Stand der Technik.
Die Figuren 3a und b zeigen schematisch einen MEMS X-Beschleunigungssensor und die Wirkung eines horizontalen Temperaturgradienten.
Die Figuren 3c und d zeigen schematisch einen MEMS Z-Beschleunigungssensor und die Wirkung eines vertikalen Temperaturgradienten.
Die Figuren 4a und b zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in ei nem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel. Figur 5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem dritten Aus führungsbeispiel.
Figur 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem vierten Aus führungsbeispiel.
Die Figuren 7 a und b zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem fünften Ausführungsbeispiel.
Figur 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem sechsten Ausführungsbeispiel mit bare-die Aufbau.
Figur 9 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung eines MEMS Bauteils über einen Temperaturgradienten.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt schematisch ein MEMS Bauteil auf einer Leiterplatte im Stand der Tech nik. Dargestellt ist ein integriertes MEMS-Bauteil 100 welches in einem gemeinsamen BGA Gehäuse 110 aus Vergussmasse ein MEMS und eine integrierte Schaltung (IC) 140 aufweist. Das MEMS besteht aus einem ersten Substrat 6, nämlich einer Kappe und einem zweiten Substrat 7, einem MEMS Substrat. Die beiden Substrate umschlie ßen eine Kaverne 5 in der eine seismische Masse 4 beweglich angeordnet ist. Die seismische Masse ist eine oberflächen-mikromechanische Struktur, welche an dem MEMS Substrat aufgehängt ist.
Das MEMS Bauteil 100 weist eine Verdrahtungsebene 120 auf und ist mittels Lotkon takten 130 mit einer Leiterplatte 1 verbunden. Die Leiterplatte 1 weist einen kalten Be reich 101, einen warmen Bereich 102 und infolgedessen einen Temperaturgradienten 2 auf. Durch die Lotkontakte 130 und die räumliche Nähe kann über die Leiterplatte auf das MEMS-Bauteil ebenfalls ein starker Temperaturgradient 2 eingeprägt werden. Besteht zwischen Leiterplatte 1 und Umgebung 3 ein Temperaturunterschied, so ent steht im MEMS-Bauteil ein vertikaler Temperaturgradient.
Besteht ein horizontaler Temperaturgradient auf der Leiterpatte, so entsteht auch im MEMS-Bauteil ein horizontaler Temperaturgradient.
Ändert sich die Temperatur der Leiterplatte über Zeit, so entsteht im MEMS-Bauteil aufgrund dessen thermischer Masse und thermischer Leitfähigkeit ebenfalls ein Tem peratu rgradient, der sich hauptsächlich in vertikaler Richtung, aber auch gleichzeitig in horizontaler Richtung, ausbilden kann. Figur 2 zeigt schematisch ein bare-die MEMS-Bauteil auf einer Leiterplatte im Stand der Technik.
Das MEMS Bauteil besteht aus einem ersten Substrat 6, nämlich einer Kappe und ei nem zweiten Substrat 7, hier einem mehrschichtigen Substrat bestehend aus einem dünnen MEMS Substrat und einem darunterliegenden ASIC 140. Die beiden Substrate umschließen eine Kaverne 5 in der eine seismische Masse 4 beweglich angeordnet ist. Die seismische Masse ist eine oberflächen-mikromechanische Struktur, welche an dem MEMS Substrat aufgehängt ist. Das MEMS Bauteil 100 ist mittels Lotkontakten 130 mit einer Leiterplatte 1 verbunden. Die Leiterplatte 1 weist einen kalten Bereich 101, einen warmen Bereich 102 und infolgedessen einen Temperaturgradienten 2 auf.
Figur 3a zeigt schematisch einen x-Beschleunigungssensor. Der Sensor weist ein ers tes Substrat 6 und ein zweites Substrat 7 auf, welche parallel zu einer Haupterstre ckungsebene (x, y) angeordnet sind und eine Kaverne 5 umschließen. In der Kaverne befindet sich eine seismische Masse (30), die an Federn 31 in X-Richtung beweglich aufgehängt ist. Eine Auslenkung der seismischen Masse 4 infolge einer Beschleuni gung in x Richtung wird gemessen. Dazu wird kapazitiv der Abstand der seismischen Masse zu einer auf dem zweiten Substrat verankerten Gegenelektrode 32 gemessen.
