Die MEMS-Technologie
Im Teil 2 haben wir die Schwingungsmessungsmethode kennengelernt. Der vorliegende Abschnitt behandelt die Entstehung der MEMS-Technologie bei TrueDyne Sensors AG. Die Technologie hat den MEMS-Sensor hervorgebracht, dessen Herzstück ein schwingender Silizium-Messkanal ist. Im Vergleich zur konventionellen Schwinger-Technologie vereint er zahlreiche Vorteile. Diese reichen von seiner geringen Grösse und einem breiten Anwendungsbereich über die exakte Dichtebestimmung von Gasen, auch bei geringem Druck, bis hin zu einer überaus schnellen Reaktionszeit.
Inhalte
- Was ist die MEMS-Technologie?
- Wo werden MEMS-Technologien eingesetzt?
- Wie ist der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip aufgebaut?
- Welche Chancen bietet die MEMS-Technologie?
Was ist die MEMS-Technologie?
Bei der Halbleitertechnologie werden anhand verschiedener Verfahrenstechniken, z.B. mit Fotolithografie und Dünnschichttechnik, mehrere elektronische Komponenten auf einem Halbleiter-Substrat (häufig aus Silizium) strukturiert und zu einem Chip aufgebaut. Da die Einzelschritte für die Herstellung eines Chips sehr aufwendig sind, vervielfältigt man diese Arbeitsschritte und stellt mehrere Chips gleichzeitig her. Dies geschieht mit einem kreisrunden oder quadratischen, scheibenförmigen Wafer, der aus dem Material des benötigten Substrats besteht.
Mit der Halbleitertechnologie lassen sich elektronische Schaltungen, die in der klassischen Elektronik aus mechanisch angefertigten Komponenten bestehen, miniaturisieren. Ein TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip beinhaltet nicht nur elektronische, sondern auch mechanische und fluidische Funktionen.
Aufgrund der hohen Anforderungen an die einzelnen Bauteile beschränkt sich ein TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip meist nicht nur auf ein Silizium-Substrat. Stattdessen werden für die verschiedenen Komponenten unterschiedliche Materialien verwendet, die mithilfe diverser Aufbau- und Verbindungstechniken zusammengeführt werden.¹
Kreisrunde Wafer – Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wafer
Wo werden MEMS-Technologien eingesetzt?
Wie hat sich die MEMS-Technologie bei
TrueDyne Sensors AG entwickelt?
Für die Messung von Durchfluss hat sich dieses System für TrueDyne Sensors AG nicht bewährt. Jedoch hat sich gezeigt, dass der vibrierende Siliziumkanal sehr gut als Schwinger-Dichtemesser eingesetzt werden kann.
Wie ist der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip aufgebaut?
Der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip wird mithilfe von insgesamt vier Wafern hergestellt:
- Der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip wird mithilfe von insgesamt vier Wafern hergestellt: Zwei Siliziumwafer bilden den Messkanal. Der Messkanal wird mithilfe von Plasmaätztechnik geformt. Dazu wird je eine Hälfte des Kanals in einen Siliziumwafer geätzt. Der Kanal entsteht durch die Verbindung der beiden Hälften (Bondingverfahren).
- Ein Glaswafer enthält metallische Elektroden, fluidische Öffnungen sowie den Temperatursensor.
- Ein weiterer Siliziumwafer dient dazu, den Messkanal in Vakuum zu verpacken. Dadurch kann der Messkanal ohne Luftdämpfung schwingen.
Wie ist der TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip aufgebaut?
Die Miniaturisierung gewinnt vor allem in Anwendungen, bei denen geringe Probemengen und eine kompakte Bauform wichtig sind, an grosser Bedeutung.
Durch die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Silizium steht zudem ein leistungsfähiger Sensor zur Verfügung.
Silizium ist ein guter Wärmeleiter. Der Kanal ist daher keinen grossen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Die für die Dichtemessung erforderliche Temperaturinformation kann somit exakt und einfach ermittelt werden.
TrueDyne Sensors AG MEMS-Chip – Quelle: TrueDyne Sensors AG
Der Siliziumkanal kann mit einer sehr hohen Frequenz schwingen. Dies führt zu einer kurzen Messzeit und zur Unabhängigkeit des Messsignals von äusseren, mechanischen Störvibrationen.