Mikromechanische Druckmesszellen auf Siliziumbasis (MEMS; Bild 1) haben längst die mechanischen Messaufnehmer mit elastischen Membranen verdrängt und sich etwa in der Belüftungstechnik (HVAC) sowie in der Medizintechnik millionenfach bewährt. Da die Fertigung von Druckmesszellen auf Siliziumbasis mit den Methoden der Halbleiterindustrie und teilweise auf Produktionslinien der Chipindustrie erfolgt, genügen sie in Bezug auf Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit den hohen Ansprüchen, durch die sich integrierte Schaltungen (IC) auszeichnen. Die Hersteller produzieren sie in Batch-Prozessen auf Siliziumscheiben (Wafer; Bild 2), wobei sich auf einem Wafer mehrere tausend Messzellen (Dies) befinden können. Ein letzter Prozessschritt vereinzelt die Messzellen, die das zentrale Element eines Drucksensors bilden.

Eckdaten

Obwohl die Branche jährlich Millionen von Druckmesszellen produziert, stellt die Niederdruckmesszelle mit Siliziummembran unterhalb von 20 mbar unter produktionstechnischen Aspekten und bei Berücksichtigung der Herstellungskosten immer noch eine technologische Herausforderung dar. Entweder sind die Messzellen zu groß oder die Sensoren zu ungenau. Nur wenige Hersteller haben sich in der Vergangenheit dieses Themas angenommen. Technologien wie DRIE, Rückseitenstrukturierung und Fusion-Bonding erlauben es mittlerweile, hochgenaue und dabei preiswerte MEMS-Sensoren im Niederdruckbereich bis zu etwa 100 Pa herzustellen.

Alle mikromechanischen Silizium-Druckmesszellen (Bild 1 und 3) haben als druckempfindliches Element eine dünne Membran, die bei klassischen Messzellen anisotrop in einer KOH-Lösung aus dem Siliziumkörper ausgeätzt wird. Verschiedene Integrationstechnologien bauen an geeigneten Stellen auf der Oberfläche der Messzellen Fremdatome in den Siliziumkristall, sodass Zonen mit geänderter Leitfähigkeit entstehen. Sobald ein Über-/Unterdruck auf die Membran einwirkt, verändert sich mit der Durchbiegung der dünnen Siliziummembran die molekulare Struktur des Siliziumkristalls. Insbesondere in den mechanisch stark belasteten Randgebieten der Membran, wo die Widerstände angebracht sind, finden starke lokale Potenzialverschiebungen statt, die zu einer messbaren Änderung der Widerstandswerte führen (Piezoeffekt).

Eine klassische Silizium-Druckmesszelle (Bild 3) besteht aus einem Siliziumdie (blau), in das von unten eine Vertiefung (Cavity) eingeätzt ist. In den meisten Fällen wird dieses Teil elektrochemisch auf einen Glassockel (weiß) montiert (gebondet), in dem sich im Falle von Differenz- oder Relativdruckmesszellen eine Bohrung befindet.

Die meisten klassischen Differenzdrucksensoren auf Siliziumbasis liegen im Druckbereich von 100 mbar bis etwa 10 bar. Dies hat seinen Grund in der Tatsache, dass im Hochdruckbereich > 10 bar erhebliche Probleme in der Aufbau- und Verbindungstechnik auftreten. Im Niederdruckbereich < 100 mbar wirken sich Nichtlinearitäten, Offset- und Stabilitätsprobleme umso stärker auf das Ausgangssignal aus, je niedriger der zu messende Druck ist. Von Niederdrucksensoren spricht man bei piezoresistiven Messzellen für Maximaldrücke im Bereich von > 1 bis < 100 mbar.

Obwohl Silizium für die Mikrostrukturierung der MEMS ein nahezu ideales Material ist, gibt es dennoch Schwachpunkte, die sich in dem Verhalten der Sensoren äußern. Dazu gehören neben der Temperaturabhängigkeit der Widerstände und der kostengetriebenen Flächenreduktion auch stochastische Ungenauigkeiten des Piezoeffektes und die Querempfindlichkeit der mikromechanischen Konstruktion durch induzierte mechanische Spannungen.

