11. Mechanosensoren. Mechanische Beanspruchung e führt bei einer Reihe von Halbleitern zu besonders hohen Änderungen des elektrischen. R = Ke (11.

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1 Werkstoffe und Sensorik Mechanosensoren Mechanische Beanspruchung e führt bei einer Reihe von Halbleitern zu besonders hohen Änderungen des elektrischen Widerstandes DR R = Ke (11.1) Für Metalle liegt der Proportionalitätsfaktor K sehr niedrig. Für Silizium ist er dagegen sehr groß. Für n-si gelten negative Werte von 100 bis 120 und für p-si positive Werte bis zu etwa 250. Abb Der K-Faktor für die relative Widerstandsänderung ist durch die Dotierung technologisch beeinflußbar. Die Temperaturabhängigkeit wird dabei ebenfalls verändert. Abb : Druckabhängige Eigenschaften von Halbleitern Abb Bei Poly-Silizium liegen die K-Faktoren erheblich unter denen des einkristallinen Si. Mit Hilfe der Ionenimplantation wird die gewünschte Größe eingestellt Durch eine Druckspannung T u wird die Energiever-teilung im Kristallgitter verändert (gestrichelte Kurve). Die Leitbandkante in x-richtung wird nach unten, in den anderen Rictungen nach oben verschoben. Dadurch ändert sich die Besetzungsverteilung. In deren Folge wird der ohmsche Widerstand vergrößert oder verkleinert. Damit ist die durch Druck bewirkte Veränderung des ohmschen Widerstandes von der Lage relativ zum Kristallgitter abhängig. Hinzu kommt die Abhängigkeit von der Lage auf einer druckabhängigen Membran, da diese durch die Einspannung eine örtliche Verteilung von Druck und Zug aufweist. Werden die querliegenden Widerstände am Membranrand ab etwa x > 0,8 b bzw. x < 0,2 b angeordnet, so ist die Widerstandänderung DR negativ. Die längs des Membranrandes liegenden Widerstände haben dort eine positive Widerstandsänderung bei Druck. Werden die Widerstände in der Membranmitte angeordnet, dreht sich die Widerstandsänderung um. Bei amorphen und polykristallinen Schichten sind die Korngröße und die Temperatur ebenfalls von Bedeutung. Wegen der Umsetzung von Kraft und Druck in eine Dehnung des Halbleiters werden diese Sensoren auch als Dehnungsmeßstreifen (DMS) bezeichnet. Abb Konstruktionsmöglichkeiten für Halbleiterdrucksensoren: Abb In selektiv abgedünntes Silizium wird ein p- oder n- leitendes Gebiet eingebracht (Diffusion, Implantation). Das dünne Si ist eine Druckmembran, über die der Widerstand in seinem Wert geändert wird.

2 74 Werkstoffe und Sensorik Abb : Mikroelektronisch hergestellte Halbleiterdehnungsmeßstreifen. Abb Geeignet behandeltes Poly-Silizium auf isolierender Unterlage kann für einen druckabhängigen Widerstand eingesetzt sein. Leitende Unterlagen müssen mit einer Isolationsschicht versehen sein. Der K-Faktor ist eine Zehnerpotenz geringer als bei einkristallinem Silizium. Das Poly-Si wird hauptsächlich in seinen elektrischen Eigenschaften durch Rekristallation, Temperung und Implantationen eingestellt. Abb diffundierte Widerstände in der abgedünnten Siliziummembran sind als Vollbrücke geschaltet. Sie müssen auf der Membran so angeordnet sein, daß jeweils R 1 und R 4 sowie R 2 und R 3 eine gleiche Widerstandsänderung bei Druckänderung erfahren, z. B. R 1 + DR, R 4 + DR, R 2 - DR, R 3 - DR. Abb Aufbau als Absolutdrucksensor bezogen auf Vakuum. Dabei wird das Silizium mit dem druckabhängigen Widerstand in der abgedünnten Membran vakuumdicht auf eine Unterlage aufgebracht. Abb Eingespannter Biegebalken mit aufgeklebtem DMS. Die Widerstandsänderung ist DR R 0 3 dd Ê l - x 1 + x 2 ˆ Ë 2 = K 2 l 3. Abb Aufbau als Relativdrucksensor durch Vergleich mit Atmosphärendruck. Die Dehnung e wirkt an der Oberfläche des Biegebalkens. Ist noch ein Halbleitersubstrat zwischen durckabhängigen Widerständen und Oberfläche des Biegebalkens vorhanden, so wird e entsprechend verringert. Abb Aufbau als Differenzdrucksensor, indem die Druckdifferenz auf den druckabhängigen Widerstand in der Si- Membran wirkt. Abb Prinzipielle Zug- und Druckverteilung bei Wirken einer Kraft F auf die Frontseite der dargestellten Membran.

