Sensorbauteil

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Sensorbauteil mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein MEMS-Bauelement mit einer Drucksensorkomponente und eine Auswerteschaltung angeordnet sind, wobei das Gehäuse mindestens eine Medienzugangsöffnung für die Drucksensorkomponente aufweist.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 01 1 943 A1 wird ein Sensorbauteil der eingangs genannten Art beschrieben. Es umfasst ein mikromechanisches Drucksensorelement und einen Auswertechip, die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dazu wurden das Sensorelement und der Auswertechip side-by-side, also nebeneinander, auf einem Träger montiert und über Bonddrähte elektrisch verbunden. Diese Anordnung wurde dann unter Aussparung des sensitiven Bereichs des Sensorelements in eine Moldmasse eingebettet. Dementsprechend befindet sich in diesem Bereich des Moldgehäuses eine Medienzugangsöffnung für das Drucksensorelement.

Auch die Gehäuse von Feuchtesensorelementen müssen mit einem Medienzugang ausgestattet sein. Die Signalerfassung erfolgt hier meist kapazitiv unter Verwendung eines feuchteabhängigen Dielektrikums. Aus der Praxis sind Feuchtesensorelemente bekannt mit zwei Interdigitalelektroden als Messkondensator, auf denen sich ein Polymer befindet. Da sich die Dielektrizitätszahl des Polymers mit dem Grad der Feuchte verändert, ist auch die Kapazität zwischen den Elektroden des Messkondensators feuchteabhängig. Des Weiteren bekannt sind Feuchtesensorelemente, bei denen eine Polymerschicht sandwichartig zwischen den beiden Messkondensatorelektroden angeordnet ist. In diesem Fall ist die obere Messkondensatorelektrode porös, so dass die Feuchte in das Polymer eindringen kann. Dadurch wird eine Kapazitätsänderung des Messkondensators bewirkt, die einfach mit Hilfe einer Auswerteschaltung ausgewertet werden kann. Bekannt sind außerdem Temperatursensoren in Chipform, die auf unterschiedlichen Messkonzepten basieren. So können Temperatursensoren beispielsweise in Form einer Bandgapschaltung oder einer Diodenschaltung realisiert werden.

Offenbarung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Sensorfunktionen eines Drucksensors, eines Temperatursensors und eines Feuchtesensors in ein Sensorbauteil der eingangs genannten Art zu integrieren. Dies trägt zum einen zu ei- ner Kostenreduzierung bei, was die Verpackung und auch die Fertigung der

Sensorkomponenten betrifft, und zum anderen zu einem höheren Grad an Miniaturisierung von entsprechenden Endgeräten.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Integration der drei Sensorkomponenten, Drucksensor, Temperatursensor und Feuchtesensor, in einem Sensorbauteil kann grundsätzlich auf Chipebene und/oder auf Verpackungsebene realisiert werden.

So werden in einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung alle drei Sensorkomponenten und die Auswerteschaltung auf einem einzigen Chip inte- griert. Aus fertigungstechnischen Gründen kann es aber auch von Vorteil sein, für die Auswerteschaltung einen eigenen ASIC-Chip vorzusehen, aber alle drei Sensorkomponenten auf einem MEMS-Bauelement zu integrieren. Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, die Drucksensorkomponente mit der Temperatursensorkomponente in einem MEMS-Bauelement zu kombinieren und die Feuchte- sensorkomponente mit der Auswerteschaltung in einem ASIC-Bauelement zu integrieren.

Auch die AVT (Aufbau- und Verbindungstechnik) bzw. die Verpackung der Sensorkomponenten eines erfindungsgemäßen Sensorbauteils kann in unterschiedlicher Form realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden sämtliche Bauelemente des Sensorbauteils auf einem Träger montiert und mit einem

Moldgehäuse versehen, insbesondere mit einem OCFM (open-cavity-full-mold)- Gehäuse. Diese Verpackungsvariante ist kostengünstig und schützt die Sensor- komponenten sowie die Auswerteschaltung und etwaige Bonddrahtverbindungen zuverlässig gegen widrige Umwelteinflüsse.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Sensorbauteils 100 mit nur einem Funktionschip, Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorbauteils 200 mit einem MEMS-Bauelement und einem ASIC-Bauelement, und

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Sensorbauteils 300 mit zwei Funktionschips.

