Durchflussmesssung – Angst+Pfister setzt mit Thermal Time of Flight auf ein zeitbasiertes Messprinzip für präzise Durchflussmessung. TTOF erweitert den Dynamikbereich, reduziert die Abhängigkeit von den Medieneigenschaften und ermöglicht Anwendungen mit wechselnden Gasen und kleinen bis hohen Flussraten.

Die thermische Durchflussmessung gehört zu den erfolgreichsten Messprinzip der Durchflussmesstechnik. Seit der ersten kommerziellen Realisierung eines Strömungssensors auf Basis des kalorimetrischen Prinzips werden heute jährlich mehr als 25 Millionen Sensorchips für Flow (So genannte MEMS) ausgeliefert, dominiert vom thermischen Messprinzip. In der Medizintechnik, in der Prozessautomation und in der Analytik ist die thermische Sensorik eine etablierte Größe (Silvestri & Schena, 2012). Zwei Verfahren prägen dieses Feld: die Kalorimetrie und die Anemometrie.

Beide Verfahren beruhen auf der Auswertung eines stationären Wärmetransports. Beim kalorimetrischen Prinzip wird ein Heizelement zwischen zwei symmetrisch angeordneten Temperaturfühlern platziert. Die Strömung verschiebt das Temperaturprofil, und die Differenz zwischen stromauf und stromab gelegenem Fühler ist ein Mass für den Massendurchfluss. Bei der Anemometrie (Constant Temperature Anemometry, CTA) wird ein beheiztes Element auf konstanter Temperatur gehalten: Der Heizstrom, der zur Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz nötig ist, bildet die Messgröße (Angst+Pfister Sensors and Power AG [APSP], o. D.-a; Kuo et al., 2012). 

Diese Verfahren stoßen jedoch an Grenzen, sobald kleine und stark variierende Flussraten präzise erfasst werden sollen. Kalorimetrische Sensoren liefern bei sehr niedrigen Flüssen ein flaches, rauschbehaftetes Signal und sättigen bei hohen Geschwindigkeiten. Die maximal messbare Strömungsgeschwindigkeit handelsüblicher kalorimetrischer Sensoren liegt typischerweise unterhalb von 15 m/s (APSP, o. D.-a). Vor allem aber ist das Signal von den thermischen Eigenschaften des Mediums abhängig: Ändert sich die Gaszusammensetzung, muss neu kalibriert werden. Der Grund liegt in der Messgröße selbst: Der kalorimetrische Messwert hängt von der spezifischen Wärmekapazität des Gases und von Verlusten durch Wärmeableitung in die Aufbau- und Verbindungstechnik (End Conduction Loss) ab, sodass die beste Genauigkeit eine Realgaskalibrierung erfordert (ISO 14511). In der Fertigung ist diese oft unpraktikabel, weil Prozessgase teuer oder aus Sicherheitsgründen nicht verfügbar sind; eine Luftkalibrierung mit theoretischem Konversionsfaktor erzeugt dagegen Fehler, die sich nicht präzise kontrollieren lassen, sowie zusätzliche Nichtlinearität im Dynamikbereich. Für Anwendungen mit verschiedenen Medien, hoher geforderter Dynamik und gleichzeitig niedrigen Grundflüssen ist das ein struktureller Nachteil.

Messprinzip Thermal Time of Flight (TTOF)

Das TTOF-Verfahren misst nicht die stationäre Wärmeableitung, sondern die Laufzeit einer Wärmefront. Ein Heizelement erzeugt einen kurzen thermischen Puls. Dieser Puls wird von der Strömung mitgeführt und erreicht ein stromab liegendes Sensorelement nach einer messbaren Zeit. Ist der Abstand zwischen Heizer und Sensor L und die Laufzeit der Wärmefront t, so ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar aus V = L/t. In realen Anwendungen wird die konvektive Ausbreitung des Wärmepulses durch Wärmediffusion im Medium überlagert. Die Auswertung korrigiert die gemessene Laufzeit deshalb um den Diffusionsanteil, der sich aus der Lösung der Wärmetransportgleichung ergibt; erst diese Korrektur macht die Messung weitgehend unabhängig von den Wärmeableitungsverlusten des Aufbaus. 

Der entscheidende Unterschied zur reinen Wärmeableitung bei der Kalorimetrie liegt in der Größe, die ausgewertet wird. Die Kalorimetrie misst eine Amplitude, nämlich die Temperaturdifferenz, und diese Amplitude hängt direkt von Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Mediums ab. Das TTOF-Verfahren misst dagegen eine Zeit im transienten Signalverlauf. Zeitbasierte Signale sind gegenüber Hintergrundstörungen deutlich robuster als amplitudenbasierte. Dass sich kalorimetrisches und Laufzeitprinzip auf einem Chip kombinieren lassen und der Laufzeitmodus den nutzbaren Messbereich deutlich erweitert, wurde bereits Ende der 1990er Jahre experimentell demonstriert (Ashauer et al., 1999). Genau diesen Ansatz verfolgt Angst+Pfister mit der PFLOW-Serie: Die Sensoren implementieren das TTOF-Prinzip in Kombination mit der kalorimetrischen Auswertung auf einem MEMS-Chip und verbinden so den erweiterten Messbereich des Laufzeitverfahrens mit der Empfindlichkeit der Kalorimetrie bei kleinen Flüssen.

In der mikromechanischen Ausführung wird der Heizer nicht mit einem, sondern mit mindestens zwei stromab angeordneten Sensorelementen kombiniert, deren Abstände (x1 und x2) durch die Fotomaske exakt definiert sind. Die Elemente sitzen auf einer dünnen, thermisch isolierenden Membran über einer geätzten Silizium-Kavität. Aus den beiden Laufzeiten lassen sich rechnerisch sowohl die Temperaturleitfähigkeit des Fluids als auch eine von den Fluideigenschaften unabhängige Strömungsgeschwindigkeit gewinnen. Damit liefert TTOF im Gegensatz zu Kalorimetrie und Anemometrie mehr als nur die Flussrate: Es erlaubt eine Mehrgrössenmessung, aus der zusätzliche Rückschlüsse auf die Medieneigenschaften möglich sind. 

Technische Vorteile von TTOF

Gegenüber den amplitudenbasierten Verfahren bietet TTOF vier strukturelle Vorteile:

Großer dynamischer Messbereich: Das Turndown-Verhältnis gibt an, um welchen Faktor der größte messbare Fluss über dem kleinsten liegt, der sich innerhalb der spezifizierten Genauigkeit noch erfassen lässt. In der Literatur werden für mikromechanische TTOF-Strukturen dynamische Bereiche bis 1400:1 berichtet; in der Praxis erreichen moderne MEMS-Strömungssensoren Turndown-Verhältnisse bis zu 500:1. Wie stark das Messprinzip hier durchschlägt, zeigen Herstellerdaten zu Methan: Wird ein luftkalibrierter kalorimetrischer Sensor rechnerisch auf Methan umgerechnet, gehen rund 30% des Dynamikbereichs verloren; bei zeitbasierter Auswertung entfällt dieser Verlust, da sich die Temperaturleitfähigkeiten von Luft und Methan nur geringfügig unterscheiden (APSP, o. D.-a).

Selbstkalibrierungspotenzial: Da Zeit und geometrisch definierter Abstand direkt ausgewertet werden, kann eine einfache Kalibrierung mit einem verfügbaren Fluid (etwa Luft oder Wasser) genügen, um andere Medien ohne Genauigkeitsverlust zu erfassen. Massgebend ist die Temperaturleitfähigkeit: Gase mit gleicher Temperaturleitfähigkeit, etwa Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Argon, liefern nahezu identische Messwerte und lassen sich daher alle mit Luft kalibrieren, was beispielsweise Argonanwendungen wie die Schweissprozesskontrolle vereinfacht.

