Ziel der Entwicklung

Das piezoresistive Messprinzip ist die Basis für eine Vielzahl an verschiedenen Sensoren. Seit geraumer Zeit werden zunehmend hybrid aufgebaute piezoresistive Sensoren entwickelt. Die piezoresistive Komponente besteht nicht aus den klassischen Metallfolien-Dehnungsmesssensoren (DMS), sondern aus Silizium-DMS (Si-DMS). Sie ähneln dem Aufbau von Silizium-Drucksensoren, da sie implantierte Messwiderstände besitzen, die als Messbrücke angeordnet sind. Das Design der Messbrücke variiert. Es liegen Einzelwiderstände und Vollbrücken vor. Der Anwendungsbereich geht für ausgewählte SOI-Varianten bis zu einer Temperatur von 300°C. Das Layout kann der Richtung der mechanischen Spannung angepasst werden. Somit können nahezu querdehnungsunempfindliche Sensoren realisiert werden.
Die optimale Aufbaumethodik dieser Sensoren ist die Verbindung mit Lotglas oder Glasfritte. Das Fügen erfolgt bei Temperaturen über 400°C. Die verschiedenen Materialien besitzen unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten (CTE) und erzeugen mechanische Spannungen. Sie führen zu einer Signaländerung, da sie durch Ausgleichsvorgänge nicht abgebaut werden. Diese nicht reversiblen Vorgänge erhöhen insbesondere die thermische Hysterese. Im Gegensatz zu den reversiblen Änderungen der thermisch induzierten mechanischen Spannungen, können diese nicht durch eine nachgeschaltete Messwertverarbeitung kompensiert werden.
Das Primärziel in diesem Projekt war die signifikante Verbesserung der Langzeitstabilität hybrid aufgebauter Sensoren mit Silizium-Dehnmessstreifen, durch:
• gezielten und beschleunigten Abbau mechanischer Montagespannung
• präzisen extrem parallelen und symmetrischen Aufbau
• Verminderung der Duktilität der Fügewerkstoffe
• Variation der Position des Si-DMS, hohe Empfindlichkeit auf die Messgröße, unempfindlich auf die Änderung der Montagespannung.
• Offset des Sensors ohne Belastung: < ± 5 mV/V
• Messspanne: ± 30 mV/V
• Temperaturkoeffizient Offset: < 0,5 % F.S./K
• Kurzzeitstabilität 24h bei 130°C: < 0,05 % F.S./K
• Temperaturhysterese: 30°C -130°C 30°C 0,1 % F.S./K

