Herstellung von spannungsoptimierten Silizium-Membranen durch den elektrochemischen Ätzstopp an pn-Übergängen

Vielen Sensoren in mikroelektromechanische Systemen (MEMS) liegen Siliziummembranen zu Grunde. Die Membranen werden mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt. Zum Teil kann man Opferschichten benutzen. Will man jedoch Membranen aus kristallinem Silizium, so muß man auf Ätzstopptechniken zurückgreifen. Eine gängige Methode verwendet vergrabene p^(+)-Schichten. Die sehr hohe Dotierung des Siliziums führt jedoch zu unüberwindbaren Problemen bei der Schaltkreisintegration. Die Verwendung von pn-Übergängen beim elektrochemischen Ätzen als Ätzstopp scheint eine aussichtsreiche Lösung. Die Dotierstoffkonzentrationen sind unkritisch, da sie die Elektronik nicht beeinflussen. Die Siliziummembranen lassen sich mit den üblichen Standard-IC-Prozessen herstellen. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, die physikalisch-chemische Erklärung des elektrochemischen Ätzstopps von Silizium in alkalischen Lösungen zu finden. Dabei sollten Effekte untersucht werden, die einen Einfluß auf das Ätzstoppverhalten haben, wozu insbesondere - die Verarmungszone unterhalb der p-Silizium/Elektrolyt-Phasengrenzfläche - sowie die Raumladungszone des in Sperrichtung geschalteten pn-Übergangs zählen. Ausgangspunkt sind die chemischen Ätzmechanismen des Siliziums respektive des Siliziumdioxids, wobei der Mechanismus des Siliziumätzens in alkalischen Lösungen und die elektrochemischen Effekte ausführlich beschrieben werden. Es zeigt sich ein starker Einfluß der Oberflächenelektronen im Leitungsband des Siliziums und der Hydroxidionen des Elektrolyten auf den Auflösungsmechanismus des Siliziums. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, den mittels pn-Übergangs kontrollierten elektrochemischen Ätzstopp vollständig zu beschreiben. Es zeigte sich, daß die Dicke der Membran von den Dotierstoffkonzentrationen des p-Siliziumsubstrats und der n-Siliziumschicht, der Tiefe der n-Dotierung, der Temperatur im Ätzsystem und besonders von der anodischen Sperrspannung abhängig ist. Zur Verifizierung wurden Siliziummembrandicken mit Hilfe von IR-Ellipsometrie vermessen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch der es Einflusses von starken Dotierungen im Silizium auf dessen elastische Eigenschaften untersucht, im speziellen bei µm-dünnen Membranen, die mittels elektrochemischen Ätzstopps hergestellt wurden. Dabei wird auf den Einfluß der hohen Dotierstoffkonzentrationen ein besonderes Augenmerk gelegt. Der Youngsche Modul läßt sich bei einem Zugversuch durch Messung der Ausdehnung ermitteln. Für eine zerstörungsfreie Messung der sehr dünnen pn-Siliziummembranen wird die Dehnung berührungslos mit Hilfe des Laser-Speckle Extensometers gemessen. Laserakustische Oberflächenwellen wurden eingesetzt, um gezielt den Einfluß der unterschiedlich starken Dotierung mit Phosphor auf den Elastizitätsmodul zu ermitteln.

Anwendung der geoelektrischen 3D-Tomographie für die Analyse thermisch induzierter Strömungen im Labor

