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Entwicklung piezoresistiver taktiler Sensoren für die Charakterisierung von Mikrokomponenten

Phataralaoha, Anurak GND

Kernpunkte dieser Arbeit sind die Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung dreidimensionaler taktiler Sensoren, welche auf Siliziumbossmembranen und piezoresistiven Signalwandlern basieren. Unterschiedliche Membrankonstruktionen, wie Voll- und Kreuzmembran mit verschiedenen Balkenbreiten und die Fünf-Boss- Struktur, wurden als Federkörper der Tasterprototypen verwendet. Als Grundlagen für Konstruktionsanalysen der Bossmembran wurden mathematische Modelle sowohl mittels analytischer als auch numerischer Verfahren eingesetzt. Die Modelle dienen zum einen für die Betrachtung der Einflüsse der geometrischen Kenngrößen auf die mechanischen Eigenschaften und zum anderen für Berechnungen von mechanischen Spannungen und Membranauslenkungen und den daraus resultierenden Sensorempfindlichkeiten. Optimierungen der Herstellungsprozesse wie Diffusion und Kontaktierung, sowie der Anordnung der Piezowiderstände wurden durchgeführt. Die optimierten Technologien ermöglichen die Herstellung verschiedener Membrankonstruktionen mit hohen Empfindlichkeiten. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des Tastsensors, wie Biegesteifigkeiten, Antastkräfte und dynamisches Verhalten, wurden unterschiedliche Membrankonstruktionen realisiert. Ferner wurden verschiedene Brückenlayouts bezüglich der transversalen und longitudinalen Piezokoeffizienten entworfen. Anschließend wurden die Sensoren bezüglich ihrer Eigenschaften wie die Bruchfestigkeit, Biegesteifigkeiten, Empfindlichkeiten und dynamisches Verhalten charakterisiert. Einige mögliche Einsätze der Taster in unterschiedlichen Bereichen werden in dieser Arbeit vorgestellt. Für Anwendungen als taktiler 3D-Kraftsensor wurde der Taster an einem Prüfstand für Untersuchungen tribologischer Eigenschaften von Mikrobauteilen eingesetzt. Außerdem bietet der Taster in diesem Prüfstand die Möglichkeit, die von Mikroaktoren erzeugten Kräfte direkt zu vermessen. Für geometrische Messungen wurde der Taster an einer Nanomessmaschine erprobt. Es wurden sowohl statische als auch dynamische Antastversuche durchgeführt, wobei eine Antastpunktgenauigkeit von 1,7 nm ermittelt wurde. Ein weiteres Einsatzgebiet des Sensorchips mit einer vollflächigen Bossmembran liegt im Bereich der Differenzdruckmessung. Dazu wurde der Sensor auf einer Trägerplatine befestigt, auf deren Rückseite eine Einlassdüse montiert ist. Die Druckdifferenz zwischen dem Druck an der Einlassdüse und dem Umgebungsdruck kann somit erfasst werden.

This work presents the development, fabrication and characterization of three dimensional tactile sensors based on silicon boss membranes and piezoresistive elements. Various membrane structures were implemented as a deflection plate, specifically full and cross membranes as well as five-boss-structures with different widths. Initially, analytical and numerical models were applied in order to analyze the membrane structure. These mathematical models were used primarily to analyze the influence of the membrane geometry on the mechanical properties and secondly to calculate mechanical stress, membrane structure deflection and to estimate sensitivities related to applied piezoresistors. For the fabrication processes the diffusion and the semicondutor-metall-interface were investigated and optimized. The optimized technologies allow the fabrication of diverse sensor prototypes with high sensitivities. The various membrane constructions were used to investigate the effect of mechanical properties of the probe, e.g. stiffness, contact force and dynamic properties on the sensor characteristics. Furthermore, different layouts of bridge resistors, according to transversal and longitudinal piezocoeffizients, were developed. Next, the different sensor designs properties were tested, such as the breaking strength, spring constant, sensitivity and resonance frequency. Furthermore, this work shows various applications of the sensor prototypes in various fields of metrology. For force detection the sensor probe was used in an oscillating tribometer to measure applied normal force and resulting frictional force of micro guides. Additionally, the tactile probe can be used to measure force induced by micro actuators. For geometrical metrology the sensor probe was used on a nano coordinate measuring machine, in which a static and dynamic measuring mode was performed. The variation of contact point of 1.7 nm could be reached by the machine. A further application of the probe with a full membrane structure is measurement of pressure. Abstract For this purpose, the probe is glued to a base plate. An inlet is placed on its backside, so that a difference between the pressure at the inlet and the atmospheric pressure can be detected.

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