Ziel der Entwicklung
Es wurden innovative AVT-Prozesse zur Verarbeitung von Si-Dehnmessstreifen von wenigen Mikrometern Dicke entwickelt. Diese umfassten einzelne Chipvereinzelungstechnologien, unter anderem ein ICP-Trockenätzverfahren, kombiniert mit einer finalen Vereinzelung durch einen Grinding-Prozess sowie neue Verfahren zum Handling und zum rückwirkungsarmen Fügen ultradünner Si-Dehnmessstreifen auf unterschiedlichste Messkörper, bestehend aus Materialien wie beispielsweise Keramik, Edelstahl, Titan oder Aluminium. Entscheidend für den Die-Attach-Prozess ist, die Kraft möglichst ohne Kopplungsverluste und unabhängig von äußeren Einflüssen auf den Silizium-Dehnmessstreifen zu übertragen. Dazu muss die Fügestelle zunächst an Chip und Messkörper mechanisch angepasst werden. Zudem bestehen hohe Anforderungen an das Fügematerial hinsichtlich Langzeitstabilität. Ebenso ist inertes Verhalten bezüglich der Umgebung (Harsh environment, Hochtemperatur-Anwendung) erforderlich. Konventionelle Fügematerialien wie Klebstoffe erfüllen diese Forderungen nur unzureichend. Deshalb wurden am CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik vielversprechende Glasfrit-Bondprozesse mit innovativen Glasfrit-Materialien entwickelt.
Vorteile und Lösungen
Das CiS verfügt über langjährige Erfahrungen zur Entwicklung und Herstellung piezoresistiver hochstabiler Drucksensoren. Aufbauend auf diesem technologischen Know-how wurden miniaturisierte, siliziumbasierte Dehnungsmesssensoren (Si-DMS) entwickelt, welche mit deutlich geringerem Platzbedarf auskommen als herkömmliche Metallfolien-DMS. Mit der Weiterentwicklung von 3D-Siliziumstrukturierungstechnologien ist es möglich, diese zur Herstellung von kostengünstigen und miniaturisierten Dehnmessstreifen zu nutzen, die gegenüber den klassischen Dehnmessstreifen einen weiteren Vorteil des höheren Kopplungsfaktors haben.
Kraftsensoren basierend auf Si-DMS können zum Beispiel in der Wägetechnik sowie in den Bereichen Automotive, Biotech und Medizintechnik eingesetzt werden. Die langzeitstabile und kraftübertragungsoptimierte Montage von siliziumbasierten Dehnmessstreifen auf den Messkörper ist dabei eine entscheidende Voraussetzung.
Das CiS kann nach Kundenvorgaben miniaturisierte Sensoren sowie AVT-Technologien entwickeln, fertigen beziehungsweise einen Transfer der Fertigung vorzunehmen sowie eine technische Dokumentation dem Kunden für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung zu stellen. Auch für eigene FuE-Aktivitäten kann das CiS miniaturisierte Sensorelemente fertigen, diese mittels AVT-Technologien auf verschiedene Messkörper applizieren und weiterverarbeiten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Basierend auf den Projektergebnissen werden in der Verwertung kundenspezifische Entwicklungen für industrielle Applikationen angeboten, die später auch produziert werden können.
Auf Kundenwunsch werden die Si-DMS in verschiedenen Stufen der Wertschöpfung angeboten:
• Kundenspezifische Entwicklung von AVT-Technologien zur Montage von Si-DMS
• speziell für das Messsystem des Kunden angepasst
• Si-DMS als vereinzelte Chips, vorbereitet zur Montage beim Kunden
• gefügt auf einem kundenspezifischen Federkörper und drahtgebondet
• als Evaluation-Kit mit angebundener Flexbandleiterkarte (EEPROM, Microcontroller) als Schnittstelle zur Auswerteelektronik
Für die in diesem Projekt entwickelten Sensoren und Technologien kommt als Markt die industrielle sowie FuE-Anwendung in Betracht. Die Endkundenmärkte liegen in den Bereichen:
• Drucksensorik mit Edelstahl- oder Keramikfederkörper (Messtechnik)
• Überwachung von Befestigungen durch Messung der Vorspannkraft an Schrauben
• Windkraft, Schienenfahrzeugbau, Bahninfrastruktur
• Wägetechnik
• Kraft- und Drucksensorik in der Prozessmesstechnik sowie im Automobilbereich
• Medizintechnik (Prothetik)
Die generellen Trends wie ein zunehmender Automatisierungsgrad sowie eine erhöhte Langzeitzuverlässigkeit erfordern genau die Innovationspotenziale, die durch die Projektergebnisse gewonnen werden konnten.
