ELEMENT ELektromechanische sensoren Mit Eindimensionalen NanoobjekTen

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1 ELEMENT ELektromechanische sensoren Mit Eindimensionalen NanoobjekTen Helmut F. Schlaak, Jörg J. Schneider, Dimitris Pavlidis, Franko Küppers, Wolfgang Ensinger Statusmeeting MNI, 18. und 19. Juni, Berlin, Projekt ELEMENT, W4MNI002

2 Gesamtkonzept für ELEMENT Aufbau von Bewegungs- bzw. Beschleunigungssensoren auf Basis von eindimensionalen, nanostrukturierten Bauelementen

3 3D CNT-Blöcke als aktive Elemente 1. Mikrostrukturierung der CNT Wachstumsbereiche: Silizium-Grubenstruktur 2. CVD- Vor-Ort -Synthese von CNT-Blöcken in Silizium-Grubenstruktur 3. Packaging in Silizium-Struktur (zwei Chip-Technologie) Funktionsweise des Beschleunigungssensors: kapazititv-resistiv, magneto-resistiv CNTs: Hohe mechan. Stabilität, Eigenschaften einstellbar: L änge, D urchmesser, H öhe

4 3D Nanodraht Blockstrukturen als aktive Elemente 1. Mikrostrukturierung der Nanodraht-Wachstumsbereiche 2. Galvanische Nanodrahtarray-Synthese 3. Mikrostrukturierung der Elektroden & der seismischen Masse Funktionsweise des Beschleunigungssenors: kapazititiv, magnetoresistiv Multiskalenintegration metallischer Nanodraht-Strukturen

5 Synthese von 3D CNTs durch Katalysator gesteuerte Gasphasenabscheidung (CVD) CNT-Wachstum CNTs:

6 Strukturiertes 3D CNT Wachstum (frei definiert) 3D CNT-Strukturierung mittels Maskentechniken A. Si wafer B. Al deposition C. Mask adjustment D. Fe evaporation and mask removal E. CNT growth by CVD

7 Erreichtes: 3D Trockenätzen (isotrop) mit SF6 Naßchemisches Ätzen (ansisotrop) mit KOH Grubenbereich nach 60 min SF6-Ätzung. Zwei-Chip-Technologie mit (100) Si-Wafer. Grubenbereich nach 70 min KOH-Ätzung. ca CNTs Zwei-Chip-Technologie mit (100) Si-Wafer. 1 mm 7

8 Sensoraufbau auf Basis von 3D CNT Strukturen mit kapazitiver und magnetoresistiver Detektion 1. Messung der Kapazitätsänderung 2. Messung der magnetoresistiven Antwort (AMR, GMR) M R AMR Magnetisches Material (z.b. Nickel Nanopartikel) α ΔX I α CNT Bündel GMR H R I N2 N1 I H ΔX Piezotisch FeCo Bündel AMR, GMR Sensorpositionen Intensität Intensität SiKα FeKα FeK α CoKα CoK α Energie k Energie ev k ev 500 µm

9 3D Nanodraht-Inertialsensor Sensorkonzept Entwicklung eines Nanodraht-Inertialsensors - Verwendung von Nanodrahtarrays als Federelement - Erhöhung der Auslenkung durch seismische Masse - mechanische Eigenschaften einstellbar über - Drahtlänge, Drahtradius, Drahtdichte - Volumen und Dichte der Masse Masse Auslenkung Kraft Nanodrahtarrays

10 Herstellung von 3D Nanodrahtarrays 1. Bestrahlung einer Polymerfolie mit Ionen durch Bestrahlungsmasken (E = 2 GeV; Fluenz = Ionen/cm² (GSI) à Entstehung von latenten Ionenspuren 2. Aufätzen der latenten Ionenspuren à Entstehung von Nanokanälen (d Kanäle = nm) 3. Aufbringung eines elektrischen Rückkontakts 4. Elektrochemische Abscheidung der Nanodrähte in den Nanokanälen 5. Entfernen der Polymerfolie à freistehende Nanodrahtarrays

11 Herstellung von 3D Nanodrahtarrays 20 µm Platin-Nanodrahtarrays ddraht = 200 nm ca Arrays pro cm² ca Drähte pro Array darray = 50 µm LDraht = 30 µm

12 3D Nanodraht-Inertialsensor Fertigungsprozess II (Aufbringen der seismischen Masse) 8. Cu-Startschicht aufsputtern 9. Galvanoform strukturieren 10. Masse galvanisch abscheiden 11. Photoresist veraschen 12. Cu-Startschicht ätzen 13. Templatfolie und Photoresist veraschen 300 µm 300 µm

13 3D Nanodraht-Inertialsensor Ergebnis: freistehendes Federelement

14 3D Nanodraht-Inertialsensor Aufbau des Systems Magnetoresistive Detektion der Auslenkung Magnetfelderzeugung mittels ferromagnetischer Masse Verwendung des GMR Sensors GF 705 der Fa. Sensitec Nanodrahtarray Kontaktpad 1400 µm MR-Sensor 410 µm 240 µm sensitiver Bereich Lot-Ball Seitenansicht Draufsicht

15 Zukünftige ELEMENT Projektarbeiten (alle Partner) 3D CNT-arrays (AC) Aktivmaterialien - Optimierung von Länge und CNT-Durchmesser - Optimierung des CVD-Herstellungsprozesses - Entwicklung des CNT-Beschichtungsprozesses für die Sensorik (kapazitiv, magnetoresistiv) CNT-Sensor-Chip Aufbau (HFE) Funktion - Optimierung der Grubenätzung und Positionierung des Sensorchips - Nachweis und Optimierung der Sensorfunktion (kapazitiv oder magnetoresistiv) Nanodraht-arrays (MA) - Anpassung von Länge, Durchmesser und Anzahl der Drähte - Optimierung der elektrochemischen Abscheidebedingungen der Drähte - Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften Inertialssensorsystem (EMK) - Variation der Masseblöcke - Design und Aufbau des Komplettsystems - Optimierung der Sensorpositionierung - Quantifizierung sensorischer Eigenschaften