Ziel der Entwicklung

In einigen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, im Schienenverkehr oder der Medizintechnik, gelten erhöhte Sicherheitsanforderungen an die eingesetzten elektrischen Systeme. Eine dabei oft geforderte Bedingung ist die galvanische Trennung, also die elektrische Spannungsfestigkeit, zwischen einzelnen Messsystemen beziehungsweise Messkanälen. Insbesondere bei Systemen und Sensoren, die auf die gleichzeitige Bewertung mehrerer Kanäle angewiesen sind, wie beispielsweise optischen Drehratengebern, führt diese Forderung bisher zu deutlich erhöhtem Aufwand. Denn bisher kann diese Bedingung nur erfüllt werden, wenn jeder Messkanal baulich getrennt und separat in solche Systeme integriert wird. Dies schränkt den erreichbaren Miniaturisierungsgrad erheblich ein und erhöht die Montage- beziehungsweise Justagekosten.
Ziel der Projektarbeit war es darum, eine Technologie für monolithische Fotodiodenarrays zu entwickeln, deren einzelne Segmente bereits IM CHIP die galvanische Trennung realisieren. Im späteren System müssen somit nicht mehr viele Einzelbauelemente, sondern nur noch eine einzige Baugruppe integriert werden. Zusätzlich soll auf diesem Weg zudem mit der Sub-Mikrometer-Präzision der Halbleitertechnologien auch eine sehr viel genauere, relative Position bzw. Abstände der Segmente erreicht werden, als es mit einer händischen Justage von einzelnen Baugruppen möglich ist. Als Demonstrator wurde ein optischer (Drehratengeber) Inkrementalsensor gewählt, wie er beispielsweise im Schienenverkehr zur Überwachung und Regelung der Fahrgeschwindigkeit zum Einsatz kommt.

Vorteile und Lösungen

Eine elektrische Isolation von einzelnen Bereichen innerhalb eines Siliziumchips ist nicht ohne weiteres möglich, da das Grundmaterial Silizium ein Halbleiter ist und somit eine elektrische Verbindung zwischen den Strukturen auf einem Wafer besteht. Zudem kommt es bei diesen hohen Spannungen auch zu elektrischen Überschlägen über Luftstrecken, sobald ein Abstand von einem Millimeter unterschritten wird. Diese Grenzen der Miniaturisierbarkeit konnten mit der im Projekt entwickelten Technologie überwunden werden. Dazu wird ein spezieller Silizium-Wafer eingesetzt, dessen aktive Schicht (nur wenige Mikrometer dick) durch eine integrierte dielektrische Schicht (Siliziumdioxid) vom Grundmaterial getrennt ist (sogenannte Silicon-On-Insulator Wafer, kurz: SOI). Die aktive Schicht wird im Zuge der Waferprozessierung lokal bis hinunter auf diese integrierte Isolationsschicht geätzt, sodass einzelne, isolierte Gebiete entstehen. Um auch die Isolation der Luftstrecke zwischen diesen Gebieten zu erhöhen, kommen bereits bei der Waferbearbeitung zusätzliche isolierende Beschichtungen zum Einsatz. Darüber hinaus wird der Chip beim Aufbau auf eine Trägerleiterkarte, sogenannte Submount, vergossen. Dies dient typischerweise dem mechanischen Schutz des Bauelements und der elektrischen Kontakte, trägt hier aber auch zusätzlich zur elektrischen Spannungsfestigkeit bei. Auf diese Weise kann der zur Isolation von 1500 V erforderliche Abstand auf unter 150 µm reduziert werden.
Mit dieser Technologie wurde im Projekt ein Demonstrator eines Drehratengebers entwickelt, der bis zu neun galvanisch getrennte Einzelkanäle sowie eine im Chip integrierte Lichtquellen (LEDs) verfügt. Der Abstand der Kanäle untereinander sowie zur Lichtquelle wird dabei mit einer Genauigkeit im unteren Mikrometerbereich eingestellt, wodurch eine extrem genaue Phasenlage der Ausgangssignale sichergestellt wird. Im Einsatz ermöglicht ein solcher Sensor somit auch die Bewertung von Drehrichtung und absoluter Position.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zur Zielgruppe zählen Sensor- und Systemhersteller aus dem Marktumfeld Luft- und Raumfahrt, Schienenverkehr und Medizintechnik, bei denen gleichzeitig hohe Präzision sowie die galvanische Trennung von Systemkomponenten gefordert werden. Der ausgewählte Demonstrator eines optischen Inkrementalsensors kommt beispielsweise in Geschwindigkeits- und Positionsmesssystemen zum Einsatz, also immer dort wo drehende Teile wie beispielsweise Achsen oder Schrittmotoren zur Bewegung und Positionierung zum Einsatz kommen. Bisher verfügt keiner der kompakten, kommerziell verfügbaren Inkrementalgeber über die galvanische Trennung der Ausgangssignale, sodass hiervon mehrere Einzelsysteme im System verbaut und zueinander ausgerichtet werden müssen. Diese Einschränkung kann mit den erreichten Projektergebnissen überwunden werden, wodurch neben erforderlichem Bauraum auch der Aufwand für die Justage und Wartung solcher Systeme deutlich reduziert wird, insgesamt wird die Systemintegration deutlich verbessert. Diese Vorteile hat ein erstes Transferunternehmen bereits für sich erkannt. Gemeinsam mit dem CiS Forschungsinstitut wird derzeit an der nächsten Generation eines kundenspezifischen Drehratensensors gearbeitet. Ziel unseres Institutes ist es dabei, nach erfolgreicher Serienüberführung auch die langfristige Serienfertigung der applikationsspezifischen Fotodiodenarrays und deren Montage in leicht zu integrierende Gehäuse zu realisieren.