Silizium
Mehrfachbalken-Resonatoren
Zusammenfassung BMFT-Projekt „frequenzanaloge Sensoren“
Dipl.-Phys. Hans-Joachim Wagner, Hahn-Schickard-Gesellschaft für Angewandte Forschung e.V. (HSG-IMIT)
Abschlussbericht
Frequenz-analoge Kraftsensoren in Silizium mit quasi-digitalem Frequenzausgang werden vorgestellt. Der Kraft empfindliche Resonator wird durch eine membranartige Dreifachbalkenstruktur (Dicke = 25 µm) realisiert.
Die Anregung der Resonanzschwingungen des im antisymmetrischen Grundmode (äußere Balken gegenphasig zum inneren Balken) schwingenden Kraftsensors erfolgt durch piezoelektrische dünne Schichten (Dicke = 3 µm) zu. Die ZnO-Dünnschichten werden durch HF-Magnetron-Sputtern hergestellt. Die für den transversale piezoelektrischen Effekt vorteilhafte Vorzugsorientierung der Kristallite (c-Achse senkrecht zur Substrat-Oberfläche) kann in komplexer Weise durch die Sputter-Parameter beeinflusst werden.
Mehrfachbalken-Resonatoren haben den Vorteil, dass bei geeignetem Entkoppel-Bereich und gegenphasiger Anregung eine Momenten-Kompensation der Balkenschwingungen im Einspannbereich erreicht werden kann, d.h. die Schwingungsenergie dissipiert nicht ins Bulk-Material. Dadurch sind im Vergleich zu Einfachbalken-Strukturen höhere Resonator-Güten erreichbar.
FEM-Berechnungen und Messungen zeigen, dass bei größer werdendem Entkoppel-Bereich eine hohe Modenaufspaltung erfolgt. Dadurch ergibt sich eine gute Unimodalitäten für das “Einlocken” einer Oszillator-Schaltung.
Die prozess-technische Realisierung der Dreifachbalken-Kraftsensoren erfolgt durch eine p+ Dotierung von n-Silicium für den Grundelektrodenbereich, Abscheiden und Strukturieren der ZnO-Anregungsbereiche und Abscheiden von Aluminium für die obere Elektrode. Anschließend wird die Passivierung, das rückseitige anisotrope Tiefenatzen zur Festlegung der Balkendicke und das Freilegen der Balken von der Vorderseite durch Plasmaätzen durchgeführt.
Durch einfaches ändern (prozesstechnisch nur eine Maske) des Entkoppel-Bereichs können durch FEM-Simulation und korrelierte Messungen die Momenten-Kompensation und die Modenentkopplung untersucht werden.
Kraft/Frequenz-Messungen zeigen, dass der antisymmetrische Grundmode die höchste Kraftempfindlichkeit und die höchste Güte aufweist. Diese Messung zeigen auch, dass möglichst stressfreie ZnO-Dünnschichten für Sensor-Anwendungen gefordert sind.
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
- Numerische Simulation (FEM) und Optimierung frequenz-analoger Sensoren in Silizium und Quarz
- Entwicklung und Herstellung piezoelektrisch angeregter Silizium-Resonatoren (Membranschwinger, Balkenschwinger)
- Entwicklung und Herstellung von Quarz-Sensoren (Membranschwinger, Balkenschwinger)
- Dienstleistungen im Bereich Prozess-Technologie
- Meßtechnische Charakterisierung von Resonatoren
- Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für resonante Sensoren (Anodisches Bonden, Die-Bonden, Draht-Bonden, Lasermikromaterial-Bearbeitung)
Retrospective
Silicon force sensors with piezoelectric excitation
Summary BMFT project “frequency analog sensors”
Dipl.-Phys. Hans-Joachim Wagner, Hahn-Schickard-Gesellschaft für Angewandte Forschung e.V. (HSG-IMIT)
Final Report
Frequency-analog force sensors in silicon with quasi-digital frequency output are presented. The force sensitive resonator is realized by a membrane-like triple beam structure (thickness = 25 µm).
The excitation of the resonant vibrations of the force sensor oscillating in the antisymmetric fundamental mode (outer beam in phase opposite to the inner beam) is achieved by piezoelectric thin films (thickness = 3 µm). The ZnO thin films are fabricated by RF magnetron sputtering. The preferred orientation of the crystallites (c-axis perpendicular to the substrate surface), which is advantageous for the transverse piezoelectric effect, can be influenced in a complex way by the sputtering parameters.
Multiple-beam resonators have the advantage that, with a suitable decoupling region and opposite-phase excitation, moment compensation of the beam vibrations can be achieved in the clamping region, i.e. the vibrational energy does not dissipate into the bulk material. As a result, higher resonator qualities can be achieved compared to single-beam structures.
FEM calculations and measurements show that high mode separation occurs as the decoupling range increases. This results in good unimodalities for “locking-in” an oscillator circuit.
The process-technical realization of the triple-beam force sensors is carried out by p+ doping of n-silicon for the base electrode region, deposition and patterning of the ZnO excitation regions and deposition of aluminum for the top electrode. This is followed by passivation, backside anisotropic deep etching to define the beam thickness and exposing the beams from the front side by plasma etching.
By simply changing (process-wise only one mask) the decoupling region, moment compensation and mode decoupling can be investigated by FEM simulation and by correlated measurements.
Force/frequency measurements show that the antisymmetric fundamental mode has the highest force sensitivity and the highest Q-factor. This measurement also shows that ZnO thin films with as minimal stress as possible are required for sensor applications.
Knowledge transfer services
- Numerical simulation (FEM) and optimization of frequency-analog sensors in silicon and quartz
- Development and fabrication of piezoelectrically excited silicon resonators (membrane transducers, beam transducers)
- Development and fabrication of quartz sensors (membrane transducers, beam transducers)
- Services in the field of process technology
- Metrological characterization of resonators
- Assembly and interconnection technology for resonant sensors (anodic bonding, die bonding, wire bonding, laser micromaterial processing)