igf€¦ · igf industrielle gemeinschaftsforschung schlussbericht zu igf-vorhabennr. 18631 n thema...
TRANSCRIPT
-
iGFIndustrielleGemeinschaftsforschung
Schlussbericht
zu IGF-Vorhaben Nr. 18631 N
ThemaMikrotechnisch hergestelltes 3D-Lorentzkraft-Magnetometer Sensorelement (3DLKM) mitneuartigem multiaxialem Betriebsprinzip und neuartigem Ausleseverfahren
Berichtszeitraum01.08.2016 — 31.07.2019
ForschungsvereinigungHahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Forschungseinrichtung(en)Hahn-Schickard, Villingen-Schwenningen
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)
Villingen-Schwenningen lOt‘ 1.Z Jan Rockstroh
Freiburg 40.C)4.ao Daniel KrawatOrt, Datum Name und Unterschrift aller Projektleiterinnen und Projektleiter der
Forschungseinrichtung(en)
Gefördert durch:
Bundesministeriumr für Wirtschaftund EnergieForschungsnetzwerkMittelstand
aufgrund eines Beschlussesdes Deutschen Bundestages
-
Seite 2 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
-
Seite 3 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung .............................................................................................................. 6
2 Einleitung ............................................................................................................................ 7
2.1 Funktionsprinzip Lorentzkraft-Magnetometer ............................................................... 7
2.2 Stand der Forschung und Entwicklung (MEMS) ........................................................... 7
2.3 Ausleseelektronik Grundlagen ...................................................................................... 8
2.4 Stand der Forschung und Entwicklung (Elektronik) ...................................................... 8
3 Danksagung ........................................................................................................................ 9
4 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des Ergebnisses mit den Zielen ...... 10
4.1 AP1: Anforderungsdefinition ....................................................................................... 10
4.2 AP2: Sensorelemententwurf und Elektronikkonzept ................................................... 10
4.3 AP3: Technologiedurchlauf 1 ..................................................................................... 12
4.4 AP4: Aufbau Messumgebung ..................................................................................... 12
4.5 AP5: Entwicklung Auswerteelektronik ........................................................................ 13
4.6 AP6: Verifikation und Test .......................................................................................... 13
4.7 AP7 bis AP12 ............................................................................................................. 15
5 Erläuterung zur Verwendung der Zuwendungen ................................................................ 16
5.1 Personaleinsatz .......................................................................................................... 16
5.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ........................................ 16
6 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse ............................................................................................................................... 16
7 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................................... 17
8 MEMS-Sensorentwurf und Elektronikentwicklung .............................................................. 21
8.1 Sensorausführung: Ein Speisestrom für alle Achsen .................................................. 21
8.2 Einflussgrößen beim MEMS-Sensorentwurf ............................................................... 22
8.3 Vorgehen beim MEMS-Sensorentwurf ....................................................................... 23
8.4 Vorgehen nach Abschluss des MEMS-Sensorentwurfs .............................................. 24
8.5 Übersicht über Sensorentwürfe im Projektverlauf ....................................................... 24
8.5.1 1D-Sensorelemente: In-plane-sensitive, torsionale Sensorelemente ................... 24
8.5.2 1D-Sensorelemente: Out-of-plane-sensitive, linear schwingend .......................... 28
8.5.3 2D-Sensorelemente: xy-sensitive, torsionale Sensorelemente ............................ 30
8.5.4 2D-Sensorelemente: xz-sensitive, torsional/linear schwingende Sensorelemente
31
8.5.5 D-Sensorelemente .............................................................................................. 33
8.6 Charakteristika der MEMS-Sensorelemente ............................................................... 38
8.7 Technologisch umgesetzte Sensorelemente .............................................................. 39
-
Seite 4 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.7.1 3D-MEMS-Sensorelement: Analytische Modellierung ......................................... 39
8.7.2 3D-MEMS-Sensorelement: FEM-Modalanalyse .................................................. 40
8.7.3 3D-MEMS-Sensorelement: Analytische Sensorspezifikation ............................... 43
8.7.4 2D-MEMS-Sensorelement: Analytische Modellierung & FEM-Modalanalyse ....... 44
8.7.5 3D-MEMS-Sensorelement: Analytische Sensorspezifikation 2D-Sensorelement . 45
8.7.6 1D-MEMS-Sensorelement torsional: Analytische Modellierung ........................... 46
8.7.7 1D-MEMS-Sensorelement torsional: FEM-Modalanalyse .................................... 47
8.7.8 1D-MEMS-Sensorelement torsional: Analytische Sensorspezifikation ................. 48
8.7.9 1D-MEMS-Sensorelement linear schwingend: Analytische Modellierung ............ 49
8.7.10 1D-MEMS-Sensorelement linear schwingend: FEM-Modalanalyse ..................... 50
8.7.11 1D-MEMS-Sensorelement linear schwingend: Analytische Sensorspezifikation .. 51
8.8 Padout und Routing.................................................................................................... 52
8.9 Elektronikentwicklung ................................................................................................. 55
8.9.1 AGC-Regelung .................................................................................................... 55
8.9.2 ΔΣ-Regelung ....................................................................................................... 56
8.9.3 Systemlevel Simulation ....................................................................................... 56
8.10 PCB-System .............................................................................................................. 57
8.10.1 Entwurf 1 ............................................................................................................. 57
8.10.2 Entwurf 2 ............................................................................................................. 59
9 Herstellung MEMS ............................................................................................................. 61
9.1 Prozessablauf Sensorherstellung ............................................................................... 61
9.2 Probleme während der Prozessierung ....................................................................... 63
9.3 Waferlayout ................................................................................................................ 64
9.3.1 Chipvarianten und –anordnung auf dem Wafer ................................................... 64
9.3.2 Teststrukturen ..................................................................................................... 65
9.4 Herstellung PCB-System ............................................................................................ 66
9.4.1 Layoutentwurf Sensorplatine ............................................................................... 66
9.4.2 Layoutentwurf FPGA-Platine ............................................................................... 68
10 Messtechnik ...................................................................................................................... 71
10.1 Waferprober ............................................................................................................... 71
10.1.1 Aufbau der Messelektronik für den Waferprober ................................................. 71
10.1.2 Programmierung Waferprober ............................................................................. 71
10.1.3 Waferprobermessungen ...................................................................................... 71
10.2 Prüfstand für Magnetfeldmessungen .......................................................................... 74
10.3 Laser-Doppler-Vibrometer .......................................................................................... 75
10.4 Oberflächenmesstechnik ............................................................................................ 77
-
Seite 5 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
10.4.1 Lichtmikroskopie ................................................................................................. 77
10.4.2 Topographieuntersuchung mit chromatischem Weißlicht-Sensor (CWL) ............. 78
10.4.3 Rasterelektronenmikroskopie .............................................................................. 80
11 Elektrische Messungen ..................................................................................................... 81
11.1 Messungen mit einfacher Messelektronik ................................................................... 81
11.2 Messungen mit Drehratensensor-ASIC ...................................................................... 84
12 Tabellenverzeichnis ........................................................................................................... 88
13 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 89
-
Seite 6 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
1 Zusammenfassung
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollte ein in Mikrotechnologie hergestelltes
multiaxiales, hoch miniaturisiertes Lorentzkraft-Magnetometer (LKM) mit neuartigem Betriebs-
prinzip zur präzisen und hochauflösenden Magnetfeldbestimmung entlang aller drei Raumrich-
tungen realisiert werden.
Der MEMS-Sensor sollte dabei nach Möglichkeit als dreiachsig sensitives Sensorelement
umgesetzt werden, um idealerweise den Energieverbrauch und die Chipgröße und damit Pro-
duktions- und Betriebskosten zu minimieren. In Abbildung 1 ist eine Möglichkeit skizziert, wie
eine derartige Sensorstruktur realisiert werden könnte. Eine nähere Beschreibung des Funk-
tionsprinzips von LKM erfolgt in 2.1.
Bei dem neuartigen Betriebsprinzip sollten die sensitiven Achsen des Sensors über eine an-
wendungsspezifische integrierte Schaltung (kurz ASIC, von engl. application-specific integrated
circuit) mit einer geschlossenen Regelschleife auf Basis einer zeitkontinuierlichen Delta-Sig-
ma-Modulation (ΔΣM) um die Nulllage geregelt werden. Dadurch werden die Eigenschaften des
Sensorsystems verbessert und die Weiterverarbeitung der Messdaten erleichtert. Abbildung 2
zeigt beispielhaft das Blockschaltbild eines möglichen Auswertekonzepts auf Basis der ΔΣ-Mo-
dulation.
Abbildung 1: Skizzierte Realisierungsmöglichkeit für a) ein einachsiges LKM-Sensorelement, für senkrecht zur Chipebene verlaufenden Magnetfelder, b) ein einachsiges LKM-Sensorelement, für in der Chipebene verlaufenden
Magnetfelder c) ein dreiachsiges LKM-Sensorelement
c)
-
Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Anhand eines zu fertigenden Demonstrators sollte die wissenschaftlich-technische Machbarkeit
des Vorhabens dargelegt werden. Da im Erdmagnetfeld Flussdichten von 10 bis 60 µT
vorliegen, war die Zielsetzung eine minimale Messauflösung von 1 µT, bei einer
Mindestsignalbandbreite von 50 Hz, um auch Navigationsanwendungen zu ermöglichen.
Das Ziel wurde nur teilweise erreicht
2 Einleitung
2.1 Funktionsprinzip Lorentzkraft-Magnetometer
Bewegen sich Ladungsträger senkrecht zu einem Magnetfeld, wirkt orthogonal zur Magnetfeld-
und Bewegungsrichtung die Lorentzkraft. Ein LKM kann daher aus einer beweglichen
MEMS-Struktur bestehen, auf die ein Strom in definierter Richtung, z. B. durch eine von der
Umgebung isolierte Leiterstruktur, aufgeprägt wird. Wenn orthogonal zum Strompfad eine
Magnetfeldkomponente auftritt, wird die MEMS-Struktur durch die Lorentzkraft ausgelenkt. Bei
amplitudenmodulierten LKM wird an die Leiterstruktur ein Wechselstrom angelegt, wodurch die
MEMS-Struktur mit der Stromfrequenz schwingt. Die maximale Amplitude dieser Schwingung
wird bei Ausnutzung der Resonanzüberhöhung erzielt, wenn die Frequenz des aufgeprägten
Stroms der Resonanzfrequenz der MEMS Struktur entspricht. Die zum Magnetfeld proportiona-
le Auslenkung kann kapazitiv, piezoresistiv oder optisch detektiert werden. Die Amplitude der
Auslenkung in Resonanz wird wesentlich von der Güte der MEMS-Struktur bestimmt. Deshalb
weisen LKM üblicherweise eine hohe Güte bei geringer bis moderater Bandbreite auf.
Außerhalb der Resonanz fällt die Schwingungsamplitude stark ab.
