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Winzlinge beherrschen den Raum

Mikromechanischer Inertialsensor misst Beschleunigung und Drehrate kombiniert
Winzlinge beherrschen den Raum

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Sensoren für Beschleunigung und Drehrate lassen sich mit Hilfe der Technologieplattform PSM-X2 in einem Sensorelement kombinieren – obwohl dafür verschiedene Druckbereiche eingestellt werden müssen. So lassen sich künftig komplette inertiale Messeinheiten (IMUs) entwickeln, die die Gesamtbewegung eines Körpers in allen drei Raumachsen gleichzeitig erfassen. Ihre Fail-safe- Eigenschaften senken zudem die Kosten, da auf redundante Sensoren verzichtet werden kann.

Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) vereinen minimale Baugröße, niedrige Herstellungskosten und höchste Zuverlässigkeit und finden so vermehrt Anwendung in der Automobilindustrie. Sie werden bereits als Inertialsensoren für aktive und passive Sicherheitssysteme, die Fahrdynamikregelung sowie Navigationssysteme eingesetzt, und sind vermehrt auch in kostengünstigen Baureihen zu finden.

Um die Bauteildichte und Funktionalität weiter zu erhöhen, geht die Entwicklung von einachsigen Sensormodulen über mehrachsige Systeme hin zu kompletten inertialen Messeinheiten (IMUs), die die Gesamtbewegung eines Körpers in allen drei Raumachsen gleichzeitig erfassen.
Die Integration mehrerer Sensortypen und -achsen in einem Modul wird derzeit in der Regel auf Leiterplatten- oder Gehäuseebene bewerkstelligt. Weitaus effizienter und kostengünstiger ist jedoch die Implementierung verschiedener Sensoren auf Chipebene. Während mittels Chip-Level-Integration dreidimensionale Beschleunigungssensoren schon in hohen Stückzahlen industriell gefertigt werden, stellen Drehratensensoren aufgrund der geringeren Reaktionskräfte weitaus größere Anforderungen an Design, Auswerteschaltung sowie die entsprechende Fertigungstechnologie.
Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) hat Sensordynamics die Technologieplattform PSM-X2 entwickelt, welche die Kombination von Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren auf Chipebene erlaubt und so eine hochintegrierte Fertigung von IMUs ermöglicht. Mit dem SD755 steht nun der erste Kombisensor am Markt zur Verfügung, der die hohen Anforderungen der Automobilbranche bezüglich Leistung, Einsatzbereich und Ausfallsicherheit komplett erfüllt.
Hermetische Kapselung sichert Funktion
Im Querschnitt des Kombisensors ist als Kernelement der Technologieplattform PSM-X2 eine stressarme, 11 µm dicke Polysiliziumschicht zu sehen, mit der sich bewegliche Sensorstrukturen erzeugen lassen. Dabei liegen die Strukturelemente von Beschleunigungs- und Drehratensensor direkt nebeneinander, sind jedoch durch Kavitäten hermetisch gasdicht voneinander getrennt. Für die kapazitive Detektion von Bewegungen senkrecht zur Schichtebene sind in einem Abstand von 1,5 µm untenliegende Gegenelektroden implementiert. Die Bewegungsrichtung mikromechanischer Systeme ist somit nicht nur auf Bewegungen in der Ebene beschränkt, sondern es können auch sogenannte Out-of-plane-Bewegungen angeregt und detektiert werden.
In dem oberen Deckel-Chip ist über der Sensorstruktur eine Kavität eingebracht, in welcher Gettermaterial sicherstellt, dass der Kavitätsinnendruck von bis zu 10–6 bar über die gesamte Lebensdauer des Bauelements erhalten werden kann. Die feste Verbindung von Sensor- und Deckelwafer auf Wafer-Ebene, das sogenannte Wafer-Level-Packaging, wird durch ein Gold-Silizium-Eutektikum bei rund 400 °C bewerkstelligt. Dabei sorgt der metallische Bondrahmen für eine hermetische Kapselung, so dass der beim Verbindungsprozess eingestellte Unterdruck erhalten bleibt.
Zwei Druckbereiche in einem Chip
