Mit CMOSens® zu neuen Anwendungen

Eine grosse Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der Sensorik zu. Denn nur, wenn Daten zur Verfügung stehen, können die unterschiedlichen Geräte und Systeme diese auch austauschen. Sensoren bilden gleichsam die Sinnesorgane innerhalb des IoT. Die Entwicklung der Sensortechnik hat in den vergangenen Jahren eine rasante Entwicklung genommen. Vor 15 Jahren war ein üblicher Feuchtesensor beispielsweise mindestens so gross wie eine Streichholzschachtel. Mit so grossen Sensoren wären viele der aktuellen Entwicklungen im IoT kaum zu realisieren. Die Sensirion AG hat als ein Pionier 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. Bereits der erste Feuchte- und Temperatursensor, den Sensirion 2001 auf den Markt gebracht hat, war nur 5 x 7,5 x 2,5 m3 gross. Dieses kann dann in herkömmlicher Weise in der Elektronikfertigung verarbeitet werden. 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 ausserdem in grossen Stückzahlen und dadurch sehr kostengünstig produzieren.

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 patentiertes "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.

Die Mikrosensorsysteme, die mit der CMOSens-Technologie hergestellt werden, haben einen hohem 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 Funktionalitäten, etwa zum Selbsttest, direkt auch 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, so dass 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. Ausserdem muss die Langzeitstabilität des Sensors gewährleistet sein.

Eine weitere grosse Herausforderung, 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 ja 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 neuesten Version der Feuchte- und Temperatursensoren kommt ein Chip-Scale-Package zum Einsatz, das mit dem Flip-Chip-Verfahren verarbeitet werden kann. Hierdurch ist eine noch stärkere Miniaturisierung möglich. Der kleinste Feuchte- und Temperatursensor von Sensirion, der aktuell erhältlich ist, misst nur noch 1,3 x 0,7 x 0, 5 mm³.