Medienunabhängigkeit und Biokompatibilität: TTOF adressiert die Mediumabhängigkeit, an der Kalorimetrie und Anemometrie scheitern; zugleich schont die geringe Wärmeeinbringung (Temperaturerhöhung um rund 5 Grad) temperatursensible Medikamente und biologische Proben (Doh et al., 2022). Wie deutlich der Gewinn bei der Gaskonversion ausfällt, zeigen Herstellerdaten aus der Anästhesie: Bei der Umrechnung einer Luftkalibrierung auf Lachgas (N2O) bleibt der Konversionsfaktor der zeitbasierten Auswertung über den gesamten Messbereich linear (R² = 1.000), während die kalorimetrische Auswertung eine ausgeprägte Nichtlinearität aufweist (R² = 0.997).

Geringe thermische Drift: Weil eine Laufzeit statt einer absoluten Amplitude gemessen wird, ist das Verfahren unempfindlich gegenüber Basislinienverschiebungen; Thermopiles und gute thermische Isolation reduzieren die Drift zusätzlich.

Anwendungsfälle

Drei Anwendungen aus der Praxis zeigen, wie die beschriebenen Prinzipien in konkreten Systemen wirken, und wie unterschiedlich die Rolle des Sensors dabei ausfallen kann.

Prozessgasregelung in der Halbleiterbeschichtung. In Sputter- und PVD-Anlagen für die Dünnschichtabscheidung hängen Schichtdicke, Uniformität und Reproduzierbarkeit unmittelbar von der exakten Dosierung der Prozessgase ab, etwa von Argon als Sputtergas oder von reaktiven Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff. Die Regelung arbeitet an der Schnittstelle zum Vakuumprozess, muss schnelle Übergänge zwischen Prozessschritten abbilden und über lange Kampagnen wiederholgenau bleiben; wechselt der Prozess das Gas, darf die Messgenauigkeit nicht verloren gehen. Der Massendurchflussregler PFLOWC5002 kombiniert dafür ein thermisches MEMS-Sensorelement mit integriertem Regelventil und wird werkseitig auf zwei Prozessgase kalibriert, wobei die Umschaltung zwischen den Kalibrierkurven softwareseitig durch die Anlagensteuerung erfolgt (APSP, o. D.-b).

CO₂-Insufflation in der Endoskopie. In der minimalinvasiven Chirurgie erzeugen Insufflatoren mit CO₂ einen definierten Arbeitsraum im Körper, etwa das Pneumoperitoneum bei der Laparoskopie. Der Durchflusssensor liefert dabei die Rückführgröße für die geschlossene Druck- und Flussregelung: Er misst den tatsächlich abgegebenen CO₂-Fluss, aus dem das Gerät die Volumenbilanz führt und den intraabdominalen Druck im therapeutischen Fenster hält. Die Messaufgabe fordert beide Enden des Messbereichs gleichzeitig, nämlich feinste Flüsse für die druckgeführte Nachregelung und die Pädiatrie sowie hohe Flussraten von mehreren zehn Litern pro Minute, wenn Leckagen oder die Rauchgasabsaugung kompensiert werden müssen. Dazu kommen pulsierende Abgabeprofile, die eine schnelle Ansprechzeit verlangen. Für diese Aufgabe wird der PFLOW9015CL erfolgreich eingesetzt (APSP, o. D.-b).

Pneumatische Integritätsüberwachung in der Genomik-Analytik. In Instrumenten für die Einzelzellanalyse und die Probenvorbereitung für die Sequenzierung der nächsten Generation werden Proben und Reagenzien über mikrofluidische Kartuschen partitioniert und verarbeitet (Lin et al., 2022). Bewegt werden sie nicht durch Pumpen im Flüssigkeitspfad, sondern pneumatisch über einen gesteuerten Gasdruck. Die Zuverlässigkeit dieses pneumatischen Pfades entscheidet damit unmittelbar über die Qualität des Analyseergebnisses, denn eine blockierte Leitung führt zu einem stillen Ausfall, der ohne eigene Überwachung erst am fehlerhaften Resultat sichtbar würde. Der Durchflusssensor übernimmt hier keine Dosieraufgabe, sondern eine Diagnosefunktion: Er verifiziert kontinuierlich, dass überhaupt und in der erwarteten Größenordnung Gas fließt. Zum Einsatz kommt eine kundenspezifische Variante des PFLOW2001 mit 30 sccm Endwert, gaskalibriert und mit digitaler I2C-Schnittstelle (APSP, o. D.-c). Entscheidend ist hier nicht die Genauigkeit im Nennpunkt, sondern die verlässliche Auflösung sehr kleiner Flüsse und ein eindeutiges Signalverhalten an der unteren Bereichsgrenze.

Herausforderungen

Warum hat TTOF die etablierten Verfahren dann nicht verdrängt? Die Auswertung eines transienten Laufzeitsignals erforderte in diskreter Ausführung deutlich mehr Schaltungsaufwand als die einfache Amplitudenmessung kalorimetrischer Sensoren. Genau dieser Aufwand war historisch ein wesentlicher Grund für die geringere Verbreitung. In modernen MEMS-Sensoren ist diese Auswertung jedoch in die integrierte Elektronik verlagert, sodass der Mehraufwand auf Bauteilebene praktisch keinen Kostennachteil mehr darstellt; auf Systemebene kehrt sich die Rechnung sogar um, weil die vereinfachte Kalibrierung teure Realgaskalibrierungen und zusätzliche Sensorvarianten einspart. Hinzu kommen physikalische Grenzen an beiden Enden des Messbereichs: Am oberen Ende wird eine sehr feine Zeitauflösung nötig, am unteren verschwimmt das Signal. Auch der Leistungsbedarf liegt je nach Auslegung über dem der Kalorimetrie, lässt sich durch gepulsten Betrieb aber bis in den Bereich weniger Milliwatt senken.

Die untere Bereichsgrenze ist dabei keine Frage der Elektronik, sondern eine physikalische. Unterhalb des spezifizierten Turndown-Verhältnisses sinkt die Genauigkeit nicht graduell, sondern das Nutzsignal verschwindet in Effekten, die mit der Strömung nichts zu tun haben. Bei TTOF dominiert die Wärmediffusion die Laufzeit, sobald die Strömungsgeschwindigkeit klein gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wärme im Medium wird: Der Puls erreicht das Sensorelement dann auch ohne Fluss, und die gemessene Zeit wird zunehmend unabhängig von der Strömung. Bei den amplitudenbasierten Verfahren wirkt derselbe Mechanismus über die freie Konvektion. Für einen thermischen Sensor mit Thermopile-Auswertung wurde die praktisch erreichbare Nachweisgrenze zu 0.8 mm/s bestimmt, während die reine Rauschgrenze bei 0.13 mm/s liegt; die Differenz geht im Wesentlichen auf natürliche Konvektion zurück, die als eigentliches Haupthindernis der Kleinstflussmessung identifiziert wurde (Issa & Lang, 2013). Hinzu kommt der Nullpunkt-Offset der Auswertekette, der einen Fluss vortäuscht, wo keiner ist, und dessen Drift sich bei der Integration zu einem Volumen unbegrenzt aufsummiert (Piotto et al., 2017).