Ansatzpunkte zur Optimierung der Siliziummesszellen insbesondere für niedrige Drücke waren und sind auch heute noch die Eigenschaften, Struktur und Anordnung der Widerstände, das dynamische Verhalten der Membran, der thermische Einfluss auf die PN-Übergänge sowie eine möglichst spannungsfreie Aufbau- und Verbindungstechnik.

Widerstände optimal anordnen

piezoresistive Absolutdruckmesszelle

Bild 1: Einzelne ausgesägte, piezoresistive Absolutdruckmesszelle für Drücke < 30 bar montiert auf einem Glassockel. Amsys

Neben Position, Dotierung und Form der integrierten Widerstände gehen die verwendete Technologie und die Produktionsmethodik stark in die Wirkung des Piezoeffektes ein. Hier versuchen die Hersteller durch rechnergestützte Methoden die optimale Konstellation der Parameter herauszufinden und diese in der Produktion der Messzellen umzusetzen. Ziel sind möglichst gleichartige, lineare und vor allem stabile Widerstände mit optimalem Temperatur- und Druckgleichlauf. Druck- und Temperaturhysterese sowie die Wiederholbarkeit sind stochastische Größen, die Hersteller für eine bestmögliche Genauigkeit reduzieren müssen, da sie sich auch durch eine spätere aufwendige Kalibration nicht mehr korrigieren lassen. Ob der Sensor im Betrieb mit konstanter Spannung oder konstantem Strom betrieben wird, geht ebenfalls in die Konstruktion der Widerstände ein, da dies Konsequenzen für den Temperaturabgleich der aufgebauten Sensoren hat.

Durch die Beschaltung der vier integrierten Widerstände zu einer Wheatstone’schen Brückenschaltung kompensieren sich Produktionsabweichungen und Änderungen, die alle Einzelwiderstände betreffen. Die Brückenschaltung hat jedoch zur Folge, dass am Messzellenausgang ein differenzielles Signal im Millivolt-Bereich entsteht, dessen Amplitude durch einen Instrumentenverstärker erhöht und in der anschließenden Elektronik bearbeitet werden muss.

Der Trockenätzprozess DRIE

Je niedriger der wirkende Druck ist, umso empfindlicher muss der Sensor sein. Dies bedeutet für die piezoresistive Druckmesszelle entweder eine dünnere oder eine größere Membran. Je dünner die Membran jedoch ist, umso nichtlinearer ist ihre Übertragungskennlinie und umso empfindlicher ist die Messzelle gegen Überdruck.

Eine größere Membranfläche zur Sensitivitätssteigerung bringt neben dem Anwachsen der Nichtlinearitäten jedoch auch eine größere Chipfläche mit sich und verteuert damit den Sensor. Messzellen mit der klassischen Membranstruktur (Cavity mit schrägen Seitenwänden, Bild 3 und 4b) sind daher unter dem Aspekt technisch akzeptabler Parameter und kommerzieller Randbedingungen derzeit nur für Drücke bis 100 mbar sinnvoll zu realisieren.

Bild 2: Ansicht eines Wafers mit Druckmesszellen und Testmuster.

Bild 2: Ansicht eines Wafers mit Druckmesszellen und Testmuster. Amsys

Eine technologische Lösung für niedrigere Drücke stellt der Trockenätzprozess (Bosch-Prozess) dar. Hierbei entsteht die Membran durch reaktives Ionentiefenätzen (DRIE). Dieser Prozess vermeidet den Flächenverlust durch die schrägen Cavitywände im Nassätzprozess (Bild 4c).

Bild 3: Querschnitt einer klassischen Differenzdruckmesszelle für einen Druckbereich ab 5 mbar.

Bild 3: Querschnitt einer klassischen Differenzdruckmesszelle für einen Druckbereich ab 5 mbar. Amsys

Dieser Prozess kombiniert isotropes Ätzen (Bild 5, Schritte 3 und 6) und anisotropes (richtungsunabhängiges) Ionenätzen (Bild 5, Schritt 5) und ermöglicht so, Gräben oder zur Siliziumoberfläche senkrechte Kammern in das Silizium zu ätzen. Im Herstellungsprozess wiederholen sich beide Prozesse am maskierten Wafer mehrfach, wobei zwischenzeitlich immer eine Passivierung mit einem Polymer erfolgen muss (Bild 5, Schritt 4). Die Schritte 4 bis 6 werden solange durchgeführt bis die gewünschte Tiefe der Cavity erreicht ist. Ein letzter Prozess (Stripping) glättet die Wände und entfernt die Passivierungsschicht und den Fotolack (Bild 5, Schritt 8).

