Strömungssensor in 3D-MID-Technik

Im Masterplan sah das Forschungs- und Entwicklungsverbundprojekt mit Namen Hybrid Flow ein ehrgeiziges Ziel vor. Gemeinsam mit HSG-IMIT, der 2E Mechatronic, Micromountains Applications wurde über eine völlig neue Lösung für die Gruner AG nachgedacht. In der Folge wurde der thermische Membran-Strömungssensor des HSG-IMIT, Instituts für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., völlig umgekrempelt und für das einfache und kostengünstige Messen kleinster Differenzdrücke wie

Die jeweiligen Anschlüsse lassen sich innerhalb unterschiedlichster Anwendungen modular adaptieren. Das aber gelang nur durch die Anbindung der sensorischen Elemente des MEMS (Micro Electro Mechanical System)-Chips an die dafür geeignete Gehäuselösung. Die wiederum musste in der Lage sein, Fluidtechnik, Mechanik und Elektrik störungsfrei zu integrieren.

Für dieses Verfahren hat das Gremium beginnend mit mehreren Konzepten schließlich einen Weg verfolgt, bei dem der bisher mit feinwerktechnischen Toleranzen gefertigte Strömungskanal durch die Integration der Kanalstrukturen in den Sensorchip selbst auf das wesentlich genauere Lithographie-Niveau der Mikrotechnik gebracht wurde.

Aufbau und Verbindungstechnik

Die Verbindung an übergeordnete Systeme übernimmt ein miniaturisiertes dreidimensionales Molded Interconnect Device. Doch der eigentliche Clou wurde bereits in diesem Stadium deutlich: Der Sensor im neuentwickelten Bauelement lässt sich wie ein SMD auf vorhandenen Standard-Automaten bestücken.

Den Kernbaustein des thermischen Strömungssensors bildet eine extrem dünne Membran aus Siliziumnitrid. Mit unter 1 mm² Fläche und ca. 2 µm Dicke zeichnet sie für die thermische Entkopplung der auf ihr befindlichen Elemente verantwortlich: Ein Heizelement in der Mitte und zwei Temperatursensoren außen. Dünne Schichten aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid schützen die komplette Anordnung gegen Medieneinflüsse.

Strömen nun Flüssigkeiten, Gase oder Luft über den Sensorkopf, verändert sich die Temperaturverteilung auf der Membran. Je stärker sich das Temperaturprofil in Richtung eines der beiden Temperaturfühler verschiebt, desto größer sind die Geschwindigkeit und damit der Volumenstrom des vorbeifließenden Mediums.

Der Messbereich des Sensors kann über verschiedene Kanalquerschnitte und Einbausituationen an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Die Umrechnung des vom Sensor gemessenen Massenstromes im Volumenstrom übernimmt die an den Sensor angeschlossene Elektronik.

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Temperatursensoren kann die Strömung bei einer Temperaturüberhöhung auf der Sensormembran von nur wenigen Kelvin gemessen werden. Durch die optimale thermische Isolation der dünnen Membran reduzieren sich die Heizleistungen auf nur wenige Milliwatt. Dadurch werden kürzeste Ansprechzeiten im Bereich von Millisekunden erzielt.

Sensorentwicklung und Chipmontage

Das HSG-IMIT e.V. steht für praxisnahe Anwendungslösungen: Etwa vor 10 Jahren hat die Gruner AG den damals noch ungewöhnlichen Weg des Einsatzes der MEMS-Technologie beschritten. In Zusammenarbeit mit dem Institut entstand die damalige Generation des Luftmengenreglers für die Gebäudeklimatisierung.

Thermische Strömungssensoren sind besonders für kleinste Messgrößen in Gasen und Flüssigkeiten prädestiniert. Der Sensor besteht aus einem Heizer und zwei hochpräzisen Thermometern. All das spielt sich in lateralen Größen von 0,5 mm ab.

