3. Druckmessung Flashcards
Definition des Drucks?
Kraft pro Fläche: p = F/A
Luftdruck auf Meereshöhe?
10^5 Pa = 1000 mBar = 1000 hPa
Barometrische Höhenformel
h = -h_s + ln (p/p_0)
Dabei ist h_s=RT/Mg ca. 8km
Mit p 0 = 1013,25 hPa: Standarddruck
T: Absolute Temperatur
R = 8,314 J/(mol K): Universelle Gaskonstante
G = 9, 81 m/s²: Schwerebeschleunigung
M = 29 g/mol: Mittlere molare Masse der Atmosphärengase
Welche Arten von Drucksensoren gibt es?
Kapazitive, resistive und piezoresistive Drucksensoren.
Biegeplatten
Differenzdruck zwischen der Ober- und der Unterseite der Biegeplatte in eine Auslenkung bzw. eine Dehnung.
Nennen Sie das Messprinzip und die Wandlerkette von kapazitiven Drucksensoren.
Durch die Verformung der Biegeplatte ändert sich die Kapazität zwischen der Biegeplatte und einer
Gegenelektrode unter der Biegeplatte.
Wandlerkette: Druck wirkt auf Membran, diese dehnt sich, Änderung des Abstands ändert Kapazität, Spannung wird gemessen.
Nennen Sie das Messprinzip und die Wandlerkette von resistiven Drucksensoren.
Mechanische Spannungen in der Biegeplatte. DMS auf der Oberseite: am Rand für Druckspannungen und in der Mitte für Zugspannungen
Wandlerkette: Druck wirkt auf Biegeplatte, diese dehnt sich, auf DMS wirkt Druck-/Zugspannung, durch Wheatstonebrücke wird Spannung gemessen.
Nennen Sie das Messprinzip und die Wandlerkette von piezoresistiven Drucksensoren.
Im Randbereich der Biegeplatte sind vier Piezowiderstände: Zwei Widerstände sind in Richtung der mechanischen Spannung, zwei sind quer zur Spannung aufgebracht.
Wandlerkette: eigentlich dasgleiche wie bei resistiven Drucksensoren, nur hier statt Wheatstonebrücke, der piezoresisitive Effekt!
Nennen Sie Vor- und Nachteile von piezoresistiven Drucksensoren
\+Hohe Sensitivität \+ Kostengünstig \+ Monolithische Integration mit der Auswerteelektronik - Temp. abhänigkeit - alle kalibrieren - empf. mech Spannung
Berechnen Sie die Durchbiegung w einer quadratischen Drucksensorbiegeplatte aus Silizium mit halber Kantenlänge a = 0,25 mm, Elastizitätsmodul E = 169 GPa und der Dicke d = 10 µm für den
Differenzdruck Δp = 1 bar.
Die Biegeplatte wird in der Mitte um 0,51 µm ausgelenkt.
Beschreiben Sie die Fertigung von MEMS nach der Bulk-Mikromechanik: (Frondend-Prozess)
- n-Siliziumwafer auf gewünschte Zieldicke geschliffen
- Thermische Oxydation: auf der Ober- und der Unterseite entsteht eine Schicht aus amorphen
SiO 2: Wafer in H2O-Dampf oder O2 bei 700 °C bis 1200 °C - Schritt Lithographie: Photolack bzw. Photoresist wird aufgeschleudert (Spin-Coating).
- Photolack wird belichtet. Zwei Verfahren:
mittels Wafer-Stepper oder Mask-Aligner - Letzter Schritt der Lithographie: Lack wird entwickelt.
- In den nicht abgedeckten Bereichen kann das SiO2 geätzt werden. Mehrere Möglichkeiten: Nasschemisches Ätzen in Flusssäure, Chemisches Trockenätzen, Physikalisches Trockenätzen
- Durch eine dünne Rest-Oxydschicht werden durch Dotieren die Widerstände erzeugt. Zwei
Methoden die Dotieratome in das Silizium einzubringen: Difussion der Dotieratome bei hoher Temperatur oder mittels Ionenimplantation im elektrischen Feld - Zum Öffnen der Kontaktlöcher wird wieder ein Lack strukturiert und das Oxyd geätzt.
- Die metallischen Leiterbahnen können aufgedampft oder gesputtert werden. Strukturiert werden die Leiterbahnen durch eine weitere Photolithographie und durch Ätzen der Metallschicht.