2.2 Stand der Forschung und Entwicklung (MEMS)
Lorentzkraft-Magnetometer sind neuartige Magnetfeldsensoren auf Basis von MEMS-Struktu-
ren. LKM können hohe Auflösungen bei geringem Leistungsbedarf erreichen. Es gibt zum
Zeitpunkt der Antragstellung mehrere Arbeiten, in denen hochperformante Sensoren vorgestellt
werden, jedoch keine käuflich erwerblichen. Viele Veröffentlichungen beziehen sich auf
Sensoren die eine Raumachse des Magnetfeldes messen können [1]. Allerdings gibt es bereits
Sensoren, die alle drei Raumachsen detektieren können und eine hohe Auflösung erreichen [2],
[3]. Beim Aufbau der Sensoren werden verschiedene Ansätze verfolgt. So gibt es Bauelemente,
bei denen auf der beweglichen Struktur möglichst viele Leiterwindungen aufgebracht werden,
Abbildung 2 Blockschaltbild eines möglichen Auswertekonzepts. Gezeigt ist die elektromechanische ΔΣM-Schleife bestehend aus Sensor, Filter, Quantisierer und Rückkoppelstufen (FB-Stufe) für eine sensitive Achse sowie eine optionale digital implementierbare Regelung für die mechanische Resonanz des Sensors.
-
Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
vergleichbar mit einer planaren Spule [1], [3]. Die Windungszahl geht direkt in die Lorentzkraft
ein, die auf die Struktur wirkt. Ein anderer Ansatz ist, die Leitergeometrie und die bewegliche
Struktur möglichst einfach zu halten und durch einen minimalen Innendruck eine möglichst
geringe Dämpfung zu erzeugen [2]. Dadurch ergibt sich eine höhere Sensitivität in Resonanz
und ein grundsätzlich geringeres thermisches Rauschen des Sensorelements.
2.3 Ausleseelektronik Grundlagen
Um (kapazitive) Lorentzkraft-Magnetometer elektronisch anzuregen und auszulesen, gibt es
verschiedene Ansätze. Ein vereinfachtes elektrisches Modell eines kapazitiven Lorentz-
kraft-Magnetometers ist in Abbildung 3 dargestellt. Es besteht aus einem mechanischen Fe-
der-Masse-Dämpfer System und zwei elektrischen Pfaden: einem induktiven und einem
kapazitiven Pfad.
Capacitive coupling
RL
Inductive coupling Iyy
TLorenz TCaps
Vind
IR-Noise
spring damping
Abbildung 3 Vereinfachtes elektrisches Modell eines kapazitiven, torsionalen Lorentzkraft-Magnetometers. In der Mitte der mechanische Teil des Sensors als Feder-Masse-Dämpfer System, links der induktive Pfad, rechts der kapazitive.
Um auf den Sensor wirkende Lorentzkräfte zu erzeugen, muss in den induktiven Pfad ein Strom
eingeprägt werden. Um eine kapazitive Detektion zu ermöglichen, ist es notwendig einen
Wechselstrom zu verwenden, da nur Kapazitätsänderungen und keine absoluten Kapazitäten
detektiert werden können. Diese Kapazitätsänderungen können dann z.B. mit einem Ladungs-
verstärker erfasst werden. Umgekehrt können durch Wechselspannungen, die am kapazitiven
Pfad anliegen auch elektrostatische Kräfte generiert werden, die auf die Sensormasse wirken.
Diese Kräfte können als Rückkoppelkräfte verwendet werden um den Sensor in einer geschlos-
senen Regelschleife zu betreiben. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sensor durch
elektrostatische Kräfte in Schwingung zu versetzen und die im induktiven Pfad induzierte
Spannung zu messen.
2.4 Stand der Forschung und Entwicklung (Elektronik)
Bei der Ausleseelektronik kommen ebenfalls verschiedene Ansätze zum Tragen. Die meisten
Veröffentlichungen konzentrieren sich auf das MEMS-Element und dessen Optimierung. Die
Ausleseelektronik beschränkt sich deshalb in den meisten Fällen auf Laborelektronik mit
ungeregeltem Auslesesystem, welches nicht weiter beschrieben wird [2]. Ferner gibt es Syste-
-
Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
me, bei denen die Frequenz des Stromes entweder auf die Resonanzfrequenz [1] oder auf ei-
nen definierten Frequenzabstand zur Resonanzfrequenz [3] geregelt wird. Hierfür wird meistens
ein diskreter Aufbau auf einem Printed Circuit Board (PCB) verwendet. Die Veröffentlichung [4]
zeigt einen solchen Ansatz mit integrierter Elektronik. Bei diesen Ansätzen muss eine Abwä-
gung, zwischen hoher Auflösung (Resonanzbetrieb) oder hoher Bandbreite (Betrieb außerhalb
der Resonanz) getroffen werden. Des Weiteren gibt es Ansätze, bei denen zusätzlich die Ampli-
tude der Sensorschwingung geregelt wird (z.B. durch elektrostatische, piezoelektrische, thermi-
sche Rückstellkräfte [5], [6], [7]. Allen closed-loop Ansätzen ist das Ziel gemein, die hohe
Sensitivität in Resonanz zu behalten und gleichzeitig eine deutlich höhere Bandbreite zu
erzielen.
3 Danksagung
Das IGF-Vorhaben Nr. 18631 N der Forschungsvereinigung Hahn-Schickard-Gesellschaft für
angewandte Forschung e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der
industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Für
diese Förderung sei gedankt.
Dem projektbegleitenden Ausschuss sei für die Unterstützung und die wertvollen Hinweise
gedankt. Namentlich sind dies (in alphabetischer Reihenfolge):
Firma Ansprechperson
Bender GmbH & Co. KG Bondorfer Str. 65 35350 Grünberg
Dr. Eckhard Bröckmann
Elgo Electronic GmbH & Co. KG Carl Benz Str. 1 78239 Rielasing
Heiko Essinger
Festo AG & Co. KG Ruiter Str. 82 73734 Esslingen
Markus Lenz
Fritz Kübler GmbH Schubertstr. 47 78056 Villingen-Schwenningen
Philipp Becker
Matesy GmbH Otto-Schott-Str. 13 07745 Jena
Rocco Holzhey Matthias Schmidt
TE Connectivity Industrial GmbH Hauert 13 44227 Dortmund
Dr. Axel Bartos Dr. Camelia Albon
TDK-EPC AG & Co. KG Ruhlsdorfer Str. 95 14532 Stahnsdorf
Dr. Wolfgang Schreiber-Prillwitz
X-Fab Semiconductor Foundries AG Haarbergstr. 67 99096 Erfurt
Dr. Gabriel Kittler
-
Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
4 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und des
Ergebnisses mit den Zielen
4.1 AP1: Anforderungsdefinition
Ziel des Arbeitspaketes war ein Lasten-/Pflichtenheft, das alle relevanten Daten für die weiteren
Arbeiten des Projekts und die Spezifikationen für das Gesamtsystem enthält.
Das erreichte Ergebnis entspricht dem vorgegebenen Ziel.
Durchgeführte Arbeiten:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
▪ Identifikation der Erfordernisse für Magnetfeldmessung unter Ausnutzung der Lorentzkraft an einer einzigen triaxial sensitiven MEMS-Struktur.
• Evaluation der Anforderungen an die Sen-sorelektronik bei Betrieb mit einer geschlos-senen Regelschleife / Implementierungsmö-glichkeiten
• Evaluierung der im Antrag vorgestellten ver-schiedenen Konzepte für die Sensorelektro-nik
• Evaluation der Anforderungen an das MEMS-Sensorelement / Implementierungsmö-glichkeiten
• Identifikation der limitierenden technologischen Randbedingungen und Risiken, basierend auf der hauseigenen Technologie bzw. der geplan-ten Anpassung der etablierten Prozesse.
• Festlegung der Spezifikationen des Sensors, in Abstimmung mit dem PA.
Erzielte Ergebnisse:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Festlegung auf ΔΣ-Regelschleife als
maßgeblich zu verfolgendes Konzept wegen
der inhärenten Digitalisierung des Messsi-
gnals und des geringeren Einflusses nichtli-
nearer Effekte des Sensorelements
• Als zweites Konzept wird eine geschlossene Regelschleife die die Sensorschwingung konstant hält vorgesehen, und bis auf PCB-Ebene entwickelt um einen Vergleich im Labor zu ermöglichen.
• Festlegung auf Implementierung von
MEMS-Sensorelementen mit stromführenden
Leiterbahnen, um eine hohe Auflösung bei
moderater Leistungsaufnahme zu erzielen und
gleichzeitig starke Erwärmung zu vermeiden.
• Festlegung der minimalen Strukturbreiten und -abstände des Sensorelements, in Abhän-gigkeit des zu wählenden Spulenmaterials, un-ter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen
• Identifikation des realisierbaren Chipinnen-drucks als limitierenden Faktor
• Schriftlich fixiertes Lasten-/Pflichtenheft, in Abstimmung mit dem PA.
Inhalte:
• Allgemeine Beschreibung des Projekts
• Definition der Projektziele und Aufgaben in den Bereichen Sensorelemententwicklung, ASIC-/Elektronik-Entwicklung und Technologieentwicklung
• Lösungsweg bei der Auslegung der Sensorelemente, der Elektronik und der Technologieentwick-lung
• Beschreibung der Messtechnik zur Chipcharakterisierung und des im Projektverlauf zu bauenden Messplatzes für die Magnetfeldmessung
• Leistungsdaten des Demonstrators
4.2 AP2: Sensorelemententwurf und Elektronikkonzept
Ziel des Arbeitspaketes war das Vorliegen des Waferlayouts und des Konzepts für die
Charakterisierungs- und Auswerteelektronik.
-
Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Das erreichte Ergebnis entspricht dem vorgegebenen Ziel.
