DE102005029097A1 - Mikromechanisches Drucksensorelement und Verfahren zur Verwendung eines derartigen Drucksensorelementes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrochemisches Drucksensorelement, insbesondere zur Reifendruckmessung, das mindestens aufweist: DOLLAR A ein Schichtsystem (2) mit einer Membran (3), unterhalb von der eine Kavität (4) ausgebildet ist, die von einem Außenraum (12) außerhalb des Drucksensorelements (1) getrennt ist, DOLLAR A eine Messeinrichtung (6) zum Messen einer Auslenkung der Membran (3) und DOLLAR A eine auf, unter oder in der Membran (3) ausgebildete seismische Masse (8). DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines derartigen Drucksensorelementes (1), bei dem DOLLAR A das Drucksensorelement (1) in einem Sleep-Modus mit nierigeren Energieverbrauch und einem Betriebs-Modus mit höherem Energieverbrauch betreibbar ist, DOLLAR A im Sleep-Modus eine zeitliche Änderung der Messsignale (s) der Messeinrichtung (6) überprüft wird (S2, S3) und bei Feststellen einer relevanten Änderung der Messsignale (s) auf eine Lageänderung geschlossen und in den Betriebsmodus umgeschaltet wird (S4), in dem die Messsignale der Messeinrichtung (6) oder aus dem Messsignalen gebildete Auswertesignale von einer Sendeeinrichtung (34), z.B. einer Antenne (34), ausgesandt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Drucksensorelement, das insbesondere zur Reifendruckmessung verwendbar ist, und ein Verfahren zur Verwendung eines derartigen Drucksensorelementes zur Aktivierung eines Betriebsmodus.
• Mikromechanische Drucksensorelemente werden im Allgemeinen auf einem Substrat bzw. Chip ausgebildet, indem auf dessen Oberseite eine Membran durch Unterätzen mit einer Kaverne bzw. Kavität ausgebildet wird. In der Membran wird durch z.B. Piezowiderstände eine Messeinrichtung ausgebildet, die einen Druckunterschied zwischen der Kavität und einem Außenraum als Auslenkung der Membran ermittelt. Derartige Drucksensorelemente können herkömmlicherweise in Bulk- oder Oberflächenmikromechanik (OMM) hergestellt werden.
• Die DE 100 32 579 A1 beschreibt ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für in Oberflächenmikromechanik hergestellte Drucksensorelemente, bei dem zunächst grobe Poren ausgebildet werden, so dass eine schwamm- oder gitterartige Struktur entsteht, auf der eine monokristalline Epitaxieschicht für die spätere Membran ausgebildet und nachfolgend getempert wird, wodurch unterhalb sich der Membran eine großvolumige Kaverne ausbildet. Dies kann in einer Schutzatmosphäre aus Wasserstoff erfolgen, der nachfolgend durch die Membran aus der Kaverne hinaus diffundiert und somit ein Vakuum hinterlässt, so dass die Membran den Absolutdruck des Außenraums ausgesetzt ist.
• Der Einsatz derartiger Drucksensorelemente zur Reifendruckmessung erfolgt im Allgemeinen, indem der Sensorchip auf einem Montagesubstrat, z.B. einer Leiterplatte kontaktiert und z.B. im Bereich des Reifenventils angeordnet wird. Der Reifendrucksensor ist hierbei autark mit einer eigenen Spannungsquelle, im Allgemeinen einem galvanischen Element, versehen und sendet seine Messsignale oder hieraus gebildete Auswertesignale über eine Antenne an externe Empfänger im Fahrzeug. Der ständige Betrieb des Reifendrucksensors mit der Antenne verbraucht jedoch viel Energie, so dass die Lebenszeit des Reifendrucksensors stark herabgesetzt wird.
• Das erfindungsgemäße Drucksensorelement und das erfindungsgemäße Verfahren weisen demgegenüber einige Vorteile auf.
