Thomas Elbel. Mikrosensorik

Transkript

1 Thomas Elbel Mikrosensorik

2 Aus dem Programm Grundlagen für das Ingenieurstudium Mathematik für Ingenieure I, II, 111 von L. Papula Übungen zur Mathematik für Ingenieure von L. Papula Mathematische Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler von L. Papula Experimentalphysik für Ingenieure von H.-J. Schulz et al. Werkstoftkunde für die Elektrotechnik von P. Guillery, R. Hezel und B. Reppich Elektrotechnik für Ingenieure I, II, 111 von W. Weißgerber Optische Nachrichtentechnik von D. Opielka Optoelektronik von D. Jansen

3 Thomas Elbel Mikrosensorik Eine Einführung in Technologie und physikalische Wirkungsprinzipien von Mikrosensoren Mit 136 Bildern und 31 Aufgaben mit Lösungen II Vleweg

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Alle Rechte vorbehalten Springer Fachmedien Wiesbaden 1996 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigtWiesbaden 1996 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfaltigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

5 V Vorwort Die Mikrosensorik als Teilgebiet der Mikrosystemtechnik hat einen rasanten Aufschwung genommen. Zur Lösung der grundsätzlichen Aufgabenstellung der Sensorik - der elektrischen Messung vorwiegend nichtelektrischer Meßgrößen- wurde in den zurückliegenden 10 Jahren eine Vielzahl neuer Mikrosensoren mit zum Teil hervorragenden Sensorparametern und mit völlig neuen Anwendungsmöglichkeiten entwickelt. Das Buch will einen Einblick in dieses faszinierende Arbeitsgebiet vermitteln. Das Buch ist als Lehrbuch konzipiert. Es entstand aus meiner Gastvorlesung "Thermische Sensoren/Mikrosensoren" an der ETH Zürich und aus einem Skript für die Vorlesung "Sensoren/Mikrosensoren" an der FH Hannover. Das Buch wendet sich in erster Linie an Studierende, vor allem an Studenten elektrotechnischer Disziplinen. In der meßtechnischen Praxis und in der angewandten Forschung tätige Ingenieure können das Buch zur Einarbeitung in die Mikrosensorik anwenden. Zum Verständnis des Buches sind keine besonderen theoretischen Vorkenntnisse erforderlich. Für Leser ohne Vorkenntnisse auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie wurden im Kapitel 2 die für die Mikrosensorik wichtigen technologischen Verfahren wie Fotolithografie oder Silizium-Mikromechanik in knapper Form dargestellt. Für ein vertiefendes Studium dieses umfangreichen Fachgebietes wird auf die angegebene Literatur verwiesen. Nach der zusammenfassenden Beschreibung der für alle Mikrosensoren gemeinsamen technologischen Grundlagen werden in den Kapiteln 3 bis 7 die Sensoren mit ihrer physikalischen Wirkungsweise, ihrem technologischen Autbau und ihren wesentlichen Eigenschaften beschrieben. Die Gliederung erfolgt nach der Art der Meßgröße. Eine auch nur annähernd vollständige Beschreibung der wichtigsten aktuellen Mikrosensorlösungen würde den Rahmen eines Lehrbuches bei weitem übersteigen, so daß vom Autor eine Auswahl vorgenommen werden mußte. Unter anderem wurde auch auf optische Sensoren verzichtet. An Universitäten und Hochschulen werden optische Sensoren, z.b. Fotodioden und Fototransistoren, häufig gemeinsam mit elektronischen Bauelementen behandelt, so daß der Student aus den Lehrveranstaltungen über Bauelemente über dieses wichtige Gebiet informiert ist. In dem relativ umfangreich dargestellten Kapitel4 schlagen sich die langjährigen Erfahrungen des Autors in Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der thermischen Strahlungssensoren nieder. Meinen Kollegen Prof. Dr.-Ing. H. Kopp und Prof. Dr.-Ing. W. Weißgerber danke ich für vielfältige Anregungen und Diskussionen. Herrn Prof. Dr.-Ing. W. Weißgerber bin ich darüber hinaus für das Korrekturlesen besonders dankbar. Für die Durchsicht der Kapitel 4 und 7 und für zahlreiche kritische Hinweise danke ich Herrn Dipl.-Phys. M. Müller vom Fraunhoferlnstitut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS2 Dresden und Herrn Dr.rer.nat. P. Kaul von der SICAN GmbH Hannover. Zahlreiche Studenten, die schon einige Semester mit dem Vorlesungsskript gearbeitet haben, haben mit helfender Kritik zum Manuskript in der vorliegenden Form beigetragen. Mein Dank gilt allen Studenten für ihre Beiträge, insbesondere aber Herrn Ch. Beck und Herrn M. Tiedtke für ihre Hilfe bei der Manuskripterstellung. Dem Vieweg-Verlag danke ich für die verständisvolle Zusammenarbeit. Hannover, September 1996 Thomas Elbel

