Ziel der Entwicklung
Ziel des Projektes war es, Technologie- und Designmodule zu entwickeln, zu erproben und einzusetzen, um piezoresistive Messbrücken mit Referenz-Niveau bezüglich der Parameter Sensitivität sowie Kennliniennichtlinearität zu realisieren und damit neue Anwendungsfelder für diese zu erschließen. Dazu sollten die im CiS Forschungsinstitut vorhandenen technologischen Möglichkeiten genutzt werden, um durch die Kombination geometrischer und technologischer Varianten eine Verringerung der Temperaturabhängigkeit und Verbesserung der Linearität von piezoresistiven Messbrücken zu erreichen.
Vorteile und Lösungen
In Silizium realisierte piezoresistive Messbrücken zeichnen sich einerseits durch hohe Empfindlichkeit und Langzeitstabilität und andererseits aber auch durch eine inhärente Nichtlinearität aus, die durch die mechanischen Eigenschaften des Siliziums noch überlagert wird. Zusätzlich ist bei deren Einsatz noch die Temperaturabhängigkeit des Messsignals zu berücksichtigen. Im Ergebnis des Forschungsvorhabens wurden durch die Kombination geometrischer und technologischer Varianten eine Verringerung der Temperaturabhängigkeit und Verbesserung der Linearität von piezoresistiven Messbrücken erreicht. Es wurden zwei bevorzugt einfach zu kompensierende Technologievarianten identifiziert. Mit den entwickelten Teststrukturlayouts liegt ein Instrument vor, mit dem die Verteilung der Dotierungskonzentration über einem Wafer qualifiziert werden kann. Die Implantationsqualität beeinflusst maßgeblich die Reproduzierbarkeit des Innenwiderstandes und des Offsets von piezoresistiven Widerstandsmessbrücken.
Zielgruppe und Zielmarkt
Im vorliegenden Fall kommen als potentielle Kunden Hersteller von Druckmesstechnik für die oben genannten Endmärkte in Frage, deren Produkt-Roadmaps genau die Innovationspotentiale erfordern, die durch die Projektziele gehoben werden sollen. Die Anwendungsgebiete dieser Messsysteme liegen beispielsweise in der Prozessmesstechnik, im Medizinprodukte-Bereich, Automotive sowie im Bereich Umwelt- und Klimatechnik sowie im Bereich Sensorik für die Wasserstoffwirtschaft. Die Erhöhung der Sensitivität und der Kennlinienlinearität von piezoresistiven Widerständen und Messbrücken stellt für Anwender von Dehnmesssensoren und Drucksensoren einen großen Vorteil dar. Projektziel war es und Projektergebnis ist es, eine Technologieplattform zu schaffen, aus der sich kundenspezifische Lösungen ableiten mit folgenden Schwerpunkten:
- Entwicklung von kundenspezifischen Silizium-DMS mit verbesserter Linearität, zum Beispiel mittels integrierter Dioden oder spezifischer Implantationsbedingungen
- Entsprechende Entwicklungstools für den Design-Workflow
Zusammenfassend war das Primärziel die Vereinfachung und Minimierung des Kalibrieraufwandes von Sensoren, die Silizium-Dehnmessstreifen verwenden, insbesondere der Temperaturabhängigkeit.
Diese Ergebnisse können für die kundenspezifische Entwicklung von Druckmesszellen verwendet werden, bei denen das Prinzip DMS+Federkörper das Grundprinzip bestimmt. Vor allem im Umfeld von Präzisionsmessungen kann der erforderliche Umfang von Kalibrierprozeduren signifikant verringert werden.