Die Temperatursensoren sind als Thermopiles mit einer Empfindlichkeit von 180 µV/K pro Kontakt ausgelegt und 200 nm dick auf einer Membran aus Siliziumnitrid-Siliziumoxyd aufgebracht. Die Membran und der Strömungskanal werden per Reactive Ion Etching (RIE) freigelegt. Eine weitere Schichtfolge aus Siliziumnitrid und Sliziumoxyd als Passivierung schützt die empfindlichen Sensorelemente vor elektrischen Kurzschlüssen und aggressiven Medien.

Die Sensormembran bildet eine Wand des Strömungskanals. Dabei beträgt der Strömungsquerschnitt gerade einmal 600 x 200 µm² und wird entsprechend dem erforderlichen Durchfluss angepasst. Die Strömung wird über handelsübliche Anschlüsse eingekoppelt.

Für die gewünschten geringen Durchflüsse sind sehr feine Kanäle erforderlich, die direkt im Sensorchip durch RIE-Ätzen hergestellt werden – Kleben ist viel zu grobschlächtig.

Zwei Einzelkomponenten ergeben das komplette Sensorsystem:

• der Silizium Chip mit integriertem monolithischem Strömungskanal und

• das MID Gehäuse, welches als Mittler zwischen fluidischen, elektrischen und mechanischen Anschlüssen dient.

Der Sensorchip wird zu den Ein- und Auslassöffnungen ausgerichtet in die vorgesehene Sensortasche des Gehäuses geklebt und über Bonddrähte elektrisch mit den im MID Gehäuse integrierten Leiterbahnen kontaktiert, die wie im Standard üblich mit einem Glob Top geschützt werden.

Die fluidische, mechanische und elektrische Anbindung des MEMS-Chips an übergeordnete Systeme übernimmt das auf Würfelzuckergröße gestutzte MID-Gehäuse. Das wiederum lässt sich modular an unterschiedliche Applikationen anpassen und kann parallel modular Varianten des MEMS-Chips aufnehmen und zudem noch als SMD ausgeführt werden.

Die monolithische Integration des Strömungskanals in den Sensorchip unter Ausnutzung der hohen Fertigungsgenauigkeit der Mikrotechnik und der Kleberlosen anodischen Bondverbindung des Glasdeckels auf dem Kanalgraben – einem Fügeverfahren, das mit einer Schweißverbindung vergleichbar ist – sorgt für geringste Toleranzen.

Diese Verfahren erfolgen auf Waferebene, d.h. ca. 500 Sensorchips auf einem Wafer mit 100 mm Durchmesser werden gleichzeitig prozessiert. Im Endeffekt wurde mit dieser Technologie eine minimale Abweichung der Kennlinien zueinander sowohl über mehrere Sensoren aus ein und demselben Wafer als auch an Sensoren aus mehreren Wafern (Batch) gemessen.

Diese hohe Reproduzierbarkeit wurde auch mit präzise hergestellten feinwerktechnischen Kanälen und aufwendiger Aufbau- und Verbindungstechnik – präzises Kleben der Kanäle und möglichst stufenlose Einbringung des Sensorchips in eine Kanalwand – noch nie erreicht und überrascht selbst am Institut mit den Möglichkeiten der neuen Technologie für neue Applikationen und Kostensenkung durch eine einfachere Sensorpersonalisierung.

Das 3D-MID-Gehäuse

Am Ende war das Bauteil tatsächlich kleiner als ein Stückchen Würfelzucker. Die Spezialisten von 2E Mechatronic konzipierten ein Surface-Mount-fähiges MID-Gehäuse für Sensorchips mit monolithisch integrierten Kanälen. Logischerweise ist dieses MID-Gehäuse an das Layout des Sensorchips mit integriertem Kanal angepasst. Die Ein- und Ausgänge befinden sich an den Ausgängen der sogenannten Chiptasche.

Alle elektrischen Anschlussflächen werden auf ein Standardmaß von 2,54 mm gebracht. Die Anschlüsse sind symmetrisch auf beiden Seiten des nach außen abgeschrägten Gehäuses angeordnet. Sie lassen sich einfach metallisieren und fügen sich nahtlos in konventionelle Bestückungsprozesse.

