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Optimierung von Polysilicium Membranen eines absolut messenden, kapazitiven MEMS Drucksensors

Optimization of diaphragm characteristics of an absolute MEMS capacitive polysilicon pressure sensor
 
: Walk, Christian; Giese, Andre; Weidenmüller, Jens; Görtz, Michael

Saile, Volker (Chairman) ; VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik -GMM-:
MEMS, Mikroelemente, Systeme. Proceedings CD-ROM : MikroSystemTechnik Kongress 2015, 26. - 28. Oktober 2015 in Karlsruhe
Berlin: VDE-Verlag, 2015
ISBN: 978-3-8007-4100-7
pp.421-424
MikroSystemTechnik Kongress <6, 2015, Karlsruhe>
German, English
Conference Paper
Fraunhofer IMS ()
Eigenschaften Drucksensor; Prozessoptimierung; Membrandurchbiegung

Abstract
Der vorliegende Beitrag thematisiert die charakteristischen Merkmale von absolut messenden, kapazitiven, kreisrunden Drucksensor-Membranen im nicht-taktilen Arbeitsbereich, die aus Polysilicium gefertigt sind. Mit Hilfe von Phasenverschiebungsinterferometrie wurden die Membraneigenschaften einschließlich der Sensitivität, der stressbedingten Membranauslenkung, sowie des Abstandes der Kondensator-Flächen unter Druckbeaufschlagung charakterisiert. Exemplarisch wurden 1 µm dicke Membranen mit einem nominellen Durchmesser von 96 µm in einem spezifizierten Druckbereich von 700 - 2000 hPa analysiert. Die Prozesse zur Abscheidung der Opferschichten, sowie des Polysiliciums als Membranmaterial konnten als diejenigen Prozessschritte identifiziert werden, deren Fertigungstoleranzen signifikante Einflussgrößen auf die Sensoreigenschaften darstellen. Kumuliert können beide Faktoren unter Annahme einer nominellen Membran-Auslenkung von 300 nm eine maximale Variation des sogenannten Auflagedruckpunktes um 450 hPa verursachen. Durch Optimierung des Polysilicium-Abscheideprozesses wurde eine Reduzierung der Abweichungen der Sensitivitäten um den Faktor 2 erzielt.

 

This paper examines the characteristics of capacitive circular shaped absolute polysilicon pressure sensor diaphragms operating in the non-tactile mode. Using a phase shifting interferometer the main characteristics of diaphragms were investigated under applied pressure with respect to sensitivity, initial deflection and cavity height. Diaphragms with a thickness of 1 µm and an exemplary diameter of 96 µm were investigated in an intended pressure range of applied pressure of about 700 - 2000 hPa. Process parameters with major impact on performance and yield limitations were identified. These include the variance in diaphragm sensitivity and the impact of the variance of the sacrificial oxide layer defining the diaphragm cavity height on the contact pressure point. Summarizing both impacts a maximum variation of the contact pressure point of more than 450 hPa is possible to occur considering a nominal deflection of 300 nm. By optimizing the process of diaphragm deposition the variance in the sensitivity of the diaphragm was decreased by a factor of 2.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-364369.html