Figur 3b zeigt schematisch einen x-Beschleunigungssensor mit einem horizontalen Temperaturgradienten. Ein horizontaler Temperaturgradient in der Leiterplatte verur sacht auch im MEMS-Chip einen horizontalen Temperaturgradienten, der eine Kraft auf die seismische Masse in die x- Detektionsrichtung ausübt und so zu einem Fehlsig nal führt.
Figur 3c zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor. Der Sensor weist ein ers tes Substrat 6 und ein zweites Substrat 7 auf, welche parallel zu einer Haupterstre ckungsebene (x, y) angeordnet sind und eine Kaverne 5 umschließen. In der Kaverne ist eine seismische Masse 4 in Form einer asymmetrischen Wippe beweglich aufge hängt. Die Wippe ist in ihrer Drehachse, welche in der Haupterstreckungsebene liegt, mittels einer Torsionsfeder 8 aufgehängt und an dem zweiten Substrat 7 verankert. Ei ne Auslenkung der seismischen Masse 4 infolge einer Beschleunigung in z Richtung wird als Drehung der Wippe um die Drehachse gemessen. Dazu wird kapazitiv der Ab stand der seismischen Masse 4 zu zwei fest auf dem zweiten Substrat 7 verankerten Gegenelektroden 9, 10 gemessen. Figur 3d zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit einem horizontalen Temperaturgradienten. Ein horizontaler Temperaturgradient in der Leiterplatte verur sacht einen horizontalen Temperaturgradienten im MEMS Chip und in der Folge auch einen vertikalen Temperaturgradienten, der dann in einer Wippenanordnung zu einem Fehlsignal führt. Ursache ist die fehlende Symmetrie der MEMS-Chip-Anordnung auf der Leiterplatte. Nur eine Anordnung eines MEMS-Chips zwischen zwei Leiterplatten mit gleichem Temperaturgradient könnte diese Symmetrie hersteilen. Die Auswirkung der Asymmetrie ist ebenfalls in Figur 3d zu erkennen. Das Substrat 7 ist mit der Leiter platte verbunden. Im Substrat 7 bildet sich ein starker horizontaler Temperaturgradient (33) aus. Das Substrat 6 ist nur indirekt über das Substrat 7 mit der Leiterplatte ver bunden. Es bildet sich ein schwächerer horizontaler Temperaturgradient (34) aus. Die unterschiedlichen horizontalen Temperaturgradienten in den beiden Substraten verur sachen damit auch einen vertikalen Temperaturgradienten von Substrat 7 zu 6 im MEMS Chip.
Figur 4a zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem ersten Ausführungsbeispiel. Erfindungsgemäß weist das mikromechanische Bauteil wenigs tens zwei Temperaturmessfühler 12, 13 mit einem Abstand voneinander auf, um orts aufgelöst wenigstens zwei Temperaturen TI und T2 zu messen und daraus einen Temperaturgradienten (T2-T1) zu bestimmen. Im Fall eines x-Beschleunigungssensors (nicht dargestellt) kann dieser Gradient für eine Kompensation eines Fehlersignals (siehe Figuren 3 a und b) genutzt werden. Aber auch bei dem dargestellten Z- Beschleunigungssensor kann eine Temperaturkompensation durchgeführt werden. Zunächst wird vorgeschlagen an mindesten zwei Position (12,13), die jeweils die glei che Lage und den gleichen Abstand zu dem benachbarten Bondrahmen 11 aufweisen, die Temperaturen TI und T2 zu messen und aus deren Differenz einen Temperatur gradienten zu bestimmen. Aus dem horizontalen Temperaturgradienten folgt hier ein vertikaler Temperaturgradient, welcher zu einem Fehlsignal führt. Durch indirekte Be stimmung des vertikalen Temperaturgradienten ist es auch für einen z- Beschleunigungssensor möglich, Kompensationswerte für die gemessene Beschleuni gung zu berechnen und den vom Beschleunigungssensor auszugebenden Wert damit zu kompensieren. Dazu ist es vorteilhaft, den Z-Sensor mittig in der Kaverne und die Temperaturmesspunkte mit einem gleichem Abstand neben dem Bondrahmen anzu- ordnen. An den besagten Positionen sind dazu erfindungsgemäß zwei Temperatur messfühler 12, 13 angeordnet, wie in der Figur 4a dargestellt.
