Langzeitstabilität der Innendrücke von Kavernen benachbarter MEMS-Sensoren auf Siliziumbasis

MEMS-Inertialsensoren sind oszillatorische elektromechanische Bauelemente, die Relativbewegungen in einem Inertialsystem erfassen. Energieverluste in diesen Systemen, ausgedrückt als Gütefaktor Q, haben direkten Einfluss auf die absolute Messgenauigkeit der Sensoren, beispielsweise wenn sie für Navigation bei Ausfall des GPS-Signals eingesetzt werden. Ein Mechanismus, der den Gütefaktor reduzieren kann, ist Energieverlust des oszillierenden Systems durch Gasdämpfung. Indem der Sensor in einer evakuierten Kaverne betrieben wird, kann dieser Einfluss reduziert werden. ... mehrAufgrund der knappen Platzverhältnisse, die bei vielen Anwendungen für die einzelnen Bauelemente zur Verfügung stehen, wird das Gehäuse des Inertialsensors möglichst platzsparend ausgeführt. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung vieler Bauelemente und somit auch der Kavernenvolumina von Inertialsensoren wird zukünftig der Einfluss geringfügiger Veränderungen der Dämpfungsatmosphäre in Sensorkavernen auf die Zuverlässigkeit der Sensoren immer größer.

Die Versuche in dieser Arbeit zeigen, dass die Sensorkavernen trotz Vakuumwaferbondens Wasserstoff enthalten, der durch Desorbate, die im Verlauf der Sensorherstellung auftreten, nach abgeschlossener Prozessierung in den Kavernen eingeschlossen ist.
Messungen anhand von Belastungstests zur beschleunigten Alterung von Sensorelementen in dieser Arbeit deuten zudem darauf hin, dass es Wasserstoffmolekülen trotz Bemühungen um eine hermetische Abdichtung der Sensorkavernen gelingt, aus den Sensorkavernen hinaus zu diffundieren, was den Qualitätsfaktor des Systems verändert und die Lebensdauer des Sensors beeinflusst.

In dieser Arbeit werden sowohl die Quellen des auffindbaren Wasserstoffs im Sensoraufbau, als auch Diffusionspfade zwischen Innen- und Außenseite der Sensorkavernen identifiziert. Für jeden der betrachteten Mechanismen, die den Gütefaktor beeinträchtigen können, werden Maßnahmen vorgestellt, mit denen sich unerwünschte Veränderungen der Dämpfungsatmosphäre wirksam und langfristig vermeiden lassen. Dazu gehören Ausheizprozesse vor Verschluss der Kavernen, Unterbrechen der Diffusionspfade durch Layoutanpassungen, sowie ein Ansatz für die Verwendung von Materialien mit absorbierender Wirkung in den Kavernen, deren thermische Aktivierung mittels Laserstrahlung erfolgt.

MEMS inertial sensors are oscillatory electro-mechanical devices that detect relative motion in an inertial system. Energy losses in these systems, expressed as quality factor Q, have a direct influence on the absolute measurement accuracy and thus on the operation time, where an acceptably accurate response of a sensor can be expected, for example when they are used for navigation during loss of GPS signal. One mechanism that can lead to a reduced quality factor is energy loss of the oscillating system due to gas damping. This influence can be reduced by operating the sensor in an evacuated cavity. ... mehrDue to the limited space available for the components in many applications, the housing of the inertial sensor is designed to be as space-saving as possible. Due to the ongoing miniaturization of MEMS components including the cavity volumes of inertial sensors, the influence of slight changes in the damping atmosphere in a sensor’s cavity on the reliability will increase in the future.

The experiments in this thesis show that the sensors contain hydrogen, which is trapped in the cavities due to desorption occurring during the manufacturing process, despite a vacuum wafer bonding process. Measurements based on stress tests for accelerated aging of the sensors in this work also indicate that hydrogen molecules manage to diffuse out of the sensor cavities in spite of efforts to hermetically seal the cavities, which changes the quality factor of the system and influences the lifetime of a sensor.

In this work the sources of the detected hydrogen in the sensor structure as well as diffusion paths between the inside and the outside of the sensor cavities are identified. For each of the mechanisms under consideration, measures are presented that can effectively prevent undesired changes in the damping atmosphere. These include baking processes before the sealing of sensor cavities, interruption of diffusion paths by layout adjustments, and an approach for the use of materials with an absorbing effect in the cavities, thermally activated by means of laser radiation.