Sowohl in der Natur als auch in der Industrie existieren thermisch induzierte Strömungen. Von Interesse für diese Forschungsarbeit sind dabei die Konvektionen im Erdmantel sowie in den Glasschmelzwannen. Der dort stattfindende Materialtransport resultiert aus Unterschieden in der Dichte, der Temperatur und der chemischen Konzentration innerhalb des konvektierenden Materials. Um das Verständnis für die ablaufenden Prozesse zu verbessern, werden von zahlreichen Forschergruppen numerische Modellierungen durchgeführt. Die Verifikation der dafür verwendeten Algorithmen erfolgt meist über die Analyse von Laborexperimenten. Im Vordergrund dieser Forschungsarbeit steht die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Temperaturverteilung für die Untersuchung von thermisch induzierten Strömungen in einem Versuchsbecken. Eine direkte Temperaturmessung im Inneren des Versuchsmaterials bzw. der Glasschmelze beeinflusst allerdings das Strömungsverhalten. Deshalb wird die geodynamisch störungsfrei arbeitende Impedanztomographie verwendet. Die Grundlage dieser Methode bildet der erweiterte Arrhenius-Zusammenhang zwischen Temperatur und spezifischer elektrischer Leitfähigkeit. Während der Laborexperimente wird ein zähflüssiges Polyethylenglykol-Wasser-Gemisch in einem Becken von unten her erhitzt. Die auf diese Weise generierten Strömungen stellen unter Berücksichtigung der Skalierung ein Analogon sowohl zu dem Erdmantel als auch zu den Schmelzwannen dar. Über mehrere Elektroden, die an den Beckenwänden installiert sind, erfolgen die geoelektrischen Messungen. Nach der sich anschließenden dreidimensionalen Inversion der elektrischen Widerstände liegt das Modell mit der Verteilung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit im Inneren des Versuchsbeckens vor. Diese wird mittels der erweiterten Arrhenius-Formel in eine Temperaturverteilung umgerechnet. Zum Nachweis der Eignung dieser Methode für die nichtinvasive Bestimmung der dreidimensionalen Temperaturverteilung wurden mittels mehrerer Thermoelemente an den Beckenwänden zusätzlich direkte Temperaturmessungen durchgeführt und die Werte miteinander verglichen. Im Wesentlichen sind die Innentemperaturen gut rekonstruierbar, wobei die erreichte Messgenauigkeit von der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Gleichstromgeoelektrik abhängt.

Antriebssysteme für Stückgutsortieranlagen – Eine Bestandsaufnahme

Die Sortierung von Stückgütern stellt einen der aufwendigsten Vorgänge in der Warenverteilung dar, der heutzutage weitestgehend maschinell durch hochautomatisierte, kettengeführte Sortieranlagen erledigt wird. Von besonderem Interesse ist die Ausführung des Antriebssystems, da dessen Eigenschaften maßgeblich die Effizienz der Gesamtanlage festlegen. Berührungslos arbeitende Linearinduktionsantriebe stellen hierfür den aktuellen Stand der Technik dar. Ihr signifikanter Nachteil ist der äußerst geringe Wirkungsgrad von höchstens 25%. Angesichts steigender Energiepreise wird dieser Nachteil in absehbarer Zeit stärker ins Gewicht fallen. Es müssen Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung untersucht werden oder aber ein alternatives, vergleichbares Antriebskonzept gefunden werden. Der Kettenvortrieb durch Reibradantriebe stellt ein solches Konzept dar. Dieser Beitrag behandelt Antriebssysteme von kettengeführten Stückgutsortieranlagen und stellt zunächst bewährte Systeme wie Kettenrad-, Schleppketten- und Schneckenwellenantrieb vor. Hieran schließt sich eine Diskussion der Eigenschaften von aktuell eingesetzten Linearinduktionsantrieben an. Bezüglich der Wirkungsgradproblematik werden Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt und der Reibradantrieb als weiteres mögliches Antriebskonzept vorgestellt.

Berührungslose Oberflächenerfassung mittels PMD-Kameratechnologie im Braunkohletagebau

In Zusammenarbeit mit der RWE-Power AG forscht das Institut für Transport- und Automatisierungstechnik am Einsatz der PMD-Kameratechnologie zur berührungslosen Umgebungserfassung im industriellen Umfeld. Ziel ist, am Beispiel des Einsatzes bei der Braunkohleförderung mittels eines Schaufelradbaggers, die Umgebung des Abbaugerätes zu erfassen und im Modell darzustellen. Zu diesem Zweck wurde im Braunkohletagebau an einem Schaufelradbagger eine Messeinrichtung aufgebaut, die es ermöglichen soll, während des Gewinnungsprozesses die Tagebauoberfläche zu erfassen. Der Aufbau und der aktuelle Stand der Messungen werden im Beitrag vorgestellt.