Figur 4b zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Ist die bewegliche MEMS-Struktur nicht symmetrisch innerhalb der Bondrahmen ange ordnet, ist es günstig in Symmetrie zu der Masse oder der Feder der beweglichen MEMS-Struktur, mindesten zwei Temperaturmesspunkte auf einem der beiden Sub strate vorzusehen und aus den Temperaturmesswerten ein Kompensationswert zu be rechnen. Insbesondere bei Z-Sensor ist es günstig die beiden Temperaturmesspunkte symmetrisch und im gleichen Abstand zur Torsionsachse des Sensorelements mög lichst unterhalb der beweglichen Struktur auf dem Substrat anzuordnen.
Soll eine möglichst genaue Temperaturkompensation vorgenommen werden, kann die Temperatur natürlich auch an mehr als zwei Stellen gemessen werden und eine Mitte lung des Temperaturgradienten relativ zur Position des beweglichen MEMS-Elements vorgenommen werden.
Die zwei Temperaturmessfühler 12, 13 sind in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 4 a und b an einer inneren Oberfläche des zweiten Substrats oder oberflä chennah zur Kaverne 5 hin angeordnet.
Figur 5 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem dritten Aus führungsbeispiel. Soll die Wirkung eines vertikalen Temperaturgradienten 22, also in z- Richtung (dargestellt durch die zwei Pfeile links und rechts der seismischen Masse 4 im MEMS Bauteil kompensiert werden, kann man in einem einfachsten Ansatz, sowohl eine Temperatur TI auf der Innenseite des ersten Substrats 6 als auch eine Tempera tur T2 auf der Innenseite des zweiten Substrats 7 messen und aus diesen Werten ein Kompensationswert für das Auslenkungssignal der seismischen Masse 4 ableiten. Da zu werden wenigstens je ein Temperaturmessfühler auf der Innenseite des ersten und zweiten Substrats 6, 7 angeordnet.
Figur 6 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem vierten Aus führungsbeispiel.
Meist ist es technisch schwierig oder technisch nicht möglich auf beiden Substraten die Temperatur zu messen (Ausnahme siehe unten günstige Anordnung MEMS und ASIC- Integration). Es wird daher vorgeschlagen nur auf dem zweiten Substrat 7, in einem Übergangsbereich 18 zwischen den Bondrahmenbereich 11 und dem Kavernenbereich 5, über die Messung von mindestens zwei Temperaturpunkten 15, 16 den horizontalen Temperaturgradient 17 zu messen.
Der Beschleunigungssensor ist in einer Kaverne zwischen zwei Substraten angeord net. Die Verbindung zwischen den beiden Substraten ist durch ein Bondverfahren aus gebildet. Der Waferstack aus den beiden Substraten weist in dem Bondrahmenberei chen 11, in dem eine feste Verbindung zwischen den beiden Substarten besteht, in vertikaler Richtung eine größere thermische Leitfähigkeit aus als im der Bereich der Kaverne, in der ein Wärmetransport vorwiegend über das in der Kaverne eingeschlos sen Gas stattfindet. Liegt am Bauteil ein vertikaler Temperaturgradient 22 an, so wird dieser Temperaturgradient im Übergangsbereich zwischen den Bondrahmenbereich und dem Kavernenbereich aufgrund der dort unterschiedlichen thermischen Leitfähig keit der beiden Bereiche in einem horizontalen Temperaturgradienten 17 umgesetzt. Um den vertikalen Temperaturgradienten sauber von einem horizontalen Temperatur gradienten unterscheiden, wird vorgeschlagen den lokalen Temperaturgradienten im Übergangsbereich zwischen Bondrahmen und Kaverne mit einem Wert eines globalen horizontalen Temperaturgradienten zu kompensieren.