Praktisch heißt das: Unterhalb einer bestimmten Flussrate kann ein thermischer Sensor nicht mehr zuverlässig unterscheiden, ob das Medium sehr langsam fließt oder gar nicht. Wo genau diese Unterscheidung die eigentliche Messaufgabe ist, etwa bei der Verifikation, dass eine Leitung nicht blockiert ist, oder bei der Erkennung eines Leerlaufs, ist deshalb nicht die Genauigkeit im Nennpunkt das Auslegungskriterium, sondern das Signalverhalten an der unteren Bereichsgrenze. Die Auslegung bleibt damit ein Kompromiss: Ein größerer Abstand zwischen Heizer und Sensor liefert ein stärkeres Laufzeitsignal, verlangt aber mehr Leistung und verringert den nutzbaren dynamischen Bereich.

Fazit und Ausblick

Der Unterschied zwischen den thermischen Messprinzipien lässt sich auf einen einzigen Punkt zurückführen: Kalorimetrie und Anemometrie werten eine Amplitude aus, Thermal Time of Flight eine Zeit. Weil eine Laufzeit über eine geometrisch definierte Strecke gemessen wird, hängt das Ergebnis weit weniger von den Stoffwerten des Mediums ab, ist unempfindlicher gegenüber Drift und Hintergrundstörungen, und aus zwei Sensorabständen lassen sich Strömungsgeschwindigkeit und Fluideigenschaft getrennt bestimmen (Huang, 2022). Was der Prinzipwechsel nicht aufhebt, ist die untere Bereichsgrenze: Sie folgt aus der Physik der Wärmeausbreitung und aus dem Nullpunkt der Auswertekette und gilt für zeit- und amplitudenbasierte Verfahren gleichermaßen (Issa & Lang, 2013; Piotto et al., 2017).

Die Wahl des Messprinzips ist eine Systementscheidung: Ob die Fähigkeit zum Gaswechsel, der Dynamikbereich oder ein eindeutiges Signal an der unteren Bereichsgrenze im Vordergrund steht, entscheidet die Applikation, nicht die Technologie. Die Kalorimetrie bleibt dabei das mit Abstand verbreitetste Verfahren, und die Auslegung eines TTOF-Sensors bleibt eine Abwägung zwischen Signalstärke, Leistungsbedarf und Dynamik. Die Hürde, die TTOF lange gebremst hat, ist dagegen gefallen: Mit der Integration der Signalverarbeitung in die Sensorelektronik ist der einst hohe Schaltungsaufwand zu einem einmaligen Entwicklungsaufwand geworden, der sich über die Stückzahl amortisiert. Zugleich verschiebt sich die Erwartung an Durchflusssensoren: Sie sollen erkennen, mit welchem Medium sie arbeiten, und melden, wenn etwas nicht stimmt. Für diesen Schritt vom Messwertgeber zur Informationsquelle im System bringt das zeitbasierte Verfahren die besseren Voraussetzungen mit.

Genau dieser Systemlogik folgt Angst+Pfister: In den PFLOW-Produkten kommen je nach Anforderung das kalorimetrische oder das TTOF-Prinzip zur Anwendung, und wo die Messaufgabe es verlangt, werden beide Verfahren auf demselben MEMS-Chip kombiniert.

So ergänzen sich die Empfindlichkeit der Kalorimetrie bei kleinen Flüssen und der große Dynamikbereich sowie die Medienunabhängigkeit des Laufzeitverfahrens zu einem Ergebnis, das keines der beiden Prinzipien allein erreicht.

Autor: Marius Lamm ist Product Manager Pressure & Flow Sensors bei der Angst+Pfister Sensors and Power AG

https://sensorsandpower.angst-pfister.com

Sensorische Funktionalisierung von Materialien

In modernen Industrieanwendungen steigt der Bedarf, mechanische und dynamische Zustandsgrößen direkt im Bauteil oder Material zu erfassen, anstatt diese über diskrete, nachträglich montierte Sensoren abzuleiten. Klassische Sensorkonzepte erfordern häufig zusätzliche Gehäuse, mechanische Kopplungen oder Schutzmaßnahmen, was Systemkomplexität und Schnittstellen erhöht. Die vorgestellten Sensing Materialien verfolgen daher einen integrativen Ansatz: Die Sensorik wird funktional in ein Elastomer eingebettet und das Material selbst übernimmt die Rolle des Sensors.

Die Kraftmessung erfolgt über eine in das elastomere Grundmaterial vollständig einvulkanisierte Messzelle. Das zugrunde liegende Wirkprinzip basiert auf der Änderung eines elektrischen Feldparameters infolge mechanischer Verformung. Das Sensorelement nutzt eine integrierte Mehrschichtarchitektur, bei der mechanisch induzierte Strukturänderungen in eine proportionale Änderung eines elektrischen Ausgangssignals überführt werden. Wird das Material belastet, führt die elastische Verformung zu einer geometrischen Veränderung der internen Struktur. Diese bewirkt eine proportionale Änderung der elektrischen Kenngröße, die als Messsignal ausgewertet wird.

Das Messprinzip eignet sich insbesondere für flächige und verteilte Lasten, da die Krafteinleitung nicht punktuell, sondern homogen über das gesamte Sensorelement erfolgt. Durch die geringe Bauhöhe der integrierten Messstruktur ergeben sich hohe Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Sensing Materials hinsichtlich Geometrie, Abmessungen und messbarem Lastbereich.

Ergänzend zur Kraftmessung ist das Sensing Material mit inertialer Sensorik ausgestattet. Ein integrierter Beschleunigungssensor erfasst lineare Beschleunigungen und ermöglicht die Detektion von Vibrationen, Schwingungen sowie Stoßereignissen. Die daraus gewonnenen Signale liefern wertvolle Informationen über dynamische Belastungen, Betriebszustände oder unerwünschte Schwingungsanregungen.

Optional kann zusätzlich ein Gyroskopsensor integriert werden, der Winkelgeschwindigkeiten misst und damit Aussagen über Neigung, Rotation sowie die räumliche Ausrichtung des Sensing Materials erlaubt. Die Kombination aus Beschleunigungs- und Drehratensensorik ermöglicht eine umfassende inertiale Zustandsbeschreibung. Dadurch lassen sich sowohl statische als auch dynamische Bewegungen erfassen, beispielsweise Schiefstellungen, rotatorische Bewegungen oder hochfrequente Vibrationen.

Vulkanisierte Sensorintegration im Elastomer

Ein zentrales technisches Merkmal des Sensing Materials ist die vollständige Vulkanisierung der Sensorik in das Elastomer. Die Messzelle, der Beschleunigungssensor, der Gyroskopsensor sowie die zugehörige Elektronik sind dauerhaft in die elastomere Matrix eingebettet. Es entsteht eine monolithische, geschlossene Struktur ohne offene Sensorelemente oder freiliegende Leiterbahnen. Die elektrische Anbindung an die Auswerteelektronik des Kunden kann entweder durch einen integrierten Stecker oder durch eine integrierte Leitung (siehe Abbildung 2) geschehen. Durch eine integrierte Leitung kann eine hohe IP-Schutzklasse erreicht werden.

Diese Bauweise gewährleistet eine definierte und reproduzierbare mechanische Kopplung zwischen Material und Sensorik. Gleichzeitig übernimmt das Elastomer eine dämpfende Funktion und schützt die Sensoren zuverlässig vor Feuchtigkeit, Schmutz und mechanischen Überlasten. Das Sensing Material ist dadurch wasserdicht, unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen und einfach zu reinigen. Einvulkanisierte Sensoren bieten gegenüber diskreten Sensorelementen signifikante Vorteile. Die vollständige Einkapselung sorgt für hohe Langzeitstabilität, da Korrosion, Verschmutzung oder mechanischer Verschleiß ausgeschlossen sind.

Darüber hinaus erlaubt die elastomerbasierte Einbettung eine gezielte Dämpfung von Vibrationen und Stoßbelastungen, was sowohl die Lebensdauer der Sensorik als auch die Qualität der Messsignale verbessert. Wartungs- und Reinigungsaufwand werden deutlich reduziert, was insbesondere für Anwendungen mit hohen hygienischen oder umweltbedingten Anforderungen relevant ist.

