SimuSens

Entwicklung einer Simulationsumgebung und Anwendung für die Entwicklung von Gehäusetechnologien für mikromechanische Luftdruck- und Luftfeuchtesensoren


Prof. Dr. Gregor Feiertag,
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik


Dass Smartphones mittels Kameras und Helligkeitssensoren sehen und dank Mikrofonen hören können, ist einfach nachvollziehbar, aber wie können sie fühlen? Unter anderem mittels eingebauter Luftdrucksensoren wird auch das möglich.


Der Luftdruck wird dabei von Siliziummembranen gemessen, die nur wenige tausendstel Millimeter dünn sind. In der Membran sind sogenannte piezoresistive Widerstände. Bei Druckänderungen verformt sich die Membran. Dadurch ändern sich die Werte der Widerstände, die von einer speziellen integrierten Schaltung gemessen werden. Der Sensor T5410 der Firma EPCOS kann Druckänderungen von etwa 2 Pascal fühlen. Das entspricht Höhenänderungen von nur 20 Zentimetern. Die Siliziummembran bewegt sich dabei um 7 Pikometer – das ist etwa ein Hundertstel des Abstandes zwischen zwei Siliziumatomen in einem Siliziumkristallgitter.


Diese extreme Empfindlichkeit hat leider auch zur Folge, dass die Siliziumchips, die die Membran halten, nicht durch das Gehäuse, in das sie eingebaut werden, belastet werden dürfen. Nur mit speziellen spannungsarmen Gehäusen sind genaue Messungen möglich.


Die kompletten Sensoren bestehen aus einem Sensorchip und einer integrierten Schaltung, die zusammen in ein Gehäuse eingebaut werden. Diese Sensoren sind im Moment etwa 2 mm mal 3 mm klein. Smartphones werden mit jeder Generation flacher und haben mehr Funktionen. Die Bauteile, darunter auch die Sensoren, müssen deshalb mit jeder Generation kleiner werden.


Hier beginnen die Aufgaben des Projekts „SimuSens -Entwicklung einer Simulationsumgebung und Anwendung für die Entwicklung von Gehäusetechnologien für mikromechanische Luftdruck- und Luftfeuchtesensoren“. Im Projekt entwickelt die Hochschule München zusammen mit der Firma EPCOS kleinere und gleichzeitig auch genauere Drucksensoren. Da die Herstellung von Prototypen sehr zeitaufwändig und teuer ist, werden im Projekt SimuSens neue Gehäuse zunächst mit Computern simuliert. So kann berechnet werden, wie das Gehäuse den Membranchip belastet und damit auch welche Abweichung der Messwert haben würde. Aus vielen möglichen Lösungen kann so eine besonders gute ausgewählt werden. Nur diese wird dann realisiert.


Computersimulationen werden bereits seit vielen Jahren für die Entwicklung von Sensoren genutzt. Schwierig, aber auch interessant werden die Simulationen, wenn Materialien wie Metalle und Kunststoffe berücksichtigt werden müssen. Diese reagieren auf Belastungen mit Verformungen, die nicht nur von der Stärke der Belastung, sondern auch von der Temperatur und der Dauer der Belastung abhängen. Bevor eine Simulation möglich ist, muss deshalb das Materialverhalten genau vermessen werden.


Für die Simulationen werden Open Source Programme verwendet. Auf diese Weise können Kooperationspartner und Studierende die im Projekt erarbeiteten Modelle ohne Einschränkungen weiter nutzen. Damit viele verschiedene Sensorgehäuse und Varianten simuliert werden können, wird im Projekt eine Simulationsumgebung entwickelt, mit der das effizient möglich ist.


Laufzeit:
01.06.2016 - 31.05.2019


Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Bildung Forschung (BMBF)


Projektträger:
VDI Technologiezentrum GmbH (FHProfUnt)


Projektpartner:
EPCOS AG, München
Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT, München


Ansprechpartner

Prof. Dr. Gregor Feiertag
Raum: R 2.047

Tel.: 089 1265-3463
Fax: 089 1265-3403

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