Mikroelektronische Niederdrucksensoren (MEMS) auf Siliziumbasis

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1 Mikroelektronische Niederdrucksensoren Mikroelektronische Drucksensoren sind seit Jahren in großen Mengen im Einsatz und haben sich zu Standartprodukten entwickelt. Dennoch werden Sensoren im unteren Druckbereich (< 20 mbar) nur von wenigen Unternehmen [1] hergestellt. Das resultiert aus dem Widerspruch von hoher Druckempfindlichkeit einerseits und Widerstandsfähigkeit gegenüber intrinsischen Störungen andererseits. Was man über moderne Niederdruckmesszellen wissen sollte, wird im nachstehenden Artikel zusammengefasst. Mikromechanische Druckmesszellen Widerstandsanordnung Dynamische Eigenschaften Thermisches Verhalten Aufbau- und Verbindungstechnik Zusammenfassung Mikromechanische Druckmesszellen Mikromechanische Druckmesszellen (Abbildung 1) haben längst die klassischen mechanischen Messaufnehmer verdrängt und sind seit Jahren z.b. in der Automatisierung- und Medizintechnik sowie für die Messwerterfassung in Automobilen anerkannt und millionenfach bewährt. Da die elektronisch/physikalischen Druckwandlerelemente = Messzelle = Druckdie auf Siliziumbasis mit den Methoden der Halbleitertechnologie und teilweise auf Halbleiterlinien hergestellt werden, genügen sie in Bezug auf Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit den hohen Ansprüchen, durch die sich auch integrierte Schaltungen auszeichnen. Die meisten Anwendungen für die Drucksensoren liegen heute im Bereich von 100 mbar bis etwa 30 bar mit Schwerpunkt um 1 bar für die barometrische Druckerfassung. Dies hat seinen Grund in der Tatsache, daß im Hochdruckbereich >30 bar erhebliche Probleme in der Abbildung 1: Piezoresitive Standard- Messzelle für Drücke >100 mbar Aufbau- und Verbindungstechnik auftreten. Im Niederdruckbereich < 100 mbar wirken sich Nichtlinearitäten, Offset- und Stabilitätsprobleme umso stärker auf das Ausgangssignal aus, je niedriger der zu messende Druck ist. Von Niederdrucksensoren spricht man bei piezoresitiven Messzellen im Bereich von <100 bis etwa 2,5 mbar. AMSYS GmbH & Co.KG Phone: / An der Fahrt 13 Fax: / D Mainz Internet: Oktober 2016 Seite 1/5

2 Da die Anwendungen besonders für die Niederdrucksensoren einen außergewöhnlich großen Markt darstellen (Füllstandsanzeige, Strömungsmessung, Atem- und Filterüberwachung usw.) ist es permanentes Ziel der Sensorentwicklung, die Offset- und Stabilitätsprobleme sowie die temperaturabhängigen Einflüsse zu reduzieren. Insbesondere sind es die Offsetprobleme, die den größten Anteil des Gesamtfehlers in der Ausgangskennlinie ausmachen und die unter Beibehaltung einer messtechnisch sinnvollen Empfindlichkeit verringert werden müssen. Alle mikromechanischen Druckmesszellen (Abbildung 1 und 2) haben als druckempfindliches Element eine dünne Membrane (einige µm), die heute anisotrop in basischer Lösung oder mit Plasma aus dem Siliziumkörper ausgeätzt wird. An geeigneten Stellen auf der Oberfläche werden mittels Integrationstechnologien lokale Fremdatome in den Siliziumkristall eindiffundiert oder implantiert, so dass Zonen mit geänderter Leitfähigkeit entstehen, die elektrisch als Widerstände wirken. Sobald ein Über/Unterdruck auf die Membran einwirkt, deformiert sich mit der Durchbiegung der dünnen Siliziummembran die molekulare Struktur des Kristalls. Insbesondere in den mechanisch gestreßten Randgebieten der Membrane, wo die Widerstände angebracht sind, finden starke lokale Potentialverschiebungen statt, die zu einer messbaren Änderung der Widerstandswerte führen (Piezoeffekt). Eine Siliziummesszelle besteht aus einer Siliziumschicht, in die eine Kavität eingeätzt ist, und einem Glassockel (z.b. Pyex). Helle dünne Linien = Leiterbahnen aus Aluminium Helle Quadrate = Bondpads aus Aluminium Helle Rechteckflächen = Implantierte Kontaktflächen Helle kleine Flächen zwischen den Rechteckflächen = Piezoresistive Brückwiderstände Beispielhafte Abmessungen Fläche der Siliziumdruckmesszelle = 2x2 mm² Höhe der Siliziumdruckmesszelle = 0,9 mm Abbildung 2: Querschnittdarstellung einer Siliziummesszelle für Differenzdruckmessung Obgleich Silizium für MEMS (mikro-elektro-mechanische Systeme) ein nahezu ideales Material ist, gibt es dennoch einige Schwachpunkte. Dazu gehören die stochastischen Fehler des Piezoeffektes, die Temperaturempfindlichkeit des Siliziums und die Querempfindlichkeit der mikromechanischen Konstruktion bei induziertem mechanischem Stress, die sich insbesondere bei Druckmesszellen mit geringem Ausgangssignal (Niederdrucksensoren) bemerkbar machen. Maßgebend für die Signalausgangskennlinie und damit Ansatzpunkte zur Optimierung der Siliziummesszelle insbesondere für niedrige Drücke sind die Widerstandsanordnung, die dynamischen Eigenschaften der Membranen, das thermische Verhalten sowie eine offsetreduzierte Aufbau- und Verbindungstechnik. Seite 2/5