Vorteile und Lösungen

Die Kraft ist eine wichtige Messgröße für verschiedene mechanische Größen wie Druck, Spannung, Drehmoment, Beschleunigung und Masse. Der piezoresistive Effekt wird häufig zur Messung verwendet. Dabei kommen oft Dehnungsmessstreifen (DMS) aus Kupfer-Nickel-Manganlegierungen zum Einsatz. Durch die Änderung der Geometrie des DMS, insbesondere des Querschnitts, beim Zugversuch, ändert sich der Widerstand. DMS werden in vielen Sensortypen eingesetzt, wie Kraftaufnehmern, Waagen, Druck- und Drehmomentaufnehmern.
Die Metall-DMS werden hauptsächlich in der Wägetechnik und zur Spannungsanalyse von Bauwerken wie Brücken, Staumauern und Hochhäusern verwendet. Die Waagezellen mit Metall-DMS sind über einen großen Kraftbereich einsetzbar und bestehen aus einem Federkörper mit einem oder mehreren aufgeklebten DMS. Zeitabhängige Effekte im Signalverlauf begrenzen jedoch die Präzision dieser Waagezellen. Diese Effekte entstehen aufgrund des Materialmixes aus Polymeren, Klebstoffen und Metallen bzw. deren Legierungen. Kriecheffekte beim Übergang vom Federkörper zum DMS erhöhen das Unsicherheitsbudget erheblich.
Im Gegensatz dazu haben DMS auf Halbleiterbasis eine um den Faktor 40 höhere Empfindlichkeit und zeigen nahezu keine Kriecheffekte.
Die entwickelten Silizium-Dehnungssensoren (Si-DMS) besitzen eine integrierte, sehr sensible, dehnungsempfindliche Messbrücke.
Zur Realisierung verschiedener Anwendungen wurden verschiedene Arten entwickelt. Dies sind:
• Si-DMS mit Vollbrücke
• Si-DMS mit Einzelwiderständen zum Aufbau von Halb-, Diagonal- und Vollbrücken
• Si-DMS mit querdehnungsunempfindlichen Messwiderständen
• Si-DMS auf SOI-Material für hohe Betriebstemperaturen
Zur Qualifizierung wurden Stabilitätsmessungen durchgeführt, um eine Langzeitstabilität im Bereich von 0,05% der Messspanne pro 24 Stunden nachzuweisen.
Die Verwendung des Si-DMS ist vergleichbar mit den klassischen Folien-DMS. Der Si-DMS wird mit einem geeigneten Fügeverfahren auf den Federkörper gefügt. Anschließend wird dieser mittels Drahtbonden mit der Signalverarbeitung verbunden.
Dieses Vorgehen hat erhebliche Vorteile:
• sehr geringe Chipkosten (< 0,1 € pro Chip), ca. 40.000 Chips befinden sich auf einem 6“ Wafer
• geringe Anforderungen an die Oberflächengüte des Federkörpers, im Gegensatz zur klassischen Dünnschichttechnik ist eine Feinbearbeitung ausreichend, besser als Ra= 3,2 μm (Oberflächenrauheit)
• eine Betriebstemperatur bis 300°C ist möglich
• hohe Stabilität und geringe Drift
• hohe Signalspanne im Mittel bis 100 mV/V
Die Technologien zum Fügen der Chips sind vielfältig. Im Folgenden werden einige erfolgreich getestete Verfahren dargestellt. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist die Größe des Federkörpers. Die vorgestellten Verfahren und Technologien berücksichtigen dieses Merkmal.
Eine andere Aufgabe ist der Schutz des Si-DMS, insbesondere der Drahtbondkontakte und beinhaltet verschiedene Schutzebenen vor:
1. feuchter Luft und Staub
2. und leichter mechanischer Manipulation
3. hoher Schutz vor mechanischer Manipulation
4. leicht korrosiven Flüssigkeiten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Wasser
5. korrosive Flüssigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
Dabei ist zu beachten, dass durch den Schutz die mechanischen Eigenschaften der Sensoren nur unwesentlich beeinflusst werden dürfen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Diese Ergebnisse können für die kundenspezifische Entwicklung von Druckmesszellen verwendet werden, bei denen die Kombination DMS + Federkörper das Grundprinzip bestimmt.
Das Forschungsvorhaben fügt sich in den Entwicklungstrend ein, nicht mehr die Entwicklung der Einzelkomponenten separat für sich zu betrachten, sondern die Eigenschaften des Chips hinsichtlich seiner optimalen Integrierbarkeit in das Messsystem zu wählen. Dies bedingt die Berücksichtigung solcher Fragestellungen wie Minimierung der Montagespannungen, hohe Überlastfestigkeiten und leichte Kalibierbarkeiten neben den eher „klassischen“ Entwicklungszielen wie Genauigkeit, Langzeitstabilität und vieles andere mehr.
Transferunternehmen sind die Hersteller von Druckmesstechnik für die Anwendungen in den Bereichen Prozessmesstechnik, Automatisierungstechnik, Messtechnik für Tanks oder Leitungen für die Wasserstoffwirtschaft, Lebensmittelherstellung und -lagerung, Pharmaindustrie, Medizintechnik, Mobilität und Energiewirtschaft.
Weiterhin können die Sensoren für die Messung von Kraft, mechanischer Spannung respektive. Dehnung adaptiert werden.
Damit ist eine Vielzahl von Anwendungen möglich, beispielsweise der Einsatz zur Überwachung von Bauwerken, Kränen und Förderanlagen.