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Silizium-Hochdrucksensor-Messelement

Heinickel, Patrick :
Silizium-Hochdrucksensor-Messelement.
Technische Universität Darmstadt
[Diplom- oder Magisterarbeit], (2007)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und weiterführenden Lösungsansätzen zur Optimierung eines neuartigen, piezoresistiven, miniaturisierten und überlastfesten Silizium-Hochdruck-Messelementes mit einem Nenndruckbereich bis 5 000 bar.

Das zu untersuchende Hochdruck-Messelement ist ein Verbundelement aus einem handelsüblichen piezoresistiven Silizium-Drucksensor-Chip ohne abgedünnte Druckmessplatte und einem anodisch gebondeten Borosilikatglas. Die hydrostatische Belastung des Verbundelementes gewährleistet eine hohe Überlastfestigkeit, da auf diese Weise keine für die Materialien kritischen Zugspannungen auftreten. Die unterschiedlich harten Materialien führen zu einer schalenförmigen Verbiegung, die durch Kompression überlagert wird.

Aufbauend auf Ergebnissen vorangegangener Arbeiten am Institut EMK, ist ein zentraler Bestandteil dieser Diplomarbeit die messtechnische Untersuchung von Verbundelementen mit unterschiedlichen Substratmaterialien. Im Mittelpunkt steht dabei der Vergleich von zwei Borosilikatgläsern mit verschiedenen geometrischen Abmessungen. Durch eine Verbesserung der Kontaktierungstechnologie sind reproduzierbare Messergebnisse möglich. Für die untersuchten Varianten weist das weichere Substrat die besseren Kennwerte auf. Der maximale Übertragungsfaktor B = 0,264 µV / (V bar) wird für die kleinste untersuchte Variante (ca. 2 × 2mm^2) gemessen. Bei dem härteren Substrat treten starke materialbedingte Nichtlinearitäten auf.

Die Charakterisierung des Hochdruck-Messplatzes zeigt Eigenfehler durch Temperaturschwankungen infolge von Kompression bzw. Entspannung des Silikonöls im Hochdruck-System.

Eine analytische Beschreibung des Verbundelementes, mit einem Ansatz zur Energie-Erhaltung, ermöglicht die Berechnung der energetisch günstigsten Lage des Messelementes infolge von Verbiegung und Kompression. In Übereinstimmung mit einer numerischen FEM-Simulation wird der Verlauf der mechanischen Spannung im Messelement ermittelt. Anhand der gefundenen Spannungsverteilung im Messelement werden Optimierungsvorschläge erarbeitet. Die Widerstände sollten im Randbereich der rechteckigen Chip-Oberfläche, jeweils symmetrisch auf den Mittelachsen, angeordnet sein. Deshalb werden zur Steigerung des Übertragungsfaktors die überstehenden Seitenkanten mit der Wafersäge abgeschnitten.

Die Messergebnisse bestätigen die Erwartungen an die optimierte Lage der Piezowiderstände. Der Übertragungsfaktor wird um das 9,5-fache auf B = 2,5 µV / (V bar) gesteigert. Dabei sinkt der maximale Linearitätsfehler F = 1,7 % um das 4,5-fache. Auch der Hysteresefehler ist mit F = 1 % ebenfalls der niedrigste der untersuchten Hochdruck-Messelement-Varianten. Weitere Vorschläge zur Optimierung werden in der Arbeit angeführt.

Typ des Eintrags: Diplom- oder Magisterarbeit
Erschienen: 2007
Autor(en): Heinickel, Patrick
Titel: Silizium-Hochdrucksensor-Messelement
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und weiterführenden Lösungsansätzen zur Optimierung eines neuartigen, piezoresistiven, miniaturisierten und überlastfesten Silizium-Hochdruck-Messelementes mit einem Nenndruckbereich bis 5 000 bar.

Das zu untersuchende Hochdruck-Messelement ist ein Verbundelement aus einem handelsüblichen piezoresistiven Silizium-Drucksensor-Chip ohne abgedünnte Druckmessplatte und einem anodisch gebondeten Borosilikatglas. Die hydrostatische Belastung des Verbundelementes gewährleistet eine hohe Überlastfestigkeit, da auf diese Weise keine für die Materialien kritischen Zugspannungen auftreten. Die unterschiedlich harten Materialien führen zu einer schalenförmigen Verbiegung, die durch Kompression überlagert wird.

Aufbauend auf Ergebnissen vorangegangener Arbeiten am Institut EMK, ist ein zentraler Bestandteil dieser Diplomarbeit die messtechnische Untersuchung von Verbundelementen mit unterschiedlichen Substratmaterialien. Im Mittelpunkt steht dabei der Vergleich von zwei Borosilikatgläsern mit verschiedenen geometrischen Abmessungen. Durch eine Verbesserung der Kontaktierungstechnologie sind reproduzierbare Messergebnisse möglich. Für die untersuchten Varianten weist das weichere Substrat die besseren Kennwerte auf. Der maximale Übertragungsfaktor B = 0,264 µV / (V bar) wird für die kleinste untersuchte Variante (ca. 2 × 2mm^2) gemessen. Bei dem härteren Substrat treten starke materialbedingte Nichtlinearitäten auf.

Die Charakterisierung des Hochdruck-Messplatzes zeigt Eigenfehler durch Temperaturschwankungen infolge von Kompression bzw. Entspannung des Silikonöls im Hochdruck-System.

Eine analytische Beschreibung des Verbundelementes, mit einem Ansatz zur Energie-Erhaltung, ermöglicht die Berechnung der energetisch günstigsten Lage des Messelementes infolge von Verbiegung und Kompression. In Übereinstimmung mit einer numerischen FEM-Simulation wird der Verlauf der mechanischen Spannung im Messelement ermittelt. Anhand der gefundenen Spannungsverteilung im Messelement werden Optimierungsvorschläge erarbeitet. Die Widerstände sollten im Randbereich der rechteckigen Chip-Oberfläche, jeweils symmetrisch auf den Mittelachsen, angeordnet sein. Deshalb werden zur Steigerung des Übertragungsfaktors die überstehenden Seitenkanten mit der Wafersäge abgeschnitten.

Die Messergebnisse bestätigen die Erwartungen an die optimierte Lage der Piezowiderstände. Der Übertragungsfaktor wird um das 9,5-fache auf B = 2,5 µV / (V bar) gesteigert. Dabei sinkt der maximale Linearitätsfehler F = 1,7 % um das 4,5-fache. Auch der Hysteresefehler ist mit F = 1 % ebenfalls der niedrigste der untersuchten Hochdruck-Messelement-Varianten. Weitere Vorschläge zur Optimierung werden in der Arbeit angeführt.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Absolutdruckmessung, Analytische Berechnung piezoresistiver Drucksensor, FEM-Simulation piezoresistiver Drucksensor, Hochdruckmesselement, Kontaktierung, Schichtverbund Berechnung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 31 Aug 2011 10:21
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKD 1644

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 05-02-2007

Ende Datum: 27-08-2007

Querverweis: 17/24 EMKS 1501, 17/24 EMKS 1617, 17/24 EMKD 1410, 17/24 EMKD 1552, 17/24 EMKDIS51

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKD 1644
Gutachter / Prüfer: Meiß, Dipl.-Ing. Thorsten ; Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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