ELEMENT ELektromechanische sensoren Mit Eindimensionalen NanoobjekTen Helmut F. Schlaak, Jörg J. Schneider, Dimitris Pavlidis, Franko Küppers, Wolfgang Ensinger Statusmeeting MNI, 18. und 19. Juni, Berlin, Projekt ELEMENT, W4MNI002
Gesamtkonzept für ELEMENT Aufbau von Bewegungs- bzw. Beschleunigungssensoren auf Basis von eindimensionalen, nanostrukturierten Bauelementen
3D CNT-Blöcke als aktive Elemente 1. Mikrostrukturierung der CNT Wachstumsbereiche: Silizium-Grubenstruktur 2. CVD- Vor-Ort -Synthese von CNT-Blöcken in Silizium-Grubenstruktur 3. Packaging in Silizium-Struktur (zwei Chip-Technologie) Funktionsweise des Beschleunigungssensors: kapazititv-resistiv, magneto-resistiv CNTs: Hohe mechan. Stabilität, Eigenschaften einstellbar: L änge, D urchmesser, H öhe
3D Nanodraht Blockstrukturen als aktive Elemente 1. Mikrostrukturierung der Nanodraht-Wachstumsbereiche 2. Galvanische Nanodrahtarray-Synthese 3. Mikrostrukturierung der Elektroden & der seismischen Masse Funktionsweise des Beschleunigungssenors: kapazititiv, magnetoresistiv Multiskalenintegration metallischer Nanodraht-Strukturen
Synthese von 3D CNTs durch Katalysator gesteuerte Gasphasenabscheidung (CVD) CNT-Wachstum CNTs:
Strukturiertes 3D CNT Wachstum (frei definiert) 3D CNT-Strukturierung mittels Maskentechniken A. Si wafer B. Al deposition C. Mask adjustment D. Fe evaporation and mask removal E. CNT growth by CVD
Erreichtes: 3D CNT@Si-Mikrostruktur Trockenätzen (isotrop) mit SF6 Naßchemisches Ätzen (ansisotrop) mit KOH Grubenbereich nach 60 min SF6-Ätzung. Zwei-Chip-Technologie mit (100) Si-Wafer. Grubenbereich nach 70 min KOH-Ätzung. ca. 106-1012 CNTs Zwei-Chip-Technologie mit (100) Si-Wafer. 1 mm 7
Sensoraufbau auf Basis von 3D CNT Strukturen mit kapazitiver und magnetoresistiver Detektion 1. Messung der Kapazitätsänderung 2. Messung der magnetoresistiven Antwort (AMR, GMR) M R AMR Magnetisches Material (z.b. Nickel Nanopartikel) α ΔX I -180-90 0 90 180 α CNT Bündel GMR H R I N2 N1 I H ΔX Piezotisch FeCo Legierung @3D-CNT Bündel AMR, GMR Sensorpositionen Intensität Intensität SiKα FeKα FeK α CoKα CoK α 4.00 8.00 Energie k Energie ev 4.00 8.00 k ev 500 µm
3D Nanodraht-Inertialsensor Sensorkonzept Entwicklung eines Nanodraht-Inertialsensors - Verwendung von Nanodrahtarrays als Federelement - Erhöhung der Auslenkung durch seismische Masse - mechanische Eigenschaften einstellbar über - Drahtlänge, Drahtradius, Drahtdichte - Volumen und Dichte der Masse Masse Auslenkung Kraft Nanodrahtarrays
Herstellung von 3D Nanodrahtarrays 1. Bestrahlung einer Polymerfolie mit Ionen durch Bestrahlungsmasken (E = 2 GeV; Fluenz = 10 6-10 9 Ionen/cm² (GSI) à Entstehung von latenten Ionenspuren 2. Aufätzen der latenten Ionenspuren à Entstehung von Nanokanälen (d Kanäle = 50-500 nm) 3. Aufbringung eines elektrischen Rückkontakts 4. Elektrochemische Abscheidung der Nanodrähte in den Nanokanälen 5. Entfernen der Polymerfolie à freistehende Nanodrahtarrays
Herstellung von 3D Nanodrahtarrays 20 µm Platin-Nanodrahtarrays ddraht = 200 nm ca. 5000 Arrays pro cm² ca. 10000 Drähte pro Array darray = 50 µm LDraht = 30 µm
3D Nanodraht-Inertialsensor Fertigungsprozess II (Aufbringen der seismischen Masse) 8. Cu-Startschicht aufsputtern 9. Galvanoform strukturieren 10. Masse galvanisch abscheiden 11. Photoresist veraschen 12. Cu-Startschicht ätzen 13. Templatfolie und Photoresist veraschen 300 µm 300 µm
3D Nanodraht-Inertialsensor Ergebnis: freistehendes Federelement
3D Nanodraht-Inertialsensor Aufbau des Systems Magnetoresistive Detektion der Auslenkung Magnetfelderzeugung mittels ferromagnetischer Masse Verwendung des GMR Sensors GF 705 der Fa. Sensitec Nanodrahtarray Kontaktpad 1400 µm MR-Sensor 410 µm 240 µm sensitiver Bereich Lot-Ball Seitenansicht Draufsicht
Zukünftige ELEMENT Projektarbeiten 2012-2013 (alle Partner) 3D CNT-arrays (AC) Aktivmaterialien - Optimierung von Länge und CNT-Durchmesser - Optimierung des CVD-Herstellungsprozesses - Entwicklung des CNT-Beschichtungsprozesses für die Sensorik (kapazitiv, magnetoresistiv) CNT-Sensor-Chip Aufbau (HFE) Funktion - Optimierung der Grubenätzung und Positionierung des Sensorchips - Nachweis und Optimierung der Sensorfunktion (kapazitiv oder magnetoresistiv) Nanodraht-arrays (MA) - Anpassung von Länge, Durchmesser und Anzahl der Drähte - Optimierung der elektrochemischen Abscheidebedingungen der Drähte - Quantifizierung der mechanischen Eigenschaften Inertialssensorsystem (EMK) - Variation der Masseblöcke - Design und Aufbau des Komplettsystems - Optimierung der Sensorpositionierung - Quantifizierung sensorischer Eigenschaften