Das funktioniert alternativ oder ergänzend mit 2, 3 oder 4 Temperatursensoren. Mit zwei Sensoren z.B. TI und T4 die einen großen Abstand haben wird der globale hori zontale Gradient bestimmt. Mit zwei weiteren Sensoren z.B. TI und T2, mit geringem Abstand und geeigneter Position zum Beispiel nahe am Bondrahmen wird ein lokaler Gradient bestimmt. Weicht der lokale, horizontale Gradient stark vom globalen, hori zontalen Gradient ab so ist das ein Hinweis auf einen vertikalen Gradienten. Wenn man den globalen horizontalen Gradienten von lokalen Gradienten abzieht sollte der lokale Gradient in erster Ordnung nur noch eine Funktion die von horizontalen Gradien ten sein.
Alternativ können auch an mindesten zwei, möglichst symmetrischen Stellen an zwei entgegengesetzten Übergangsbereichen 18 und 19 der Temperaturgradient bestimmt werden und gemittelt werden, dadurch kann ein homogener horizontaler Temperatur gradient ebenfalls kompensiert werden. Dazu werden entsprechend dem obigen Bei spiel an vier Punkten die Temperaturen TI, T2, T3 und T4 gemessen.
Auch der vertikale Temperaturgradient kann wie der horizontale Gradient an mehr als einer Position gemessen werden und geeignet gemittelt werden. Die Figuren 7 a und b zeigen schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem fünften Ausführungsbeispiel.
In Figur 7a ist ein MEMS Bauteil mit einem von außen eingeprägten vertikalen Tempe ratu rgradienten dargestellt.
Die Vorrichtung weist eine zusätzliche Bondverbindung 20 innerhalb des Bondrahmens 11 auf. In dem durch den Bondrahmen geschaffenen Verbindungsbereich und in einem Abstand daneben sind Temperaturmessstellen TI, T2 und T3 angeordnet, um in der Umgebung des Verbindungsbereichs besonders genau den vertikalen Temperaturgra dienten messen zu können. Insbesondere wird eine Verbindungsfläche 201 vorge schlagen, die schmäler ist als der Bondrahmen 11. Durch die geringe Ausdehnung die ser Fläche und der Möglichkeit in zwei bzw. vier Richtungen den Temperaturgradienten zu messen, ist man besonders gut in der Lage den vertikalen Temperaturgradienten zu bestimmen. Durch die lokale Begrenzung aller Messpunkte kann auch ein zusätzlich anliegender horizontaler Gradient besonders herausgerechnet werden. Man kann die Messgenauigkeit noch weiter erhöhen, wenn man im Bereich der Verbindungsfläche eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Aufbaus auf den beiden Subs traten vornimmt. Im MEMS-Bereich kann beispielsweise durch geeignete Maßnahmen lokal einkristallines Silizium aufgewachsen werden, was ein 5-10-fach höhere Wärme leitfähigkeit (in Vergleich zu Polysilizium) besitzt, und auf den ASIC-Substrat können viele Kontaktlöcher mit Metallverfüllung angeordnet werden, um auch in diesem Be reich ein besonders gute vertikale Wärmeleitfähigkeit zu erreichen und damit ein be sonders gute Umwandlung eines vertikalen Temperaturgradient in einen lokalen hori zontalen Temperaturgradienten zu gewährleisten.
