Resonante Silizium-Sensoren
mit elektrothermischer Anregung und DMS in Metalldünnfilmtechnologie
H. Bartuch*, S. Büttgenbach**, Th. Fabula***, H. Weiss*
* Gesellschaft für Mikrotechnik und Sensorik mbH, Richthofenstraße 3, D-78048 VS-Villingen
** Institut für Mikrotechnik der Technischen Universität Braunschweig, Langer Kamp 8, D-38106 Braunschweig
*** Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., Wilhelm-Schickard-Straße 10, D-78052 Villingen-Schwenningen
Paper
Veröffentlicht unter: „Resonante Silizium-Sensoren mit elektro-thermischer Anregung und DMS in Metalldünnfilmtechnologie“, Tagungsunterlagen Proc. SENSOR 93, Band 2 (1993) S. 17-24
Abstract
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 Eigen-Schwingungen 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, so daß eine A/D-Wandlung entfällt. Die Umsetzung des elektrischen Layouts einschließlich der bond- und / oder lötbaren Außenanschlüsse erfolgte durchgängig in Metalldünnfilm-Technologie. Die Schichtsysteme NiCr / TiPdAu (Lötvariante) bzw. NiCr / TiAu / galv. Au (Bondvariante) wurden mittels PVD-Verfahren abgeschieden und zur Strukturierung den üblichen photolithographischen und naßchemischen Prozeßschritten unterzogen.
Vorgehensweise
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 Metallschichtsystems (bei unbeloteten Kontakten bis 225 °C) stellt einen Hochtemperatureinsatz solcher Sensoren in Aussicht.
Durch umfangreiche statische und dynamische FEM-Berechnungen konnte gestützt durch experimentelle Ergebnisse bei passiver Fremdanregung und elektro-thermischer Anregung gezeigt werden, daß das Resonanzverhalten der Sensoren durch die direkt applizierte DMS-Brücke nicht signifikant beeinflußt wird.
Weitere numerische Strömungssimulation (CFD) bildeten darüber hinaus den Ausgangspunkt für erste Optimierungen der Sensorempfindlichkeit und wurden zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse herangezogen.
Zusammenfassung
- Technologie: Metalldünnfilm-Technologie, Charakterisierung des Metallschichtsystems, Hochtemperatureinsatz
- Funktionsprinzip: elektrothermisches Anregungsprinzip, resistive Abtastung (DMS), resonantes Sensorprinzip für physikalische Meßgrößen
- Layout: Layout-Optimierung durch FEM, d.h. grundsätzliches Resonanzverhalten, sensitive Effekte und Signaloptimierung
- Experimentelle Charakterisierung : Temperaturverteilung, Kraft-, Temperatur- und Strömungs-Empfindlichkeit
- Finite-Elemente Modellierung: Vergleich Simulationen-Messungen (passive, aktive Anregung)
- Anwendungsbeispiele: Balken-Array zur Detektion von Körperschall, Membranen als Strömungssensoren im Hochtemperatureinsatz T > 150 °Celsius
Fazit der Ergebnisse
- Erfolgreicher Nachweis der Kompatibilität der gewählten Metalldünnfilm-Technologie mit der Si-Ätztechnologie als Voraussetzung für eine kostengünstige Fertigung im Batch-Verfahren
- Aufgrund der eingesetzten Materialien ist ein Hochtemperatureinsatz (150 °C und drüber) realistisch
- Elektrothermischer Antrieb und resistive Signalauskopplung wurde an Sensorprototypen (Balkendicke 50 um, Länge 4 – 10 mm) im Resonanzbereich bis ca. 40 kHz erfolgreich erprobt
- Optische und elektrische Messungen im Vergleich mit FEM-Berechnungen zum Nachweis von sensitiven Effekten (Temperatur, Strömung) verweisen auf erwartungsgemäß großen Einfluß der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT)
- Eine Lösung der AVT-Probleme im Zusammenhang mit einer anwendungsspezifischen Sensoroptimierung führt zu einem hochempfindlichen, langzeitstabilen Elementarsensor.
“Auf Initiative von Herrn Dr. Fabula entschied sich die Firma GMS in einem Verbundprojekt zur Weiterführung der Arbeiten in Richtung auf ein vermarktungsfähiges Produkt. Die Ergebnisse finden ihren Niederschlag in der gegenwärtig bei uns laufenden kundenspezifischen Entwicklung.” ~ Dipl.-Ing. Hans Weiss, Inhaber und Geschäftsführer GMS mbH
Anmerkung
Die vorgestellten Arbeiten wurden im Rahmen eines vom BMFT (heute: BMBF) geförderten Verbundvorhabens “Einsatz der Mikromechanik zur Herstellung frequenzanaloger Sensoren” durchgeführt.
