Ziel der Entwicklung

Als ein wesentlicher, physikalisch bedingter Nachteil piezoresistiver Silizium-basierter Sensoren gilt deren Anfälligkeit gegenüber elektronischer Drift. Die Ursachen können vielfältig sein. Häufig spielen Ladungstransfer bzw. Umladung elektronischer Zustände im Silizium-Volumen, an der Oberfläche und in Deckschichten eine Rolle. Diese können begünstigt werden durch äußere elektromagnetische Felder, wie sie etwa in der Luft- und Raumfahrt auftreten, aber auch bei speziellen Industrieanwendungen, beispielsweise in Reaktoren und Generatoren. Ein weiteres Beispiel für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen mit zunehmender Marktrelevanz ist die Wasserstoffwirtschaft.
Eine Lösung für die oben beschriebenen Anwendungsfälle ist die Verwendung resonanter Sensoren. Deren Messprinzip beruht darauf, dass sich die Resonanzfrequenz einer schwingenden Struktur durch Einwirkung einer physikalischen Größe ändert. Die Verwendung der Resonanzfrequenz als Messgröße hat verschiedene Vorteile gegenüber Messprinzipien, welche auf einer Änderung des elektrischen Widerstandes, der Kapazität oder der Induktivität basieren. Vor allem ist die Messung der Frequenz unempfindlich gegenüber Schwankungen der Signalamplitude, Driften des Bezugspotenzials sowie Signalrauschen. Zudem kann die Digitalisierung einer Frequenz durch einfaches Auszählen der Schwingungen pro Zeiteinheit erfolgen. Durch diesen einfachen Zugang zur modernen digitalen Signalverarbeitung entfallen Verluste in der Auflösung bei der Signalwandlung. Resonante Sensorkonzepte bieten daher generell eine sehr gute Alternative, wenn höchste Anforderungen an Langzeitstabilität und Genauigkeit gestellt werden.
Ziel des beantragten Vorhabens war die Entwicklung von Stapeltechnologien zur Herstellung von Resonatorstrukturen für resonante Sensoren, insbesondere für resonante Silizium-Drucksensoren. Als Randbedingungen wurden die Einbettung und hermetische Verkapselung unter Vakuum ebenso berücksichtigt wie Möglichkeiten der Einkopplung zur Schwingungsanregung sowie der Auskopplung des primären Messsignals. Eine Hauptanforderung an die zu entwickelnden Resonatorstrukturen und deren Einbettung war, dass eine beidseitige mechanische (Druck-) Belastung und damit die Herstellung eines Differenzdrucksensors ermöglicht wird.
Zur Strukturierung und Verkapselung sollten ausschließlich Verfahren der Bulk- und Oberflächenmikromechanik sowie Waferlevel-Packaging-Technologien zum Einsatz kommen, um eine kosteneffiziente Fertigung der Sensoren zu realisieren. Ziel war dabei, ausschließlich Silizium als Bulk-Material der einzelnen Komponenten zu verwenden, um thermomechanische Spannungen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zu vermeiden.
Als Demonstrator für die entwickelten Technologien zur Herstellung und Einbettung von Resonatorstrukturen sollte ein funktionsfähiger resonanter Differenzdrucksensor gefertigt werden. Der Messbereich von 1 bar wurde als besonders geeignet angesehen, eine Vielzahl möglicher Anwendungen abzudecken. Die Erweiterbarkeit auf kleinere Messbereiche bis 10 mbar sowie größere Messbereiche bis 400 bar sollte durch Simulationsrechnungen verifiziert werden. Für Kurz- und Langzeitstabilität wurden maximale Abweichungen definiert, welche um etwa einen Faktor Fünf kleiner sind als bei typischen, CiS-eigenen piezoresistiven Drucksensorserien. Bei den übrigen direkt vergleichbaren Parametern wurde angestrebt, zumindest zur piezoresistiven „Benchmark“ aufzuschließen.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen der durchgeführten Technologieentwicklung gelang es, mittels Verfahren der Oberflächenmikromechanik Resonatorstrukturen mit den geforderten Eigenschaften zu realisieren. Diese Eigenschaften konnten mittels Simulationsrechnungen sehr gut vorhergesagt werden, als eine Grundvoraussetzung für ein zielgerichtetes und an Kundenanforderungen angepasstes Sensordesign.
Mit dem verfolgten technologischen Ansatz der Verkapselung der erzeugten Resonatorstrukturen mittels Waferstapeltechnologien wurde zudem die Hauptanforderung einer möglichen beidseitigen (Druck-) Belastung erfüllt als Basis für die Fertigung eines funktionsfähigen Drucksensors als Demonstrator. Mithilfe anderer, vielfach aus der Literatur bekannter Konzepte können in der Regel nur Absolutdrucksensoren realisiert werden, wodurch das adressierte Anwendungsspektrum stark eingeschränkt wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des verfolgten Ansatzes besteht in der oberflächennahen Einbettung der Resonatoren, wodurch die Strukturierung des Resonators (und damit dessen Eigenschaften) und die Auslegung der Membrangeometrie zur Definition von Messbereich und Empfindlichkeit vollständig entkoppelt werden. Damit einher geht eine deutliche Vereinfachung bei Anpassungen des Sensordesigns für unterschiedliche Anwendungsfälle und an unterschiedliche Kundenanforderungen sowie bei Entwicklung und Auslegung der Auswerteelektronik.

Zielgruppe und Zielmarkt

Dieses Projekt schaffte die wissenschaftlich-technologischen Voraussetzungen und stellte Entwicklungsplattformen bereit, die für kundenspezifische Entwicklungen genutzt werden können, mit dem Ziel Drucksensorchips bzw. -module für Hersteller von innovativen und hochpräzisen sowie extrem stabilen Druckmessgeräten bzw. -systeme zu entwickeln.
Die Endkundenmärkte liegen in den Bereichen
- industrielle Prozessmesstechnik (Pharmaindustrie, Lebensmittelindustrie, Energieversorgung)
- Automationstechnik (Maschinenbau, Automotive)
- Wasserstoffwirtschaft und erneuerbare Energien