Die Messdaten aus Kraft-, Beschleunigungs- und Gyroskopsensorik werden intern aufbereitet und über eine digitale Schnittstelle bereitgestellt. Diese standardisierte Schnittstelle erleichtert die Integration in bestehende Steuerungs- und Auswertesysteme und ermöglicht eine synchrone Erfassung mehrerer Messgrößen.

Anwendungsbeispiele des Sensing Materials

Das Sensing Material eignet sich für eine Vielzahl industrieller Anwendungen. Ein Beispiel ist die Lastmessung in Nutzfahrzeugen wie LKW oder Traktoren. Hier kann das Elastomer als lasttragendes Element eingesetzt werden, das die aufgebrachte Last erfasst. Gleichzeitig wirkt das Elastomer als mechanischer Dämpfer, der Vibrationen aus dem Fahrbetrieb reduziert und die Sensorik vor Wasser, Schmutz und mechanischer Beschädigung schützt.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist eine Tamper Matte für die Espresso-Zubereitung. In dieser Anwendung stellt das Sensing Material sicher, dass das Kaffeepulver stets mit der gleichen Kraft angepresst wird. Unabhängig vom Bedienpersonal wird so eine gleichmäßige Kompression erreicht, was zu einer konstanten Extraktion und einem reproduzierbaren Geschmack führt.

Als drittes Beispiel kann ein Dämpfungselement genannt werden, das neben seiner primären mechanischen Funktion gleichzeitig Vibrationen misst. Durch die Kombination von Dämpfung und Sensorik lassen sich Schwingungszustände direkt im Bauteil erfassen, ohne zusätzliche Sensoren montieren zu müssen.

Kundenspezifische Auslegung und Erweiterbarkeit

Das Sensing Material ist hochgradig kundenspezifisch auslegbar. Geometrie, Elastomerhärte, Kraftmessbereich, Sensorbestückung und zusätzliche Features können an die jeweilige Applikation angepasst werden. Dadurch lassen sich massgeschneiderte Lösungen realisieren, die mechanische Funktion und Sensorik in einem einzigen Bauteil vereinen.

Das vorgestellte Sensing Material zeigt, wie durch die konsequente Integration von Kraftsensorik, Beschleunigungs- und Gyroskopsensorik in ein Elastomer robuste, langzeitstabile und reinigbare Sensorsysteme entstehen. Die einvulkanisierte Bauweise ermöglicht eine enge Kopplung von Material und Sensorik und eröffnet neue Möglichkeiten für kundenspezifische, integrierte Messlösungen in der industriellen Sensor- und Messtechnik.

Autor:
Robin Ellinger
Produktmanager bei APSP, Ingenieur

Wesentliche Fakten auf einen Blick 

• evolast^® setzt einen neuen Massstab für Reinheit in der Halbleiterindustrie: Entwickelt für ultra-niedrige Ausgasungsleistung, die die Prozessintegrität in kritischen Plasma-, Temperatur- und Nasschemieumgebungen schützt. 
• Der fortschrittlichste niedrig ausgasende Elastomerwerkstoff: evolast^® gewährleistet kontaminationsfreie Abdichtung und langfristige Zuverlässigkeit in Halbleiter-Dichtungslösungen, unterstützt höhere Waferausbeuten und reduziert Wartungsstillstände. 
• 100% europäisch entwickelt und im Reinraum gefertigt: evolast^® kombiniert vier Jahrzehnte Erfahrung in Perfluorelastomeren mit validierten Ergebnissen der thermischen Desorptionsspektroskopie (TDS), die eine Gesamtausgasung von nur 0,02 ppm bestätigen und einen neuen Standard für ultra-saubere Dichtungsmaterialien setzen. 

In der Halbleiterfertigung bestimmen Präzision und Reinheit den Erfolg. In den ultrareinen Umgebungen der Waferproduktion können selbst mikroskopisch kleine Verunreinigungen ganze Fertigungsläufe gefährden. Ausgasung – das Freisetzen von Gasen oder Dämpfen aus Materialien unter Hitze oder Vakuum – ist eine stille, aber ernste Bedrohung für die Prozessintegrität.

Dies ist der Grund, warum evolast^® von Angst+Pfister, eine leistungsstarke, niedrig ausgasende Familie von Perfluorelastomeren, für die Entwicklung von Dichtungslösungen der nächsten Generation in der Halbleiterindustrie unverzichtbar ist. Vollständig in Europa entwickelt und hergestellt, bietet evolast^® unübertroffene Prozessstabilität, Reinheit und Zuverlässigkeit unter den anspruchsvollsten Plasma-, Temperatur- und Nasschemiebedingungen der Branche. 

Die Herausforderung: Ausgasung in Halbleiterumgebungen 

In der Waferproduktion kann die Materialauswahl darüber entscheiden, ob ein Prozess Präzision im Nanometerbereich erreicht oder durch katastrophale Kontamination beeinträchtigt wird.

Unter Einwirkung von Vakuum, Plasma oder hohen Temperaturen können Elastomere flüchtige organische Verbindungen (VOCs), Feuchtigkeit oder andere Verunreinigungen freisetzen. Diese Emissionen können sich auf Waferoberflächen ablagern, die Plasmauniformität beeinträchtigen und Defekte oder verringerte Ausbeuten verursachen.

Selbst geringste Ausgasungsmengen können die Prozesschemie in CVD- oder Ätzkammern verändern und kostspielige Ausfallzeiten sowie Reinigungszyklen verursachen.

Ingenieure suchten lange nach niedrig ausgasenden Elastomeren, die Reinheit mit Haltbarkeit verbinden. Standard-FKM-Materialien reichen oft nicht aus, insbesondere bei längerer Plasmaexposition. Der Bedarf an Perfluorelastomer-O-Ringen, die bei hohen Temperaturen und aggressiven chemischen Umgebungen fehlerfrei funktionieren, ist grösser denn je.    

Die Lösung: evolast^® FFKM für ultra-saubere Leistung 

Zur Bewältigung der anhaltenden Herausforderung der Ausgasung in der Halbleiterfertigung hat Angst+Pfister die evolast^®-FFKM-Reihe speziell konzipierter Dichtungswerkstoffe geschaffen, die die Materialstabilität neu definieren.

Jeder evolast^®-Werkstoff kombiniert eine exakt abgestimmte Polymerarchitektur mit kontrollierter Reinraumverarbeitung, um eine möglichst geringe molekulare Abgabe im Betrieb sicherzustellen.

Alle evolast^®-Varianten durchlaufen eine ultrapure Endreinigung und Vakuumverpackung, wodurch vor der Installation absolute Oberflächenreinheit garantiert wird.

Werkstoffwissenschaft hinter der Reinheit 

Über Jahrzehnte hinweg hat Angst+Pfister die evolast^®-FFKM-Formulierung auf Basis von Polymerstrukturen optimiert, die besonders widerstandsfähig gegen thermische Degradation und chemische Angriffe sind.

• Die PS1-Serie bietet überlegene Beständigkeit für Nasschemieprozesse und stellt sicher, dass Dichtungen weder degradieren noch Verunreinigungen in säure- oder lösungsmittelbasierte Bäder abgeben. 

• Die PS2-Serie hält extremen thermischen Umgebungen wie LPCVD und Rapid Thermal Processing stand und bietet Betriebstemperaturen bis +340°C. 

• Die PS3-Serie, entwickelt für Plasma- und Gasabscheidung, weist aussergewöhnlich niedrige Ausgasung und minimalen Metallgehalt auf – entscheidend für Reinraumbetriebe. 

