Sensor 11

Werkstoffe und Sensorik
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11. Mechanosensoren
Mechanische Beanspruchung e führt bei einer Reihe von
Halbleitern zu besonders hohen Änderungen des elektrischen Widerstandes
DR
= Ke
R
(11.1)
Für Metalle liegt der Proportionalitätsfaktor K sehr
niedrig. Für Silizium ist er dagegen sehr groß. Für n-Si
gelten negative Werte von 100 bis 120 und für p-Si
positive Werte bis zu etwa 250.
Abb. 11.2. Der K-Faktor für die relative Widerstandsänderung
ist durch die Dotierung technologisch beeinflußbar. Die Temperaturabhängigkeit wird dabei ebenfalls verändert.
Abb. 11.1. - 11.3.: Druckabhängige Eigenschaften von
Halbleitern
Abb. 11.3. Bei Poly-Silizium liegen die K-Faktoren erheblich
unter denen des einkristallinen Si. Mit Hilfe der Ionenimplantation wird die gewünschte Größe eingestellt.
Bei amorphen und polykristallinen Schichten sind die
Korngröße und die Temperatur ebenfalls von Bedeutung.
Wegen der Umsetzung von Kraft und Druck in eine
Dehnung des Halbleiters werden diese Sensoren auch als
Dehnungsmeßstreifen (DMS) bezeichnet.
11.1. Durch eine Druckspannung T u wird die Energiever-teilung
im Kristallgitter verändert (gestrichelte Kurve). Die
Leitbandkante in x-Richtung wird nach unten, in den anderen
Abb. 11.4. - 11.8. Konstruktionsmöglichkeiten für Halbleiterdrucksensoren:
Rictungen nach oben verschoben. Dadurch ändert sich die
Besetzungsverteilung. In deren Folge wird der ohmsche Widerstand vergrößert oder verkleinert. Damit ist die durch Druck
bewirkte Veränderung des ohmschen Widerstandes von der
Lage relativ zum Kristallgitter abhängig. Hinzu kommt die
Abhängigkeit von der Lage auf einer druckabhängigen
Membran, da diese durch die Einspannung eine örtliche
Verteilung von Druck und Zug aufweist. Werden die querliegenden Widerstände am Membranrand ab etwa x > 0,8 b bzw. x
< 0,2 b angeordnet, so ist die Widerstandänderung DR negativ.
Die längs des Membranrandes liegenden Widerstände haben
dort eine positive Widerstandsänderung bei Druck. Werden die
Widerstände in der Membranmitte angeordnet, dreht sich die
Widerstandsänderung um.
Abb. 11.4. In selektiv abgedünntes Silizium wird ein p- oder nleitendes Gebiet eingebracht (Diffusion, Implantation). Das
dünne Si ist eine Druckmembran, über die der Widerstand in
seinem Wert geändert wird.
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Abb. 11.9. - 11.12.: Mikroelektronisch hergestellte
Halbleiterdehnungsmeßstreifen.
Abb. 11.5. Geeignet behandeltes Poly-Silizium auf isolierender
Unterlage kann für einen druckabhängigen Widerstand eingesetzt sein. Leitende Unterlagen müssen mit einer Isolationsschicht versehen sein. Der K-Faktor ist eine Zehnerpotenz
geringer als bei einkristallinem Silizium. Das Poly-Si wird
hauptsächlich in seinen elektrischen Eigenschaften durch Rekristallation, Temperung und Implantationen eingestellt.
Abb. 11.9. 4 diffundierte Widerstände in der abgedünnten
Siliziummembran sind als Vollbrücke geschaltet. Sie müssen
auf der Membran so angeordnet sein, daß jeweils R1 und R 4
sowie R2 und R3 eine gleiche Widerstandsänderung bei Druckänderung erfahren, z. B. R1 + D R, R 4 + D R, R 2 - DR, R 3 - DR.
Abb. 11.6. Aufbau als Absolutdrucksensor bezogen auf
Vakuum. Dabei wird das Silizium mit dem druckabhängigen
Widerstand in der abgedünnten Membran vakuumdicht auf eine
Unterlage aufgebracht.
Abb. 11.10. Eingespannter Biegebalken mit aufgeklebtem
DMS. Die Widerstandsänderung ist
DR
=K
R0
x1 + x2 ˆ
2 ¯
.
3
2l
3 dd Ê l Ë
Die Dehnung e wirkt an der Oberfläche des Biegebalkens. Ist
Abb. 11.7. Aufbau als Relativdrucksensor durch Vergleich mit
Atmosphärendruck.
noch ein Halbleitersubstrat zwischen durckabhängigen Widerständen und Oberfläche des Biegebalkens vorhanden, so wird e
entsprechend verringert.
Abb. 11.8. Aufbau als Differenzdrucksensor, indem die
Druckdifferenz auf den druckabhängigen Widerstand in der Si-
Abb. 11.11. Prinzipielle Zug- und Druckverteilung bei Wirken
Membran wirkt.
einer Kraft F auf die Frontseite der dargestellten Membran.