Figur 7b zeigt die selbe Anordnung wie Figur 7a. Das Bauteil weist aber einen vertika len und einen überlagerten horizontalen Temperaturgradienten auf. In Figur 7a ist nur ein vertikaler Gradient gezeigt. In Figur 7a gilt TI = T3. Es liegt also kein horizontaler Gradient vor. In Figur 7b gilt TI < T3. Auch ein horizontaler Gradient liegt vor. Mit den Figuren 7a und 7b wird also anschaulich, wie man schon mit 3 Temperaturmesswerten in einer Ebene sowohl einen horizontalen als auch einen vertikalen Gradienten messen und gleichzeitig unterscheiden kann.
Figur 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes MEMS Bauteil in einem sechsten Ausführungsbeispiel mit „bare-die“ Aufbau In dieser besonders günstigen Anordnung sind auf mindestens einem der beiden Substrate auf einer dem MEMS-Bauteil zuge- wandte Seite sowohl Temperaturmesselement als auch (CMOS)-Schaltungselemente 21 zur Auswertung der Signale des MEMS-Bauteils angeordnet. Günstig in dieser An ordnung ist, dass in einem Standard-CMOS-Prozess meist ohne Zusatzaufwand Tem peraturmesselemente realisiert werden können. Weiter kann die laterale Positionierung aufgrund des CMOS-Herstellungsprozesses sehr genau erfolgen. Weiter können die Temperaturmesselemente sehr genau vermessen werden, da Leitungen zu den Mess- Elementen aufgrund der Integration in die CMOS-Schaltung sehr kurz und definiert ausgelegt werden können. Aufgrund der Integration können auch sehr viele Messele mente auf der CMOS-Schaltung integriert werden, um eine möglichst genaue Kom pensation zu erreichen.
Auf dem ASIC kann in dieser Anordnung, ohne dass neu Zusatzaufwände nötig sind, über die Messung der Flussspannung von Diode sehr genau auf die lokale Temperatur des ASIC geschossen werden.
Weiter ist in diesem Ansatz das MEMS-Element elektrisch mit dem ASIC verbunden. Daher kann in oder neben der MEMS-Struktur eine Struktur ausgeformt werden, die als Temperaturwiderstand dient und als solcher ausgewertet wird. Besonders günstig ist es, wenn diese Temperaturmessstruktur mechanisch und thermisch an das MEMS- Substrat gekoppelt wird.
Noch günstiger ist es, wenn zwischen der MEMS-Struktur und dem MEMS-Substrat ei ne Polysiliziumstruktur, die auf dem MEMS-Substrat verankert ist, vorgesehen wird, und der temperaturabhängige Widerstand dieser Struktur gemessen wird.
Über die zuvor beschriebenen Eigenschaften hinaus, besteht zusätzlich die Möglichkeit eine Heizstruktur beispielsweise auf dem MEMS Sensor zu integrieren, welche dann für eine Kalibrierung im Herstellungsprozess, d.h. für die Ermittlung der Koeffizienten zur Übersetzung von Temperaturdifferenzen in einen Offset des Sensorsignals genutzt werden kann.
Figur 9 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung eines MEMS Bauteils über einen Temperaturgradienten mit den Schritten:
A: Kalibrieren des MEMS Bauteils, insbesondere Offset und Empfindlichkeit, in einem ersten Betriebszustand.
B: Heizen des MEMS Bauteils in einem zweiten Betriebszustand, um darin eine Tem peraturdifferenz DT zu erzeugen. C: Messung von wenigstens zwei Temperaturen mit wenigstens zwei Temperatur messfühler mit einem Abstand voneinander zur Messung von Temperaturen an we nigstens zwei Orten des Bauteils und Bestimmung eines Temperaturgradienten.
D: Auslesen der durch Schritt B bedingten Offset-Änderung aus dem MEMS Bauteil und Ermittlung eines Koeffizienten mithilfe des Temperaturgradienten aus Schritt C.
In einem ersten Ausführungsbeispiel stellt sich der Prozess wie folgt dar:
Schritt A: Das MEMS Bauteil, insbesondere ein Sensor, wird unter normalen Bedin gungen getrimmt (Offset und Empfindlichkeit). Schritt B: Der Auswerteschaltkreis schickt Strom durch das Heizelement auf dem Sen sor um eine Temperaturdifferenz DT zu erzeugen.