In jedem Fall behält evolast^® die Dichtungsintegrität über Tausende von Prozesszyklen hinweg.

Leistungsnachweis 

Angst+Pfister führte umfangreiche TDS-Tests durch, um das Ausgasungsverhalten unter vakuumähnlichen Bedingungen der Halbleiterindustrie zu quantifizieren. 

• Testbedingungen: Temperaturanstieg von Umgebung auf +200°C über 120 Minuten, anschliessend 120 Minuten Halten im beheizten Vakuum (insgesamt 240 Minuten). 

• Ergebnisse: Alle evolast^®-Werkstoffe zeigten aussergewöhnlich niedrige Gesamtfreisetzung von flüchtigen Bestandteilen. 

• Ergebnis: Minimale molekulare Emission bedeutet reduzierte Waferkontamination, stabile Plasmabedingungen und längere Wartungsintervalle. 

Diese Ergebnisse bestätigen, dass evolast^® unter thermischem, plasma- und chemischem Stress zuverlässig arbeitet und in jeder Phase der Chipproduktion Sauberkeit und Konsistenz sicherstellt. 

Anwendungsfall: Abdichtung einer Plasmaätzkammer

Herausforderung:
Ein Wafer-Ätzwerkzeug, das unter hoher Plasmaintensität arbeitet, benötigte Dichtungsmaterialien, die während langer Plasmaexposition weder degradieren noch molekulare Verunreinigungen freisetzen. Konventionelle Elastomere zeigten Oberflächenerosion und messbare VOC-Abgabe nach mehreren hundert Stunden.

Lösung:
Durch den Einsatz von evolast^® PS341 – einem Perfluorelastomer, das für Sauerstoff- und Fluorplasma entwickelt wurde – erreichte die Anlage stabile Leistung mit vernachlässigbarer Ausgasung. Die Dichtungen behielten ihre Integrität bis +330°C mit minimalem Druckverformungsrest und ohne sichtbare Oberflächenabnutzung.

Laborvalidierung:
Zur Bestätigung führte Angst+Pfister TDS-Tests an mehreren evolast^®-Sorten (PS221, PS251, PS321, PS341, PS342, PS343) durch, um die Gasfreisetzung unter Hochtemperatur und Vakuum zu messen.

Jede Probe wurde linear von Raumtemperatur auf +200°C über 120 Minuten erhitzt und dann weitere 120 Minuten gehalten.
Abbildung 1. TDS-Ergebnisse zeigen den Gesamtmassenverlust (%) für evolast®-Halbleiterwerkstoffe im Vakuum bei +200 °C.

Die Ausgasungskurven zeigen, dass alle evolast^®-Compounds selbst bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen extrem niedrige Desorptionswerte aufweisen.

Video Q&A: Ausgasungstests und Materialreinheit 

In diesem Interview erklärt Simone Lavelli, technischer Experte für Compoundentwicklung bei Angst+Pfister, wie das Unternehmen evolast®-FFKM-Werkstoffe mittels TDS und Reinraumfertigungsprotokollen validiert. 

Zuschauer erhalten Einblick in den Zusammenhang zwischen molekularer Reinheit, Prozesszuverlässigkeit und der Bedeutung von Ausgasungskontrolle für die Integrität moderner Halbleiterprozesse. 

Fazit

In der Halbleiterindustrie definiert Reinheit die Leistung. Jede Dichtungskomponente spielt eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung von Prozesszuverlässigkeit, Anlagenverfügbarkeit und Waferausbeute.

Mit evolast^® setzt Angst+Pfister einen neuen Massstab für niedrig ausgasende Elastomere, indem modernste Polymertechnik mit vollständiger europäischer Produktionskontrolle kombiniert wird. Über alle evolast^®-Werkstoffe hinweg zeigen strenge TDS-Tests aussergewöhnlich niedrige Gesamtmassenverluste, was herausragende chemische und thermische Stabilität unter Vakuum und hohen Temperaturen bestätigt.

Diese Leistung spiegelt die Präzision der evolast^®-Perfluorelastomerstruktur wider. Ein hochfluoriertes Polymergerüst, optimierte Vernetzungsdichte und ultra-saubere Compoundierung ergeben ein stabiles Netzwerk, das Degradation und Oxidation widersteht. Diese Eigenschaften verhindern die Freisetzung von Verunreinigungen und erhalten die Materialintegrität selbst unter den anspruchsvollen Plasma- und Chemiebedingungen der Halbleiterfertigung.

Das Ergebnis ist messbar: konstante Dichtungsleistung, längere Wartungsintervalle und erhöhte Prozessreinheit, die direkt zu höheren Waferausbeuten und niedrigeren Gesamtbetriebskosten führen. evolast^® vereint die von Ingenieuren geforderte Robustheit mit der Reinheit, die moderne Halbleiterfertigung verlangt.

Indem evolast^® molekulare Stabilität, Reinheit und Prozesssicherheit gewährleistet, etabliert es seine Rolle als entscheidender Wegbereiter für Innovationen in der Halbleiterindustrie – und schafft Vertrauen im Kern eines jeden Chips.

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier:
https://www.angst-pfister.com/de/medien-ressourcen/solutions-hub/outgassing-semiconductor-evolast.html

NVE verfügt über eine einzigartige Reihe von hochempfindlichen magnetoresistiven Sensoren, die sich ideal für den Einsatz mit leicht verfügbaren Ferritmagneten eignen. In den meisten Anwendungen verfügen diese Sensoren auch über eine hohe Luftspalttoleranz für die Aktivierung und erleichtern so den Einsatz. Diese Sensoren sind zudem omnipolar, so dass die Polarität des Magneten keine wesentliche Rolle spielt.

Warum Ferrit?

Ferritmagnete sind eine Keramik, die hauptsächlich aus Eisen und Sauerstoff besteht. Die beiden am häufigsten vorkommenden Elemente der Erde. Neodym hat weniger als ein Teil pro Million, daher auch der Name Seltene Erden.

NVE-xMR Magnetsensoren mit Schaltausgang verfügen über eine Vielzahl von Betriebspunkten. einschließlich einer Anzahl von Produkte, die eine Aktivierungspunkt von 1mT aufweisen. Diese hochempfindlichen Sensoren sind ideal für Ferritmagnete.

Diese Produktfamilie von ferritfreundlichen Sensoren verfügt beispielsweise über GMR- und TMRSensorelemente, Signalverarbeitung, Open-Collector- oder Open-Drain-Ausgänge und einfache 3-polige Schnittstellen. Zu den weiteren Merkmalen des Sensors gehören niedrige Betriebspunkte für die Kompatibilität mit Ferritmagneten. Omnipolarer Betrieb und mit einfachen 3-Pin-Schnittstellen und Gehäusen bis zu einer Größe von 0,65 Millimetern.

Seltene Erden gegen Ferrit

Der Vergleich von Ferrit- und Seltenerdmagneten kann zeigen, wie ein Ferritmagnetmaterial in Kombination mit einem sehr empfindlichen Sensor in kleinen Schritten eine gute Lösung ergeben kann.

In einem ersten Schritt wird als Beispiel der NVE ADL925 mit einem NdFeB (Grade: N45) und Br 13500 G betrieben. Per Definition soll der Sensor in einem Abstand von etwa 7 mm in den eingeschalteten Zustand, und mit einer Hysterese von 1 mm in den ausgeschalteten Zustand schalten. Mit dem genannten Seltenerdmagneten ergibt die Berechnung einen Durchmesser von 2 mm und eine Dicke von 2 mm. Mit Hilfe des NVE-Feldstärkerechners liefert eine erste Simulation die folgenden Ergebnisse für den Ein- und Aus-Zustand.

