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Sensorik – Zusammenfassung
27.03.2007
SENSORIK – ZUSAMMENFASSUNG
Zur Verwendung als Erweiterung zum Fragen- und Antwortenteil.
1
INHALT
2
Wandlerprinzipien .......................................................................................................................................... 3
2.1
2.1.1
Elektromagnetische Wandler ....................................................................................................... 3
2.1.2
Magnetoresistive Halbleitersensoren (Feldplatten) ..................................................................... 3
2.1.3
Anisotroper Magnetoresistiver Effekt (AMR) ............................................................................... 3
2.1.4
Giant-Magnetoresistive Sensoren (GMR) ..................................................................................... 3
2.1.5
Thermomagnetische Sensoren ..................................................................................................... 3
2.1.6
Magnetojunction-Effekt ................................................................................................................ 3
2.2
2.2.1
2.3
Elektrische Wandler ............................................................................................................................... 4
Kapazitive Wandler ....................................................................................................................... 4
Optische Wandlerprinzipien .................................................................................................................. 4
2.3.1
Äusserer Photoeffekt .................................................................................................................... 4
2.3.2
Innerer Photoeffekt ...................................................................................................................... 4
2.3.3
Sperrschicht Photoeffekt .............................................................................................................. 4
2.4
3
Magnetische Wandler ........................................................................................................................... 3
Faseroptische Sensoren ......................................................................................................................... 5
2.4.1
Optische Fasern ............................................................................................................................ 5
2.4.2
Bauteile der faseroptischen Sensorik ........................................................................................... 6
Sensorparameter ............................................................................................................................................ 6
3.1
Statische Eigenschaften ......................................................................................................................... 6
3.1.1
Selektivität und Spezifität ............................................................................................................. 6
3.1.2
Kleinstes detektierbares Signal ..................................................................................................... 7
3.1.3
Zeitliche Konstanz (Drift) .............................................................................................................. 7
3.2
Dynamische Eigenschaften .................................................................................................................... 7
3.2.1
Übertragungsfunktion................................................................................................................... 7
3.2.2
Impulsantwort .............................................................................................................................. 7
Martin Vierling
Alle Angaben ohne Gewähr
martin@die-webber.com
1
3.2.3
4
Sprungantwort .............................................................................................................................. 7
3.3
Sensor-Kalibrierung ............................................................................................................................... 7
3.4
Anforderungen bezüglich auftretender Fehler...................................................................................... 8
Sensor-Technologien ...................................................................................................................................... 8
4.1
Siliziumtechnologie ................................................................................................................................ 8
4.1.1
Fertigungsschritte in der Siliziumtechnologie ............................................................................... 8
4.1.2
Thermische Oxidation ................................................................................................................... 8
4.1.3
Dotierung ...................................................................................................................................... 9
4.1.4
Lithographieverfahren .................................................................................................................. 9
4.1.5
Ätztechnik ................................................................................................................................... 10
4.1.6
Mikromechanik ........................................................................................................................... 10
4.2
4.2.1
4.3
5
27.03.2007
Dünnschicht-Technologie .................................................................................................................... 11
Galvanische und aussenstromlose Abscheidung (aus flüssiger Phase) ...................................... 11
Dickschicht-Technik ............................................................................................................................. 11
Messung mechanischer Größen mit elektromechanischen Sensoren ......................................................... 11
5.1
Mechanische Messgrößen ................................................................................................................... 11
5.2
Weg/Winkelmessung .......................................................................................................................... 11
5.2.1
Potentiometrische Weg- und Winkelaufnehmer ........................................................................ 11
5.2.2
Weg- und Winkelmessung mit Hallelementen und magnetoresistiven Sensoren ..................... 12
5.2.3
Drehspul-Winkelaufnehmer ....................................................................................................... 12
5.2.4
Codierte Weg- und Winkelaufnehmer ........................................................................................ 12
5.2.5
Messung mittels Ultraschall ........................................................................................................ 12
5.3
Geschwindigkeitsmessung................................................................................................................... 13
5.3.1
Lineare Geschwindigkeit ............................................................................................................. 13
5.3.2
Drehzahl ...................................................................................................................................... 13
5.4
Beschleunigungsmessung .................................................................................................................... 13
5.4.1
Piezoelektrische Beschleunigungssensoren................................................................................ 13
5.4.2
Mikromechanische Beschleunigungssensoren ........................................................................... 13
5.5
5.5.1
Kraft- / Druckmessung ......................................................................................................................... 14
Kapazitiver Drucksensor ............................................................................................................. 14
Martin Vierling
2
2
2.1
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WANDLERPRINZIPIEN
MAGNETISCHE WANDLER
2.1.1 ELEKTROMAGNETISCHE WANDLER
Beispiel eines Ankermagneten mit Luftspalt. Die magnetische Energie steckt aufgrund von „RKern <<
RLuft“ nahezu ausschließlich im Luftspalt.
