Ziel der Entwicklung
Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Technologie für einfach kompensierbare piezoresistive Drucksensoren. Es sollten die im CiS Forschungsinstitut vorhandenen technologischen Möglichkeiten genutzt werden, um durch die Kombination geometrischer und technologischer Varianten eine Verbesserung der Linearität von piezoresistiven Messbrücken zu erreichen. Dabei wurde der Fokus auf die Untersuchung von Drucksensoren mit piezoresistiven Messbrücken sowie deren wesentliche technologische Teilkomponenten gelegt.
Vorteile und Lösungen
In Silizium realisierte piezoresistive Messbrücken zeichnen sich einerseits durch hohe Empfindlichkeit und Langzeitstabilität und andererseits aber auch durch eine inhärente Nichtlinearität aus, die durch die mechanischen Eigenschaften des Siliziums noch überlagert werden.
Im Ergebnis des Forschungsvorhabens wurden für piezoresistive Drucksensoren mit angepasster Technologie für Polynome vom Grad 2, Abweichungen von +/- 0,25 % und für Polynome vom Grad 3, Abweichungen von +/- 0,05 % erreicht.
Es wurden Teststrukturen zur Schicht- und Materialcharakterisierung erfolgreich entwickelt und charakterisiert. Für genauere Untersuchungen von technologisch variierten Zugproben ist eine Anpassung von Versuchsequipment und Zugproben erforderlich.
Zudem wurde ein Workflow für die Ermittlung von Aktivierungsenergien zur Bewertung von technologieabhängigen Driftprozessen entwickelt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Für die in diesem Projekt entwickelten Sensoren/Technologien kommt als Markt die industrielle Anwendung (Prozessmesstechnik, Kraftwerke, Öl- und Gasindustrie, Labormessgeräte) sowie in Luft- und Raumfahrt oder Forschung und Entwicklung in Betracht.
Die Optimierung der Kennlinie piezoresistiver Silizium-Drucksensorchips hinsichtlich einer möglichst einfachen Polynomkompensation ist insbesondere in Anwendungen von großem Vorteil, in denen hohe Messgenauigkeit mit geringem Aufwand für Signalverarbeitung, Kalibrierung und Systemintegration kombiniert werden muss. Dies betrifft vor allem Einsatzfelder, in denen Sensoren unter variierenden Temperaturbedingungen betrieben werden und zugleich wirtschaftliche, robuste und echtzeitfähige Lösungen gefordert sind.
Besonders relevant ist dies in der industriellen Messtechnik, etwa in der Prozessüberwachung, Pneumatik oder Hydraulik. Dort werden Drucksensoren häufig in großen Stückzahlen eingesetzt, sodass sich der Aufwand für die Kompensation unmittelbar auf die Gesamtkosten auswirkt. Eine komplexe Kompensation erhöht den Rechen- und Speicherbedarf der Auswerteelektronik, steigert den Entwicklungsaufwand für Modellbildung, Implementierung und Validierung und erschwert zudem die Kalibrierung im Fertigungsprozess. Im Rahmen dieser Kalibrierung werden die Sensoren bei mehreren definierten Druck- und Temperaturpunkten vermessen, um individuelle Korrekturparameter zu bestimmen, mit denen Abweichungen in Nullpunkt, Empfindlichkeit und Nichtlinearität ausgeglichen werden. Je komplexer das Kompensationsmodell ausfällt, desto mehr Kalibrierpunkte, Messzeit und Datenverarbeitung sind erforderlich, was den Fertigungsprozess entsprechend verteuert. Eine Sensorcharakteristik, die sich bereits mit einem einfachen Polynom hinreichend genau beschreiben lässt, reduziert diesen Aufwand deutlich und ermöglicht damit kostengünstigere und zugleich robuste Sensorsysteme.
Auch in der Medizintechnik sowie in mobilen, batteriebetriebenen oder IoT-basierten Systemen ist eine solche Kennlinienoptimierung von großem Nutzen. In diesen Bereichen sind präzise und verlässliche Messungen bei gleichzeitig begrenzten Ressourcen und hoher Systemeffizienz erforderlich. Darüber hinaus profitieren auch Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt von einfach beschreibbaren Kompensationsmodellen, da diese die Nachvollziehbarkeit, Validierbarkeit und Zuverlässigkeit der Messwerterfassung verbessern.
Insgesamt zeigt sich, dass eine auf einfache Polynomkompensation optimierte Sensorcharakteristik insbesondere dort vorteilhaft ist, wo hohe Genauigkeit, wirtschaftliche Fertigung und ressourcenschonende Signalverarbeitung gleichermaßen gefordert sind.
Im vorliegenden Fall kommen als potentielle Kunden Hersteller von Messgeräten und anwendungsspezifischen Sonderapplikationen z.B. für Labor- und Analysemesstechnik für die oben genannten Endmärkte in Frage.
