Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

3.1 BICMOS-INTEGRIERTER MIKROMECHANISCHER DRUCKSENSOR 23
Stempel Kragen Rand
Abbildung 3.3: Sensorarray bestehend
aus 14 Drucksensoren in
Aufsicht (nicht maßstabsgetreu).
unter der Membran, verringert sich, und die Kapazität der Anordnung steigt. Dabei erfolgt
die mechanische Verformung vorwiegend in den freigelegten Bereichen der Membran im
Kragenbereich, der Stempel senkt sich nahezu parallel ab.
Da der Drucksensor aufgrund seiner geringen Größe lediglich eine Gesamtkapazität von
ca. 0,15 pF besitzt, werden 14 Sensoren zu einem Sensorarray verschaltet, um die zu
messende Kapazität und damit auch die Empfindlichkeit der Anordnung zu erhöhen
(Abb. 3.3). Das Meßsignal vergrößert sich dadurch auf ca. 2 pF bei 1 bar Außendruck mit
einer Kapazitätsänderung von ca. 100–200 fF bei 1 bar Druckänderung. Um Prozeßabweichungen,
parasitäre Effekte und thermische Einflüsse zu kompensieren, wird zusätzlich
das Kapazitätssignal eines Arrays von Referenzstrukturen, die durch in der Kavität verbliebene
Stützen unempfindlich gegen Druckänderungen sind, vom Meßsignal subtrahiert
(s. Abb. 3.4).
Verwendung findet dieses Sensorsystem inzwischen in der Automobilindustrie in der Realisierung
von Seiten-Airbags [138] und im medizinischen Bereich [55], wo sich vor allem
die aus der Integration des Sensors erwachsenden Eigenschaften des Gesamtsystems
wie beispielsweise Kleinheit, geringes Gewicht, niedrige Produktionskosten und niedriger
Leistungsverbrauch als vorteilhaft erweisen.
Durch die Integration von mikromechanischen Komponenten in Standard-VLSI-Prozesse
ist man allerdings auch speziellen Entwurfs- und Prozeßregeln, wie z.B. der Einhaltung
spezieller Schichtabfolgen oder Dotierprofile im Substrat, unterworfen, so daß Bauelemente
und Entwurfsprozeß oft komplexer werden als mit nichtintegrierten Verfahren. Parasitäre
Effekte, die das Sensorsignal beeinflussen und sich nicht unbedingt immer meß-
Kontakte
n + -Implantation
Silizium-Wafer
Sensormembran
(Polysilizium)
Opferschicht
(Feldoxid)
p + -Implantation
Abbildung 3.4: Referenzstruktur zur Kompensation unerwünschter parasitärer Effekte
(Schnittbild, nicht maßstabsgetreu). Der Kragen ist nicht strukturiert, und im Hohlraum
verbleiben Stützen aus Feldoxid.