Abkürzungen
- NiCr = Nickel-Chromium
- TiPdAu = Titanium-Palladium-Gold
- TiAu = Titanium-Gold
- galv. Au = galvanisches Gold
Sensors with electrothermal excitation
Abstract
Silicon bars (thickness: approx. 50 μm, width: 1 mm) of different lengths (3 – 10 mm) were produced by anisotropic etching technology in thermally oxidized (100)-Si wafers and equipped with NiCr micro-heaters positioned at the bar ends. On the beam there are also four measuring resistors connected to form a full bridge. As a result of a pulse-like heating, the beam is excited to natural oscillations. The periodic expansion or compression of the measuring resistors results in a frequency-analogue bridge signal which is very well suited for detecting changes in resonance behaviour. The possibilities of this sensor principle for the detection of force, temperature and gas flow are shown by measurements. The realization of frequency-analog sensors has a cost advantage in that the measurement signal is quasi-digital, so that an A/D conversion is not necessary. The electrical layout, including the bondable and/or solderable external connections, was implemented using metal thin-film technology throughout. The layer systems NiCr / TiPdAu (solder version) and NiCr / TiAu / galvanic Au (bond version) were deposited by PVD and subjected to the usual photolithographic and wet-chemical process steps for structuring.
Procedure
The process engineering work achieved an optimum combination of silicon etching technology with the manufacture of the electrical components of the sensors, which will ultimately lead to high yields and low costs. The high thermal stability of the metal layer system (up to 225 °C for non-electrode contacts) raises the prospect of high-temperature applications for such sensors.
Extensive static and dynamic FEM calculations supported by experimental results under passive 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 flow simulations (CFD) also formed the starting point for initial optimizations of the sensor sensitivity and were used to interpret the experimental results.
Summary
- Technology: metal thin film technology, characterization of the metal layer system, high temperature application
- Functional principle: electrothermal excitation principle, resistive sensing (strain gauge), resonant sensing principle for physical measurands
- Layout: layout optimization by FEM, i.e. basic resonance behavior, sensitive effects and signal optimization
- Experimental characterization: temperature distribution, force, temperature and flow sensitivity
- Finite element modeling: comparison simulations-measurements (passive, active excitation)
- Application examples: Beam array for detection of structure-borne noise, membranes as flow sensors in high-temperature applications T > 150 °Celsius.
Conclusion of the results
- Successful demonstration of the compatibility of the selected metal thin-film technology with Si etching technology as a prerequisite for cost-effective batch production
- Due to the materials used, a high-temperature application (150 °C and above) is realistic
- Electrothermal drive and resistive signal decoupling was successfully tested on sensor prototypes (beam thickness 50 um, length 4-10 mm) in the resonance range up to approx. 40 kHz
- Optical and electrical measurements in comparison with FEM calculations for the detection of sensitive effects (temperature, flow) indicate the expected large influence of the packaging technology (PT).
- A solution of the PT problems in connection with an application-specific sensor optimization leads to a highly sensitive elementary sensor with long-term stability.
Testimonial
“On the initiative of Dr. Fabula, the company GMS decided to continue the work in a joint project towards a marketable product. The results are reflected in the customer-specific development currently underway at our company.” ~ Dipl.-Ing. Hans Weiss, Owner and Managing Director GMS mbH
Annotation
The work presented here was carried out as part of a joint project funded by the BMFT (now: BMBF) entitled “Use of micromechanics for the manufacture of frequency-analog sensors”.
Abbreviations
- NiCr = Nickel-Chromium
- TiPdAu = Titanium-Palladium-Gold
- TiAu = Titanium Gold
- galv. Au = electroplated Gold
GitHub repository
Link: github.com/ThomasFabula/Flow
Testimonial
“Herr Dr. Fabula war u.a. damit beauftragt, mittels FE-Berechnungen die Auslegung von Druckwandlern mit Metallfilm-Dehnungsmeßstreifen zu optimieren. Die erzielten Ergebnisse bestanden in der industriellen Praxis und trugen mit dazu bei, diese Fertigungslinie in der Firma GMS zu stabilisieren und weiterzuentwickeln.
Seine fachliche Kompetenz, verbunden mit umsichtiger Arbeitsorganisation und seine hohe Einsatzbereitschaft stellte Herr Dr. Fabula auch in weiteren Projekten unter Beweis. Die von ihm durchgeführten Arbeiten zur Modellierung und anwendungsspezifischen Optimierung mikromechanischer Kraft- und Strömungssensoren mit Hilfe der FE-Methode beeinflußten entscheidend den Entwurf und die Auslegung von dann bei GMS gefertigten Prototypen eines mikromechanischen Kraft-Sensors mit elektrothermischer Anregung.
Auf Initiative von Herrn Dr. Fabula entschied sich die Firma GMS in einem Verbundprojekt zur Weiterführung der Arbeiten in Richtung auf ein vermarktungsfähiges Produkt. Die Ergebnisse finden ihren Niederschlag in der gegenwärtig bei uns laufenden kundenspezifischen Entwicklung.
Dr. Fabula erwies sich den spezifischen Entwicklungsaufgaben unseres Unternehmens gegenüber stets als sehr aufgeschlossen. Für seine bisher geleisteten Dienste möchten wir uns bedanken und freuen uns auf weitere gute Zusammenarbeit.” ~ Dipl.-Ing. Hans Weiss, Geschäftsführer & Inhaber GMS mbH, VS-Villingen
Dipl.-Ing. Hans Weiss | GMS Gesellschaft für Mikroelektronik und Sensorik mbH, VS-Villingen