Wie ist die Lage?

Wir erfassen unsere Umgebung mit den Sinnen – durch Riechen, Schmecken, Tasten, Sehen und Hören. Zu diesem Zweck ist unser Körper mit Millionen von Sensoren ausgestattet, die uns in die Lage versetzen, uns zurechtfinden, Gefahren abzuwenden und mit anderen zu kommunizieren.

Mit der Automatisierung vieler Lebensbereiche stellte sich bereits früh die Frage, wie Maschinen ihre Umgebung wahrnehmen können: Wie kann ein Flugzeug seine Position in der Luft bestimmen? Wie stellt ein PKW einen kritischen Fahrzustand fest? Woher weiß ein Roboter, wenn er sich einem Menschen nähert? Wie erkennt ein Smartphone die Orientierung des Bildschirms? Für diese und viele andere Fragestellungen existieren heute unzählige Sensoren, die den Maschinen die Fähigkeit verleihen, ihre Umgebung zu erfassen.

Wir erfassen unsere Umgebung mit den Sinnen – durch Riechen, Schmecken, Tasten, Sehen und Hören. Zu diesem Zweck ist unser Körper mit Millionen von Sensoren ausgestattet, die uns in die Lage versetzen, uns zurechtzufinden, Gefahren zu erkennen und mit anderen zu kom­mu­ni­zie­ren.

Mit der Automatisierung vieler Lebensbereiche stellte sich bereits früh die Frage, wie Maschinen ihre Umgebung wahrnehmen können: Wie kann ein Flugzeug seine Position in der Luft bestimmen? Wie stellt ein Pkw einen kritischen Fahrzustand fest? Woher weiß ein Roboter, wenn er sich einem Menschen nähert? Wie erkennt ein Smartphone die Orientierung des Bildschirms? Für diese und viele andere Fragestellungen existieren heute unzählige Sensoren, die den Maschinen die Fähigkeit verleihen, ihre Umgebung zu erfassen.

Es war zunächst die Automobilindustrie, die die Entwicklung neuer Sensortechnologien mit hohen Sensorstückzahlen in den vergangenen 50 Jahren geprägt hat – angetrieben vom Wunsch nach mehr Sicherheit im Verkehr. Beispielsweise sorgt das Antiblockiersystem (ABS) integriert in ein elektronisches Stabilitätsprogramm für eine hohe Fahrstabilität und verkürzte Bremswege. Entscheidend für die korrekte Funktion sind dabei Sensordaten: In modernen Pkw befinden sich heute viele Sensoren, die Teil von Sicherheits-, Antriebs- und Komfortfunktionen sind. Die Massenfertigung der dafür erforderlichen robusten, leistungsfähigen und zugleich kosteneffizienten Bauteile war nur auf der Basis mikroelektronischer und mikromechanischer Tech­no­logien möglich. Diese nutzen häufig bewegliche Strukturen im Mikrometer-Bereich, welche aus Silizium hergestellt werden. In den vergangenen rund 20 Jahren wurden die Sensoren, getrieben durch die Anforderungen von Smartphones, Smartwatches und Kopfhörern, weiter miniaturisiert und digitalisiert. Ein Beschleunigungssensor für eine Smartwatch hat heute eine Größe von zwei mal zwei Millimetern, ist weniger als ein Millimeter hoch und ermöglicht im Zusammenspiel mit weiteren Sensoren eine zuverlässige Navigation.

Der Trend zur Miniaturisierung hält weiterhin an und wird für Anwendungen im Bereich vernetzter Objekte mit darin enthaltenen KI-Komponenten erweitert. An­wen­dungen in der Automobil-, Gebrauchs- und Unterhaltungselektronik benötigen heute mehr als zehn Milliarden mikromechanische Sensoren pro Jahr. Typische Sensoren, wie sie heute in Smartphones verbaut sind, umfassen einen mechanisch-elektrischen Teil (micro electromechanical system, MEMS), mit dem das zu messende Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses wird im elektronischen Teil mithilfe analoger und digitaler Schaltungen aufbereitet, umgewandelt und als standardisiertes Signal ausgegeben. Mit dem in den 1990er-Jahren entwickelten reaktiven Ionentiefenätzen (auch bekannt als „Bosch-Prozess“) war es erstmals möglich, zuverlässig feinste Strukturen mit großer räumlicher Tiefe im Vergleich zur Breite der Strukturen herzustellen. Er liefert bis heute eine Basis für den Erfolg von MEMS-Sensoren.

Für die Gebrauchselektronik sind MEMS-Sensoren eine Schlüsseltechnologie. Mit einem geschätzten Volumen von etwa acht Milliarden Euro pro Jahr stellt die Konsumelektronik derzeit den größten Markt für MEMS-Sensoren dar. Die Einführung des Smartphones stieß einen Trend zur Individualisierung und Vernetzung von elektronischen Geräten an. So haben diese eine große Bandbreite von Komfortfunktionen (Bildstabilisierung, Navigation) sowie Funktionen mit Bezug zu Fitness und Gesundheit (Schrittzähler, Fitnesstracker).