Dieses Verfahren wird nun mit einem Ferritmaterial verwendet, um die gleiche Schaltleistung zu erreichen. Mit der gleichen Spezifikation für das Ein- und Ausschalten kann der Ferritmagnet berechnet werden. Für die Berechnung wurde eine Ferritkeramik C5/Y25 Br 3800G gewählt. Der Ferrit hat dann eine berechnete Größe von 3,5 mm Durchmesser und eine Dicke von 3 mm.

Mit einem sehr kleinen Unterschied schaltet sich der ADL925 bei 8,1 mm ab. Ein anders Ferrit-Material z.B. das C1/Y10T (2175G) würde für den Magneten einen Durchmesser von 5 mm und eine Länge von 3 mm erfordern.

Zusammenfassend. Der Wechsel weg von Seltenerdmaterial hin zu einer benutzerfreundlicheren ferritbasierten Lösung kann mit der hochempfindlichen GMR/TMR-Technologie von NVE Corp. erreicht werden. Andere Anwendungen wie On- und Off-Axis-Sensorlösungen können auf die gleiche Weise simuliert werden.

Drucksensoren messen jeweils Druckdifferenzen. Je nach Anwendung kann direkt die Differenz zwischen zwei Prozessdrücken interessieren. Häufig wird aber auch ein Prozessdruck relativ zum atmosphärischen Druck gemessen. Der atmosphärische Druck variiert zwar leicht in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter wie geografischer Position und Wetter, was aber in vielen Situation vernachlässigbar ist oder sich sogar stabilisierend auf den Prozess auswirkt. Wenn ein immergleicher Referenzdruck benötigt wird, kommt in den meisten Fällen das möglichst absolute Vakuum als Referenz zum Einsatz. Dies ist zum Beispiel beim Barometer der Fall, mit dessen Hilfe Veränderungen des atmosphärischen Druckes absolut gemessen werden können.

In den allermeisten Fällen wird für die Messung dieser Druckdifferenzen eine Membrane verwendet. Diese kann aus unterschiedlichsten Materialien wie Stahl, Keramik oder Silizium gefertigt sein. Die Druckdifferenz führt zu einer Auslenkung dieser Membran, deren Magnitude wiederum gemessen werden muss. Wenn Beschaffenheit und Auslenkung einer Membran bekannt sind kann davon die Druckdifferenz abgeleitet werden.

Eine häufige Messmethode um diese Auslenkung zu messen sind Widerstände die durch die Auslenkung der Membran ihren Wert verändern. Um leichte Änderungen des Widerstandswertes mehrerer Widerstände zuverlässig in ein Spannungssignal umzuwandeln, bietet sich die Wheatstonebrücke an. In dieser Anordnung bilden R1 und R2 den einen Spannungsteiler, R3 und R4 den anderen. Die Differenz der Ausgangsspannungen der beiden Spannungsteiler entspricht dem Ausgangssignal der gesamten Messbrücke. Die Widerstände werden nun so angeordnet, dass R1 und R3 ihren Widerstandswert bei Druckbeaufschlagung verringern und R2 und R4 den Ihren

erhöhen. Die Brücke wird über eine elektrische Spannung zwischen A und C versorgt. Wenn der Sensor nun mit Druck beaufschlagt wird, resultiert dies in einem steigenden Pegel bei B und einem sinkenden Pegel bei D, und damit einer positiven Ausgangsspannung zwischen B und D.

Bei einer komplett unbelasteten Membran wird in den meisten Fällen ein Ausgangssignal von 0mV angestrebt, also R1=R2=R3=R4=R. Dieser Wert R sei beispielhaft bei 3500Ohm angesetzt, während die Versorgungsspannung bei 5V liege. Damit liegen die Pegel von B und D beide bei 2.5V. Unter maximaler Belastung sei die Widerstandsdifferenz 30Ohm, also R1=R3=3530, R2=R4= 3470. Damit steigt der Pegel bei B auf 2.521V, bei D sinkt er auf 2.479V. Daraus ergibt sich zwischen B und D ein Ausgangssignal von 42.1mV bei maximaler Druckbeaufschlagung. Dieses Signal kann dann verstärkt und weiter konditioniert werden, um die maximale Genauigkeit zu erreichen.

Bei Piezoresistiven MEMS Drucksensoren besteht die Membrane aus Silizium. Die wesentlichsten Parameter der Membrane sind deren Fläche und Dicke.  Dabei gilt, dass für die Messung kleinerer Druckdifferenzen grundsätzlich grössere und dünnere Membranen benötigt werden.

Die Messung der Auslenkung geschieht, wie der Name sagt, mittels Piezowiderständen. Piezowiderstände zeichnen sich dadurch aus, dass sie unter mechanischer Spannung ihren Widerstand ändern. Solche Piezowiderstände werden am Perimeter der Membran platziert, wo aufgrund der unterschiedlichen Steifigkeit der Membran zum Rahmen um die Membran die mechanische Spannung am grössten ist. Im Kontext von Drucksensormembranen handelt es sich bei der auftretenden mechanischen Spannung immer um eine Zugspannung. Trotzdem kann diese Zugspannung, je nachdem ob ein Piezowiderstand parallel oder senkrecht zur Membrankante angeordnet ist, in einem verringerten- oder einem erhöhten Widerstand resultieren. Dies kann analog zum Einfluss der Geometrie eines Leiters auf dessen elektrischen Widerstand verstanden werden. Dabei entspricht die auf einen parallel zur Membrankante angeordneten Piezowiderstand ausgeübte mechanische Zugspannung einer «Vergrösserung» des Leiterquerschnittes und damit einer Verringerung des Widerstandes. Bei einem senkrecht angeordneten Piezowiderstand wiederum entspricht die mechanische Zugspannung einer «Verlängerung» des Leiters und geht damit mit einer Vergrösserung des Widerstandes einher. Bei dieser Analogie ist wichtig zu betonen, dass diese lediglich der Veranschaulichung des piezoelektrischen Effektes dient. Die Piezowiderstände verformen sich nicht.

Vom rohen Wafer zum MEMS Chip

Ein grosser Teil der Prozesse, die für die Herstellung von MEMS-Bauteilen verwendet werden, kommen aus der klassischen Halbleiterindustrie. Dies sind im wesentlichen unterschiedliche Verfahren für Materialabscheidung, Fotolithografie, Ionenimplantation und Ätzen. Dazu kommen unterschiedliche Reinigungsverfahren, um die Wafer von Partikeln, Reaktionsprodukten und anderem zu befreien. Insbesondere bei den Ätzverfahren kommen zusätzliche Prozesse hinzu, die nur in der Produktion von MEMS-Bauteilen verwendet wird.

Ein wesentlicher MEMS Prozess ist das Abscheiden von Dünnfilmen auf dem Wafer. Damit können unterschiedliche Materialien auf den Wafer aufgebracht werden. Dies können zum Beispiel Metalle sein, mit denen elektrische Verbindungen auf dem Chip erzeugt werden. Ein Beispiel für Abscheidungsverfahren ist die chemische Gasphasen-abscheidung. Hierbei werden reaktive Gase auf den Wafer diffundiert und von diesem absorbiert. Es folgt eine Reaktion auf der Waferoberfläche, bei der das gewünschte Material in einer festen Phase ausfällt und sich als dünne Schicht von 1-10nm auf der Waferoberfläche festsetzt. Nebenprodukte der chemischen Reaktion werden desorbiert und vom Wafer weg transportiert.

Um die so erzeugen Dünnschichten sinnvoll nutzen zu können, müssen sie strukturiert werden, was über die folgenden Prozessschritte gemacht werden kann.

