Ziel der Entwicklung

Vor allem in der Prozessmesstechnik werden hochstabile und hochgenaue sowie gut system-integrierbare Drucksensoren nachgefragt. Eine sehr erfolgreiche Lösungsidee bietet dabei die Realisierung von Wheatstonschen Messbrücken, basierend auf stresssensitiven Komponenten. Werden diese durch piezoresistive implantierte Widerstände in durch eingeprägten Druck veränderliche Stresszonen realisiert, werden die Kennlinieneigenschaften auch von Querempfindlichkeiten und besonders der Temperatur beeinflusst. Dadurch werden teilweise aufwendige Kompensationsmethoden notwendig, um die geforderten Genauigkeits- und Stabilitätsanforderungen zu erfüllen. Wenn die Messwiderstände durch eine geringe, genügend flache Dotierung in einkristallines Silizium hergestellt werden, wird einerseits eine hohe Empfindlichkeit erzielt, andererseits weisen diese Widerstände einen hohen Temperaturkoeffizienten auf. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, kontinuierlich die Temperatur des Chips bzw. der Messzelle zu ermitteln.
Je nach Applikationsanforderung müssen die Querempfindlichkeiten in unterschiedlichem Maße (qualitativ und quantitativ) kompensiert werden. Dies hat entscheidenden Einfluss sowohl auf die Auslegung und den Umfang der benötigten Hardware als auch auf die Aufwände für die notwendige Kalibrierung. Durch geeignete Lösungen auf Chipebene kann der Kalibrierungsprozess vereinfacht und dadurch Herstellkosten verringert werden.
Im Bereich innovativer Lösungen in verschiedenen Industriesensorik-Anwendungsfeldern (z.B. der Prozessmesstechnik) werden neben Massenprodukten oft auch hoch spezialisierte Sensoren in (zunächst) kleinen und mittleren Stückzahlen durch KMU und Start-ups nachgefragt. Hier ist es wichtig, Sensoren kosteneffektiv und bzgl. der Performance besser voraussagbar entwickeln zu können.
Im Falle einer Konstantstromspeisung kann eine Selbstkompensation der Abhängigkeiten des Widerstandswertes von der Temperatur (Temperaturkoeffizient des piezoresistiven Widerstandes TKR) mit der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit (TKE) erreicht werden.
Daher wurde der Einfluss der Querempfindlichkeiten im Zusammenhang mit Technologie, Design (Layout) und Materialien auf das Wandlersignal untersucht sowie Möglichkeiten zur on-chip Kompensation durch trimmbare Widerstände, NTC-Widerständen und Temperaturdioden einbezogen. Als Betriebstemperaturbereich wurde von -40°C bis +135°C gewählt. Für diesen Temperaturbereich wird eine verbesserte Kennlinienlinearität und eine Verringerung des Temperaturkoeffizienten des Nullpunktes gefordert.
Durch ein geeignetes Brückenlayout, mechanisches Design der Biegeplatte in Fläche und Dickenverteilung in einem ausgewählten Substrat ohne merklichen Quereffekt soll eine Messbrücke aufgebaut werden, welche Störungen besser kompensiert. Für sehr empfindliche Sensoren mit Nenndrücken zwischen einigen wenigen bis einigen hundert mbar sind diese Lösungen besonders wichtig.

Vorteile und Lösungen

Silizium-Drucksensoren für den Druckbereich von maximal einigen hundert Millibar sind bzgl. der Auswirkungen der Querempfindlichkeiten besonders sensitiv. Um die Genauigkeit und Stabilität weiter zu entwickeln, müssen die Auswirkungen unterschiedlicher Einflüsse von der Messgröße auf das Ausgangssignal verringert und / oder durch zusätzliche Komponenten kompensiert werden.
Wenn ein großer Betriebstemperaturbereich abgedeckt werden soll, sind kleine Dotierungskonzentrationen der piezoresistiven Widerstände vorteilhaft; diese haben jedoch einen hohen Temperaturkoeffizienten.
Auf einem Drucksensorchip wurden verschiedene Lösungsansätze untersucht. Voraussetzung war hier standardmäßig verfügbare Prozessschritte anzuwenden und die Anzahl der notwendigen Anschlüsse (Bondungen auf dem Chip) nicht zu erhöhen.
Weiterhin wurden Komponenten und Vernetzungen eruiert, die bestimmte Querempfindlichkeiten anderer Elemente kompensieren, ohne die Performance der Messbrücke wesentlich zu verschlechtern.
Die Temperaturkompensation sollte dabei ausdrücklich nicht mit Hilfe eines integrierten Schaltkreises erfolgen, sondern ausschließlich durch intelligente Verschaltung der Messbrücke mit zusätzlichen Bauelementen, welche auch für den gesamten Betriebstemperaturbereich eine Verbesserung bringen, umgesetzt werden.
Um eine bipolare Temperaturdiode mit ausreichender elektrischer Entkoppelung von Siliziumsubstrat und Messbrücke realisieren zu können, wurde die Wafertechnologie wesentlich umgestaltet: Die Dotierprofile der Bor- und Phosphorimplantationen wurden grundlegend neu auf einander abgestimmt, so dass eine unabhängige sperrende pn - Isolation der Temperaturdiode ermöglicht wurde. Die Temperaturdiode wurde on-chip in die Messbrücke in Reihe integriert.
Mit der integrierten Temperaturdiode konnte der wirksame Brückenwiderstand besonders im Temperaturbereich kleiner - 20°C und teilweise bei Temperaturen über 120 °C. linearisiert werden.
Durch die on-chip-Integration wird kein zusätzlicher Bauraum erforderlich.
Die Auswirkung von Design- und Layoutentscheidungen wurden mittels gezielter Variationen der geometrischen Verhältnisse der verschiedenen Brückenelemente und der zusätzlich on-chip Komponenten untersucht. Dazu wurden eine Vielzahl von Teststrukturen entworfen und analysiert.
Zwecks Demonstration der Projektergebnisse wurden Siliziumdrucksensorwafer mittels Direktbondverfahren mit strukturierten Silizium-Rückplattenwafern zu Referenzdrucksensoren mit dem Nennbereich von 50 mbar aufgebaut und die Kennlinien ermittelt. Dazu wurden 525 µm dicke Rückplatten mit mechanischen Federstrukturen und 2,1 mm dicke Rückplatten eingesetzt.
Im Ergebnis des Projektes konnte die Prognosefähigkeit bzgl. von Layout- und Technologieentscheidungen für den kundenspezifischen Entwurf gemäß der jeweils geforderten Sensorperformance verbessert werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Hochstabile und hochgenaue Siliziumsensoren werden vor allen für in der industriellen Prozessmesstechnik benötigt. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, die Sensorperformance u verbessern und den Entwicklungsaufwand zu verringern. Als Endkundenmärkte kommen vorzugsweise in Betracht:
– industrielle Prozessmesstechnik
– Automationstechnik
– Energiewirtschaft, einschließlich Öl- und Gasindustrie
– Luftfahrt