Zum Hauptinhalt springen

Projekt MEMS2015

Ein am IMMS entwickeltes Entwurfswerkzeug generiert Mechanik-Designs automatisch und ermöglicht MEMS-Gesamtsystemsimulationen.

Ein Schlüssel zu Innovationen im Geräte- und Anlagenbau und damit Teil des Zukunftsprojekts „Industrie 4.0“ sind mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Weltweit werden in rasantem Tempo Anwendungen mit Stückzahlen und Umsätzen im Milliardenbereich entwickelt.

In „MEMS2015“ wurden Lösungen erarbeitet, um den Entwurfsprozess der mechanischen und elektronischen Bauteile von MEMS zu verbinden und zu harmonisieren. Ein Ergebnis ist eine neuartige Gesamtentwurfsmethodik. Diese soll auch kleine und mittlere Unternehmen in die Lage versetzen, sich ihre Lösungen individuell und maßgeschneidert in einem flexiblen MEMS- und Elektronik-Baukastensystem zusammenzusetzen und somit Teil des MEMS-Booms zu werden.

Die neue Gesamtdesignmethodik des IMMS wurde mit einem Beschleunigungssensor validiert. Das IMMS hat darüber hinaus einen ASIC für ein MEMS-Bauteil entwickelt und Erkenntnisse in die neue Methodik einfließen lassen.


MEMS-Design auf Knopfdruck – Methodik zur Synthese von MEMS am Beispiel eines Beschleunigungssensors

Um moderne, leistungsfähige und intelligente Sensor- und Aktorsysteme entwickeln zu können, müssen für den Entwurf von MEMS neue Verfahren und Werkzeuge erarbeitet werden. Das Institut hat zu diesem Zweck das seit langem bewährte Baukastenprinzip aus der mikroelektronischen Entwurfsmethodik auf mechanische Systeme und MEMS übertragen und die Entwurfsabläufe für Elektronik und Mechanik zu einer durchgängigen Systematik zusammengeführt. Damit können nun MEMS als Gesamtsystem simuliert und verifiziert und somit Fehler frühzeitig erkannt und behoben werden.

Ergebnis der bisherigen Arbeiten des Instituts ist ein Design-Tool zum rechnergestützten Entwurf von elektro-mechanischen Sensordesigns für eindimensionale Beschleunigungssensoren für die SOI-Technologie XM-SC der X-FAB AG.

Mit dem neuentwickelten Tool sollen künftig kleine und mittlere Unternehmen mit wenig Designerfahrung MEMS eigenständig entwerfen können. Das Werkzeug berechnet auf der Basis eines am IMMS entwickelten mathematischen Algorithmus automatisch verschiedene Designmöglichkeiten gemäß kundenspezifischer Anforderungen. Darüber hinaus stellt das Tool einem Anwender Sensormodelle zur Verfügung, die in Entwurfswerkzeuge der Forschungspartner Coventor und Cadence integriert werden können, und generiert die für die Sensorfertigung notwendigen Mechanik-Layouts.

Für die Validierung der neuen Methodik und des neuen Tools hat das IMMS den Beschleunigungssensor samt Präzisions-Auswertelektronik mit dem neuen Vorgehen in dem neuen Werkzeug entworfen, fertigen lassen und charakterisiert. Das Design-Tool wurde im Projekt RoMulus von eindimensionalen auf mehrdimensionale Inertialsensoren ausgebaut.


Ausleseschaltung für ein intelligentes Kraftsensor-MEMS

Bei der Fertigung von Mikrosystemen müssen oftmals Oberflächen auf ihre Güte getestet und ihre Eigenschaften mit Auflösungen im Nanometer-Bereich vermessen werden. Für die Erhebung dieser mechanischen Eigenschaften gibt es verschiedene Messmethoden und -geräte, die sich unter Laborbedingungen bewährt haben, für den Einsatz in Produktionslinien jedoch ungeeignet sind.

Die Firma TETRA und das IMMS haben daher im Forschungsprojekt MEMS2015 Lösungen für einen kompakten Sensorkopf erarbeitet, der in der industriellen Produktion Oberflächenbeschaffenheiten auf wenige zehn Nanometer genau vermessen kann. Die Entwicklung vereint auf engstem Raum einen Sensor und eine analoge Signalverarbeitungseinheit. Der von TETRA entwickelte Kraftsensor basiert auf einem MEMS-Cantilever.

