Stark vergrößertes Bild zeigt die Herstellung von Sensorchips mit Wafer

Grundlage für einen piezoresistiven Sensorchip sind dünne, kristalline Siliziumscheiben, sogenannte Wafer. - Bild: Shutterstock

| von Dr. Sören Boyn, Keller Druckmesstechnik

Zusammen mit der Temperatur ist der Druck ein wesentlicher Parameter in vielen technischen Systemen. Zudem verlangen verschiedene industrielle Prozesse nach genau kontrollierten Druckbedingungen. Daher ist neben der Temperaturmessung die Druckmesstechnik die wichtigste und am häufigsten eingesetzte Technik zur Überwachung und Steuerung von Maschinen und Anlagen. Dazu stellt der atmosphärische Luftdruck eine wichtige Umweltgrösse dar. Über die Messung des Schweredrucks der Flüssigkeitssäule lassen sich zum Beispiel Grundwasserpegel oder Füllstände ermitteln. Für die elektronische Druckmessung ist ein Sensor erforderlich, der den zu messenden Druck aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Bei der resistiven Druckmessung ist das Herzstück ein elektrischer Widerstand, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von dem zu messenden Druck ändert.

Resistive Druckmessung

Die Grafik zeigt den Aufbau eines Druckmesssensors von Keller Druckmesstechnik.
Aufbau eines isolierten, ölgefüllten piezoresistiven Drucksensors. - Bild: Keller Druckmesstechnik

Die klassische resistive Druckmessung funktioniert im einfachsten Fall mit einem dünnen Metallstreifen, dessen Widerstandswert sich bei Verformung verändert. Bei Dehnung wird der Streifen länger und dünner, sodass sein elektrischer Widerstand steigt; bei Stauchung wird der Streifen kürzer und sein Querschnitt steigt, sodass sich sein Widerstand verringert. Um den zu messenden Druck in eine kontrollierte mechanische Verformung zu übersetzen, wird der Dehnungsmessstreifen (DMS) auf eine elastische Membran aufgebracht. Normalerweise erfolgt diese Verbindung mittels Klebstoff. Wirkt nun auf eine Seite dieser Membran ein Druck, verformt sich diese und führt – je nach Position des DMS auf der Membran – zu seiner Stauchung oder Dehnung. Je grösser der Druck ist, umso stärker verformt sich die Membran, sodass das Ausmass der Widerstandsänderung direkt vom Druck abhängt. Zur genaueren Messung werden mehrere DMS zu einer Brückenschaltung zusammengefasst und die Widerstandsänderung als Spannungssignal erfasst.

Piezoresistive Druckmessung

Das Bild zeigt einen Wafer eines Druckmesssensors aus der Fluidtechnik.
Wafer bestehen in der Regel aus monokristallinem Silizium. In der Mikrosystemtechnik verwenden Ingenieure auch Glaswafer mit einer Dicke im Millimeter-Bereich verwendet.

Wie das altgriechische Wort piezein (zu deutsch: drücken, pressen) sagt, handelt es sich bei der piezoresistiven Technologie um ein Verfahren, das mit Druck arbeitet. Das Grundprinzip der piezoresistiven Druckmessung entspricht im Wesentlichen dem der resistiven Druckmessung. Auch hier bewirkt eine Verlängerung beziehungsweise Verkürzung eine Änderung des Widerstands. Zusätzlich führt in einem piezoresistiven Material die mechanische Spannung, die bei Dehnung oder Stauchung auftritt, aber auch zu einer Änderung der elektrischen Leitfähigkeit. Dieser piezoresistive Effekt beruht auf Verschiebungen der Atompositionen zueinander, die sich direkt auf den elektrischen Ladungstransport auswirken. Die aus der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit resultierende Widerstandsänderung kann deutlich grösser ausfallen als jene, die durch eine reine Verformung bedingt ist.

Typische piezoresistive Materialien, die einen ausgeprägten piezoresistiven Effekt zeigen, sind Halbleiter. Als Halbleiter gelten Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (Metalle wie beispielsweise Silber, Kupfer, Aluminium) und der von Nichtleitern (beispielsweise Glas) liegt.

Zur Herstellung von piezoresistiven Druckmesszellen wird typischerweise Silizium verwendet. Ein Material, das so auch in der Fabrikation elektronischer Schaltkreise, der Chip-Produktion, zum Einsatz kommt. Daher werden die daraus hergestellten Sensoren auch als Sensorchips bezeichnet.