• Erfindungsgemäß ist in dem Drucksensorelement ein Beschleunigungssensor integriert. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch geringen Mehraufwand bei der Herstellung, indem eine seismische Masse mit der Membran verbunden wird, d.h. in, an oder auf der Membran angebracht wird. Mittels der Membran und ihrer Messeinrichtung werden somit sowohl der Druck als auch die Beschleunigung als überlagertes Signal gemessen. Dem liegt der erfindungsgemäße Gedanke zugrunde, dass ein Anfahren des Fahrzeugreifens durch eine Lageänderung des Sensorelementes erkannt werden kann, bei der sich die normal zur Membran stehende Kraftkomponente der Gravitationskraft ändert. Diese Änderung kann in einem Sleep-Modus mit reduziertem Energieverbrauch detektiert werden, so dass anschließend ein Betriebsmodus mit höherem Energieverbrauch zur weiteren Messung, Datenverarbeitung und zum Aussenden der Mess- und/oder Auswertesignale über die Antenne aktiviert werden kann.
• Hierbei wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise eine Untersuchung des Messsignals in der Frequenz und/oder Amplitude vorgenommen. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass der Einschaltvorgang bei anfahrendem Reifen erfolgen soll, bei dem zunächst geringe Raddrehzahlen bzw. Änderungen des Messsignals in einem niederfrequenten Bereich vorliegen. Weiterhin ist das Beschleunigungssignal der seismischen Masse und der Eigenmasse der Membran kleiner als das Drucksignal, dem es überlagert ist, so dass zur Erkennung der Reifendrehung beim Anfahrvorgang lediglich Änderungen des Amplitudenwertes unterhalb eines entsprechenden Grenzwertes zu betrachten sind.
• Das Verfahren kann wiederum vom Betriebsmodus zurück in den Sleep-Modus geschaltet werden, wenn im Betriebsmodus erkannt wird, dass das Messsignal sich in aufeinander folgenden Messungen nicht mehr ändert.
• Der Mehraufwand für die zusätzliche Beschleunigungsdetektion liegt somit im Wesentlichen bei der zusätzlichen seismischen Masse, die z.B. als Lötbump auf der Oberseite aufgebracht werden kann oder auch im mikromechanischen Herstellungsverfahren durch Massebereiche, z.B. SiO2-Bereiche auf, in oder unterhalb der Membran ausgebildet werden kann.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drucksensorelement gemäß einer ersten Ausführungsform;
• 2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Drucksensorelement gemäß einer zweiten Ausführungsform;
• 3 einen Querschnitt durch ein Sensormodul, das auf einer Leiterplatte mit dem Drucksensorelement aus 1 oder 2 gebildet ist;
• 4 einen Querschnitt durch ein Sensormodul, das auf einer Leiterplatte mit dem in Flip-Chip-Technik montiertem Drucksensorelement aus 1 oder 2 gebildet ist;
• 5 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Ein Sensorelement 1 weist gemäß 1 ein Schichtsystem 2 aus z.B. P-dotiertem Silizium mit einer N-dotierten Membran 3 auf, unterhalb von der eine Kavität 4 ausgebildet ist. In der Membran 3 sind ein oder mehrere Piezowiderstände 6 z.B. als P-Dotierung in der N-dotierten Membran 3 ausgebildet. Die Piezowiderstände 6 dienen als Messeinrichtungen zur Messung der Auslenkung der Membran 3; grundsätzlich können auch andere Messeinrichtungen, z.B. Piezoelemente, vorgesehen sein. Die Piezowiderstände 6 werden z.B. über nicht gezeigte Zuleitungen ausgelesen, die als stärker dotierte Bereiche in dem Schichtsystem 2 ausgebildet sind. Die Piezowiderstände 6 können z.B. in einer Wheatstone'schen Brücke gemessen werden.
• Auf der Membran 3 ist eine seismische Masse 8 aufgetragen. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die seismische Masse 8 durch einen Lötbump gebildet. Zur besseren Haftung ist auf der Membran 3 eine Aufnahmefläche 10 ausgebildet, z.B. als Metallfläche galvanisiert, die der besseren Haftung des Lötbumps 8 dient.