2.1.2 MAGNETORESISTIVE HALBLEITERSENSOREN (FELDPLATTEN)
Aufgrund der Lorentzkraft ergibt sich eine Widerstandsänderung eines Halbleiterplättchens. Um
einen großen Effekt zu erreichen, sollte die Ladungsträgerbeweglichkeit µn möglichst hoch sein. Des
Weiteren verwendet man vorzugsweise hintereinandergeschaltete Widerstände mit kleinem l/bVerhältnis (l << b). Diese werden typischerweise in Form von Dünnschichtwiderständen mit
eingelagerten metallischen Kurzschlussstreifen erreicht.
2.1.3 ANISOTROPER MAGNETORESISTIVER EFFEKT (AMR)
Anders als bei Feldplatten wird hier eine Anisotropie des spezifischen elektrischen Widerstandes im
Sensormaterial vorausgesetzt. Dies geschieht durch Einprägen einer Magnetisierungsrichtung in
ferromagnetischen Materialien (Permalloy Nife). Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes und der
Überlagerung mit dem eingeprägten Magnetfeldes verschiebt sich die Magnetisierungsrichtung. Der
Widerstand ändert sich abhängig vom Winkel zwischen der resultierenden Magnetisierungsrichtung
und dem Stromdichtevektor, der durch das AMR-Element fließt.
2.1.4 GIANT-MAGNETORESISTIVE SENSOREN (GMR)
Der elektrische Widerstand hängt von der Magnetisierung benachbarter ferromagnetischer
Schichten ab. Bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierung ist der elektrische Widerstand um einige
Prozent kleiner als bei antiparalleler Ausrichtung. Durch die Sandwichbauweise (Schichten nur
wenige nm -> Dicke kleiner als freie Weglänge der e-) lassen sich relative Widerstandsänderungen
von ca. 70% erreichen.
2.1.5 THERMOMAGNETISCHE SENSOREN
Fließt ein Wärmestrom durch einen Leiter, der senkrecht dazu von einem Magnetfeld durchsetzt
wird, so tritt senkrecht zu beiden Richtungen eine Feldstärke auf. Es entsteht dann eine
Potentialdifferenz ΔU. Fließt dagegen ein elektrischer Strom durch einen Leiter senkrecht zu einem
Magnetfeld, dann entsteht ein Temperaturgefälle senkrecht zu beiden Richtungen (EttingshausenEffekt).
2.1.6 MAGNETOJUNCTION-EFFEKT
Wirkt in einem pn-Übergang eine magnetische Induktion, so werden die Elektronen senkrecht zu den
Richtungen des elektrischen und magnetischen Feldes abgelenkt. Je nach Vorzeichen der
magnetischen Induktion werden die injizierten Löcher oder Elektronen an die eine oder andere
Grenzschicht abgelenkt. Dadurch kann der Durchlasswiderstand gesteuert werden.
Martin Vierling
3
2.2
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ELEKTRISCHE WANDLER
2.2.1 KAPAZITIVE WANDLER
Die Kapazität zwischen zwei Elektroden lässt sich anhand folgender Gleichung bestimmen:
‫ܥ‬ଵଶ ൌ
ܳଵ
ܳ
ൌ
‫ܥ‬ଶଵ ൌ ଶ
ܷଵଶ
ܷଶଵ
ൌ ܳ und ܷ
· Mithilfe der Gleichungen ‫ׯ‬஺ ଵଶ
nungsformel für die Kapazität C12:
ൌ ଵଶ ·
ergibt sich die allgemeine Berech-
· ‫ ׯ‬
‫ܥ‬ଵଶ ൌ ஺ଶ
ଵ · Hieraus kann man die Gleichung für Platten- oder auch Zylinderkondensator ableiten.
2.3
OPTISCHE WANDLERPRINZIPIEN
2.3.1 ÄUSSERER PHOTOEFFEKT
Durch das Wirken elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich (Licht) werden Ladungsträger
aus dem Kristallverband gelöst. Damit Lichtquanten Elektronen aus der Hülle von Atomen
herauslösen können, muss folgende Energiebedingung erfüllt sein:
ܷ஺
Plancksches Wirkungsquantum h, Frequenz des imitierten (einfallenden) Lichtes v, Elementarladung
e und Austrittsarbeit aus jeweiligem Atomverband eUA.