Durchgeführte Arbeiten:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Simulationen des ΔΣ-Konzepts in Cadence
und Matlab:
- Filterauslegung mit Disco-Toolbox - Machbarkeitsnachweis in Matlab/Simu-
link mit linearem Sensormodell - Simulationen auf Bauteilebene (ideal) in
Cadence mit nichtlinearem Modell
• Anpassung und Überarbeitung des nichtline-aren Modells in VerilogA mit neuen Sensorpa-rametern
• Simulationen des Konzepts mit konstanter Schwingungsamplitude in Cadence
- Machbarkeitsnachweis mit idealen Bau-teilen
- Simulation von Bauteilen die im PCB-Aufbau verwendet werden sollen, mit Bauteilmodellen von Farnell
• Simulationen mit den erwarteten Sensorpara-metern, durchgeführt für alle drei Achsen (ΔΣ-Konzept)
• Diskretisierung der Regelschleife (konstanter Amplitudenansatz) und Simulation für Imple-mentierung auf Field Programmable Gate Array (kurz FPGA)
• Vorüberlegungen/Abschätzungen für mögliche
Designs amplitudenmodulierter kapazitiver
LKM hinsichtlich
- Möglichem Spulenmaterial - Idealem Resonanzfrequenzbereich der
Sensorelemente
• Umfangreiche Erweiterung der hauseigenen Simulationsumgebung (MATLAB-basiert) für analytische Sensormodelle, bislang auf die Modellierung von Inertialsensoren beschränkt
• Erste analytische Auslegung uni-, bi- und tri-axial sensitiver MEMS-Sensorelemente, ba-sierend auf den festgelegten Spezifikationen, unter Einbeziehung technologischer Ferti-gungstoleranzen
• FEM-Analyse der zuvor analytisch ausgeleg-ten MEMS-Sensorelemente
• Überarbeitung und Anpassung der initialen analytisch ausgelegten Sensorelemente, ba-sierend auf den Simulationsergebnissen der FEM-Analyse und finalisierende Untersu-chung, unter Einbeziehung technologischer Fertigungstoleranzen
• Erste Chiplayouts für unterschiedliche drei-achsige Sensorchips mit den ausgelegten und verifizierten 1-3 achsigen Sensorelementen
• Notwendiges Rework der Sensorelemente (analytische Auslegung, FEM-Verifikation)
• Notwendige Überarbeitung der Chiplayouts
• Erstellung des finalen Waferlayouts mit den überarbeiteten Chiplayouts und Teststrukturen
Erzielte Ergebnisse:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Machbarkeitsnachweis für beide Konzepte
• Bestätigung der ursprünglichen Erwartung, dass das ΔΣ-Konzept weniger anfällig für nichtlineare Effekte des Sensors ist
• Bandbreitenlimitierung des Konzepts mit konstanter Schwingungsamplitude auf maximal 10 Hz
• Bandbreite des ΔΣ-Konzepts bei maximaler Auflösung >50 Hz (wie im Antrag gefordert)
• Stabilität der ΔΣ-Regelschleifen für die erwarteten Sensorparameter verifiziert
• Machbarkeit nachgewiesen bzgl. Implementie-rung auf FPGA (konstanter Amplitudenansatz)
• Festlegung von Gold (Au) als Spulenmaterial
• Festlegung auf moderaten Resonanzfrequenz-bereich (ca. 7 bis 10 kHz)
• Entwurf analytischer Modelle für uni-, bi- und triaxial sensitive MEMS-Elemente, die per FEM-Analyse verifiziert und optimiert wurden
• Waferlayout mit unterschiedlichen Chiplayouts (Variation der Spulenspezifikationen) und Teststrukturen
-
Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
4.3 AP3: Technologiedurchlauf 1
Ziel des Arbeitspaketes war die Verfügbarkeit erster Sensorelemente.
Das erreichte Ergebnis entspricht dem vorgegebenen Ziel.
Durchgeführte Arbeiten:
Hahn-Schickard-VS
• Erstellung von erweiterten Prozessplänen, basierend auf der hauseigenen Technologie für
Inertialsensoren, die als Neuerung zwei isolierte Metallisierungslagen einbindet.
• Tests zu hermetisch dichter Thermokompression von Au/Au Schichten auf Waferlevel, Anstreben einer Temperaturverminderung und einer Erhöhung des Bonddrucks gegenüber bisheriger Technologie. Prüfmethode: He-Dichtigkeit
• Beschaffung der benötigten Lithographiemasken mittels des Waferlayouts aus AP2
• Rework der Prozesspläne zur Realisierung haftfähiger Spulen- und Isolationsschichten
• Fertigstellung der zu prozessierenden Wafer nach den durchgeführten Reworks der Prozesspläne
• Analyse (optisch, Material) von gefertigten Wafern und Musterstrukturen
Erzielte Ergebnisse:
Hahn-Schickard-VS
• Testwafer zu hermetisch dichter Thermokompression von Au/Au Schichten wurden erfolgreich gebondet, anteilig sind Chips gasdicht
• Prozessierte Fügepaare (Cover-, Device-Wafer) liegen vor
• Fertig prozessierte Wafer für die anschließende Charakterisierung liegen vor
4.4 AP4: Aufbau Messumgebung
Ziel des Arbeitspaketes war eine am Standort Hahn-Schickard-VS aufgebaute und
funktionsfähige Testumgebung.
Das erreichte Ergebnis entspricht dem vorgegebenen Ziel.
Durchgeführte Arbeiten:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Entwicklung, Layoutentwurf
und Implementierung der
Charakterisierungselektronik
für erste elektrische Messun-
gen
• Entwurf, Auslegung und Beschaffung der zur Probermessung benötigten Messelektronik
• Implementierung der 3DLKM-Messung auf dem Waferprober, zur Bestimmung von Kontakt- und Isolationswiderständen
• Hierzu Erstellung und Finalisierung einer Waferprober-Daten-bank mit Prüfparametern und den zulässigen Grenzwerten
• Evaluation der Prüfparameter auf Wafer-Level
• Durchführung erster elektrischer Messungen an Teststrukturen bei der Reinraum-Prozess-Begleitung
• Evaluation verschiedener Konzepte für Magnetfeld-Prüfstand
• Erarbeitung einer Spezifikation sowie Bestellung eines dreiach-sigen Magnetfeld-Prüfstandes bei PA-Mitglied Matesy GmbH (vAW)
• Durchführung von Magnetfeld-Dauermessungen zur Identifikation des geeignetsten Aufstellortes für den Prüfstand bei Hahn-Schickard
• Inbetriebnahme des durch Matesy GmbH gelieferten Magnet-feld-Prüfstandes (vAW)
-
Seite 13 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Erzielte Ergebnisse:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Charakterisierungselektronik
liegt vor
• Kenntnisse über die technologische Realisierbarkeit der Spulenabscheidung
• Verfügbarkeit einer Waferproberelektronik zur Charakterisierung auf Waferlevel
• Lastenheft sowie Bestellung eines dreiachsigen Magnet-feld-Prüfstandes
• Verfügbarkeit eines Magnetfeld-Prüfstandes gemäß der erarbeiteten Spezifikation
• Vollständige Umgebung für Waferprobermessung mit allen nötigen Messparametern und Kombinationen verfügbar
4.5 AP5: Entwicklung Auswerteelektronik
Ziel des Arbeitspaketes ist das Vorliegen der benötigten Auswerteelektronik.
Das erreichte Ergebnis entspricht dem vorgegebenen Ziel.
Durchgeführte Arbeiten:
IMTEK
• Entwurf von Kompensations- und Rückkopplungsschaltungen
• Entwurf der Sensorplatine
• Rework der Sensorplatine – notwendige Umstellung von analoger Kalibration auf digitale Kalibra-tion mittels FPGA
• Entwurf der FPGA-Platine
• Implementierung des „konstante Amplitudenansatz“-Konzepts in VHDL
Erzielte Ergebnisse:
IMTEK
• Kompensationsschaltungen in Simulationen verifiziert
• Abgeschlossene Designs für Sensor- und FPGA Platine
• Der konstante Amplitudenansatz wurde in VHDL verifiziert – in Hardware liegen noch Stabilitätsprobleme vor
• PCB-Ausleseelektronik liegt vor
• Sensoren können mittels PC/FPGA angesteuert und ausgelesen werden
4.6 AP6: Verifikation und Test
Ziel des Arbeitspaketes war die abgeschlossene Charakterisierung der ersten Sensorelemente
und der Testergebnisse des Gesamtsystems, bestehend aus Sensorelement und Auswerte-
elektronik. Die erlangten Erkenntnisse sollten direkt in die folgende Optimierung der Sensor-
elemente und in die Realisierung einer integrierten Auswerteelektronik (ASIC) einfließen.
Die Waferprobermessungen zeigten bei der Frequenzgangmessung der mechanischen Oszilla-
toren eine Anzahl von funktionalen Schwingern. Da wegen technologischer Fertigungs-
schwierigkeiten der Innendruck der Sensoren derzeit zu hoch ist, um die angestrebte Ziel-
Güte der Resonatoren zu erreichen, die Strukturen nach ersten elektrischen Charakterisie-
rungen aber grundsätzlich funktional zu sein schienen, wurden offene Muster der
MEMS-Chips unter einem 3D-Laser-Doppler-Vvibrometer vermessen. Es konnte gezeigt
-
Seite 14 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
werden, dass eine durch aufgeprägten Strom im umgebenden Erdmagnetfeld erzeugte Os-
zillation der Sensorchips auch mit einer, durch den Umgebungsdruck bedingten, geringen
Güte bereits am Laser-Doppler-Vibrometer gemessen werden konnte. Ausführliche und wie-
derholte Vibrometer-Messungen derselben Chips und der Vergleich der einzelnen Messkurven
sowie die optische Topographieuntersuchung einzelner geöffneter MEMS-Muster mit einem
chromatischen Sensor machten weiterhin deutlich, dass die technologischen Herausforderun-
gen erheblich größer sind, als vorab erwartet. Reproduzierbare Messergebnisse konnten wegen
einer starken Verformung/Durchbiegung der Sensorelemente und daraus resultierender Ten-
denz, teilweise bereits ohne vorherige mechanische Auslenkungen am Substrat „anzukleben“,
nicht generiert werden (siehe 10).
Die beiden grundlegenden Probleme (hoher Innendruck und Verformung) sind durch den
Prozessablauf bzw. den Schichtaufbau bedingt und lassen sich nicht durch eine Optimierung
des Sensorentwurfs bei gleichbleibendem Prozessablauf beheben, wie ursprünglich im Antrag
vorgesehen. Stattdessen wäre eine umfassende Überarbeitung der zugrundeliegenden
Prozesse notwendig.
Auf Basis aller bis zu dem Zeitpunkt erzielten Messergebnisse wurden die vielversprechendsten
Sensoren ausgewählt und auf Trägerplatinen aufgebaut, um mit diesen im nächsten Schritt
elektrische Messungen durchzuführen.
Die ersten elektrischen Messungen wurden mit einer vereinfachten Messelektronik
durchgeführt, die auf dem komplexeren Platinensystem basiert, das in AP5 entwickelt wurde.
Die Messungen zeigten, dass die torsionalen 1D-Elemente nicht funktional sind. Die linear
schwingenden 1D-Elemente sind funktional und robust gegen hohe Spannungen und
Magnetfelder, weisen jedoch aufgrund des zu hohen Innendrucks eine geringe Auflösung auf
(siehe 11.1).
Als nächster Schritt wurden linear schwingende Sensorelemente zusammen mit einem
Drehratensensor-ASIC verbondet, welches für ein anderes Projekt entwickelt wurde (siehe
11.2). Dieser Ansatz wurde gewählt, da es aus Zeitgründen nicht mehr möglich war, ein
eigenes ASIC zu entwickeln und so dennoch Messungen mit integrierter Ausleseelektronik
durchgeführt werden konnten, wenn auch nicht mit für LKM optimierten Schaltungen. Die
Messungen wurden in einer Vakuumkammer durchgeführt um einen Innendruck in den
Sensoren zu erreichen, der dem Innendruck entspricht, der im Entwurf vorgesehen war. Die
Messungen ergaben die, zum Zeitpunkt der Antragstellung, höchste veröffentlichte Bandbreite
für ein kapazitives LKM-System, nach bestem Wissen der Autoren. Die gemessene Auflösung
und andere Systemparameter, wie z.B. Anregestrom, Messbereich und Leistungsaufnahme
sind vergleichbar mit dem Stand der Forschung (siehe Tabelle 14).
Das erreichte Ergebnis entspricht nicht vollständig dem vorgegebenen Ziel.