3 Widerstandsanordnung Die piezoresistiven Widerstände sind immer in Form einer Brückenschaltung angeordnet, wodurch kleine Widerstandsänderungen gemessen werden können. Neben Position, Dotierung und Form der integrierten Widerstände und ihrer implantierten Zuleitungen gehen die verwendete Technologie und die Produktionsmethodik stark in die Wirkung des Piezoeffektes ein. Hier versuchen die Hersteller durch rechnergestützte Methoden die optimale Konstellation der Parameter herauszufinden und diese in der Produktion von Messzellen umzusetzen. Ziel sind gleichwertige, lineare und vor allem stabile Widerstände. Durch die Beschaltung der vier integrierten Widerständen (an den Stellen des größten mechanischen Stresses der Siliziummesszelle = Randgebieten der Membrane) zu einer Wheatstone schen Brückenschaltung werden die Absolutfehler der Einzelwiderstände kompensiert, so dass mit einem Widerstandmatching von < 1% gerechnet werden kann. Die Brückenschaltung hat aber zur Folge, dass ein differentielles Signal am Messzellenausgang entsteht, das durch einen Instrumentenverstärker verstärkt und in der anschließenden Elektronik verarbeitet z.b. digitalisiert und standardisiert werden muss mm 0.35 mm 0.90 mm 0.35 mm 1.60 mm Abbildung 3: Querschnitt und Abmessung einer typischen Niederdruckmesszelle Abbildung 4: Aufsicht auf Niederdruckmesszelle mit biegesteifem Massezentrum und Bonddrähten Dynamische Eigenschaften Je niedriger der wirkende Druck ist, umso empfindlicher muss der Sensor sein. Dies bedeutet: für die piezoresitive Messzelle entweder eine dünnere oder größere Membrane. Dünnere Membrane haben das Problem: je dünner die Membran ist, umso weniger linear ist ihre Übertragungskennlinie und umso geringer wird das Überdruckverhalten. Da andererseits die Aufweitung der Membranfläche zur Sensitivitätssteigerung neben dem Anwachsen von Nichtlinearitäten auch eine Vergrößerung der Chipfläche und damit eine Verteuerung des Sensors mit sich ziehen würde, mußte eine andere Lösung gefunden werden. Dies umso mehr, als dass mit der klassischen Membranstruktur (Abbildung 2) unter dem Aspekt technisch sinnvoller Parameter und kommerzieller Randbedingungen nur Drücke bis minimal 100 mbar erreicht werden. Durch Simulationen mit der Finite Elemente Methode erhielt man u.a. als geeignete Strukturen eine nahezu quadratische Membran mit biegesteifem Massezentrum (Abbildung 3). Hierbei wird die plasmageätzten Membran auf der Unterseite mit einer symmetrischen Flächenverdickung verstärkt, durch die bei Druckbeaufschlagung eine intensivere Membrandurchbiegung in den Randbereichen erreicht wird. Da hier die Piezowiderstände positioniert sind, erhält man mit der stärkeren Membrandeformation eine erhöhte Sensitivität. Um diese mikromechanischen Strukturen aus dem Siliziumkristall heraus zu formen, sind mehrere selektive Ätzschritte notwendig, die mit einer Kombination von nasschemischen Verfahren und der Plasma-Ätztechnik durchgeführt werden. Mit so strukturierten Niederdruckmesszellen wird bei 5 V Versorgung eine Ausgangsspannung von 30 mv und Seite im Temperaturbereich 3/5 von -20 C bis 85 C eine Linearität von 0,2 %FSO erreicht.