Die träge Masse des Beschleunigungssensors besteht aus einer 11 µm dicken Platte aus Polysilizium, welche frei beweglich über Federelemente an Ankerpunkten aufgehängt ist. Eine Beschleunigung führt zu einer Auslenkung dieser Masse relativ zu den in der gleichen Ebene strukturierten fixen Gegenelektroden. Damit die Vibrationsfestigkeit und Bandbreite der Beschleunigungssensoren gewährleistet ist, wird die Sensorkavität mit einem Inertgas im Druckbereich zwischen 100 und 500 mbar gefüllt, so dass das Schwingverhalten der Masse durch den Gasdruck gedämpft wird.
Der Drehratensensor beruht auf dem Prinzip der mechanisch entkoppelten Vibrationsgyroskope, welche sehr effektiv und mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis behaftet sind. Dabei wird eine an Federn geankerte Ringplatte, ebenfalls aus Polysilizium, in eine oszillierende Drehbewegung (Drive Mode) versetzt, wodurch ein Geschwindigkeitsfeld erzeugt wird. Eine von außen auf das System eingeprägte Drehrate führt zu einer orthogonalen Krafteinwirkung, der Corioliskraft. Die Ringplatte führt somit eine zusätzliche Kippbewegung (Sense Mode) um den Anker aus, welche direkt proportional zur Drehrate ist und durch untenliegende Gegenelektroden ausgelesen werden kann. Durch spezielle Federelemente wird eine mechanische Entkopplung von Drive- und Sense-Mode erreicht, das Übersprechverhalten minimiert. Um mit den zur Verfügung stehenden Anregungsspannungen nennenswerte Auslenkungen im Bereich einiger Mikrometer zu erhalten, muss der Drive Mode in der Eigenresonanz des Drehratensensors angeregt werden. Zusätzlich wird der Kavitätsinnendruck beim Drehratensensor im Bereich zwischen 0,1 und 1 mbar eingestellt, da hier eine geringe, jedoch exakt definierte Gasdämpfung notwendig ist.
Drehratensensoren benötigen somit einen komplett anderen Druckbereich als Beschleunigungssensoren und waren daher prozesstechnisch bisher nicht kompatibel. Der PSM-X2-Prozess eröffnet die Möglichkeit, die Kavitäten auf Wafer-Ebene mit unterschiedlichem Gasdruck zu befüllen, so dass beide Sensortypen parallel im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können. Die Baugröße des SD755-Sensorelements ist dabei mit 3,7 mm x 2,65 mm x 1,2 mm sehr kompakt. Ausgehend von diesem Sensortyp werden derzeit mehrachsige Beschleunigungs- und Drehratensensorelemente entwickelt, so dass eine komplette, höchstintegrierte IMU in ein bis zwei Jahren für den Markt verfügbar ist.
Elektronik sichert Fail-safe-Funktionalität
Neben dem mikromechanischen Sensorelement ist ein spezielles Asic-Element wesentlicher Bestandteil des SD755. Es enthält ein analoges Frontend, welches die geringen Sensorsignale verstärkt und in die digitale Domäne überführt. Ferner einen digitalen Signalprozessor (DSP), der die Signalaufbereitung, die Filterung sowie eine Temperturgangkompensation durchführt. Außerdem enthält das Element umfangreiche Schaltungen zur Selbstdiagnose und zur Diagnose der Sensorelemente.
Die Diagnosefunktionen arbeiten parallel zur Signalverarbeitung, so dass die Messwerte stets lückenlos zur Verfügung stehen. Das Ergebnis der Diagnose wird gleichzeitig mit den Messwerten für Drehrate und Beschleunigung per SPI-Schnittstelle an das übergeordnete System übertragen. Diese sogenannte Fail-safe-Funktionalität ist besonders für sicherheitskritische Anwendungen interessant, wie etwa Fahrdynamikregelung und Überschlagsdetektion in Kfz oder Roboterpositionierung im Industriebereich.
Sensoren wie der SD755 senken so die Kosten in mehrfacher Hinsicht: Einerseits die Systemkosten durch die Reduktion der Bauteilanzahl – da durch die Fail-safe-Funktion auf redundante Sensoren verzichtet werden kann –, andererseits die Entwicklungskosten durch die Verwendung einer einheitlichen, genormten Schnittstelle für mehrere Messgrößen.
Sensordynamics; Telefon 089/5484-2221; E-Mail: mkd@sensordynamics.cc
Fraunhofer ISIT; Telefon 04821/17-4513; E-Mail: merz@isit.fhg.de
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