Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Vorgehensweise

Um die Aufgabenstellung zielgerecht zu bearbeiten, wurde zu Beginn die Vorgehensweise festgelegt. Dieser Plan beinhaltet die Entwicklung, Fertigung und gezielte experimentelle Untersuchungen eines Wirbelstromsensors (Bild 4.1).

Das Thema wird in Koordination mit Heri Iswahjudi bearbeitet, der Konzepte zur Simulation des Sensors mittels der Finite Element Methode (FEM) und zur analytischen Berechnung des Sensors entwickelte [ISW05].










Sensoraufbau




Charakterisierung des Sensors



2005 imt 5017-027
Bild 4.1: Vorgehensweise
Bei der Simulation und Modellierung des Sensors werden sowohl mechanische als auch magnetische Eigenschaften unterschiedlicher Kernvarianten mit FEM untersucht. Auf der Grundlage der Simulationsergebnisse wird die Strukturenform mit den optimalen magnetischen Kennwerten ermittelt.

Im Rahmen des Entwurfes des Mikrowirbelstromsensors ist zunächst das grundsätzliche Funktionsprinzip dieses induktiven Sensors festzulegen. Bei der Festlegung der Fertigungsschritte sollen unterschiedliche Parameter wie Fertigungskomplexität, die Anzahl der Fertigungsschritte, die Eigenschaften des Bauteils und der Platzbedarf miteinbezogen werden. Unter Berücksichtigung aller Faktoren soll ein Geometrieentwurf des Sensors erstellt werden.

Zur Abschätzung des Geometrieeinflusses werden theoretische Untersuchun- gen und Analysen mittels Simulationen durchgeführt. Diese Simulationen erlauben die Beurteilung des magnetischen und elektrischen Verhaltens des Bauelementes und stellen damit eine Option zur Verbesserung des Bauteils bereits in der Entwurfsphase dar. Nach der Festlegung der Fertigungsschritte sind Entwurf und Simulationen miteinander abzustimmen.

Für den Sensorentwurf relevante Werkstoffeigenschaften sollen bereits bei der Prozessentwicklung analysiert werden. Zudem werden die Prozessparameter zur Erzeugung von funktionalen Schichten getestet. Die Untersuchung magnetischer Werkstoffe hinsichtlich ihrer Abscheidungs- und magnetischen Eigenschaften werden vorgesehen. Dabei werden Kennwerte für die Koerzitivität, Permeabilität und Sättigung weichmagnetischer Werkstoffe beachtet. Neben den Untersuchungen magnetischer Materialien werden auch Prozesse zur Herstellung von Leiterstrukturen optimiert. Die Abscheidungs- und Strukturierungsmöglichkeiten erfolgen parallel zu Untersuchungen zur Leitfähigkeit und zur Ermittlung der maximalen Strombelastbarkeit.

Als mögliche Isolationsmaterialien werden organische Stoffe untersucht. Bei der Auswahl spielen Strukturierbarkeit und Prozessdauer eine wichtige Rolle. Es soll Planarisierungstechnik eingesetzt werden, welche die Eigenschaften des Isolationsmaterials und der Thermobehandlung berücksichtigt und keine Auswirkungen auf die magnetischen Eigenschaften des eingebetteten Materials mit sich bringt.

Bei der Prozessentwicklung werden zuerst die einzelnen Prozessschritte der Sensorfertigung definiert und in einem Waferprozess zusammengeführt. Hierbei fließen die Ergebnisse aus der Sensorentwicklung und die Untersuchungsergebnisse der Werkstoffe ein. Anschließend werden Wirbelstromsensoren auf der Waferoberfläche angeordnet und die Abstände zwischen den einzelnen Bauteilen berechnet. Parallel zur Prozessentwicklung sind die Maskenschritte zu definieren. Nach der Festlegung von Fertigungsschritten werden die photolithographischen Masken hergestellt.

Nach Festlegung des Waferprozesses kann mit dem Aufbau des Wirbelstromsensors begonnen werden. Mehrere Wafer werden parallel hergestellt, um eine möglichst hohe Zahl von Bauteilen zu bekommen. Nach dem Aufbau sind die Wirbelstromsensoren zu charakterisieren. Dazu werden Abstandsmessungen mit Proben unterschiedlicher Materialien durchgeführt und miteinander verglichen.

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