Patentanmeldung für Multilayer-Aufbauten für chemisch resistente, langzeitstabile Differenzdrucksenoren

13.11.2020

Ein typisches Beispiel für korrosive und zugleich elektrisch leitfähige Medien ist Wasser. Ebenfalls rauhe Messbedingungen herrschen in der Öl-, Gas-oder Offshore-Industrie. Zur Überwachung und Effizienzsteigerung sind entsprechend kostengünstige und applikationsspezifische Differenzdruckumformer erforderlich.

Der vom CiS Forschungsinstitut verfolgte Ansatz, nutzt Silizium als Bulk-Material von Komponenten zur vorder- und rückseitigen Verkappselung der fertigen Bauelemente. Mit der Weiterentwicklung der vorhandenen Wafer-Level-Packaging-Technologien wurde eine Idee entwickelt, welche auf aufwendige Messzellen-Konzepte mit Edelstahl-Trennmembran und Ölvorlage verzichtet.
Ein Lösungsansatz war die gezielte Modifikation der Oberflächeneigenschaften von typischen MEMS-Siliziumwafern mit dem primären Ziel einer Glättung im atomaren Bereich.
Hohe Festigkeiten wurden mittels anodischen Si-Si-Bonden mit dünner, aufgedampfter Borosilikatglasschicht sowie mit siebgedruckter Glasfrit-Schicht erzielt.

Zum Nachweis der Funktionalität diente ein Differenzdrucksensor-Demonstrator, bei dem die piezoresistive Messbrücke vollständig in dem Bulk-Silizium verkapselt ist, mit der Option einer zusätzlichen Passivierung aller medienberührenden Oberflächen. Mittels implantierter Durchkontaktierungen durch eine dünne Siliziumschicht wurde die Chipmetallisierung vollständig von beiden Medienräumen separiert.
Alle Prototypen entsprechen den formulierten Anforderungen hinsichtlich Empfindlichkeit, Überlastfestigkeit und Langzeitstabilität.

Der Lösungsansatz für den medienresistenten Differenzdrucksensor mündete in der Deutschen Patenanmeldung mit dem Titel „Halbleiterbasierter Differenzdrucksensor und Verfahren zu seiner Herstellung“ DE 10 2019 135 606.7.

Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Multilayer-Aufbauten für chemisch resistente, langzeitstabile Differenzdrucksenoren“ (MARLen) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.