Die ständig wachsenden Ansprüche des Marktes nach hochstabilen und extrem genauen Drucksensoren erfordern neue Ideen neben etablierten Lösungen. Im Fokus stehen vor allen die Kostenreduktion bei der Herstellung der Komponenten, dem Einbinden in eine höhere Integrationsstufe sowie Kalibrierung und Testung. Eine Voraussetzung ist die wesentliche Verbesserung der Prognosefähigkeit bezüglich der Sensorperformance, um den Entwicklungsaufwand und die Entwicklungszeit zu verkürzen.
Um eine hohe Empfindlichkeit von piezoresistiven Drucksensoren zu erreichen, müssen Silizium-Messwiderstände mit einer geringen Bordotierung realisiert werden. Da diese aber einen hohen Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweisen, müssen die Abhängigkeiten gut gekannt, erfassbar und kompensierbar sein. Für die Verbesserung des Sensorausgangssignals ist es vorteilhaft, wenn die Temperaturabhängigkeit der Messwiderstände linearisiert werden können.
Im Projekt OTB verfolgten die Wissenschaftler des CiS Forschungsinstituts das Ziel, für hochstabile und hochgenaue piezoresistive Widerstandsbrücken, die aus in einkristallinem Silizium implantierten Widerstandsbahnen mit einem hohen Temperaturkoeffizienten bestehen, die Querempfindlichkeit zu verringern bzw. zu optimieren. Die Untersuchungen zur Wirkung technologischer und konstruktiver Maßnahmen konzentrierten sich dabei auf die Temperaturbereiche unterhalb des Gefrierpunktes sowie für Betriebstemperaturen oberhalb von ca. 80°C (bis 135°C), da die Stabilität in diesen Bereichen am kritischsten ist.
Verschiedene technologische Ansätze wurden für eine Reihe unterschiedlicher Chipdesigns angewendet. Es wurden dabei verschiedene On-Chip-Lösungen zusätzlicher Komponenten, einerseits zur Erfassung der Chiptemperatur und andererseits zur Kompensation von Unterschieden in den Brückenzweigen der Widerstandsbrücke, realisiert und charakterisiert. Verschiedene resistive und bipolare Komponenten wurden dafür angepasst, gefertigt und analysiert. Designregeln zur Vorhersagbarkeit des Temperaturverhaltens wurden abgeleitet.
Es wurde ein alternativer technologischer Ablauf getestet, mit dem die elektrische Isolation der on-chip integrierten Temperatursensoren gegenüber der Messbrücke wesentlich verbessert werden konnte. Zwei Technologieansätze wurden in der weiteren Entwicklungsphase auf die Waferfertigung von 50 mbar Sensorchips angewendet. Anschließend wurden neue Sensoren gefertigt, die sowohl mit dünnen als auch dicken Siliziumrückplatten im direkten Bondkontakt stehen.
Hier zeigten sich die spezifischen Vorteile der jeweiligen Variante. Für Sensoren der Variante A wurden alle Projektvorgaben bezüglich der Temperaturabhängigkeit erfüllt, wogegen Variante B mit zusätzlichen Polysiliziumwiderständen das Kriterium einer Spannungsfehlerreduktion von unter 0,02%FS erfüllten.
Die Ergebnisse bieten Ansätze für weitere messtechnische Auswertungen und Verbesserungen.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt Optimization of Thermal Behavior (OTB) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
FKZ: 49MF210191
