Ziel der Entwicklung
Ziel war es, eine Technologieplattform für piezoresistive Drucksensoren im Niederdruckbereich zu entwickeln, bei gleichen Anforderungen hinsichtlich Empfindlichkeit, Driftverhalten und Langzeitstabilität sowie Überdruckfestigkeit. Dabei werden diese Sensoren geometrisch deutlich kleiner und somit durch eine größere Stückzahl pro Wafer auch kostengünstiger.
Vorteile und Lösungen
Die Entwicklung eines extrem kleinen miniaturisierten Drucksensors für einen Messbereich kleiner zehn Millibar erfordert neue technologische Prinzipien in der Membranentwicklung. Entsprechend der am Markt üblichen Spezifikationen zur Empfindlichkeit konzentrierten sich die Untersuchungen auf Membranen aus Siliziumoxid oder Membranen aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid. Dazu wurden umfangreiche Simulationen durchgeführt und zum besseren Verständnis der Membraneigenschaften unterschiedliche Messverfahren angewandt. Weiterhin wurde auch eine Membran aus der Siliziumoxidschicht eines Silicon On Insulator Wafers getestet. Durch den Ätzprozess mittels Inductively Coupled Plasma-Technologie ist es zum einen möglich, die Chipfläche durch den Wegfall der schrägen Flanken zu verkleinern und zum anderen kann auch die Membranform vom Standard Rechteck abweichen. Alternative Membranformen können eine Spannungskonzentration in bestimmten Membranbereichen ermöglichen und damit die Sensitivität des Sensors steigern. Neben den unterschiedlichen Membranformen wurden weitere Untersuchungen zur Entwicklung einer hohen Sensitivität durchgeführt. Dabei handelt es sich um die Nutzung von Center-Boss Strukturen, die zu einer weiteren Konzentration der Spannung in der Membran führen soll. Diese Strukturen können entweder aus dem Silizium des Wafers gefertigt werden oder aus strukturierten Schichten auf dem Wafer. Da die Membran sehr dünn ist, haben schon dünne Membranaufbauten, zum Beispiel aus polykristallinem Silizium, eine versteifende Wirkung. Um die Verformung der Membran bei einer Druckänderung elektrisch messen zu können, müssen auf die Membran piezoresistive Widerstände aufgebracht werden. Dafür wurden zwei verschiedene Ansätze betrachtet. Bei den vom CiS Forschungsinstitut auf Siliziumwafern aufgebrachten Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten wurden die piezoresistiven Widerstände aus polykristallinen Silizium auf der Oberseite der Membran aufgebracht, implantiert und strukturiert. Besteht diese Membran aus der Oxidschicht des Silicon On Insulator Wafers, kann das monokristalline Silizium der Device-Schicht als Widerstand implantiert und strukturiert werden. Neben einem exakten Design lag ein weiterer Schwerpunkt auf der Entwicklung der Zu- und Verbindungsleitungen der Widerstände. Diese bestehen aus strukturiertem und implantiertem Silizium und sind so ausgelegt, dass sie das Messsignal möglichst wenig beeinflussen. Durch die geringen Abmessungen der Sensoren, wurden auch die Bondpads so optimiert, dass sie groß genug sind für die Bondtechnologie und nicht die Funktionalität der Membran einschränken.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Endkundenmärkte liegen im Bereich der Piezoresistive siliziumbasierten Druckmesszellen für Prozessmesstechnik, Nahrungsmittelindustrie und Chemieanlagen. Ebenso liegen sie im Bereich der Raffinerien, Klimatechnik und Zustandsüberwachung. Auch die Medizintechnik ist als Endkundenmarkt zu erwähnen.
