Piezoresistives Silizium-Hochdruck-Messelement mit intrinsischer Überlastfestigkeit durch den hydrostatisch belasteten Verbund-Verformungskörper

Die Analyse des Stands der Technik von Hochdruck-Sensoren und deren Anwendungen ergibt, dass kostengünstige und überlastsichere Messelemente im Hochdruck-Bereich ab 1.000 bar fehlen. Daher wird die Entwicklung eines neuartigen, überlastfesten Messelements mit piezoresistivem Wirkprinzip zur Messung von Hochdruck bis 5.000 bar beschrieben. Es wird das neuartig erforschte mechanische Verspannungsprinzip eingesetzt. Dabei wird als Verformungskörper ein hydrostatisch belastetes Verbundelement aus Silizium und Borosilikatglas abgeleitet. Durch hydrostatische Druckbelastung verwölbt sich das neuartige Verbundelement schalenförmig, was durch integrierte piezoresistive Widerstände erfasst wird. Darüber hinaus weist dieses piezoresistive Hochdruck-Messelement eine intrinsische Überlastfestigkeit aufgrund der allseitigen Druckbelastung auf. Die Beschreibung des piezoresistiven Effekts wird im Vergleich zum Stand der Technik erweitert zur Berechnung von 3-dimensionalen Spannungszuständen. Die Berechnung des Messelements erfolgt durch dessen analytische Beschreibung auf Basis eines Energieansatzes, der mit einem Balkenansatz gekoppelt wird. Beim Vergleich vom analytischen und numerischen FEM-Ansatz mit den real ermittelten Messergebnissen, weichen diese lediglich um weniger als 1% voneinander ab. Insgesamt werden in dieser Arbeit experimentelle Ergebnisse von 11 aufgebauten Messelement-Varianten mit jeweils mehreren Messelementen im Druckbereich bis 5.000 bar diskutiert. Durch Variation der Entwurfsparameter wird deren Einfluss experimentell nachgewiesen. Die empfindlichste Variante weist eine Kavität auf der Vorderseite des Silizium-Chips zur Konzentration der mechanischen Differenzspannung auf. Mit einer Brückenausgangsspannung von etwa 255mV weisen diese Messelemente eine Messunsicherheit von lediglich ca. 0,1% auf. Die Empfindlichkeit wird durch gezielte Optimierung um etwa den Faktor 210 gesteigert

Silizium-Hochdrucksensor-Messelement

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

Aufbau und Test eines piezoresistiven Kraftmesselementes für die intrakorporale Kraftmessung

Zusammenfassung: Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und Aufbau eines mehrdimensionalen, piezoresistiven Kraftsensors zur intrakorporalen Kraftmessung. Zentraler Bestandteil der Aufgabe ist die Entwicklung eines Verformungskörperes aus Stahl und eines darauf applizierten Messelementes. Die radial auf die Spitze des Verformungskörpers wirkenden Kräfte werden durch Messung von Dehnungen detektiert. Der Verformungsbereich des Verformungskörpers ist ein einseitig eingespannter Biegebalken. Dieser wird analytisch nach der Bernoulli’schen Biegetheorie auf das Messelement abgestimmt. Für das Messelement bestehen drei Lösungsansätze: Der Kauf von Halbleiter DMS, die Entwicklung von Halbleiter DMS und das Modifizieren eines Silizium-Drucksensors. Die favorisierte Lösung für das Messelement ist die Modifikation eines Silizium-Drucksensors. Dieser wird durch ein Entfernen der gegenüberliegenden Sockel des Drucksensors für die Kraftmessung sensibel gestaltet. Analytische Betrachtungen und eine Strukturanalyse nach der Finite-Elemente-Methode dienen der Optimierung des Biegebalkens und des Messelementes. Auf Basis dieser theoretischen Vorarbeit folgt die Realisierung. Es werden zwei modifizierte Messelemente auf gegenüberliegenden Seiten des Verformungskörpers aufgeklebt. Zur Detektion der Dehnungen werden die Piezowiderstände der Messelemente zu Wheatstone Brücken mit Konstantstromspeisung verschaltet. Es werden zwei unabhängige Vollbrücken zur Messung der Kräfte für zwei Raumrichtungen aufgebaut. Die Verschaltung erfolgt nach einem entwickelten Konzept, das die unerwünschte Beeinflussung der Messung für eine Belastung in die andere Raumrichtung verringert. Die auf dem Drucksensor zu Vollbrücken verschalteten Widerstände werden durch Auftrennen der Leiterbahnen unabhängig voneinander nutzbar. Ein Entfernen der Sekundärpassivierung durch einen Trockenätzprozess ermöglicht die Kontaktierung der piezoresistiven Widerstände durch Bonden auf die Leiterbahnen. Eine abschließende messtechnische Untersuchung des Kraftsensors bestätigt den Entwurfsprozess. Die Nennlast des Kraftsensors beträgt 5 N. Der Übertragungsfaktor ergibt sich zu B0 = -152 mV/N bei einer Konstantstromspeisung der Vollbrücke mit 1mA. Die Auflösung beträgt ca. 0,02 N. Die systematischen Fehler des Kraftsensors sind mit dem Linaritätsfehler Flin = 0, 91% und mit dem Hysteresefehler FH = 2, 15% quantifiziert

High-pressure measurements at 500 MPa of the novel piezoresistive composite element show the influence of glass counter body

AbstractThis paper presents initial measurement results of the novel piezoresistive composite element at 500MPa (5 000bar or 72 500 psi). Comparative measurements with different layer thicknesses have been carried out successfully. While the expected sensitivity improvement in dependence of the thickness-ratio is confirmed, a nonlinear characteristic of glass in combination with increasing pressure to 500MPa and thicker glass is discovered and demonstrated

Effect of the thickness - ratio of the piezoresistive composite element for measuring high - pressure

AbstractThis paper presents an optimization of a recently developed piezoresistive high-pressure composite element for measuring up to 500 MPa. The analytical description of the all-round pressurized sensing element results in a best ratio of layers’ thickness. Comparable measurements with on the one hand original and on the other hand modified elements with adopted substrate thickness confirm the expected improvement of the sensitivity of 40%