Halbleitersensoren. Prinzipien, Entwicklungsstand, Technologien, Anwendungsmöglichkeiten. Prof. Dr. Herbert Reichl

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1 Halbleitersensoren Prinzipien, Entwicklungsstand, Technologien, Anwendungsmöglichkeiten Prof. Dr. Herbert Reichl Dr.-Ing. R.-J. Ahlers Dr. Josef Binder Prof. Dr. W. Flossmann Dipl.-Ing. Hans-Peter Hübner Dr. G. Kowalski Prof. Dr. Ernst Obermeier Wotfgang Schultz Prof. Dr.-Ing. Hans-Rolf Tränkler Vaclav F. Vilimek Mit 312 Bildern Kontakt & Studium Band 251 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum Dipl.-Ing. FH Elmar Wippler, expert verlag

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort 1 Die Grundprinzipien moderner Halbleitersensoren 1 H. Reichl 1.1 Einleitung Halbleitermaterialien für Sensoren Sensorprinzipien Einteilung der Sensorprinzipien Kristallstruktur Der piezoelektrische Effekt Der pyroelektrische Effekt Elektronen-und Löchergeneration Thermische Generation von Ladungsträgern Ladungsträgerkonzentration Ladungsträgertransportvorgänge Die elektrische Leitfähigkeit bei Halbleitern ohne pn-übergänge Die Durchlaßspannung von pn-übergängen Galvanomagnetische Effekte in homogenen Halbleitern Thermoelektrische Effekte Oberflächeneffekte Beeinflussung der Oberflächenleitfähigkeit von Halbleitern durch Chemisorption (Halbleiter-Gassensoren) MOS-Strukturen Oberflächenwellen 40 2 Herstellungstechnologien für Halbleitersensoren 42 E. Obermeier Einleitung Schichtherstellung Thermische Oxidation LPCVD-Prozesse Plasmaabscheidung Bedampfen

3 2.1.5 Kathodenzerstäubung Dotierung Diffusion Epitaxie Ionenimplantation Fotolithographie Ätzverfahren Naßchemisches Ätzen Strukturierung dünner Schichten Strukturierung von einkristallinem Silizium Trockenätzverfahren Sputter- und lonenstrahlätzen Plasmaätzen Metallisierung Passivierung Prozeßablauf für einen piezoresistiven Siliziumdrucksensor Halbleiter-Temperatursensoren 110 G. Kowalski Einleitung Platin-Metallwiderstände NTC-Widerstände Thermoelemente Temperaturabhängige Widerstände aus monokristallinem Silizium Temperatur IC's Dünnschichtsysteme Zusammenfassung Piezoresistive Silizium-Drucksensoren 147 J. Binder 4.1 Einleitung Grundlagen Der Piezoresistive Effekt" Die Mechanik der festeingespannten Membran Der prinzipielle Aufbau eines piezoresistiven Drucksensors Herstellung von Silizium-Drucksensoren Fertigung der Scheibenvorderseite" Ätztechnik ' ' Herstellung dünner Si-Membranen Einfluß von Ätztoleranzen auf die Sensor-Kenndaten Scheiben-Verbindungstechnik 175

4 Alu mini um-legierverfahren Anodic Bonding Chip-Montagetechnik Medientrennung und Gehäusung Design und Kenndaten Empfindlichkeit und Linearität Empfindlichkeit Linearität Kompensierbare Fehler: Offset und Temperaturgang Offset Temperaturkoeffizient von Offset und Spanne Stabilität Stabilität bei Temperaturänderung unter Betriebsbedingungen Stabilität bei Temperatur-, Druckzyklen und Überlast Sonstige Instabilitäten Signalverarbeitung Analoge Signalverarbeitung Monolithische Integration von Sensor und Schaltung Digitale Signalverarbeitung Anwendung Einsatzfälle für mechanisch robuste Sensoren Regelung von Spritzgießmaschinen Steuerung einer Hand lauf presse Leckageprüf Systeme Industrieroboter-Anwendung Einsatzfälle für Sensoren mit hoher Genauigkeit Füllstandsmessung Durchflußmessung Si-Drucksensoren im Kfz Mikromechanische Silizium-Beschleunigungssensoren 223 Vaclav F. Vilimek 5.1 Einleitung Meßprinzip Biegebalken mit träger Masse Der piezoresistive Effekt Silizium in der Beschleunigungsmeßtechnik Mikromechanik im Siliziun,i Anisotropes Ätzen Anisotrope Ätzlösungen Strukturen Siliziumbalken mit einem Pyramidenstumpf 228