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Abb. 11.13. - 11.15.: Integration von Halbleiterdehnungsmeßstreifen und Auswerteschaltung.
Abb. 11.12. Anordnung der druckabhängigen Widerstände auf
ei Biegeplatte bzw. Membran. Ausgangsmaterial ist eine n-SiScheibe, (121)-orientiert. Längswiderstände liegen in [111]Richtung, Querwiderstände in [101]-Richtung. Dadurch haben
die Widerstandsänderungen bei Druckbelastung eine entgegengesetztes Vorzeichen und führen in einer Brückenschaltung zu
sich addierenden Wirkungen.
Abb. 11.13. Drucksensor aus 4 diffundierten Widerständen in
einer Siliziummembran und Signalverarbeitungselektronik im
gleichen Silizium
Abb. 11.14. Schaltung, Querschnitt und Draufsicht eines integrierten Drucksensors aus Dehnungsmeßstreifen und Interfaceelektronik. Die gestrichelte Linie zeigt den Membranbereich in der Draufsicht an. Außerhalb dieses Bereiches sind die Strukturen des
Differenzverstärkers angebracht. Der Querschnitt zeigt, daß für die elektronische Schaltung und die diffundierten Widerstände die
gleiche Schichtenfolge benutzt wird.
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Kapazitiver Si-Drucksensor
Verwendung von Si als Membran mit guter mechanischer
Reproduzierbarkeit (( ± 0.5 %) und Elektrode eines
Abb. 11.18. - 11.20.: Konstruktionsprinzipien für
integrierte mikromechanische Beschleunigung.
Kondensators Integrierbarkeit in Si-Technologie.
Abb. 11.15. - 11.17.: Kapazitive Drucksensoren in Silizium.
Abb. 11.18. Die bewegliche Zunge ist hier aus SiO 2 . Auf ihr ist
eine Elektrode aufgebracht, die eine Kapazität zum Si-Substrat
aufweist. Wirkt auf die auch auf der Zunge befindliche Masse
eine Beschleunigung, son lenkt sie die Zunge aus und verändert
Abb. 11.15. Funktionsprinzip: Die Differenz von Außendruck
die Kapazität.
Paußen und Innendruck P innen biegt die dünne Si-Membran durch.
Dadurch ändert sich die Kapazität zwischen den beiden
Kapazitätselektroden
Abb. 11.16. Wird zusätzlich zur Meßkapazität noch eine
Referenzkapazität aufgebaut, so kann schaltungstechnisch eine
Brückenanordnung oder ähnliche Kompensationsanordnungen
gehlt werden.
Abb. 11.19. Die Auslenkung der Siliziumzunge, die aus dem
Silizium durch eine besondere Ätztechnik freistehend herausgeätzt ist, erzeugt an der Einspannstelle an druckabhängigen
Widerständen eine Widerstandsänderung. Diese muß durch eine
elektrische Schaltung ausgewertet werden.
Abb. 11.17. In Silizium läßt sich räumlich neben der SiMembran auch die elektronische Auswerteschaltung integriedie
Abb. 11.20. Die freistehende Si-Zunge kann auch durch eine Si-
Kapazitätsänderung sowohl vom Druck als auch von der Tem-
Sirale ersetzt sein. Sie enthält in der Mitte die für Beschleuni-
peratur abhängt.
gunmessungen erforderliche Masse als Siliziumstückchen.
Mikromechanischer Beschleunigungs-Sensor
Masse auf beweglicher Si-Zunge. Kraft - F = Masse x
Beschleunigung.
Kandasensor
Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes
Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der
Fläche des Elements, so kann eine Spannung an den
"Hall"-Elektroden abgegriffen werden. Sie ist abhängig
vom Winkel q , in dem Druck oder Zug (relativ zu den
Kristallachsen) auf das Hallelement wirken.
ren.
In
ihr
muß
berücksichtigt
werden,
daß
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SAW-Kraft- und Drucksensor
Anwendung des SAW-Elements als Verzögerungsleitung
oder Resonator. Ist es als frequenzbestimmendes Teil
eines Oszillators geschaltet, so erfolt eine Abbildung in
ein frequenzanaloges Signal.
Durch die Kraft oder den Druck wird die Oszillatorfrequenz moduliert, und Kraft oder Druck werden als
Frequenz abgebildet. Materialien: LiNbO3, SiO 2, CdS,
ZnO, GaAs, ARN.
Abb. 11.23. Longitudinalwelle
Die Teilchenverschiebung erfolgt in ausbreitungsrichtung, auch
Kompressionswelle genannt.
Abb. 11.21. Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes
Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der Fläche
des Elementes, so kann eine Spannung an den Elektroden 3 und
Abb. 11.24. Transversalwelle
4 abgegriffen werden. Diese Spannung kann als Offsetspannung
Verschiebung nur senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, auch
des Hallelementes angesehen werden. Sie ist abhängig vom
Winkel Q (Q = 0 in der Diagonalen des Hallelementes
Scherwellen genannt.
festgelegt), in der Druck oder Zug in Beachtung der Lage zu
den Kristallachsen auf das Hallelement wirken.
