GMS GmbH
Abschlusspräsentation
Resonante Silizium-Sensoren mit elektrothermischer Anregung und DMS in Metalldünnfilmtechnologie
Abschlusspräsentation “Einsatz der Mikromechanik zur Herstellung frequenz-analoger Sensoren”
Dr. Herbert Bartuch, GMS – Gesellschaft für Mikrotechnik und Sensorik mbH, Industriestraße 7, St. Georgen
Zusammenfassung
Es wurden Silizium-Balken (Dicke: ca. 50 μm, Breite: 1 mm) unterschiedlicher Länge (3 – 10 mm) mittels anisotroper Ätztechnik in thermisch oxidierten (100)-Si-Wafern hergestellt und mit an den Balkenenden positionierten NiCr-Mikroheizern versehen. Auf dem Balken befinden sich weiterhin vier zu einer Vollbrücke verschaltete Meßwiderstände. Infolge einer impulsartigen Beheizung wird der Balken zu Eigenschwingungen angeregt. Die periodische Dehnung bzw. Stauchung der Meßwiderstände führt zu einem frequenzanalogen Brückensignal, das sehr gut geeignet ist, um Veränderungen im Resonanzverhalten nachzuweisen. Die Möglichkeiten dieses Sensorprinzips zum Nachweis von Kraft, Temperatur und Gasströmung werden anhand von Messungen dargestellt. Bei der Realisierung von frequenzanalogen Sensoren ergibt sich ein Kostenvorteil dadurch, dass das Meßsignal quasidigital vorliegt, sodass eine A/D-Wandlung entfällt.
Die Umsetzung des elektrischen Layouts einschließlich der bond- und/oder lötbaren Außenanschlüsse erfolgte durchgängig in Metalldünnfilmtechnologie. Die Schichtsysteme NiCr / TiPdAu (Lötvariante) bzw. NiCr / TiPdAu / galv. Au (Bondvariante) wurden mittels PVD-Verfahren abgeschieden und zur Strukturierung den üblichen photolithographischen und naßchemischen Prozeßschritten unterzogen. Durch die verfahrenstechnischen Arbeiten wurde eine optimale Verbindung der Silizium-Ätztechnologie mit der Herstellung der elektrischen Komponenten der Sensoren erreicht, was letztendlich zu hoher Ausbeute und niedrigen Kosten führen wird. Die hohe thermische Stabilität des Metall-schichtsystems (bei unbeloteten Kontakten bis 225ºC) stellt einen Hochtemperatureinsatz solcher Sensoren in Aussicht.
Durch umfangreiche statische und dynamische FEM-Berechnungen konnte gestützt durch experimentelle Ergebnisse bei Fremdanregung und elektrothermischer Anregung gezeigt werden, daß das Resonanzverhalten der Sensoren durch die direkt applizierte DMS-Brücke nicht signifikant beeinflußt wird. Weitere numerische Berechnungen (u.a. CFD-Strömungssimulation) bildeten darüber hinaus den Ausgangspunkt für erste Optimierungen der Sensorempfindlichkeit und wurden zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse herangezogen.
Weiterführende Informationen
- Förderung des Verbundprojektes durch das BMFT (heute: BMBF), Projektlaufzeit 1989-1992
- Förderkennzeichen: BMFT 13AS161A; 13AS0118; 13AS0117; 13AS0116; 13AS0115; 13AS0114
- Referenz: Einsatz_der_Mikromechanik_zur_Herstellung_frequenzanaloger_Sensoren
Transferleistungen
- Applikation von Dünnfilm-DMS auf Metallträger mit isolierender Zwischenschicht, mit folgenden Merkmalen:
- max. Prozeß-Temperatur 320ºC
- hervorragende Langzeit- und Kriech-Eigenschaften
- integrierbare Temperaturkompensation
- elektrische Spannungsfestigkeit > 500 VAC
- Layout-Entwicklung und isotropes/anisotropes Ätzen von einfachen mikromechanischen Elementen in Silizium (Brücke, Zungen, Balken, Membranen)
- Applikation von elektrischen Dünnfilm-Anordnungen auf mikromechanische Elemente zur Signalgewinnung (Mikroheizer, DMS, Temperaturfühler) und Aufbau und Verbindungstechnik (AVT, löt- und bondbares Kontaktsystem) für z.B. frequenz-analoge Sensoren, Drucksensoren, schnelle Temperatursensoren u.ä.
