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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


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


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


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


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)


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.


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-


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


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:


• 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.





• 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



• 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


4.3 AP3: Technologiedurchlauf 1

Ziel des Arbeitspaketes war die Verfügbarkeit erster Sensorelemente.



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


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.




• 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)




• 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.



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


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


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.



• 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




• 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).


AP9: Technologiedurchlauf 2

• Optimierte Sensorelemente liegen vor

• Das AP konnte nicht abgearbeitet werden, da das Redesign der Sensorelemente nicht durchgeführt wurde


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


AP11: Charakterisierung

• Eine umfangreiche Charakterisierung der finalen Demonstrationssysteme liegt vor

• Das AP konnte wegen fehlender Demonstrationssysteme nicht abgearbeitet werden


AP12: Projektmanagement

• Teilberichte während Projektlaufzeit und vollständiger Abschlussbericht.

• Teilberichte während Projektlaufzeit und vollständiger Abschlussbericht erstellt.



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.


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


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


breites Publikum

IMTEK, Freiburg erfolgt

Abschlussarbeit Wissenschaftliche Dokumen-

tation der Forschungsergeb-

nisse und Einbindung in den

erweiterten wissenschaftli-

chen Kontext

IMTEK, Freiburg erfolgt


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


Konferenz in Montreal,

Kanada, 27-30 Okto-

ber, 2019

Hahn-Schickard

Jahresbericht

2019


breites Publikum

Hahn-Schickard,

Villingen

Ende 2019

laufend

Hahn-Schickard

Internetauftritt


breites Publikum

Hahn-Schickard,

Villingen

laufend

IMTEK

Internetauftritt


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


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.


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.


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.


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


Entwurf #2


• 10 Spulenwindungen nebeneinander

• Torsionsplatte mit Perforation unter den Deckelelektroden


• 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


• 10 Spulenwindungen mit zwei zueinander versetzten überlagerten Spulenlagen (nicht deckungsgleich )



• 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


Entwurf #4


• 10 Spulenwindungen mit zueinander versetzten überlagerten Spulenlagen (nicht deckungsgleich )



• 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!)


Entwurf #5


• 10 Spulenwindungen: zwei überlagerte deckungsgleiche Spulenlagen



• 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


Lösungsansatz:

• Entwurf genügt den Ansprüchen, es werden noch einige Modifikationen/Ver-feinerungen vorgenommen

Entwurf #6


• 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


• Torsionsbalken 120 µm lang. Resonanzfrequenz 8,2 kHz



Lösungsansatz:

• Entwurf genügt den Ansprüchen, es werden noch einige Modifikationen/Ver-feinerungen vorgenommen


Entwurf #7


• Bereich für Stopperstrukturen eingefügt

• 10 Spulenwindungen: zwei überlagerte deckungsgleiche Spulenlagen



• Torsionsbalken 120 µm lang. Resonanzfrequenz 8,2 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


Probleme:

• Zu hoher Rauschpegel

Lösungsansatz:

• Güte erhöhen → Elektroden kürzen (geringere Dämpfung), Biegebalken kürzen (höhere Resonanzfrequenz)


Entwurf #9


• Verbundene Ankerelemente für Stromüberführung





Probleme:

• Entwurf genügt weitgehend den Ansprüchen, aber Ankerflächen noch zu klein

Entwurf #10


• Verbundene Ankerelemente für Stromüberführung mit vergrößerten Flächen für Bondverbindung. Ankerflächen in Sensorelement eingerückt zur Platzersparnis.





• Dieser Entwurf sollte zunächst als 1D-in-plane-Sensorelement realisiert werden, musste aber wegen Anpassung der Balkenbreite noch einmal stark überarbeitet werden.


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


• 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


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


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


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


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




Probleme:

• Äußerer Rahmen biegt sich zu stark


• Torsionsachsen stark unterschiedliche Resonanzfrequenzen, erste Schwingungsmode zu niedrig

Lösungsansatz:

• Massen anpassen

• Balkenlängen anpassen


Entwurf #18


• innere Masse kleiner

• Torsionsbalken (tors. y) kürzer

• Elektrodenanzahl/länge geändert




Probleme:



Entwurf #19


• alle Balken kürzer (dadurch Masse mittlerer Rahmen geringer)


• FEM: Sensitive Moden (@ 9,4 kHz (tors. y), 9,8 kHz (tors. x)



Probleme:



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)





Probleme:


•


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)


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


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.


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


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


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


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

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