Development of a compact wireless SAW Pirani vacuum microsensor with extended range and sensitivity
Creators: name: Toto, Sofia
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: SAW
Pirani
Wireless sensor

description: 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. Zweitens 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.