Ziel der Entwicklung

Logo: Drucksensor auf Edelstahlronde aufgeglaste Si-DMS mit Temperaturkompensationsschaltung auf Grundlage der on-chip integrierten pnp-Transistoren - © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH
Drucksensor auf Edelstahlronde aufgeglaste Si-DMS mit Temperaturkompensationsschaltung auf Grundlage der on-chip integrierten pnp-Transistoren - © CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH

Siliziumdehnmessstreifen (Si-DMS), gefertigt als dotierte Widerstandsbahnen in kristallinem Silizium, haben große wirtschaftliche und technische Vorzüge bzw. Potenziale. Marktseitig haben sie eine hohe Akzeptanz erreicht und innovative Lösungen sind sehr gefragt. Dabei versprechen die wirtschaftlichen Vorteile durch die Batchfertigung mittels etablierter Halbleiterprozesse einerseits sowie andererseits die hohe technologische (vertikaler Aufbau, Dotierungsprofile) und geometrische Flexibilität (Layout) eine hohe Innovationsfähigkeit und eine Erweiterung der Applikationsfelder. Wesentlich sind dabei die vielfältigen Möglichkeiten, um die Sensorchips an den Messort – auch durch Mehrchiplösungen an weit entfernten Messstellen – zu bringen sowie die hervorragende Performance auch bei sehr tiefen (bis zu minus 50°C) und sehr hohen (bis zu 150°C) Temperaturen zu erhalten oder zu verbessern.
Um weitere Applikationen zu erschließen, sind die Genauigkeit, Linearität und Stabilität der piezoresistiven Sensorelemente anzuheben sowie die Ermittlung der Temperatur dieser Messelemente zu verbessern, um eine weitreichende und möglichst einfachere Temperaturkompensation zu erreichen.
Mit der Integration von Temperaturmesssensoren neben den Dehnmessstreifen auf dem gleichen Chip kann eine reale Ermittlung der Temperatur der piezoresistiven Wandlerelemente erreicht werden. Darüber hinaus können insbesondere laterale Bipolartransistoren für die sensornahe Temperaturkompensation von Wheatstonschen Messbrücken verwendet werden.
Ergänzend kann die Verringerung oder Beseitigung verschiedener Querempfindlichkeiten durch technologische und Designmaßnahmen die Qualität der Si-DMS erhöhen.

