Barometrischer MEMS Drucksensor für Bio- und Medizintechnik – Kantenlänge 1 mm
Zur Sensor+Test 2017 stellt das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik hochstabile, medienbeständige barometrische Drucksensoren in MEMS-Technologie vor. Als Forschungsinstitut bietet das CiS industriellen Kunden technologische Lösungen und begleitet den Transfer vom Funktionsmuster bis zur Serienfertigung entsprechend der ISO9001-Zertifizierung.
Neben den Zielen Miniaturisierung und Zuverlässigkeit standen bei der Entwicklung der MEMS Drucksensoren Langzeitstabilität und chemische Resistenz der medienberührenden Flächen im Vordergrund. Ohne Schutzvorlagen in Form von Ölen oder Elastomerschichten sind die in einem Plasma-Tiefenätzverfahren hergestellten Sensorelemente direkt z.B. in medizinischen Applikationen oder in Mikroreaktoren der Biotechnologie einsetzbar.
Die hier vorgestellten Absolutdruck-Sensoren mit 1 mm Kantenlänge und eingebetteten Piezowiderständen liefern typisch 20 µV/hPa Empfindlichkeit bei Messgenauigkeiten von bis zu 1 Pa. Durch die hohe Auflösung eignen sie sich u.a. auch für die Navigation in Innenräumen oder für Überwachungsaufgaben, wie etwa die Sturzerkennung von Patienten.
Mit dem Plasma-Tiefenätzprozess lassen sich Formen von Kavitäten und Chip-Konturen realisieren, die mit Nassätzprozessen nicht möglich sind. Sogar runde Kavitäten und Sensorchips sind für Sonderapplikationen möglich. Der Aufbau des funktionsfähigen Sensorelements erfolgt durch Wafer-Level-Packaging (WLP), wobei zur 3D-Integration u.a. Flip-Chip-Verbindungen und Silizium-Durchkontaktierungen (Through Silicon VIA – TSVs) zum Einsatz kommen. Bei entsprechenden Stückzahlen sind die Produktionskosten mit herkömmlichen Technologien durchaus vergleichbar.
Auf Grundlage der erarbeiteten Fertigungstechnologie sind weitere Projekte bereits in Planung. Dazu gehört die Kontaktierung der WLP-Sensormodule auf keramische Leiterbahnträger mit Glasloten, die Realisierung von Multichip-Modulen und die Entwicklung hochtemperaturtauglicher Piezowiderstände, Beschichtungen und Montagetechniken. Die vertikale Integration der Sensorchips auf kundenspezifische ASICs erfolgt in der Regel ohne Bond-Drähte durch entsprechende Interposer mit Durchkontaktierungen in TSV-Technologie.
Teile der vorgestellten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie in den Projekten WPT (FKZ: MF120009) und RUDIS (FKZ: MF150176).
Glossar
MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems
MOEMS: Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems
WLP: Waver-Level-Packaging
TSV: Through Silicon VIA
VIA: Vertical Interconnect Access
Interposer: Umverdrahtungsträger / Kontaktierungsadapter in Chip-Dimensionen
