Modellierung gekoppelter Effekte in Mikrosystemen auf ...

3.1 BICMOS-INTEGRIERTER MIKROMECHANISCHER DRUCKSENSOR 27
C diff [fF]
200
150
100
50
0
U DC an n−Wanne
U DC an Membran
0 10 20 30
Spannung U DC [V]
Abbildung 3.7: Kapazitätsänderung
des Sensorarrays aufgrund
einer angelegten Spannungsrampe
für zwei verschiedene Sensoren
(Differenz zwischen Sensorund
Referenzanordnung). Es ergibt
sich ein leicht flacherer Verlauf,
wenn die Gleichspannung
statt an der Membran an der n-
Wanne erhöht wird.
ist, an welcher Elektrode die elektrische Gleichspannung erhöht wird ( ” high“-Elektrode)
und welche Elektrode auf Masse liegt ( ” low“-Elektrode). Aus Abbildung 3.7 ersieht man,
daß der Kapazitätshub flacher ausfällt, wenn die Gleichspannungsrampe an der n-Wanne
hochgefahren wird. Dieser Effekt ist verhältnismäßig klein und liegt aufgrund der kleinen
Meßsignale nur knapp oberhalb der Meßunsicherheit. Er tritt aber systematisch bei
allen vermessenen Sensoren mehr oder weniger ausgeprägt auf, so daß die Vermutung
naheliegt, daß die im Substrat befindlichen CMOS-spezifischen Implantationen und die
sich daraus ergebenden spannungsabhängigen parasitären MIS-Kapazitäten das Sensorsignal
beeinflussen. Durch diese Querkopplungen wird aber die Differenzbildung zwischen
Sensor- und Referenzsignal fragwürdig, und es muß untersucht werden, ob diese
Meßmethode die gewünschten Meßergebnisse liefert. Da sich diese gekoppelten Effekte
meßtechnisch nicht trennen lassen, müssen hierzu detaillierte Simulationen herangezogen
werden, um quantitative Aussagen machen zu können, wie sich das Meßsignal zusammensetzt.
Dynamische Charakterisierung
Die dynamische Charakterisierung des Sensors erfolgt über Resonanzmessungen mit dem
in Abb. 3.8 dargestellten Meßaufbau. Zwischen n-Wanne und Sensormembran wird eine
Gleichspannung und eine kleine Wechselspannung angelegt, wodurch die Membran zu
Schwingungen angeregt wird. Der dadurch fließende Verschiebungsstrom wird gemessen
und in einem Netzwerkanalysator/Impedanzmeßgerät zur angelegten Wechselspannung,
dem Referenzsignal, ins Verhältnis gesetzt. Aus dem Real- und Imaginärteil der sich daraus
ergebenden komplexen Admittanz können die Amplitude des Meßsignals und seine
Phasenlage bezüglich der Anregung extrahiert werden. Variiert man die Frequenz des Anregungssignals,
so erhält man die in Abb. 3.9 dargestellten, typischen Frequenzgänge für
Phase und Amplitude des Meßsignals, aus denen die Resonanzfrequenz der jeweiligen
Sensormembran ermittelt werden kann.