MEMS-basierte Sensorsysteme nutzen häufig den piezoresistiven Effekt, ein Prinzip, das sehr sensitiv auf Druck und Kraft reagiert. Ein häufiges Problem ist das fast immer vorhandene Null-Offset-Signal und dessen starke Temperaturabhängigkeit (TCO, temperature coefficient of offset). Dies kann die Genauigkeit und Stabilität der Messungen beeinträchtigen und sich letztlich negativ auf die Performance auswirken. Das vollendete Projekt „miniOffset“ hatte daher das Ziel, eine skalierbare Plattform zu entwickeln, bei der diese beiden Parameter bereits auf Wafer- bzw. Chip-Ebene praktisch eliminiert werden können.
Mittels Simulationen wurden verschiedene Designs ausgewählt, gefertigt und ein robustes Chip-Design erstellt.
In Kombination mit diesem Design wurde eine ausführliche Technologieoptimierung durchgeführt und verschiedene Ansätze ausprobiert. Am effizientesten war die Integration von diversen Ausgleichstrukturen, wie Mikrosicherungen zum Durchbrennen und kleinen Widerständen zum Zu- und Abschalten, in einer Messbrücke.
Ein Ansatz zur Minimierung des Offsets wurde bei Chipvarianten mit großen Offsetabweichungen und Streuungen durch den Einsatz von Stud-Bumping an Kompensationsstrukturen erreicht (Abb. (a)). Diese Methode nutzt die Ausgleichstrukturen, bestehend auf diversen Widerständen, die von einander räumlich getrennt sind. Zunächst werden die Offset-Spannungen der untersuchten Wafer erneut gemessen. Anschließend wurde ein Programm (Python) erstellt, das die Offset-Werte einliest, die zur Minimierung des Offsets erforderliche Widerstandsdifferenz berechnet und die mittels Stud-Bumping kurzzuschließenden Widerstände ausgibt. Abb. (b) und (c) zeigt beispielhafte Ergebnisse aus einem Wafer mit 90 Chips.
(a) Ausgleichstrukturen bestehend aus Widerständen von 7,5 Ω, 15 Ω, 30 Ω und 60 Ω einschließlich der gesetzten Stud-Bumps
(b) Offsetwerte und einer Chip-Variante VII mit größten Streuung und Abweichung und (c) deren Verteilung, vor und nach der Offset-Korrektur mittels Stud-Bumping
Wie der Grafik zu entnehmen ist, konnte mit dem Verfahren die Mehrheit der Offsetwerte stark reduziert und bei den meisten Chips sogar bis auf nahezu Null korrigiert werden. Aus diesen Ergebnissen resultiert, dass diese Methode zur Korrektur der Abweichung von Ausgangsoffsetwerten geeignet ist. Sie lässt sich auch kostengünstig in die Fertigung integrieren, da das Verfahren Drahtbonden, mit dem die Korrektur der Offsetwerte individueller Chips realisiert wird, in der weiteren Sensorfertigung ohnehin enthalten ist.
» Infosheet: Piezoresistive Technologie-Plattform mit minimalem Offset (PDF)
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Piezoresistive Technologie-Plattform mit minimalem Offset“ (miniOffset) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
FKZ: 49MF220087
