Development of a compact wireless SAW Pirani vacuum microsensor with extended range and sensitivity

Vakuumsensoren haben nach wie vor einen begrenzten Messbereich und erfordern eine aufwendige Verkabelung sowie eine komplexe Integration in Vakuumkammern. Ein kompakter Sensor, der in der Lage ist, den Erfassungsbereich zwischen Hochvakuum und Atmosphärendruck zu erweitern und dabei drahtlos zu arbeiten, ist äußerst wünschenswert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf, der Simulation, der Herstellung und der experimentellen Validierung eines drahtlosen kompakten Vakuum-Mikrosensors mit erweiterter Reichweite und Empfindlichkeit. Zunächst wurde ein neuer Sensor unter Verwendung vorhandener und neu entwickelter Komponenten entworfen. ... mehrZweitens wurden die Sensorkomponenten simuliert, um ihre Parameter zu optimieren. Drittens wurde ein Prototyp unter Verwendung der verfügbaren Mikrobearbeitungs- und Halbleitertechnologien hergestellt und montiert. Viertens wurde der Prototyp unter Umgebungs- und Vakuumbedingungen charakterisiert, um seine Leistungen zu validieren.

Für das Wandlerprinzip wurden zwei Techniken kombiniert, nämlich Pirani-Sensorik und akustische Oberflächenwellen. Das Design der Sensorkomponenten bestand aus vier Einheiten: Sensoreinheit, Heizeinheit, Abfrageeinheit und Gehäuse. Alle Einheiten wurden in einen kompakten Würfel eingebaut. Einige Komponenten wurden neu entwickelt, während andere gekauft, modifiziert und dann miteinander verbunden wurden. Die Sensoreinheit besteht aus einem neuen Chip mit verbesserter Sensorleistung dank eines optimierten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen. Die Heizeinheit wurde aus zwei induktiv gekoppelten Spulen und der zugehörigen Konditionierungselektronik zusammengesetzt. Die Abfrageeinheit wurde mit einer Mikro-Patch-Antenne hergestellt. Ein würfelförmiges Polymergehäuse wurde entwickelt, um alle Komponenten in einer Vakuumkammer unterzubringen.

Zweitens wurde die Simulation des Verhaltens der Sensorkomponenten behandelt. Die für die Druckmessung verantwortliche Wärmeübertragung des Sensorchips wurde vom Hochvakuum bis zum Atmosphärendruck untersucht, um seine Abmessungen zu optimieren. Die Verwendung eines hängenden Lithium-Niobat-Chips mit Y-Z-Schnitt und einem TCF von 94 ppm/K führte zu einer verbesserten Leistung in einem Messbereich zwischen \num{d-4}~Pa und \num{e5}~Pa. Die elektronische Kopplung der Heizspulen wurde ebenfalls simuliert, um die Leistungsübertragung und den Kopplungsabstand zu optimieren.

Der dritte Teil betrifft die Herstellungs- und Montageschritte des Prototyps unter Verwendung der verfügbaren Halbleitertechnologien und -ausrüstung. Ein SAW Chip wurde mit einer 100~nm dicken Goldschicht an der Unterseite gesputtert, um den Heizwiderstand zu bilden, und mit Hilfe von Drahtbonding elektrisch mit dem Rest des Sensors verbunden. Es wurde eine Leiterplatte vorbereitet, die die Heiz- und Sensoreinheit enthält. Ein kubisches Gehäusewurde aus PTFE hergestellt.

Viertens wurden die Sensorkomponenten zunächst separat charakterisiert, um ihre Leistungen zu überprüfen, und dann zusammen unter Umgebungsbedingungen. Später wurde der Sensor im Vakuum integriert, und es wurde ein druckabhängiges Verhalten des Sensorchips beobachtet.

Die Relevanz eines drahtlosen Übertragungsverfahrens wurde den herkömmlichen drahtgebundenen Methoden gegenübergestellt. Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten außerhalb und innerhalb des Vakuums zeigten die Machbarkeit und Relevanz des neuen Konzepts.

Vacuum sensors still have restricted sensing ranges and require bulky wiring as well as complex integration into vacuum chambers. A compact sensor able to extend the sensing range between high vacuum and atmospheric pressure while operating wirelessly is highly desirable. The focus of this work lies in the design, simulation, manufacturing and experimental validation of a wireless compact vacuum microsensor with extended range and sensitivity. First a new sensor was designed using available and newly designed components. Second the sensor components were simulated to optimise their parameters. ... mehrThird, a prototype was manufactured and assembled using the available micromachining and semiconductor technologies. Fourth the prototype was characterised at ambient and vacuum conditions to validate its performances.

Two techniques have been combined to form the transducing principle, namely Pirani sensing and Surface Acoustic Waves. The design of the sensor components boiled down to four units: sensing unit, heating unit, interrogation unit and the packaging. All units were inserted inside a compact cube. Some components were newly designed while other components were bought, modified and then coupled together. The sensing unit consists of a new chip with improved sensing performances thanks to an optimised surface to volume ratio. The heating unit was assembled using two inductively coupled coils and their conditioning electronics. The interrogation unit was made with a micro patch antenna. A polymer cubic shaped packaging was designed to enclose all the components inside a vacuum chamber.

Second, the simulation of the sensors components behaviour was dealt with. The sensing chip heat transfer responsible for the pressure measurement was evaluated from high vacuum to atmospheric pressure in order to optimise its dimensions. The use of a suspended Y-Z-cut Lithium Niobate chip, with a TCF of 94~ppm/K revealed an improved performance achieving a sensing range between \num{d-4}~Pa and \num{e5}~Pa. The heating unit coils electronic coupling was simulated as well to optimise the power transfer and coupling distance.

The third part concerns the manufacturing and assembly steps of the prototype using the available semiconductor technologies and equipment. A SAW chip was sputtered with a 100~nm gold layer at its bottom to form the heating resistance and wirebonding was used to connect it electrically to the rest of the sensor. A PCB containing the heating and sensing unit was prepared. A PTFE cubic package was manufactured.

Fourth, the sensor components were first characterised separately to verify their performances, then together at ambient conditions. Later on, the sensor was integrated inside vacuum and a pressure dependent behaviour of the sensing chip was observed.

The relevance of a wireless transmission method was confronted with conventional wired methods. The results of the experimental work outside vacuum and inside vacuum revealed the feasibility and relevance of the new concept.