Bei Photozellen, die typischerweise diesen Effekt nutzen, werden die aus dem Material (meist
alkalische Metalle) austretenden Elektronen durch das elektrische Feld in der Zelle zur Anode hin
beschleunigt.
2.3.2 INNERER PHOTOEFFEKT
Dieser Effekt beschreibt den physikalischen Sachverhalt, dass beim Auftreffen von Lichtquanten auf
einem Halbleiter Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gelangen, sofern folgende
Bedingung erfüllt ist:
∆
mit ∆ als Energieabstand zwischen Valenz- und Leitungsband. Technisch wird dieser Effekt bei
Photowiderständen, bei denen durch Lichteinfall eine Widerstandsabnahme erfolgt, genutzt. Die
Leitfähigkeit ist dabei direkt proportional der Beleuchtungsstärke.
2.3.3 SPERRSCHICHT PHOTOEFFEKT
Siehe Fragenkatalog Frage 33.
Martin Vierling
4
2.4
27.03.2007
FASEROPTISCHE SENSOREN
2.4.1 OPTISCHE FASERN
Eine optische Faser (Lichtwellenleiter LWL) besteht aus einem inneren dielektrischen Medium, dem
sog. Kern (= core), der die Führung des Lichtes zur Aufgabe hat. Der zylindrische Kern ist von einer
Ummantelung (= cladding) umgeben, deren Brechungsindex kleiner ist als der des Kerns. Beide sind
wiederum von dem sog. Schutzmantel (= jacket) umhüllt.
2.4.1.1 MULTIMODE-STUFENINDEX-FASER (STUFENPROFILFASER)
Bei der Stufenprofilfaser hat sowohl der
Kern als auch der Mantel über ihren
jeweiligen Querschnitt eine konstante
Brechzahl. Deshalb darf das Licht
innerhalb eines Akzeptanzwinkels ±ΘA auf
die
Faserstirnfläche
treffen,
um
ausbreitungsfähig zu sein.
Der Durchmesser des lichtführenden
Kerns ist dabei viel größer als die
Wellenlänge des Lichtes, so dass die
Lichtausbreitung nach den Gesetzten der
geometrischen Optik beschrieben werden
kann, also durch strahlenoptische Näherung.
Dadurch ist nur eine bestimmte Menge von
Neigungswinkeln gegen die Faserachse zulässig, welches die Anzahl der Moden limitiert. Eine
typische Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 µm führt einige hundert Moden.
Abbildung 1: Typen von Lichtwellenleitern
Abbildung 1 lässt unterschiedlich lange Laufwege des Lichtes in der Faser in Abhängigkeit von der
Ordnung der Mode erkennen, was zum „Auseinanderlaufen“ oder „Verschmieren“ von kurzen Pulsen
führt. Man spricht hier von Modendispersion.
2.4.1.2 MULTIMODE-GRADIENTENINDEX-FASER (GRADIENTENFASER)
Bei diesem Fasertyp wird die Dispersion stark vermindert, indem statt des Stufenprofils des
Brechnungsindexes ein sog. Gradientenindex verwendet wird (Abbildung 1). Der Brechungsindex
nimmt innerhalb der Faser vom Faserzentrum in radialer Richtung zum Faserrand kontinuierlich ab.
Dadurch wird die erhöhte Laufzeit der stark geneigten Moden teilweise kompensiert. Die
Modendispersion ist dadurch um mehrere Größenordnungen geringer.
2.4.1.3 MONOMODEFASER
Vollständig vermieden wird die Modendispersion bei Verwendung einer Monomodefaser, die
aufgrund ihres geringen Kerndurchmessers (< 10 µm) nur eine Grundmode führen kann (siehe
Abbildung 1). Monomodefasern erfordern einen wesentlich aufwendigeren Herstellungsprozess als
Multimodefasern. Währen Multimodefasern aus preiswerten Materialkombinationen wie z.B.
Martin Vierling
5
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Kunststoffen als Kern- und Mantelmaterial gefertigt werden können, sind Monomodefasern
ausschließlich aus Quarzglas zu fertigen.
Zu Erwähnen ist jedoch vor allem die hohe Querempfindlichkeit dieser Sensoren.
2.4.2 BAUTEILE DER FASEROPTISCHEN SENSORIK
2.4.2.1 GRADIENTENINDEXLINSE
Im Gegensatz zu konventionell hergestellten Linsen (Schleifen) besteht alternativ die Möglichkeit, die
Linsenwirkung durch entsprechende Änderung des Brechungsindexes in einem Glas, das
Zylinderförmig belassen wird, herbeizuführen. Die Variation des Brechungsindexes wird
Gradientenindex genannt.
