Ziel der Entwicklung
Halbleiterphysikalische Simulationswerkzeuge werden für das Design von Sensoren genutzt. Bei der Kennlinienberechnung piezoresistiver Widerstandsbrücken kommt es wiederholt zu Differenzen zu den an den realisierten Bauelementen gemessenen Kennlinien. Eine mögliche Ursache hierfür ist die Verwendung globaler piezoresistiver Konstanten über dem stark inhomogenen mechanischen Spannungsfeld, in dem die Widerstände liegen. Mittels einer lokalen quantenmechanischen Bestimmung dieser Piezo-Konstanten wird diese Fehlerursache bewertet und eliminiert.
Vorteile und Lösungen
Ein Simulationsprogramm auf der Basis der sogenannten empirischen pseudopotential Methode wurde erstellt. Mit den Projektergebnissen konnte nachgewiesen werden, dass der Effekt der Änderung des Widerstandes p- leitenden Siliziums, vorrangig verwendeter Leitungstyp für die Realisierung piezoresistiver Widerstandsbrücken, unter dem Einfluss eines mechanischen Stresses, experimentell bestimmt durch Messung der Empfindlichkeit an im CiS Forschungsinstitut hergestellten piezoresistiven Drucksensoren, in der Höhe vollständig durch quantenmechanisch berechnete Bandstruktur-Änderungen unter Stress beschrieben ist. Es wurde nachgewiesen, dass Änderungen der piezo-Koeffizienten mit der Temperatur und der Dotierung ebenfalls in der Auswertung quantenmechanisch berechnete Bandstruktur Änderungen unter Stress enthalten sind und dass damit ein durchgängiger Design-Flow für die Berechnung der Änderung eines p-leitenden piezoresistiven Widerstandes beschrieben ist. Dies geschieht unter der Vorgabe von Betrag und Richtung des Stresswertes, der Dotierung und der Temperatur.
Zielgruppe und Zielmarkt
Bei dem Projekt PIEZO handelte es sich um ein Vorhaben der industriellen Forschung, dass der Erweiterung der allgemeinen wissenschaftlichen Kenntnisse auf dem Gebiet der Materialwissenschaft des Siliziums im Hinblick auf die Entwicklung neuartiger Silizium Microelectromechanical Systems Bauelemente mit neuartigen Performance-Eigenschaften diente. Das CiS Forschungsinstitut ist in der Lage, einen vollständigen Entwicklungs- und Fertigungsprozess für kundenspezifische Mikrosystem-Chips anzubieten. Dies ist besonders für innovative klein- und mittelständige Unternehmen attraktiv. Mit den Arbeiten im Projekt werden die Entwicklungs- und Fertigungsprozesse sicherer und effektiver. Das Entwicklungsziel des Vorhabens unterstützt damit die Vermarktungsstrategie des CiS, durch die Schaffung von technologischen Plattformen, die Kombination von verschiedenen ergänzenden Mikrotechnologien, eine große Flexibilität bezüglich der Systemgestaltung, besonders des Funktionsumfangs und die Bereitstellung einer Entwicklungsplattform zum Beispiel Design-Rules. So sollen strategisch neue kundenspezifische Lösungen entwickelt werden. Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Drucksensoren gehören zu den wichtigsten technischen Anforderungen der Kunden für Drucksensoren in der Prozessmesstechnik, beispielsweise in der chemischen Industrie, aber auch in Forschungs- und Entwicklungslaboren sowie Test- und Messtechnikapplikationen. Für den Sensor Markt wird für die nächsten Jahrzehnte ein starkes Wachstum prognostiziert. Vor allem die angestrebte Orientierung auf hochstabile und hochpräzise Drucksensoren lässt mittel- und langfristig große Steigerungsraten erwarten. Mit dem zumindest anfänglich zu erwartenden Alleinstellungsmerkmal ist ein entsprechend großer Marktanteil zu erwarten. Innerhalb des Drucksensor-Marktes zeigt das Segment der hochpräzisen Sensoren für Prozesssteuerungen eine eigene Dynamik wobei Fragen der Miniaturisierung und der Langzeitstabilität, Sensitivität und Reproduzierbarkeit im Vordergrund der Produktinnovationen stehen. Genau hierfür sind entsprechende Forschungsleistungen notwendige Voraussetzung.