3 Werkstoffe und Sensorik 75 Abb : Integration von Halbleiterdehnungsmeßstreifen und Auswerteschaltung. Abb Anordnung der druckabhängigen Widerstände auf ei Biegeplatte bzw. Membran. Ausgangsmaterial ist eine n-si- Scheibe, (121)-orientiert. Längswiderstände liegen in [111]- Richtung, Querwiderstände in [101]-Richtung. Dadurch haben die Widerstandsänderungen bei Druckbelastung eine entgegengesetztes Vorzeichen und führen in einer Brückenschaltung zu sich addierenden Wirkungen. Abb Drucksensor aus 4 diffundierten Widerständen in einer Siliziummembran und Signalverarbeitungselektronik im gleichen Silizium Abb Schaltung, Querschnitt und Draufsicht eines integrierten Drucksensors aus Dehnungsmeßstreifen und Interfaceelektronik. Die gestrichelte Linie zeigt den Membranbereich in der Draufsicht an. Außerhalb dieses Bereiches sind die Strukturen des Differenzverstärkers angebracht. Der Querschnitt zeigt, daß für die elektronische Schaltung und die diffundierten Widerstände die gleiche Schichtenfolge benutzt wird.

4 76 Werkstoffe und Sensorik Kapazitiver Si-Drucksensor Verwendung von Si als Membran mit guter mechanischer Reproduzierbarkeit (( ± 0.5 %) und Elektrode eines Kondensators Integrierbarkeit in Si-Technologie. Abb : Konstruktionsprinzipien für integrierte mikromechanische Beschleunigung. Abb : Kapazitive Drucksensoren in Silizium. Abb Funktionsprinzip: Die Differenz von Außendruck P außen und Innendruck P innen biegt die dünne Si-Membran durch. Dadurch ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Kapazitätselektroden Abb Die bewegliche Zunge ist hier aus SiO 2. Auf ihr ist eine Elektrode aufgebracht, die eine Kapazität zum Si-Substrat aufweist. Wirkt auf die auch auf der Zunge befindliche Masse eine Beschleunigung, son lenkt sie die Zunge aus und verändert die Kapazität. Abb Wird zusätzlich zur Meßkapazität noch eine Referenzkapazität aufgebaut, so kann schaltungstechnisch eine Brückenanordnung oder ähnliche Kompensationsanordnungen gehlt werden. Abb Die Auslenkung der Siliziumzunge, die aus dem Silizium durch eine besondere Ätztechnik freistehend herausgeätzt ist, erzeugt an der Einspannstelle an druckabhängigen Widerständen eine Widerstandsänderung. Diese muß durch eine elektrische Schaltung ausgewertet werden. Abb In Silizium läßt sich räumlich neben der Si- Membran auch die elektronische Auswerteschaltung integrieren. In ihr muß berücksichtigt werden, daß die Kapazitätsänderung sowohl vom Druck als auch von der Temperatur abhängt. Abb Die freistehende Si-Zunge kann auch durch eine Si- Sirale ersetzt sein. Sie enthält in der Mitte die für Beschleunigunmessungen erforderliche Masse als Siliziumstückchen. Mikromechanischer Beschleunigungs-Sensor Masse auf beweglicher Si-Zunge. Kraft - F = Masse x Beschleunigung. Kandasensor Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der Fläche des Elements, so kann eine Spannung an den "Hall"-Elektroden abgegriffen werden. Sie ist abhängig vom Winkel q, in dem Druck oder Zug (relativ zu den Kristallachsen) auf das Hallelement wirken.

5 Werkstoffe und Sensorik 77 SAW-Kraft- und Drucksensor Anwendung des SAW-Elements als Verzögerungsleitung oder Resonator. Ist es als frequenzbestimmendes Teil eines Oszillators geschaltet, so erfolt eine Abbildung in ein frequenzanaloges Signal. Durch die Kraft oder den Druck wird die Oszillatorfrequenz moduliert, und Kraft oder Druck werden als Frequenz abgebildet. Materialien: LiNbO 3, SiO 2, CdS, ZnO, GaAs, ARN. Abb Longitudinalwelle Die Teilchenverschiebung erfolgt in ausbreitungsrichtung, auch Kompressionswelle genannt. Abb Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der Fläche des Elementes, so kann eine Spannung an den Elektroden 3 und 4 abgegriffen werden. Diese Spannung kann als Offsetspannung des Hallelementes angesehen werden. Sie ist abhängig vom Winkel Q (Q = 0 in der Diagonalen des Hallelementes festgelegt), in der Druck oder Zug in Beachtung der Lage zu den Kristallachsen auf das Hallelement wirken. Abb Transversalwelle Verschiebung nur senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, auch Scherwellen genannt. Abb Lambwellen (Plattenwellen) Wellen in plattenförmigen Körpern, deren Dicke kleiner ist als die halbe Wellenlänge. Abb Rayleighwellen (Oberflächenwellen) Wellen an der Oberfläche von Körpern. Abb Anordnung des Hallelementes als Kandasensor auf einer dünnen Siliziummembran zur Messung des Druckes in Relation zum Referenzdruck.

