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.

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.

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.