- Rückseitenlithographie (Schritt 3-6)
- Anisotropes Ätzen des Siliziums
- Eine Alternative zum KOH Ätzen: Deep Reactive Ion Etching (DRIE): spezieller Trockenätzprozess mit alternierenden Ätz- (SF6 ) und Passivierzyklen (C4F8 ).
- Hermetisch abgeschlossenes Referenzvolumen wird durch Bonden eines Glaswafers hergestellt: Anodisches Bonden unter elektrischer Spannung, Eutektisches Bonden mit einem Si-Au Eutektikum
oder Glas Fritte Bonden mit einem Glas mit niedriger Schmelztemperatur - Wafer auf Kunststofffolie aufgeklebt und mit einem Trennschleifprozess vereinzelt
Aufgabe des Gehäuse MEMS-Drucksensoren (Backend-Prozess)
- Bereitstellung von einem bzw. zwei Anschlüssen für die Druckeinleitung.
- Übertragung des Messdrucks zum Sensorchip.
- Eventuell Schutz des Sensorchips vor aggressiven Messmedien.
- Elektrische Kontaktierung des Sensorchips und des ASICs.
- Bereitstellung geeigneter elektrischer Anschlüsse zum System (Stecker oder Lötkontakte).
Was muss beim Gehäuse von piezoresistiven Silizium Drucksensoren beachtet werden?
- Öffnung damit der zu messende Druck auch beim Sensorchip ankommt
- Chip darf durch die Montage nicht verspannt werden
Was sind die wesentlichen Unterschiede zwischen einem Gehäuse für eine integrierte Schaltung und einem Gehäuse für einen barometrischen Drucksensor?
- Beim Drucksensor ist ein Hohlraum im Gehäuse und eine Öffnung für den Druckausgleich nötig. Der IC ist komplett von einem Epoxy-Molding-Compound umhüllt
- Der Drucksensorchip muss möglichst frei von mechanischen Spannungen montiert werden.
Die Kleberschicht muss deshalb ausreichend dick und flexibel sein. Bei ICs stören mechanische Spannungen fast nicht, solange es keine Delaminationen gibt.
Welche Fertigungsprozesse
können aus der „IC-Welt“ in die „Drucksensor-Welt“ übernommen werden?
- Leiterplattensubstrat
- Kleberauftrag, Pick-and Place der Chips (nicht das Material des Klebers)
- Drahtbonden
Nennen Sie allgemeinen Anforderungen für elektronische Bauelemente:
- Einlöten ins System ohne Schaden überstehen
- ausreichend lange Temperaturwechseln, hohen Temperaturen, Feuchte und mechanischer Schockbeanspruchung
standhalten
Benötigen Sie einen Absolut- oder einen Differenzdrucksensor für folgende Anwendungen:
- Messung des atmosphärischen Luftdrucks
- Messung des Pegels in einem Klärbecken
- Messung der Verschmutzung eines Dieselpartikelfilters
- Messung des atmosphärischen Luftdrucks–> Absolutdrucksensor
- Messung des Pegels in einem Klärbecken –> Differenzdrucksensor (Differenz zum Luftdruck)
- Messung der Verschmutzung eines Dieselpartikelfilters –> Differenzdrucksensor (Differenz der Drücke vor und hinter dem Filter)
Welche Eigenschaft des Werkstoffes bestimmt die Überlastgrenze eines Drucksensors mit einer Biegeplatte aus Metall bzw. Silizium? Was passiert beim Überschreiten der Überlastgrenze in beiden Fällen?
Metall: Streckgrenze bzw. Dehngrenze bzw. Rp0,2. Nach einer Überschreitung ist eine Änderung des Offsets messbar.
Silizium: Zugfestigkeit. Beim Überschreiten bricht die Biegeplatte
Piezoresistive Drucksensoren zeigen meistens eine recht große Temperaturhysterese die vor allem durch die Montage der Chips in das Gehäuse verursacht wird. Nennen Sie zwei Möglichkeiten wie die Sensorchips so auf Leiterplattensubstratemontiert werden können, dass nur eine sehr geringe Temperaturhysterese entsteht.
- Dicke Kleberschichten (>50 μm) und sehr flexible Kleber (E < 10 MPa)
- Mittels einer Opferschicht Federn auf dem Chip oder der Leiterplatte strukturieren (siehe Skript Abbildung 31)
