Mikrosensor für Fahrzeugsicherheit

Ein Mikrosensor, der Fahrzeugbewegungen zehnmal genauer erfasst als vergleichbare Produkte, ist das Ziel des Forschungsprojekts PRODIGY (zu deutsch „Wunderding“). Zur Halbzeit des Projekts stellt das Institut für Mikro- und Informa-tionstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMIT), Villingen-Schwenningen, jetzt einen funktionsfähigen Prototyp des Inertialsensors (auch „Gyroskop“) vor.

Der Sensor kann u.a. in Fahrwerkskontrolle und Navigationsgeräten sitzen und dazu beitragen, Fahrzeuge sicherer und zielgenauer zu steuern. Entwicklungspartner Volvo will ihn in Lkw einsetzen, damit sie den „Elchtest“ bestehen. Der Sensor lässt sich auch in Mobiltelefone, Computerspielgeräte, Roboter oder medizinische Instrumente einbauen, um Geschwindigkeit und – in Verbindung mit anderen mikromechanischen Sensoren – die Positions- und Lageveränderungen höchst präzise zu messen.

Die Entwicklung startete im August 2001 als ein Gemeinschaftsprojekt unter Federführung des HSG-IMIT und gefördert von der Europäischen Kommission. An PRODIGY beteiligen sich der belgische High tech-Konzern und Automobilzulieferer Melexis, die Firma X-Fab in Erfurt und der schwedische Fahrzeughersteller Volvo. Institutsleiter Prof. Dr. Hermann Sandmaier ist überzeugt, dass PRODIGY in technologischer und wirtschaftlicher Hinsicht neue Maßstäbe setzt.

In der Serienherstellung dürfte der Sensor weniger als 10 Euro kosten und damit Chancen haben, ein Massenprodukt zu werden. Sensor und Elektronik werden nach dem „Plug & Play“-Prinzip konstruiert, d. h. die Einheit kann quasi mit einem „Handgriff“ in Fahrzeuge integriert bzw. ausgetauscht werden und ist außerdem individuell programmierbar. Ein einfacher Schwinger aus Sili-zium bildet das Herzstück des Sensors. In seinen mikrometergroßen Strukturen steckt jedoch eine Innovation. Im Reinraumlabor des HSG-IMIT gelang es, neue Dimensionen in der Siliziumbearbeitung zu erreichen.

Inertialsensor mit neuen Dimensionen

Das Konzept der schwingenden Masse liegt vielen Sensormodellen zugrunde – auch in der Mikrosystemtechnik. Dabei wird die Winkelgeschwindigkeit in eine elektrische Größen umgesetzt (kapazitive Signalwandlung). Dies kann durch Ausnutzung elektrostatischer Kräfte bzw. besonderer Materialeigenschaften des Siliziums erreicht werden.

Neu an der Entwicklung des HSG-IMIT ist die Miniaturisierung und die präzise Herstellung der mikromechanischen Struktur des Schwingers. Sie besteht u. a. aus seitlich angebrachten Lamellen. Bei diesen Lamellen kommt es darauf an, absolut senkrechte, vollkommen ebene und relativ große Seitenflächen sowie immer gleiche Abstände zu erzeugen – Voraussetzungen für eine bessere Performance des Systems, eine möglichst hohe Grundkapazität und optimale Signalwandlung. Die Stärke der Lamellen beträgt etwa 2 tausendstel und der Abstand 2,5 tausendstel Millimeter. Sie sind 100 bis 500 Mikrometer lang und 50 Mi-krometer hoch.

Das HSG-IMIT hat ein Verfahren zum Tiefätzen von Silizium entscheidend verbessert, um Lamellen mit dieser Höhe herstellen zu können. „Wir kennen kein Produkt, bei dem vergleichbare Strukturen in dieser Präzision erzeugt wurden“, sagt Prof. Hermann Sandmaier. Projektleiter Dipl.-Ing. (FH) Alexander Gaißer spricht von einem „Technologiesprung“. Bisher konnte man im Tiefätzverfahren nur Siliziumstrukturen bis zu ca. 15 Mikrometer Höhe so genau herstellen.

Sparsam, klein und leistungsstark

Der neue Inertialsensor tritt in jeder Hinsicht als sparsames, aber leistungsstarkes Mikrosystem an. Er kann Bewegungen ab 0,01 °/s (Grad pro Sekunde) messen. Ein Minutenzeiger bewegt sich zehnmal schneller. Der Energiebedarf des Sensors liegt mit 5 Volt und 10 Milliampere auf einem äußerst niedrigen Niveau. Der mi-kromechanische Siliziumchip hat eine Größe von 5 mal 5,4 mm, der gesamte Sensor (Siliziumchip + ASIC) wird eine Größe von etwa 3 x 3 x 2 cm haben (ASIC = Application Specific Integrated Circuit).

Ein weiteres Highlight: Das Gyroskop bzw. seine Elektronik ist programmierbar und damit anpassungsfähig an verschiedene Einsatzbedingungen. Darauf bezieht sich auch der ausgeschriebene Titel des Projekts: PROgrammable DIgital GYroscope of High Performance and Low Cost (abgekürzt PRODIGY).

„Durch die einfache, lineare Anordnung der mikromechanischen Struktur in einer Ebene kann zu deren Herstellung eine kostengünstige Trockenätztechnologie verwendet werden. Wir verwenden einkristallines Silizium, das eine außerordentlich lange Lebensdauer hat. Das ist das richtige Material, um kostengünstig Gyroskope herzustellen“, erläutert Alexander Gaißer. Nach seiner Einschätzung werden die Herstellungskosten bei 10 Euro pro Stück liegen. Das ist in der Leistungsklasse dieses Sensors kon-kurrenzlos günstig.

„Damit haben wir die Zielvorgaben unseres Entwicklungspartners Volvo bereits erfüllt“, betont Prof. Hermann Sandmaier. Der Wunsch der Schweden – die das HSG-IMIT vor zwei Jahren auf einem Fachkongress in Berlin angesprochen hatten – war, einen möglichst kleinen, leistungsfähigen, zuverlässigen und multi-funktionalen Sensor so günstig wie möglich herstellen zu können. Das HSG-IMIT treibt das Projekt jetzt bis zur Vorserie voran.

Die Firma X-Fab in Erfurt, Spezialist für die Bearbeitung von Siliziumoberflächen, wird auf den Entwicklungen des HSG-IMIT aufbauen und die Sensorchips mit den einzelnen Siliziumelementen in größeren Stückzahlen herstellen. Melexis montiert Sensoren und mikroelektronische Baugruppen in Gehäuse. Das fertige Produkt hat die Größe einer Streichholzschachtel und lässt sich direkt in die Bus-Systeme der Fahrzeugelektronik einbauen.

Sicherheit und Unterstützung für Fahrer

Primäres Anwendungsgebiet des Bewegungssensors ist die Fahrzeugsicherheit und Stabilitätskontrolle. Aber auch Navigationssysteme können die Informationen des Sensors in Verbindung mit GPS-Daten nutzen, um den Fahrer genauer über seinen Standort und Weg zu unterrichten. Das HSG-IMIT denkt darüber hinaus an den Einsatz in Fahrerassistenzsystemen, die bei Schleudergefahr ins Lenkrad eingreifen, sowie an den Einsatz in Kollisionswarnsystemen. Darüber hinaus lässt sich der Sensor in Mobiltelefone, Computerspielgeräte, Roboter, selbst fahrende Maschinen oder medizinische Instrumente einbauen, um Geschwindigkeit, Positions- und Lageveränderungen höchst präzise zu messen.