Entwicklung modular strukturierter sensorischer Mikrosysteme (MODSYS)

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1 Entwicklung modular strukturierter sensorischer Mikrosysteme (MODSYS) Im Rahmen des BMBF-Projekts MODSYS wird das Teilvorhaben Modellierung von sensitiven Schichten und Erkennungssystemen für kapazitive Sensorelemente bearbeitet. Modellierung der Streufeldkapazität Das Modul Streufeldkapazität (Abbildung 26) soll im Rahmen des Teilvorhabens modelliert werden. Folgende zu lösende Teilprobleme wurden spezifiziert: Anpassung des SPICE-Parametersatzes an Substratänderungen Anpassung des SPICE-Modells an parasitäre Einflüsse Abtrennung der sensitiven Schicht vom Modell des Grundmoduls Modellierung von Umgebungsmedien bzw. sensitiven Schichten (z.b. für Leitwertmessungen oder Messung der relativen Feuchte) Es soll weiterhin überprüft werden, ob ein Modellansatz, der die Finger einzeln betrachtet, den Einfluss des Mediums auf die parasitären Elemente im aktuellen SPICE-Modell erklären kann.

2 In Zusammenarbeit mit der Uni Bremen, ITEM wurde ein Vorschlag für eine Zerlegung erarbeitet, die mit dem am ITEM entwickelten Simulator MODOS getestet wird. Die Abbildungen zeigen Draufsicht und Querschnitt der Kammstruktur mit entsprechenden Ersatzelementen, sowie die Zusammenschaltung der horizontalen und vertikalen Elemente. Diese Elemente sind Bestandteil eines Blocks in dem folgenden Schematic. Die Tabelle zeigt die Werte der Bauelemente für eine Streufeldkapazität mit 150µm Gap.

3 Beim Vergleich der simulierten Inpedanz-Frequenz-Kennlinie mit Messwerten ist eine Ähnlichkeit der Phasenverläufe bei trockener und mit DI-Wasser bedeckter Sensoroberfläche festzustellen. Zur Gewinnung von weiteren Messdaten sind angepasste Layouts entwickelt worden. In den Abbildungen sind als Beispiele je ein Layout einer Streufeldkapazität mit 3µm Gap (links) und mit 150µm Gap (rechts) dargestellt. Die Layouts zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: 4-Leiter-Anschluss der Kapazität für Messung an LCR-Messbrücke Streufeldkapazitäten mit 3, 5, 10, 20, 50, 100, 150 und 200µm Gap Gleiche Anschlüsse, nahezu gleiche Flächen (Differenzen durch Rasterkonstanten bedingt) Vorderseiten-Substratkontakt (für Si-Substrat) Für Flip-Chip-Montage mit Vergussstop Mit integriertem Temperatur-Widerstand Mit vorhandenen Streufeldkapazitäten wurden Versuche mit unterschiedlichen Messmedien durchgeführt. In den folgenden Abbildungen sind die Kapazitäts-Frequenz-Kurven und die Phasenwinkel-Frequenz-Kurven der Impedanz für eine Streufeldkapazität mit 150µm Gap dargestellt. Es wurde eine der Legenden-Reihenfolge entsprechende Messreihe mit trockenen und benetzten Sensoroberflächen aufgenommen. Als Medien kamen deionisiertes Wasser sowie KCl-, KNO2- und KNO3-Lösungen in unterschiedlichen Konzentrationen zum Einsatz.

4 Sowohl die Trockenmessungen als auch die Messungen mit gleicher Ionenkonzentration zeigen für die Kapazitäts-Frequenz-Kennlinien (Abbildung 32) sehr gute bis gute Übereinstimmung. Die Phasenwinkel- Frequenz-Kurven (Abbildung 33) zeigen bei Trockenmessung und bei gleichen Konzentrationen sehr gute bis gute Übereinstimmung. Für eine Konzentration von 1mmol/l ist die sehr gute Übereinstimmung zumindest für KCl und KNO3 plausibel, da die Ionengrenzleitfähigkeiten der als ideal verdünnt annehmbaren Lösungen mit 149,86 und 144,96 W-1mol-1cm2 nur geringfügig differieren. Die mit zunehmender Konzentration ansteigenden Differenzen sind auf zunehmende Wechselwirkungen zwischen Kation und Anion zurückzuführen. Das Diagramm in Abbildung 34 zeigt die Nyquist-Plots (Impedanzspektren) bei Benetzung mit deionisiertem Wasser und Bremsflüssigkeit. Die Messungen erfolgten im Frequenzbereich 300Hz bis 1MHz. Als Oel wurde die Bremsflüssigkeit FRELUB der Fa. ELF Aquitaine verwendet. Für die Kennlinie "oel" wurde die Bremsflüssigkeit direkt aus der gerade angebrochenen Flasche entnommen. Für die Kennlinie "oel2" wurde gealterte Bremsflüssigkeit verwendet. Im Frequenzbereich von ca. 60kHz bis 1MHz deuten die Messkurven auf ein vergleichsweise lineares kapazitives Verhalten bei zunehmendem Wassergehalt in der Bremsflüssigkeit hin. Im Frequenzbereich von 300Hz bis ca. 5kHz deuten die Messkurven auf ein überwiegend resistives Verhalten bei zunehmendem Wassergehalt in der Bremsflüssigkeit hin.