Dies wird erreicht indem man diese Linsen so mit Fremdatomen dotiert, dass ihr BrechungsindexProfil parabolischen Verlauf zeigt.
2.4.2.2 GLASFASERKOPPELELEMENTE
Glasfaser-Koppelelemente teilen das Licht einer Faser in zwei LWL auf, wobei nahezu beliebige
Teilverhältnisse erhältlich sind. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Kerne zweier Fasern
so eng zusammengebracht (< 1 µm) werden, dass ein Überkoppeln der elektromagnetischen
Lichtwelle von einem auf den anderen Zweig stattfindet.
2.4.2.3 INTEGRIERTE OPTIK
Unter Integrierter Optik versteht man den Teil der Halbleitertechnologie, in der mehrere optische
Komponenten mit entsprechenden Wellenleitern in einem Chip oder auf einem Substrat „integriert“
werden. Die Ziele sind die kostengünstige Herstellung miniaturisierter und hochkomplexer
Funktionseinheiten (z.B. integrierter optischer Faserkreisel).
2.4.2.4 MATERIALIEN UND GRUNDSTRUKTUREN DER INTEGRIERTEN OPTIK
Die elementaren Grundsubstanzen der integrierten Optik sind in erster Linie das Lithiumniobat
(LiNbO3) und Glas für sichtbares Licht, aber auch III-V-Halbleiter (GaAs) sowie Silizium für Infrarotlicht. Die Grundstrukturen bestehen aus Monomode-Wellenleitern, die durch Eindiffundieren von
Titan-Atomen in LiNbO3 – Substrate erzeugt werden.
3
SENSORPARAMETER
Parametern welche noch nicht im Fragenkatalog erwähnt wurden.
3.1
STATISCHE EIGENSCHAFTEN
3.1.1 SELEKTIVITÄT UND SPEZIFITÄT
In einem System mit m Sensoren und damit m Ausgangsgrößen yi definiert man eine partielle
Empfindlichkeit Sij als die Änderung der Ausgangsgröße yi von der Eingangsgröße eines beliebigen
Martin Vierling
6
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Kanals j. Diese partiellen Empfindlichkeiten werden zu der n x m Selektivitätsmatrix [S] zusammen௠ ൌ ௡௠ · ௡ ௠
gefasst:
Ideale Selektivität wird durch reine Diagonalmatrix beschrieben. Alle Nebendiagonaltherme
verschwinden; d.h. es gibt keine Querempfindlichkeiten.
Ideale Spezifität ist gekennzeichnet durch nur einen einzigen von Null verschiedenen Eintrag Sii. Dies
wäre beispielsweise ein idealer Sensor ohne jegliche Umwelteinflüsse und Nebenwirkungen.
3.1.2 KLEINSTES DETEKTIERBARES SIGNAL
Das kleinste detektierbare Signal (Minimum Detectable Signal = MDS) entspricht dem Effektivwert
der Rauschspannung aller internen Sensor-Rausch-quellen bezogen auf den Eingang des Sensors.
Liegt das kleinste detektierbare Signal am Sensoreingang als Messgröße an, so erhält man am
Ausgang des Sensors ein Ausgangssignal mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 1, d.h. S/N = 0dB.
3.1.3 ZEITLICHE KONSTANZ (DRIFT)
Wenn sich trotz konstanter Messgröße das Ausgangssignal des Sensors langsam ändern, spricht man
von einer sog. Drift. Man unterscheidet nach Betriebsverhältnissen zw. Kurzzeit- und Langzeitdrift
und, je nach Kennlinie, zw. Nullpunkt- und Übersetzungsdrift.
3.2
DYNAMISCHE EIGENSCHAFTEN
3.2.1 ÜBERTRAGUNGSFUNKTION
Ist ein Sensor in der Lage, zeitlich sich ändernde Messgrößen zu verarbeiten, dann interessiert die
dynamische Übertragungseigenschaft, also in erster Linie seine Übertragungsfunktion im LaplaceBereich:
ൌ mit ൌ !
3.2.2 IMPULSANTWORT
Die Impulsantwort g(t), die auch als Gewichtsfunktion bezeichnet wird, entspricht dem
Sensorausgangssignal y(t), wenn der zeitliche Verlauf der Messgröße einen Dirac-Puls darstellt.
