Sensor 11
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Werkstoffe und <strong>Sensor</strong>ik 73<br />
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<strong>11</strong>. Mechanosensoren<br />
Mechanische Beanspruchung e führt bei einer Reihe von<br />
Halbleitern zu besonders hohen Änderungen des elektrischen<br />
Widerstandes<br />
DR<br />
R<br />
= Ke (<strong>11</strong>.1)<br />
Für Metalle liegt der Proportionalitätsfaktor K sehr<br />
niedrig. Für Silizium ist er dagegen sehr groß. Für n-Si<br />
gelten negative Werte von 100 bis 120 und für p-Si<br />
positive Werte bis zu etwa 250.<br />
Abb. <strong>11</strong>.2. Der K-Faktor für die relative Widerstandsänderung<br />
ist durch die Dotierung technologisch beeinflußbar. Die Temperaturabhängigkeit<br />
wird dabei ebenfalls verändert.<br />
Abb. <strong>11</strong>.1. - <strong>11</strong>.3.: Druckabhängige Eigenschaften von<br />
Halbleitern<br />
Abb. <strong>11</strong>.3. Bei Poly-Silizium liegen die K-Faktoren erheblich<br />
unter denen des einkristallinen Si. Mit Hilfe der Ionenimplantation<br />
wird die gewünschte Größe eingestellt.<br />
<strong>11</strong>.1. Durch eine Druckspannung T u wird die Energiever-teilung<br />
im Kristallgitter verändert (gestrichelte Kurve). Die<br />
Leitbandkante in x-Richtung wird nach unten, in den anderen<br />
Rictungen nach oben verschoben. Dadurch ändert sich die<br />
Besetzungsverteilung. In deren Folge wird der ohmsche Widerstand<br />
vergrößert oder verkleinert. Damit ist die durch Druck<br />
bewirkte Veränderung des ohmschen Widerstandes von der<br />
Lage relativ zum Kristallgitter abhängig. Hinzu kommt die<br />
Abhängigkeit von der Lage auf einer druckabhängigen<br />
Membran, da diese durch die Einspannung eine örtliche<br />
Verteilung von Druck und Zug aufweist. Werden die querliegenden<br />
Widerstände am Membranrand ab etwa x > 0,8 b bzw. x<br />
< 0,2 b angeordnet, so ist die Widerstandänderung DR negativ.<br />
Die längs des Membranrandes liegenden Widerstände haben<br />
dort eine positive Widerstandsänderung bei Druck. Werden die<br />
Widerstände in der Membranmitte angeordnet, dreht sich die<br />
Widerstandsänderung um.<br />
Bei amorphen und polykristallinen Schichten sind die<br />
Korngröße und die Temperatur ebenfalls von Bedeutung.<br />
Wegen der Umsetzung von Kraft und Druck in eine<br />
Dehnung des Halbleiters werden diese <strong>Sensor</strong>en auch als<br />
Dehnungsmeßstreifen (DMS) bezeichnet.<br />
Abb. <strong>11</strong>.4. - <strong>11</strong>.8. Konstruktionsmöglichkeiten für Halbleiterdrucksensoren:<br />
Abb. <strong>11</strong>.4. In selektiv abgedünntes Silizium wird ein p- oder n-<br />
leitendes Gebiet eingebracht (Diffusion, Implantation). Das<br />
dünne Si ist eine Druckmembran, über die der Widerstand in<br />
seinem Wert geändert wird.
