Miniaturisierung von Feuchte- und Temperatursensoren

  • Die Messung der Feuchte basiert darauf, dass sich die Permittivität des Polymermaterials durch die Aufnahme von Wasser verändert.Die Messung der Feuchte basiert darauf, dass sich die Permittivität des Polymermaterials durch die Aufnahme von Wasser verändert.
  • Die Messung der Feuchte basiert darauf, dass sich die Permittivität des Polymermaterials durch die Aufnahme von Wasser verändert.
  • Auf einem einzigen CMOS-Die sind sämtliche Komponenten, wie Sensorelement, Signalverarbeitung, Ausgänge und Speicher für die Kalibrierdaten untergebracht.

Wer bei Industrie 4.0 mitmischen will, muss auch deren Anforderungen erfüllen. Für die Sensorik lautet das Stichwort hier Miniaturisierung, um einfach integriert werden zu können.

Die Kommunikation zwischen verschiedenen Maschinen und Geräten hat in den vergangenen Jahren immer mehr zugenommen – bekannt ist die Entwicklung unter dem Stichwort Internet of Things (IoT). Ein typisches Beispiel ist das Smart Home respektive Smart Building, bei dem die Steuer- und Regeltechnik der verschiedenen Gewerke in einem Gebäude Daten untereinander austauschen. Ziele sind ein verbesserter Komfort für die Bewohner und Nutzer der Gebäude sowie eine höhere Energieeffizienz.
Eine wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Sensorik. Denn nur wenn Daten zur Verfügung stehen, können die unterschiedlichen Geräte und Systeme diese auch austauschen. Um den Anforderungen des IoT gerecht zu werden, hat sich die Sensortechnik in den vergangenen Jahren rasant entwickelt. Sensirion hat im Bereich der Sensorik wesentlich zur Miniaturisierung der Sensorik beigetragen. Der Schlüssel der Entwicklung liegt dabei in der Integration der Sensorelemente in Standard-CMOS-Technologie. Sensoren, die mit dieser als CMOSens bezeichneten Technologie hergestellt werden, sind sehr klein. Durch die Integration der Sensorelemente in herkömmliche CMOS-Technik profitieren die Sensoren von der stetigen Miniaturisierung in der Elektronik. Die Sensoren, die auf der CMOSens-Technologie basieren, lassen sich zudem in großen Stückzahlen und dadurch sehr kostengünstig produzieren.

Feuchte und Temperatur auf CMOS vereint

Die Feuchtesensoren arbeiten nach einem kapazitiven Prinzip. Dabei ist das Sensorelement aus einem Kondensator aufgebaut. Als Dielektrikum dient ein Polymer, das proportional zur relativen Umgebungsfeuchte Wasser aufnimmt oder abgibt und somit die Kapazität des Kondensators verändert. Eine elektronische Schaltung misst diese Kapazitätsänderung und kann daraus die relative Luftfeuchte ermitteln. Als Kapazität wird ein micro-machined Fingerelektrodensystem verwendet, auf das in mehreren Veredelungsschritten verschiedene Schutz- und Polymerdeckschichten appliziert werden, die den Sensor gleichzeitig vor störenden Einflüssen schützen.

Zusammen mit dem Feuchtesensor ist auch ein Temperatursensor auf dem CMOS enthalten. Damit lässt sich zusätzlich der Taupunkt präzise bestimmen, ohne Fehler in Kauf nehmen zu müssen, die durch Temperaturgradienten zwischen Feuchte- und Temperatursensor hervorgerufen werden.