6 VI Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Definition der Begriffe Sensor und Mikrosensor Der gegenwärtige Entwicklungsstand von Sensorik und Mikrosensorik, Aufgaben und Bedeutung der Schlüsseltechnologie Mikrosensorik Die Stellung der Mikrosensorik in der Mikrosystemtechnik Basistechnologien für Mikrosensoren Dünnschichttechnik Bedampfen von Dünnschichten Kathodenzerstäubung (Sputtern) Lithografie Dickschichttechnik Silizium-Technik Herstellung einkristalliner Silizium-Scheiben Schichtherstellungsverfahren Thermische Oxidation Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) Bipolartechnik MOS-Technik Silizium-Mikromechanik Aufbau- und Verbindungstechniken Vereinzeln Chipmontage Elektrische Verbindung vom Chip zum Gehäuse Aufgaben Berührende thermische Mikrosensoren Halbleitersensoren Thermistoren Ausbreitungswiderstands-Silizium-Sensoren Si-Transistoren als thermische Mikrosensoren Integrierte Temperatursensoren mit Si-Transistoren... 42

7 Inhaltsverzeichnis VII 3. 2 Metall-Widerstandssensoren Thermoelemente Aufgaben Thermische Strahlungssensoren Grundlagen Wärmestrahlung, strahlungsphysikalische Größen und Gesetze Gütezahlen thermischer Strahlungssensoren Thermoelektrische Strahlungssensoren Prinzipielle Wirkungsweise und Kennwerte Thermoelektrische Dünnschicht-Strahlungssensoren Pyroelektrische Strahlungssensoren Der pyroelektrische Effekt Prinzipieller Aufbau, Strom- und Spannungsempfindlichkeit, Materialauswahl Bolometer Grundlagen Metallschicht- und Halbmetallschichtbolometer Halbleiterbolometer Thermistorbolometer Mikrobolometer mit amorphen Halbleiterschichten Supraleitende Bolometer Aufgaben Druck- und Beschleunigungssensoren Piezoresistive Drucksensoren Der piezoresistive Effekt Aufbau und Wirkungsweise piezoresistiver Drucksensoren Piezoresistive Beschleunigungssensoren Kapazitive Drucksensoren Kapazitive Beschleunigungssensoren Aufgaben Magnetfeldsensoren Halleffektsensoren Der Halleffekt Hallgeneratoren Magnetoresistive Sensoren Magnetoresistive Halbleitersensoren Der magnetoresistive Effekt

8 vm Inhaltsverzeichnis Feldplatten Ferromagnetische magnetoresistive Sensoren Der anisotrope magnetoresistive Effekt Permalloy-Sensoren Aufgaben Chemische Sensoren Metalloxidgassensoren Prinzipielle Wirkungsweise Aufbau von Metalloxidgassensoren Meßergebnisse Pellistoren Chemisch empfindliche Feldeffekttransitoren (CHEMFET) Ionensensitive Feldeffekttransistoren {ISFET) Gasempfindliche Feldeffekttransistoren (GASFET) Aufgaben... : Lösung der Aufgaben Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis