NEMS-Sensoren

 

Cantilever-Sensoren

Cantilever Sensor Konzept IHT RWTH

In den letzten Jahren haben cantilever-basierte NEMS-Sensoren ein großes Interesse als Sensorplattform für die Realisierung von beispielsweise einer künstlichen Nase oder Gewichtsmessungen mit Zeptogramm-Auflösung erzeugt. Die Skalierung der geometrischen Abmessungen der Cantilever erlaubt es, ihre Sensitivität wesentlich zu erhöhen. Gleichzeitig wird es jedoch schwieriger, die Cantilever-Signale auszulesen, weil sie starken Fluktuationen und Rauschen unterworfen sind.

Am Institut für Halbleitertechnik arbeiten wir derzeit an der experimentellen Realisierung eines neuartigen Auslesemechanismus, der auf der Integration eines Feldeffekttransistors in den NEMS-Sensor beruht, beim dem entweder das Gate oder der Kanal des Feldeffekttransistors bewegt wird. Der Feldeffekttransistor ist derart konstruiert, dass er starke Kurzkanaleffekte zeigt und zudem ein für einen herkömmlichen MOSFET ungünstiges Verhältnis zwischen der geometrischen Oxid- und der Verarmungskapazität aufweist [1,2].

  Cantilever IHT RWTH

Wenn sich der Cantilever bewegt, werden auf Grund der Bewegung die Kurzkanaleffekte moduliert, was zu einer exponentiellen Antwort des Auslesesignals in Abhängigkeit von der Position des Cantilevers zum Transistorkanal führt. Wie in Simulationen gezeigt werden konnte (siehe obige Abbildung), variiert der Strom um mehrere Größenordnungen bei einem konstanten Betriebspunkt, das heißt bei konstanter Gate- und Drain-Spannung. Weiterhin kann entweder ein Betrieb im Aus-Zustand des Bauelements mit einem zunehmenden Verhältnis zwischen Ein-und Aus-Strom oder ein Betrieb im An-Zustand des Transistors gewählt werden. Hauptunterschied zwischen dem Betrieb im An- ​​und Aus-Zustand ist die Reaktion des Feldeffekttransistors auf eine Bewegung des Cantilevers: Im Falle des Aus-Zustandes nimmt der Strom ab, wenn der Cantilever sich in Richtung des Kanals bewegt. Dies steht im Gegensatz zu einer Operation im An-Zustand, bei der der Strom zunimmt, wenn sich der Cantilever, also das bewegliche Gate, dem Kanal des Feldeffekttransistors nähert. Die Änderung des Stromes um mehrere Größenordnungen als Funktion der Position des Cantilevers konnte experimentell gezeigt werden (siehe Inset in der Abbildung unten) [2].

Wird der Cantilever zu resonanten Schwingungen angeregt, führt die Modulation des Stromes über mehrere Größenordnungen zu einem entsprechend oszillierenden Strom mit exponentieller Änderung. Dies wird zurzeit für die Detektion von Massen mit Cantilevern ohne die Notwendigkeit einer Analog-Digital-Wandlung untersucht [3].

 
 

[1] J. Knoch and J. Meijer, „Cantilever-basierter Sensor zur Abstandsmessung und Gasdetektion“, DE 10 2011 107 649 A1.

[2] A. Hessel, S. Scholz, A. Pelger, A. Pfander and J. Knoch, „Modulated Short Channel MOSFETs as Readout Devices for Cantilever-Based Nano-electromechanical Sensors“, submitted to Sensors and Actuators 2017.

[3] A. Hessel, S. Scholz, A. Pelger, A. Pfander and J. Knoch, „A novel approach for scalable sensor arrays using cantilever field-effect transistors“, European Solid State Dev. Res. Conf. 2017.

 

NEMS-Druck-Sensoren

Bild eines Drucksensors IHT RWTH

In den vergangenen Jahren wurden MEMS- und NEMS-Sensoren in einer zunehmenden Anzahl von mobilen End-Geräten wie Handys, Tablet-Computern etc. integriert. Insbesondere Drucksensoren sind weit verbreitet, um beispielsweise den Druck von Pkw-Reifen oder den Blutdruck zu überwachen. Während NEMS-Sensoren damit zu einem relativ hohen Reifegrad gelangt sind, besteht nach wie vor ein Bedarf an neuartigen, besser skalierbaren Drucksensoren, um beispielsweise Mikrofone weiter zu verkleinern oder taktile Sensoren zu realisieren.

Wir untersuchen Drucksensoren auf Basis von Silizium-auf-Isolator-Substraten. Eine Prozessfolge von reaktivem Ionenätzen, Entfernung des vergrabenen Oxids und Tempern in reinem Wasserstoff ermöglicht die Herstellung von Drucksensoren mit einer kristallinen Siliziummembran, wie in der Abbildung gezeigt wird [1]. Darüber hinaus können unter Verwendung einer geeigneten Reihe von Ätzschritten eines Bosch-Prozesses Doppelmembran-Drucksensoren realisiert werden, die die Empfindlichkeit hinsichtlich des Drucks erhöhen, während jegliche weitere Beeinflussung des Sensors - beispielsweise durch eine Beschleunigung - vermieden wird.

Auf der Grundlage von Feldeffekttransistoren werden verschiedene Auslesemechanismen eingesetzt um die Drucksensoren auszulesen.

 
 

[1] J. Knoch and K. Kallis, „Micromechanical pressure sensor and method for producing Same“, WO 2012/095117 A1.