Ziel der Entwicklung
Ziel war die Entwicklung einer Technologieplattform für präzise und kostengünstige Temperaturdioden mit SOI-Technologie (Silicon on Insulator) auf Polysiliziumbasis. Zudem müssen Genauigkeit und Langzeitstabilität den industriellen Anforderungen genügen. Im Ergebnis wird der Kalibieraufwand reduziert. Die Validation belegt, dass bestimmte Dioden im Bereich zwischen -40 Grad Celsius und +140 Grad Celsius genauer sind als Pt100 Temperaturfühler der Klasse A.
Vorteile und Lösungen
SOI-Wafer, die als Grundmaterial dienen, sind preisintensiv. Deshalb war ein Ziel, diese durch Wafer zu ersetzen, die als Devicelayer eine Polysiliziumschicht besitzen. Solche Wafer sind preisgünstig, da sie sogar simultan zu anderen Fertigungsschritten hergestellt werden können. Dazu werden die Wafer erst einmal durch Oxidation mit einer zwei Mikrometer (µm) dicken Oxidschicht versehen. Vor der eigentlichen Präparation muss die Polysiliziumschicht noch zusätzlich durch eine Implantation mit einer Grunddotierung versehen werden. Parallel dazu wurden als Referenz Dioden aus herkömmlichen Wafermaterial gefertigt. Des Weiteren sollten die Kalibrierkosten und der damit verbundene Aufwand so weit wie möglich reduziert werden. Dazu wurden zwei Verfahrensweisen gewählt: Erstens die Verwendung einer gemeinsamen Kennlinie für mindestens eine ganze Charge, somit über 300.000 Stück, sowie eine kalibrationsfreie Methode nach Goloub. Bei der ersten Verfahrensweise wurden Präzisionsmessungen und Untersuchungen der Langzeitstabilität mit Dioden aus Standardmaterial erfolgreich durchgeführt. Mit ihnen wurde gezeigt, dass die untersuchte Charge aus fertig konfektionierten Thermometern den Anforderungen eines potentiellen Industriekunden entspricht. Die maximale Abweichung von einer gemeinsamen Kennlinie beträgt im Temperaturbereich von -40 Grad Celsius bis 140 Grad Celsius maximal 400 Millikelvin. Damit sind sie besser als PT100 Klasse A Widerstandssensoren. Für eine echte kalibrationsfreie Messung nach Goloub muss gewährleistet sein, dass der verwendete p-n- Übergang einen ideality-factor von 1 hat, da sonst ein Korrekturfaktor verwendet werden muss, und somit das Verfahren nicht mehr kalibrationsfrei wäre. Durch eine Anpassung der Implantationsparameter wurden am CiS Forschungsinstitut Dioden hergestellt, die über diese Eigenschaft verfügen. Eine kalibrationsfreie Messung ist möglich, besitzt aber bei weitem nicht die Genauigkeit von der gemeinsamen Kennlinie. Die Dioden, die in Polysilizium realisiert wurden, funktionieren. Allerdings spiegeln sich die hohen Toleranzen des Ausgangsmaterials wie die Korngröße oder die Schichtdicke auch in den Eigenschaften der Bauelemente durch eine höhere Exemplarstreuung wieder. Durch eine individuelle Kalibrierung können auch diese Bauteile als Temperatursensor verwendet werden. Auffallend an der Spannung-Temperatur-Kennlinie ist, dass sie signifikant von der Kennlinie herkömmlicher Dioden abweicht.
Zielgruppe und Zielmarkt
Im Bereich der Automotive werden beispielsweise in naher Zukunft redundante Temperaturmesssysteme wie beispielweise zwei unabhängige Sensoren zur Selbstdiagnose gefordert werden. Dies kann durch die Kombination eines Platin-Messwiderstandes und einer Diode realisiert werden. Im industriellen Bereich ist die Temperaturmessung die am häufigsten gemessene Messgröße. Auch hier sind die Anforderungen an Redundanz der Sensorelemente mit Hinblick auf die Anforderungen von Industrie 4.0 zunehmend strenger. Der Transfer erfolgt zu Herstellern von Messgeräten und -Systemen, für die kundenspezifische Entwicklungen durchgeführt werden können.
