Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren auf Basis des Tunneleffekts

Abstract

Die weitere Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren stößt unter Verwendung herkömmlicher Wandlerprinzipien aufgrund der Skalierungsgesetze bei einer isometrischen Verkleinerung der Sensorstrukturen an ihre Grenzen. In dieser Arbeit wird die Miniaturisierung von Beschleunigungssensoren daher durch den Einsatz einer hochsensitiven quantenmechanischen Tunnelstrecke untersucht. Die theoretische Auslegung der Sensorstrukturen bedarf einer eingehenden Analyse der Zusammenhänge zwischen dem Tunneleffekt, der geometrischen Form und Größe der Feder-Masse-Systeme (FMS) sowie der Parameter der elektrostatischen Aktorik. Die Ergebnisse zeigen zwei Modelle mit einfachem (M1) und spiralförmigem (M2) Federbalken sowie zusätzlicher seismischer Masse und elektrostatischer Aktorik. Durch die geringere Steifigkeit kann mit M2 bei gleichbleibender Empfindlichkeit eine weitere Miniaturisierung erfolgen. Die Tunnelstrecke wird an der Position der größten Empfindlichkeit integriert. Die Steifigkeit der Strukturen ist durch die anziehenden Kräfte zwischen den Tunnelelektroden bei Abständen weniger nm begrenzt. Der Flächenbedarf der Sensorkernfläche (M1 & M2) beträgt einige 10x10 µm2. Die Implementierung der Tunnelelektroden erfolgt, nach Herstellung der Sensorstrukturen durch den Foundry Service PolyMUMPs von MEMSCAP Inc., durch den Einsatz eines „Focused Ion Beam“ (FIB, Ga+) und die Abscheidung von metallorganischem Precursormaterial (MeCpPtMe3) mit einem „Gas Injection System“. Dies führt insbesondere zu zwei Herausforderungen: Zum einen muss ein Prozess entwickelt werden, um Elektrodenspitzen weniger nm im Radius zu generieren. Zum anderen bedarf es einer Untersuchung des metallorganischen Gefüges sowie geeigneter Parameter des FIB, um die Tauglichkeit der Elektroden für den Tunneleffekt sicherzustellen. Daher werden Materialanalysen des Gefüges (Transmissionselektronenmikrokopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie) sowie der elektronischen Parameter (Widerstandsmessung und Tunnelmikroskopie) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Tunnelelektroden mit hohen Blendenströmen des FIB (260 pA, 30 kV) hergestellt werden müssen. Dies führt zu einem erhöhten Platinanteil sowie einer homogenen Verteilung der Platinpartikel im Gefüge. Es werden Elektrodenspitzen mit Radien bis 5 nm hergestellt und initiale Elektrodenabstände von etwa 30 nm bis 300 nm erreicht. Die messtechnische Charakterisierung zeigt den Nachweis des Tunneleffekts bei Tunnelspannungen von 200 mV bis 1 V durch die exponentielle Abhängigkeit zwischen Tunnelstrom und Elektrodenabstand. Die Anregung der Sensorstrukturen mit einer äquivalenten Beschleunigung erfolgt durch die elektrostatische Aktorik. Durch die steigende Sensitivität des Tunneleffekts nimmt das Signalrauschen mit Verkürzung des Tunnelabstandes zu. Der Messbereich beträgt 20 g bei einer Empfindlichkeit des Messsignals von bis zu einigen 10 pA/g. Unter Verwendung der metallorganischen Elektroden lassen sich, je nach Tunnelspannung, Ströme bis 150 pA messen. Die Begrenzung des Tunnelstroms ist auf den hohen Materialwiderstand der Elektroden zurückzuführen. Aus den Ergebnissen folgt die Anforderung nach metallisch „reinen“ Tunnelelektroden, da der dem Tunnelstrom äquivalente Messbereich (einige 10 nA) durch die metallorganischen Materialien maßgeblich begrenzt wird. Im Bezug auf frühere Arbeiten zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der hochempfindliche Tunneleffekt, anstatt zur Erhöhung der Sensorauflösung eines Beschleunigungssensors, auch zur deutlichen Miniaturisierung der Sensorfläche genutzt werden kann.