Hochminiaturisierte Drucksensoren Integrierte elektronische Systeme

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1 Industriekolloquium 2012 Datentechnik Darmstadt Hochminiaturisierte Drucksensoren Integrierte elektronische Systeme

2 Gliederung: Unternehmensvorstellung Grundlagen der Druckerfassung Grundlagen der modernen Sensortechnologien Problemstellung zukünftige Sensoranwendungen Produktbeispiel: Miniaturisierter Drucksensor Realisierungsproblematik Zusammenfassung 2

3 Analog Microelectronics GmbH, Mainz Entwicklung und Vertrieb von integrierten Schaltungen Schwerpunkt industrielle integrierte Signalwandler (z.b. C/U- U/I-Wandler) und Sensorauswerteschaltungen (Z.B. Instrumentenverstärker) Entwicklung und Produktion von Drucksensoren Miniaturisierte Drucksensoren (z.b. OEM-Podukte und Readyto-use Transmitter) 3

4 Grundlagen Piezoresitive Messzellen (MEMS) Mikro-Elekro-Mechanische-Systeme Prinzip: piezoresitive Messzelle als analoge Signalquelle P 1 P 1 P 1 Membran Piezoresistive Widerstände Silizium Membran Silizium Membran Silizium P 2 Vakuum Silizium Silizium Pyrex Pyrex Pyrex P = P 1 2 P 2 P P 1 2 P 2 4

5 Absolutdruckerfassung Piezoresitive MEMS Druck P 1 Widerstands Brücke Si-Membrane Cavity P 2 Bond Pads Silizium Anodical Bonding Pyrex 5

6 Absolutdruck - MEMS im Waferverbund 6

7 Differenzdruck- und Relativdruck - MEMS Pressure P 1 Resistor Bridge Si-Membrane Pressure P 2 Bond Pads Silicon Anodical Bonding Pyrex 7

8 Eigenschaften von piezoresitiven MEMS Druckbereich: 10mbar bis 50bar Eigenschaften einer 1 bar Messzelle Analoges Ausgangssignal: 80mV Offset: ± 40mV Linearität: ± 0,3%FS TC Offset: ± 8,5%FS/100 C TC Spanne: ± 15%FS/100 C Versorgungsspannung: 5V Brückenwiderstand: 3kΩ Hysterese: 0,15%FS Größe: 2,0x1,9x0,9mm³ 8

9 Silizium MEMS auf Keramiksubstrat (kalibriert) 9

10 Signalverabeitung bei Drucksensoren Konzept Signalverarbeitung: Kompensation TCS1,TCS2 T-Signal (I Brücke ) Kompensation TCO Ordnung Druck- Meßzelle IA Einstellung Span + Amp Einstellung Offset 10

11 Problemstellung für die Sensorentwicklung Messzellenentwicklung unter Einbeziehung der Prozess- Produktionschwankungen Entwicklung von Auswerteschaltungen unter Einbeziehung der Prozess- Produktionschwankungen in adäquater Technologie Berücksichtigung von Toleranzen und Abhängigkeiten von externen Bauelemente und internen Funktionsgruppen Abgleichbarkeit der Messparameter (Individualität der Systemkomponenten) Kostenreduktion (Design for Yield) 11

12 Analoge Signalverabeitung bei Drucksensoren Konventionelles analoges Signalverarbeitungssystem R TCO1 R TCO2 2 I BR OP R 9 R V CC 8 C 1 R 2 V S R BR 4 5 IA Ausgangsstufe 7 T 1 C 2 R 3 V OUT R TCS R O2 R O1 R AM417 6 R 4 C 3 Ground 12

13 Analoge Signalverarbeitung Vorteile: Keine A/D-Wandlung Robuste Technologie (z.b. hohe Spannungsfestigkeit) Kostengünstig Nachteile Aufwendige Kalibration und Kompensation Analoger Signalausgang Keine Mainstream - Technologie 13

14 Digitales Signalverarbeitungssystem (DSSP) Sensorelement Vorverstärker A/D-Wandler A D/A-Wandler D Ausgangsstufe V analoger Ausgang D A I Sensorelement Temperatur ϑ Vorverstärker A/D-Wandler A D µp Prozessor digitaler Ausgang EEPROM 14

15 Analoges Signalverarbeitungssystem (ASSP) Sensorelement Vorverstärker einstellbarer Verstärker Ausgangsstufe V analoger Ausgang D/A-Wandler I Sensorelement Temperatur ϑ Vorverstärker A D/A-Wandler D Prozessor A D µp A/D-Wandler A D EEPROM 15

16 Digitale Signalverarbeitung Vorteile: A/D-Wandlung Digitaler Abgleich Digitale Signalweiterverarbeitung Mainstream - Technologie mit kleinsten Strukturweiten (0,18µm) Nachteile Limitierte Wandlerzeit Hohe Technologiekosten 16

17 Prinzipschaltung für monolithoschen Drucksensor T-Signal P- Messzelle ASIC Signalverarbeitung : Verstärkung Kalibration Kompensation Linearisierung Schnittstelle Programmierung 17

18 Monolithisch integrierter Drucksensor (Technologie Dilemma) Messzelle 18

19 Problemstellung zukünftige Sensoranwendungen Anwendungsabhängig z.b. im Bereich Ambient Assisted Living (ALL) oder Indoor Navigation: Ultra miniaturisiert Minimaler Stromverbrauch Schnittstellenintegration Hohe Auflösung Geringe Fehler 19

20 Beispiel: Miniaturisierter Drucksensor MS

21 Eigenschaften des MS5611 (1 bar, absolut) Auflösevermögen (Druck): 0,012mbar Auflösevermögen (Temperatur): 0.01 C Genauigkeit TEB (Druck): ± 2,5mbar Genauigkeit (Temperatur): ± 0,8 C Stromaufnahme (Stand by): 0,14 µa Respons time: 8ms 21

22 Realisierungsproblematik Geeignetes Signalauswerte-ASIC (24 bit ADC) Optimiertes Pad-Out Flächen reduzierte Druck-Messzelle Bauhöhe der Silizium-Elemente Aufbau- und Verbindungstechnik Montagetechnologie 22

23 Zusammenfassung Dominanz der piezoresitiven Messzellen in der Drucksensorik Dominanz der digitalen Signalauswertung Dominanz der Halbleitertechnologie in Herstellung und Montage Anwendungsorientierte Entwicklungen Drucksensoren = Bauelemente der Systemintegration Limitierung der Miniaturisierung durch Benutzbarkeit 23