Einfluss-Analyse der Aufbau- und Verbindungstechnik auf Oberflächenwellen-Dehnungs-Sensoren für industrielle Anwendungen

Hochschulschrift

Zusammenfassung: Um die Vorteile der OFW-Sensorik – mit passiven Sensoren Messgrößen hochpräzise zu erfassen und diese drahtlos zu übertragen – in industriellen Anwendungen nutzen zu können, ist ein genaues Sensorverhalten bei deren Belastung und ein umfangreiches Verständnis möglicher unerwünschter Einflussgrößen unumgänglich.Als signifikante Einflussgrößen sind die durch die Aufbau- und Verbindungstechnikhervorgerufenen Effekte anzusehen, die bisher nicht hinreichend analysiert und verstanden sind.In der vorliegenden Arbeit wird erstmals eine detaillierte Einfluss-Analyse der Aufbau- und Verbindungstechnik auf das Verhalten von OFW-Dehnungs-Sensoren vorgestellt. Beginnend nach der Front-End Fertigung der Wafer mit dem Vereinzelungsprozess bis hin zur OFW-Sensor-Chip-Montage mit ausgewählten Klebstoffen wird das Sensorverhalten analysiert. Durch die in den Voruntersuchungen bestimmten temperaturabhängigen Materialparameter, wie der thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder der Elastizitätsmoduln der Klebstoffe, kann eine realitätsnahe Finite-Elemente (FE)-Simulation des Fügeprozesses realisiert werden. Das 3D-Simulations-Modell wird durch Weißlichtinterferometer-Messungen der Sensor-Chip-Verformungen nach dem Montageprozess verifiziert.Die FE-Simulationen ermöglichen eine detaillierte Analyse der Belastungszuständeim OFW-Sensor-Chip nach dem Klebeprozess. Die experimentellen Ergebnisse der Sensor-Chip-Verformungen aufgrund der thermomechanischen Spannungen, die für die ausgewählten Klebstoffe bis zu 35 MPa betragen, werden mit der FE-Modellierung und einem analytischen Modell verglichen.Die Haftfestigkeiten der Sensorklebungen werden durch eine Optimierung der Prozessparameter um bis zu 35 % gesteigert. Die thermische Beständigkeit der Sensorklebungen wird durch eine thermische Auslagerung und Temperaturwechsel-Belastungen bestätigt.Des Weiteren werden in dieser Arbeit die verwendeten OFW-Sensoren eingehendcharakterisiert, um die Einflüsse durch die Back-End Prozessschritte zu beurteilen. Hierfür wird ein neuer Ansatz zur Bestimmung der Sensor-Sensitivitäten aufChip-Level mittels optischer 3D-Verformungsanalyse verwendet. Durch die kontaktlose Messmethode können die Belastungszustände präzise erfasst und mit den OFW-Sensorsignalen korreliert werden. Ebenfalls werden die longitudinalen und transversalen Sensor-Sensitivitäten bis 85 °C gemessen.Das Dehnungsübertragungsverhalten der realisierten Sensorklebungen in die OFW-Sensoren wird mit einem eigens entwickelten experimentellen Aufbau untersucht.Dieser wird in Voruntersuchungen mit unabhängigen Messmethoden, wie standardisierten Folien-Dehnungsmessstreifen und der optischen 3D-Verformungsanalyse verifiziert, um reproduzierbare und definierte Belastungszustände zu gewährleisten.Zur Bewertung der Dehnungs-Kopplung in die OFW-Sensoren wird der dimensionslose Koppelfaktor KF eingeführt. Dieser ermöglicht einen Vergleich des mit verschieden Messmethoden ermittelten Dehnungsübertragungsverhaltens. Zum einen wird dies aus den OFW-Dehnungs-Sensorsignalen ermittelt, zum anderen aus den optischen Messungen der 3D-Verformungsanalyse. Mit zweiterem wird auch eine Analyse der Rückkopplung der OFW-Sensoren auf den Prüfkörper ermöglicht. Durch die Sensorklebung wird die Dehnungssteifigkeit der Prüfkörper lokal erhöht, wodurch dieser im Bereich der aufgeklebten OFW-Sensoren eine 15 % geringere Dehnung erfährt. Die Dehnungs-Kopplung wird für longitudinal und transversal orientierte OFW-Sensoren von Raumtemperatur bis zu 85 °C gemessen. Des Weiteren werden erste Zyklenfestigkeits-Untersuchung der OFW-Sensorklebungen durchgeführt, da im industriellen Einsatz Standzeiten des Messsystems von mehreren Jahren keine Seltenheit sind.Vergleichend zur experimentellen Analyse des Dehnungsübertragungsverhaltens werden FE-Simulationen durchgeführt. Bei Raumtemperatur ist die Abweichung zwischen den Messungen mit den OFW-Sensoren und den Ergebnissen der Simulationen kleiner 5 %. Für erhöhte Temperaturen bis 85 ° C ergeben sich Differenzen bis zu 18 %.Darüber hinaus wird für die Dehnungs-Kopplung ein analytisches Modell hergeleitet,welches das Dehnungsübertragungsverhalten als Funktion der Material- und Geometrieparameter der Fügekomponenten beschreibt. Die maximal mögliche Dehnungs-Kopplung aufgrund der Fügekomponenten-Eigenschaften ist hierfür vorab numerisch zu berechnen. Das analytische Modell, die Ergebnisse der FE-Simulationen und die Messungen der Dehnungs-Kopplung mit den unabhängigen Messmethoden differieren weniger als 10 %.Die vorgestellten Methoden in dieser Arbeit erlauben somit bei hinreichender Kenntnis der Materialkenngrößen, die Dehnungs-Kopplung in einen starren scheibenförmigen MEMS-Sensor vorherzusagen

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Deutsch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2015

Classification and Topics

• Classification: Industrielle und handwerkliche Fertigung
• Keyword: Dehnungssensor ; Sensor ; Verbindungstechnik ; Oberflächenwelle ; Kleben ; Oberflächenwellenelement ; Dehnungssensor

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2015
• Creator: Hempel, Jochen
• Contributor: Reindl, Leonhard M.

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/10186
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-101863
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 14.08.2025, 10:51 AM CEST