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Sensorik > 6. Beschleunigung > Flashcards

6. Beschleunigung Flashcards

1
Q

Was ist das Messprinzip von piezoelektrischen Beschleunigungssensoren?

A

Die beiden stehend montierten Platten werden bei Beschleunigungen verformt. Durch den
piezoelektrischen Effekt entstehen dadurch auf den Oberflächen Ladungen, die von einem ASIC
ausgewertet werden. Piezoelektrische Beschleunigungssensoren können nur Änderungen der Beschleunigung messen. Für viele Anwendungen, etwa die Auslösung von Airbags, ist dies jedoch
ausreichend.

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2
Q

Nenne zwei piezoelektrische Materialien

A
  • Quarz
  • Lithiumtantalat
  • Lithiumniobat
  • Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
  • Aluminiumnitrid (AlN)
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3
Q

piezoelektrische Effekt

A

Änderung der Polarisation von bestimmten nichtleitenden Kristallen bei elastischer Verformung. Durch die Änderung der Polarisation entstehen auf der Oberfläche Ladungen.
Umgekehrt verformen sich piezoelektrische Materialien, wenn eine Spannung angelegt wird.

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4
Q

Nenne Sie zwei Herstellungsverfahren von kapazitiven Beschleunigungssensoren

A
  • Bulk-Mikromechanik

- Oberflächen Mikromechanik

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5
Q

Bulk-Mikromechanik

A

Bei einer Beschleunigung in Richtung des Pfeiles, wird die seismische Masse ausgelenkt und es ändern sich die Kapazitäten C 1 und C 2 .

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6
Q

Beschreiben Sie die Oberflächen-Mikromechanik

A

Aufbau einer mikromechanische Struktur auf der Oberfläche eines Wafers:

  • Aufbringen des Oxyds (Opferschicht)
  • Strukturierung des Oxyds
  • Aufbringen der Poly-Silizium-Schicht (Thick epitaxy “epi-poly”) mit chemischer Gasphasenepitaxie
  • Strukturierung der Poly-Silizium-Schicht (Deep-Reactive Ion Etching “DRIE”)
  • Ätzen der Opferschicht: Bildung der Ankerpunkte
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7
Q

Beschreiben Sie die Wandlerkette von kapazitiven Beschleunigungssensoren

A

Mit Federn befestigte seismische Massen werden bei Beschleunigungen ausgelenkt –> Veränderung des Abstands zwischen der beweglichen und der festen Struktur –> Veränderung der Kapazität –> Änderung in der Spannung

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8
Q

Welche weitere Variante der Herstellung mit Oberflächen-Mkromechanik Sensoren gibt es?

A

Auf einer Opferschicht aus Siliziumdioxyd wird direkt
eine ca. 15 μm dicke Schicht aus Poly-Silizium aufgebracht und strukturiert. Anschließend wird die
Opferschicht geätzt. Dabei wird die Unterätzung so eingestellt, dass schmale Strukturen vom Trägerwafer getrennt werden, breitere Strukturen aber weiterhin mit dem Trägerwafer verbunden sind.

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9
Q

Gehäuse Beschleunigungssensoren

A

Es muss über der mikromechanischen Struktur einen Hohlraum bilden.
Es muss hermetisch sein, damit ein definierter Gasdruck (meist 300 - 700 hPa) für die Squeese
Film Dämpfung eingestellt werden kann und dieser über Jahre konstant bleibt.
Die mikromechanischen Strukturen müssen elektrisch mit einem ASIC und dieser mit den
äußeren Anschlüssen des Gehäuses verbunden sein.

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10
Q

Through-Silicon-Vias (TSV)

A
  • Ätzen von Löchern durch den Siliziumwafer z. B. mit DRIE
  • Aufbringen einer isolierenden Schicht auf der Lochwand und dem Boden des Lochs
  • Öffnen der isolierenden Schicht am Boden des Lochs
  • Metallisieren der Lochflanken
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11
Q

Nennen Sie verschiedene Bondverfahren

A
  • anodischen Bonden
  • Siliziumdirektbonden
  • eutektischen Bonden
  • Transient Liquid Phase Bonding
  • Glas Fritt Bonden
  • Adheesiv Bonding
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12
Q

Beschreiben Sie anodisches Bonden

A

mit Hilfe von Spannung ungefähr 400°C. Festeverbindung Glas + Silicium
Benötigt sehr saubere und ebene Oberfläche

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13
Q

Beschreiben Sie Siliziumdirektbonden

A

800 - 1100 °C feste Verbindung zweier Siliziumoberflächen

Benötigt sehr saubere und ebene Oberfläche

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14
Q

Beschreiben Sie eutektisches Bonden

A

Zwei Silizium ebenden mit hilfe von dünner Au-Schicht

363°C

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15
Q

Beschreiben Sie Transient Liqiuid Phase Bonding

A

Zwei Kupferiberflächen mit dünner SN-Schicht Verbinden

250°C

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16
Q

Beschreiben Sie Glas Fritt Bonden

A

niedrigschmelzende Glas
(400-500°C)
gut wenn unebenheiten

17
Q

Beschreiben Sie Adhesive Bonding

A

kleben

Allerdings keine hermetische Verbindung

18
Q

Welche technischen Entwicklungen sind die Grundlage für die Kostensenkung und die Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren in den letzten 10 Jahren?

A
  • Durch Weiterentwicklung des DRIE-Prozesses Struktur mit immer schmaleren Gräben
    mit steileren Flanken –> Reduktion des Platzbedarfs –> mehr Chips pro Wafer –> niedrigere Kosten
  • Optimierung der Sensorlayouts mittels thermomechanischen Simulationen –> Reduktion des Flächenbedarfs
  • Mooresche Gesetz führte dazu, dass die integrierten ASICs kleiner und billiger werden
    konnten.
  • Auch die Weiterentwicklung der Gehäusetechnologien hat zur Miniaturisierung beigetragen.
  • Evolutionäre Entwicklungen: z. B. dünnere Bonddrähte und kleine Bondpads
  • Disruptive Entwicklungen: z. B. fir Einführung von Wafer Level Packages für Sensoren
19
Q

Welche prinzipiell unterschiedlichen Möglichkeiten MEMS und IC in einem Bauteil zu integrieren werden in dem Paper genannt?

A
  • Hybrid multi-chip solutions:
    e. g. 3D stacking of IC and MEMS chips with small through-substrate via
  • SoC solutions
20
Q

Beschleunigung

A

a = dv/dt in m/s2

21
Q

Trägheitskraft

A

F = m*a

22
Q

Rückstellkraft

A

F = c*x

23
Q

Wie wird die Empfindlichkeit für Beschleunigungssensoren berechnet?

A

epsilon = x/a = m/c (große Empfindlichkeit wenn m groß und c klein)

24
Q

Was ist bei Beschleunigungssensoren bezüglich des schwingungsfähigen Masse-Feder-Systems zu beachten?

A
  • Es gibt eine Resonanzfrequenz: w0 = Wurzel(c/m)
  • Die Empfindlichkeit ist Abhängig von der Frequenz der Anregung, dies kann entweder durch Lageregelung ( Kompensation durch Rückstellkraft) oder Dämpfung ( Viskosität eines Gases im Gehäuse) kompensiert werden
25
Q

Was ist unter dem Begriff Chemische

Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) zu verstehen?

A

Prozesse, bei denen auf einem Substrat eine feste Schicht durch Zersetzen einer gasförmigen Verbindung abgeschieden wird.

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