Miniaturisierte Sensoren Die »Sinnesorgane« des IoT

Miniaturisierung ist nicht nur in der Halbleitertechnik ein Schlagwort. In den vergangenen Jahren hat sich eine ähnliche Entwicklung in der Sensorik vollzogen. Miniaturisierte Sensoren erschließen sich zunehmend größere Anwendungsbereiche und sind eine Voraussetzung des IoT.

Die Kommunikation zwischen verschiedenen Maschinen und Geräten hat in den vergangenen Jahren zugenommen – eine Entwicklung, die man als »Internet of Things« (IoT) bezeichnet. Ein typisches Beispiel für IoT ist das Smart-Home oder Smart-Building, bei dem die Steuer- und Regeltechnik der verschiedenen Gewerke im Gebäude untereinander Daten austauscht. Dadurch wird besserer Komfort für Bewohner und Nutzer des Gebäudes geschaffen, sowie eine höhere Energieeffizienz errreicht.

Sensorik als Schlüssel

Große Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der Sensorik zu. Nur wenn Daten zur Verfügung stehen, können die unterschiedlichen Geräte und Systeme diese auch austauschen. Sensoren dürfen deshalb als die Sinnesorgane des IoT angesehen werden.

Die Sensortechnik hat in den vergangenen Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Vor 15 Jahren noch waren handelsübliche Feuchtesensoren in etwa so groß wie eine Streichholzschachtel. Doch mit solchen Sensoren sind viele der aktuellen Entwicklungen im IoT kaum zu realisieren. Es wurden deshalb gezielt Sensoren miniaturisiert. Der Schlüssel zur Miniaturisierung liegt dabei in der Integration der Sensorelemente in die Standard-CMOS-Technologie. Die CMOSens-Technologie fertigt Mikrosensorsysteme in großer Stückzahl und kompakter Größe. Bereits der erste Feuchte- und Temperatursensor von Sensirion war mit 5 mm x 7,5 mm x 2,5 mm schon weit vom Streichholzschachtelformat entfernt (Bild 1).

Zahlreiche Funktionen integriert

Mikrosensorsysteme, die auf CMOSens-Technologie beruhen, sind funktional und in bestehende Systeme einfach zu integrieren. Die analoge und digitale Signalverarbeitung sowie die Kalibrierdaten sind zusammen mit dem Sensorelement auf einem Halbleiterchip integriert (Bild 2). Neben den Funktionen für Linearisierung, Digitalisierung und Temperaturkompensation der Messwerte sind weitere Funktionalitäten zum Selbsttest auf dem Chip enthalten. Infolge dieser Integration kann die Auswerteelektronik Sensorsignale direkt vor Ort verstärken und digitalisieren. Auch die häufig störanfälligen Lötstellen entfallen ersatzlos, was zusätzlich zur Langzeitstabilität des Sensors beiträgt. Gleichzeitig sind Störungen der analogen Sensorsignale weitgehend ausgeschlossen, wodurch eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Mit auf dem CMOS-Element integriert ist eine digitale Schnittstelle für die Einbindung in bestehende Anwendungen.

Die technische Herausforderung bei der Miniaturisierung bestand darin, das Sensorelement in eine Standard-CMOS-Produktion zu integrieren. Während der Produktionsschritte und der daran anschließenden Verarbeitung der CMOS-Sensoren darf das empfindliche Polymer, auf dem der Sensor beruht, nicht beschädigt werden. Außerdem müssen alle Schritte der Produktion skalierbar sein, damit die Stückkosten, wie bei der Produktion von Halbleitern üblich, zu senken und eine Serienproduktion zu ermöglichen. Während der Fertigung wird der Sensor kalibriert, diese Kalibrierung muss auch nach der Produktion erhalten bleiben. Außerdem muss die Langzeitstabilität des Sensors gewährleistet sein.

Serienfertigung und Packaging

Eine weitere Herausforderungen bei der Entwicklung der CMOSens-Technologie ist das Packaging. Die typische Vorgehensweise, den Halbleiter hermetisch dicht in Kunststoff zu gießen, ist für Feuchte- und Temperatursensoren nicht praktikabel. Das Sensorelement muss Kontakt zur Umgebungsluft haben, deshalb hat Sensirion das »Open-Cavity-Molding« entwickelt. Open-Cavity-Molding ist ein Verfahren, bei dem eine Öffnung im Kunststoff ausgespart bleibt. Es ist jedoch darauf zu achten, dass während des Fertigungsprozesses das Sensorelement nicht beschädigt wird.

Derzeit aktuelle Feuchte- und Temperatursensoren haben ein Chip-Scale-Package, das mit Flip-Chip-Verfahren verarbeitet werden kann. Auf diese Weise ist die Entwicklung eines Feuchte- und Temperatursensors gelungen, der nur 1,3 mm x 0,7 mm x 0, 6 mm groß ist.

Über den Autor: 

Dr. Pascal Gerner ist Direktor Produkt Manager bei Sensirion.