Ein besonders interessanter Anwendungsfall für MEMS-Sensoren ist die dreidimensionale Navigation in Innenräumen, welche im Vergleich zur Satellitennavigation ohne externe Signale auskommen muss. Dies kann durch Kombination eines Beschleunigungssensors in x-, y- und z-Richtung mit einem Drehratensensor für die Messung der Drehung um die drei Achsen in einem inertialen Messsystem realisiert werden. Die Position und relative Orientierung im Raum kann durch zweimalige Integration der Beschleunigungen und einfache Integration der Winkelgeschwindigkeiten bestimmt werden. In beiden Sensoren ändert sich bei Beschleunigung bzw. Rotation die elektrische Kapazität, da ihre mikromechanische Elektroden zum einen fixiert, zum anderen Teil einer beweglichen seismischen Masse sind. Im Falle des Beschleunigungssensors erfolgt die mit der Auslenkung verbundene Kapazitätsänderung aufgrund der Trägheit. Im Falle des Drehratensensors muss die seismische Masse elektrostatisch angetrieben in Schwingung versetzt werden. Durch die resultierende Geschwindigkeit erfährt die seismische Masse bei einer Drehung eine Coriolisbeschleunigung senkrecht zur Schwingungsrichtung und zur Drehachse. Dadurch kommt es zu einer oszillierenden Kapazitätsänderung zwischen den entsprechend orientierten Festelektroden und der seismischen Masse. Durch die starke Miniaturisierung sind die Änderungen sehr klein, sodass die Auswerteelektronik hohen Anforderungen genügen muss. Obwohl die Sensoren robust sind und Stöße von etwa 1000 g überstehen können, erreichen sie dennoch eine Auflösung im Bereich von ca. 0,001 g.

Dies entspricht einer räumlichen Auslenkung der Elektrode von nur rund 30 pm, sodass zur Auswertung der geringen Kapazitätsänderungen die Ladungsverschiebung von nur wenigen Elektronen aufgelöst werden muss. Ein essenzieller Teil der Innovation von MEMS-Sensoren liegt daher in der Entwicklung von elektrisch und mechanisch robusten Designs, um zum einen die notwendige Alltagstauglichkeit in einem Fahrzeug oder Mobilfunkgerät zu ermöglichen und gleichzeitig eine hervorragende Empfindlichkeit bei minimalem Rauschen zu gewährleisten. Die konsequente Erforschung und Entwicklung neuer MEMS- und Halbleiterprozesse ist eine Grundvoraussetzung für den Erfolg von MEMS-Sensoren. So trägt beispielsweise ein neu entwickelter Laser-Reseal-Prozess, mit dem das Vakuum in Kavernen sehr exakt und lokal eingestellt wird, wesentlich zur Leistungsfähigkeit neuer inertialer Messsysteme bei.

Phyphox

An der RWTH Aachen wurde eine Software entwickelt, die die zahlreichen Sensoren von Smartphones und Tablets auslesen und für Experimente nutzen kann. So lassen sich etwa die Fahrthöhe eines Aufzugs allein aus der Luftdruckänderung bestimmen, akustische Spektren im Wasserfalldiagramm darstellen oder – wie abgebildet – die Beschleunigung der drei Lagesensoren direkt auslesen. Die Einsatzmöglichkeiten der kostenlosen und quelloffenen App vor allem im Schulexperiment sind gewaltig.

Die Kontrolle quantenphysikalischer Effekte wird die MEMS-Sensorik in naher Zukunft weiter voranbringen. So lässt sich im zuvor beschriebenen Anwendungsfall der Navigation auch die absolute Orientierung im Raum (relativ zum Erdmagnetfeld) mithilfe des magnetischen Tunnelwiderstands (Englisch: Tunneling MagnetoResistance, TMR) messen. Dabei hängt der Tunnelwiderstand zwischen zwei durch einen dünnen Isolator getrennte ferromagnetische Schichten vom äußeren Magnetfeld ab.

Dies wird erreicht, indem die Polarisation einer der beiden Schichten fixiert wird, z. B. durch eine zusätzliche antiferromagnetische Schicht. Die zweite freie Schicht kann sich entsprechend dem äußeren Feld ausrichten. Stehen die beiden Polarisationen antiparallel zueinander, steigt der Widerstand stark an, im parallelen Fall sinkt er ab. Die Widerstandsänderung kann dabei je nach konkretem Aufbau selbst bei Raumtemperatur 100% übersteigen. Mit entsprechender Brückenschaltung eignet sich diese Wider­stands­än­de­rung hervorragend zur Messung der Orientierung gegenüber äußeren Magnetfeldern wie dem Erdmagnetfeld. Eine besondere Herausforderung bei der Fertigung von TMR-Sensoren besteht darin, die beiden magnetischen Schichten durch die Isolationsschicht sehr dünn und homogen zu trennen. Mit einer Dicke von wenigen Nanometern besteht die Schicht nur aus wenigen Atomlagen. Solche Strukturen lassen sich daher nur mit sehr fortschrittlichen Fertigungsmethoden kommerziell nutzbar erzeugen.

Die Anforderungen an MEMS-Sensoren bezüglich Funktionsumfang, Größe, Genauigkeit und Energieeffizienz werden mit fortschreitender technischer Entwicklung immer weiter steigen. Neben den vorgestellten etablierten Verfahren werden in Zukunft Quantensensoren mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit eine wichtige Rolle spielen. Hier ist zu erwarten, dass die enge Kooperation zwischen akademischer und industrieller Forschung sowie zwischen Entwicklungs- und Fertigungsbereichen kommerzieller Unternehmen auch in Zukunft große technologische Fortschritte hervorbringt.

Stefan Finkbeiner, Markus Ulm und Fabian Bleier