FiFi – Steuerung eines FTF durch Gesten- und Personenerkennung

Um den manuellen Transport in der Intralogistik zu erleichtern, wurde ein Fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) entwickelt, das berührungslos vom Bediener gesteuert wird. Die Steuerung erfolgt durch Gesten- und Personenerkennung basierend auf 3D-Daten der Umgebung. Das Paper beschreibt sowohl Zielsetzung, Betriebsarten und Anwendungsmöglichkeiten als auch das Steuerungskonzept der berührungslosen Steuerung und die technische Umsetzung der Plattform. Erste Experimente bestätigen, dass ein Roboter basierend auf 3D-Daten gesteuert werden kann. Verbesserungsmöglichkeiten in der Robustheit werden aufgezeigt.

FiFi – Robuste Personenerkennung gestengesteuerter Fahrzeuge in der Intralogistik

Die Steuerung des Fahrerlosen Transportfahrzeuges „FiFi“ erfolgt berührungslos durch Gesten- und Personenerkennung basierend auf 3D-Daten der Umgebung. Die genutzten Verfahren zur Personenerkennung führen in einigen Fällen zur Falsch-Erkennung von Personen in Objekten. Das Paper beschreibt die Ursachen der Fehlerkennung und stellt die umgesetzten Lösungsansätze zur Vermeidung vor. Experimente bestätigen, dass die entwickelten Verfahren die Robustheit des Systems erhöhen.

Mixed Signal CMOS ASIC mit integrierten frei verschaltbaren Photodioden und Signalvorverarbeitung zur adaptierbaren Ortsfrequenzfilterung

Die vorliegende Arbeit untersucht die Integrierbarkeit von Photodioden und zugehörigen Signalvorverarbeitungen mit dem preisgünstigen Standard-0,5-µm-Prozess bzw. 0,35-µm-CMOS-Prozess. Als Pilotanwendung wurde die Realisierung eines flexiblen Ortfrequenzfilters vorgesehen, der durch die Verschaltung und die Wichtung von integrierten Photodioden gebildet wird. Mit einem integrierten optoelektronischen Bauteil (Opto-ASIC) sollte die Funktionaliät eines CORREVIT®-Sensors (der Firma Corrsys 3D Sensors) aus Prismengitter, Feldlinse, Photodioden und Vorverstärker nachgebildet und seine Funktionalität erweitert werden. Dazu sollte dieser Opto-ASIC eine Photodiodenzeile enthalten, die im Unterschied zu dem bestehenden CORREVIT®-Sensor durch die programmierbare Verschaltung und die Wichtung der Signale der Photodioden unterschiedliche Ortsfrequenz-Bandpassfilter erzeugen sollte, um unterschiedliche Gitterkonstanten (Ortsfrequenzen) zur optimalen Anpassung des Sensors an die jeweilige Oberfläche realisieren zu können. Neue Ortsfrequenzfilter können mehrere Fehlereinflüsse handelsüblicher Sensoren größtenteils vermeiden. Dazu sollten die Filter symmetrisch sein und die Summen ihrer Wichtungen sollten zu Null werden. Die Photodioden als Elementarbauteile der Ortsfilter werden genau untersucht und optimiert, da die Eigenschaften der Photodioden die Qualität der Messsignale stark beeinflussen. Mit einem neuen entwickelten Messverfahren lässt sich die lokale Empfindlichekeit auf dem ASIC mit einer Auflösung ab 0,5 µm messen. Durch diese Messungen konnte die optimale Geometrie festgelegt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit der Photodioden in den Randbereichen (lateraler Bereich) erheblich höher ist als im Tiefenbereich (vertikaler Bereich). Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Photodioden, die dann abhängig von der Struktur als Fingerdiode oder geschlitzte Diode bezeichnet wurden, in viele Teilflächen zu unterteilen. Zur Realisierung des Ortsfrequenzfilters wurde ein Schaltungssystem zur Signalverarbeitung und Verschaltung der Photodioden entwickelt. Dieser Schaltkreis setzt sich aus Transimpedanzverstärker, Diffenzverstärker, Schalter und einem Schieberegister zusammen.