Der vom IMMS entwickelte ASIC ist mechanisch und elektrisch auf die Eigenschaften dieses Cantilevers angepasst. Er wandelt und verstärkt das hochauflösende Signal für eine störungsresistente Übertragung zur Auswerteinheit. Dafür hat das IMMS Funktionen in die Schaltung integriert, die von Standardbauteilen so nicht unterstützt werden. Der ASIC enthält einen Verstärker mit einem vom IMMS entwickelten Zoom-Prinzip, wodurch ein Messbereich von bis zu 100 µN bei einer Auflösung im zweistelligen Nano-Newton-Bereich erreicht wird. Um die Oberflächengüte präzise aus den gemessenen Werten berechnen zu können, erfasst der Chip auch die Temperatur des Cantilevers. Weiterhin hat das IMMS den ASIC mit einer Schaltung zur Fehlerdetektion ausgestattet. Diese erkennt Defekte des Cantilevers und bildet die Grundlage für die Validierung der gemessenen Werte.

Akronym / Name:

MEMS2015 / Schaltplan-basierter Entwurf von MEMS für Anwendungen in Optik und Robotik

Laufzeit:2012 – 2015

Projekt-Webseite:MEMS2015

Anwendung:

Automatisierungstechnik und Industrie 4.0

Forschungsfeld:Integrierte Sensorsysteme


Zugehörige Inhalte

Referenz

Prof. Dr.-Ing. Erich Barke

„Das IMMS in Erfurt erarbeitet Methoden, mit denen sich Modelle effizient simulieren lassen. Ich sehe nicht nur die sehr gute Zusammenarbeit sowie die gemeinsamen erfolgreichen Veröffentlichungen mit Freude.“
Referenz

Referenz

Dr. Gisbert Hölzer, X-FAB

„Das IMMS unterstützt unsere „More-than-Moore“-Roadmap bereits seit Jahren als wichtigster Forschungspartner und hat sein Know-how in der ASIC-Designmethodik souverän mit der Mikromechanik zusammengeführt.“
Referenz
Alle PublikationenMEMS 2015

Veranstaltung,

SMACD 2016

13th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design

Veranstaltung,

TuZ 2016

Zwei Beiträge auf dem 28. GMM/GI/ITG Workshop – Testmethoden und Zuverlässigkeit von Schaltungen

Veranstaltung,

Lange Nacht der Wissenschaften

Wir öffnen unsere Türen ab 18:00 in der Konrad-Zuse-Str. 14 in Erfurt.

Veranstaltung,

edaWorkshop 15

Vortrag: "Design of Acceleration Sensors Using a Systematic MEMS-ASIC Design Flow"

 

Pressemitteilung,

Best Paper Award Runner-Up für MEMS-ASIC-Gesamtdesignmethodik

Realisierter Beschleunigungssensor validiert die neue Methode

Pressemitteilung,

MEMS-Entwurfsmethodik mit EDA Achievement Award 2015 geehrt

Methodik von IMMS und TU Ilmenau erschließt kostengünstige MEMS-Entwicklungen und neue Applikationen.

Pressemitteilung,

Erste Prototypen im neuen MEMS-Testlabor am IMMS charakterisiert

Ilmenau, 30. Juli 2014. Das IMMS hat die Charakterisierung von ersten Prototypen eines Cantilever-Readout-ASICs im neuen Testlabor für MEMS-basierte Mikrosysteme „MEMS-T-Lab“ erfolgreich abgeschlossen.

Pressemitteilung,

BMBF-Projekt MEMS 2015

Forscher gehen völlig neue Wege bei der Entwicklung von Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS)


Kontakt

Kontakt

Eric Schäfer, M. Sc.

Leiter Mikroelektronik und Institutsteil Erfurt

eric.schaefer(at)imms.de+49 (0) 361 663 25 35

Eric Schäfer und sein Team erforschen Integrierte Sensorsysteme und hier insbesondere CMOS-basierte Biosensoren, ULP-Sensorsysteme und KI-basierte Entwurfs- und Testautomatisierung. Die Ergebnisse fließen in die Forschung an den Leitthemen Sensorsysteme für die In-vitro-Diagnostik und RFID-Sensoren ein. Er unterstützt Sie mit Dienstleistungen rund um die Entwicklung integrierter Schaltungen und mit KI-basierten Methoden für komplexe IC-Entwürfe.


Förderung

Das Projekt MEMS2015 wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Kennzeichen 16M3093 im Förderprogramm IKT 2020 gefördert.


Das könnte Sie auch interessieren

Dienstleistung

MEMS – Simulation, Design und Test

Wir entwickeln als Designhouse für die offene Technologieplattform XMB-10 von X-FAB Beschleunigungssensoren entsprechend Ihrer Spezifikation. Beim Test von MEMS fokussieren wir uns auf die vibrometrische Untersuchung von Sensoren.

Zurück