• Bei der Ausführungsform der 1 wird das Schichtsystem 2 in Bulk-Mikromechanik durch mindestens eine obere einkristalline Schicht 2.1 und mindestens eine untere einkristalline Schicht 2.2 gebildet. Hierbei werden in einem ersten Wafer die Kavernen 4 durch KOH-Ätzen von der Oberseite – in 1 somit von unten – her ausgebildet, bis die Membranen 3 verbleiben und der Ätzvorgang gestoppt wird. Anschließend wird ein zweiter Wafer für die zweiten Schichten 2.2 auf die Oberseite des ersten Wafer durch z. B. anodisches Bonden in einer Verbindungsschicht 2.3 befestigt und die seismischen Massen 8 aufgebracht, sodass ein Waferstapel entsteht, aus dem die Sensorelemente 1 direkt durch Vereinzeln gewonnen werden können. Grundsätzlich kann das Schichtsystem 2 auch in horizontaler Richtung unterteilt sein.
• In der Membran 3 sind keine Durchgänge oder Öffnungen ausgebildet. Somit ist die Kavität 4 von einem das Sensorelement 1 umgebenden Außen raum 12 getrennt. Die Piezowiderstände 6 messen somit zum einen eine Auslenkung entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem Außenraum 12 und der Kavität 4. Hierbei ist in der Kavität 4 vorteilhafterweise ein Gas oder Gasgemisch vorgesehen, um die Druckdifferenz und somit die mechanische Spannung an der Membran 3 gering zu halten. Alternativ hierzu kann in der Kavität 4 jedoch auch ein Vakuum ausgebildet sein, so dass lediglich der Außendruck p des Außenraums 12 einseitig einwirkt. Weiterhin wirkt auf die Membran 3 die Gravitationskraft G durch die seismische Masse 8 und das Eigengewicht der Membran 3. In der gezeigten horizontalen Ausrichtung des Sensorelementes 1 wirkt diese Gravitationskraft G orthogonal zur Membranebene der Membran 3, d.h. in die gleiche Richtung wie die durch den Außendruck p des Außenraums 12 ausgeübte Kraft. Bei einer entsprechend gekippten Anordnung des Sensorelementes 1 wirkt die Gewichtskraft G im Allgemeinen nicht orthogonal zur Membran 3, so dass lediglich die senkrecht zur Membran 3 stehende Vektorkomponente zum Messsignal der Piezowiderstände 6 beiträgt, d.h. das Produkt aus der Gravitationskraft G und dem Cosinus des Winkels zwischen der Flächennormalen und der vertikalen Richtung der Gravitationskraft.
• Somit hängt das Messsignal der Piezowiderstände 6 von der Orientierung des Sensorelementes 1 ab. Erfindungsgemäß wird das Sensorelement 1 als Reifendrucksensorelement verwendet, so dass der Innenraum eines Fahrzeugreifens 14 den Außenraum 12 bildet. Sobald das Fahrzeug anfährt, dreht sich der Fahrzeugreifen 14, so dass sich – zunächst im niederfrequenten Bereich einiger Hertz – die Lage bzw. Orientierung des Sensorelementes 1 periodisch ändert, was bei zunächst konstant bleibendem Reifeninnendruck p als Änderung der Normalkomponente der Gravitationskraft G gedeutet werden kann.