Grafiken: Keller Druckmesstechnik
Grafiken: Keller Druckmesstechnik

Grundlage für einen piezoresistiven Sensorchip sind weniger als einen Millimeter dünne, kristalline Siliziumscheiben, sogenannte Wafer. In dessen Oberfläche werden an bestimmten Stellen Fremdatome eingebracht, die örtlich gezielt die Leitfähigkeit beeinflussen. Diesen Prozess nennt man Dotieren. Dotierte Gebiete im Silizium bilden wiederum die piezoresistiven Widerstände. In einem nachfolgenden Prozessschritt wird dann der Siliziumwafer örtlich so abgedünnt, dass Membranen direkt im Silizium entstehen und die piezoresistiven Widerstände an bestimmen Positionen liegen.

Wirkt nun auf eine Seite dieser Membran ein Druck, verformt sich diese und bewirkt so eine mechanische Spannung in den piezoresistiven Widerständen. Je nach Position nimmt der Widerstandswert zu oder ab. Über die Dicke der verbleibenden Membran lässt sich die Druckempfindlichkeit des Sensorchips einstellen. Anschliessend wird die Rückseite des Siliziums noch fest mit einem Glas verbunden. Dabei entsteht für Absolutdrucksensoren ein abgeschlossener Referenzraum unter Vakuum. Für die Messung eines Relativdrucks enthält das rückseitige Glas ein Referenzloch.

Warum piezoresistiv in der Druckmesstechnik?

Bei piezoresistiven Druckmesszellen sind die Messwiderstände also im Gegensatz zu Dehnungsmess-Streifen (DMS) in die Membran integriert. Bei dieser Technologie entfällt somit das Aufkleben und damit auch die Schwachstelle des Klebstoffs, was eine wichtige Voraussetzung für Alterungs- und Temperaturbeständigkeit sowie Hysteresefreiheit (Hysterese = Nachwirkung des vorherigen Verformungszustands) ist. Dazu führt der piezoresistive Effekt zu einer bis zu 50-fach grösseren Widerstandsänderung als dies mit metallischen DMS erreicht werden kann.

Um die Sensorchips von dem zu messenden Medium zu isolieren, werden sie druckdicht in ein Metallgehäuse eingebaut, das ölgefüllt und frontseitig mit einer dünnen Membran verschlossen ist. Der Druck wirkt dann über diese Membran und das Öl als Übertragungsmedium auf den Sensorchip. Mit dieser isolierten Messzelle ist die Druckmessung auch in aggressiven Flüssigkeiten und Gasen möglich. Aufgrund des grossen Ausgangssignals und der etablierten Herstellungsprozesse hat sich die piezoresistive Technologie in der Druckmesstechnik durchgesetzt. Ein weiterer grosser Pluspunkt ist das Entfallen des für die Stabilität kritischen Aufklebens der DMS.

Robuste Druckaufnehmer

Das kristalline Silizium des Sensorchips verformt sich im Betrieb rein elastisch, sodass auch nach vielen Druckzyklen keine Ermüdungserscheinungen oder Stabilitätsprobleme auftreten. Die Sensorchips können in etablierten Prozessen der elektronischen Halbleitertechnologie produziert werden und die Integration der für die Druckmessung relevanten Membran in den Sensorchip ermöglicht die Herstellung von kompakten und langzeitstabilen Druckmesszellen.

Da piezoresistive Druckaufnehmer ohne bewegliche Teile gebaut werden, sind sie robust gegenüber Erschütterungen und Beschleunigungen. Die wesentlich grössere Änderung des Widerstands in piezoresistiven Messzellen gegenüber konventionellen Metall-DMS führt zu einem grossen Ausgangssignal und ermöglicht so eine rauscharme elektronische Auswertung mit hoher Auflösung. In Kombination mit analogen oder digitalen Kompensationslösungen steht so ein äußerst präzises, temperaturunabhängiges Drucksignal zur Verfügung.

Die isolierte piezoresistive Druckmesszelle punktet durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten: sie ist mit verschiedenen Medien kompatibel und deckt weite Druckbereiche ab. Die gezielte Konstruktion des Gehäuses erreicht grosse Flexibilität für viele industrielle Anwendungen auch in kritischen Umgebungen.

Das Unternehmen Keller Druckmesstechnik besitzt das dafür essentielle Wissen im Entwerfen und Herstellen von isolierten Messzellen. Auch Spezialanwendungen haben die Experten mit ihrer 45-jährigen Erfahrung mehrfach umsetzen können. Die isolierten piezoresistiven Druckmesszellen des Messtechnikspezialisten werden heute in verschiedenen anspruchsvollen Industrieanwendungen sowie der Forschung eingesetzt.

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