Das weitere Bondpad dient ausschließlich der Befestigungssymmetrie.

Der Chip wird einfach geklebt. Nur die Kanalöffnung und ihre Dichtung gilt es im Auge zu behalten. Wie meist, ist die Wahl des bestgeeigneten Materials für den Produkterfolg mit ausschlaggebend.

Die Polymerformulierung LCP (Liquid Crystal Polymer) Vectra E840i LDS von Ticona wurde als das Material für den Spritzguss ausgewählt. Per Laser werden Keime und Füllstoffpartikel im geplanten Leiterbahnbereich für die spätere Metallisierung freigelegt. Und die nicht vom Laser betroffenen Bereiche bleiben unberührt.

Die Schmelze entspricht einer kristallinen Flüssigkeit. Da LCP Moleküle auch in der Schmelze stark geordnet bleiben, gleiten sie unter Scherbeanspruchung problemlos aneinander entlang – Ergebnis: eine sehr niedrige Schmelzeviskosität. Dadurch lassen sich auch sehr dünne Wände füllen und feinste Merkmale reproduzieren. Sie weisen nur geringe oder keine Schwindung auf und erfordern nur sehr kurze Einfrier- oder Erstarrungszeiten. Dieses schnelle Füllen der Form und die kurzen Kühlzeiten bedeuten kürzere Zykluszeiten und eine hohe Produktivität.

Der Lasereinsatz

Der Laser von LPKF ist auf das LDS (Laserdirektstrukturieren) spezialisiert. Der richtige Lasereinsatz beginnt nach den Worten der Fachleute von 2E mechatronic bereits bei der Datenaufbereitung. So sollten kurze Füllvektoren vermieden werden. Demzufolge ist es die bessere Lösung schmale Leiterbahnen in Richtung der Leiterbahn(en) zu verfüllen, aber keinesfalls in Querrichtung. Müssen LDS-MID-Bauteile mit verschiedenen Schrägen strukturiert werden, wird aus Gründen der Prozesssicherheit bei jeder neuen Fläche der Parametersatz gewechselt.

Der Microline-3D-160-Laser mit maximal 1.000 mm/s Nachführungsgeschwindigkeit des Fokus erreicht eine maximale Verfahrgeschwindigkeit von 1.500 mm/s bei 45° Schräge. Vor jedem Einsatz sind notwendigerweise alle Parameter für einen reibungslosen Fertigungsablauf zu ermitteln – sei es durch Animation und bzw. oder Testläufe.

Heute sind längst auch optische Systeme beim Lasereinsatz Standard. Mit dieser Technik lassen sich Toleranzen ausgleichen und Fehler aufspüren, die aufgrund mechanischer Ungenauigkeiten auftreten können.

Die Metallisierung

Nach erfolgreichem Materialabtrag bildet die per Laser abgefahrene Fläche auf Grund der enthaltenen Additive eine mikroraue Oberfläche aus. Die Metallpartikel dieser Spur bilden die Keime für die nachfolgende Metallisierung. Nicht immer wird im Anschluss an das LDS-Verfahren direkt metallisiert. Die strukturierten Teile müssen zwischengelagert und bei üblichen Umweltbedingungen, wie 10 bis 20 °C und 65 % r.F. bis zum Metallisierungsprozess aufbewahrt werden. Kälte, Feuchte oder auch Kondensat gilt es zu vermeiden.

Vor der eigentlichen Metallisierung sind die Bauteile gründlich zu reinigen. Denn der durch das LDS entstandene Abtrag muss weg. Dafür gibt es neben dem Ultraschallverfahren und der Reinigung mit Wasserhochdruck auch die CO2-Schneestrahlreinigung.

Im Rahmen eines vom AiF Allianz Industrie Forschung geförderten Projektes „Untersuchungen zur Verbesserung der Kontaktierung von LDS MID durch Planarisierung“ am HSG IMAT in Stuttgart konnte der Einebnungseffekt der CO2-Schneestrahlreinigung besonders für den Werkstoff LCP eindrucksvoll dargestellt werden.

(hb)