Durchgeführte Arbeiten:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Messungen mit vereinfachter Messelektronik
• Entwurf und Aufbau einer Platine, die ASIC und Sensor ansteuert und versorgt
• Messungen mit Drehratensensor-ASIC in Vakuumkammer
• Waferprobermessung der Musterwafer
• Messung einzelner geöffneter MEMS-Muster unter dem Laser-Doppler-Vibrometer
• Messung einzelner geöffneter MEMS-Muster unter CWL chromatischem Sensor
-
Seite 15 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Erzielte Ergebnisse:
IMTEK Hahn-Schickard-VS
• Linear schwingende 1D-Elemente sind funktional und robust gegen hohe Spannungen und Magnetfelder
• Mit Drehratensensor-ASIC hohe Bandbreite gemessen (480 Hz)
• Andere Systemparameter vergleichbar mit dem Stand der Forschung (siehe Tabelle 14)
• Prinzipielle Funktionalität des Konzepts konnte messbar nachgewiesen werden
• Schwerwiegende technologische Nichtidealitäten konnten identifiziert werden, die zu starken Einschränkungen in der Funktionalität der hergestellten Sensoren führen.
4.7 AP7 bis AP12
Die auf AP6 folgenden Arbeitspakete konnten wegen fehlender Ergebnisse aus den
vorhergehenden Arbeitspaketen, bis auf AP12, nicht abgearbeitet werden. vAW bezüglich des
fortgeschrittenen Projektstandes (AP7-AP11) konnten deshalb nicht erbracht werden. Dazu
gehören alle vAW die ausführliche Charakterisierungsmessungen und Tests mit dem finalen
Demonstrator-System, sowie Simulationen auf Transistorebene zum Ziel hatten.
Ziele der Arbeitspakete (AP) laut Antrag Durchgeführte Arbeiten und Ergebnisse
AP7: Redesign Sensorelement
• Waferlayout mit optimierten Sensorstrukturen, die voraussichtlich die in AP1 festgelegten Zielspezifikationen erfüllen, liegt vor
• Das AP konnte wegen verbrauchter Projekt-ressourcen nicht abgearbeitet werden
Das erreichte Ergebnis entspricht nicht dem vorgegebenen Ziel.
AP8: Redesign und Erweiterung der Auswerte-elektronik (ASIC)
• Überarbeitete und erweiterte Auswerteelektro-nik liegt vor
• Das AP konnte nicht abgearbeitet werden, da bei Vorliegen der Sensorelemente nicht mehr genug Zeit für die Entwicklung einer integrierten Schaltung (ASIC) zur Verfügung stand. Stattdessen wurde ein ASIC verwendet, das ursprünglich für Drehratensensoren entwickelt wurde, um Messungen mit den Sensoren durchzuführen und die Leistungsfähigkeit des Sensorsystems zu zeigen (siehe 11.2).
Das erreichte Ergebnis entspricht nicht dem vorgegebenen Ziel.
AP9: Technologiedurchlauf 2
• Optimierte Sensorelemente liegen vor
• Das AP konnte nicht abgearbeitet werden, da das Redesign der Sensorelemente nicht durchgeführt wurde
Das erreichte Ergebnis entspricht nicht dem vorgegebenen Ziel.
AP10: Aufbau Demonstrator
• Ein als Demonstrator dienendes Gesamtsys-tem ist für die anschließende Charakterisie-rung verfügbar
• Das AP konnte wegen fehlender optimierter Sensorelemente nicht abgearbeitet werden
Das erreichte Ergebnis entspricht nicht dem vorgegebenen Ziel.
AP11: Charakterisierung
• Eine umfangreiche Charakterisierung der finalen Demonstrationssysteme liegt vor
• Das AP konnte wegen fehlender Demonstrationssysteme nicht abgearbeitet werden
Das erreichte Ergebnis entspricht nicht dem vorgegebenen Ziel.
AP12: Projektmanagement
• Teilberichte während Projektlaufzeit und vollständiger Abschlussbericht.
• Teilberichte während Projektlaufzeit und vollständiger Abschlussbericht erstellt.
Das erreichte Ergebnis entspricht dem vorgegebenen Ziel.
-
Seite 16 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
5 Erläuterung zur Verwendung der Zuwendungen
5.1 Personaleinsatz
Im Folgenden sind die geleisteten Personenmonate (gemäß Einzelansatz A.1 des
Finanzierungsplans) und die Ausgaben für Leistungen Dritter (Einzelansatz C des
Finanzierungsplans) auf die einzelnen Forschungseinrichtungen verteilt dargestellt.
Jahr FE 1 Hahn-Schickard FE 2 IMTEK
A.1 [PM] C [€] A.1 [PM] C [€]
2016 6,5 0 5,4 0
2017 17,24 0 16,80 0
2018 9,15 0 9,80 0
2019 1,55 0 8 0
Summe 34,44 0 40 0
5.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit
Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Arbeiten waren für die Erreichung
der Forschungsziele notwendig und angemessen.
Es wurden keine gewerblichen Schutzrechte erworben oder angemeldet.
6 Darstellung des wissenschaftlich-technischen und
wirtschaftlichen Nutzens der erzielten Ergebnisse
Die erzielten Ergebnisse zeigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Sensorsysteme, auch
wenn die Projektziele nicht vollständig erreicht wurden. Zudem wurden die technologischen
Herausforderungen, vor die gängige Sensortechnologieprozesse gestellt werden, in der
LKM-Entwicklung im Projektverlauf aufgedeckt und, soweit im Rahmen des Projekts möglich,
erforscht. Von Seiten der Industrie besteht nach wie vor großes Interesse an den im Projekt
erforschten Konzepten und Systemen. So ergeben sich in verschiedenen Anwendungen große
Vorteile durch den Einsatz von LKM. Z.B. kann durch den flexibel einstellbaren Messbereich
und die hohe Auflösung von LKM, in Anwendungen, bei denen bislang zwingend mehrere
Sensorsysteme notwendig sind (z.B. Feldsensoren, Magnetencoder), ein einzelnes LKM-
System eingesetzt werden. Die Projektergebnisse zeigen deutlich das Potential des
Sensorkonzepts für die genannten, sowie weitere Anwendungen (z.B. Endoskoportung),
weshalb das Projekt als Anschubentwicklung für eine neue Sensortechnologie in Deutschland
gesehen werden kann. Der Fokus von 3DLKM lag hauptsächlich auf der Entwicklung von 3D-
Sensoren für Navigationsanwendungen. Im Projektverlauf und insbesondere nach Kommu-
nikation der Projektergebnisse an die teilnehmenden Industrieunternehmen hat sich gezeigt,
dass hochauflösende 1D-Sensoren, mit flexibel einstellbarem Messbereich und hohem maximal
detektierbaren Magnetfeld, für die Industrie deutlich interessanter sind. Deshalb planen die
Forschungsstellen ein Anschlussprojekt mit dieser Ausrichtung und dem Ziel ein Sensorsystem
zu entwickeln, dass insbesondere den unterschiedlichen Anforderungen der KMU aus den
verschiedenen Anwendungsbereichen gerecht wird.
-
Seite 17 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
7 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft
Durch erhebliche unvorhersehbare Herausforderungen bei der mikrotechnologischen Umset-
zung, bedingt durch einen zu Inertialsensoren komplexeren Chipaufbau und sich daraus erge-
bende Einflüsse auf die erfolgreiche Herstellung von vakuumverkapselten Musterchips mit
mehrlagigen Spulenschichten, mussten die geplanten Transfermaßnahmen den Umständen
und Ergebnissen angepasst werden. Da ein Ergebnistransfer, insbesondere zum projektbeglei-
tenden Ausschuss, Industrie sowie wissenschaftliche Veröffentlichungen, auf verfügbaren funk-
tionalen Mustern basiert, mussten die geplanten Transfermaßnahmen gekürzt werden.
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die planmäßig durchgeführten Transferaktivitä-
ten, sowie über die angepassten geplanten Transferaktivitäten:
Geplante spezifische Transfermaßnahmen während der Projektlauzeit
Maßnahme Ziel Ort/Rahmen Datum/Zeitraum
KickOff Meeting Abstimmung bezüglich der
Erwartungen und Anforde-
rungen an das zu entwickeln-
de Sensorsystem.
Hahn-Schickard,
Villingen-
Schwenningen
20.09.2016
erfolgt
Jahresbericht Vorstellung des Projekts im
Rahmen des Jahresberichts
von Hahn-Schickard
2017
erfolgt
Treffen des PA Information und Präsentation
der bisher erzielten Ergeb-
nisse an den PA. Diskussion
und Meinungsaustausch
zwischen den Mitgliedern des
PA und den beteiligten For-
schungsstellen.
Hahn-Schickard,
Villingen-
Schwenningen
Nicht erfolgt
Statusbericht über
bisherigen Projekt-
verlauf an PA
20.12.2017
erfolgt
Workshop
Messumgebung
Matesy, Jena 01.-02.02.2017
erfolgt
Telefonische Bera-
tung durch PA Un-
ternehmen
Erfolgt
Gesamte
Projektlaufzeit
Messeauftritt
(Sensor+Test
2017)
Mittels Präsentation von Pro-
jektinhalten und Ergebnissen
auf der Sensor+Test wird ein
breites Publikum aus dem in-
dustriellen technischen
Umfeld angesprochen.
Messe, Nürnberg Mai 2017
Nicht erfolgt
-
Seite 18 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Veröffentlichung in
wissenschaftlichen
Fachjournalen und
auf wissenschaftli-
chen Konferenzen
Mittels Veröffentlichungen in
wissenschaftlichen Fachjour-
nalen und auf Fachkonferen-
zen sollen die Forschungser-
gebnisse in die wissenschaft-
liche Fachwelt kommuniziert
werden.
MST Kongress 2017
Vortrag: Mikromecha-
nisch hergestelltes 3D
Lorentzkraft Magneto-
meter mit neuartigem
multiaxialem Betriebs-
prinzip und ultra-low-
power Ausleseverfah-
ren.
Veröffentlichung im
Tagungsbandbeitrag.
IEEE Sensors 2019
Konferenz in Montreal,
Vortrag:
A Lorentz Force
Magnetometer with
600 nT/√Hz Resolution
over a Bandwidth of
480 Hz utilizing Force
Feedback and CMOS
Readout Electronics
Erfolgt [8] [9]
Zeitweilig bezieh-
barer Demonstra-
tor
Am PA beteiligte Unterneh-
men vermessen das Demon-
strationssystem für Testzwe-
cke.
Nicht erfolgt
Hahn-Schickard
Internetauftritt
Ergebnisbereitstellung für ein
breites Publikum
Hahn-Schickard,
Villingen
erfolgt
IMTEK
Internetauftritt
Ergebnisbereitstellung für ein
breites Publikum
IMTEK, Freiburg erfolgt
Abschlussarbeit Wissenschaftliche Dokumen-
tation der Forschungsergeb-
nisse und Einbindung in den
erweiterten wissenschaftli-
chen Kontext
IMTEK, Freiburg erfolgt
-
Seite 19 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Geplante spezifische Transfermaßnahmen nach Abschluss des Vorhabens
Maßnahme Ziel Ort/Rahmen Datum/Zeitraum
Abschlusstreffen
des PA
Präsentation der erzielten Er-
gebnisse. Austausch zwi-
schen den Mitgliedern des PA
und den beteiligten For-
schungsstellen, speziell mit
Blick auf die für die industriel-
le Umsetzung nötigen nächs-
ten Schritte.