74 Werkstoffe und <strong>Sensor</strong>ik<br />
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Abb. <strong>11</strong>.9. - <strong>11</strong>.12.: Mikroelektronisch hergestellte<br />
Halbleiterdehnungsmeßstreifen .<br />
Abb. <strong>11</strong>.5. Geeignet behandeltes Poly-Silizium auf isolierender<br />
Unterlage kann für einen druckabhängigen Widerstand eingesetzt<br />
sein. Leitende Unterlagen müssen mit einer Isolationsschicht<br />
versehen sein. Der K-Faktor ist eine Zehnerpotenz<br />
geringer als bei einkristallinem Silizium. Das Poly-Si wird<br />
hauptsächlich in seinen elektrischen Eigenschaften durch Rekristallation,<br />
Temperung und Implantationen eingestellt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.9. 4 diffundierte Widerstände in der abgedünnten<br />
Siliziummembran sind als Vollbrücke geschaltet. Sie müssen<br />
auf der Membran so angeordnet sein, daß jeweils R 1 und R 4<br />
sowie R 2 und R 3 eine gleiche Widerstandsänderung bei Druckänderung<br />
erfahren, z. B. R 1 + DR, R 4 + DR, R 2 - DR, R 3 - DR.<br />
Abb. <strong>11</strong>.6. Aufbau als Absolutdrucksensor bezogen auf<br />
Vakuum. Dabei wird das Silizium mit dem druckabhängigen<br />
Widerstand in der abgedünnten Membran vakuumdicht auf eine<br />
Unterlage aufgebracht.<br />
Abb. <strong>11</strong>.10. Eingespannter Biegebalken mit aufgeklebtem<br />
DMS. Die Widerstandsänderung ist<br />
DR<br />
R 0<br />
3 dd<br />
Ê<br />
l - x 1 + x 2 ˆ<br />
Ë 2 ¯<br />
= K<br />
2 l 3 .<br />
Abb. <strong>11</strong>.7. Aufbau als Relativdrucksensor durch Vergleich mit<br />
Atmosphärendruck.<br />
Die Dehnung e wirkt an der Oberfläche des Biegebalkens. Ist<br />
noch ein Halbleitersubstrat zwischen durckabhängigen Widerständen<br />
und Oberfläche des Biegebalkens vorhanden, so wird e<br />
entsprechend verringert.<br />
Abb. <strong>11</strong>.8. Aufbau als Differenzdrucksensor, indem die<br />
Druckdifferenz auf den druckabhängigen Widerstand in der Si-<br />
Membran wirkt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.<strong>11</strong>. Prinzipielle Zug- und Druckverteilung bei Wirken<br />
einer Kraft F auf die Frontseite der dargestellten Membran.
Werkstoffe und <strong>Sensor</strong>ik 75<br />
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Abb. <strong>11</strong>.13. - <strong>11</strong>.15.: Integration von Halbleiterdehnungsmeßstreifen<br />
und Auswerteschaltung.<br />
Abb. <strong>11</strong>.12. Anordnung der druckabhängigen Widerstände auf<br />
ei Biegeplatte bzw. Membran. Ausgangsmaterial ist eine n-Si-<br />
Scheibe, (121)-orientiert. Längswiderstände liegen in [<strong>11</strong>1]-<br />
Richtung, Querwiderstände in [101]-Richtung. Dadurch haben<br />
die Widerstandsänderungen bei Druckbelastung eine entgegengesetztes<br />
Vorzeichen und führen in einer Brückenschaltung zu<br />
sich addierenden Wirkungen.<br />
Abb. <strong>11</strong>.13. Drucksensor aus 4 diffundierten Widerständen in<br />
einer Siliziummembran und Signalverarbeitungselektronik im<br />
gleichen Silizium<br />
Abb. <strong>11</strong>.14. Schaltung, Querschnitt und Draufsicht eines integrierten Drucksensors aus Dehnungsmeßstreifen und Interfaceelektronik.<br />
Die gestrichelte Linie zeigt den Membranbereich in der Draufsicht an. Außerhalb dieses Bereiches sind die Strukturen des<br />
Differenzverstärkers angebracht. Der Querschnitt zeigt, daß für die elektronische Schaltung und die diffundierten Widerstände die<br />
gleiche Schichtenfolge benutzt wird.
