Inertialsensorik

KoliBriS – Modulare Technologieplattform für hochkompakte Inertialsensoren mit integrierter Schaltungselektronik

Abb. 1: REM-Aufnahmen des 20 g Beschleunigungssensors, Elektroden (unten links), Dämpfungselemente (rechts in der Struktur).
© Fraunhofer ENAS
Abb. 1: REM-Aufnahmen des 20 g Beschleunigungssensors, Elektroden (unten links), Dämpfungselemente (rechts in der Struktur).
Abb. 1a: REM-Aufnahmen des 20 g Beschleunigungssensors - Detailaufnahme der Elektroden.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 1a: REM-Aufnahmen des 20 g Beschleunigungssensors - Detailaufnahme der Elektroden.
Abb. 1b: REM-Aufnahmen des 20 g Beschleunigungssensors - Detailaufnahme eines flexiblen Stoppers.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 1b: REM-Aufnahmen des 20 g Beschleunigungssensors - Detailaufnahme eines flexiblen Stoppers.

Der Name KoliBriS steht für »Kompakte leistungsarme Breitbandsensoren mit integrierter Schaltungselektronik«. KoliBriS ist ein Forschungs‐ und Entwicklungsvorhaben, dass von EDC Electronic Design Chemnitz GmbH initialisiert und mit kooperativer Beteiligung des Industriepartners X‐FAB MEMS Foundry GmbH und dem Forschungspartner Fraunhofer‐Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS im Zeitraum vom 1. August 2016 bis 31. Oktober 2019 umgesetzt wurde.

Für ein optimales Zusammenspiel von Mechanik und Elektronik ist es notwendig, die jeweiligen Systeme als eine Einheit zu betrachten. Aus diesem Grund werden MEMS und ASIC aufeinander abgestimmt und iterativ entwickelt. Dabei spielen auch die technologischen Randbedingungen der ausgewählten Technologien eine große Rolle, deren Designregeln für die Dimensionierung der MEMS wichtig sind.

Innerhalb der dreijährigen Projektlaufzeit wurden verschiedene Inertialsensoren entwickelt. Dazu zählt ein einachsiger Beschleunigungssensor bis 1,5 g mit einer Signalbandbreite von 100 Hz bis 8500 Hz. Das Design dieses Sensors wurde am Fraunhofer ENAS entwickelt, mit Finite-Elemente-Methoden simuliert und in ein Layout überführt. Für dessen Umsetzung entwickelte die X-FAB ihre MEMS-Technologie weiter, um Strukturhöhen von 75 µm zu realisieren. Das Besondere an diesem Sensor ist eine »post process gap reduction«. Durch Zustellen und Mikroschweißen werden die geätzten 3 µm breiten Initialspalte auf ca. 500 nm reduziert und an geeigneten Stellen stoffschlüssig fixiert, um somit die kapazitive Empfindlichkeit deutlich zu erhöhen. Dieses Verfahren wurde am Fraunhofer ENAS entwickelt, erforscht und charakterisiert und anschließend an den Projektpartner EDC transferiert. Die Stromaufnahme des Sensorsystems (Mikromechanik und integrierte Elektronik) liegt bei 500 µA während des Betriebs und der Sensor ist zur Detektion geringster Schwingungen geeignet.

Aufgrund der Anforderung für eine Anwendung zur Pumpenüberwachung eines assoziierten Partners wurde zudem ein weiterer Beschleunigungssensor mit einer Range von ± 20 g in das Projekt aufgenommen und entwickelt. Das MEMS-Design ist für die am Fraunhofer ENAS etablierte BDRIE-(Bonding and Deep Reactive Ion Etching)-Technologie in der Glas-Si-Glas Variante ausgelegt. Parallel zum Projekt KoliBris ist im Zeitraum von 2017 bis 2018 und im Zusammenhang mit der Inbetriebnahme eines neuen Wafersteppers eine neue Technologieidee entstanden und mittlerweile patentiert (DE102018210810B3). Unter Beibehaltung des ätztechnisch realisierbaren Aspektverhältnisses werden die kapazitiven Spalte mit typischen Werten von 1,8 µm bis in den Sub-µm-Bereich verringert. Das erarbeitete MEMS-Design, die Prozessentwicklung bzw. Anpassung des Ätzprozesses für die kleinen Spalte sowie die Fertigung dieses 20 g Beschleunigungssensors demonstrieren eine erste erfolgreiche Umsetzung dieser Idee.

Das dritte Sensorsystem ist ein Gyroskop zur Detektion einer Drehrate bzw. Drehgeschwindigkeit. Die Zielstellungen im Projekt KoliBriS waren die Erhöhung der Sensitivität und die Verbesserung der thermischen Stabilität mit Blick auf die Drift des Sensors und die Verkleinerung der elektrischen Durchkontakte im Silizium-Chip. Ersteres wird durch die Vergrößerung der Strukturhöhe von typisch 50 µm auf 60 µm bzw. 70 µm bei gleichzeitiger Beibehaltung der typischen Breite der geätzten kapazitiven Spalte (1,8 µm) erreicht. Für die letzteren beiden Ziele wurde im Projekt die BDRIE-Technologie in einer Voll-Silizium-Technologie-Variante weiterentwickelt, und es entstanden adäquate optimierte Sensordesigns.

Funktionierende Prototypen für alle drei Sensorsysteme zeigen das große Potential dieser drei Innovationen zur Erhöhung der Empfindlichkeit kapazitiver Sensoren.

Abb. 2: REM-Aufnahmen einer Schweißstelle am 1,5 g Beschleunigungssensor.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 2: REM-Aufnahmen einer Schweißstelle am 1,5 g Beschleunigungssensor.
Abb. 3: MEMS-Gyroskop-Chips aus dem Projekt KoliBriS.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 3: MEMS-Gyroskop-Chips aus dem Projekt KoliBriS.
Abb. 4: Gyroskop-System mit MEMS, ASIC und diskreten Bauelementen in CLDCC44-Package.
© Fraunhofer ENAS
Abb. 4: Gyroskop-System mit MEMS, ASIC und diskreten Bauelementen in CLDCC44-Package.

Das Projekt ist gefördert vom Bundesministeriúm für Bildung und Forschung