Ziel der Entwicklung
Mit drei technologischen Ansätzen wurden die Möglichkeiten untersucht, Membrandicken deutlich unter zehn Mikrometer zu prozessieren, unter Einhaltung aller Sensoreigenschaften, insbesondere deren Stabilität und Genauigkeit.
Die minimale Dicke der Silizium-Membran ist abhängig von:
a) den geforderten mechanisch/elektrischen Eigenschaften der Drucksensorkennlinie, wie Empfindlichkeit, zulässige Abweichungen von der Linearität der Drucksensorkennlinie
sowie Langzeitstabilität des Drucksensorsignals und b) den mechanisch/ thermischen Eigenschaften des Drucksensors, wie Vermeidung von snap-Effekten, der Sensor-Nullpunkt- Hysterese, dem Temperaturkoeffizienten des Sensor-Nullpunktes, dem Berstverhalten der Membran/ des Drucksensors c) der thermisch/mechanischen Kopplung zwischen der Silizium-Membran und der Konstruktion des Passivierungsschichtsystems über der Membran d) den technologischen Schwankungen, wie zum Beispiel der Dickenschwankung über der Membran in Bezug auf den Membranherstellungsprozess.
Vorteile und Lösungen
Mit detaillierten FEM-Simulationen (Methode der finiten Elemente) zur Konstruktion der Drucksensoren, der Anprobe neuer beziehungsweise der Optimierung bestehender Membranätzverfahren, dem experimentellen Nachweis und der Verifikation gelang es, unter produktionsnahen Bedingungen die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Drucksensoren mit Membrandicken unter zehn Mikrometer sind sowohl mit der modifizierten KOH-Ätzung, als auch mit pn- und SOI-Wafer, mit vertretbarem technologischem Auswand und hinreichender Homogenität realisierbar.
Die Auswertungen zeigen, dass mit geringer werdender Membrandicke, die Linearität der Kennlinie immer problematischer wird. Die Nichtlinearität der Kennlinien nimmt zu. Entscheidend ist die entsprechende Korrektur, vorwiegend der Position der Transversal-Widerstände, bei denen die Inhomogenität der mechanischen Spannung über die Länge der Widerstände besonders groß ist,
In gleichem Maße trifft der vorgenannte Effekt, Zunahme der Nichtlinearität, auf die Größe des Offsets zu, der ebenfalls mit abnehmender Membrandicke zunimmt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das CiS Forschungsinstitut hat sich zu einem bedeutenden Entwickler und Zulieferer von hochstabilen und hochgenauen Silizium-Drucksensoren für weltweit agierende deutsche Firmen der Druckmesstechnik entwickelt. Anwender fordern zunehmend immer kleinere, präzisere und stabilere Sensoren.
Durch die vorteilhaften Eigenschaften des Si-Dehnmesstreifens kristallisieren sich einige Anwendungen heraus. Insbesondere sind dies Drucksensoren, basierend auf einem Federkörper aus Stahl. Die sensitiven Elemente, die piezoresistiven Metallschichten wurden mittels Dünnschichttechnik aufgetragen. Die Kosten sind proportional der geometrischen Größe der Federkörper. Durch die Si-DMS werden die Kosten gesenkt, da sie im Vergleich zu den piezoresistive Metallschichten wesentlich kompakter sind. Zusätzlich lassen sich durch die höhere Empfindlichkeit auch kleinere Sensoren realisieren. Die Endkundenmärkte liegen im Bereich der industriellen Messtechnik, Wägetechnik / Öl- und Gasindustrie / Nahrungsmittelindustrie / Klimatechnik / medizintechnische Anwendungen.
Die generellen Trends in diesem Bereich, beispielsweise ein zunehmender Automatisierungsgrad
sowie eine erhöhte Langzeitzuverlässigkeit, erfordern genau die Innovationspotenziale, die durch diese Projektziele gehoben werden sollen.