Schritt C: Der auf dem Auswerte ASIC befindliche Temperatursensor misst die Tempe raturänderung, welche durch das Heizen in Schritt B bedingt ist.
Schritt D: Die durch Schritt B bedingte Offsetänderung wird ausgelesen, und mithilfe des Temperaturgradienten aus Schritt C zur Ermittlung eines Koeffizienten genutzt.
Diese Vorgehensweise erlaubt es Prozessschwankungen des Verfahrens auszuschal ten.
In einem anderen Ausführungsbeispiel wäre als Heizelement eine externe Anlage zu verwenden, welche beispielsweise dieselben Dimensionen wie ein Wafer hat und zum Abgleich dieses Fehlers für eine Vielzahl von MEMS Bauteilen auf einen Waferstapel, umfassend das erste und zweite Substrat, aufgesetzt wird.
Bezugszeichenliste
1 Leiterplatte
2 Temperaturgradient der Leiterplatte
3 Umgebung
4 bewegliche Masse
5 Kaverne
6 erstes Substrat (Kappensubstrat)
7 zweites Substrat (MEMS Substrat, ASIC Substrat)
8 Torsionsfeder
9 erste Gegenelektrode
10 zweite Gegenelektrode
11 Bondrahmen
12 erster Temperaturmessfühler, symmetrisch zum Bondrahmen
13 zweiter Temperaturmessfühler, symmetrisch zum Bondrahmen
15 erster Temperaturmesspunkt
16 zweiter Temperaturmesspunkt
17 erster, horizontaler Temperaturgradient
18 erster Übergangsbereich
19 zweiter Übergangsbereich
20 zusätzliche Bondverbindung
21 CMOS Temperaturmessfühler
22 zweiter, vertikaler Temperaturgradient
30 seismische Masse
31 in X-Richtung bewegliche Federn
32 x-Gegenelektroden
33 starker horizontaler Temperaturgradient
34 schwächerer horizontaler Temperaturgradient
100 MEMS Bauteil
101 kalter Bereich der Leiterplatte
102 warmer Bereich der Leiterplatte
110 Vergussmasse
120 Verdrahtungsebene
130 Lotkontaktierung
140 IC
201 Verbindungsfläche

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauteil mit einem ersten Substrat (6) und einem zweiten Sub strat (7), welche eine Kaverne (5) umschließen, wobei in der Kaverne (5) eine seismi sche Masse (4) beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfühler (12, 13, 15, 16) mit einem Abstand voneinander zur Messung von Temperaturen an wenigstens zwei Orten des Bauteils aufweist.
2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (6), das zweite Substrat (7) und die seismische Masse (4) parallel zu ei ner Haupterstreckungsebene (x, y) angeordnet sind und das mikromechanische Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfühler (12, 13, 15, 16) mit einem Abstand voneinan der in einer ersten Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x, y) aufweist.
3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Temperaturmessfühler (12, 13, 15, 16) an dem ersten Substrat (6) oder an dem zweiten Substrat (7) angeordnet sind.
4. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2 oder , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der zwei Temperaturmessfühler in einem Kavernenbereich oder in einem Verbindungsbereich oder in einem Übergangsbereich zwischen Kavernenbe reich und Verbindungsbereich angeordnet ist.
5. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Temperaturmessfühler mit einem gleichen Abstand von einem Verbindungsbe reich angeordnet sind.
6. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Temperaturmessfühler in einem Verbindungsbereich angeordnet ist und die zwei Temperaturmessfühler symmetrisch zu diesem Verbindungsbereich angeordnet sind.
7. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (6), das zweite Substrat (7) und die seismische Masse (4) parallel zu ei ner Haupterstreckungsebene (x, y) angeordnet sind und das mikromechanische Bauteil wenigstens zwei Temperaturmessfühler (12, 13, 15, 16) mit einem Abstand voneinan der in einer zweiten Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) aufweist.
8. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Temperaturmessfühler an dem ersten Substrat (6) und ein zweiter Temperatur messfühler an dem zweiten Substrat (7) angeordnet ist.
9. Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, welche dazu einge richtet ist aus Messwerten der wenigstens zwei Temperaturmessfühler einen ersten Temperaturgradienten (17) in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen.
10. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, aus Messwerten der wenigstens zwei Temperaturmessfühler einen zweiten Tempera turgradienten (22) in einer Richtung (z) senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen.
11. Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist aus Messwerten der wenigstens zwei oder drei Temperaturmessfühler einen zweiten Temperaturgradienten (22) in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen.
12. Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass das Bauteil eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, welche dazu einge richtet ist aus Messwerten der wenigstens zwei oder drei Temperaturmessfühler einen ersten Temperaturgradienten (17) in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungs ebene (x, y) zu bestimmen und einen zweiten Temperaturgradienten (22) in einer Rich tung senkrecht zur Haupterstreckungsebene (x, y) zu bestimmen, wobei die Verarbei- tungseinrichtung weiter dazu eingerichtet ist, den zweiten Temperaturgradienten (22) in Abhängigkeit vom ersten Temperaturgradienten (17) zu korrigieren.
13. Verfahren zur Kalibrierung eines MEMS Bauteils über einen Temperaturgradienten mit den Schritten:
A: Kalibrieren des MEMS Bauteils, insbesondere Offset und Empfindlichkeit, in einem ersten Betriebszustand.
B: Heizen des MEMS Bauteils in einem zweiten Betriebszustand, um darin eine Tem peraturdifferenz DT zu erzeugen. C: Messung von wenigstens zwei Temperaturen mit wenigstens zwei Temperatur messfühler mit einem Abstand voneinander zur Messung von Temperaturen an we nigstens zwei Orten des Bauteils und Bestimmung eines Temperaturgradienten.
D: Auslesen der durch Schritt B bedingten Offset-Änderung aus dem MEMS Bauteil und Ermittlung eines Koeffizienten mithilfe des Temperaturgradienten aus Schritt C.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021204615A1 (de) 2021-05-06 2022-11-10 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Temperaturkompensation eines mikroelektromechanischen Sensors und mikroelektromechanischer Sensor
DE102021212930A1 (de) 2021-11-17 2023-05-17 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanisches Bauteil für eine Sensor- oder Aktorvorrichtung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060272413A1 (en) * 2005-06-04 2006-12-07 Vladimir Vaganov Three-axis integrated mems accelerometer
DE102015222756A1 (de) 2015-11-18 2017-05-18 Robert Bosch Gmbh Sensorelement für einen Drucksensor
US20190165759A1 (en) * 2017-11-29 2019-05-30 Seiko Epson Corporation Vibration device, electronic apparatus, and vehicle

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8327526B2 (en) * 2009-05-27 2012-12-11 The Boeing Company Isolated active temperature regulator for vacuum packaging of a disc resonator gyroscope
US10386385B2 (en) * 2015-10-28 2019-08-20 Epack, Inc. System with oven control and compensation for detecting motion and/or orientation
DE102017213636A1 (de) * 2017-08-07 2019-02-07 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Herstellung von dünnen MEMS Chips auf SOI Substrat und mikromechanisches Bauelement
US10759656B2 (en) * 2017-09-29 2020-09-01 Apple Inc. MEMS sensor with dual pendulous proof masses
US11312621B2 (en) * 2018-08-06 2022-04-26 Invensense, Inc. Sensing thermal gradients within a microelectromechanical device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060272413A1 (en) * 2005-06-04 2006-12-07 Vladimir Vaganov Three-axis integrated mems accelerometer
DE102015222756A1 (de) 2015-11-18 2017-05-18 Robert Bosch Gmbh Sensorelement für einen Drucksensor
US20190165759A1 (en) * 2017-11-29 2019-05-30 Seiko Epson Corporation Vibration device, electronic apparatus, and vehicle

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