Vorteile und Lösungen

Implantierte piezoresistive Sensorbahnen verbinden hohe Genauigkeit mit hoher Wandlungseffizienz vom eingebrachten Stress zum elektrischen Ausgangssignal.
Durch das Einwirken von verschiedenen Umwelteinflüssen, besonders den physikalischen Größen Druck und Kraft wirkt mechanischer Stress auf den Siliziumkristall und darin eingebrachte Störstellen. Temperaturänderungen bewirken darüber hinaus Volumenveränderungen und verursachen eine Änderung der Ladungsträger. Die insgesamt durch die unterschiedlichen Einflüsse verursachte Widerstandsänderung muss aber einem der beiden Effekte „thermische Widerstandsänderung“ oder „mechanisch bedingte Widerstandsänderung“ zugeordnet werden. Dazu wird eine Temperaturmessung der Sensorelemente benötigt. Gegenüber gebräuchlichen externen Temperaturmesswiderständen (z.B. PT1000) oder Temperaturdioden bietet die Messung der Chiptemperatur direkt auf dem Chip wesentliche Vorteile.
Die piezoresistiven Wandlerelemente weisen einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes TKR auf. Je nach technologischer Auslegung der Dotierprofile der integrierten Streifen kann dieser zweckmäßigerweise zwischen 0,5 % / 10 K und 2,5 %/10K eingestellt werden. Besonders stabil konnten Si-DMS auf der Basis piezoresistiver Widerstandsbahnen mit einem TKR im Bereich 0,6-0,8 %/10K aufgebaut werden.
Mit Bipolartransistoren lassen sich präzise Temperaturmesselemente, z.B. durch Verschaltungen auf der Basis der Nutzung von Basis-Emitter-Strecken von bipolaren Transistoren, die ein zur Temperatur lineares Ausgangssignal erzeugen (complementary to absolute temperature CTAT oder proportional to absolute temperature PTAT) erhalten.
Es wurden verschiedene Komponenten für die on-chip Temperaturmessung entwickelt. Diese zusätzlich integrierten Komponenten sollten möglichst keinen oder ausreichend kleinen Einfluss auf die stresssensitiven Komponenten haben. Einerseits musste der Messstrom klein gehalten werden, um keine Verschlechterung der Empfindlichkeitskennlinie durch Eigenerwärmung besonders im Bereich sehr niedriger Temperaturen zu bewirken, anderseits muss auch eine ausreichende elektrische Entkopplung gesichert werden, um ein Übersprechen sowie zusätzliche Leckströme zu verhindern.
Für die Messung der Chiptemperatur wurden verschiedene technologische Umsetzungen von Temperaturwiderständen mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten dieser Widerstände zwischen 2,4-3,6 %/10K entwickelt. Mit der Einbettung in eine tiefere Wanne entgegengesetzten Dotierungstyps oder/und einer Drehung der Widerstandsbahn um 45° in entsprechend der Kristallorientierung [100] resp. [010] konnte die Querempfindlichkeit gegenüber dem zu messenden Stress signifikant verringert werden. Ausgewählte entwickelte Temperaturmesswiderstände können auch in Schaltungen zur Temperaturkompensation verwendet werden. Die Abweichung der Temperaturkoeffizienten der Temperaturwiderstände TKRT konnte mehrheitlich auf unter 0,3% gesenkt werden.
Weiterhin wurden verschiedene Ausführungen von Temperaturdioden entwickelt. Die technologischen Varianten führte zu Temperaturkoeffizienten der Flussspannung VF,TD von -1,95 bis -2,15 mV/K. Auf einem Wafer konnte die Abweichung des Temperaturkoeffizienten TK VF,TD sehr gering (< 0,2%) gehalten werden. Es wurden auch Chips mit kaskadierten Temperaturdioden realisiert. Mit einer externen Stromsenke können die Temperaturdioden mehrheitlich sehr gut zur Temperaturmessung genutzt werden. Schaltungsrealisierungen von Temperaturdioden in Reihe mit der Wheatstonschen Messbrücke führte zur Überkompensation der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit.
Es wurden on-chip-integrierbare laterale pnp-Transistoren entwickelt. Je nach konkreter Layoutauslegung und technologischer Umsetzung können diese sensornah zu Temperaturmessschaltungen oder zusammen mit den Messbrücken als Temperaturkompensation dieser verbunden werden.
Zwei Chipvarianten wurden mit einem pnp-Transistor entwickelt. Weitere Chips weisen zwei pnp-Transistoren, die längs der piezoresistiven Streifen angeordnet wurden, auf. Die beiden Transistoren wurden mit voneinander verschiedenen Emitterflächen realisiert, so sind sie gut für die Zusammenschaltung zu einer PTAT geeignet.
Wird bei bipolaren Transistoren die Basis mit dem Kollektor verbunden, ergibt sich mit der Basis-Emitter-Strecke ein pn-Übergang mit negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung TKV F,BE über diesen Übergang. Auf einem Teil der entwickelten Si-DMS-Chips wurden deshalb der Basis- mit dem Kollektorkontakt fest in der Metallisierungsebene verbunden. Mittels zweier externer Stromsenken wurde eine sehr genaue zur absoluten Temperatur proportionalen Temperaturmessung konzipiert.
Unter Verwendung von je zwei gleichen Si-DMS-Chips mit zwei vollständigen pnp-Transistoren wurde eine Kompensationsschaltung in Verbindung mit einer Vollbrücke entwickelt.
Trockengeätzte Gruben parallel zu den Sensorstreifen bewirkten eine Entkopplung von den Temperatursensoren.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Projektergebnisse wurden in die Entwicklungs- und technologische Plattform des CiS Forschungsinstituts zur Entwicklung und Fertigung von MEMS-Sensoren integriert. Es können zeit- und kosteneffektiv innovative Si-DMS mit on-chip Temperatursensorelementen entwickelt werden. Entsprechend der Kundenwünsche können sowohl Layout und Technologie gemäß der Anforderungen und aufeinander abgestimmt sehr flexibel gestaltet werden. Das CiS Forschungsinstitut kann während der Entwicklung Multi-Projekt-Wafer anbieten, dass ganz unterschiedliche Layouts und ggf. auch Chipgrößen oder -formen auf einem Wafer platziert und gemeinsam gefertigt werden können. Zur Charakterisierung der prozessierten Chips kann auf das Know-how bezüglich Testsondenkonzepten, Aufglasen, Bonden usw. sowie Messprozeduren in Klimaschränken und Druck-Temperatur-Messplätzen incl. Messdatenauswertung und -bewertung zurückgegriffen werden.
Es können mit den geschaffenen Lösungen geringere Druck- und Kraftbereiche sowie größere Betriebstemperaturbereiche erschlossen werden.
Das CiS Forschungsinstitut kann sowohl hochspezialisierte Sensoren in geringen Stückzahlen als auch Si-DMS mit erweiterten Leistungsbereich bis zu mittleren Stückzahlen anbieten.
Diese Bandbreite eignet sich am Markt für Hersteller von Messgeräten in der Labor- und Analysemesstechnik bis hin zur Prozessmesstechnik sowie Anwendungen in der Automatisierung und Medizintechnik, z.B. haptischer Systeme.
Im Zusammenhang mit den Projektarbeiten wurde eine Lösung für medienbündige Drucksensoren mit Temperaturmessung- oder Temperaturkompensation entwickelt und eine Patentanmeldung DPMA 2025112414001694DE vorgenommen.
Die Ergebnisse zu on-chip Temperaturdioden und Bipolar-transistoren können auch in Verbindung mit anderen Sensoren, beispielsweise Umwelt- und optische Sensoren, zu neuartigen Lösungen führen.