3.2.3 SPRUNGANTWORT
Unter der Sprungantwort (manchmal auch Übertragungsfunktion genannt) versteht man das
Sensorausgangssignal, wenn die Messgröße einen zeitlichen Sprungverlauf zeigt.
3.3
SENSOR-KALIBRIERUNG
Die experimentelle Ermittlung der Empfindlichkeit eines Sensors wird Kalibrierung genannt. Dies ist
notwendig um die Einflüsse von unvermeidlichen Streuungen bei der Sensorfertigung oder auch
Langzeitveränderungen des Sensorverhaltens (Nachkalibrierung) auszumerzen. Der Sensor wird
hierbei mit einer Referenz-Messgröße beaufschlagt und das Antwortsignal aufgezeichnet. Im
Allgemeinen werden der Nullpunkt und die Steilheit der Kennlinie eingestellt.
Martin Vierling
7
3.4
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ANFORDERUNGEN BEZÜGLICH AUFTRETENDER FEHLER
Zu den wichtigsten Anforderungen, die an Sensoren gestellt werden, zählen:
a) Gute statische und dynamische Übertragungseigenschaften
b) Geringen Abhängigkeit von parasitären Einflussgrößen (z.B. Temperatur bei nicht-thermischen Sensor)
c) Geringes Eigenrauschen
d) Zuverlässigkeit und Wirschaftlichkeit
4
4.1
SENSOR-TECHNOLOGIEN
SILIZIUMTECHNOLOGIE
Silizium ist ein wichtiges Basismaterial für die Sensorherstellung geworden. Es bietet neben den für
die Wandlung nutzbaren physikalischen Effekten vor allem die Möglichkeit der Integration
elektronischer Signalverarbeitungskomponenten. Des Weiteren zeigt es gute mechanische
Eigenschaften und es lassen sich mit den Verfahren der Mikromechanik aus Silizium auf elegante
Weise miniaturisierte (elektro-) mechanische Elemente herstellen. Für manche Sensoranwendungen
erweist sich allenfalls die starke Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit als hinderlich.
4.1.1 FERTIGUNGSSCHRITTE IN DER SILIZIUMTECHNOLOGIE
Die Herstellung stützt sich auf Verfahren der
Halbleitertechnik, die zur Fertigung von elektronischen Bauelementen entwickelt und eingesetzt
werden. Die wesentlichen Prozessschritte sind in
Abbildung 2 dargestellt. Bei der üblichen SiliziumPlanartechnologie startet der Prozess mit einem
polierten mono-kristallinen Si-Wafer, der zunächst Dünnschichtprozessen unterworfen wird
(Aufbringen von Oxidfilmen). Das anschließende
Dotieren wird mittels Ionen-Implantation oder
Eindiffundieren von Fremdatomen erreicht.
Mittels der Photo-Lithographie werden Maskenmuster auf den Wafer übertragen. Die belichteten bzw. unbelichteten Flächen können danach Abbildung 2: Prozessschritte in der Halbleitertechnologie
weggeätzt werden. Zum Schluss werden die
Wafer in einzelne Chips mittels Laserschneiden oder Diamantsägen zersägt und gekapselt.
4.1.2 THERMISCHE OXIDATION
Bei höheren Temperaturen und sauerstoffhaltiger Atmosphäre bildet Silizium eine glasartige Schicht,
das Siliziumdioxid. Dieses besitzt hervorragende mechanische und chemische Eigenschaften und wird
als Dielektrikum, Isolator, zur Oberflächenpassivierung oder Maskierschicht verwendet. Man
unterscheidet zw. trockener und feuchter Oxidation.
Martin Vierling
8
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4.1.3 DOTIERUNG
Durch Dotierung kann man die physikalischen Eigenschaften von Silizium gezielt verändern. Es kann
n- oder auch p-Silizium erzeugt werden. Diese Schichten können zur Erzeugung elektronischer
Elemente oder als Stoppschichten für Ätzverfahren verwendet werden.
Die Dotierung erfolgt im Wesentlichen durch folgende zwei Verfahren.
4.1.3.1 DIFFUSION
Durch die Erzeugung von gezielten Konzentrationsunterschieden findet ein Ausgleich zw. Quell- und
Zielmaterial statt. Die Ursache liegt in der thermischen Bewegung der diffundierenden Teilchen. Die
Diffusion erfolgt in einem Rohrofen (> 950°C).
4.1.3.2 IONENIMPLANTATION
Ein Strahl beschleunigter Dotierionen definierter Energie wird auf das Si-Substrat geschossen. Die
Ionen dringen ins Substrat ein, werden dort abgebremst und kommen zur Ruhe.
