Piezoresistive Hochtemperatur-Druckwandlerkerne

07.04.2014

Durch die Miniaturisierung und Effizienzsteigerung erschließt sich die Mikrosystemtechnik neue Anwendungsfelder. Um diesen Trends auch in Hochpräzisionsanwendungen wie der Prozessdruckmesstechnik gerecht zu werden, muss die maximale Einsatztemperatur von Druckwandlerkernen steigen. Diese Funktionserweiterung bietet den Anlagen- und Messtechnikproduzenten neue Gestaltungsmöglichkeiten. Das Projekt HotDru befasst sich daher mit der Entwicklung serienfertigungstauglicher Hochtemperaturdrucksensorsysteme mit einer Einsatztemperatur von bis zu 300°C.
Die neu entwickelten Drucksensorchips werden in verschiedenen Versionen realisiert, die als Grundaufbau alle auf dem „Silicon on Insulator“ (SOI)-Prinzip beruhen. Es wurden konventionelle LP-CVD und Layertransfertechniken eingesetzt, aber auch neue eigene Lösungen mit speziellen elektrochemisch unterstützten Ätzverfahren entwickelt. Mit diesen Technologien in Kombination mit optimierten Montage- und Fertigungs-verfahren, wie dem 0-Level-Packaging per Silizium-Direktbonden konnten Sensoren mit ausgezeichneter Performance entwickelt werden. Die Sensoren leiden durch diese Ausführungsvarianten nicht an den stark temperaturabhängigen Leckströmen und Montagespannungen, die den Einsatz konventionell prozessierter Siliziumdrucksensoren bei hohen Temperaturen unmöglich machen.

Es wurde innerhalb des Projekts die gesamte Kette von der Idee bis zum fertigen Mikrosystem abgebildet. Der Entwicklungsprozess umfasste die gekoppelte Devicesimulation und das Layout ebenso wie die Prozessentwicklung, Fertigung, Wafermesstechnik und den finalen Bauteiltest. Bisher wurden alle Messungen bei Temperaturen bis zu 135°C durchgeführt. Die Messtechnik für Tests bis 300°C befindet sich im Aufbau.
Die bisher gewonnenen Daten zeigen beispielsweise eine nahezu temperaturunabhängige Brückengrundverstimmung <0,2mV/V, eine hohe
Polungsstabilität, eine Kennlinienabweichung <0,1% full-scale bei Nenndruck und ~2% bei fünffacher Überlast. Die Kurzzeitstabilität über 24 Stunden bei 135°C liegt nahe der messtechnischen Auflösung bei weniger als 0,005% full-scale (s. Abb.).