Auf der Weltleitmesse der Industrie in Hannover, vom 17. bis 21. April 2023, stellt das CiS Forschungsinstitut auf dem Gemeinschaftstand der LEG Thüringen, Halle 3, Stand 26, sein Portfolio vor. Das Spektrum beinhaltet siliziumbasierte MEMS- und MOEMS-Sensorkonzepte für Anwendungen in der Automobilindustrie bis hin zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft. Eine Vielzahl mechanischer und optischer Sensoren sind hierfür notwendig, um alle notwendigen Messgrößen zu erfassen.
Redundante Temperaturmessung für die Betriebssicherheit von Sensorsystemen
Erstmals präsentiert das CiS Forschungsinstitut Ergebnisse des Forschungsprojektes „Redundanz“. Hiermit wird es möglich, kundenspezifisch redundante Temperatursensoren auf der Basis von Si-Temperaturdioden und Platin-Widerstandselementen zu entwickeln und zu fertigen.
Redundante Systeme sollen die Betriebssicherheit eines Sensorsystems wesentlich erhöhen. Bei der Verwendung von zwei Sensoren, die sich bezüglich ihrer Kennlinie signifikant unterscheiden, kann durch simultane Datenauslese und Vergleich während des Betriebs festgestellt werden, ob eine Komponente ausgefallen ist. Bei dem Einsatz von drei Sensoren kann beim Ausfall von einer Komponente durch die Verwendung der zwei noch intakten Teilkomponenten noch der richtige Messwert generiert werden. Durch die Redundanz wird damit die Zuverlässigkeit gegenüber Einzelsensoren erheblich verbessert, was bisher verschlossene Einsatzfelder im Bereich industrielle Messtechnik oder Automotive eröffnet.
Die verwendeten Si-Temperaturdioden weisen im industriell relevanten Temperaturbereich von -40 C bis +140 C eine maximale Abweichung von ±0.5°C bezüglich einer gemeinsamen Kennlinie auf. Die speziell hergestellten PT1000 entsprechen der Güteklasse A.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Redundanz – Redundante Temperaturmessung bis 300°C“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Förderkennzeichen: 49MF200075
Hochpräzise, piezoresistive Drehratensensoren für die autonome Offline Navigation
Eine weitere Neuheit ist ein hochpräziser, piezoresistiver Drehratensensor für die autonome Offline Navigation, um die exakte Position von bewegten Objekten im 3-dimensionalen Raum zu ermitteln. Dieser piezoresistive MEMS-Sensor ist vielfältig einsetzbar – im Automobilbau, Offline-Navigation, Airbag-Sensoren, Stabilisierung von Videokameras, 3-D-Mouse und Lagesensoren für Navigationsgeräte sind nur wenige, der ins Blickfeld der Entwicklungen gerückten Anwendungen. Im Bereich Navigations- und Führungssysteme (Navigation and Guidance Systems) sind höchste Anforderungen zu erfüllen, die im Projekt Gyros umgesetzt wurden. Erste Entwicklungsergebnisse werden vorstellt.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „Hochpräziser piezoresistiver Drehratensensor für die autonome Offline Navigation (Gyros)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Förderkennzeichen: 49MF190084
Palladium-beschichtete MEMS-Strukturen
Für die Nutzung von Grünem Wasserstoff sind spezifische Sensoren für die Messung des Wasserstoffanteil im Erdgasnetz notwendig. Hierfür entwickelt das Cis Forschungsinstitut gemeinsam mit zwei weiteren Partnern, Palladium-beschichtete MEMS-Strukturen, die Si-MEMS-Drucksensoren sehr ähnlich sind. Palladium kann das 900-fache des eigenen Volumens an Wasserstoff bei Raumtemperatur aufnehmen. Die bei dieser Volumenvergrößerung entstehenden mechanische Spannungen, können mittels einer hochempfindlichen piezoresistiven Messbrücke erfasst werden und stellen ein Maß für den Wasserstoffanteil im Palladium dar.
Das diesem Beitrag zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 03ZZ0757B gefördert.
Mikro-Opto-Elektrische Sensoren und ihre Anwendungen
Der Bereich MOEMS setzt den Schwerpunkt auf die Entwicklung und Fertigung von IR-Strahlern und Thermopilesensoren, deren aktive Zone innerhalb einer sehr dünnen Membran aufgespannt wird. Hier ermöglicht eine vielseitige Technologieplattform individuelle Entwicklungen von Gassensoren und Temperaturmessgeräten für Industriepartner. Flankiert werden diese Technologien der Silizium-Mikrosensorik durch innovative Lösungen für deren Montage und Hausung für kompakte, miniaturisierte und spezialisierte Baugruppen.
Auf dem Messestand werden u.a. Sensoren zur Erkennung des Einfallswinkels von Licht ausgestellt, wie sie aus Nachführsystemen von Photovoltaikanlagen bekannt sind, um die Energieeffizienz zu erhöhen. Das ultraflache Sensormodul mit der 4-Quadranten-Fotodiode wird dazu in einer Fensterscheibe integriert und erfasst präzise die Einstrahlrichtung von Tageslicht zur Steuerung fassadenintegrierter Verschattungsanlagen. Andere Anwendungen sind für die Strahlführung in der Lasertechnik, die Regelung smarter Displays oder die Sicherheit im Automobil möglich.
Die beschriebenen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden im Forschungsprojekt „RISEQ – Richtungssensitiver Quadrantendetektor, (FKZ: MF130154), sowie im Forschungsprojekt „LightControl“ (FKZ: ZF4001704GM9, ZIM) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.
Thüringer Forschungsinstitute auf der HMI 23
Zudem ist das CiS Forschungsinstitut auch auf dem Messestand des Forschungs- und Technologieverbund Thüringen (FTVT e.V.), in Halle 2, Stand C 57 vertreten. Hier präsentiert das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik einen hochstabilen, medienbeständigen barometrischen Drucksensoren, welcher in MEMS-Technologie gefertigt wurde. Es zeigt „WLP – Wafer-Level-Packaging“ basierte piezoresistive Bulk-Mikromechanik-Drucksensoren unter Nutzung von Silizium-Direktbondverbindungen und Durchkontaktierungen mit erhöhter chemischer Resistenz sowie verbesserter Kontakt- und Langzeitstabilität, die für medizinische Anwendungen geeignet sind.