4.1.4 LITHOGRAPHIEVERFAHREN
Lithographieverfahren zur Strukturierung einer Schicht basieren auf der chemischen Veränderung
der Löslichkeit eines strahlungsempfindlichen Lacks nach der Bestrahlung.
Die drei wichtigsten Verfahren sind:
4.1.4.1 PHOTOLITHOGRAPHIE
Hierbei wird die Maske, die aus einem Glasträger und einer darauf aufgebrachten Absorberschicht
besteht, mit UV-haltigem Licht (200nm – 450nm) auf mit lichtempfindlichem Lack (Photoresist)
beschichtetem Substrat abgebildet. Durch den photochemischen Prozess erhöht bzw. verringert sich
die Löslichkeit der belichteten Bereiche. Die leicht löslichen Bereiche werden im nachfolgenden
Ätzprozess entfernt.
4.1.4.2 RÖNTGENLITHOGRAPHIE
Durch Lithographie mit Röntgenstrahlen (0,2nm – 2nm) wird eine hohe Auflösung bei Struckturen bis
in den Bereich unter 0,5nm erreicht. Dieses Verfahren ist jedoch bei dicken Lackschichten langsam
und im Allgemeinen sehr Ineffizient (< 1%).
4.1.4.3 ELEKTRONENSTRAHLLITHOGRAPHIE
Die Wellenlänge ist so kurz (0,009nm bei Beschleunigung von 20kV), sodass Beugungseffekte keine
Rolle spielen. Somit können Strukturen in den Sub-µm-Bereich übertragen werden. Wichtigstes
Anwendungsverfahren ist die Herstellung von Masken. Substratbelichtung dauert sehr lange.
Martin Vierling
9
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4.1.5 ÄTZTECHNIK
Formänderndes Fertigungsverfahren, bei dem das in einer Maskierschicht enthaltenes Muster in das
Substrat bzw. eine darauf befindliche Schicht übertragen wird. Grundlegende Unterscheidung in
Isotropes und Anisotropes Ätzen (Fragenteil).
4.1.5.1 NASSCHEMISCHES ÄTZEN
Ätzen mittels Eintauchen bzw. Besprühen mit Ätzlösung. Im Allgemeinen isotroper Vorgang.
Bei einkristallinem Silizium werden auch anisotrope Ätzlösungen verwendet, bei denen die Ätzrate
stark von Dotierung und Kristallrichtung abhängig ist (über 100:1). Somit können manche
Kristallrichtungen als Ätzstoppschicht wirken.
4.1.5.2 PLASMA- ÄTZVERFAHREN
Bei diesem „trockenen“ Ätzverfahren wird das Material durch ein gasförmiges Ätzmedium
abgetragen, wobei der Angriff der in einem Plasma erzeugten ätzaktiven Teilchen chemischer,
physikalischer oder gemischt physikalisch-chemischer Natur sein kann.
4.1.6 MIKROMECHANIK
Ein weiterer Vorzug von Silizium besteht in der Möglichkeit, Standard-Verfahren der
Halbleitertechnologie zu verwenden, um es mechanisch zu bearbeiten. Somit lassen sich
miniaturisierte drei-dimensionale mechanische Strukturen im Bereich < 1µm bis zu einigen
Millimetern herstellen. Man unterscheidet zwei wesentliche Technologien:
4.1.6.1 VOLUMENMIKROMECHANIK
Bei dieser Technologie wird meist ein beträchtlicher Teil der Waferdicke bearbeitet, welches oft auf
beiden Seiten erfolgt. Somit können starre, deformierbare oder bewegte Strukturen und
Mechanismen gefertigt werden. Die mechanischen Strukturen sind selbst aus einkristallinem Silizium
oder aus abgeschiedenen Schichten auf der Siliziumoberfläche hergestellt. Die Strukturierung erfolgt
chemisch-physikalisch, vorrangig durch nasschemische Ätzmedien mit anisotropen Ätzverhalten.
4.1.6.2 OBERFLÄCHENMIKROMECHANIK
Dient der dreidimensionalen Strukturierung von Schichtsystemen auf der Waferoberfläche und
basiert auf dem Ätzen einer Opferschicht. Vorteil ist der Übergang zum Trockenätzverfahren für
laterale Strukturierungen => weitere Miniaturisierung, geringe Toleranzen und Integrierbarkeit mit
der Elektronik. Nachteilig sind hohe Eigenspannungen und teilweise schlechte Materialeigenschaften
der Schichtwerkstoffe im Vergleich zu einkristallinem Silizium.