• Alternativ zu der Ausführungsform der 1 kann die Ausbildung der Membran 3 gemäß 2 auch durch das in der DE 100 32 579 A1 beschriebene OMM (Oberflächenmikromechanik)-Verfahren erfolgen, bei dem in ei nem einkristallinen Substrat 2 durch Ätzgas bzw. eine Ätzflüssigkeit Poren bzw. eine schwamm- oder gitterartige Struktur ausgebildet und hierauf eine der späteren Membran entsprechende Epitaxieschicht abgeschieden wird. Die Kavität 4 wird bei dieser Ausführungsform durch nachfolgendes Tempern des porösen Materials unterhalb der Membran 3 bei z.B. 300 bis 1200 °C über mehrere Stunden ausgebildet. Alternativ hierzu kann z.B. auch auf dem Substrat 2 zunächst eine Epitaxieschicht entsprechend der Membran 3 abgeschieden werden, in der nachfolgend Ätzöffnungen bzw. feine Poren im Bereich der späteren Membran 3 ausgebildet werden, durch die anschließend das Ätzmittel z.B. ein Silizium ätzendes Gas, z.B. Flurwasserstoff HF, oder eine Silizium ätzende Flüssigkeit, in das darunter liegende Bulkmaterial zur Ausbildung der Kaverne 4 geleitet wird. Die Ätzöffnungen in der Membran 3 können nachfolgend durch Auftragen einer Abdeckschicht auf die Membran 3 geschlossen werden.
• 3 zeigt die Anbindung des Sensorelementes 1 aus 1 oder 2. Ein Sensormodul 16 wird gebildet, in dem das Sensorelement 1 auf einer als Montagesubstrat dienenden Leiterplatte 18 befestigt wird. Die Kontaktierung kann wie gezeigt über Verbindungsmittelbereiche 22, z. B. Lötbumps 22 oder Leitkleberbereiche 22, und Durchkontaktierungen oder auch z. B. mittels Drahtbonds erfolgen.
• 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der auf der Oberseite der Leiterplatte 18 eine Ausnehmung als Außenraum 12 ausgebildet, z.B. ausgefräst ist. Das Sensorelement 1 bzw. der Sensorchip ist in Flip-Chip-Technik, d.h. in reverser Anordnung mit seiner in OMM bearbeiteten Chip-Oberseite nach unten auf der Oberseite der Leiterplatte 18 befestigt. Zwischen dem Sensorelement 1 und der Leiterplatte 18 sind zur Kontaktierung die Lötbumps 22 aufgebracht, die zusammen mit der seismischen Masse 8 vor Aufsetzen des Sensorelementes 1 auf die Leiterplatte 18 aufgebracht werden. Zwischen das Sensorelement 1 und die Leiterplatte 18 kann ergänzend ein Underfiller 24 eingebracht werden.
• Die Auswertung der Messsignale der Piezowiderstände 6 kann durch einen zusätzlichen ASIC 26 oder auch durch eine bereits in dem Sensorchip bzw. Sensorelement 1 ausgebildete Auswerteschaltung 30 erfolgen. Weiterhin kann z.B. auch eine Antenne 28 auf einem weiteren Chip ausgebildet sein, wobei die Kontaktierung über die Leiterplatte 18 erfolgt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist in dem Flussdiagramm der 3 beschreiben. Der Start gemäß Schritt S1 erfolgt bereits bei Einbau des Sensormoduls 16 in den Fahrzeugreifen 14. Da das Sensormodul 16 autark ist und lediglich von seinem Energie-Speicher 32, z.B. einer galvanischen Zelle, versorgt wird, verbleibt es bei Stillstand des Fahrzeuges zunächst gemäß Schritt S2 in einem Sleep-Moduls mit minimalem Energieverbrauch. Im Sleep-Moduls S2 werden fortlaufend, z.B. in getakteten Zeitabständen, Messsignale s der Piezowiderstände 6 ausgelesen. Im Entscheidungsschritt S3 wird überprüft, ob eine relevante zeitliche Änderung der gemessenen Beschleunigung bzw. des gemessenen Drucksignals vorliegt.
• Hierzu wird die zeitliche Ableitung gebildet bzw. es werden Differenzen auf einander folgender Messwerte si und si-1 gebildet. Sie können erfindungsgemäß zum einen daraufhin untersucht werden, ob sie vom Betrag her einen ersten Schwellwert sw1 über- und einen zweiten Schwellwert sw2 unterschreiten. sw1 dient der Diskriminierung, dass eine hinreichende Signaländerung oberhalb des Messrauschens vorliegt; sw2 dient der Unterscheidung gegenüber Änderungen im einwirkenden Außendruck p, der einen höheren Beitrag zum Messsignal s liefert. Erfindungsgemäß kann alternativ oder ergänzend hierzu auch der Frequenzbereich der Signaländerung untersucht werden, da bei Fahrtbeginn niedrige Raddrehzahlen und somit niederfrequente Änderungen im Bereich z. B. unter 10 Hz zu erwarten sind.