Ein weiter wichtiger Schritt ist die Fotolithografie. Die Fotolithografie ermöglicht das selektive Ätzen in einem nachfolgenden Schritt, und damit die Strukturierung von Materialien auf dem Wafer. Dafür wird auf den Wafer zuerst, häufig mittels Rotationsbeschichtung, ein Fotolack aufgebracht. Dieser wird dann selektiv durch eine optische Maske belichtet. Durch diese Belichtung verändern sich die chemischen Eigenschaften des Lackes dahingehend, dass im nächsten Schritt, bei Positivlack, ausschliesslich die chemisch veränderten Regionen des Lackes entfernt werden können, bzw. bei Negativlack ausschliesslich die nicht veränderten Regionen des Lackes entfernt werden können.

Als Folge der Lithografie sind durch die optische Maske definierte Bereiche des Wafers exponiert, während andere Bereiche durch Fotolack geschützt sind. Dieser Zustand kann genutzt werden, um in den Wafer selektiv in diesen exponierten Regionen zu bearbeiten, zum Beispiel durch Ätzen oder durch Ionenimplantation.

Bei der Ionenimplantation werden Fremdatome in die Oberfläche des Wafers eingebracht bzw. dotiert. Dafür werden Ionen in einem Hochvakuum auf den Wafer beschleunigt. Vor diesem Schritt wird der Wafer in den meisten Fällen maskiert, um diese Fremdatome nur lokal einzubringen. Durch die Fremdatome werden meist die elektrischen Eigenschaften des dotierten Materials manipuliert. Beispielsweise kann die Leitfähigkeit von Silizium

verändert und damit ein definierter Widerstand gefertigt werden. Die für den Drucksensor essenziellen Piezowiederstände, die die Spannung der Membran messen, werden auf diese Weise hergestellt.

Alternativ zur Ionenimplantation kann ein maskierter Wafer auch selektiv geätzt werden. Die Ätzverfahren unterteilen sich im Wesentlichen in Nassätzverfahren, bei denen flüssige Ätzlösungen zum Einsatz kommen, und Trockenätzverfahren, bei denen mittels Plasma

geätzt wird. Typischerweise werden Ätzschritte eingesetzt um Materialien auf dem Wafer zu strukturieren, oder um Hilfsschichten zu entfernen. Beim Strukturieren werden typischerweise die Bereiche einer Dünnschicht weggeätzt, die nicht durch Fotolack geschützt sind.

Nach der Strukturierung muss die Hilfsschicht, der Fotolack, weggeätzt werden.

Bei beiden diesen Schritten ist die Ätzselektivität von hoher Bedeutung. Sei beispielsweise mittels Gasphasenabscheidung eine Aluminiumschicht direkt auf einen Siliziumwafer aufgebracht worden. Die Aluminiumschicht sei mittels Fotolithografie mit Fotolack maskiert worden. Um die Aluminiumschicht zu strukturieren, ist ein Ätzmedium gewünscht, welches Aluminium deutlich stärker angreift als den Fotolack und das Silizium, da der Fotolack die zu erhaltenden Regionen der Aluminiumschicht schützen soll und das Silizium unter dem Aluminium nicht angegriffen werden soll. Beim Wegätzen des Fotolackes ist wiederum ein Ätzmedium erwünscht, welches den Fotolack deutlich stärker angreift, als das jetzt exponierte Silizium sowie das Aluminium, das während des Ätzschritts unter dem Fotolack zum Vorschein kommt.

Ein aussergewöhnliches Ätzverfahren ist das Deep reactive ion etching (DRIE), mit dessen Hilfe tiefe Strukturen möglichst orthogonal in das Wafersubstrat geätzt werden. Im ersten Schritt wird der Wafer maskiert, sodass nur die zu ätzenden Regionen exponiert sind.

Danach startet der erste Ätzschritt. Dafür werden Ionen aus einem SF₆-Plasma in einem elektrischen Feld beschleunigt. Damit wird Material primär orthogonal zur Waferoberfläche abgetragen. Da dieser Ätzschritt aber nicht 100% orthogonal fortschreitet, wird nach kurzer Zeit der Ätzschritt gestoppt und eine Passivierungsschicht über den gesamten Wafer appliziert. Dann wird wiederum geätzt wie zuvor, wobei zuerst die Passivierungsschicht auf dem Grabenboden weggeätzt wird und dann der Graben tiefer geätzt wird.

Diese beiden Schritte werden abwechslungsweise so lange wiederholt, bis die gewünschte Grabentiefe erreicht wird. Das Resultat ist eine Mikrostruktur mit Wänden, die weitgehend orthogonal zur Waferobefläche angeordnet sind. Dabei weisen diese eine charakteristische wellige Oberfläche auf.

Im Kontext von Drucksensoren hat das DRIE Verfahren im Gegensatz zum klassischen Nassätzten mit Kaliumhydroxid (KOH) Vor- und Nachteile:

Bei DRIE muss jeder Wafer einzeln prozessiert werden, was zu höheren Kosten pro Wafer führt als beim Nassätzen, bei dem ganze Waferlots zeitgleich geätzt werden können.

Weiter kann bei gleichbleibender Membrangrösse aufgrund der mittels DRIE gefertigten senkrechten Wände unter der Membran die Grösse des ganzen Druckchips reduziert werden, was zu tieferen Kosten pro Chip führt.

Ein Nachteil von KOH ist, dass nassgeätzte Strukturen zwingend rechteckig sein müssen, da KOH anisotropisch ätzt, während DRIE das orthogonale Ätzen beliebiger Geometrien zulässt. Mit einer angepassten Geomtrie kann beispielsweise die mechanische Stresskonzentration optimiert werden.

Ein weiterer Vorteil des DRIE Ätzens, der insbesondere bei Niederdrucksensoren zum Tragen kommt, ist die Beschaffenheit des Ätzstopps. Im falle eines Drucksensors ist dies die Rückseite der Membran. Bei KOH geätzten Produkten ist dieser Ätzstopp uneben. Mit DRIE kann eine deutlich weniger unebene Oberfläche gefertigt werden. Die Ebenheit der Rückseite der Membran ist bei Niederdrucksensoren besonders wichtig, da die Membran bei diesen besonders dünn ist. Die selbe Unebenheit bedeutet bei einer dünneren Membran aber einer deutlich grösseren Abweichung von der Solldicke.

Absolut oder differenziell?

Je nach Anwendung interessiert eine absolute- oder eine relative bzw. differenzielle Druckmessung. Für absolute Drucksensoren muss auf der einen Seite der Membran ein Vakuum erzeugt und gehalten werden, was am einfachsten über Waferbonding gelöst wird.

Beim Waferbonden werden zwei Wafer flächig miteinander verbunden. Bei MEMS-Drucksensoren handelt es sich beim einen Wafer jeweils um einen wie oben be-schriebenen Siliziumwafer. Beim anderen Wafer kann es sich ebenfalls um einen Silizium-, häufiger aber um einen Glaswafer, handeln.

Es gibt unterschiedliche Waferbondverfahren, wobei bei MEMS-Drucksensoren das anodische Bonden am weitesten verbreitet ist. Die beiden polierten und behandelten Wafer bilden dabei unter Temperatur und elektrischer Spannung eine starke Verbindung.

Waferbonden kann eingesetzt werden, um Absolutdrucksensor zu fertigen. Dafür muss der Druck auf einer Seite der Membran konstant gehalten werden. Dies gelingt, in dem unter Vakuum-umgebung ein Glaswafer auf die Rückseite eines MEMS Drucksensorwafers gebondet wird. Damit kann jeder von vorne beaufschlagte Druck relativ zum auf der Rückseite der Membran herrschenden Vakuum und damit absolut gemessen werden.

