Robert Bosch GmbH
Abschlussbericht
Zusammenfassung BMFT-Projekt „frequenzanaloge Sensoren“
Im Rahmen des BMFT-Verbundprojekts: “Einsatz der Mikromechanik zur Herstellung frequenz-analoger Sensoren” wurden bei BOSCH die Grundlagen frequenzanaloger Druck- und Kraft-Sensoren in Silicium mit Fremdanregung durch piezo-elektrisches Zinkoxid erarbeitet. Die Integration des piezoelektrischen Materials in mikroskopisches Verfahrensabläufe wurde erreicht und geeignete Batch-Prozesse entwickelt, die in der Folge mehrmals verbessert worden. Die Integrierbarkeit mit mikroelektronischen Funktionen konnte prinzipiell gezeigt werden; eine für den Sensorantrieb geeignete elektronische Schaltung wurde entwickelt und für einen Demonstrator als Surface Mounted Device (SMD) aufgebaut.
Nach Abschluss der Prozess-Entwicklung bei BOSCH stehen zu Herstellung frequenz-analoger Sensoren zwei Prozessvarianten standardmäßig zur Verfügung. Dabei erscheint ein Schichtaufbau, bei dem das piezoelektrische ZnO in einer Metall-Insulator-Semiconductor-Struktur (MIS-Design) eingebettet wird, als besonders vielversprechend.
Die Weiterentwicklung piezoelektrischer ZnO-Schichten bei BOSCH führte zu weiteren Verbesserungen dieses aussichtsreichen Materials. Schichtstruktur, Piezoelektrizität und piezomechanische Kopplung wurden charakterisiert und die so gewonnenen Erkenntnisse in die Prozessentwicklung rückgekoppelt. Mit optimierten ZnO-Schichten konnten bei BOSCH erstmals deutliche Resonanzeffekte im Impedanz-Verlauf eines Schwingers festgestellt werden.
Resonante Drucksensoren auf der Basis piezoelektrisch zum Schwingen erregter Silicium-Membranen wurden als Funktion von Druck, Lastwechseln, Packaging, Temperatur und Temperaturwechseln untersucht. Dabei gefundene Kriech-Effekte konnten durch anodisches Bonden der Drucksensor-Chips auf Pyrex-Glas weitgehend beseitigt werden. Erste Ansätze zur Temperaturkompensation ZnO-getriebener Sensoren wurden erarbeiten.
Eine Vielzahl funktionsfähiger batch-gefertigte Kraft-Sensoren konnte an den Verbundpartner Bizerba Werke Balingen abgegeben werden, wo eine Waage mit frequenz-analogem Kraftaufnehmer als Demonstrator realisiert werden konnte.
Eine mit einer minimalen externen Zusatzbeschaltung integrierbare Elektronik zur Sensor-Entdämpfung mit Stabilisierung der Resonator-Amplitude wurde bei BOSCH entwickelt und als SMD aufgebaut; diese Schaltung garantiert einen stabilen Betrieb des Sensors über den gesamten Arbeitsbereich. Entsprechende Schaltungsvorschläge wurden auch dem Verbundpartner Bizerba übergeben.
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
Transferleistungen der Firma BOSCH an mittelständische Partner:
- Lieferung von Halbzeugen (im Reutlinger Werk vorprozessierte Wafer)
- Erbringung von Dienstleistungen (z.B. Abscheidung von Maskierschichten auf unprozessierten Wafern, Durchführung von Photolithographie-Schritten, Fenster öffnen, Erzeugen lokaler Dotierungen, einfache Ätzprozess, etc.)
- jeweils gegen Entgelt
- Know-how Transfer aus dem BMFT-Projekt.
Testimonials
Final report Robert Bosch GmbH
Summary project “frequency analog sensors”
As part of the BMFT (today: BMBF) joint project: “Use of micromechanics for the production of frequency-analog sensors”, the fundamentals of frequency-analog pressure and force sensors in silicon with external excitation by piezoelectric zinc oxide were developed at BOSCH. The integration of the piezoelectric material into microscopic process flows was achieved and suitable batch processes were developed, which were subsequently improved a number of times. The integrability with microelectronic functions could be shown in principle; an electronic circuit suitable for the sensor drive was developed and built for a demonstrator as a surface mounted device (SMD).
After completion of the process development at BOSCH, two process variants are available as standard for the manufacture of frequency-analog sensors. A layer structure in which the piezoelectric ZnO is embedded in a metal-insulator-semiconductor structure (MIS design) appears to be particularly promising.
Further development of piezoelectric ZnO layers at BOSCH led to further improvements of this promising material. Layer structure, piezoelectricity and piezomechanical coupling were characterized and the knowledge thus gained was fed back into the process development. With optimized ZnO layers, clear resonance effects in the impedance curve of an oscillator were detected for the first time at BOSCH.
Resonant pressure sensors based on piezoelectrically excited silicon membranes were investigated as a function of pressure, load changes, packaging, temperature and temperature changes. The creep effects found could be largely eliminated by anodic bonding of the pressure sensor chips to Pyrex glass. First approaches for temperature compensation of ZnO-driven sensors were worked out.
A large number of functional batch-produced force sensors could be delivered to the project partner Bizerba Werke Balingen, where a scale with a frequency-analog force transducer could be realized as a demonstrator.
An electronic circuit for sensor damping with stabilization of the resonator amplitude, which can be integrated with a minimum of additional external circuitry, was developed at BOSCH and built as an SMD; this circuit guarantees stable operation of the sensor over the entire operating range. Corresponding circuit proposals were also handed over to the project partner Bizerba.
Knowledge transfer services
Transfer services of the company BOSCH to medium-sized partners:
- Supply of semi-finished products (wafers pre-processed at the Reutlingen production plant).
- Provision of services (e.g. deposition of masking layers on unprocessed wafers, execution of photolithography steps, window opening, generation of local dopants, simple etching process, etc.).
- each against payment
- Know-how transfer from the BMFT project.
Testimonial
“Dr. Fabula supported us in the application-specific optimization of MEMS sensors and was able to provide valuable advice in this respect. I appreciate Dr. Fabula as a competent partner whose initiative, drive and inventiveness always stood out in the course of our many years of cooperation.” ~ Dr.rer.nat. Franz Lärmer, Robert Bosch GmbH, Gerlingen