Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...
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3.1 BICMOS-INTEGRIERTER MIKROMECHANISCHER DRUCKSENSOR 23<br />
Stempel Kragen Rand<br />
Abbildung 3.3: Sensorarray bestehend<br />
aus 14 Drucksensoren <strong>in</strong><br />
Aufsicht (nicht maßstabsgetreu).<br />
unter der Membran, verr<strong>in</strong>gert sich, und die Kapazität der Anordnung steigt. Dabei erfolgt<br />
die mechanische Verformung vorwiegend <strong>in</strong> den freigelegten Bereichen der Membran im<br />
Kragenbereich, der Stempel senkt sich nahezu parallel ab.<br />
Da der Drucksensor <strong>auf</strong>grund se<strong>in</strong>er ger<strong>in</strong>gen Größe lediglich e<strong>in</strong>e Gesamtkapazität von<br />
ca. 0,15 pF besitzt, werden 14 Sensoren zu e<strong>in</strong>em Sensorarray verschaltet, um die zu<br />
messende Kapazität und damit auch die Empf<strong>in</strong>dlichkeit der Anordnung zu erhöhen<br />
(Abb. 3.3). Das Meßsignal vergrößert sich dadurch <strong>auf</strong> ca. 2 pF bei 1 bar Außendruck mit<br />
e<strong>in</strong>er Kapazitätsänderung von ca. 100–200 fF bei 1 bar Druckänderung. Um Prozeßabweichungen,<br />
parasitäre <strong>Effekte</strong> und thermische E<strong>in</strong>flüsse zu kompensieren, wird zusätzlich<br />
das Kapazitätssignal e<strong>in</strong>es Arrays von Referenzstrukturen, die durch <strong>in</strong> der Kavität verbliebene<br />
Stützen unempf<strong>in</strong>dlich gegen Druckänderungen s<strong>in</strong>d, vom Meßsignal subtrahiert<br />
(s. Abb. 3.4).<br />
Verwendung f<strong>in</strong>det dieses Sensorsystem <strong>in</strong>zwischen <strong>in</strong> der Automobil<strong>in</strong>dustrie <strong>in</strong> der Realisierung<br />
von Seiten-Airbags [138] und im mediz<strong>in</strong>ischen Bereich [55], wo sich vor allem<br />
die aus der Integration des Sensors erwachsenden Eigenschaften des Gesamtsystems<br />
wie beispielsweise Kle<strong>in</strong>heit, ger<strong>in</strong>ges Gewicht, niedrige Produktionskosten und niedriger<br />
Leistungsverbrauch als vorteilhaft erweisen.<br />
Durch die Integration von mikromechanischen Komponenten <strong>in</strong> Standard-VLSI-Prozesse<br />
ist man allerd<strong>in</strong>gs auch speziellen Entwurfs- und Prozeßregeln, wie z.B. der E<strong>in</strong>haltung<br />
spezieller Schichtabfolgen oder Dotierprofile im Substrat, unterworfen, so daß Bauelemente<br />
und Entwurfsprozeß oft komplexer werden als mit nicht<strong>in</strong>tegrierten Verfahren. Parasitäre<br />
<strong>Effekte</strong>, die das Sensorsignal bee<strong>in</strong>flussen und sich nicht unbed<strong>in</strong>gt immer meß-<br />
Kontakte<br />
n + -Implantation<br />
Silizium-Wafer<br />
Sensormembran<br />
(Polysilizium)<br />
Opferschicht<br />
(Feldoxid)<br />
p + -Implantation<br />
Abbildung 3.4: Referenzstruktur zur Kompensation unerwünschter parasitärer <strong>Effekte</strong><br />
(Schnittbild, nicht maßstabsgetreu). Der Kragen ist nicht strukturiert, und im Hohlraum<br />
verbleiben Stützen aus Feldoxid.