Biegesteifes Zentrum erhöht Sensitivität

Bild 4: Ätztechnologien in der MEMS-Herstellung – Querschnitt durch den Die vor und nach dem Ätzen

Bild 4: Ätztechnologien in der MEMS-Herstellung – Querschnitt durch den Die vor und nach dem Ätzen. Amsys

Zur weiteren Optimierung der Niederdruckmesszellen ist neben dem DRIE-Verfahren die Erhöhung der Sensitivität notwendig. Dies realisieren Hersteller mit einer neuen Mikrostrukturierung der Messzelle. Durch eine zusätzliche Maskierung und Ätzung am Ende des Herstellungsprozesses gelingt es, die Membran auf der Rückseite reliefartig zu strukturieren (Abbildung 6) und im Zentrum flächig zu verstärken. Die Membranrückseite erhält hierdurch eine symmetrische Flächenverdickung. Die lateralen Abmessungen, die Dicke und die Ebenheit dieser Verdickung sind aber kritische Größen, die aufwendig kontrolliert und optimiert werden müssen. Durch dieses biegesteife Zentrum lässt sich bei Druckbeaufschlagung eine stärkere Membrandurchbiegung in den Randbereichen erreichen. Sobald die Positionen der Piezowiderstände an die veränderten Strukturen angepasst sind, erhält der Sensor mit der verstärkten Membran ein Maximum an Sensitivität.

So strukturierte Niederdruckmesszellen erreichen mit einer Versorgung von 5 V eine Ausgangsspannung von ~30 mV und zwischen -25 °C und 85 °C eine Linearität von 0,2 % FSO. Gängige Verstärkerschaltungen können diese gut bearbeiten. Andere kompliziertere Membranstrukturen mit biegesteifem Zentrum sind ebenfalls möglich und einige Hersteller erproben diese bereits.

Fusion Bonding verbessert das thermische Verhalten

Bild 5: Prinzip des Trockenätzens: Die-Querschnitt während des Ätzprozesses.

Bild 5: Prinzip des Trockenätzens: Die-Querschnitt während des Ätzprozesses. Amsys

Um die thermischen Einflüsse zu verringern, dürfen die integrierten Widerstände im Membranbereich nicht durch metallische Zuführungen zu den Bondpads führen, sondern müssen durch integrierte hochdotierte Zonen mit den Anschlüssen verbunden sein (Bild 7).

Zur thermischen Entkopplung der Messzelle vom Substrat, auf dem der Die aufgebracht wird, bondet ein weiterer Fertigungsprozess die Siliziummesszellen anodisch (elektrochemisch) auf einen Glassockel und bilden nach dem Prozess eine hermetisch dichte Verbindung. Als Glassockel und thermischen Puffer greifen Hersteller oftmals auf Borsilikatglas (Pyrex) zurück, das einen vergleichbar geringen Temperaturkoeffizienten wie Silizium besitzt. Da aber die Materialbeschaffenheit (Silizium = Einkristall, Glas = amorph) nicht identisch ist, kommt es bei Temperaturänderungen dennoch zu mechanischen Spannungen, die eine Änderung der Widerstände und damit einen Fehler im gemessen Druck bewirken. Daher müssen Entwickler bei klassischen Siliziummesszellen immer mit einer Temperaturhysterese und mit einem Temperaturkoeffizienten des Offsets (TCO) rechnen, der auch den größten Anteil am Gesamtfehler der Messzelle darstellt.

Eine bessere Anpassung des Temperaturverhaltens ist mit dem sogenannten Fusion-Bonding möglich. Dieses Verfahren bringt die Siliziummesszelle direkt auf einen Siliziumsockel auf, allerdings ist es komplizierter und produktionstechnisch aufwendiger, zeigt jedoch neben dem verbesserten Temperaturverhalten auch eine geringere Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Verspannungen.

Bild 6: Schematischer Querschnitt und beispielhafte Abmessungen einer trockengeätzten Niederdruckmesszelle mit biegesteifem Zentrum.