Hahn-Schickard,
Villingen-
Schwenningen
nach
Projektende
laufend
Abschlussbericht Im Abschlussbericht werden
die Projektergebnisse und
aus den Arbeiten erlangte Er-
kenntnisse ausführlich darge-
stellt und dienen als Basiswis-
sen für die Entwicklung neuer
Produkte.
nach
Projektende
erfolgt
Zeitweilig
beziehbare
Demonstratoren
Anhand zeitweilig beziehbarer
Demonstrationssysteme kön-
nen Interessierte Unterneh-
men die Vorteile des neuarti-
gen Sensorsystems gegen-
über gängiger Sensortechno-
logien testen und die Einsatz-
möglichkeit in ihren Produk-
ten prüfen.
nach
Projektende
Nicht erfolgt
Veröffentlichung in
wissenschaftlichen
Fachjournalen
Mittels Veröffentlichungen in
wissenschaftlichen Fachjour-
nalen und auf Fachkonferen-
zen sollen die Forschungser-
gebnisse in die wissenschaft-
liche Fachwelt kommuniziert
werden.
IEEE Sensors 2019
(Vortrag und Konfe-
renzbeitrag): A Lorentz
Force Magnetometer
with 600 nT/√Hz Reso-
lution over a Band-
width of 480 Hz utili-
zing Force Feedback
and CMOS Readout
Electronics.
IEEE Sensors 2019
Nach
Projektende
laufend
-
Seite 20 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Konferenz in Montreal,
Kanada, 27-30 Okto-
ber, 2019
Hahn-Schickard
Jahresbericht
2019
Ergebnisbereitstellung für ein
breites Publikum
Hahn-Schickard,
Villingen
Ende 2019
laufend
Hahn-Schickard
Internetauftritt
Ergebnisbereitstellung für ein
breites Publikum
Hahn-Schickard,
Villingen
laufend
IMTEK
Internetauftritt
Ergebnisbereitstellung für ein
breites Publikum
IMTEK, Freiburg laufend
Messeauftritte bei
Sensor+Test 2020
Durch die Präsentation der
Projektergebnisse bei Messe-
auftritten werden weitere po-
tenzielle Interessenten auf
das neuartige Sensorsystem
aufmerksam gemacht.
Messe, Nürnberg nach
Projektende
laufend
Dissertation Wissenschaftliche Dokumen-
tation der Forschungsergeb-
nisse und Einbindung in den
erweiterten wissenschaftli-
chen Kontext
IMTEK, Freiburg laufend
Nachfolgeprojekt
HOLMES
Weiterentwicklung der im
Projekt erarbeiteten
Sensorsysteme unter
Berücksichtigung der Einga-
ben des PA während des Pro-
jekts sowie nach Projektab-
schluss
Hahn-Schickard,
Villingen
IMTEK, Freiburg
nach
Projektende
Akquisition
laufend
-
Seite 21 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8 MEMS-Sensorentwurf und Elektronikentwicklung
8.1 Sensorausführung: Ein Speisestrom für alle Achsen
Für den Sensorbetrieb waren zunächst prinzipiell verschiedene Ausführungen der
MEMS-Sensoren denkbar:
1. Ein gemeinsamer Speisestrom (eine einzige Frequenz) für alle Sensorachsen. Nutzung
derselben Leiterbahnstrukturen zur Erzeugung der Lorentzkraft.
2. Überlagerte unterschiedliche Speisestromanteile (unterschiedliche Frequenzen) für alle
Sensorachsen. Nutzung derselben Leiterbahnstrukturen zur Erzeugung der Lorentzkraft.
3. Unterschiedliche Speiseströme für alle/verschiedene Sensorachsen mit individuellen
Leiterbahnstrukturen (Frequenzunabhängig) für die Erzeugung der Lorentzkraft.
Wegen verschiedener Gesichtspunkte wurde die erstgenannte Ausführung für den
Sensorbetrieb gewählt.
Für den Sensorbetrieb muss lediglich ein Strompfad für die Erzeugung der Lorentzkraft auf dem
Sensorelement implementiert werden. Dadurch kann die benötigte Fläche auf dem
Sensorelement geringer ausfallen, als wenn für jede Sensorachse ein separater Strompfad
benötigt würde. Das bedeutet, dass die Sensoren kleiner ausfallen können oder aber, dass für
die benötigten Elektroden mehr Fläche zur Verfügung steht, wodurch die Sensitivität gesteigert
werden kann. Zudem sind der gesamte elektrische Widerstand der Spule und der
voraussichtlich benötigte Gesamtstrom vergleichsweise geringer. Dadurch kann von einer
niedrigeren Leistungsaufnahme ausgegangen werden.
Eine wesentliche Voraussetzung ist dabei die gleiche Resonanzfrequenz aller Sensorachsen,
damit der positive Effekt der Resonanzüberhöhung für alle Sensorachsen genutzt werden kann.
Dieser Zustand kann in gewissen Grenzen durch einen Frequenzabgleich herbeigeführt
werden, wenn die Resonanzfrequenzen der einzelnen Sensorachsen nicht zu weit auseinander
liegen.
-
Seite 22 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.2 Einflussgrößen beim MEMS-Sensorentwurf
Die im Folgenden aufgelisteten Größen sind bei der Sensorauslegung wesentlich. Zum Teil
werden verschiedene dieser Größen durch andere Parameter antagonistisch beeinflusst, was
eine Herausforderung bei der Sensoroptimierung darstellen kann.
• Ein möglichst niedriges thermisch mechanisches Rauschen ist Voraussetzung für
eine hohe Sensorauflösung bzw. eine möglichst niedrige Messschwelle.
Geringes thermisch mechanisches Rauschen wird bei einem Lorentzkraft-Magnetometer
mit stromführender Spule erreicht bei einer niedrigen Resonanzfrequenz, einem hohen
Gütefaktor hohem Strom /großer Spulenwindungszahl und geringer Masse /kleinem
Trägheitsmoment.
• Die Sensitivität eines Sensors ist definiert als die Änderung des Wertes der
Ausgangsgröße eines Messgerätes bezogen auf die sie verursachende Änderung des
Wertes der Eingangsgröße. Angestrebt wird eine möglichst hohe Sensitivität.
Im Falle eines kapazitiv ausgelesenen Schwingers wird die Sensitivität bestimmt durch
die Grundkapazität der feststehenden Detektionselektroden und die (lineare) Auslen-
kung der Gegenelektrode auf dem MEMS-Schwinger. Eine möglichst große Auslenkung
wird durch eine geringe Steifigkeit /hohe Masse/niedrige Resonanzfrequenz, sowie
durch einen hohen Gütefaktor des Systems erzielt.
• Ein möglichst hoher Gütefaktor wird durch eine hohe Resonanzfrequenz und/oder eine
geringe Dämpfung erzielt.
Dadurch, dass verschiedene Faktoren (Rauschverhalten, Sensitivität, Linearität, Spanne
für die Frequenzanpassung) für eher moderate Resonanzfrequenzen als Zielbereich
sprechen, sollte in diesem Projektvorhaben eine möglichst hohe Güte primär durch
einen möglichst niedrigen Chipinnendruck (Nennwert 1 mbar) und damit eine geringe
Dämpfung erzielt werden.
• Die Pull-in-Spannung setzt die durch die an den Antriebselektroden angelegte
Spannung hervorgerufene elektrostatische Kraft mit der mechanischen Rückstellkraft
der Federn in Relation. Sie bestimmt in Abhängigkeit der maximal möglichen
Auslenkung der Schwungmasse die maximale Spannung, die an den Rückkopp-
lungs-Elektroden angelegt werden kann, bevor es zu Anhaftungseffekten kommt.
Eine hohe Pull-in-Spannung wird bei hoher Federsteifigkeit des MEMS-Sensors erzielt.
• Frequenzabgleich: Das gewählte Betriebsprinzip sieht vor, dass die Resonanzfrequen-
zen aller Sensorachsen, durch Anlegen einer Abgleichspannung an den jeweiligen
Antriebselektroden, aufeinander abgestimmt werden können. Dafür müssen die
Resonanzfrequenzen aller Achsen in einem ähnlichen Bereich liegen. Bei der Ausle-
gung der Sensorelemente musste dabei miteinbezogen werden, dass unter Umständen
die Resonanzfrequenzen bestimmter Achsen zwingend über oder unter der Resonanz-
frequenz anderer Achsen liegen müssen. Dementsprechend wurden die Sensorelemen-
te so ausgelegt, dass die Resonanzfrequenzen einen gewissen Abstand voneinander
haben. Dadurch sollte sichergestellt werden, dass die Resonanzfrequenzen der einzel-
nen Achsen auch bei Technologieschwankungen relativ zueinander in der qualitativ rich-
tigen Abfolge vorliegen. Dabei musste gewährleistet sein, dass bei Anlegen von Span-
nungen unterhalb der Pull-in-Spannung die Spanne der möglichen Frequenzanpassung
der einzelnen Achsen ausreicht, um die Resonanzfrequenzen aufeinander abzustim-
men.
-
Seite 23 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.3 Vorgehen beim MEMS-Sensorentwurf
Der Sensorentwurf wurde nach folgendem Ablauf durchgeführt:
• Erste vereinfachte analytische Modellierung (Mathematica®) von einachsigen
Torsionsplatten (für Magnetfelder parallel zu einer Richtung in der Chipebene) mit
Metallspule, um ein Verständnis für den Einfluss verschiedener Parameter auf die
Sensorzielspezifikationen zu entwickeln (Größe, Stromstärke, Balkenbreite, …)
• Parallel zu den ersten analytischen Berechnungen wurde eine umfassende Erweiterung
der bestehenden hauseigenen analytischen Simulationsumgebung (MATLAB®-basiert)
um Funktionen vorgenommen, die die Auslegung ein- bis dreiachsiger LKM ermöglichen
(davor nur für die Auslegung von Inertialsensoren anwendbar).
• Erstellung weitestgehend parametrisierter analytischer Modelle für einachsige,
zweiachsige und dreiachsige Sensorelemente mit der hauseigenen analytischen
Simulationsumgebung, zur ersten Auslegung und weitergehenden Optimierung der
relevanten Größen wie Resonanzfrequenz, Grundkapazität, Sensitivität, Güte, etc.
• FEM-Analyse der zuvor ausgelegten analytischen Modelle zur Überprüfung der
berechneten Resonanzfrequenzen, und zur Identifikation höherer, potentiell störender
Schwingungsmoden
• Anpassung der analytischen Modelle an die Ergebnisse der FEM-Analyse
• Ermittlung der Auswirkung von technologischen Prozessschwankungen anhand der
überarbeiteten analytischen Modelle
Alle Entwürfe der unterschiedlichen Sensorelemente mussten im Projektverlauf
unvorhergesehener Weise zweimal stark überarbeitet werden.
