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Seit 14 jahren gehört das Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) zu den europaweit modernsten Forschungszentren für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik. Aus den Labors kommen z. B. hochintegrierte MEMS-Beschleunigungs- und Drehratensensoren für mobile Geräte, für ESP im Auto und vieles mehr. Ein weiteres Beispiel sind gekapselte 2D-Mikrospiegel-Scanner für kompakte vollfarbige Laser-Projektionsdisplays.

Volker Tisken

Auf dem Hannover Messe-Gemeinschaftsstand des IVAM Fachverbands für Mikrotechnik gehört das Fraunhofer ISIT Jahr für Jahr zu den festen Größen. Beispielsweise mit den hermetisch gekapselten 2D-Mikrospiegel-Scannern für kompakte vollfarbige Laser-Projektionsdisplays und bildgebende Sensorikanwendungen. Die elektrostatisch angetriebenen Spiegel zeichnen sich durch Scanfrequenzen bis 100 kHz, Scanwinkel bis 100 Grad und niedrige Antriebsspannungen aus. Durch kostengünstige Vakuumverkapselung auf Waferebene sind die zweiachsigen Aktuatoren besonders für Automobile geeignet, wo sie über einen großen Temperatur- und Feuchtebereich zuverlässig funktionieren müssen. Zu den Anwendungen im Auto zählen unter anderem Armaturenbrettdisplays, Head-Up-Displays und Abstandssensoren. Das größte Marktpotential versprechen jedoch Consumer-Anwendungen wie Projektionsdisplays für Mobiltelefone und Spielekonsolen.
Kombisensoren für Lage und Drehrate
Gemeinsam mit der Sensordynamics AG, einem wichtigen Industriepartner, entwickelt das Fraunhofer ISIT auch MEMS-Beschleunigungs- und Drehratensensoren mit hoher Bauteildichte und Funktionalität. Durch Chip-Level-Integration von mehreren Sensortypen und -achsen können kostengünstig kompakte Kombisensoren hergestellt werden. Die Kombination von jeweils drei Beschleunigungs- und Drehratensensoren zu einer inertialen Messeinheit (IMU) ermöglicht die exakte Lagebestimmung eines Körpers im Raum.
In einem Auto können die Sensoren zum Beispiel für Fahrdynamikregelungssysteme wie ESP verwendet werden. In der Robotik werden autonome Lenksysteme möglich. Weiterhin können IMUs zur Positionsbestimmung in Gebäuden oder als interaktive Schnittstellen zu PCs zur Darstellung virtueller Realitäten verwendet werden.
Getter-Schichten nehmen Ausgasung auf
An Fertigungsprozesse und Packaging-Technologien stellen die IMUs besondere Anforderungen: Die Inertialsensoren arbeiten im Vakuum. Deshalb muss das Packaging dieses über die gesamte Lebenszeit des Produkts sicherstellen. Dabei geht es nicht nur um Außenluft, die eindringen kann und den Ausfall des Sensors bewirkt. Noch mehr gefährdet ist das notwendige Vakuum durch Ausgasungen aus den Substraten, Schichten, Packages usw.
Bereits das Bonden findet unter Vakuum statt und im Prozess sind Zeiten für die Ausgasung vorgesehen. Außerdem setzen die ISIT-Forscher auf sogenannte Getter-Schichten: „Diese nehmen die Gase auf und binden sie“, sagt Norman Marenco. Die Getter-Schichten werden so ausgelegt, dass sie den Innendruck des MEMS-Chips über 15 Jahre unter einem kritischen Wert halten können.
Bei dem eingesetzten Fertigungsverfahren werden MEMS-Bauteile „kopfüber“ auf einen CMOS-Wafer gebondet. Zuvor wurden ein fein strukturierter Getterfilm und eine Goldstruktur aufgebracht. Letztere umfasst einen Rahmen zum Vakuum-Versiegeln sowie elektrische Kontaktpads. In einem Die-Bonder in Reinraumumgebung werden die offenen mikromechanischen Siliziumstrukturen im Chip-to-Wafer-Prozeß einzeln auf dem CMOS-Wafer fixiert und in einer separaten Waferpresse gemeinsam unter Vakuum durch Kraft- und Temperatureinwirkung zusammengefügt.
Marenco: „Nach diesem Verfahren entstand ein funktionierender elektromechanischer Resonator, der uns als Testvehikel für die Integration von kompletten Inertial-Meßsystemen in Chip-Scale Packages diente.“ Die Arbeiten fanden im EU-Projekt DAVID (IST-027240) statt, das die Schlüsseltechnologien für die.weitergehende Integration der Sensoren und ihre kostengünstige und massentaugliche Herstellung bereitstellen soll. Die Getter-Technologie ist ein Thema dieses Forschungsprojekts. Im idealfall wollen die Forscher die Sensorik für Beschleunigung und Drehraten in allen drei Achsen gemeinsam auf ein Stück Silizium bringen.
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