Abb. 11.25. Lambwellen (Plattenwellen)
Wellen in plattenförmigen Körpern, deren Dicke kleiner ist als
die halbe Wellenlänge.
Abb. 11.26. Rayleighwellen (Oberflächenwellen)
Wellen an der Oberfläche von Körpern.
Abb. 11.22. Anordnung des Hallelementes als Kandasensor auf
einer dünnen Siliziummembran zur Messung des Druckes in
Relation zum Referenzdruck.
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Abb. 11.27. - 11.29.: Integrierbare Elemente für akustische Oberflächenwellenbauelemente.
Abb. 11.31. Anordnung zweier AOW-Verzögerungsleitungen
auf einem Biegebalken. Auf die obere wirkt die Dehnung + e,
auf die untere - e. Dadurch erfolgt eine Erhöhung bzw.
Erniedrigung der Oszillatorfrequenzen. In einer Mischstufe
wird die Differenzfrequenz erzeugt, die nun bei gleicher Dehnung doppelt so groß ist wie im obigen Beispiel. Da der Temperatureinfluß auf beide Oszillatorschaltungen gleichsinnig ist,
Abb. 11.27. Wellenführung für einige integrierbare Oberflä-
kann er in der Differenzfrequenz als kompensiert betrachtet
chenwellenleitungen.
werden.
Abb. 11.28. Anregung von Oberflächenwellen durch Interditaltransducer
Abb. 11.32. AOW-Anordnung zur Druckmessung. Druck als
Kraft je Fläche muß auf eine bestimmte Membranfläche wirken
und durch Beeinflussung der Resonanzstruktur die Resonanzfrequenz verändern. Der Aufbau ist doppelt ausgeführt, um eine
Abb. 11.29. Interdigitaltransducer in verschiedenen Schicht-
Temperaturkompensation zu ermöglichen.
systemen.
Abb. 11.30. - 11.32.: Kraft- und Drucksensoren, aufgebaut mit Hilfe akustischer Oberflächenwellenbauelemente.
Taktiler optoelektrischer Sensor
Messung eines flächenverteilten Druckes mit einem
taktilen Sensor durch Berührung einer Membran mit dem
zu untersuchenden Objekt. Die druckabhängige Verformung der Membran wird durch optoelektrische Empfängerbauelemente erfaßt. Das reflektierte Licht von LED´s
wird durch optoelektronische Emfängerbandelementen
(Fotoelemente, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände) aufgenommen. Die Reflexion erfolgt an der
druckabhängig verformten Membran.
Abb. 11.33. - 11.35.: Sensoraufbauten mit optoelektronischen Bauelementen für taktile Sensoren.
Abb. 11.30. Die Verzögerungsleitung ist auf eine bewegliche
Membran oder auf einen Biegebalken aufgebracht. Sie ist in die
Rückkopplungsleitung des Oszillators geschaltet. Seine
Frequenz ist f ª f 0 (1 - e). e ist die relative Dehnung, verursacht
durch die Krafteinwirkung; f0 ª Vwelle / a.
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Abb. 11.33. Der Sensor besteht aus 4 Ebenen. Die erste Ebene enthält eine LED-Matrix zur Strahlerzeugung. Das Licht wird durch
die nächsten Ebenen geschickt und an einer beweglichen Membran reflektiert. Von der Fotodetektormatrix wird das reflektierte
Licht, das ein Abbild der Druckverteilung auf der vierten Ebene ist, aufgenommen.
Abb. 11.37. Die Anordnung zu einer 8 x 8-Matrix ermöglicht,
die örtliche Verteilung des Berührungsdruckes zu ermitteln. Ein
Matrixpunkt hat die Größe von 2,2 x 2,2 mm2 .
Abb. 11.34. Durch Druck wird die weiße Kautschukmembran
verformt und reflektiert das Licht der LED auf den a-SiFotowiderstand.
Abb. 11.35. Aufbau eines taktilen Sensors mit optoelektroni-
Abb. 11.38. Die integrierte Auswerteschaltung enthält einen
schen Reflexkopplern.
Verstärker mit geschalteten Kapazitäten.
Taktiler kapazitiver Sensor
Anordnung integrierter Kapazitäten zu einer Matrix
Abb. 11.39. Die Kapazitätsänderung ist nichtlinear.
Abb. 11.36. Auf Glas ist ein geätztes Siliziumchip elektrostatisch aufgebracht. Realisiert werden eine Meßkapazität und eine
Referenzkapazität.
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Abb. 11.40. Die Gesamtanordnung enthält die Übertragungsglieder für den örtlich verteilten Druck, die SiKapazitäten, Gehäuseteile und die integrierte Auswerteschaltung in hybrider Technik.