Die Arbeit beschreibt die Entwicklung und Evaluierung einer Technologieplattform für die Herstellung von oberflächennahen Mikrostrukturen mit hohen Aspektverhältnissen. Grundlage dieser Technologieplattform stellt ein neuartiges Konzept zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung beweglicher Elemente mittels spezieller Träger dar, deren typische Breite unterhalb eines Mikrometers liegt. Basierend hierauf werden drei unterschiedliche Prozessabläufe zur Herstellung der Mikrostrukturen, auch als Air gap Insulated Microstructures (AIM) bezeichnet, vorgestellt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dabei auf der mehrschichtigen Trägervariante mit Isolationsebene und Leitungsebene. Verschiedene Schichtkombinationen, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und Aluminium, sind in ihrem mechanischen, thermischen und Langzeitverhalten charakterisiert und im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für die Träger bewertet. Für die Strukturierung der Siliziumelemente wird ein Verfahren basierend auf einem CF-Polymer als Passivierungsschicht beschrieben. Neben verschiedenen Ausfallmechanismen für die Passivierung werden gezielte Optimierungen der Abscheide- und Ätzprozesse erläutert sowie deren Resultate dargestellt. Für die vollständige Trennung von Substrat und seismischer Masse ist eine isotrope, vom Aspektverhältnis nahezu unabhängige Siliziumstrukturierung nötig. Entsprechende Betrachtungen und Untersuchungen hierzu, unter Verwendung der Reaktionsgase SF6 und O2, stellen den Abschluss der Untersuchungen zur Prozessentwicklung dar. Um die Leistungsfähigkeit der Technologieplattform zu demonstrieren, erfolgt die Herstellung verschiedener Sensoren und Aktoren. Die Charakterisierung dieser Elemente in ihrem mechanischen, thermischen und Langzeitverhalten stellt den Abschluss dieser Arbeit dar.

Die Arbeit beschreibt die Entwicklung und Evaluierung einer Technologieplattform für die Herstellung von oberflächennahen Mikrostrukturen mit hohen Aspektverhältnissen. Grundlage dieser Technologieplattform stellt ein neuartiges Konzept zur mechanischen und elektrischen Kontaktierung beweglicher Elemente mittels spezieller Träger dar, deren typische Breite unterhalb eines Mikrometers liegt. Basierend hierauf werden drei unterschiedliche Prozessabläufe zur Herstellung der Mikrostrukturen, auch als Air gap Insulated Microstructures (AIM) bezeichnet, vorgestellt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dabei auf der mehrschichtigen Trägervariante mit Isolationsebene und Leitungsebene. Verschiedene Schichtkombinationen, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und Aluminium, sind in ihrem mechanischen, thermischen und Langzeitverhalten charakterisiert und im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für die Träger bewertet. Für die Strukturierung der Siliziumelemente wird ein Verfahren basierend auf einem CF-Polymer als Passivierungsschicht beschrieben. Neben verschiedenen Ausfallmechanismen für die Passivierung werden gezielte Optimierungen der Abscheide- und Ätzprozesse erläutert sowie deren Resultate dargestellt. Für die vollständige Trennung von Substrat und seismischer Masse ist eine isotrope, vom Aspektverhältnis nahezu unabhängige Siliziumstrukturierung nötig. Entsprechende Betrachtungen und Untersuchungen hierzu, unter Verwendung der Reaktionsgase SF6 und O2, stellen den Abschluss der Untersuchungen zur Prozessentwicklung dar. Um die Leistungsfähigkeit der Technologieplattform zu demonstrieren, erfolgt die Herstellung verschiedener Sensoren und Aktoren. Die Charakterisierung dieser Elemente in ihrem mechanischen, thermischen und Langzeitverhalten stellt den Abschluss dieser Arbeit dar.

In der vorliegenden Publikation wird ein Verfahren beschrieben, dass eine infrastrukturlose Positionierung im Inneren von Gebäuden ermöglicht. Unter infrastrukturlos wird in diesem Zusammenhang die autarke Positionierung eines Systems auf Basis seiner Inertialsensorik ohne den Einsatz von im Gebäude installierter Zusatzlösungen, wie Funksysteme, verstanden. Aufgrund der insbesondere über die Zeit erhöhten Fehlerbehaftung solcher Sensoren werden bei diesem Verfahren Innenraumkarten in den Lokalisierungsprozess einbezogen. Diese Kartendaten erlauben den Ausschluss invalider Positionen und Bewegungen, wie das Durchqueren von Wänden, und ermöglichen somit eine wesentliche Verbesserung der Ortungsgenauigkeit.

