Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

CMOS-integrierter Chip zur telemetrischen Erfassung von Materialverformungen (Akronym: StrainSens)

Im Projektvorhaben StrainSens ist die Entwicklung eines kompakten, CMOS-integrierten Sensorsystems zur Messung von dynamischen und statischen Verformungen für das Structural Health Monitoring und das Condition Monitoring geplant. Dabei werden die relevanten Teilfunktionen Sensorik, Ausleseelektronik, Datenverarbeitung, drahtlose Kommunikation und drahtlose Energieeinspeisung in einem ca. 2,5 x 2,5 x 0,3 mm³ großen Chip abgedeckt. Ein weiteres essentielles Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens zur festen Anbindung des StrainSens-Chips an die zu überwachenden Materialien, um einen möglichst hohen Anteil der im Werkstück vorherrschenden mechanischen Spannung in den Chip durchzuleiten.

Klassischerweise werden für die Messung von mechanischen Spannungen bzw. Verformungen Dehnmessstreifen eingesetzt. Der im beantragten Vorhaben zu entwickelnde Chip bietet entscheidende Vorteile in Bezug auf das Messsystem. Der StrainSens-Chip kann dank der drahtlosen Anbindung direkt an rotierenden Strukturen aufgebracht oder in (Kunststoff- oder Keramik-)Körpern eingebettet werden. Darüber hinaus bietet der Chip wegen der Integration der gesamten Signalkette eine Kostenersparnis, weshalb er ideal in vernetzten und verteilten Sensorsystemen einsetzbar ist. Er leistet daher einen wichtigen Beitrag zum Konzept des Internet der Dinge und der Industrie 4.0.

Dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) gehören 15 Firmen an, darunter sechs KMUs. Bei der Zusammenstellung des PA wurde die gesamte Wertschöpfungskette abgedeckt. Diese reicht von der Fertigung über die Qualifikation zu Sensorprodukten, welche wiederum in höherwertige Messtechniksysteme eingebaut und branchenübergreifend in Anwendungen der Antriebstechnik und dem Maschinenbau, der Medizintechnik und der Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Die Diversität des PA belegt die Vielseitigkeit des StrainSens Sensorsystems, welches speziell KMUs befähigen wird höchst kompakte Verformungssysteme für bisher unbesetzte Nischen zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt StrainSens wurden verschiedene Technologien zur Ankopplung des Sensorchips zur Erfassung von Kräften und Drehmomenten erforscht. So konnte einerseits die Flipchip-Methode zur robusten elektrischen Kontaktierung an flexible Leiterplatten etabliert werden. Andererseits konnte der Kopplungsfaktor und damit auch die Empfindlichkeit des mittels Reaktivfügen an das zu überwachende Strukturbauteil gefügten Chips um den Faktor 2,5 gegenüber der Klebemethode gesteigert werden – bei einer Linearität von nahezu 1. Durch ein parametrisiertes Finite-Elemente-Modell ist es möglich, die Spannungsverteilung auf der Chipoberfläche in der Anwendung z. B. für verschiedene Montage- und Sägetoleranzen Montage vorab zu simulieren. Durch Rückführung der eindeutigen Änderungen dieser Spannungsmuster auf Technologiefehler ergeben sich Ansätze für neue fortschrittliche Auto-Kalibrierverfahren.

Der Sensorchip wurde von Grund auf neu entworfen. Durch die Implementierung eines Closed-Loop-Readout-Konzepts wurde die angestrebte Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit erreicht. Die einstellbare Empfindlichkeit und die einzeln selektierbaren Sensorelemente ermöglichen den universellen Einsatz des neu entwickelten Sensorchips in verschiedenen Anwendungen. Erstmals wurde ein Übertragungsprotokoll nach dem NFCIP-1-Standard implementiert, welches prinzipiell das direkte Auslesen mittels eines mobilen Endgeräts erlaubt. Zur Erreichung der vollen Funktionalität muss jedoch in einer weiteren Chipgeneration ein derzeit noch fehlendes Kommando implementiert werden.

Zur Demonstration der Anwendbarkeit des Sensorchips wurde ein auf der drahtlosen Energie- und Datenübertragung basierendes, quasi wegloses Joysticksystem zum kraftgefühlten Drücken entwickelt. Herzstück ist eine speziell für den Sensorchip ausgelegte Wägezelle, welche mehrachsige Lasten auf eine einzige Messstelle konzentriert. Der dreidimensionale Lastvektor wird mittels einer Android-App visualisiert.