Bosch MEMS-Sensoren: Was die Automobilelektronik von der Unterhaltungselektronik lernt

MEMS für den Konsumgüter-Bereich sind oft besonders kompakt und nehmen wenig Leistung auf. Aufgrund der höheren Anforderungen bei Automotive-Anwendungen lassen sich zwar nicht komplette Produktdesigns dorthin übertragen, aber zumindest Schaltungsblöcke und halbleitertechnische Prozesse. Davon profitieren etwa Beschleunigungssensoren für Airbag-Steuergeräte, deren Gehäuse innerhalb von drei Produktgenerationen deutlich verkleinert werden konnten.

Hohe Qualitäts-, Robustheits- und Sicherheitsanforderungen machen Elektronikbausteine für den Automobileinsatz tendenziell zu höherwertigen Produkten gegenüber funktional ähnlichen Bauelementen für den Verbraucher-Markt. Sind sie daher in jeder Hinsicht besser? Nicht unbedingt – auch die Fahrzeugelektronik kann von der Unterhaltungstechnik profitieren.

In der Automobilelektronik dominieren Faktoren wie Zuverlässigkeit, Genauigkeit und lange Verfügbarkeit die Entwicklung von Komponenten und Systemen. An Bauteile für die Konsumelektronik werden hingegen schwerpunktmäßig andere Anforderungen gestellt. Hier gilt vor allem: Nur was im Preisrahmen liegt, was niedrigen Stromverbrauch hat und was schnell am Markt ist, lässt sich verkaufen. Hinzu kommen schnelle Generationenwechsel der Bauelemente, weil die Marktlebensdauer der Endprodukte vergleichsweise kurz ist. Aber gerade darin liegt die Chance für die Automobilelektronik, von der Unterhaltungselektronik zu profitieren – gerade die schnellen Produktwechsel erlauben es, neue Techniken, Designs und Varianten auszuprobieren. Eine direkte Übernahme von Entwürfen aus der Konsumelektronik in die Automobiltechnik ist aber nur in Ausnahmefällen möglich.

Ein gutes Beispiel für die Synergien, die in einem solchen Marktumfeld entstehen, sind MEMS-Sensoren (mikro­elektromechanische Systeme). Auf diesem Markt mit einem Gesamtvolumen von etwa 9 Milliarden Dollar für das Jahr 2013 stehen zwei Marktsegmente für zusammen fast 60 Prozent der Nachfrage: MEMS-Sensoren für die Konsumelektronik mit Smartphones, Tablets and Spielkonsolen einerseits und für die Automobilelektronik andererseits. Dabei wächst der Konsumbereich wesentlich schneller als der Automobilbereich: Während letzterer im langjährigen Durchschnitt etwa 7 Prozent jährlich zulegt, wird ersterem für den Zeitraum von 2011 bis 2016 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 17,8 Prozent vorhergesagt.

Hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit im Automotive-Bereich

MEMS-Sensoren sind aus dem modernen Automobil nicht mehr wegzudenken. Als Drucksensoren messen sie etwa die Druckverhältnisse im Ansaugtrakt, oder sie überwachen den Rußpartikelfilter. Als Beschleunigungs- und Drehratensensoren liefern sie die entscheidenden Messdaten für die Funktion aktiver und passiver Sicherheitssysteme, etwa für Airbag-Systeme oder Fahrdynamik­regelungen. Weil von ihrer zuverlässigen Funktion unter Umständen Menschenleben abhängen, unterliegen Konstruktion und Fertigung solcher Sensoren strengen Anforderungen. So ist es wichtig, dass ein Airbag nur dann auslöst, wenn die angeschlossenen Sensoren eine relevante Kollision erkannt haben. Das Steuergerät muss in einem solchen Fall den Airbag mit größtmöglicher Zuverlässigkeit zünden – aber eben auch nur dann. Fast ebenso negativ wie das Versagen eines Airbag bei einem Aufprall ist sein Auslösen aus heiterem Himmel, ohne dass ein entsprechendes Ereignis vorliegt. Der Sensor darf also niemals falsch positive oder falsch negative Signale erzeugen.

Diese Anforderung schlägt sich auf halbleitertechnischer Ebene in der Auslegung der Sensor­elemente nieder. Typischerweise sind MEMS-Sensoren gemeinsam mit einem Auswerte-Schaltkreis (ASIC) in einem Gehäuse untergebracht (Bild 1). In diesem ASIC werden die Signale vorkonditioniert und auf Plausibilität überprüft. Bei einem Sensor für den Einsatz im Auto wird ein hoher konstruktiver Aufwand in die Aussagesicherheit gesteckt. So werden auf dem Chip spezielle Strukturen für den Eigentest angelegt und umfangreiche Signalanalysen zur Plausibilitätskontrolle vorgenommen. Dabei erfüllen die Sensoren die höchsten Sicherheitsstandards (ASIL D) gemäß der ISO-Norm 26262.

Für Konsumanwendungen ist ein so hoher Aufwand nicht erforderlich, und so können die entsprechenden Selbsttest-Schaltungsstrukturen wesentlich schlanker gestaltet werden. Sensoren für den Verbraucher-Markt sind daher nicht für den Einsatz in sicherheitskritischen Funktionen geeignet. Auch die Anforderungen an die Betriebsumgebung sind hier nicht annähernd so streng wie in der Fahrzeugelektronik. Während beispielsweise ein Sensor für den Betrieb im Auto auch bei einer Umgebungstemperatur von 125 °C noch zuverlässige Resultate erzielen muss, braucht sein Pendant für den anderweitigen Einsatz nicht mehr als 85 °C auszuhalten. Das hat Konsequenzen für die Halbleitergeometrie: Bei ansonsten ähnlicher Mikromechanik kann ein Sensor für Konsumgüter kleiner ausgeführt sein als ein Automobil-Sensor.