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Kapazitiver Si-Drucksensor<br />
Verwendung von Si als Membran mit guter mechanischer<br />
Reproduzierbarkeit (( ± 0.5 %) und Elektrode eines<br />
Kondensators Integrierbarkeit in Si-Technologie.<br />
Abb. <strong>11</strong>.18. - <strong>11</strong>.20.: Konstruktionsprinzipien für<br />
integrierte mikromechanische Beschleunigung.<br />
Abb. <strong>11</strong>.15. - <strong>11</strong>.17.: Kapazitive Drucksensoren in Silizium.<br />
Abb. <strong>11</strong>.15. Funktionsprinzip: Die Differenz von Außendruck<br />
P außen und Innendruck P innen biegt die dünne Si-Membran durch.<br />
Dadurch ändert sich die Kapazität zwischen den beiden<br />
Kapazitätselektroden<br />
Abb. <strong>11</strong>.18. Die bewegliche Zunge ist hier aus SiO 2 . Auf ihr ist<br />
eine Elektrode aufgebracht, die eine Kapazität zum Si-Substrat<br />
aufweist. Wirkt auf die auch auf der Zunge befindliche Masse<br />
eine Beschleunigung, son lenkt sie die Zunge aus und verändert<br />
die Kapazität.<br />
Abb. <strong>11</strong>.16. Wird zusätzlich zur Meßkapazität noch eine<br />
Referenzkapazität aufgebaut, so kann schaltungstechnisch eine<br />
Brückenanordnung oder ähnliche Kompensationsanordnungen<br />
gehlt werden.<br />
Abb. <strong>11</strong>.19. Die Auslenkung der Siliziumzunge, die aus dem<br />
Silizium durch eine besondere Ätztechnik freistehend herausgeätzt<br />
ist, erzeugt an der Einspannstelle an druckabhängigen<br />
Widerständen eine Widerstandsänderung. Diese muß durch eine<br />
elektrische Schaltung ausgewertet werden.<br />
Abb. <strong>11</strong>.17. In Silizium läßt sich räumlich neben der Si-<br />
Membran auch die elektronische Auswerteschaltung integrieren.<br />
In ihr muß berücksichtigt werden, daß die<br />
Kapazitätsänderung sowohl vom Druck als auch von der Temperatur<br />
abhängt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.20. Die freistehende Si-Zunge kann auch durch eine Si-<br />
Sirale ersetzt sein. Sie enthält in der Mitte die für Beschleunigunmessungen<br />
erforderliche Masse als Siliziumstückchen.<br />
Mikromechanischer Beschleunigungs-<strong>Sensor</strong><br />
Masse auf beweglicher Si-Zunge. Kraft - F = Masse x<br />
Beschleunigung.<br />
Kandasensor<br />
Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes<br />
Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der<br />
Fläche des Elements, so kann eine Spannung an den<br />
"Hall"-Elektroden abgegriffen werden. Sie ist abhängig<br />
vom Winkel q , in dem Druck oder Zug (relativ zu den<br />
Kristallachsen) auf das Hallelement wirken.
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SAW-Kraft- und Drucksensor<br />
Anwendung des SAW-Elements als Verzögerungsleitung<br />
oder Resonator. Ist es als frequenzbestimmendes Teil<br />
eines Oszillators geschaltet, so erfolt eine Abbildung in<br />
ein frequenzanaloges Signal.<br />
Durch die Kraft oder den Druck wird die Oszillatorfrequenz<br />
moduliert, und Kraft oder Druck werden als<br />
Frequenz abgebildet. Materialien: LiNbO 3 , SiO 2 , CdS,<br />
ZnO, GaAs, ARN.<br />
Abb. <strong>11</strong>.23. Longitudinalwelle<br />
Die Teilchenverschiebung erfolgt in ausbreitungsrichtung, auch<br />
Kompressionswelle genannt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.21. Verwendet wird ein Hallelement ohne angelegtes<br />
Magnetfeld. Wirken Druck oder Zug in der Ebene der Fläche<br />
des Elementes, so kann eine Spannung an den Elektroden 3 und<br />
4 abgegriffen werden. Diese Spannung kann als Offsetspannung<br />
des Hallelementes angesehen werden. Sie ist abhängig vom<br />
Winkel Q (Q = 0 in der Diagonalen des Hallelementes<br />
festgelegt), in der Druck oder Zug in Beachtung der Lage zu<br />
den Kristallachsen auf das Hallelement wirken.<br />
Abb. <strong>11</strong>.24. Transversalwelle<br />
Verschiebung nur senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, auch<br />
Scherwellen genannt.<br />
Abb. <strong>11</strong>.25. Lambwellen (Plattenwellen)<br />
Wellen in plattenförmigen Körpern, deren Dicke kleiner ist als<br />
die halbe Wellenlänge.<br />
Abb. <strong>11</strong>.26. Rayleighwellen (Oberflächenwellen)<br />
Wellen an der Oberfläche von Körpern.<br />
Abb. <strong>11</strong>.22. Anordnung des Hallelementes als Kandasensor auf<br />
einer dünnen Siliziummembran zur Messung des Druckes in<br />
Relation zum Referenzdruck.