Störunanfällig

Die Mikrosensorsysteme, die mit der CMOSens-Technologie hergestellt werden, haben einen hohen Integrations- und Funktionalitätsgrad. Die analoge und digitale Signalverarbeitung sowie die Kalibrierdaten sind zusammen mit dem Sensorelement auf dem Halbleiterchip mit einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern integriert. Neben den Funktionen für Linearisierung, Digitalisierung und Temperaturkompensation der Messwerte sind auch weitere Funktionen, etwa zum Selbsttest, direkt auf dem Chip enthalten. Durch die Integration kann die Auswerteelektronik die empfindlichen Sensorsignale direkt vor Ort verstärken und digitalisieren. Auch die sonst häufig störanfälligen Lötstellen entfallen, was zusätzlich zur Langzeitstabilität beiträgt. Gleichzeitig sind Störungen der analogen Sensorsignale weitgehend ausgeschlossen, wodurch eine hohe Messgenauigkeit der Sensoren erreicht wird. Ebenfalls auf dem CMOS-Element integriert ist eine digitale Schnittstelle, die eine einfache Einbindung in die Anwendung erlaubt.

Herausforderung Serienfertigung und Packaging

Die technische Herausforderung bestand darin, das Sensorelement in eine Standard-CMOS-Produktion zu integrieren. Während der Produktionsschritte des CMOS-Sensors und der anschließenden Verarbeitung darf das empfindliche Polymer nicht beschädigt werden. Gleichzeitig ging es darum, sämtliche Schritte der Produktion skalierbar zu gestalten, sodass eine Serienproduktion möglich ist. Nur so lassen sich die Skaleneffekte, wie sie bei der Produktion von Halbleitern entstehen, auch auf die Produktion der Sensoren übertragen. Ein wichtiger Schritt während der Fertigung ist die Kalibrierung des Sensors, die auch nach der Produktion erhalten bleiben muss. Zudem muss die Langzeitstabilität des Sensors gewährleistet sein.
Eine weitere Herausforderungen, die Sensirion bei der Entwicklung der CMOSens-Technologie lösen musste, war das Packaging. Die typische Vorgehensweise, die Halbleiter-Struktur in einem Kunststoff zu vergießen, kommt für die Feuchte- und Temperatursensoren nicht in Frage, da das Sensorelement mit der Umgebungsluft in Kontakt kommen muss. Als Lösung hat Sensirion das so genannte Open Cavity Molding entwickelt, bei dem – vereinfacht ausgedrückt – eine  Öffnung innerhalb des Kunststoffs ausgespart wird. Auch hier bestanden die Herausforderungen wieder darin, dass das Sensorelement während des Fertigungsprozesses nicht beschädigt werden darf und alle Prozesse für die Serienproduktion skalierbar sein müssen. In der aktuellen Version der Feuchte- und Temperatursensoren kommt ein Chip-Scale-Package zum Einsatz, das mit dem Flip-Chip-Verfahren verarbeitet werden kann. Hierdurch ist eine weitere Miniaturisierung möglich. Der kleinste Feuchte- und Temperatursensor von Sensirion, der aktuell erhältlich ist, misst 1,3 mm x 0,7 mm x 0, 5 mm.

Zahlreiche Anwendungen denkbar

Mit der CMOSens-Technologie hat Sensirion Anwendungen in vielen Bereichen ermöglich, die vorher nicht realisierbar waren. Heute ist in etwa jedem dritten Auto ein Sensor von Sensirion verbaut. Dieser ermittelt zum Beispiel den Taupunkt und ermöglicht es dadurch, dass die Klimaanlage im Auto optimiert angesteuert wird und dadurch die Scheiben nicht beschlagen. Im Smart Home spielen die Sensoren von Sensirion ebenfalls eine wichtige Rolle. Auch hier kann die Heizungs- und Klimatechnik optimiert werden. Wesentlicher Treiber solcher Anwendungen ist hierbei die Energieeffizienz. Für die Zukunft sind zahlreiche neue Anwendungen denkbar. Ein Beispiel ist der Einbau von Sensortechnik in Kleidung, dadurch werden vielfältige Funktionalitäten möglich, beispielsweise in den Bereichen Sport oder Medizin.

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Sensirion
Laubisruetistrasse 50
8712 Staefa
Telefon: +41 (0)44 306 40 00

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