Martin Vierling
10
4.2
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DÜNNSCHICHT-TECHNOLOGIE
PVD-, CVD-, LPCVD- und PECVD-Prozesse in Fragenteil behandelt.
4.2.1 GALVANISCHE UND AUSSENSTROMLOSE ABSCHEIDUNG (AUS FLÜSSIGER PHASE)
Bei der galvanischen Metallabscheidung (Electroplating) wird ein Z-Fach positiv geladenes Metallion
(in Elektrolyt) unter Aufnahme von Z-Elektronen reduziert. Die Elektronen werden von einer äußeren
Stromquelle geliefert.
Bei der aussenstromlosen Metallabscheidung (Electroless Plating) erfolgt hingegen die Reduktion
durch Elektronen im Reduktionsmittel, welches in der Elektrolytlösung enthalten ist.
Vorteile der aussenstromlosen Metallabscheidung gegenüber der galvanischen ist die gleichmäßige
Schichtdicke und Möglichkeit, Dielektrika (Kunststoffe, Keramik oder Glas) zu metallisieren.
4.3
DICKSCHICHT-TECHNIK
Verfahren zur Herstellung passiver elektrischer Bauelemente wie Leiterbahnen, Widerstände,
Isolierschichten oder Kondensatoren. Mit dieser Technik werden Elemente durch Aufbringen (1) von
Pasten mittels Siebdruck-Verfahren auf Keramik-Substrate, die anschließend getrocknet (2) und
danach in Durchlauföfen gebrannt (3) werden, hergestellt. Im Anschluss erfolgt das Trimmen (4) der
Materialeigenschaft durch gezielten Abtrag von Schichten mittels Laserablation oder Sandstrahlen.
5
MESSUNG MECHANISCHER GRÖßEN MIT ELEKTROMECHANISCHEN SENSOREN
5.1
MECHANISCHE MESSGRÖßEN
Die wichtigsten mechanischen Messgrößen sind:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
5.2
Weg, Winkel
Geschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit (Drehrate), Drehzahl
Beschleunigung
Kraft, Druck
Drehmoment
Mechanische Leistung
Masse, Dichte
Durchflussmenge
Schallfeldgrößen (Schalldruck, Schallschnelle, Schallintensität, Schallleistung)
WEG/WINKELMESSUNG
5.2.1 POTENTIOMETRISCHE WEG- UND WINKELAUFNEHMER
Der Aufbau von resistiven Weg- und Winkelaufnehmer, bei denen ein veränderlicher Ohmscher
Widerstand an einem Draht oder an einer Wicklung abgegriffen wird, ist recht unkompliziert. Im
einfachsten Fall bewegt sich ein vom Messweg oder –winkel angetriebener Schleifer auf einem
ausgestreckten oder kreisförmigen Messdraht. Der abgegriffene Widerstand ist dem Messweg x
proportional.
Martin Vierling
11
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Bei den Schichtpotentiometern gibt es z.B. das Potentiometer mit Polymerschicht (Lackharz mit
Graphitstaub) oder das Potentiometer mit Metalloxid-Glasbindungsschichten (gesintertes Glas mit
Metalloxid).
5.2.2 WEG- UND WINKELMESSUNG MIT HALLELEMENTEN UND MAGNETORESISTIVEN
SENSOREN
Einsatz eines Permanentmagneten und eines magnetoresistiven Sensors zur Winkelmessung. Die
Hallspannung ist proportional zum Winkel der magnetischen Induktion B.
5.2.3 DREHSPUL-WINKELAUFNEHMER
Eigenen sich zum Erfassen größerer Winkelbereiche. Eine feststehende Spule (Sendespule) erzeugt
ein homogenes Wechselfeld. Als Empfänger fungieren eine oder zwei senkrecht zueinander
angeordnete, drehbar gelagerte Spulen. Die induzierten Spannungen sind den wirksamen Flächen
der Spulen und damit dem Sinus bzw. Cosinus des Messwinkels proportional.
Sogenannte Synchros (Drehübertrage) werden von der gleichen Wechselspannung gespeist. Solange
sich der Winkel des Empfänger von dem des Senders unterscheidet fließt in den Verbindungsleitungen und in den um je 120° zueinander angeordneten Spulen Ströme, die wegen des
Erregerfeldes ein Drehmoment bewirken. Dies führt den Winkel des Empfängers dem des Senders
nach. Sender und Empfänger laufen also synchron.
