Forschungsschwerpunkte

Inertialsensorik

© Fraunhofer ENAS
Hochpräziser Drehratesensor
© Fraunhofer ENAS
Kalibrierung eines Drehratesensors

Fraunhofer ENAS arbeitet an Systemlösungen für sensorische Komponenten auf dem Gebiet der Inertialsensorik für verschiedene Anwendungen. Inertialsensoren erfassen Beschleunigung, Neigung oder auch Winkelgeschwindigkeit im freien Raum, ohne dass eine externe Referenz erforderlich ist. Die entwickelten Inertialsensoren basieren auf dem Trägheitsprinzip und wandeln eine mechanische Bewegung meist in eine Kapazitätsänderung um. Diese Kapazitätsänderung muss wiederum in z. B. eine äquivalente Änderung der elektrischen Spannung überführt werden.

Eine besondere Rolle spielen die Drehratesensoren, da sie eine erzwungene Schwingung benötigen. Diese Vibrationsgyroskope basieren auf dem Coriolis-Effekt, der sich aufgrund der erzwungenen Schwingung (Vibration) und einer vorhandenen Winkelgeschwindigkeit einstellt. Es entsteht eine Kraftwirkung, die sogenannte Coriolis-Kraft, und erzeugt ein detektierbares Signal.

Fraunhofer ENAS beschäftigt sich mit dem Entwurf der mikromechanischen Komponenten, der stetigen Weiterentwicklung der MEMS-Technologien, der Systemarchitektur für die jeweiligen Sensoren, der Charakterisierung von MEMS Sensoren auf Wafer- und Chiplevel sowie der Charakterisierung und Kalibration der kompletten Sensorsysteme bis hin zur Datenaufbereitung und Entwicklung geeigneter Algorithmen zur Verarbeitung verschiedener Sensorsignale.

Unsere Sensorsysteme entstehen in enger Kooperation zu unseren Partnern und sind individuell auf die jeweiligen Bedürfnisse der Auftraggeber und Partner angepasst. Die Entwicklung und Fertigung der integrierten Schaltkreise wird durch unsere Kooperationspartner durchgeführt. Die MEMS selbst werden in den Chemnitzer Reinräumen bis hin zu kleineren Serien gefertigt. Bei Bedarf und mit den entsprechenden Randbedingungen können sie in Foundry-Linien überführt werden. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Demonstratoren für die jeweiligen Sensorsysteme entwickelt.

Arbeitsgebiete

  • Design und Optimierung von mikromechanischen Strukturen
  • Entwurf und Simulation von MEMS
  • Entwicklung und Transfer von Technologien
  • Herstellung von Labormustern und Prototypen
  • MEMS Charakterisierung auf Wafer-Level
  • Charakterisierung und Kalibration von MEMS und Systemen

Equipment

  • Drehtisch mit Temperaturkammer
  • Laser-Doppler-Vibrometer
  • LCR-Meter
  • Lock-In-Verstärker
  • Sourcemeter
  • Stoßerreger für Schocktests
  • Vakuumkammer (bis 5·10-3 mbar)
  • Vibrationserreger mit Regelsystem
  • Waferprober (mit Thermo-Chuck)

Software-Tools

  • ANSYS
  • Atollic True Studio
  • Eagle
  • L-Edit
  • LabView und LabWindows CVI
  • LayoutEditor
  • LinkCAD
  • Matlab / Simulink
  • Python
  • SolidWorks
  • Spice (T-Spice, P-Spice, TI-Spice)

  • Entwurf mikromechanischer Systeme (Beschleunigungssensor, Neigungssensor, Drehratensensor, MOEMS)
  • Layout- und Maskenvorbereitung
  • Erstellung von kunden- bzw. produktspezifischen Design Rules (mit DRC) und Prozessspezifikationen im Zusammenhang mit ausgewählter Technologie bzw. Foundry
  • Multiphysikalische Finite Elemente Simulation (z. B. Modalanalyse, transiente Simulation, Kapazitätsanalyse, Dämpfungssimulation)
  • Optimierung mikromechanischer Strukturen z. B. bezüglich Sensitivität, Nichtlinearität, Robustheit und Zuverlässigkeit
  • MEMS-Technologie-Co-Design
  • MEMS-ASIC-Co-Design
  • Wafer-Level-Charakterisierung (Kapazitäten, Empfindlichkeiten, Widerstände, Leitfähigkeit, Eigenfrequenzen, Güte, Dämpfung)
  • Wafer-Level-Charakterisierung mit elektronischen Probecards (z. B. typ. Systemparameter von Drehratensensoren)
  • Experimentelle Modalanalyse mit 3D-Motion-System-Analyzer
  • Analyse der elektromechanischen Parameter mit 3D-Motion-System-Analyzer
  • Charakterisierung und Kalibration von Sensor-Chips und Systemen
  • Schock bis zu 10.000 g
  • Vibration (bis zu 30 kHz)
  • Tumble-Test (über Temperatur)
  • Drehrate bis zu ±3000 °/s (Auflösung 0,001 °/s) kombiniert mit Temperatur
  • Temperatur-Kalibration (-50 … +110 °C)
  • Anfertigung von Mustern und Prototypen
  • Technologietransfer

  • Intense2020: Entwicklung von robusten Beschleunigungssensoren für Automotive-Anwendungen
  • KoliBriS: Modulare Technologieplattform für hochkompakte Inertialsensoren mit integrierter Schaltungselektronik
  • diVIBES: Digitale 3D Breitband-Vibrationssensoren zur verbesserten Maschinenüberwachung durch maschinelles Lernen