Ziel der Entwicklung

Zur Fertigung hochpräziser Drucksensoren haben sich siliziumbasierte MEMS-Technologien etabliert. Typischerweise wird durch Druckbeaufschlagung eine Si-Membran verformt. Deren Auslenkung kann anschließend piezoresistiv in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt und ausgewertet werden.
Piezoresistive Mikrosensoren werden heute in der Regel auf höchstmögliche Empfindlichkeit (typisch sind 20 mV/V) optimiert. Dieser Ansatz erzwingt einen Kompromiss zu Lasten der anderen Designparameter, beispielsweise Linearität, Chipgröße oder Überlastfestigkeit.
So ist eine signifikante Verkleinerung von piezoresistiven Mikrosensoren nur mit deutlich niedriger Empfindlichkeit möglich. Eine solche Miniaturisierung ist oft kundenseitig aus konstruktionstechnischen Gründen erwünscht. Sie eröffnet neue Applikationsfelder (Medizintechnik) oder verbessert wichtige Parameter (z.B. Überlastfestigkeit) für den Einsatz. In jedem Fall wird das Messsignal deutlich verstärkt. Damit ist die tatsächlich notwendige Empfindlichkeit nur durch zwei Größen festgelegt:
– das Signal-Rausch-Verhältnis sowie
– die Stabilität des Sensorsignals.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurden neuartige technische Ansätze für die entscheidende Verbesserung beider Größen erprobt:
– ein neues Auslese-Konzept auf der Basis von ac-Anregung und Lock-In-Verstärkung. Damit kann das dominante 1/f Rauschen umgangen und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessert werden. Somit wird bei dieser Auslesetechnik die Empfindlichkeit reduziert, ohne die Systemperformance zu verändern.
– Um die höhere Signalverstärkung stabil zu gestalten, ist im gleichen Zuge eine signifikante Verbesserung der Stabilität des Sensorsignals notwendig. Dafür wurden neue Layouts und neue technologische Lösungen (optimale Brückenschaltung, Brückenwiderstände, Vias, etc.) entwickelt.
Während der Tests wurde festgestellt, dass durch eine AC-Auswertung, das Signal-Rausch-Verhältnis nicht signifikant verbessert wurde. Die Lock-in-Verstärkung war möglich, aber nur an Sensoren mit Messwiderständen aus Polysilizium (p+).
Ausbaubar ist die Verwendung des Summensignals mehrerer Messbrücken. Die Signalspanne wurde im Versuch dadurch um den Faktor 4 erhöht, die Rauschanteile wurden addiert, so dass im besten Fall eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses um 6 dB erreicht werden kann. Mit dieser einfachen Maßnahme wird ein deutlicher Mehrwert erzielt.

Zielgruppe und Zielmarkt

*Piezoresistive Drucksensoren*
Der Druck ist eine der am häufigsten gemessenen physikalischen Größen. Druckmessungen bzw. die Messung abgeleiteter Größen wie Kraft, Gewicht, Füllstand oder Durchfluss kommen in den verschiedensten Anwendungsfeldern zum Einsatz, beispielweise in der Automobilindustrie, im Maschinen- und Anlagenbau, bei Hydraulik- und Pneumatiksteuerungen sowie medizinischen Anwendungen.
Zur Fertigung hochpräziser Drucksensoren haben sich siliziumbasierte MEMS-Technologien etabliert. Typischerweise wird durch Druckbeaufschlagung eine Si-Membran verformt. Deren Auslenkung kann anschließend piezoresistiv in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt und ausgewertet werden.
Damit ergeben sich zwei Alleinstellungsmerkmale:
– Da die Chipkosten näherungsweise mit der Chipgröße korrelieren, ist hier in der späteren Produktion eine entsprechende Kostenreduktion zu erwarten.
– Durch die Verkleinerung der Chipgröße ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten, z.B. in der Medizintechnik.

*Silizium Cantilever*
Silizium-Dehnungsmesssensoren haben gegenüber den konventionellen Dehnmessstreifen, beispielsweise auf Folientechnik mit metallischen Leiterzügen aus Konstantan, den maßgeblichen Vorteil des höheren Kopplungsfaktors und der Realisierung in geringer Baugröße.
Cantilever aus Silizium mit integrierter piezoresistiver Auswertung sind kompakter und in ihrer Anwendung flexibler als solche, die konventionell durch die signalbedingte Ablenkung eines Laserstrahles abgetastet werden.
Folgende Hauptanwendungen in verschiedenster Ausführung sind:
– Wägesensoren (formschlüssige Montage des Si-DMS auf einem Federkörper)
– Kraftsensoren bzw. Drucksensoren mit Metallbiegeplatte und darauf montiertem Si-DehnMessStreifen (Si-DMS).
– Sensoren zur Messung von Formen und Rauigkeiten basierend auf Si-Cantilevern mit integrierter piezoresistiver Messbrücke oder aus Cantilevern, die aus einem Metallbiegebalken und einem Si-DMS bestehen.
Kraftsensoren, basierend auf Si-DMS können z. B. in der Wägetechnik, zur Spannungsanalyse von Brücken, Staumauern oder Hochhäusern eingesetzt werden. Weitere Anwendungen befinden sich im Bereich Biotech sowie Medizintechnik (z. B. Kraftanalysen in der Prothetik).
Basierend auf den Ergebnissen bietet das CiS Forschungsinstitut kundenspezifische Entwicklungen an. Das Angebot beinhaltet die passende Prozessentwicklung inklusive der Überführung einzelner AVT-Technologien zum Aufbau der Si-DMS auf die gewünschten Federkörper bis zum Prototyp. Dabei können einzelne siliziumbasierte Kraftsensorelemente selbst oder ein Kraftsensor-Messsystem, bestehend aus dem auf einen Biegebalken aufgebondeten Si-DMS mit angebundener Flexbandleiterkarte (EEPROM, Microcontroller) als Schnittstelle zur Auswerteelektronik realisiert werden.

*Die Endkundenmärkte liegen im Bereich*
– Prozessmesstechnik, Nahrungsmittelindustrie, Chemieanlagen, Raffinerien usw.
– Messtechnik mit metallischen Federkörpern
– Überwachung von Befestigungen durch Messung der Vorspannkraft an Schrauben (Windkraft, Schienenfahrzeugbau, Bahninfrastruktur
– Wägetechnik
– Medizintechnik