Drucksensorherstellung neu gedacht mit EMST

Drucksensoren kommen in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz: in Luftfahrwerken der Automobilindustrie, in Druckluftsystemen der Bahntechnik oder in hochpräzisen Pumpsystemen der Medizintechnik. So unterschiedlich die Anwendungen auch sind, eines haben alle Einsatzszenarien gemeinsam: Drucksensoren sind Mikrosysteme, also mikromechanische (oder mikrooptische) Bauelemente, die mikroelektronische Komponenten zu einem komplexen System vereinen und integrieren. 

Drucksensoren in Anlagen oder Maschinen messen den Druck von Flüssigkeiten oder Gasen. Sie wandeln die mechanische Kraft, die der Druck auf eine bestimmte Fläche, meist die Drucksensormembran, ausübt, in ein elektrisches Signal um. Wird die Membran mit Druck beaufschlagt, wird diese verformt. Diese Längung kann genau gemessen und daraus der aktuell anliegende Druck berechnet werden. Drucksensoren spielen daher eine entscheidende Rolle bei der Überwachung und Steuerung von Prozessen und Systemen.

Drucksensoren werden in der Regel lithographisch auf Siliziumsubstraten hergestellt. Sensoren, die den Druck über eine Drucksensormembran - also resistiv - messen, bestehen aus vier Dehnungsmessstreifen, die in einer Wheatstone'schen Messbrücke (DMS-Messbrücke) angeordnet sind. Die auslenkbare Membran ermöglicht bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken eine reproduzierbare Auslenkung gegenüber dem Sensor. Dies führt aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Dünnschichtlegierung, der Mäanderstruktur und der Dehnung des Leiters zu einer Widerstandsänderung in der DMS-Struktur. 

Die lithographische Herstellung der Sensorstruktur ist nach dem Stand der Technik eine in hoher Stückzahl kosteneffektive und reproduzierbare Technologie. Die große Herausforderung eines Dünnschichtdrucksensors liegt jedoch in der Herstellung der Sensormembran. Wird der Sensor auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut, muss die Membran durch Polierprozesse wie chemisch mechanisches Polieren aufwendig gedünnt werden. Anschließend wird die Membran durch Trennschleifen separiert und aufwendig auf einen Rahmen montiert. Andere Ansätze basieren auf dem rückseitigen Ätzen der Siliziumstrukturen mittels Deep Reactive Ion Etching auf eine definierte Membrandicke. Neuere Ansätze in der Mikrosystemtechnik basieren sogar auf Glasmembranen, die durch chemische Ätzverfahren gedünnt werden. So erfordern auch neuere Ansätze den Einsatz von Chemikalien, was die Herstellung von Drucksensoren aufwändig, risikoreich und kostenintensiv macht.

Mit Ensinger Microsystems Technology (EMST) kann die Herstellung von Drucksensoren völlig neu gedacht werden. Wir verzichten auf ätzende chemische Stoffe, aufwändige Montageverfahren und komplizierte Prozessschritte, die unnötige Ressourcen erfordern. Mit unserer neu entwickelten Technologie basierend auf dem Hochleistungskunststoff PEEK können Drucksensoren viel effizienter und ressourcenschonender gefertigt werden – mit zusätzlichen Vorteilen der Funktionalisierung, Integration und Individualisierbarkeit.

In unserer neu entwickelten Prozesskette werden die Strukturen des Sensormäanders mittels spezieller Spritzgussprozesse lithografiefrei auf einem Waferförmigen Substrat abgebildet. Die Funktionalisierung des Substrats und der daraus folgenden Sensorstrukturen wird durch PVD-Beschichtung erzeugt und anschließend freigelegt. Die Sensormembran kann nun rückseitig direkt beim Spritzgussprozess abgebildet werden oder anschließend durch hochpräzisionsfräsen auf das vorher definierte Maß der Dicke über die Rückseite gedünnt werden. Die Dicke, die Materialeigenschaften und der Durchmesser der Membran definieren die Auslenkung und den daraus folgenden Druckbereich. 

Doch EMST denkt Drucksensoren noch einen Schritt weiter. Neben der Vereinfachung der Prozesskette und der ressourcenschonenden Fertigung von Drucksensoren bietet unsere neu entwickelte Fertigungstechnologie einen bisher ungeahnten Grad an Individualisierbarkeit an – für individuelle Drucksensoren, die genau auf Ihre Anforderungen zugeschnitten sind. Sensorformate & -platzierungen, Loßgrößen, Stückzahlen und Funktionen können ohne hohen technischen und finanziellen Aufwand auf die Anwendung angepasst werden. Auch die Integration der Sensoren kann durch die hohen Freiheitsgrade in bisher nicht bedachten Anwendungen realisiert werden. Das von uns verwendete Material TECACOMP PEEK LDS ermöglicht zudem eine innovative Kontaktierung des Sensors über das Verfahren der Laserdirektstrukturierung. 

Gerne beraten wir Sie auch individuell für Ihre Drucksensorlösung mit EMST.