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Realisierung eines piezo-resistiven Niederdruck-Sensors in der SOI-Technologie zum Einsatz in Hochtemperatur- und aggressiver Umgebung
Mukhopadhyay, Biswajit
Es besteht seitens der Automobil- und Kunststoffindustrie seit geraumer Zeit ein großer Bedarf an hochtemperaturtauglichen Drucksensorsystemen, welche z.B. im Motoreinlass und –auslass sowie RIM (Reaction Injection Moulding) eingesetzt werden können. Solche Hochtemperaturdrucksensoren können z.B. helfen, die Schadstoffemission und den Verbrauch von Verbrennungsmotoren zu reduzieren.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein piezoresistiver Hochtemperatursensor für den Einsatz in aggressiven Umgebungen entwickelt und in der Funktionsweise untersucht. Der Sensor verfügt über eine robuste Stahlmembran, welche im Zentrum einen sogenannten „Center-Boss“ besitzt. Die Stahlmembran fungiert als Druck-Weg-Umformer. Der Center-Boss der Stahlmembran drückt auf den im piezoresistiven Sensorchip integrierten Silizium-Center-Boss und lenkt diesen proportional zur Druckbelastung aus. Der eigentliche Sensorchip dient dann als Weg-Sensor. Die Kopplung zwischen Stahl-membran und Sensorchip erfolgt also nicht wie bei “Standard-Sensoren“ über eine Flüssigkeit (wie z.B. Silikonöl) sondern mittels eines direkten mechanischen Kontakts. Da der Silizium-Center-Boss auf der Chip-Rückseite angeordnet ist, werden die Chip-Pads nicht mittels Drahtbondtechnik mit den elektrischen Durchführungen verbunden, sondern mittels Flip-Chip-Technik. Die Druckbereichseinstellung geschieht bei diesem Biegebalken-Drucksensor ausschließlich über die Variation der Dicke der Stahlmembran. Dieses Prinzip hat den Vorteil, dass unabhängig vom Druckbereich immer der gleiche Chip verwendet werden kann. Die Dicke der Stahlmembran wird so gewählt, dass für jeden Druckbereich immer eine Auslenkung von 12 μm erzielt wird, wenn der spezifizierte Maximaldruck anliegt. Der piezoresistive Chip wird in SOI (Silicon On Insulator)-Technologie gefertigt, um den Einsatz bei hohen Temperaturen zu gewährleisten. Die SOI-Technologie hat den entscheidenden Vorteil, dass die Piezowiderstände nicht über einen p-n-Übergang vom Substrat isoliert sind, sondern dielektrisch über eine vergrabene Oxidschicht. In Verbindung mit einem hochtemperaturstabilen Metallisierungssystem mit Gold-Endschicht werden so Einsatztemperaturen von 300 °C und höher erzielt. Der Chip verfügt über vier Piezowiderstände, welche jeweils paarweise longitudinal und transversal angeordnet sind und sowohl bei Vorspannung als auch Druckbelastung gestaucht werden. Die vier Piezowiderstände werden über die Leiterbahnen in einer offenen Vollbrücke verschaltet. Ein Optimum für die spezifizierten Anforderungen erhält man für einen Center-Boss von 1 mm × 1 mm Fläche und eine Balkendicke von 25 μm. Der Biegebalken hat für die spezifizierten Anforderungen eine akzeptable Eigenfrequenz von ca. 20 kHz. Das hochtemperaturstabile Metallisierungssystem besteht aus einer gesputterten Ti/TiWN-Schicht. Nach einem speziellen Temperprozess (RTA = Rapid Thermal Annealing) und Entfernen der verunreinigten Deckschicht wird eine Schicht TiWN sowie Gold gesputtert, gefolgt von einer galvanischen Gold-Verstärkung. Diese galvanische Gold-Verstärkung ist für eine stabile Flip-Chip-Kontaktierung notwendig. Die Titan-Silicid-Bildung (Dicke von TiSi2 ca. 100 nm) ist ein anspruchsvoller Prozess, welcher sehr sorgfältig ausgeführt werden muss, um stabile ohmsche Kontakte zu garantieren. Die realisierten Sensorchips haben eine besonders hohe Weg-Empfindlichkeit von ca. 18 mV/μm bei einem Brückenstrom von 1 mA. Die Sensoren verfügen somit über eine Spanne von über 200 mV und einen geringen Offset von < 10 mV. Dies bedeutet zum einen, dass der Brücken-Offset sehr gering ist und zum anderen, dass der bei hohen Temperaturen durchgeführte Thermokompressionsbond keine nennenswerten thermisch-induzierten Spannungen im Chip erzeugt. Damit sind die thermischen Ausdehnungen von elektrischer Durchführung und Chip gut aneinander angepasst, und /oder die Entkopplung über die spezielle Chipstrukturierung ist ausreichend. Dies wird auch anhand des geringen TKO’s belegt (TKO=Temperaturkoeffizient des Offsets). Der TKO beträgt ca. 7 mV/100K was einem Wert von ca. 3 %FSO/100K (vergleichbar mit Standarddrucksensoren) entspricht. Der Bruchweg für den entwickelten Chip beträgt ca. 50 μm, wobei aufgrund des statistischen Charakters dieser Eigenschaft auch deutlich höhere Werte (> 100 μm) gemessen wurden. Der Linearitätsfehler beträgt im Arbeitsbereich ca. –1 %FSO und der TKE ist wie gefordert positiv (+6 %/100K).