• Falls eine relevante Lageänderung erkannt wird, wird das Verfahren gemäß Verzweigung y vor den Schritt S2 zurückgesetzt, d.h. das Sensormo dul 16 verbleibt im Sleep-Modus.
• Falls dies nicht der Fall ist, wird gemäß Verzweigung n in Schritt S4 der Betriebsmodus eingeschaltet, in dem fortlaufend der Reifeninnendruck p, d.h. der Druck im Außenraum 12 ermittelt und Messsignale oder Auswertesignale über die Antenne 28 nach außen ausgesandt werden.

Claims (13)

1. Mikromechanisches Drucksensorelement, das mindestens aufweist: eine Struktur (2), insbesondere ein Schichtsystem (2), mit einer Membran (3), unterhalb von der eine Kavität (4) ausgebildet ist, die von einem Außenraum (12) außerhalb des Drucksensorelementes (1) getrennt ist, eine Messeinrichtung (6) zum Messen einer Auslenkung der Membran (3), und eine auf, unter oder in der Membran (3) ausgebildete seismische Masse (8).
2. Drucksensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (6) mindestens einen in der Membran (3) ausgebildeten Piezowiderstand (6) oder ein in der Membran (3) ausgebildetes Piezoelement (6) zur Messung der Auslenkung der Membran (3) aufweist.
3. Drucksensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezowiderstand (6) oder Piezoelement (6) durch lokale Dotierung der Membran (3) ausgebildet ist.
4. Drucksensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Piezowiderstand (6) oder Piezoelement (6) über Halbleiterbereiche gleicher Dotierung und höherer Dotierungskonzentration kontaktiert ist.
5. Drucksensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (8) ein auf die Membran (3) gesetzter Lötbump (8) ist.
6. Drucksensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (8) mikromechanisch in, auf oder unter der Membran (3) ausgebildet ist.
7. Drucksensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (2) mindestens eine obere Schicht (2.1) mit der Kaverne (4) und der Membran (3) und eine unter der mindestens einen oberen Schicht (2.1) befestigte, die Kaverne abdeckende untere Schicht (2.2) aufweist.
8. Drucksensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaverne in Bulk-Mikromechanik geätzt, z.B. nasschemisch geätzt, ist.
9. Drucksensorelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine eigene Energiequelle (32) aufweist oder an eine eigene Energiequelle (32) angeschlossen ist.
10. Verfahren zur Verwendung eines Drucksensorelementes (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Drucksensorelement (1) in einem Sleep-Modus mit niedrigerem Energieverbrauch und einem Betriebs-Modus mit höherem Energieverbrauch betreibbar ist, im Sleep-Modus eine zeitliche Änderung der Messsignale (s) der Messeinrichtung (6) überprüft wird (S2, S3) und bei Feststellen einer relevanten Änderung der Messsignale (s) auf eine Lageänderung geschlossen und in den Betriebsmodus umgeschaltet wird (S4), in dem die Messsignale der Messeinrichtung (6) oder aus den Messsignalen gebildete Auswertesignale von einer Sendeeinrichtung (34), z.B. einer Antenne (34), ausgesandt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Sleep-Modus Änderungen der Messsignale in einem niederfrequentem Bereich, z.B. kleiner 10 Hz, ausgewertet werden, und Änderungen des Messsignals in dem niederfrequenten Bereich als eine Änderung der Lage des Sensorelementes (1) erkannt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Sleep-Modus Änderungen des Messsignals (s) der Messeinrichtung (6) oberhalb eines Grenzwertes (sw1) als Änderung der Lage des Sensorelementes (1) erkannt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorelement (1) zur Messung eines Reifeninnendruckes (p) verwendet wird.