Der lange Weg in den Consumer-Markt
MEMS-Sensoren auf dem Vormarsch #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
MEMS-Sensoren auf dem Vormarsch
Bei den Beschleunigungs-Sensoren und MEMS-Inertialsystemen setzt STMicroelectronics auf das Konzept „System in Package“ (SiP), das zwei Chips, nämlich den THELMA-Sensor und einen CMOS-Controller in einem Gehäuse integriert. Der auf mechanische Kräfte ansprechende, mikrobearbeitete, mechanische THELMA-Sensor und der analog/digitale Controller-Chip können nebeneinander oder übereinander platziert werden, was von der Funktion her gleichwertig ist.
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Im SiP-Konzept setzt der mikrobearbeitete Sensor-Chip die Beschleunigung in eine Kapazitätsänderung in der Größenordnung von wenigen Atto-Farad um, die vom Interface-IC in ein analoges oder digitales Ausgangssignal konvertiert wird. Die mikrobearbeiteten Strukturen ähneln dabei denjenigen von Bild 1. Überdies erlaubt das SiP-Konzept eine deutlich raschere Entwicklung neuer Bewegungs-Sensoren, etwa von Mehrachsen-MEMS-Inertitalsystemen. Die Entwickler der elektrischen und mechanischen Funktionen können dabei auf bereits entwickelte und für die Mehrachsen-Beschleunigungsaufnehmer qualifizierte Funktionsabschnitte zurückgreifen. Für die Realisierung der für MEMS-Inertialsysteme spezifischen mechanischen Teile und ICs (Bild 4) lassen sich dieselben Verfahren einsetzen, die bereits für die Produktion anderer Mehrachsen-Beschleunigungsaufnehmer verwendet wurden. Mit dem SiP-Konzept lassen sich schnell und kostengünstig neue Sensoren nach dem Baukastensystem zusammensetzen. Um ein Produkt zügig zu realisieren, kann STMicroelectronics aus einem großen Vorrat fertig entwickelter ICs beliebige Paarungen auswählen. Dank des „Land Grid Array“-Gehäuses ist zudem eine individuelle Anpassung der Anschlussbelegung möglich.
Druck-Sensoren für den Consumer-Markt
Druck-Sensoren auf MEMS-Basis werden in den verschiedensten Industrie-, Automotive- und Medizintechnik-Anwendungen schon seit längerer Zeit eingesetzt. Die mikrobearbeiteten Sensoren werden aus Silizium hergestellt, wobei die zu bestimmende physikalische Größe über Widerstands- oder Kapazitätsänderungen erfasst wird. Die Produktion erfolgt entweder durch Ganz- oder Oberflächen-Mikrobearbeitung bzw. mit einer Kombination beider Verfahren. Als Ausgangsbasis werden sowohl konventionelle Silizium-Substrate als auch die teuren „Silicon on Insulator“-Substrate verwendet.
Einen idealen Herstellungsprozess gibt es auch hier nicht. Vielmehr bedient sich jedes Unternehmen desjenigen Mikrobearbeitungs-Prozesses, der die eigene Erfahrung und die vorhandenen Produktions-Ressourcen am besten nutzt. Ungeachtet der vielen Prozesse, die in den verschiedenen Halbleiterfabriken im Einsatz sind, mussten für die Sensoren des Consumer-Marktes Kompromisse zwischen Preis, Größe und Leistungsfähigkeit gefunden werden. Die VENSENS-Technologie ermöglicht heute die Produktion eines ausschließlich aus Silizium gefertigten, 0,8 × 0,8 mm² großen und etwa 0,3 mm hohen und noch dazu kostengünstigen Druck-Sensors. Die Kenndaten dieses Sensors auf Silizium-Basis sind zudem unabhängig vom jeweils verwendeten Gehäuse. Das Gehäuse ist jedoch, zumindest bei den vollständig durch Mikrobearbeitung realisierten MEMS-Bausteinen, für den größten Teil der Kosten eines Sensors verantwortlich. jw
Links
[1] STMicroelectronics – www.st.com.
Autor:
Benedetto Vigna
erwarb seinen Doktorgrad an der Universität Pisa im Fach der subatomaren Physik und arbeitete danach an einem Röntgen-Laser-Projekt am ESRF in Grenoble mit, bevor er in das STM-Forschungslabor in Castelletto in Italien eintrat. Nach einem Forschungsaufenthalt am Berkeley Sensors and Actuators Center wurde er „Director“ der MEMS-Unternehmenseinheit von STM, wo er für Entwurf, Herstellung und Marketing der MEMS verantwortlich zeichnete. Mit der Neuordnung der MEMS-Aktivitäten als STM-Unternehmensbereich (Division) stieg er zum „General Manager“ auf. Er hält mehr als 90 Patente auf dem Gebiet der Mikrobearbeitung und hat zahlreiche Beiträge über dieses Feld veröffentlicht; zudem ist er Berater des Präsidenten des italienischen National Research Council (NRC).
benedetto.vigna@st.com
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