Schematischer Querschnitt durch die post-CMOS Drucksensortechnologie mit den drei Ebenen CMOS, Planarisierung und MEMS Sensorebene.
© Fraunhofer IMS
Schematischer Querschnitt durch die post-CMOS Drucksensortechnologie mit den drei Ebenen CMOS, Planarisierung und MEMS Sensorebene.

Drucksensoren und Drucksensorsyteme

Das Fraunhofer IMS verfügt über Technologien für die Integration von Drucksensorsystemen auf CMOS Schaltungen (post-CMOS Drucksensorik).

Drucksensoren und Drucksensorsyteme

Aufsicht auf ein vereinzeltes, diskretes Drucksensorelement
© Fraunhofer IMS
Aufsicht auf ein vereinzeltes, diskretes Drucksensorelement, das in der post-CMOS
Bild einer mit Druck beaufschlagten Membran
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Von einer IMS-Anlage erzeugtes Bild einer mit Druck beaufschlagten Membran des Post-CMOS-Drucksensorprozesses

Das Fraunhofer IMS ist seit vielen Jahren für seine Kompetenz in der Fertigung von Drucksensoren bekannt. Wir entwickeln anwendungsspezifische Drucksensoren für medizinische Applikationen, für verschiedene Anwendungen von Niederdruck/Vakuum, über den barometrischen Druckbereich bis hin zu Drücken von einigen 10 bar. Das vorhandene Know-How erstreckt sich über verschiedene erprobte technologische Ansätze zur Fertigung von Drucksensoren integriert in oder integriert auf CMOS-Schaltungen. Zudem verfügt das IMS über Erfahrungen mit Silicon-on-Insulator (SoI)-basierten Technologien zur Entwicklung von Hochtemperatur-Drucksensoren. Zur elektrischen Erfassung der Größe Druck können sowohl piezoresistive oder kapazitive Sensorelemente realisiert werden.

Für die Entwicklung von Drucksensorsystemen stehen dem IMS mehrere Halbleiterfertigungstechnologien auf Basis von 200 mm Substraten (8“ Wafer) zur Verfügung. Neben der CMOS-Fertigungslinie für z.B. die Hochtemperatur-Drucksensoren ist am Fraunhofer IMS auch ein Mikrosystemtechnik (MST) Lab&Fab etabliert. In diesem zweiten Reinraum werden sogenannte 1-Chip-Systeme realisiert, in dem die Drucksensorelemente, wie z. B. die drucksensitiven Membranen, mittels eines post-CMOS Prozesses oben auf das bestehende ASIC aufgebracht werden. Dieser post-CMOS-Prozess wird am Fraunhofer IMS entwickelt und lässt sich im MST-Lab&Fab umsetzen. Das MST-Lab&Fab bietet in seiner CMOS kompatiblen Infrastruktur ideale Voraussetzungen für die besonderen Anforderungen an eine Prozessführung auf CMOS-Substraten, da ein bestimmtes Temperaturbudget zur Gewährleistung der CMOS Eigenschaften eingehalten werden muss. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit post-CMOS Sensorelemente nachträglich auf Auswerteschaltung aufzubringen, welche in sehr performanten CMOS-Technologien in externen Foundries hergestellt werden können (z. B. 0,18 µm). Derartige System on Chip (SoC)-Lösungen, die die monolithische Integration von MEMS auf dem CMOS-IC nutzen, um die Funktionalität von ICs zu erweitern, sind eine attraktive Idee, da die Miniaturisierung von Standard-MEMS-CMOS-Bauteilen begrenzt ist. Diese monolithische Integrationsmethode bringt einige Vorteile: Der Post-CMOS-Ansatz zielt darauf ab, die Geometrie von MEMS-Sensoren zu reduzieren und ihren Funktionsumfang durch freie Wahl der CMOS-Technologie zu erhöhen. Durch den post-CMOS Ansatz lassen sich flexibel anwendungsspezifische Drucksensorsysteme mit höchster Integrationsdichte entwickeln. Die Sensortechnologie ist entkoppelt von der CMOS Technologie. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel erprobte Ausleseschaltungen für verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen für die Druckbereiche eingesetzt werden können, die in erprobten Technologien mit sehr hohem Durchsatz kosteneffizient hergestellt werden können. Gleichzeitig ist die Sensortechnologie mit 6 bis 7 Prozessebenen flexibel und effizient an individuelle Druckbereiche anpassbar. Durch den Einsatz von ALD Technologien sind anwendungsspezifische Dicht- und Schutzfunktionen realisierbar und ermöglicht den Einsatz von Drucksensorsystemen des IMS in verschiedenen Umgebungsbedingungen.

In einem seit 2018 laufenden Projekt wurde bereits erfolgreich die erste Generation eines CMOS Chips in einer 0,18µm-Technologie als Auslesechip für die post-CMOS Fertigung von Drucksensorelementen entwickelt. Das Design beinhaltet einen hochauflösenden analog zu digital Wandler (ADC) zur Digitalisierung von kapazitiven Drucksensorsignalen Gleichzeitig ist der Chip äußerst rauscharm und geeignet für den Einsatz in Transpondersystemen (LF oder UHF). Über eine SPI Schnittstelle lässt er sich an eine Vielzahl am Markt erhältlicher Transponderchips anschließen.

Weitere Entwicklungsstufen sind möglich. Beispielsweise kann einer der nächsten Entwicklungsschritte die Integration einer Schnittstelle für die drahtlose Kommunikation (HF-Frontend) folgen. Im Bereich der post-CMOS Drucksensortechnologie suchen wir weitere Partner für die Entwicklung von anwendungsspezifischen Drucksensorsystemen mit besonderen Anforderungen.

Für weitere Informationen, besuchen Sie bitte unsere Rubriken Infrastruktur, Kooperationsmodelle und Service & Know-How.

Integrierte kapazitive Drucksensoren

Kundenspezifische Drucksensorsysteme für medizinische oder industrielle Anwendungen.

Unsere Technologien – Innovationen für Ihre Produkte

Atomic Layer Deposition (ALD)

Die Atomlagenabscheidung ALD (Atomic Layer Deposition) ist ein Verfahren zur Abscheidung von extrem dünnen und homogenen Schichten.

3D Integration

3D-Integration mittels Wafer-zu-Wafer-Bonding (W2W) und Chip-zu-Wafer-Bonding (C2W) ermöglicht eine Kostenreduktion durch eine höhere Integrationsdichte und kürzere Verbindungsweg.

Mikrobolometer

Technologie-Prozess zur Herstellung von kundenspezifischen ungekühlten Infrarotsensoren für Anwendungen im Wellenlängenbereich 3 µm bis 5 µm oder 8 µm bis 14 µm.

Vakuum Chip-Scale-Package

Wir haben mit der Vakuum-Chip-Scale-Packages Technologie (CSP) das kleinstmögliche Vakuumgehäuse für ungekühlte IR-Imager realisiert.

SPAD im Fokus

Spezielle Mikrolinsen erhöhen den Füllfaktor von SPADs um einen Faktor 7.

Unsere Technologiebereiche – Unsere Technologien für Ihre Entwicklung

Bildsensoren

Entwicklung von einzelnen Teilschritten bis zum vollständigen kundenspezifischen Prozess.

Biofunktionale Sensoren

Werkzeuge für die medizinische Diagnostik.

Spezialtechnologien

Das Fraunhofer IMS bietet auch Spezialtechnologien z. B. Hochtemperatur-Technologie an.

 

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