Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

26 3 FUNKTIONSWEISE UND CHARAKTERISIERUNG DER DEMONSTRATOREN
Abbildung 3.6: Kapazitätsänderung
des Sensorarrays aufgrund
einer äußeren Druckänderung
für verschiedene Stempelbreiten
(Differenz zwischen Sensor- und
Referenzanordnung).
C diff (P) [fF]
400
300
200
100
0
Sensor#1
Sensor#2
Sensor#3
Sensor#4
0.4 0.6 0.8 1.0
Druck [bar]
wie bereits oben erwähnt, 6 fF und ergibt sich aus der Genauigkeit des LCZ-Meters.
Eine weitaus größere Ungenauigkeit ergibt sich aber durch Toleranzen im Herstellungsprozeß,
die sich in Schwankungen in den Schichtdicken oder den Materialeigenschaften
auswirken. Daher werden die Fehlerbalken beim Vergleich mit Simulationsergebnissen
aus den Messungen mehrerer Sensoren von unterschiedlichen Wafern durch Mittelwertbildung
und Berechnung der Standardabweichung ermittelt. Mit Fehlern zwischen ca.
20 fF und 100 fF, die sich aus den Messungen verschiedener Sensoren gleicher Geometrie
durch Berechnung der Standardabweichung ergeben, liegen diese weit über der Meßgenauigkeit
der verwendeten Meßgeräte.
Abbildung 3.6 zeigt die druckabhängigen Kennlinien für die vier in Kapitel 3.1.1 vorgestellten
Sensorgeometrien. Deutlich zeigt sich hier die unterschiedliche Sensitivität der
Sensoren aufgrund ihrer unterschiedlichen mechanischen Steifheit, hervorgerufen durch
die Variation in der Stempelbreite. Bis auf Sensor#4, den mit Abstand weichsten Sensor,
ändert sich die Kapazität nahezu linear, wenn der Außendruck erhöht wird. Sensor#3, der
Sensor mit dem größten Stempel und dem kleinsten Kragen, weist erwartungsgemäß die
kleinste Sensitivität auf. Die jeweiligen Kapazitätshübe ändern sich nicht, wenn ein festes
Potential zwischen Sensormembran und n-Wanne gelegt wird oder wenn das Wechselspannungssignal
des LCZ-Meters an der Gegenelektrode statt an der Sensormembran angelegt
wird [159].
Die spannungsabhängigen Messungen erfolgten bei einem Außendruck von 1 bar. Bei
Anlegen einer Gleichspannung an den Sensor ergibt sich aufgrund der quadratischen
Abhängigkeit der elektrostatischen Anziehungskraft von der angelegten Spannung ein
ebenfalls quadratischer Verlauf der Kennlinie (Abb. 3.7). Die verwendeten Spannungen
gehen mit bis zu 35 V natürlich weit über die für den CMOS-Bereich üblichen Werte
hinaus. Wie bereits erwähnt, dienen die hier vorgestellten Messungen nur zur Charakterisierung
des Sensors.
Bemerkenswert ist, daß es bei der elektrischen Charakterisierung des Sensors von Belang