Die erste umfassende Änderung war nötig, um die minimale Balkenbreite der Sensoren von
12 µm auf 16 µm zu erhöhen, da die zunächst mit 12 µm Breite ausgelegten Biege- und
Torsionsbalken mit dem schlussendlich ausgearbeiteten Prozessablauf technologisch nicht
umsetzbar waren. Zudem musste eine minimale Strukturauflösung von 2,5 µm statt sonst
üblicher 2 µm angenommen werden. Ursächlich dafür war der vergleichsweise große Abstand
zwischen Fotolack und Maske durch den für die Spule benötigten Schichtstapel und den dicken
Fotolack bei der Lithographie für die Freiätzung der MEMS-Strukturen und damit
einhergehender erhöhter Lichtstreuung/-beugung unter die Lithographiemaske.
Durch die deutliche Erhöhung der Balkenbreite wurden die unangepassten ursprünglichen
Sensorelemente erheblich steifer. Daher mussten die Balkenlängen großteils geändert werden,
um die Resonanzfrequenzen wieder zu senken und zueinander anzupassen.
Als problematischer als die Änderung der Resonanzfrequenzen der sensitiven Moden bewertet
wurde jedoch ein starkes Absinken der zweiten Schwingungsmode (Kippmode) fast schon in
den Bereich der Resonanz der sensitiven Mode bei den linear in der Chipebene schwingenden
Sensorelementen. Dies könnte zu Instabilität und Verfälschung des Sensorsignals im Betrieb
führen. Um dem entgegen zu wirken, wurden breitere gefaltete Balken zur Stromführung und
dazu parallele ungefaltete schmalere Balken zur Verbesserung des Frequenzverhältnisses
Kippmode/sensitive Mode implementiert. Darüber hinaus wurde die Schwungmasse der
Sensoren teilweise mit einer Perforation versehen, um die Auswirkungen von technologisch
bedingten Grabenaufweitungen möglichst gering zu halten.
Bei der zweiten notwendigen Änderung mussten die Ankerstrukturen der Sensorelemente von
innen nach außen verlegt werden, weil eine Verdrahtung sonst nicht möglich gewesen wäre.
-
Seite 24 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.4 Vorgehen nach Abschluss des MEMS-Sensorentwurfs
• Chiplayout in CADENCE®:
o Auslegung der Verdrahtung der unterschiedlichen Sensorelemente in den
Sensorchips, angepasst an die Bondpadbelegung der Sensorchips
o Auslegung der für die Sensorchips benötigten Lithographiemasken auf Chiplevel
o Auslegung von Teststrukturen/Testchips und den benötigten Lithographiemasken
auf Chiplevel
• Waferlayout in CADENCE:
o Anordnung der Lithographiemaskenlayouts der verschiedenen Chipvariationen
und Teststrukturen für einen 4‘‘ Wafer
o Entwurf von auf die Prozessabfolge angepassten Justagemarken für die
einzelnen Lithographiemasken
8.5 Übersicht über Sensorentwürfe im Projektverlauf
Die in diesem Kapitel vorgestellten Entwürfe für 1D- 2D- und 3D-Sensorelemente dienten im
weiteren Projektverlauf jeweils als Grundlage für die Weiterentwicklung, wurden aber selbst
nicht weiterverfolgt oder gefertigt. Die gezeigten Entwürfe sollen einen Eindruck vom Umfang
der Entwurfsphase vermitteln.
8.5.1 1D-Sensorelemente: In-plane-sensitive, torsionale Sensorelemente
Entwurf #1
• Sensorgröße 800 x 900 µm²
• 10 Spulenwindungen nebeneinander
• Torsionsplatte ohne Perforation
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 150 µm lang, sehr weit in der Mitte angesetzt
• Auslesekapazitäten innerhalb der Spule, Rückkopplungskapazitäten außerhalb der Spule (rote Flächen)
• Resonanzfrequenz ca.11,9 kHz (Analytik)
Probleme:
• Sehr hohe Dämpfung, dadurch sehr geringe Güte
Lösungsansatz:
• Perforierte Torsionsplatte
-
Seite 25 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #2
• Sensorgröße 700 x 960 µm²
• 10 Spulenwindungen nebeneinander
• Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 220 µm lang, zur Reduktion der Resonanzfrequenz relativ weit in der Mitte angesetzt
• Auslesekapazitäten innerhalb der Spule, Rückkopplungskapazitäten außerhalb der Spule (rote Flächen)
• Resonanzfrequenz ca.12,0 kHz (Analytik)
Probleme:
• Immer noch hohe Dämpfung, dadurch relativ geringe Güte
• Sehr kleine Auslese- und Rückkopplungskapazitäten
Lösungsansatz:
• Größere perforierte Torsionsplatte
• Reduktion der für die Spule benötigte Fläche → Überlagerte Spule
Entwurf #3
• Sensorgröße 700 x 820 µm²
• 10 Spulenwindungen mit zwei zueinander versetzten überlagerten Spulenlagen (nicht deckungsgleich )
• Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 220 µm lang, zur Reduktion der Resonanzfrequenz relativ weit in der Mitte angesetzt
• Auslesekapazitäten innerhalb der Spule, Rückkopplungskapazitäten außerhalb der Spule
• Resonanzfrequenz ca.12,6 kHz (FEM)
Probleme:
• FEM Untersuchung: Zweite Schwingungsmode (19,1 kHz) unerwünscht nahe an sensitiver Mode (12,6 kHz)
Lösungsansatz:
• Kürzere Balken, bei größerer Masse, um das Verhältnis von Re-sonanzfrequenz der rotatorischen Schwingung um die z-Achse und Resonanzfrequenz der sensitiven Schwingungsmode (Torsionsschwingung um x-Achse) zu erhöhen
-
Seite 26 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #4
• Sensorgröße 700 x 960 µm²
• 10 Spulenwindungen mit zueinander versetzten überlagerten Spulenlagen (nicht deckungsgleich )
• Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 150 µm lang. Erhöhte Resonanzfrequenz (analytisch: 16,1 kHz statt vorher max. 13,8 kHz)
• Auslesekapazitäten innerhalb der Spule, Rückkopplungskapazitäten außerhalb der Spule
• FEM: Sensitive Mode @ 14,5 kHz, zweite Schwingungsmode @ 36,0 kHz
Probleme:
• Sensitivität relativ gering
Lösungsansatz:
• Größere Masse zur Reduktion der Resonanzfrequenz → Erhöhung der Sensitivität (allerdings auf Kosten der Güte!)
-
Seite 27 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #5
• Sensorgröße 1300 x 640 µm²
• 10 Spulenwindungen: zwei überlagerte deckungsgleiche Spulenlagen
• Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 150 µm lang. Niedrigere Resonanzfrequenz im Vergleich zu den bisherigen Entwürfen (7,8 kHz statt vorher min. 11,9 kHz)
• Auslesekapazitäten und Rückkopplungskapazitäten innerhalb der Spule
• Deutlich erhöhte Sensitivität im Vergleich zu vorhergehenden Modellen
• FEM: Sensitive Mode @ 7,1 kHz, zweite Schwingungsmode @ 16,6 kHz
Lösungsansatz:
• Entwurf genügt den Ansprüchen, es werden noch einige Modifikationen/Ver-feinerungen vorgenommen
Entwurf #6
• Sensorgröße 1300 x 640 µm²
• Ankergröße angepasst (150 µm x 250 µm), dass alle benötigten elektrischen Kontakte dort Platz finden
• 10 Spulenwindungen: zwei überlagerte deckungsgleiche Spulenlagen Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 120 µm lang. Resonanzfrequenz 8,2 kHz
• Auslesekapazitäten und Rückkopplungskapazitäten innerhalb der Spule
• FEM: Sensitive Mode @ 7,4 kHz, zweite Schwingungsmode @ 28,0 kHz
Lösungsansatz:
• Entwurf genügt den Ansprüchen, es werden noch einige Modifikationen/Ver-feinerungen vorgenommen
-
Seite 28 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #7
• Sensorgröße 1300 x 640 µm²
• Bereich für Stopperstrukturen eingefügt
• 10 Spulenwindungen: zwei überlagerte deckungsgleiche Spulenlagen
• Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden
• Zentrale Ankerstruktur
• Torsionsbalken 120 µm lang. Resonanzfrequenz 8,2 kHz
• Auslesekapazitäten und Rückkopplungskapazitäten innerhalb der Spule
• FEM: Sensitive Mode @ 7,3 kHz, zweite Schwingungsmode @ 27,7 kHz
• Dieser Entwurf sollte zunächst als 1D-sensitives Sensorelement realisiert werden, allerdings stellte sich der zentrale Anker als ungünstig für die Sensorverdrahtung heraus. Daher musste der Anker in einer Überarbeitung des Sensors nach außen verlegt werden.
8.5.2 1D-Sensorelemente: Out-of-plane-sensitive, linear schwingend
Entwurf #8
• Strukturgröße 2540 x 700 µm²
• 4 Leiterbahnen mit Beitrag zur Lorentzkraft in sensitiver Richtung auf der Struktur
• Länge Biegebalken 700 µm
• Elektrodenlänge 95 µm
• FEM: Sensitive Mode @ 7,0 kHz, zweite Schwingungsmode @ 15,4 kHz
Probleme:
• Zu hoher Rauschpegel
Lösungsansatz:
• Güte erhöhen → Elektroden kürzen (geringere Dämpfung), Biegebalken kürzen (höhere Resonanzfrequenz)
-
Seite 29 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #9
• Strukturgröße 2540 x 700 µm²
• Verbundene Ankerelemente für Stromüberführung
• 4 Leiterbahnen mit Beitrag zur Lorentzkraft in sensitiver Richtung auf der Struktur
• Länge Biegebalken 660 µm
• Elektrodenlänge 75 µm
• FEM: Sensitive Mode @ 7,9 kHz, zweite Schwingungsmode @ 15,6 kHz
Probleme:
• Entwurf genügt weitgehend den Ansprüchen, aber Ankerflächen noch zu klein
Entwurf #10
• Strukturgröße 2540 x 531 µm²
• Verbundene Ankerelemente für Stromüberführung mit vergrößerten Flächen für Bondverbindung. Ankerflächen in Sensorelement eingerückt zur Platzersparnis.
• 4 Leiterbahnen mit Beitrag zur Lorentzkraft in sensitiver Richtung auf der Struktur
• Länge Biegebalken 660 µm
• Elektrodenlänge 75 µm
• FEM: Sensitive Mode @ 7,75 kHz, zweite Schwingungsmode @ 16,3 kHz
• Dieser Entwurf sollte zunächst als 1D-in-plane-Sensorelement realisiert werden, musste aber wegen Anpassung der Balkenbreite noch einmal stark überarbeitet werden.
-
Seite 30 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.5.3 2D-Sensorelemente: xy-sensitive, torsionale Sensorelemente
Entwurf #11
• Eine einzige Torsionsplatte zentral an einer Art kardanischer Aufhängung befestigt
Probleme:
• Schwierigkeiten macht hier die nicht vorhandene Entkopplung der beiden sensitiven Achsen.