5 Freitragender Oxidarm Piezoresistive Beschleunigungssensoren Beschleunigungssensor mit einem Biegebalken Beschleunigungssensor mit vier Biegebalken Magnetfeld-Positionssensoren 243 Wolfgang Flossmann 6.1 Einleitung Physikalische Grundlagen und Funktionsprinzipien Herstellung, Aufbau und Eigenschaften Herstellungstechnologien (Überblick) GaAs-Hallsensoren: Technologie, Eigenschaften, Bauformen Differentialfeldplatten-Sensoren: Aufbau, Eigenschaften, Bauformen Anwendung von galvanomagnetischen Bauelementen als Positionssensoren Prinzip der Positionserfassung Digitale Positionserfassung Analoge Positionserfassung Zusammenfassung Fotosensoren mit Glasfaseroptiken Vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Industrie 268 Wolfgang Schultz 7.1 Arten von Optoelektronischen Sensoren Anwendungen in der Industrie Anwesenheitskontrolle von Werkstücken, Verarbeitungsmaterial oder Werkzeugen Interessante Anwendungen aus verschiedenen Bereichen Abtastung von Stoff kanten Flüssigkeitserkennung in einer Zahnpastatube Nadellagerkontrolle Positionskontrolle auf Drehtischen Konzentrationskontrolle in Kupfersulfatlösungen Farbbalken auf Folien Glaserkennung auf Förderbändern Schokolademahlwerk Sortieren von Schweißelektroden Überlagerung von Folien, Pappen, Gaze und ähnlichen ^Teilen Erfassen von Glühwendeln 278

6 Kittabfrage in Lampensockeln Anwesenheitskontrolle von Federn Drehzahlerfassung an schneilaufenden Objekten Rückstandskontrolle Zeigerkontrolle Förderbandkontrolle Lötpunkterkennung Anwesenheitskontrolle eines Dosierstopfens Beispiele zur Kontrasterkennung Schrifterkennung auf Flaschen Abtastung eines Gummierungs-Auftrags Ein Beispiel aus dem Roboter- und Handlingbereich: Fotosensoren im Robotergreifer Fotosensorsystem mit Analogausgang: Ein Beispiel zur Kantensteuerung Kontrastmarkentaster Lumineszenztaster 8 Halbleitersensoren zur Bildwandlung 296 R. J. Ahlers 8.1 Einleitung Prinzipien der Bildwandlung Photodetektoren Regelmäßige Anordnungen von Photodetektoren Kamerasysteme Anwendungsbeispiele Automatisierung visueller Prüfvorgänge Optoelektronische Koordinatenmeßtechnik Verdrahten von Bauelementen (Bonden) Leiterplatten-Prüfung Codierende Beleuchtung und ihre Anwendung Zusammenfassung und Ausblick Gassensoren 329 Hans-Peter Hübner 9.1 Einleitung Möglichkeiten zur Gasanalyse Festelektrolyt-Sensoren Pellistoren Elektrochemische Gassensoren Halbleiter-Gassensoren 334

7 9.3 Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren Ausgangsmaterialien Funktionsweise Handelsübliche Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren Neuentwicklung von Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren Dünnfilm-Gassensoren Dickfilm-Gassensoren Gassensoren aus Einkristallen Umsetzung der Leitfähigkeitsänderung in ein elektrisches Ausgangssignal Verfügbarkeit von Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren Einsatzgebiete und Meßbereiche Zusammenfassende Bemerkungen Meßschaltungen und Meßsignalverarbeitung für Sensoren 353 Hans-Rolf Tränkler 10.1 Der Sensor im Mikroelektronik-System Eigenschaften von Sensoren und Signalen Anforderungen an Sensoren Signalform der Sensorsignale Analoge Signalvorverarbeitung Das Differenzprinzip Anwendung des Differenzprinzips Lineare Verstärkerschaltungen Umsetzung in Frequenzsignale Charge-Balancing-Umsetzung Einfacher R-f- und C-f-Umsetzer Harmonischer Meßoszillator Signalübertragung mit Frequenzsignalen Übertragung von zwei Signalen auf verschiedenen Leitungen Übertragung von 16 Signalen auf einer Zweidrahtleitung (QuaT-Heraeus) Digitalumsetzung von Sensorsignalen Beispiele für Sensoren mit Frequenzausgang Multiperiodendauermessung Digitale Kennlinien-Nachbildung Digitale Linearisierungs-Maßnahmen Interpolation mifkubischen Splines Physikalische Modellfunktionen Minimalprinzipien für die Ausgleichsrechnung Beispiel für Ausgleichsrechnung Sensorspezifische Meßsignalverarbeitung 385

8 Korrektur von Einflußgrößen Algorithmen zur dynamischen Anpassung und Korrektur Algorithmen zur Bestimmung komplexer Zielgrößen Mikrorechner und Programmentwicklung Ein-Chip-Microcontroller Programmentwicklung mit Personal Computer (PC) Sensorsysteme für induktive Sensoren mit Meßsignalverarbeitung Schlußbemerkung 396 Literaturverzeichnis 397 Sachregister 409 Autorenverzeichnis 411