Inertialsensorik

Intense2020: Entwicklung von robusten Beschleunigungssensoren für Automotive-Anwendungen

© Fraunhofer ENAS
Stressoptimierte Federbefestigung für hohe Beschleunigungen.
© Fraunhofer ENAS
Bewegungsstopper mit flexiblem Anschlag.
© Fraunhofer ENAS
In Si geätzte Sub-µm-Spalte mit hohem Aspektverhältnis.

Seit Februar 2018 forscht das Fraunhofer ENAS gemeinsam mit dem ZfM der TU Chemnitz und dem Industriepartner Infineon Technologies Dresden an Beschleunigungssensoren für große Messbereiche (bis zu 500 g) mit hoher Schockbeständigkeit (> 3000 g im Einsatzfall) mit der Zielstellung, diese Sensoren in autonomen Systemen gemeinsam mit Infineon-Drucksensoren in die Reifen von Fahrzeugen zu bringen. Die geforderte Auflösung der Sensoren soll es erlauben, Rückschlüsse auf Geschwindigkeit, Beschaffenheit des Untergrundes und sogar auf die momentane Stellung des Reifens zu ziehen. Dazu ist die Detektion von Beschleunigungen in allen drei Richtungen des Raumes, integriert auf einem MEMS-Chip, erforderlich.

Die Chemnitzer Forschungspartner erarbeiten hierzu innovative Lösungen für das Sensordesign, wie z.B. robuste Gestaltung der flexiblen Aufhängungen der Inertialmassen und flexible Bewegungsstopper. In Kombination mit der weiteren Minimierung der Breite geätzter Spalte bis in den sub-µm-Bereich, bei gleichzeitiger Erhöhung des Aspektverhältnisses bis ca. 40:1, können sehr kleine, kompakte und empfindliche kapazitive Sensorelemente entwickelt werden. Technologische Skalierungsexperimente wichtiger geometrischer Parameter auf der Basis der etablierten Cavity-SOI-Technologie tragen dazu bei, die technologischen Grenzen einer sinnvollen Minimierung zu ermitteln. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Konzepte zur Minimierung von Stresseinflüssen durch Design- und Technologieoptimierung.

Zur Entwicklung einer optimalen, stressarmen Verkapselung der Sensoren auf Waferlevel werden Integrationskonzepte auf der Basis von Waferbondverfahren (Direktes und Eutektisches Bonden, Glasfritt-Bonden) erarbeitet und mit einem bei Infineon entwickelten »surface micromachined« g-Sensor mit monokristalliner seismischer Masse verglichen. In Dresden hergestellte Sensoren wurden dazu in einem ersten Testdurchlauf mit einem zusätzlichen, mittels Glasfritt-Bonden aufgebrachten, strukturierten Deckelwafer versehen. Die Glasfritt-Schicht konnte dabei ein durch den Dünnschichtaufbau erzeugtes Höhenrelief von mehr als 3 µm ausgleichen. In den kommenden beiden Jahren liegt der Fokus auf der Umsetzung und Demonstration neuartiger Integrationsansätze zur Minimierung des Flächenbedarfes für die Bond- und Verbindungsstellen.

Gemeinsam mit den Dresdner Partnern werden die Sensoren einer umfangreichen messtechnischen Charakterisierung unterzogen. Fraunhofer ENAS bringt dazu beispielsweise umfangreiche Erfahrungen zum elektrischen und optischen Waferlevel-Test von Sensorparametern wie Kapazitäten, Eigenfrequenzen und Güten ein. Elektrische Messungen der Gütefaktoren auf Waferlevel in der Vakummkammer an offenen und verkapselten Sensoren, ermöglichten beispielsweise eine Bestimmung der Druckabhängkeit dieses wichtigen Sensorparameters und einen Vergleich mit den vorausberechneten bzw. erwarteten Werten. Einen weiteren Schwerpunkt wird die Charakterisierung von Systemparametern von Musteraufbauten mit sowohl MEMS aus der Fertigungslinie bei Infineon als auch mit eigenen MEMS bilden.

Mit den Lösungsansätzen zu Design, Technologie und Charakterisierung möchten die Chemnitzer Partner einen wesentlichen Beitrag zur effektiven Sensorentwicklung und damit zur Verbesserung der Mobilität und Fahrsicherheit unserer Fahrzeuge der Zukunft leisten.

© Fraunhofer ENAS
Detailaufnahme (Schliff) durch Glasfritt-Bond zwischen Sensorwafer und Deckelwafer.
© Infineon Technologies Dresden
Bestimmung der Druckabhängigkeit des Gütefaktors ausgewählter Sensoren (mit freundlicher Genehmigung von Infineon Technologies Dresden).