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Entwicklung und Charakterisierung eines kapazitiven Drucksensors mit porösem Silizium

Bohne, Laura :
Entwicklung und Charakterisierung eines kapazitiven Drucksensors mit porösem Silizium.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2008)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

In dieser Diplomarbeit wird ein kapazitiver Absolutdrucksensor auf Basis einer neuartigen Technologie der Oberflächenmikromechanik entwickelt. Auf einer monokristallinen Siliziummembran über einer verschlossenen Kaverne wird ein dielektrisches Schichtsystem aufgebracht, durch das die Membran durch einen isotropen Ätzschritt vom umgebenden Substrat isoliert wird. Nach der elektrischen Kontaktierung des hieraus resultierenden Membranbosses und des Substrates wird eine dielektrische Passivierungsschicht aufgebracht, mit der die Ätzlöcher zum Freistellen der Membran wieder verschlossen werden. Dies ermöglicht eine kapazitive Auswertung des Membranbosses gegen das Substrat.

Es wird eine umfangreiche Recherche zu dielektrischen Materialen sowie ihren Materialparametern, wie dem Elastizitätsmodul, der Querkontraktionszahl, dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Schichtspannung, durchgeführt. Da insbesondere der Schichtstress mit den Parametern der Schichtaufbringung variiert, wird dieser für die verfügbaren Dielektrika bestimmt. Hierzu wird mit einem kapazitiven Messverfahren die Verbiegung des Wafers gemessen und daraus der Schichtstress berechnet. Zudem werden Versuche zum Verschluss der Ätzlöcher zum Freistellen der Membran durchgeführt.

Anschließend wird anhand einer Finite-Elemente-Simulation eine Auswahl zu prozessierender Schichtsysteme getroffen. Für eine realistische Abbildung der mechanischen Spannungen in den einzelnen Schichten orientiert sich die Simulation am Prozessfluss.

Bei der folgenden Fertigung werden Photolithographie- und Strukturierungsschritte an die Gegebenheiten dieser Arbeit angepasst. Aufgrund der daraus resultierenden zeitlichen Verzögerungen wird kein Sensorelement fertig prozessiert. Parallel zur Prozessierung wird die Charakterisierung der entwickelten Sensorelemente vorbereitet: Ein Verfahren zur Grobcharakterisierung, bei dem die Sensorelemente einem Funktionstest unterzogen werden, sowie die Charakterisierung gehäuster Sensorelemente. Für das zweite Charakterisierungsverfahren wird ein ASIC der Robert Bosch GmbH ausgewählt. Mit diesen beiden Verfahren ist zukünftig das statische Verhalten der entwickelten Sensorelemente zu untersuchen. Anhand eines Netzwerkmodells wird in dieser Arbeit das dynamische Übertragungsverhalten des Sensors abgeschätzt.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2008
Autor(en): Bohne, Laura
Titel: Entwicklung und Charakterisierung eines kapazitiven Drucksensors mit porösem Silizium
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

In dieser Diplomarbeit wird ein kapazitiver Absolutdrucksensor auf Basis einer neuartigen Technologie der Oberflächenmikromechanik entwickelt. Auf einer monokristallinen Siliziummembran über einer verschlossenen Kaverne wird ein dielektrisches Schichtsystem aufgebracht, durch das die Membran durch einen isotropen Ätzschritt vom umgebenden Substrat isoliert wird. Nach der elektrischen Kontaktierung des hieraus resultierenden Membranbosses und des Substrates wird eine dielektrische Passivierungsschicht aufgebracht, mit der die Ätzlöcher zum Freistellen der Membran wieder verschlossen werden. Dies ermöglicht eine kapazitive Auswertung des Membranbosses gegen das Substrat.

Es wird eine umfangreiche Recherche zu dielektrischen Materialen sowie ihren Materialparametern, wie dem Elastizitätsmodul, der Querkontraktionszahl, dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Schichtspannung, durchgeführt. Da insbesondere der Schichtstress mit den Parametern der Schichtaufbringung variiert, wird dieser für die verfügbaren Dielektrika bestimmt. Hierzu wird mit einem kapazitiven Messverfahren die Verbiegung des Wafers gemessen und daraus der Schichtstress berechnet. Zudem werden Versuche zum Verschluss der Ätzlöcher zum Freistellen der Membran durchgeführt.

Anschließend wird anhand einer Finite-Elemente-Simulation eine Auswahl zu prozessierender Schichtsysteme getroffen. Für eine realistische Abbildung der mechanischen Spannungen in den einzelnen Schichten orientiert sich die Simulation am Prozessfluss.

Bei der folgenden Fertigung werden Photolithographie- und Strukturierungsschritte an die Gegebenheiten dieser Arbeit angepasst. Aufgrund der daraus resultierenden zeitlichen Verzögerungen wird kein Sensorelement fertig prozessiert. Parallel zur Prozessierung wird die Charakterisierung der entwickelten Sensorelemente vorbereitet: Ein Verfahren zur Grobcharakterisierung, bei dem die Sensorelemente einem Funktionstest unterzogen werden, sowie die Charakterisierung gehäuster Sensorelemente. Für das zweite Charakterisierungsverfahren wird ein ASIC der Robert Bosch GmbH ausgewählt. Mit diesen beiden Verfahren ist zukünftig das statische Verhalten der entwickelten Sensorelemente zu untersuchen. Anhand eines Netzwerkmodells wird in dieser Arbeit das dynamische Übertragungsverhalten des Sensors abgeschätzt.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Dielektrische Materialien, Drucksensor kapazitiv, Oberflächenmikromechanik, Silizium porös
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 06 Sep 2011 15:43
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1669

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 15-10-2007

Ende Datum: 13-06-2008

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1669
Gutachter / Prüfer: Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich
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