Bild 6: Schematischer Querschnitt und beispielhafte Abmessungen einer trockengeätzten Niederdruckmesszelle mit biegesteifem Zentrum. Amsys

Wegen der Offsetverschiebung ist es notwendig, beim Einsatz von Niederdruckmesszellen in Drucksensoren dennoch abhängig von der geforderten Genauigkeit eine Kalibration und zusätzlich wegen des TCO (Temperaturkoeffizient des Offsets) und des TCS (Temperaturkoeffizient der Steigung) eine Temperaturkompensation durchzuführen. Dies geschieht bei Sensorherstellern wie Analog Microelectronics üblicherweise über die im Gehäuse der Drucksensoren AMS 5915 integrierten digitalen Signal-Prozessoren (DSP). Dort lassen sich auch kundenspezifische Anpassungen während des Kalibrierungsprozesses vornehmen.

Vorteile der beschriebenen Technologien

  • Durch das Trockenätzverfahren ergibt sich eine größere Genauigkeit und Stabilität bei einem besseren Überdruckverhalten, was zu einer Flächenreduktion und damit zu einer Kostenminimierung führt.
  • Die Rückseitenstrukturierung der Messzelle in Form des biegesteifen Massezentrums bewirkt eine größere Sensitivität und ermöglicht es damit niedrigere Drücke zu messen.
  • Der Aufbau mittels Fusion-Bonding reduziert die Druck- und Temperaturhysterese sowie den aufbaubedingten Temperaturkoeffizienten des Offsets und macht die Druckmesszelle weniger empfindlich gegen mechanische Verspannungen.

Mit der DRIE-Technologie, der Membranstrukturierung zur Sensitivitätssteigerung und dem Fusion-Bonding gemeinsam gelangt man damit zu einer neuen Generation von piezoresistiven Druckaufnehmern.

Beispiel SOIC-Sensor SM9333

Amsys führt die digitalen SOIC-Drucksensoren im Portfolio, die speziell für die Verwendung im Niederdruckbereich ausgelegt sind. Unter ihnen ist der SM9333 von Silicon Microstructures, ein bidirektionaler Niederdruck-Differenzdrucksensor für den Bereich ± 125 Pa (± 1,25 mbar). Das Halbleiterunternehmen fertigte den Sensor mit der neuen Membrantechnologie, was zu reduzierten Abmessungen und hohen Spezifikationen führte. Mit einer ADC-Auflösung von 16 bit und einer Gesamtgenauigkeit von typ. ±0,5 % FS im gesamten Kalibrationstemperaturbereich (-25 bis 85 °C) eignet sich der SM9333 insbesondere für den Industrieeinsatz.

Bild 7: Aufsicht auf Niederdruckmesszelle mit biegesteifem Massezentrum und Bonddrahtverbindungen zur elektrischen Kontaktierung.

Bild 7: Aufsicht auf Niederdruckmesszelle mit biegesteifem Massezentrum und Bonddrahtverbindungen zur elektrischen Kontaktierung. Amsys

Der Hersteller linearisiert, kalibriert und temperaturkompensiert die Sensoren während der Herstellung individuell und es ist keine zusätzliche Schaltung nötig wie etwa ein Kompensationsnetzwerk. Am Ausgang stehen zwei digitale Signale im I²C-Format zur Verfügung, wobei das eine proportional zur differenziellen Druckänderung ist, während das andere die herrschende Temperatur angibt.

Bild 8: SM9333 – Miniaturisierter Niederdrucksensor mit Messzelle der neusten Generation.

Bild 8: SM9333 – Miniaturisierter Niederdrucksensor mit Messzelle der neusten Generation. Amsys

Alle Drucksensoren der SOIC-Familie bestehen aus einer trockengeätzten Druckmesszelle und einem komplexen ASIC in einem Gehäuse (Bild 8) und sind für verschiedene Druckarten mit digitalem und analogem Ausgang verfügbar. Die Druckbereiche reichen dabei von ±125 Pa bis zu 2 bar. Das Gehäuse der Niederdrucksensoren entspricht dem normalen SOIC16(w)-Gehäuse zur automatisierten SMD-Montage, wie es von integrierten Schaltungen bekannt ist.