Der Sensor vereint erstmalig integrativ Hochtemperaturfestigkeit, hohe Empfindlichkeit im Niederdruckbereich und die Stabilität gegenüber aggressiven Medien. Das Konzept der mechanischen Kopplung zwischen dem Sensorchip und der druckaufnehmenden Stahlmembran ermöglicht den Verzicht auf eine Ölfüllung zur Druckübertragung und reduziert die Sensorgröße in Kombination mit dem Einsatz der Flip Chip Technologie erheblich. Der Einsatz eines Biegebalkenkonzeptes ermöglicht aufgrund seiner niedrigeren Steifigkeit einen deutlich größeren Bruchweg im Vergleich zum Membrankonzept. Die bei hohen Temperaturen auftretenden und durch die Glasdurchführung induzierten thermischen Spannungen werden durch die Integration von Langlöchern im Sensorchip reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Langlöcher zu einer weitgehenden Entkopplung zwischen Einspannbereich und Piezowiderstandsbereich führen. Da die mechanische Ankopplung des Sensorchips an die Stahlmembran über die Chip-Rückseite stattfindet, wird die Gefahr einer Beschädigung der Leiterbahnen und der Sensorpassivierung ausgeschlossen. Der in dieser Arbeit entwickelte Drucksensor wurde ausführlich in verschiedenen Hochtemperatur- und aggressiven Umgebungen, wie im Motoreinlass und –auslass sowie RIM (Reactive Injection Molding) eingesetzt. Alle Anforderungen an einen Niederdrucksensor für die Gaswechselanalyse wurden erfüllt. Die Ergebnisse haben hohe Praxisrelevanz und demonstrieren die exzellente Eignung des entwickelten Sensors für einen Einsatz in extrem rauen Umgebungen. Der Sensor und die für seine Herstellung entwickelten Prozesse erfüllen die besonderen Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit für eine Massenproduktion und den Serieneinsatz.
Since quite some time there has been a large demand for high temperature suitable pressure sensor systems (e.g. for engine intake and exhaust measurements, Reactive Injection Molding [RIM]). Such measurements serve for reducing CO2 and other pollutant emissions.
The purpose of this work was to develop a piezoresistive high temperature sensor for harsh environment and to investigate its functioning. The sensor’s interface to the outside is a robust steel membrane with a centrally located “Centre Boss” working as pressure-displacement transducer. The Centre Boss of the steel membrane conveys its movement proportionally to the pressure on the Silicon Centre Boss integrated on the backside of the sensor chip working as a displacement sensor. The direct mechanical back coupling of the pressure transducing steel membrane renders an oil filling unlike as in standard configurations unnecessary, reduces considerably the sensor size in combination with the thus possible flip chip technology, and avoids damaging the sensor chip’s leads and passivation. The pressure range adjustment is solely set up by the designing of the steel membrane. An identically constructed Si sensor chip may be employed independently from the pressure range. The steel membrane is thus specified that for every pressure range a displacement of 12 µm is obtained at maximum pressure. For high temperature operation the piezo-resistive chip is manufactured in Silicon On Insulator technology. In doing so the higher temperature resistance, compared to a p-n junction, of the buried oxide layer is used for the insulation to the substrate. Combined with a high temperature stable gold-based metallisation temperatures of 300°C and more are attain. The chip has four piezoresistors, which are each arranged pairwise longitudinally and transversally and interconnected in an open full bridge and are compressed at bias as at well as at compression load. With regard to the requirements a Centre Boss area of 1 mm 1 mm and a bending beam thickness of 25 µm with an acceptable eigenfrequency of 20 kHz proved optimal. The high temperature stable metallisation is composed of a sputtered Ti/TiWN layer that is reinforced with ED gold for flip chip Flip-chip bonding after tempering (100 nm TiSi2 in Rapid Thermal Annealing), removing the contaminated top layer, and re-sputtering of TiWN/Au. The sensor chips show an outstanding displacement sensitivity of ca. 18 mV/m at a bridge current of 1 mA. The realised range in excess of 200 mV at a low offset of < 10 mV point out a very low bridge offset, as well as no important stresses due to thermo compression bonding, a good adaptation of the thermal expansion of the feed-through and the chip, resp. a sufficient decoupling of the measuring structures. A further evidence therefor is the low temperature coefficient of the offset (TKO) of ca. 7 mV/100K, resp. a value of ca. 3 %FSO/100K? (comparable to standard pressure sensors). The lower limit of the strongly spreading failure displacement of the developed chips amounts to ca. 50 µm. The linearity error in the working range is ca. –1 %FSO? und the TKE is as required positive (+6 %/100K).
For the first time a sensor combines integratively high temperature stability, high sensitivity in the low pressure range, and stability to chemically aggressive media. The low stiffness of the bending beam, compared to a membrane, allows for a notably larger failure displacement. The integration of oblong holes into the sensor chip combined with an adequate geometry that decouples the clamping from piezoresistive area reduces the effective thermal stresses. The developed pressure sensor has frequently been utilised in different high temperature applications (engine intake and exhaust and RIM). All requirements concerning a low pressure sensor for the gas-exchange analysis have been met. The highly practice related results show the excellent suitability of the developed sensor for the intended applications. The sensor and the process developed for its manufacturing meet the specific requirements of mass production regarding reliability and cost effectiveness for industrial-scale use.
