Ziel der Entwicklung
Der Erfolg eines enormen Teils von MEMS-basierten Sensorlösungen beruht hauptsächlich auf den piezoresistiven Umwandlungsprinzip in Kombination mit einer dünnen Membran. Diese Plattform stellt die Grundlage für eine sehr breite Klasse von piezoresistiven Wandlern (Druck, Kraft, Beschleunigung), thermischen Sensoren (Durchflusssensoren), sowie mehrere Klassen integrierter Sensoren und Systeme dar. Meistens sind in einem Sensor mehrere Sensorelemente in einer Wheatstone’schen Messbrücke verschaltet. Ein Nachteil dieser Sensoren ist das inhärente Vorhandensein eines Null-Offset-Signals, das ohne die zu messende Größe anliegt, sowie die Abhängigkeit ihrer Performance (Genauigkeit, Empfindlichkeit, Linearität, Stabilität und vor allem Offset) von vielen Faktoren wie Materialeigenschaften, Herstellungstechnologie, Geometrieabweichungen sowie Umwelteinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit usw.). Das Null-Offset-Signal und seine Temperaturabhängigkeit gehören zu den wichtigsten Performance-Parameter dieser piezoresistiven Plattform. Diese beiden Parameter beeinflussen direkt die universelle Performance-Kennzahl Total-Error band (TEB) und sollten daher minimiert werden. Der Offset reagiert besonders empfindlich auf die anfänglichen Widerstandsvariationen und strukturelle Unsymmetrien, die durch die Batchprozessbedingte Waferherstellung auftreten. Zur Steigerung der Sensor-Performance, müssen daher beide Parameter, der Offset und sein Temperaturkoeffizient (TCO), durch zusätzliche Korrekturmaßnahmen minimiert werden. Gegenwärtig geht der Trend bei den meisten F&E-Aktivitäten im Bereich der piezoresistiven Drucksensoren in Richtung Optimierung der Empfindlichkeit und Linearität sowie der Verbesserung der thermoelektromechanischen Eigenschaften wie Drift und Hysterese.
Ziel des Projektes miniOffset war die Entwicklung einer skalierbaren Technologieplattform zur Realisierung von hochpräzisen und zugleich kostengünstigen Sensoren auf der Basis piezoresistiver Transduktion. Durch ein robustes Design sollte die Sensor-Performance, insbesondere der Null-Offset und seiner Temperaturabhängigkeit, bereits auf Wafer-Level bzw. Chip-Level weitestgehend minimiert werden. Somit wird der Aufwand für zusätzliche externe Korrekturmaßnahmen (Kompensation, Interfacing) so gering wie möglich gehalten. Das robuste Design dient darüber hinaus dazu, die Abhängigkeit der Offset-Streuung und -Verschiebung von der Fertigungstechnologie und Chip-Layout zu verringern. Die so verbesserte Technologie sollte so entwickelt werden, dass unter Verwendung von kostengünstigen CMOS/MEMS-kompatiblen Materialien und Prozessen weitere Applikationsfelder erschlossen werden können.
Vorteile und Lösungen
Durch ein robustes Design und eine angepasste Wafertechnologie konnten der Null-Offset und seine Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen bereits auf Wafer- bzw. Chip-Level weitestgehend minimiert werden. Dieses Design wurde anhand von Simulationsarbeiten und durch Auslegung verschiedener Chip-Varianten realisiert. Zudem war eine umfassende Technologie-Optimierung notwendig. Diese wurde durchgeführt, indem eine Vielzahl von Prozess- und Technologieparametern variiert und umfassend qualifiziert wurden, was zur richtigen Auswahl der optimalen Chip-Design- und Technologievarianten führte, die den Offset entsprechend der Zielparameter von ±1mV/V minimieren und seine Temperaturabhängigkeit in einem Bereich von -40 bis 150 °C reproduzierbar begrenzen konnten. Eine weitere Reduzierung des Offsets wurde bei Chipvarianten mit großer Offsetabweichung und Streuung durch die Kombination von Stud-Bumping als AVT-Prozess und den Einsatz von Kompensationsstrukturen erreicht. Dabei werden kleine Widerstände mithilfe der Stud-Bumping-Methode an den Gesamtbrückenwiderstand angeschlossen oder von diesem getrennt. Technologie ist nicht nur äußerst effizient bei der Unterdrückung von Abweichungen und Streuungen in den Ausgangs-Offsetwerten, sondern stellt auch eine kostengünstige Option dar, die in der Endphase der Produktion implementiert werden kann. Das auf Durchbrennen von Fuses basierende Verfahren ist komplexer, führt jedoch ebenfalls zu verwertbaren Ergebnissen. Somit kann der Aufwand für zusätzliche externe Korrekturmaßnahmen (Kompensation, Interfacing) geringgehalten werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die Endkundenmärkte liegen in den Bereichen:
1. Automobilindustrie, z. B. Überwachung von Motordrücken (Öldruck, Kraftstoffeinspritzdruck, Kühlmitteldruck, Abgasrückführungssystem), Bremsendruck, Reifendruck, Airbag-Auslösesysteme.
2. Industrielle Prozesskontrolle (z. B. Prozessmess- und Regeltechnik, Qualitätskontrolle, Druckregelung, Prozess- und Anlagenzustandsüberwachung).
3. Unterhaltungselektronik (z. B. Smartphones, IoT, Smart Home).
4. Medizin (z. B., Blut- und Atemdrucküberwachung, Echtzeit-Feedback zum Druck in Blutgefäßen oder Atemwegen beim Einsatz von Infusionspumpen und Katheter, Intraokularer Druck (IOD) im Bereich der Augenheilkunde).