Lösungsansatz:
• Zwei entkoppelte Torsionsplatten
Entwurf #12
• Zwei entkoppelte Torsionsplatten
• Torsionsplatten mit Perforation unter den Deckelelektroden
• 10 Spulenwindungen: überlagerte Spule als deckungsgleiche Doppellage implementiert
• Auslesekapazitäten und Rückkopplungskapazitäten innerhalb der Spule
• FEM: Sensitive Moden @ 6,2 kHz (x), 6,05 kHz (y), dritte Schwingungsmode @ 18,6 kHz
• Dieser Entwurf sollte als 2D-sensitives Sensorelement realisiert werden, allerdings stellte sich der zentrale Anker als ungünstig für die Sensorverdrahtung heraus. Daher musste der Anker in einer Überarbeitung des Sensors nach außen verlegt werden
-
Seite 31 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.5.4 2D-Sensorelemente: xz-sensitive, torsional/linear schwingende Sensor-
elemente
Bei den xz-sensitiven Sensorelementen hatte sich im relativ fortgeschrittenen Projektverlauf ein
Fehler in der Programmierung der Entwicklungsumgebung herausgestellt, durch den zu hohe
Sensitivitäten bei der in-plane-Bewegung angezeigt wurden. Durch den späten Zeitpunkt konnte
diese Problematik nicht mehr rechtzeitig ausgemerzt werden. Daher wurde bei den
technologisch umgesetzten 2D-Sensorelementen auf xz-sensitive Sensorelemente verzichtet.
Entwurf #13
• Zentrale Torsionsplatte an umlaufender, in der Chipebene schwin-gender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• FEM: Sensitive Moden @ 6,3 kHz (lin. y), 8,2 kHz (tors. y), dritte Schwingungsmode @ 14,0 kHz
Probleme:
• Gefaltete Balken zu weich, MEMS-Struktur wird stark aus der Chipebene herausgehoben.
Lösungsansatz:
• Gefaltete Balken kürzen
-
Seite 32 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #14
• Zentrale Torsionsplatte an umlaufender, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• Gefaltete Balken gekürzt
• FEM: Sensitive Moden @ 8,1 kHz (tors. y), 10,3 kHz (lin. y), dritte Schwingungsmode @ 20,3 kHz
Probleme:
• in-plane-Resonanzfrequenz höher als out-of-plane-Resonanz-frequenz
Lösungsansatz:
• Torsionsbalken kürzer um sensitive Moden anzugleichen
Entwurf #15
• Zentrale Torsionsplatte an umlaufender, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• Torsionsbalken gekürzt
• FEM: Sensitive Moden @ 10,2 kHz (tors. y), 10,4 kHz (lin. y)
• Dritte Schwingungsmode @ 21,1 kHz
-
Seite 33 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.5.5 D-Sensorelemente
Bei den hier vorgestellten ersten Entwürfen für dreiachsige Sensorelemente waren die
beweglichen Massen der MEMS-Struktur für alle Achsen miteinander verbunden und dieser
Verbund über zwei außen liegende Ankerstrukturen am Substrat befestigt. Die Entwürfe
konnten nicht weiterverfolgt werden, u.a. da diese zusammenhängende Sensorstruktur zu
wenig steif ausgelegt werden konnte, um nachfolgende Schwingungsmoden in einen genügend
weit von den sensitiven Schwingungsmoden entfernten Bereich zu schieben.
Entwurf #16
• Zentrale doppelte Torsionsplatte (ähnlich wie in #12) an umlaufen-der, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• FEM: Sensitive Moden @ 4,6 kHz (tors. x), 8,1 kHz (tors. y)
• FEM: Sensitive Mode @ 8,3 kHz (lin. y)
• Vierte Schwingungsmode @ 9,9 kHz
Probleme:
• Äußerer Rahmen biegt sich zu stark
• Vierte Schwingungsmode zu niedrig
• Torsionsachsen stark unterschiedliche Resonanzfrequenzen, erste Schwingungsmode zu niedrig
Lösungsansatz:
• Äußeren Rahmen breiter
• Balkenlängen anpassen
-
Seite 34 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #17
• Zentrale doppelte Torsionsplatte (ähnlich wie in #12) an umlaufender, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• Rahmen verbreitert
• x-Torsionsbalken verkürzt
• Stopperbereich für y-Torsionsplatte eingefügt
• FEM: Sensitive Moden @ 6,0 kHz (tors. x), 7,7 kHz (tors. y)
• FEM: Sensitive Mode @ 7,7 kHz (lin. y)
• Vierte Schwingungsmode @ 10,4 kHz
Probleme:
• Äußerer Rahmen biegt sich zu stark
• Vierte Schwingungsmode zu niedrig
• Torsionsachsen stark unterschiedliche Resonanzfrequenzen, erste Schwingungsmode zu niedrig
Lösungsansatz:
• Massen anpassen
• Balkenlängen anpassen
-
Seite 35 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #18
• Zentrale doppelte Torsionsplatte (ähnlich wie in #12) an umlaufen-der, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• innere Masse kleiner
• Torsionsbalken (tors. y) kürzer
• Elektrodenanzahl/länge geändert
• FEM: Sensitive Moden @ 7,3 kHz (tors. x), 7,4 kHz (tors. y)
• FEM: Sensitive Mode @ 7,8 kHz (lin. y)
• Vierte Schwingungsmode @ 11,5 kHz
Probleme:
• Vierte Schwingungsmode zu niedrig
-
Seite 36 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #19
• Zentrale doppelte Torsionsplatte (ähnlich wie in #12) an umlaufen-der, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• alle Balken kürzer (dadurch Masse mittlerer Rahmen geringer)
• Elektrodenanzahl/länge geändert
• FEM: Sensitive Moden (@ 9,4 kHz (tors. y), 9,8 kHz (tors. x)
• FEM: Sensitive Mode @ 11,0 kHz (lin. y)
• Vierte Schwingungsmode @ 13,2 kHz
Probleme:
• Vierte Schwingungsmode zu niedrig
-
Seite 37 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Entwurf #20
• Zentrale doppelte Torsionsplatte (ähnlich wie in #12) an umlaufender, in der Chipebene schwingender Rahmenstruktur aufgehängt. Rahmenstruktur über einfach gefaltete Biegebalken verankert
• äußerer und mittlerer Rahmen breiter zur Versteifung (dadurch Masse mittlerer Rahmen geringer)
• Elektrodenanzahl/länge geändert
• FEM: Sensitive Moden @ 8,8 kHz (tors. x), 9,5 kHz (tors. y)
• FEM: Sensitive Mode @ 10,0 kHz (lin. y)
• Vierte Schwingungsmode @ 12,5 kHz
Probleme:
• Vierte Schwingungsmode zu niedrig
•
-
Seite 38 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.6 Charakteristika der MEMS-Sensorelemente
Es wurden im Projektverlauf einachsige Linearschwinger, einachsige Torsionsschwinger, zwei-
achsige Torsionsschwinger und dreiachsige Sensorelemente, die beide Schwingungsarten
kombinieren, entworfen. Daraus wurden jeweils dreiachsig sensitive Sensorchips zusammenge-
stellt. Von diesen Chips wurden im Projektverlauf jeweils verschiedene Versionen mit teilweise
unterschiedlicher Spulenbreite und Unterschieden in der Verdrahtung umgesetzt.
• Differentielle Elektrodenanordnung für jedes Sensorelement/jede Achse, dadurch
Kompensation von nichtlinearem Zusammenhang von Kapazitätsänderung und Aus-
lenkung bei abstandssensitivem Prinzip. Zudem Verdoppelung der Empfindlichkeit
gegenüber der Einzelelektrode.
• 30 µm Si-Strukturhöhe
• Großteils Doppellagige Spulenmetallisierung aus Ti/WTi/Au/Ti (erste Metallisierungs-
schicht) bzw. Ti/Au (zweite Metallisierungsschicht), mit jeweils einer Isolationsschicht
zwischen mechanischer Si-Struktur und erster Metalllage und zwischen den Metallisie-
rungsschichten aus SiO2.
• minimale Strukturauflösung der mechanischen Strukturen von 2,5 µm
• Breite der Balken mit Spulenmetallisierung 16 µm
• In-plane-Schwinger verfügen über 16 µm breite gefaltete Balken, zur Führung der
Spulenmetallisierung, neben parallel dazu geführten, sehr schmalen Balken ohne Metal-
lisierung, die die letztendliche Steifigkeit der Struktur definieren.
• Perforation der Masseelemente zur Verringerung der Dämpfung und dadurch Erhöhung
der Güte bei Torsionsschwingern
• Perforation der Masseelemente zur Reduktion der Auswirkungen von Prozessabwie-
chungen auf die Resonanzfrequenz beim 3-D-Sensorelement (zu schmale Balken
werden durch geringere Gesamtasse ausgeglichen und umgekehrt)
-
Seite 39 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.7 Technologisch umgesetzte Sensorelemente
8.7.1 3D-MEMS-Sensorelement: Analytische Modellierung
Der finale Entwurf des 3D-Sensorelements verfügt über zwei ineinander gestellte und um 90°
zueinander gedrehte perforierte Torsionsplatten für die Detektion von Magnetfeldern in
x-/y-Richtung, sowie über einen umlaufenden, in der Chipebene in y-Richtung beweglichen
perforierten Rahmen für die Detektion von Magnetfeldern in z-Richtung. Torsionsplatten und
Rahmen sind über Torsions- bzw. Biegebalken mit einer gemeinsamen Ankerstruktur
verbunden (s. Abbildung 4).
• Für einen Frequenzabgleich muss die Linearschwingung in der Chipebene die niedrigste
Resonanzfrequenz haben, da hier die Abgleichspanne am niedrigsten ausfällt. Gleich-
zeitig muss die x-Achse eine höhere Resonanzfrequenz als die y-Achse haben, da
durch den y-Achsen-Abgleich auch die Frequenz der x-Achse beeinflusst wird.
• Bei der Elektrodenauslegung musste für die Grundkapazität der Ausleseelektroden ein
technologisches Minimum von ca 125 fF berücksichtigt werden.
• Es wurde ein Rauschpegel von
-
Seite 40 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.7.2 3D-MEMS-Sensorelement: FEM-Modalanalyse
Die für die FEM-Analyse verwendeten Modelle der Sensorelemente vernachlässigen die auf der
Si-Struktur abzuscheidenden Oxid- und Metall-Strukturen für die isolierte Spule. Diese
beeinflussen allerdings das Resonanzverhalten der Gesamtstruktur durch Veränderung der
Masse/des Trägheitsmoments und der Balkensteifigkeit.
Daher wurden für die Bestimmung der veränderten Balkensteifigkeiten ergänzende
FEM-Untersuchungen von Balken mit der zusätzlich erforderlichen Materialabfolge durchge-
führt. Dabei muss diese Untersuchung als Richtwert verstanden werden, da der benötigte Wert
des Elastizitätsmoduls von gesputtertem Wolframtitan (WTi) nicht als Literaturwert vorliegt. Aus
diesem Grund wurde für die Simulation der Wert für reines Wolfram (W) verwendet. Der Ein-
fluss veränderter Masse/veränderten Trägheitsmoments wurde durch analytische Berechnun-
gen miteinbezogen.
Abbildung 5 zeigt links die sensitiven ersten drei Schwingungsmoden mit den entsprechenden
simulierten Resonanzfrequenzen. Zusätzlich ist jeweils noch der mit Spulenmetallisierung ab-
geschätzte Wert eingetragen. Die rechte Seite zeigt Bilder und simulierte Resonanzfrequenzen
der vierten, fünften und sechsten Schwingungsmode ohne Spulenmetallisierung.
