MEMS-basierte Sensorik

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1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Sensorik- und AutoID-Lösungen für Logistik und Automation en miniature Dortmund, 3. Juli 2012 MEMS-basierte Sensorik H. Fiedler Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 1

2 Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung Mikrosystem-Technik SoC System on Chip MEMS Micro-Electro- Mechanical System MOEMS Micro-Opto-Electro- Mechanical System Software, Algorithmen Digital HF Aktoren Mikroelektronik Analog Mikro- Fluidik Mikromechanik Sensoren Mikrooptik 2

3 Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 3

4 Mikromechanik-Prozessierung Oberflächen-Mikromechanik (Surface Micromachining) Volumenmikromechanik (Bulk Micromachining) Abscheiden und strukturieren von Schichten auf der Oberfläche von Siliziumchips Anwendung der üblichen HL-Fertigungstechniken In der Regel voll kompatibel zu CMOS Tiefenstrukturierung von Siliziumchips Anisotrope Ätzverfahren (naßchemisch) In der Regel nicht kompatibel zu CMOS -> Back-End-Prozeß KOH-Ätzanlage 4

5 Anisotropes Ätzen Oberfläche Ätzstoppebene Winkel zur Oberfläche 54,74 35,26 90, Ätzvorgang bei (100)-Wafern Ätzvorgang Maskierschicht (100)-Oberfläche 54,7 (111)-Ebenen 5

6 (100)-Wafer: 4 Scharen von (111)-Ebenen mit 54,74 Neigung zur Senkrechten stehen paarweise senkrecht in der Oberflächen zueinander. Zuammenfassung Ätzgeometrien (100) (111) 54,74 (110)-Wafer: (100) 2 Scharen von (111)-Ebenen mit 90 Neigung zur Senkrechten bilden in der Oberflächen einen Winkel von 109,47 (70,53 ) zueinander. (111) Oberflächenmikromechanik mit Opferschichttechnik Opferschicht abscheiden und strukturieren Polysilizium strukturieren Polysilizium abscheiden Opferschicht entfernen 6

7 Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung Kapazitive Drucksensoren Grudprinzip: Plattenkondensator mit druckabhängiger Verbiegung einer Membran P=0 P C = C 0 C > C 0 7

8 Ausleseelektronik für Druckdose C S = C 0 / (1 p/p max ) p/p max = 1 C R / C S C R = C 0 U REF C R C S V U A = U REF v p/p max U REF Longitudinaler und transversaler piezoresistiver Koeffizient Longitudinaleffekt: Strom und mechan. Normalspannung parallel I U σ m σ m Transversaleffekt: Strom und mechan. Normalspannung senkrecht zueinander I σ m U σ m 8

9 Brückenschaltung R 2 R 3 R 1 (100) U U R 4 R 2 R 1 R 4 R 3 <110> Allgemein gilt: U U 1 = 4 R1 R1 R2 R2 + R3 R3 R4 R4 Bei symmetrischer Verstimmung erhält man maximale Empfindlichkeit: U R = U R = π σ + π σ L L T T Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 9

10 Mikrofotografie der Druckdosen 1µm 1,5µm Aufbau Druckdose Passivierung Poly Metallisierung Zwischenoxid Verschluss Opferschicht n-diffusion p-substrat 10

11 Referenzelement Aktives Sensorelement: p C S = C 0 / (1 p/p max ) Passives Referenzelement: C R = C 0 Anwendung: Katheter 0,7mm x 7mm 1,5-µm-CMOS V DD = 9V P V < 10mW f CLOCK = 32kHz p max = 2bar NL < 0,2% 11

12 EOC VDD GND Referenz / Bias Oszillator / Steuerung PWM PWM MUX MUX P T PWM-Umsetzung Verstärker 2 Verstärker 1 Sensoren Herzkatheter - Chip Reifendruck- und Temperatur-Transponder Reifendruck-Transponder Mobile Ablesestation für drahtlose Datenübertragung 12

13 Drucksensor in Bulk-Mikromechanik Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 13

14 Beschleunigungsensoren a(t) Schwingungsfähige Masse-Feder- Systeme x(t) Masse m Feder k Dämpfung c Differentialgleichung: Eigenfrequenz: 2 d x dx F( t) = m a( t) = m + c + k x 2 dt dt ω c = ω 1 mit : ω 0 0 2m ω 0 2 = k m Beschleunigungssensor Piezoresistive Auslese Anisotrop naßgeätzt Texas Instruments SAA50 14

15 ADXL50 +/- 50g Beschleunigungssensor in Oberflächenmikromechanik A=9mm 2 Anker (fest) Prinzip ADXL50 Federn Masse feste Platten Beschleunigung Masse bewegte Platte 15

16 Beispiel: Beschleunigungssensor ADXL50g Kompensationsprinzip für kapazitive Ausleseverfahren Problem: Kapazität ist reziprok zu Auslenkung (nichtlinear) Lösungsprinzip: Auslenkung kompensieren durch elektrostatische Gegenkraft F=m*a F Mechanischer Wandler Auslenkung w 0 Auslese- Elektronik Signal F komp =-m*a Elektrostatische Kompensations- Kraft closed loop readout 16

17 Neigungssensor Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 17

18 Coriolis-Effekt ω Tangentialgeschwindigkeit auf Äquator wird bei Reise nach Norden beibehalten. Beobachter im rotierenden System stellt Ostablenkung fest. Relativ zur Erdoberfläche erfährt der Körper Tangentialbeschleunigung (Coriolis-Beschleunigung) v Drehratensensor Rotation erzeugt Coriolis- Beschleunigung Masse Auslese- Schaltung Drehraten- Signal Elektrostatischer Antrieb 18

19 Mikromechanischer Drehratensensor Sensierrichtung Drehrate Schwingungsrichtung v Feder Schwingende Masse Beschleunigungssensor Quelle: Robert Bosch GmbH Quelle: Robert Bosch GmbH 19

20 Drehratensensor Quelle: Robert Bosch GmbH Drehratensensor für KFZ-Anwendungen elektromechanisch mikromechansich Quelle: Robert Bosch GmbH 20

21 Mikromechanische Sensoren Drehratensensor ω Coriolis-Beschleunigung: Beschleunigungssensor a C =ω*v a Drucksensorsensor Beschleunigung a p Trägheitskraft: F=m*a Kraft: F=p*A Kraft F Elastische Verformung: x=k*f kapazitive Auslese Verformung x mechanische Spannung: σ=e*x piezoresistive Auslese Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 21

22 Kalorimetrischer Massefluss-Sensor Fluss Heizwiderstände Diode 1 Diode 2 Vergrabenes Oxid Oxid-Trenches Infrarot-Sensor CMOS-Schaltung IR-Absorber Thermocouple Membran (Oxid) 22

23 Quecksilber-Sensor auf Nano-Fins Gold Oxid Poly-Si Ultra dünner Goldfilm für hohe Sensitivität REM Mikrofotografie des Nano-Fin Einleitung: Was ist MEMS? Herstellverfahren: Tiefen- und Oberflächenmikromechanik Messung von Kraftwirkungen: kapazitiv / piezoresistiv Drucksensoren Beschleunigungssensoren Drehratensensoren Sonstige MEMS-basierte Sensoren Zusammenfassung 23

24 Zusammenfassung - MEMS kombinieren mikroelektronische und mechanische Komponenten - Herstellung durch Prozessierung von Silizium-Wafern mit Geräten der Halbleiterfertigung - Extreme Miniaturisierung und preiswerte Fertigung möglich - MEMS- Sensoren zur Erfassung von mechanischen und vielen physikalischen Größen 49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 50 24