Mikrosystemtechnik

Drehratensensoren/Interialisoren

9D IMU: Sensoren für Beschleunigung, Drehrate und Magnetfeld


Mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) vereinen minimale Baugröße, niedrige Herstellungskosten und höchste Zuverlässigkeit und finden so vermehrt Anwendung in der Automobilindustrie. So werden MEMS Inertialsensoren für aktive und passive Sicherheitssysteme wie Fahrdynamikregelung aber auch Navigationssysteme eingesetzt, die auch in kostengünstigen Kfz-Baureihen zu finden sind. Doch auch im Consumerbereich finden Inertialsensoren eine breite Anwendung (Handy, Laptop, Spielekonsole). Um die Bauteildichte und Funktionalität weiter zu erhöhen, geht die Entwicklung von einachsigen Sensormodulen über mehrachsige Sensorsysteme hin zur kompletten inertialen Messeinheit (IMU), die die Gesamtbewegung eines Körpers in allen drei Raumachsen gleichzeitig erfasst.
Sensoren zur Messung von Drehraten, Beschleunigungen und Magnetfeldern haben mittlerweile in einer Vielzahl von Anwendungen Einzug in das tägliche Leben gehalten und machen die Nutzung vieler elektronischer Produkte unbemerkt wesentlich vielseitiger, einfacher und intelligenter. Zahlreiche neue Anwendungen im Bereich der Konsumgüterelektronik sowie Medizin- und Sicherheitstechnik sorgen für immer weiter steigende Marktanforderungen an intelligente Sensorsysteme, vor allem in Bezug auf Kosten, Baugröße, Qualität und Stromverbrauch. Solche Module bestehen aus einem Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetsensor mit jeweils drei Detektionsrichtungen und bilden damit eine 9D IMU. Damit ist eine präzise Positions- und Orientierungsbestimmung durch Auswertung des Erdmagnetfeldes und der Bewegungsmuster möglich.
Während mittels Chip-Level-Integration 3-dimensionale Beschleunigungs-, Drehraten- und Magnetfeldsensoren schon in hohen Stückzahlen industriell gefertigt werden, stellt deren Kombination auf einem Chip aufgrund unterschiedlicher Anforderungen an die Betriebsumgebung weitaus größere Anforderungen an das Chip-Design und die entsprechende Fertigungstechnologie. Das ISIT hat im Bereich der Inertialsensorik die Technologieplattform PSM-X2 entwickelt. Die Kombination von Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren und Magnetfeldsensoren auf Chipebene erlaubt und so eine hochintegrierte, präzise und kostengünstige Fertigung von IMUs ermöglicht.

Charakteristik des Prozesses PSM-X2

• Silizium-Oberflächenmikromechanik Prozess mit einer dicken EpiPoly-Siliziumschicht (bis 30 µm Dicke) für die bewegte Masse auf dem Sensorwafer
• Mechanischer Schutz der Bauteile durch Verkappung auf Waferebene (Kappenwafertechnologie)
• Hermetische Verkapselung mit sehr geringen Leckraten durch eutektische Metallbondsysteme (AuSi, CuSn, AlGe)
• Integration einer strukturierten Getterschicht in den Kappenwafer
• Einstellbarer Arbeitsdruck in den Sensorkavitäten (1 bar .... 10-2 mbar)
• Chip bezogener Leckratentest durch Anwendung des “Neon fine leak tests“
• Umsetzung von unterschiedlichen Arbeitsdrücken in zwei benachbarten Kavitäten auf einem Chip in einem Prozessschritt (Dual cavity approach)

Sensor Gyrometer Magnetometer Accelerometer
Mode Vibrating Mass Vibrating Mass Static Mass
Kavitätsdruck 250 µbar 250 µbar 100 mbar


• 100% Testabdeckung durch speziell entwickelte Endteststrategie
• Prozess qualifiziert für automobile Anwendungen ( AEC Q100)