Ausführungsformen der Erfindung Das in Fig. 1 dargestellte Sensorbauteil 100 umfasst nur einen einzigen Funktionschip 10, auf dem sowohl die Sensorfunktionen eines Absolutdrucksensors 1 1 , eines Temperatursensors 12 und eines Feuchtesensors 13 integriert sind, als auch eine Auswerteschaltung 14 für diese Sensorkomponenten 1 1 , 12, 13. Wesentlicher Bestandteil der Drucksensorkomponente 1 1 ist eine Membran 1 1 1 in der Chipoberfläche, die eine Kaverne 1 12 im Substrat des Funktionschips 10 überspannt. Diese mikromechanische Sensorstruktur wurde mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik, wie z.B. in PorSi-Technik (APSM™), erzeugt. Die Signalerfassung erfolgt beispielsweise mit Hilfe von Piezowiderständen, die im Randbereich der Membran 1 1 1 integriert sind, was hier allerdings nicht darge- stellt ist.

Neben der mikromechanischen Struktur der Drucksensorkomponente 1 1 wurde eine Auswerteschaltung 14 in CMOS-Technologie in die Chipoberfläche integriert. Dabei wurden auch Schaltungskomponenten 12 zur Temperaturmessung erzeugt, wie z.B. eine Bandgap-Schaltung oder eine Diodenschaltung, und Schaltungskomponenten 13 zur Feuchtemessung, nämlich beispielsweise ein

Messkondensator mit einem feuchteempfindlichen Dielektrikum.

Der Funktionschip 10 ist einseitig auf einem Leadframe 15 montiert, so dass der sensitive Bereich mit der Sensorkomponenten 1 1 , 12 und 13 über einer Öffnung 151 im Leadframe 15 positioniert ist. Auf diese Weise ist der sensitive Bereich des Funktionschips 10 sowohl mechanisch als auch thermisch weitestgehend vom Leadframe 15 entkoppelt. Die elektrische Kontaktierung des Funktionschips 10 erfolgt hier mit Hilfe von Bonddrähten 16 zwischen entsprechenden An- schlusspads 161 auf dem Funktionschip 10 und dem Leadframe 15. Funktions- chip 10 und Leadframe 15 wurden in eine Moldmasse 17 eingebettet. Dabei wurde der sensitive Bereich des Funktionschips 10 ausgespart. Dementsprechend weist das Moldgehäuse 17 in diesem Bereich eine Medienzugangsöffnung 18 auf. Die externe elektrische Kontaktierung des Sensorbauteils 100 erfolgt über die aus der Moldmasse 17 herausragenden Abschnitte des Leadframes 15.

Auch das in Fig. 2 dargestellte Sensorbauteil 200 ist mit einem OCFM (open- cavity-full-mold)-Gehäuse 27 ausgestattet. Im Unterschied zur 1 -Chiplösung des Sensorbauteils 100 ist die Auswerteschaltung 14 hier allerdings auf einem eigenen ASIC-Bauelement 24 integriert, während die Drucksensorkomponente 1 1 , die Temperatursensorkomponente 12 und die Feuchtesensorkomponente 13 auf einem MEMS-Bauelement 20 realisiert sind. Das ASIC-Bauelement 24 ist vollflächig auf dem Leadframe 25 des Gehäuses 27 montiert. Daneben ist das MEMS- Bauelement 20 so auf dem Leadframe 25 angeordnet, dass sich der sensitive Bereich mit den Sensorkomponenten 1 1 , 12 und 13 über einer Öffnung 251 im Leadframe 25 befindet. Die elektrischen Verbindungen zwischen dem MEMS-

Bauelement 20, dem ASIC-Bauelement 24 und dem Leadframe 25 werden durch Bonddrähte 26 gebildet, die zusammen mit den übrigen Komponenten des Sensorbauteils 200 in die Gehäusemoldmasse 27 eingebettet sind. Lediglich über dem sensitiven Bereich des MEMS-Bauelements 20 befindet sich eine Aussparung, die als Medienzugangsöffnung 28 fungiert.

Auch bei der in Fig. 3 dargestellten Bauteilvariante handelt es sich um eine 2- Chiplösung. Das Sensorbauteil 300 umfasst ebenfalls ein MEMS-Bauelement 30 und ein ASIC-Bauelement 34, die auf dem Leadframe 35 eines OCFM-Gehäuses 37 montiert sind und über Bonddrähte 36 elektrisch verbunden sind. Allerdings wurde die Feuchtesensorkomponente 13 hier zusammen mit der Auswerteschaltung 14 auf dem ASIC-Bauelement 34 integriert. Das MEMS-Bauelement 30 umfasst die Drucksensorkomponente 1 1 zusammen mit einer Temperatursensorkomponente 12. Dementsprechend sind im Gehäuse 37 des Sensorbauteils 300 zwei Medienzugangsöffnungen 381 und 382 ausgebildet, die eine 381 über dem sensitiven Bereich des MEMS-Bauelements 30 und die andere 382 über der Feuchtesensorkomponente 13 auf dem ASIC-Bauelement 34.