Mode 1 (z): 9,11 kHz, Mit Metallisierung ca. 9,06 kHz Mode 4: 19,57 kHz
Mode 2 (x): 9,40 kHz, Mit Metallisierung ca. 9,46 kHz Mode 5: 21,04 kHz
Mode 3 (y): 9,59 kHz, Mit Metallisierung ca. 9,36 kHz Mode 6: 21,50 kHz
Abbildung 5: Ergebnisse der modalen FEM-Analyse des 3D-Elements. Links: Sensitive Schwingungsmoden mit simulierten Resonanzfrequenzen ohne Spule und abgeschätzten Resonanzfrequenzen mit Spulenmetallisierung.
Rechts: Erste drei höhere Schwingungsmoden mit simulierten Resonanzfrequenzen.
-
Seite 41 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Abgeschätzt verschiebt sich durch das zusätzliche Trägheitsmoment der Spule auf den
Torsionsplatten die Resonanzfrequenz der y-Achse um ca. 500 Hz, die der x-Achse um ca.
200 Hz nach unten. Entgegengesetzt wirkt die zunehmende Steifigkeit der Balken durch die
darauf befindliche Spulenmetallisierung. Durch die Spulenmetallisierung wird vor allem die
Steifigkeit der Torsionsbalken und zwar in vergleichbarem Maße für x- und y-Achse beeinflusst.
Beide Achsen werden beim zugrunde gelegten Spulensystem (350 nm/th. Ox./200 nm
W/100 nm Au/600 nm CVD-Ox./1100 nm Au) um ca. 270 Hz nach oben verschoben. Das
bedeutet, die Grund-Resonanzfrequenzen der Torsionsachsen sollten einen Abstand von
ca. 200 Hz (höhere Frequenz dabei in der x-Achse) nicht überschreiten, damit die
Resonanzfrequenz der x-Achse definitiv immer über der der y-Achse liegt.
Schwieriger ist zu bestimmen, wie groß der Frequenz-Abstand zur z-Achse sein darf/muss, da
die Balkensteifigkeit der in-plane-schwingenden Struktur durch die Spule kaum beeinflusst wird.
Ist die Steifigkeit des WTi deutlich geringer als die von reinem W, oder kommt es bei der
Prozessierung zu starken Grabenaufweitungen, die die theoretisch berechneten Resonanzfre-
quenzen beeinflussen. ist es möglich, dass die Resonanzfrequenzen der beiden Torsionsach-
sen unter die der in-plane-Schwingung rutschen. In diesem Falle wäre ein Frequenzabgleich
stark erschwert bis unmöglich, da der Abgleichbereich der in-plane-Achse erheblich kleiner ist
als der der Torsionsschwingung. Für den Fall von Prozessbedingter Grabenaufweitung wurden
daher Abschätzungen zu den Auswirkungen ebendieser getroffen. Es wurden dabei
Grabenaufweitungen von ±300 (Standard) und ±600 nm (doppelt) betrachtet (siehe Tabelle 2
und Tabelle 3).
Es sollte gegeben sein, dass im vorliegenden Sensorentwurf auch im Falle einer
Grabenaufweitung von 600 nm bzw. -600 nm die Reihenfolge der Resonanzfrequenzen für
einen Frequenzabgleich passend bleiben und dass die Spannen für den Frequenzabgleich bei
den Torsionselementen (ca. 850 Hz x-Achse, ca. 650 Hz y-Achse) ausreichen, um die
niedrigere Resonanzfrequenz des Linearschwingers zu erreichen.
Tabelle 1: Aus FEM-Analyse ermittelte Resonanzfrequenzen für 3D-MEMS-Sensorelement ohne Grabenaufweitung
Mode Frequenz [kHz] Abgeschätzte Frequenz mit Spule [kHz]
1, (x) 9,4 9,46
2, (z) 9,11 9,06
3, (y) 9,59 9,36
Tabelle 2: Aus FEM-Analyse ermittelte Resonanzfrequenzen für 3D-MEMS-Sensorelement bei 600 und 300 nm Grabenaufweitung
Mode Frequenz @ 600 nm Gr.aufw. [kHz]
Abgeschätzte Frequenz @ 300 nm Gr.aufw. (600 nm halbiert) [kHz]
Abgeschätzte Frequenz mit Spule @ 600 nm Gr.aufw. [kHz]
1, (z) 8,64 (ohne Gr.aufw.: 9,11) Diff: 470 Hz
8,88 8,59 (300 nm Gr.aufw.: 8,82)
2, (x) 9,13 (ohne Gr.aufw.: 9,40) Diff: 270 Hz
9,27
9,20 (300 nm Gr.aufw.: 9,34)
3, (y) 9,29 (ohne Gr.aufw.: 9,59) Diff: 300 Hz
9,44 9,05 (300 nm Gr.aufw.: 9,20)
4, 19,73
5, 21,13
6, 21,50
-
Seite 42 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
Tabelle 3: Aus FEM-Analyse ermittelte Resonanzfrequenzen für 3D-MEMS-Sensorelement bei -600 und -300 nm Grabenaufweitung
Mode Frequenz @ -600 nm Gr.aufw. [kHz]
Abgeschätzte Frequenz @ -300 nm Gr.aufw. (-600 nm halbiert) [kHz]
Abgeschätzte Frequenz mit Spule @ -600 nm Gr.aufw. [kHz]
1, (x) 9,66 (ohne Gr.aufw.: 9,4) Diff: 260 Hz
9,53 9,73 (-300nm Gr.aufw.: 9,60)
2, (z) 9,56 (ohne Gr.aufw.: 9,11) Diff: 450 Hz
9,34
9,51 (-300nm Gr.aufw.: 9,29)
3, (y) 9,88 (ohne Gr.aufw.: 9,59) Diff: 300 Hz
9,74 9,65 (-300nm Gr.aufw.: 9,50)
4, 21,51
5, 24,53
6, 25,60
-
Seite 43 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.7.3 3D-MEMS-Sensorelement: Analytische Sensorspezifikation
Tabelle 4: Analytische Sensorspezifikation des 3D-Sensorelements, auch unter Einbeziehung von möglichen Technologieschwankungen.
Parameter Values Unit Bias Current 1 mA
Trench error -300 0 +300 nm
Common signal DC-Bias Voltage Level 10 V
Effective Masses
Total Mass (lin. y) 70,5 68,9 67,2 µg
Total Moment of Inertia (tors. x) 12,0 11,9 11,7 pg*m^2
Total Moment of Inertia (tors. y) 9,0 8,9 8,8 pg*m^2
Stiffness
Sense - linear (lin. y) 241,8 222,9 205,2 N/m
Sense - torsional (tors. x) 778,8 731,8 686,7 nNm/°
Sense - torsional (tors. y) 572,8 539,8 508,1 nNm/°
Resonance Frequencies
Translational sense mode (lin. y) (untuned) 9,32 9,06 8,80 kHz
Resulting resonance frequency (lin. y) (tuned @ 28 V) 8,76 8,65 8,49 kHz
Torsional Sense mode (tors. x) (untuned) 9,69 9,46 9,23 kHz
Resulting resonance frequency (tors. x) (tuned @ 15 V) 8,90 8,67 8,45 kHz
Torsional Sense mode (tors. y) (untuned) 9,61 9,37 9,13 kHz
Resulting resonance frequency (tors. y) (tuned @ 22 V) 8,93 8,69 8,47 kHz
Capacitances
Sense capacitance C0 (one elec., lin. y) 446,2 397,4 358,1 fF
Drive capacitance C0 (one elec., lin. y) 139,9 124,6 112,3 fF
Sense Cap C0 (one elec., tors. x) 383,6 366,9 349,7 fF
Feedback cap C0 (one elec., tors. x) 204,6 206,9 194,9 fF
Sense Cap C0 (one elec., tors. y) 397,5 379,6 355,2 fF
Feedback cap C0 (one elec., tors. y) 147,9 149,5 143,8 fF
Quality Factors Sense mode (untuned, lin. y) 1500 1799 2067
Sense mode (tuned @ 28 V, lin. y) 1410 1720 1997
Sense mode (untuned, tors. x) 335 297 281
Sense mode (tuned @ 15 V, tors. x) 308 272 257
Sense mode (untuned, tors. y) 369 325 320
Sense mode (tuned @ 22 V, tors. y) 343 302 297
Sensitivity
Capacitance against displacement (lin. y) 249,1 185,4 142,1 nF/m
Displacement against magnetic field (lin. y) 52,2 66,7 82,4 µm/T
Capacitance against magnetic field (lin. y) 12,9 12,4 11,7 aF/µT
Capacitance against torsion (tors. x) 3,83 3,66 3,49 pF/°
Torsion against magnetic field (tors. x) 3,78 3,62 3,60 °/T
Capacitance against magnetic field (tors. x) 14,5 13,1 12,6 aF/µT
Capacitance against torsion (tors. y) 2,51 2,39 2,24 pF/°
Torsion against magnetic field (tors. y) 5,64 5,28 5,52 °/T
Capacitance against magnetic field (tors. y) 14,1 12,7 12,4 aF/µT
Thermal Mechanical Noise RMS-TNEB @ 50 Hz BW (lin. y) 0.19 0,170 0,154 µT
RMS-TNEB @ 50 Hz BW (tors. x) 0,166 0,174 0,175 µT
RMS-TNEB @ 50 Hz BW (tors. y) 0,141 0,142 0,140 µT
Pull-In Voltages (Common Mode) IP-Sense @ +/-1,5 µm range (tuned FB) 21,92 30,68 38,95 V
IP-FB @ +/-1,5 µm range (tuned Sense) 39,16 54,80 69,57 V
TorsX-Sense @ +/-0.1065° range (tuned FB) 18,64 18,48 18,36 V
TorsX-FB @ +/-0.1065° range (tuned sense) 44,22 42,57 42,38 V
TorsY-Sense @ +/-0.1132° range (tuned FB) 24,18 23,87 23,93 V
TorsY-FB @ +/-0.1132° range (tuned sense) 44,92 43,34 42,88 V
-
Seite 44 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 18631 N
8.7.4 2D-MEMS-Sensorelement: Analytische Modellierung & FEM-
Modalanalyse
Das in 8.7.1 besprochene 3D-Sensorelement stellt eine Erweiterung des hier vorgestellten
2D-Sesorelementes dar. Das 2D-Sensorelement ist dabei in Abbildung 4 der zentrale Teil im
Ankerring (türkis). Daher gelten die in 8.7.1 und 8.7.2 durchgeführten Untersuchungen für das
3D-Sensorelement auch für das 2D-Sensorelement. Die Werte der analytischen Sensorspezifi-
kation unterscheiden sich in beiden Fällen schwach durch eine geringfügig geänderte
Elektrodengeometrie (siehe Tabelle 5).
Parameter Wert
Größe 1544 x 1178 µm² (ohne Anker)
Sense mode tors. x (untuned)
9,46 kHz
Sense mode tors. y (untuned)
9,36 kHz
Farblegende:
• Magenta - Anker
• Türkis – zwei Torsionsplatten (x-/y-Feld-Detektion)
• Rot – Deckelelektro