Langzeitstabile Passivierungen von piezoresistiven Sensoren für anspruchsvolle Sensorumgebungen

11.01.2021

Sensoren für mechanische Größen erfordern den direkten Kontakt mit der Messgröße. Dieser Kontakt ist für siliziumbasierte Mikrosensoren äußerst anspruchsvoll. Um die Medienresistenz deutlich zu verbessern, wird der Sensorchip durch eine Membran vom Medium abgeschirmt. Die zu messende Größe wird über ein Koppelmedium, bspw. inerte hoch isolierende Flüssigkeiten wie Silikon-Öl übertragen.

Mit den bekannten Schutzschichten auf Polymerbasis sind die hohen Anforderungen an miniaturisierten Systemen, z.B. im medizinischen Bereich für die Druckmessung in Hirn- und Rückenmarksflüssigkeiten nur eingeschränkt realisierbar.
Mit dem Fokus auf Langzeitstabilität der Schutzschichten gegenüber Körperflüssigkeiten oder extremen pH-Wert-Spreizungen wurden verschiedene Passivierungsschichten evaluiert, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung, Anwendungsgebieten und Technologie unterscheiden. Gleichzeitig wurde die Beständigkeit des Siliziums, als Basis verschiedener piezoresistiver Drucksensoren durch Dotierungsanpassungen erhöht.

Mittels Demonstratoren wurde die Wirkung der Passivierungsmaßnahmen ermittelt. Sehr dünne TiO2- und Ta2O5-Filme sind aussichtsreiche Materialien für eine langzeitbeständige Anwendung in Körperflüssigkeiten wie Blut und pH-neutralen Elektrolyten. Zudem kann eine sehr hohe Bordotierung den Abtrag des Siliziums durch Salze deutlich verringern.
Dickere Parylen- und Diamant-Passivierungen stellten sich dagegen für die Anwendung an miniaturisierten piezoresistiven Sensoren als problematisch heraus.

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt Langzeitstabile Passivierungen von piezoresitiven Sensoren für anspruchsvolle Sensorumgebungen (PassDru) wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.
FKZ: 49MF170089