Entwicklung der Prozesstechnik zum Aufbau eines intelligenten Mikro-Vibrationssensors für den Einsatz in niedrigen Spannungsbereichen mit integrierter Auswerteelektronik (SCIBO)

Problemstellung
In vielen elektrischen und elektronischen Geräten ist es wünschenswert oder erforderlich, zu erkennen ob diese sich bewegen oder in Ruhe befinden. So kann sich beispielsweise eine batteriebetriebene Fahrradbeleuchtung im Stillstand ausschalten und damit die Lebensdauer der Batterie entscheidend verlängern. In vielen Fällen werden Kugelschalter zur Bewegungserkennung eingesetzt. Sie bestehen häufig aus einer kleinen Röhre, in die eine Kugel eingebracht wird. Der Aufbau ist relativ groß und daher nicht in allen Fällen einsetzbar. Die Sensoren sind meist bedrahtet und daher kaum maschinell zu verarbeiten. Beschleunigungssensoren in Siliziumtechnik erfüllen zwar die Funktion, sind jedoch etwa 1000-mal teurer und daher für preiswerte Anwendungen nicht geeignet.
Die Sensolute GmbH verfügt über einen Sensor aus der Klasse der Kugelschalter. Er wird in einem Verfahren produziert, welches auf der preiswerten Leiterplattentechnik basiert und somit eine kostengünstige Herstellung großer Stückzahlen erlaubt.
Der derzeitige Kugelschalter funktioniert bei Betriebsspannungen ab 5V problemlos. Bei niedrigeren Spannungen ist das Schaltverhalten jedoch nicht zuverlässig. Grund dafür sind Fremdschichten, welche sich im Verlauf des Produktionsprozesses auf den Kontakten abgelagert haben. Diese Schichten können sich darüber hinaus beim Löten des Schalters auf die Leiterplatte und im weiteren Laufe seines Lebens verändern. Gelingt es die Schichtbildung zu verhindern, so wären die Schalter auch bei niedrigeren Spannungen zuverlässig einsetzbar. Bei einer Spannung von beispielsweise 2,4 V würden zwei Standardbatterien oder -akkumulatoren genügen und sich der Einsatzbereich dieser Schalter erheblich erweitern.
Üblicherweise erfordert ein Kugelschalter eine nachgeschaltete Auswerteelektronik, welche die Signale für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Wäre diese Elektronik bereits in den Schalter integriert, so entstünde ein Sensor, welcher für den Anwender wesentlich einfacher in seine eigene Anwendung einzubringen ist.

Projektziele
Im Rahmen des Projektes ist eine grundlegende Überarbeitung und Neuentwicklung der Produktionsprozesse für eine neue Generation mikromechanischer Vibrationssensoren beabsichtigt. Ziel dieser Neuauslegung ist es, die Fertigungstechnik und Testeinrichtungen so weiterzuentwickeln, dass der Sensor in deutlich breiteren Spannungsbereichen als bisher betreiben werden kann. Hierzu muss die Widerstandsabhängigkeit der Sensoren infolge von herstellungsbedingten Oberflächenkontaminationen überwunden oder zumindest minimiert werden.
Im Zuge der Weiterentwicklung der Herstellungstechnik und der Vorwärtsintegration der Sensoren in höchstintegrierte elektronische Systeme soll zudem eine Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt werden, welche die Integration eines ungehäusten Chips ermöglicht. Die Außenabmessungen des Sensors sollen sich hierdurch nicht vergrößern.
Im Einzelnen werden folgende Teilziele angestrebt:
– Reduzierung der minimalen Betriebsspannung von 5 auf 2,4 V
– Entwicklung einer neuen, automatisierten Testmethode für die Qualifikation der Sensoren
– Entwicklung digitaler Signalverarbeitungsmethoden zur Anpassung der Ansprechschwelle
– Entwicklung der Prozesstechnologie zur Integration ungehäuster Mikrochips

Vorgehensweise
Zunächst wird mit Hilfe verschiedener analytischer Methoden, wie Mikroskopie, Röntgen-Photonenspektroskopie, Restgasanalyse, etc., ein Verständnis für die Art der Oberflächenverunreinigung erarbeitet. Dieses Wissen bildet die Grundlage für die Optimierung bestehender und die Entwicklung neuer Fertigungsschritte zur Kontrolle und Reduzierung der Fremdschichten. Alle kritischen, derzeit extern vergebenen, Fertigungsschritte sollen Inhouse im Reinraum durchgeführt und optimiert werden. Begleitend zur Fertigungsoptimierung werden neue, automatisierte Testverfahren entwickelt und in Betrieb genommen, die einen schnellen 100-Prozent-Test der Sensoren bei niedrigen, einstellbaren Spannungen erlauben.
Parallel zu den Arbeiten in Bezug auf eine niedrigere Betriebsspannung werden die Fertigungsprozesse für eine Einbettung von ungehäusten Silizumchips in die Bodenplatte des Sensors entwickelt.
Nach erfolgreichem Abschluss der Arbeiten zur Reduzierung der Betriebsspannung und der Aufnahme von statistischen Kennwerten der neuen Sensoren erfolgt der Entwurf digitaler Algorithmen für die Signalverarbeitung. Diese werden auf die ausgewählten Sensoren aufgespielt. Am Schluß des Projektes steht die Überprüfung dieser intelligenten Module in realen Anwendungen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Bei erfolgreichem Projektabschluß steht eine Produktionstechnik für Bewegungssensoren mit einer Betriebsspannung von lediglich 2,4 V zur Verfügung. Dies ermöglicht beispielsweise den Betrieb mit zwei handelsüblichen Batterien oder Akkumulatoren. Bei Bedarf sind die Sensoren darüber hinaus mit einer eigenen Auswerteelektronik ausgestattet und können damit vom Kunden auf einfache Art und Weise in sein System eingebaut werden.
Die neuen Sensoren erlauben insbesondere eine weitere Durchdringung des Marktes für mobile Leuchtgeräte. Sie ermöglichen beispielsweise den Einsatz in Fahrradbeleuchtungen oder Hundehalsbändern. Besonders hohes Potential verspricht die Integration in RFID-Systeme. Derartige Systeme kommen in der Zugangskontrolle, der Warenwirtschaft und auch bei der Patientenüberwachung zum Einsatz.

• Sensolute GmbH