Testimonial
Dipl.-Ing. Hans Weiss | GMS Gesellschaft für Mikroelektronik und Sensorik mbH, VS-Villingen
Resonant silicon sensors with electrothermal excitation and strain gauges in metal thin-film technology
Final presentation “The use of micromechanics for the fabrication of frequency-analog sensors”
Dr. Herbert Bartuch, GMS – Gesellschaft für Mikrotechnik und Sensorik mbH, Industriestraße 7, St. Georgen
Summary
Silicon bars (thickness: about 50 μm, width: 1 mm) of different lengths (3 – 10 mm) were fabricated by anisotropic etching techniques in thermally oxidized (100)-Si wafers and provided with NiCr microheaters placed at the bar ends. Furthermore, four measuring resistors connected to form a full bridge are located on the beam. As a result of pulse-like heating, the beam is excited to vibrate. The periodic stretching or compression of the measuring resistors leads to a frequency-analog bridge signal which is very well suited for detecting changes in the resonant behavior. The possibilities of this sensor principle for the detection of force, temperature and gas flows are illustrated by means of measurements. In the realization of frequency-analog sensors, a cost advantage results from the fact that the measurement signal is quasi-digital, so that A/D conversion is not required.
The electrical layout, including the bondable and/or solderable external connections, was implemented throughout using metal thin-film technology. The layer systems NiCr / TiPdAu (solder variant) and NiCr / TiPdAu / galv. Au (bond variant) were deposited using PVD processes and subjected to the usual photolithographic and wet chemical process steps for patterning. Through the process engineering work, an optimal combination of the silicon etching technology with the fabrication of the electrical components of the sensors was achieved, which will ultimately lead to high yield and low manufacturing costs. The high thermal stability of the metal layer system (up to 225 ºC for non-electrode contacts) raises the possibility of high-temperature applications for such sensors.
Extensive static and dynamic FEA calculations, supported by experimental results for external excitation and electrothermal excitation, showed that the resonance behavior of the sensors is not significantly affected by the directly applied strain gauge bridge. Further numerical calculations (including CFD flow simulation) also formed the starting point for initial optimization of the sensor sensitivity and were used to interpret the experimental results.
Testimonial
“Among other assignments, Dr. Fabula was responsible for optimizing the design of pressure transducers with metal film strain gauges by means of FE calculations. The results achieved stood the industrial test and contributed to the stabilization and further development of this production line in the GMS Company.
Dr. Fabula also demonstrated his technical competence, combined with circumspect work organization and his high level of commitment in other projects. His work on the modeling and application-specific optimization of micromechanical force and flow sensors using the FE method had a decisive influence on the design and layout of prototypes of a micromechanical force sensor with electrothermal excitation, which were then subsequently manufactured at GMS.
On the initiative of Dr. Fabula, GMS decided to continue the work in a joint project towards a commercially viable product. The results are reflected in the customer-specific development currently underway at our company.
Dr. Fabula always proved to be very open to the specific development tasks of our company. We would like to thank him for his services so far and look forward to further good cooperation.” ~ Dipl.-Ing. Hans Weiss, Owner & Managing Director, GMS – Gesellschaft für Mikrotechnik und Sensorik mbH
Knowledge transfer services
- Application of thin-film strain gauge on metal carrier with insulating interlayer, with the following features::
- max. process temperature 320ºC
- excellent long-term and creep properties
- integrable temperature compensation
- electrical dielectric strength > 500 VAC
- Layout development and isotropic / anisotropic etching of simple micromechanical elements in silicon (bridge, tongues, bars, membranes)
- Application of electrical thin film arrays on micromechanical elements for signal acquisition (microheaters, strain gauges, temperature sensors) and assembly and interconnection technology (solderable and bondable contact system) for e.g. frequency-analog sensors, pressure sensors, fast temperature sensors etc.
Retrospective