6 78 Werkstoffe und Sensorik Abb : Integrierbare Elemente für akustische Oberflächenwellenbauelemente. Abb Wellenführung für einige integrierbare Oberflächenwellenleitungen. Abb Anordnung zweier AOW-Verzögerungsleitungen auf einem Biegebalken. Auf die obere wirkt die Dehnung + e, auf die untere - e. Dadurch erfolgt eine Erhöhung bzw. Erniedrigung der Oszillatorfrequenzen. In einer Mischstufe wird die Differenzfrequenz erzeugt, die nun bei gleicher Dehnung doppelt so groß ist wie im obigen Beispiel. Da der Temperatureinfluß auf beide Oszillatorschaltungen gleichsinnig ist, kann er in der Differenzfrequenz als kompensiert betrachtet werden. Abb Anregung von Oberflächenwellen durch Interditaltransducer Abb Interdigitaltransducer in verschiedenen Schichtsystemen. Abb : Kraft- und Drucksensoren, aufgebaut mit Hilfe akustischer Oberflächenwellenbauelemente. Abb AOW-Anordnung zur Druckmessung. Druck als Kraft je Fläche muß auf eine bestimmte Membranfläche wirken und durch Beeinflussung der Resonanzstruktur die Resonanzfrequenz verändern. Der Aufbau ist doppelt ausgeführt, um eine Temperaturkompensation zu ermöglichen. Taktiler optoelektrischer Sensor Messung eines flächenverteilten Druckes mit einem taktilen Sensor durch Berührung einer Membran mit dem zu untersuchenden Objekt. Die druckabhängige Verformung der Membran wird durch optoelektrische Empfängerbauelemente erfaßt. Das reflektierte Licht von LED s wird durch optoelektronische Emfängerbandelementen (Fotoelemente, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände) aufgenommen. Die Reflexion erfolgt an der druckabhängig verformten Membran. Abb : Sensoraufbauten mit optoelektronischen Bauelementen für taktile Sensoren. Abb Die Verzögerungsleitung ist auf eine bewegliche Membran oder auf einen Biegebalken aufgebracht. Sie ist in die Rückkopplungsleitung des Oszillators geschaltet. Seine Frequenz ist f ª f 0 (1 - e). e ist die relative Dehnung, verursacht durch die Krafteinwirkung; f 0 ª V welle / a.

7 Werkstoffe und Sensorik 79 Abb Der Sensor besteht aus 4 Ebenen. Die erste Ebene enthält eine LED-Matrix zur Strahlerzeugung. Das Licht wird durch die nächsten Ebenen geschickt und an einer beweglichen Membran reflektiert. Von der Fotodetektormatrix wird das reflektierte Licht, das ein Abbild der Druckverteilung auf der vierten Ebene ist, aufgenommen. Abb Durch Druck wird die weiße Kautschukmembran verformt und reflektiert das Licht der LED auf den a-si- Fotowiderstand. Abb Die Anordnung zu einer 8 x 8-Matrix ermöglicht, die örtliche Verteilung des Berührungsdruckes zu ermitteln. Ein Matrixpunkt hat die Größe von 2,2 x 2,2 mm 2. Abb Aufbau eines taktilen Sensors mit optoelektronischen Reflexkopplern. Abb Die integrierte Auswerteschaltung enthält einen Verstärker mit geschalteten Kapazitäten. Taktiler kapazitiver Sensor Anordnung integrierter Kapazitäten zu einer Matrix Abb Die Kapazitätsänderung ist nichtlinear. Abb Auf Glas ist ein geätztes Siliziumchip elektrostatisch aufgebracht. Realisiert werden eine Meßkapazität und eine Referenzkapazität.

8 80 Werkstoffe und Sensorik Abb Die Gesamtanordnung enthält die Übertragungsglieder für den örtlich verteilten Druck, die Si- Kapazitäten, Gehäuseteile und die integrierte Auswerteschaltung in hybrider Technik.

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