5.2.4 CODIERTE WEG- UND WINKELAUFNEHMER
Bei den codierten Längen- und Winkelmaßstäben ist jeder Messlänge bzw. jedem Messwinkel ein
bestimmtes, eindeutiges codiertes digitales Signal zugeordnet, welches in paralleler Form vorliegt, so
dass es ohne weitere Umsetzung von einem Prozessrechner übernommen und verarbeitet werden
kann.
5.2.5 MESSUNG MITTELS ULTRASCHALL
Ein Ultraschallabstandssensor arbeitet nach dem Puls-EchoBetrieb. Ein vom Ultraschall-Wandler abgestrahlter Puls wird
nach der Reflexion am Messobjekt von demselben Wandler
wieder empfangen. Aus der Laufzeit T und der bekannten
Schallgeschwindigkeit des Medium kann der Abstand x
zwischen Messobjekt und Sensor bestimmt werden.
Es gibt drei Varianten der Füllstandsmessung (siehe Abb. 3):
a) Messung über eine Luftstrecke
b) Messung innerhalb der Flüssigkeit mit Innenankopplung
c) Messung innerhalb der Flüssigkeit mit Außenankopplung
Martin Vierling
Abbildung 3: Wegmessung mittels Ultraschall
12
5.3
27.03.2007
GESCHWINDIGKEITSMESSUNG
5.3.1 LINEARE GESCHWINDIGKEIT
Erfolgt die Messung indirekt, so entsteht durch zeitliche Differenzierung des Weges das Problem der
Differenzierung und dessen Umsetzung. Durch Integration über eine gemessene Beschleunigung
hingegen erhält man ein Offset. Diese Probleme können durch direkte Messung umgangen werden.
5.3.1.1 MESSUNG MITTELS ELEKTRODYNAMISCHEN WANDLERN
Durch die Beziehung " ൌ #$ erhält man, bei einer der Geschwindigkeit v ausgesetzten Spule
innerhalb eines homogenen Magnetfeldes, einen direkten Zusammenhang von induzierter Spannung
und der Messgröße Geschwindigkeit.
5.3.1.2 MESSUNG MITTELS DOPPLERVERFAHREN
Die Dopplerverschiebung kann in einer akustischen, optischen oder elektromagnetischen Welle
genutzt werden um die Geschwindigkeit von bewegten reflektierenden Körpern zu messen.
Bei der sog. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung mit Referenzstrahlmethode bestrahlt man
einen Streukörper, dessen Geschwindigkeit gemessen werden soll. Dabei wird die optische Welle in
einen Messstrahl und einen Referenzstrahl zerlegt. Das Streuteilchen bewegt sich mit der
Geschwindigkeit v, wodurch sich aufgrund des Dopplereffektes eine Frequenzverschiebung Δf
zwischen Mess- und Referenzstrahl ergibt, welche proportional der Geschwindigkeit v des
Streuteilchens ist.
5.3.2 DREHZAHL
Man unterscheidet folgende Prinzipien:
•
•
•
•
•
•
5.4
Berührungslose Messung mit Gitterscheibe und Lichtschranke
Faserkreisel
Tachogeneratoren
Berührungslose Messung mit Zahnradscheibe und induktivem Sensor
Drehzahlmessung mittels Hallsensor und Ringmagnet
Drehzahlmessung mittels Wieganddraht
BESCHLEUNIGUNGSMESSUNG
5.4.1 PIEZOELEKTRISCHE BESCHLEUNIGUNGSSENSOREN
Seismische Masse übt bei Beschleunigung Druck auf piezoelektrische Scheibe aus.
5.4.2 MIKROMECHANISCHE BESCHLEUNIGUNGSSENSOREN
Durch anisotropes Ätzen werden seismische Massen in Form kleiner Zungen oder an Federn
(Siliziumstege) aufgehängte kleine Siliziumblöcke gefertigt. Durch Auslenkung dieser seismischen
Masse erfolgt die Messung piezoresistiv oder kapazitiv.
Martin Vierling
13
5.5
27.03.2007
KRAFT- / DRUCKMESSUNG
5.5.1 KAPAZITIVER DRUCKSENSOR
Bei der Druckmessung auf der Basis
kapazitiver
Wandlungsprinzipien
wird
generell die mechanische Deformation eines
elastischen Federkörpers unter Druckeinwirkung genutzt, um die elektrische
Kapazität des metallisierten Federkörpers
gegenüber einer Gegenelektrode als Maß für
die Deformation und damit den zu
messenden Druck herzunehmen. Das
Standardbeispiel stellt das KondensatorMikrophon (Abbildung 4) dar.
Martin Vierling
Abbildung 4: Prinzip eines Kondensator-Mikrophons
14

sensorik – zusammenfassung - die

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