In der vorliegenden Publikation wird ein Verfahren beschrieben, dass eine infrastrukturlose Positionierung im Inneren von Gebäuden ermöglicht. Unter infrastrukturlos wird in diesem Zusammenhang die autarke Positionierung eines Systems auf Basis seiner Inertialsensorik ohne den Einsatz von im Gebäude installierter Zusatzlösungen, wie Funksysteme, verstanden. Aufgrund der insbesondere über die Zeit erhöhten Fehlerbehaftung solcher Sensoren werden bei diesem Verfahren Innenraumkarten in den Lokalisierungsprozess einbezogen. Diese Kartendaten erlauben den Ausschluss invalider Positionen und Bewegungen, wie das Durchqueren von Wänden, und ermöglichen somit eine wesentliche Verbesserung der Ortungsgenauigkeit.

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie und die Parameteridentifikation von Silizium basierten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) mit piezoelektrischen Dünnschicht-Aluminiumnitrid (AlN) vorgestellt. Auf Basis des AlNs als elektromechanischer Wandler erfolgt die Fertigung eines MEMS Technologiedemonstrators für energiearme Inertialsensoren. Das AlN wird über einen reaktiven Sputterprozess auf einer Wachstumsschicht abgeschieden. Durch Parametervariation des reaktiven Sputterprozesses und der Wachstumsschicht werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlNs optimiert. Die Entwicklung einer Gesamttechnologie führt zu einer Integration des Dünnschicht-AlNs in Silizium-Mikromechaniken. Die Röntgenbeugung (XRD) ermöglicht die Kristallstruktur des AlNs zu qualifizieren. Darüber hinaus werden weitere Analysemethoden vorgestellt, die eine hoch genaue und reproduzierbare messtechnische Bestimmung der piezoelektrischen Koeffizienten aus mikromechanischen Messstrukturen ermöglichen. Die Determination der piezoelektrischen Koeffizienten des Dünnschicht-AlNs aus den Messstrukturen erfolgt mittels analytischen und FE Modellen sowie der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Der Fokus der Arbeit liegt hierbei auf der Identifikation der longitudinalen und transversalen piezoelektrischen Ladungskoeffizienten des AlNs. Als Technologiedemonstrator wird ein einachsiger Inertialsensor mit integriertem piezoelektrischen Dünnschicht-AlN vorgestellt. Das MEMS generiert aufgrund des piezoelektrischen Wandlers intrinsisch elektrische Ladungen bei Einwirkung einer mechanischen Energie. Dadurch ist keine elektrische Energiezufuhr für die Messung eines inertialen Ereignisses notwendig. Der vorgestellte Demonstrator wird hinsichtlich seiner Ladungs- und Spannungssensitivität optimiert. Zur theoretischen Beschreibung der Funktionsweise werden analytische, sowie FE und SPICE Modelle genutzt. Eine Charakterisierung des MEMS Bauelements erfolgt hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. / The thesis includes the design, the technology and the parameter identification of silicon-based microelectromechanical systems (MEMS) with piezoelectric thin film of aluminum nitride (AlN). A low-energy inertial sensor as technology demonstrator based on AlN as an electromechanical transducer a MEMS manufacturing process is shown. The AlN is deposited via a reactive sputtering on a growth layer. By varying parameters of the reactive sputtering and the growth layer of AlN, the piezoelectric properties can be optimized. The development of an overall technology results to an integration of the thin film AlNs in silicon micromechanics. X-ray diffraction (XRD) allows to qualify the crystal structure of AlN. Further methods are developed that enable a highly accurate and repeatable metrological determination of piezoelectric coefficients measurement structures. The determination of piezoelectric coefficients of the thin film AlN from the measurement structures is resulting from analytical methods and FE models and the laser Doppler vibrometry (LDV). The identification of the longitudinal and transverse piezoelectric charge coefficient of AlN is one main focus of this work. A uniaxial inertial sensor with an integrated piezoelectric thin film of AlN is presented as technology demonstrator. The piezoelectric transducer of the MEMS is generating electric charges intrinsically as reaction of mechanical stress. Thus, no electric power supply for the measurement of an inertial event is necessary. The presented demonstrator has been optimized with respect to its charge and voltage sensitivity. For a theoretical description analytical and FE and SPICE models are used. A characterization of the MEMS device is carried out with regard to the mechanical and electrical properties.