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Abb. <strong>11</strong>.27. - <strong>11</strong>.29.: Integrierbare Elemente für akustische<br />
Oberflächenwellenbauelemente.<br />
Abb. <strong>11</strong>.27. Wellenführung für einige integrierbare Oberflächenwellenleitungen.<br />
Abb. <strong>11</strong>.31. Anordnung zweier AOW-Verzögerungsleitungen<br />
auf einem Biegebalken. Auf die obere wirkt die Dehnung + e,<br />
auf die untere - e. Dadurch erfolgt eine Erhöhung bzw.<br />
Erniedrigung der Oszillatorfrequenzen. In einer Mischstufe<br />
wird die Differenzfrequenz erzeugt, die nun bei gleicher Dehnung<br />
doppelt so groß ist wie im obigen Beispiel. Da der Temperatureinfluß<br />
auf beide Oszillatorschaltungen gleichsinnig ist,<br />
kann er in der Differenzfrequenz als kompensiert betrachtet<br />
werden.<br />
Abb. <strong>11</strong>.28. Anregung von Oberflächenwellen durch Interditaltransducer<br />
Abb. <strong>11</strong>.29. Interdigitaltransducer in verschiedenen Schichtsystemen.<br />
Abb. <strong>11</strong>.30. - <strong>11</strong>.32.: Kraft- und Drucksensoren, aufgebaut<br />
mit Hilfe akustischer Oberflächenwellenbauelemente.<br />
Abb. <strong>11</strong>.32. AOW-Anordnung zur Druckmessung. Druck als<br />
Kraft je Fläche muß auf eine bestimmte Membranfläche wirken<br />
und durch Beeinflussung der Resonanzstruktur die Resonanzfrequenz<br />
verändern. Der Aufbau ist doppelt ausgeführt, um eine<br />
Temperaturkompensation zu ermöglichen.<br />
Taktiler optoelektrischer <strong>Sensor</strong><br />
Messung eines flächenverteilten Druckes mit einem<br />
taktilen <strong>Sensor</strong> durch Berührung einer Membran mit dem<br />
zu untersuchenden Objekt. Die druckabhängige Verformung<br />
der Membran wird durch optoelektrische Empfängerbauelemente<br />
erfaßt. Das reflektierte Licht von LED´s<br />
wird durch optoelektronische Emfängerbandelementen<br />
(Fotoelemente, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände)<br />
aufgenommen. Die Reflexion erfolgt an der<br />
druckabhängig verformten Membran.<br />
Abb. <strong>11</strong>.33. - <strong>11</strong>.35.: <strong>Sensor</strong>aufbauten mit optoelektronischen<br />
Bauelementen für taktile <strong>Sensor</strong>en.<br />
Abb. <strong>11</strong>.30. Die Verzögerungsleitung ist auf eine bewegliche<br />
Membran oder auf einen Biegebalken aufgebracht. Sie ist in die<br />
Rückkopplungsleitung des Oszillators geschaltet. Seine<br />
Frequenz ist f ª f 0 (1 - e). e ist die relative Dehnung, verursacht<br />
durch die Krafteinwirkung; f 0 ª V welle / a.
Werkstoffe und <strong>Sensor</strong>ik 79<br />
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Abb. <strong>11</strong>.33. Der <strong>Sensor</strong> besteht aus 4 Ebenen. Die erste Ebene enthält eine LED-Matrix zur Strahlerzeugung. Das Licht wird durch<br />
die nächsten Ebenen geschickt und an einer beweglichen Membran reflektiert. Von der Fotodetektormatrix wird das reflektierte<br />
Licht, das ein Abbild der Druckverteilung auf der vierten Ebene ist, aufgenommen.<br />
Abb. <strong>11</strong>.34. Durch Druck wird die weiße Kautschukmembran<br />
verformt und reflektiert das Licht der LED auf den a-Si-<br />
Fotowiderstand.<br />
Abb. <strong>11</strong>.37. Die Anordnung zu einer 8 x 8-Matrix ermöglicht,<br />
die örtliche Verteilung des Berührungsdruckes zu ermitteln. Ein<br />
Matrixpunkt hat die Größe von 2,2 x 2,2 mm 2 .<br />
Abb. <strong>11</strong>.35. Aufbau eines taktilen <strong>Sensor</strong>s mit optoelektronischen<br />
Reflexkopplern.<br />
Abb. <strong>11</strong>.38. Die integrierte Auswerteschaltung enthält einen<br />
Verstärker mit geschalteten Kapazitäten.<br />
Taktiler kapazitiver <strong>Sensor</strong><br />
Anordnung integrierter Kapazitäten zu einer Matrix<br />
Abb. <strong>11</strong>.39. Die Kapazitätsänderung ist nichtlinear.<br />
Abb. <strong>11</strong>.36. Auf Glas ist ein geätztes Siliziumchip elektrostatisch<br />
aufgebracht. Realisiert werden eine Meßkapazität und eine<br />
Referenzkapazität.
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Abb. <strong>11</strong>.40. Die Gesamtanordnung enthält die Übertragungsglieder<br />
für den örtlich verteilten Druck, die Si-<br />
Kapazitäten, Gehäuseteile und die integrierte Auswerteschaltung<br />
in hybrider Technik.