Ziel der Entwicklung
Die Ziele des Projektes waren der Entwurf, die Herstellung und die Charakterisierung von hochpräzisen Verstärkern, die simultan mit einem piezoresistiven Kraftsensor gefertigt und neben der Piezowiderstandsbrücke integriert wurden. Theoretische und numerische Analysen für die Ermittlung der Parameter der INKA-Sensoren wurden systematisch durchgeführt. Eine Schlüsseltechnik, die Abkopplung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften der Kernsensoren und der peripherischen Verstärker, wurde mittels einer Wanne-Technologie entwickelt und erfolgreich in den Prototyp eingesetzt. Unter sechs Verstärkerarchitekturen wurden elf verschiedene Vorverstärker entworfen und hergestellt. Systematische Messungen und Analysen inklusive Fehleranalyse wurden durchgeführt. Die neue Lösung beeinflusst die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Kernsensors nicht und erzielt eine rauscharme und störungsfreie Signalverarbeitung. Die vollständige Charakterisierung der mit entworfenen Testtransistoren liefert Designinformationen auch für die Verstärkerintegration anderer Sensortypen.
Die direkte Vorverstärkung auf dem Sensorchip bei gleichbleibender Chipfläche erhöht den Mehrwert der Sensoren, da das Signal-Rausch-Verhältnis besser und der Dynamikbereich größer wird.
Vorteile und Lösungen
Die Integration von piezoresistivem Sensor und einem angepassten Vorverstärker bietet zahlreiche Vorteile. Die Empfindlichkeit ist höher, das Rauschen wird ärmer. Der Sensor ist gegen Störung immuner. Normalerweise haben der Sensor und der CMOS-Verstärker unterschiedlichen Technologie-Durchlauf und Technologie-Parameter. Durch eine kombinierte Technologie und Device Simulation wurde ein Prozessdurchlauf entworfen, der einerseits die Sensoreigenschaften nicht beeinflusst, andererseits hochwertiger Verstärker realisiert. Weil der Vorverstärker auf isolierten Wannen am Rand des Sensors untergebracht wird, beeinflussen die elektrischen Eigenschaften sich nicht gegenseitig. Der Sensor hat gleiches Format wie der herkömmliche Sensor, aber die Signalbearbeitung der Elektronik wird einfach und der Dynamikbereich ist größer.
Zielgruppe und Zielmarkt
Für die in diesem Projekt entwickelten Sensoren und Technologien kommt als Markt nur die industrielle oder FuE-Anwendung in Betracht. Die Endkundenmärkte liegen im Bereich
• Piezoresistive siliziumbasierte Druckmesszellen für Prozessmesstechnik, Nahrungsmittelindustrie, Chemieanlagen, Raffinerien
• Drucksensorik mit Edelstahl- oder Keramikfederkörper (Messtechnik)
• Überwachung von Befestigungen durch Messung der Vorspannkraft an Schrauben (Windkraft, Schienenfahrzeugbau, Bahninfrastruktur
• Wägetechnik
• Medizintechnik (Prothetik)
Die generellen Trends in diesem Bereich wie ein zunehmender Automatisierungsgrad sowie eine erhöhte Langzeitzuverlässigkeit erfordern genau diese Innovationspotenziale.
Die Projektergebnisse werden durch die Akquise und Durchführung von kundenspezifischen Entwicklungsprojekten für industrielle Geräte- und Systemhersteller (Transferunternehmen) verwertet, deren Ergebnisse Sensorkomponenten sind, die in Produkte des Transferunternehmens einfließen. Im Anschluss können diese Komponenten je nach Kundenwunsch vom CiS auch für dieses Transferunternehmen gefertigt werden.
Das Transferunternehmen bietet dann seine Produkte im Endkundenmarkt an.
Ein Transfer der Ergebnisse erfolgt zudem durch Präsentationen der Entwicklungsergebnisse auf Messen, Workshops sowie Veröffentlichungen.
