Überlastfester Silizium-Hochdrucksensor

Abstract

Zusammenfassung: Inhalt dieser Arbeit ist die Simulation neuartiger piezoresistiver Hochdruckmesselemente mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die neuen Messelementtypen weisen, im Gegensatz zu den bisher bekannten piezoresistiven Messelementen, eine erhöhte Überlastfähigkeit auf. Ein Vorteil einer Variante Volumenmodell ist die kostengünstige Herstellung. Eine zweite Variante, das Schichtmodell, weist einen Aufbau auf, wie er von Druckmesselementen bekannt ist, sodass die Produktreihen von Sensorherstellern mit Hochdruckmesselementen der selben Technologie erweitert werden können. Der Messeffekt beruht auf der elastischen Verformung von Körpern unter Druckbelastung. Durch Verbinden unterschiedlicher Materialien entstehen beim Volumenkörpermodell unter Druckbelastung mechanische Spannungen, die aufgrund des piezoresistiven Effekts zu einer Änderung des elektrischen Widerstands der eindotierten Widerstandsgebiete auf der Oberfläche des Silizium-Chips führen. Die Widerstandsänderung ist proportional zum Belastungsdruck. Ein weiterer untersuchter Typ ist ein bekannter Messelementaufbau mit Biegeplatte, das Schichtmodell. Die Überlastfestigkeit wird durch allseitige hydrostatische Druckbelastung auch auf der inneren Seite der Biegeplatte gewährleistet. Mechanische Spannungen, die eine Widerstandsänderung bewirken, entstehen aufgrund unterschiedlicher elastischer Konstanten des Siliziums und der Passivierungsschichten an der Plattenoberseite. Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung des statischen Übertragungsverhaltens beider Messelementtypen. Hierzu werden die analytischen Grundlagen zur Beschreibung der mechanischen Spannungszustände ermittelt. Nach dem Festlegen der Randbedingungen für die Simulation werden für variierende geometrischen Abmessungen und Trägermaterialien FEM-Simulationen durchgeführt. Die hergeleiteten analytischen Beziehungen dienen dabei zur Erklärung der FEM-Simulationsergebnisse. Es werden Zusammenhänge zwischen den variierten Größen und den mechanischen Spannungen, dem Übertragungsfaktor und dem Linearitätsfehler abgeleitet. Für spezielle Messelemente werden quantitative Ergebnisse verglichen. Es zeigt sich, dass das Volumenmodell mit max. 0.2% einen kleineren Linearitätsfehler aufweist als das Schichtmodell. Der Übertragungsfaktor des Schichtmodells ist mit 0.1mV/bar etwa fünfmal so hoch wie der des Volumenkörpermodells. Beide Messelementtypen weisen einen Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung von größer 0.1 mV/°C auf. Der Druckmessbereich ist nur für bestimmte Volumenkörpermesselemente nicht eingeschränkt. Der Übertragungsfaktor für diese Elemente beträgt 0.04mV/bar. Die meisten Vorteile bietet das Volumenkörpermodell, da es geringe Linearitätsfehler aufweist und aufgrund des einfachen Aufbaus kostengünstig zu fertigen ist. Für unterschiedliche Druckbereiche werden passende Vorzugsvarianten vorgestellt. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse. Hieraus werden Designvorschläge für Messelemententwürfe abgleitet