In der vorliegenden Arbeit werden der Entwurf, die Technologie und die Parameteridentifikation von Silizium basierten mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) mit piezoelektrischen Dünnschicht-Aluminiumnitrid (AlN) vorgestellt. Auf Basis des AlNs als elektromechanischer Wandler erfolgt die Fertigung eines MEMS Technologiedemonstrators für energiearme Inertialsensoren. Das AlN wird über einen reaktiven Sputterprozess auf einer Wachstumsschicht abgeschieden. Durch Parametervariation des reaktiven Sputterprozesses und der Wachstumsschicht werden die piezoelektrischen Eigenschaften des AlNs optimiert. Die Entwicklung einer Gesamttechnologie führt zu einer Integration des Dünnschicht-AlNs in Silizium-Mikromechaniken. Die Röntgenbeugung (XRD) ermöglicht die Kristallstruktur des AlNs zu qualifizieren. Darüber hinaus werden weitere Analysemethoden vorgestellt, die eine hoch genaue und reproduzierbare messtechnische Bestimmung der piezoelektrischen Koeffizienten aus mikromechanischen Messstrukturen ermöglichen. Die Determination der piezoelektrischen Koeffizienten des Dünnschicht-AlNs aus den Messstrukturen erfolgt mittels analytischen und FE Modellen sowie der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV). Der Fokus der Arbeit liegt hierbei auf der Identifikation der longitudinalen und transversalen piezoelektrischen Ladungskoeffizienten des AlNs. Als Technologiedemonstrator wird ein einachsiger Inertialsensor mit integriertem piezoelektrischen Dünnschicht-AlN vorgestellt. Das MEMS generiert aufgrund des piezoelektrischen Wandlers intrinsisch elektrische Ladungen bei Einwirkung einer mechanischen Energie. Dadurch ist keine elektrische Energiezufuhr für die Messung eines inertialen Ereignisses notwendig. Der vorgestellte Demonstrator wird hinsichtlich seiner Ladungs- und Spannungssensitivität optimiert. Zur theoretischen Beschreibung der Funktionsweise werden analytische, sowie FE und SPICE Modelle genutzt. Eine Charakterisierung des MEMS Bauelements erfolgt hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. / The thesis includes the design, the technology and the parameter identification of silicon-based microelectromechanical systems (MEMS) with piezoelectric thin film of aluminum nitride (AlN). A low-energy inertial sensor as technology demonstrator based on AlN as an electromechanical transducer a MEMS manufacturing process is shown. The AlN is deposited via a reactive sputtering on a growth layer. By varying parameters of the reactive sputtering and the growth layer of AlN, the piezoelectric properties can be optimized. The development of an overall technology results to an integration of the thin film AlNs in silicon micromechanics. X-ray diffraction (XRD) allows to qualify the crystal structure of AlN. Further methods are developed that enable a highly accurate and repeatable metrological determination of piezoelectric coefficients measurement structures. The determination of piezoelectric coefficients of the thin film AlN from the measurement structures is resulting from analytical methods and FE models and the laser Doppler vibrometry (LDV). The identification of the longitudinal and transverse piezoelectric charge coefficient of AlN is one main focus of this work. A uniaxial inertial sensor with an integrated piezoelectric thin film of AlN is presented as technology demonstrator. The piezoelectric transducer of the MEMS is generating electric charges intrinsically as reaction of mechanical stress. Thus, no electric power supply for the measurement of an inertial event is necessary. The presented demonstrator has been optimized with respect to its charge and voltage sensitivity. For a theoretical description analytical and FE and SPICE models are used. A characterization of the MEMS device is carried out with regard to the mechanical and electrical properties.