MotoMeter
Abschlusspräsentation
Resonante Quarz-Drucksensoren
Abschlusspräsentation “Einsatz der Mikromechanik zur Herstellung frequenz-analoger Sensoren”
Dr.-Ing. Stefan Dagenbach, Werner Hartig, MotoMeter GmbH, Leonberg
Zusammenfassung
Die vorteilhaften Eigenschaften von Quarz wie hervorragende Elastizität, sehr gute Langzeitstabilität, chemische Resistenz und vor allem sein piezoelektrisches Verhalten ermöglichen im Batch-Prozeß die kostengünstige Herstellung von Sensoren. Die Anzahl der notwendigen Prozeßschritte ist wesentlich geringer als bei vergleichbarer Siliziumsensoren.
Im Rahmen des Verbundvorhabens wurden Drucksensormembranen entwickelt, die durch Ätzen von Cr/Au-beschichteten Quarzscheiben im AT-Kristallschnitt derart strukturiert werden, daß bei einer Druckbeaufschlagung der Membran durch Ausnutzen des Kniehebeleffekts hohe mechanische Spannungen und somit ein hohes Nutzsignal entstehen. Die wegen des anisotropen Ätzverhaltens des Quarzes auftretenden Verzerrungen gegenüber dem Layout wurden durch Korrektur der Maske weitestgehend beseitigt. Die elektrische Schwingungsanregung und der Signalabgriff geschehen über beidseitige Cr/Au-Elektroden, die mit einem Nd:YAG-Laser auf einfache Weise strukturiert und in der Entwicklungsphase leicht modifiziert werden konnten.
Sowohl das mechanische als auch das piezoelektrische Verhalten wurde mit Hilfe der Finite Element Methode (FEM) simuliert und in mehreren Designschleifen optimiert. Die Ergebnisse der Simulation wurden jeweils in Zusammenarbeit mit dem Hahn-Schickard-Institut in Mustersensoren umgesetzt und meßtechnisch überprüft.
Zur Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) wurden Technologien der Flüssigkristalltechnik (LCD) genutzt. Dort werden Gläser mit einer elektrisch leitfähigen und photolithografisch einfach strukturierbaren Indium-(ITO) Beschichtung benutzt. Zur Verbindung zweier Gläser werden Kleberahen mit eingelagerten Distanzhaltern (Spacern) verwendet. Beide Techniken wurden eingesetzt, um zum einen die dem Medium zugewandten Elektrodenflächen zu kontaktieren und zu anderen um den Quarzsensor auf einem Glasträger zu befestigen. Durch die im Kleberahmen eingelagerten Spacer kann darüber hinaus auf einfache Weise eine Überlastsicherung realisiert werden.
Die zum Projektabschluß vorliegenden Sensoren zeigen bei einem Nenndruck von ca. 2 bar eine Empfindlichkeit von 2500 Hz/bar sowie eine Linearitätsabweichung on 1,8 %. Die Nennfrequent beträgt 36 kHz. Durch die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Dimensionierungsgrundlagen können Gestaltungsregeln für andere Druckbereich rasch aufgestellt werden.
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
Als Transferleistungen wird technische Beratung zu folgenden Themenbereichen angeboten:
- Simulation des Schwingungsverhaltens von Quarzmembranen mittels Finite Elemente Methode
- Ätzverhalten von Quarz
- Strukturierung von Quarz-Membranen (Geometrie)
- Laserstrukturieren von Elektrodenflächen
- Elektrische Kontaktierung mit Technologien aus der Flüssigkristalltechnik
- Elektrische Anregung von Quarz-Membranen; Signal-Auswertung
Retrospective
Resonant quartz pressure sensors
Final presentation “Use of micromechanics for the fabrication of frequency-analog sensors”
Dr.-Ing. Stefan Dagenbach, Werner Hartig, MotoMeter GmbH, Leonberg, Germany
Summary
The advantages of quartz, such as excellent elasticity, very good long-term stability, chemical resistance and, above all, its piezoelectric behavior, make it possible to fabricate sensors cost-effectively in a batch process. The number of necessary process steps is much lower than for comparable silicon sensors.
Within the scope of the joint project, pressure sensor membranes were developed which are structured by etching Cr/Au-coated quartz wafers in the AT crystal cut in such a way that, when pressure is applied to the membrane, high mechanical stresses and thus a high useful signal are generated by exploiting the knee lever effect. Distortions from the layout, which occur due to the anisotropic etching behavior of the quartz, were largely eliminated by correction of the mask. The electrical vibration excitation and signal pickup are performed by Cr/Au electrodes on both sides, which could be easily patterned with a Nd:YAG laser and easily modified during the development phase.
Both the mechanical and piezoelectric behaviors were simulated using the finite element method (FEM) and optimized in several design loops. In each case, the results of the simulation were implemented in sample sensors in collaboration with the Hahn-Schickard Institute and verified by measurement.
Liquid crystal technology (LCD) was used for the assembly and interconnection technology. There, glasses with an electrically conductive and photolithographically easily structured indium (ITO) coating are used. Adhesive seams with embedded spacers are used to join two glasses. Both techniques were used to contact the electrode surfaces facing the medium on the one hand and to attach the quartz sensor to a glass substrate on the other. The spacers embedded in the adhesive frame also make it possible to realize an overload protection in a simple manner.
The sensors available at the completion of the project show a sensitivity of 2500 Hz/bar and a linearity deviation of 1.8 % at a nominal pressure of approx. 2 bar. The nominal frequency is 36 kHz. By the dimensioning bases compiled in the context of the project, design rules for other pressure ranges can be established rapidly.
Knowledge transfer services
As transfer services, technical consulting is offered on the following topics:
- Simulation of the vibration behavior of quartz membranes using the finite element method
- Etching behavior of quartz
- Structuring of quartz membranes (geometry)
- Laser structuring of electrode surfaces
- Electrical contacting with technologies from liquid crystal technology
- Electrical excitation of quartz membranes; signal evaluation