5 Modellierung des piezoresistiven Drucksensors Im Rahmen der Zusammenarbeit mit Fraunhofer IIS/EAS wurde der Ansatz für gemeinsame Untersuchungen zur entwurfsbegleitenden Modellierung eines integrierten piezoresistiven Druckmesssystems unter Berücksichtigung thermisch-elektrischer und thermisch-mechanischer Kopplungen entwickelt. Gegenstand der Untersuchungen sind applikationsspezifische piezoresistive Druckmesssysteme, die einerseits bezüglich Empfindlichkeit, Linearität und Hysterese und andererseits bezüglich Berstfestigkeit optimiert werden. Drucksensoren mit solch hohen Anforderungen werden vor allem zur Messdatenerfassung in der Prozesssteuerung eingesetzt.

6 In Abbildung 35 ist ein solches System dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Drucksensor für 100mbar Nenndruck, der mit einer runden Membran in Silizium realisiert ist. Der Bereich der runden, isotrop geätzten Membran ist in der Sensormitte erkennbar. Durch die gewählte isotrope Ätztechnologie treten die sonst für die Mikromechanik in (100)-Silizium typischen geraden Ätzflanken nicht hervor. Abbildung 36 zeigt ein Schliffbild zur Annäherung des Ätzradius. Hier ist der Übergangsbereich von Si-Bulk zur Membran für einen isotrop geätzten Drucksensor dargestellt. Die Geometriedaten dieses Schliffbildes wurden für die Optimierung von Berstverhalten und Empfindlichkeit eingesetzt. In Abbildung 37 ist die Piezowiderstandsbrücke dargestellt. Deren Hauptparameter sind: Brücken- Widerstand Bahnbreite 6 µm 4, ,6 kw Bahnlänge 2 x 120 µm Dotierungsprofil ATLAS-Simulation Die in Gleichung beschreibt den Widerstand eines Leitbahnquadrates (abhängig von Verlauf der Bordotierung und Löcher-Beweglichkeit in der Tiefe).

7 Abbildung 38 beschreibt den von FhG IIS-EAS vorgeschlagenen durchgängigen Modellierungsflow, wie er sich aus der Problemstellung ergibt. Mit diesem Modellierungsflow eröffnet sich für produktnahe Entwicklungen die Möglichkeit, die Struktur- und Prozessparameter aus realen Prozessvorgaben mittels ATLAS zu ermitteln, 2D- bzw. 3D-Feldverteilungen der mechanischen Spannung, der Temperatur sowie des Stromdichtefelds mit ANSYS numerisch zu berechnen, Widerstandsmodulation mit Parasitics aus praxisrelevanten numerisch ermittelten Struktur-, Prozessund Betriebsparametern mittels des kommerziellen Netzwerksimulators SABER zu berechnen. Weitere Arbeiten hatten die Optimierung des Berstverhaltens zum Ziel. Für den 100mbar-Sensor, dessen Spannungssimulation in ANSYS in Abbildung 39 dargestellt ist, wurde eine Optimierung des Membrandicke/- durchmesser-verhältnisses für 16bar Berst-druck mit angenähertem "Ätzradius" (s.a. Abbildung 36) vorgenommen, was zu einer Empfindlichkeit bei Nenndruck von 15mV/V führte und sehr gut mit Messergebnissen übereinstimmt.

8 Zur Qualifizierung der Datenbasis für den Modellierungsflow wurden Chipverbiegungen und deren Korrelation mit Waferverbiegungen ermittelt. Abbildung 40 zeigt ein Profil mit den für eine Berechnung der Chipverbiegung erforderlichen Parametern. Im Ergebnis der Messungen wurde deutlich, dass zu einer ersten Charakterisierung der intrinsischen Spannungen eine Messung der Chipverbiegung ausreichend ist. Abbildung 41 zeigt die Ergebnisse einer Lock-In-Thermographie-Messung, bei der Temperaturänderungen mit einer Wärmebildkamera (bei Belastung der Messbrücke mit 2mA) aufgenommen wurden. Die maximale Temperatur-Auflösung liegt unter 1mK. Es wurde eine Chiperwärmung um ca. 0,8K in 20 min festgestellt. Ein Vergleich der 4 Piezowiderstände ergab eine Temperaturdifferenz von ca. 0,1K. Mit diesen Messergebnissen werden in einem folgenden Schritt die Änderungen der mechanischen Spannungen sowie die maximal möglichen Verschiebungen des Brückensignals simuliert. Weitere Infos: Dipl.-Ing. G. Brokmann, gbrokmann@cismst.de