Vom MEMS Chip zum Drucksensor

Piezoresistive MEMS Drucksensoren wandeln eine mechanische Spannung in ein elektrisches Signal um. Um ein möglichst genaues Signal zu erhalten, soll die gewandelte mechanische Spannung möglichst ausschliesslich durch den beaufschlagten Druck verursacht werden. Der Einfluss anderer Quellen von mechanischen Spannungen soll deshalb auf ein Minimum reduziert werden.

Die wichtigste unerwünschte Quelle von solchen Spannungen ist die Temperatur. Da jedes Material eine unterschiedliche thermische Expansion aufweist, führen Temperaturänderungen zu ungleichmässigen Ausdehnungen bzw. Kontraktionen, was wiederum zu mechanischen Spannungen führt. Diese Effekte werden natürlich beim Design eines MEMS-Chips berücksichtigt. Zum Beispiel werden kritische Strukturen möglichst symmetrisch aufgebaut, um einen Biegeeffekt im Stile eines Bimetalls zu verhindern. Wo möglich werden aber direkt Materialien mit möglichst ähnlichen thermischen Eigenschaften gewählt.

Nicht nur beim Design des Chips ist es wichtig, solche Effekte zu beachten. Auch bei der mechanischen Verbindung zwischen dem Druckchip und dem Gehäuse eines Drucksensors, Die-Attach genannt, ist darauf zu achten. Je nach Gehäusematerial ist die Differenz der thermischen Expansion zwischen Chip und Gehäuse erheblich. Wird beispielsweise ein Siliziumchip mit einer thermischen Expansion von 2.56×10^-6/K direkt in ein Kunststoffgehäuse mit einer thermischen Expansion von 26×10^-6/K montiert, werden bei Temperaturänderungen signifikante Spannungen in den Chip übertragen.

Je niedriger der nominelle Druckmessbereich des Chips ist, desto empfindlicher ist der Chip auch auf solche Spannungen. Insbesondere für das Montieren von Niederdruckchips ist es deshalb zu empfehlen, Tests mit unterschiedlichen Klebstoffen durchzuführen. Auch die unterschiedlichen Methoden des Applizierens des Klebstoffes sind zu evaluieren.

Die wichtigsten Eigenschaften des Die-Attach sind dessen Festigkeit, der Abstand zwischen Siliziumchip und Gehäuse sowie die Kontamination der Wände des Chips. Bezüglich Festigkeit ist ein möglichst weicher Die-Attach anzustreben, da dieser so möglichst viele Spannungen absorbieren kann. Der Abstand zwischen Chip und Gehäuse soll ausreichend gross sein, wiederum um die Absorption von Spannungen zu ermöglichen. Dabei soll der Die-Attach aber möglichst wenig an den Wänden des Siliziumchips hochwandern, da damit wiederum die Entkopplung gemindert wird.

Um die Aufgabe des Die-Attach zu vereinfachen kann ein Rückseitenglas an den Sensorchips implementiert werden.

Dies geschieht wie bei Absolutdrucksensoren mittels Waferbonden. Glas verfügt über eine relativ ähnliche thermische Expansion wie Silizium (3.2×10^-6/K vs. 2.56×10^-6/K). Damit entstehen nur minimale temperaturbedingte Spannung zwischen Glas und Silizium, während das Glas Spannungen die vom Sensorgehäuse kommen weitgehend absorbieren kann. Dies kann den Die-Attach Prozess massiv vereinfachen, da ein solcher Chip mit Rückseitenglas recht einfach geklebt werden kann.

Glas hat allerdings den Nachteil, dass es sich um ein amorphes Material handelt. Glas ist damit, im Gegensatz zu Silizium, nicht kristallin, was bedeutet, dass sich Glas langfristig geometrisch verändern bzw. «fliessen» kann. Hierbei geht es um Zeiträume von Monaten und Jahren, über die sich das Glas verändert und damit eine mechanische Spannung im Siliziumchip verursacht. Dies ist im Sensorsignal dann als Zero-Offset Drift sichtbar. Dieser Effekt macht sich wiederum besonders bei Niederdrucksensoren bemerkbar, während er bei höheren Drücken meist vernachlässigbar ist. Für die langfristig beste Niederdruck-performance ist also ein mittels gut implementiertem Die-Attach Prozess befestigter Siliziumchip einem Chip mit Rückseitenglas vorzuziehen.

Welche Sensorkonstruktion und Technologie für den DIE Attach die Beste ist hängt von der Applikation ab. Je nach Anwendung, Medium und Druckbereich kann dies variieren. Alle diese Faktoren müssen zusammen betrachtet werden, um den besten Sensor für eine bestimmte Anwendung zu designen und zu produzieren.

Mit der gemeinsamen Vision, die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoff voranzutreiben, wird Angst+Pfister Sensors and Power AG als exklusiver Vertriebspartner für die Produkte von H2scan in Deutschland und der Schweiz agieren. Dazu gehören die bewährten Detektionssysteme von H2scan, die für die Überwachung von Wasserstoff in Transformatoren, industriellen Prozessen, Energiespeichersystemen und Brennstoffzellen entscheidend sind.

Die Zusammenarbeit ermöglicht eine verbesserte Sicherheit, Zuverlässigkeit und die Optimierung von wasserstoffbasierten Anwendungen in verschiedensten Branchen.

Die Kooperation spiegelt das Engagement beider Unternehmen für Innovation, Qualität und Nachhaltigkeit wieder. Durch das starke Netzwerk von Angst+Pfister im Bereich der Gassensorik und die etablierte Detektionstechnologie von H2scan wird der Weg für Fortschritte bei Wasserstoff-Energiesystemen geebnet und die Position beider Unternehmen im europäischen Markt gestärkt.

Thomas Röttinger, CEO von Angst+Pfister Sensors and Power AG, sagt:
“Wir freuen uns, mit H2scan zusammenzuarbeiten und ihre bahnbrechende Wasserstoffsensortechnologie auf den deutschen und schweizerischen Markt zu bringen. Diese Zusammenarbeit steht im Einklang mit unserer Strategie, unseren Kunden innovative, zuverlässige und nachhaltige Sensorlösungen zu liefern. Mit den Sensoren von H2scan wollen wir die Sicherheit und Leistung in Branchen verbessern, in denen Wasserstoff eine immer wichtigere Rolle spielt.”

David Meyers, Präsident & CEO von H2scan, ergänzt:
“Angst+Pfister ist mit seinem umfassenden Know-how und seiner Marktpräsenz der ideale Partner, um unsere Präsenz in Europa auszubauen. Gemeinsam werden wir fortschrittliche Sensoriklösungen anbieten, die nicht nur die Sicherheit von Wasserstoffanwendungen verbessern, sondern auch die Akzeptanz von Wasserstoff als saubere Energiequelle beschleunigen.”

Über H2scan
H2scan ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Wasserstoffmessung und -überwachung. Mit mehr als 20 Jahren Erfahrung bieten die Sensoren von H2scan zuverlässige und wartungsfreie Lösungen für Wasserstoff in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Leistungstransformatoren, Industrieprozessen und Brennstoffzellensystemen. H2scan hat es sich zur Aufgabe gemacht, durch seine fortschrittlichen Sensorlösungen die Sicherheit, Leistung und Umweltverträglichkeit zu verbessern.

Frequency-hopping und Abschirmung reduzieren EMI, und deshalb sind zusätzliche Ferritperlen für die EMI-Minderung nicht erforderlich. Ein Hochtemperaturprozess ermöglicht eine Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C. Bei voller Leistung bis zu einer Betriebstemperatur von 125 °C ohne jegliche Leistungsminderung. Der integrierte Kurzschlussschutz vermeidet zudem eine übermäßige Verlustleistung.

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