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Entwicklung einer neuen Gehäusetechnologie und eines Kalibrierverfahrens für Drucksensoren

Prof. Dr. Gregor Feiertag
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik


Es wird eine neue Gehäusetechnologie, Kalibrierverfahren und thermische Chuck-Systeme für sehr kleine und genaue barometrische Drucksensoren entwickelt. Außerdem wird die Störempfindlichkeit der Sensoren reduziert.


Stand der Technik:
Im Druckbereich um den Normaldruck, werden hauptsächlich piezoresistive Drucksensoren, verwendet. Diese reagieren sehr empfindlich auf mechanische Spannungen durch das Gehäuse. Piezoresistive Drucksensoren werden seit vielen Jahren eingesetzt. Für mobile Consumer Produkte sind die Abmessungen jedoch deutlich zu groß und die Fertigungskosten zu hoch.


Die kleinsten barometrischen Drucksensoren mit digitaler Schnittstelle sind 5x5 mm² bzw. 5x3 mm². Stand der Technik bei der Montage ist Einkleben des Chips in ein Gehäuse und die Kontaktierung durch Drahtbonden. Die Kontaktierung mit Drahtbonden begrenzt die Möglichkeit diese Gehäuse weiter zu miniaturisieren.


Die im Projekt angestrebte Gehäusetechnologie bietet zwei wesentliche Vorteile: Es sind deutlich kleinere Bauteilgrößen möglich und die Einkopplung von Spannungen in den Sensorchip geringer.


Für die Kalibrierung von Drucksensoren werden die Sensorsysteme bisher einzeln in Messfassungen eingelegt. Da die Messung und Kalibrierung bei Drucksensoren zu mindestens einem Drittel zu den Kosten beiträgt, sind für niedrige Kosten und hohe Stückzahlen auch hier neue Konzepte notwendig.


Neuheit:
Für die Kalibrierung ist es notwendig, Druck und Temperatur der Sensoren schnell und genau einzustellen. Kommerzielle Druckregler erfüllen die Anforderungen. Erheblich schwieriger ist die hochgenaue Einstellung der Temperatur. Deshalb wird im Projekt das Zeitverhalten der Temperaturregelung gemessen und ein dynamisches Modell des Regelverhaltens erstellt. Darauf aufbauend werden Regelkonzepte entworfen, die in Simulationen und Tests überprüft werden. Außerdem werden thermische Chuck-Systeme entwickelt.


Für eine spannungsarme und miniaturisierte Gehäusung der Drucksensoren werden Prozesse zur Herstellung von Federn zur Chipmontage in einem Keramikgehäuse entwickelt. Wichtig ist dabei die richtige Auslegung der Federn. Für die Herstellung der Federn müssen die Substrate mit einem photostrukturierbaren Opferschichtmaterial beschichtet werden. Anschließend werden die Federn in einem weiteren Lithographieprozess aufgebracht und die Opferschicht entfernt. Für die Beschichtung der Vertiefungen mit photoempfindlichem Material sind keine Fertigungsverfahren verfügbar. Vorversuche haben ergeben, dass zwei Ansätze vielversprechend sind: Sprühbelackung auf ein geheiztes Substrat oder Auflaminieren eines Folienresists.


Bisher existieren keine klaren Spezifikationen für die Störempfindlichkeit von Drucksensorsystemen. Auch definierte Prüfverfahren müssen erst erarbeitet werden. Es werden deshalb in Zusammenarbeit mit den Herstellern von Mobiltelefonen die Anforderungen erarbeitet. Darauf aufbauend werden definierte Prüfverfahren und Methoden zur Verringerung der Störempfindlichkeit entwickelt.


Risiken:
Es ist bisher nicht untersucht ob die Prozesse zur Herstellung der Federn Fertigungstauglich sind. Es besteht auch das Risiko, dass keine ausreichend schnelle und genaue Temperaturregelung möglich ist.


Entwicklungsstand:
Bei EPCOS in München werden seit vielen Jahren miniaturisierte Gehäuse und zeitoptimierte Messverfahren entwickelt. Außerdem ist die Technologie zur Herstellung der piezoresistiven Drucksensorchips verfügbar. ATT entwickelt, fertigt und vertreibt seit 10 Jahren thermische Chuck Systeme. Die Hochschule München verfügt über umfangreiche Kompetenzen in der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie der Regelungstechnik.


Das Forschungsprojekt wurde vom 01.02.2011 bis 31.10.2014 durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie gefördert.


Projektpartner waren:

  • ATT Advanced Temperature Test Systems GmbH
  • EPCOS AG, München