4 Andere komplizierte Membranstrukturen mit biegefreien Massenzentren sind ebenfalls möglich und werden von verschiedenen Herstellern getestet. Thermisches Verhalten Um die thermischen Einflüsse zu verringern, dürfen die integrierten Widerstände im Membranbereich nicht durch metallische Leiterbahnen zu den Bond- (Anschluss-)pads geführt werden, sondern müssen durch integrierte hochdotierte Zonen mit den Anschlüssen verbunden werden. Zudem werden die Siliziummeßzellen zur thermischen Entkopplung anodisch (elektrochemisch) auf einen Glassockel gesetzt (gebondet) und bilden nach dem Prozess eine hermetisch dichte Verbindung, die sich durch einen guten Temperaturgleichlauf auszeichnet. Bei differentiellen Messzellen wurde die Festigkeit dieser Verbindung bis über 50 Bar gemessen. Ein besseres Temperaturtracking erhält man jedoch durch das sogenannte Fusion-Bonding. Dieses Verfahren, bei dem die Siliziummeßzelle direkt auf einen Siliziumsockel aufgebracht wird, ist komplizierter und produktionstechnisch aufwendiger. Trotzdem muss während der Produktion der Drucksensoren vor allem wegen des Offsets eine Kalibration und wegen des TCO eine Temperaturkompensation durchgeführt werden. Aufbau- und Verbindungstechnik Es ist ein Widerspruch, daß einerseits die Kombination: Druckmeßzelle plus Glassockel druckdicht auf ein Substrat aufgeklebt werden muss und dass andererseits der verwendete Kleber so elastisch sein muss (geringe Shorekraft), dass der mechanische Stress durch den unterschiedlichen Gleichlauf der Temperaturkoeffizienten von Messzelle und Substrat keinen temperaturabhängigen Offset erzeugt. Hier helfen nur eine Optimierung des Klebeprozesses und eine stabile Produktionstechnik. Oft kommt die Forderung hinzu, dass die Sensoren z.b. für die Füllstandmessung gegen Medienbeaufschlagung widerstandsfähig (medienresistent) sein sollen. Hier setzt sich langsam die Methode der Rückseitenbeaufschlagung [2] durch, bei der der zu messende Druck von der Messzellenrückseite gegen die Klebung wirkt und damit die Montageschwierigkeiten noch erhöht, aber moderne Aufbau- und Verbindungstechnik macht das möglich. Zusammenfassung Obgleich Millionen von Siliziumdruckmesszellen jährlich produziert werden, stellt die Niederdruckmesszelle unterhalb von 100 mbar unter dem produktionstechnischen Aspekt und unter Berücksichtigung der Herstellkosten immer noch eine technische Herausforderung dar, die nur von wenigen Herstellern angegangen wird. Dennoch ist diese Technik beherrschbar und wird in Zukunft eine wesentliche Rolle in der MEMS-Technologie spielen. Literature [1] Homepage AMSYS: [2] Rückseitenbeaufschlagung: Kontakt AMSYS GmbH & Co.KG An der Fahrt 13 Seite 4/5

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