Projekt: HIPS

Das Beste aus zwei Welten

Sensoren sollen sensibel sein, müssen aber für so manche Anwendung auch raue Umgebungsbedingungen aushalten. Der Thüringer Wachstumskern "HIPS" entwickelt deshalb robuste Sensoren mit einer neuartigen Technologie.

HIPS steht für High Performance Sensors und genau dies wollen die Ingenieure erreichen: Digitale Sensorsysteme, die zuverlässig, unabhängig und robust sind. Sie sollen hohe Temperaturen und Drücke sowie starke mechanische Beanspruchungen aushalten können. Geplante Anwendungen in der Medizin- und Umwelttechnik oder in der Lebensmittelindustrie erfordern von den neuen Sensoren, dass sie möglichst wartungsfrei sind, sich selbst kalibrieren können und nur sehr selten ausfallen. Das HIPS-Bündnis will mit den neuartigen Systemen auch Gas- und Flüssigkeitsströme in industriellen Prozessen überwachen, oder in Automobilen für Sicherheit sorgen. In solchen Umgebungen gelangen herkömmliche Sensoren oft an ihre Grenzen. Die Materialien, die darin verbaut sind, halten sehr hohe Temperaturen, starke Vibrationen oder Flüssigkeiten mit extremen pH-Werten nicht aus. Die Thüringer haben eine geniale Lösung für das Problem gefunden: die Silizium-Keramik-Technologie, kurz: SiCer.

Ungewöhnliche Verbindung

Der neuartige Träger, auf dem der Sensor sitzt, besteht aus einer Keramik- und einer Siliziumseite. Die im TCE angepasste spezielle LTCC-Mehrlagenkeramik wird mit Silizium bei Raumtemperatur verbunden und dann bei ca. 900 Grad Celsius mit Silizium gesintert. Bisher gibt es keinen vergleichbaren monolithischen Träger, der das Beste aus zwei Welten so perfekt miteinander verbindet: die elektrisch und thermisch isolierenden Eigenschaften von Keramik und das ideale elastische und mechanische Verhalten von Silizium. Beschichtet ist der Silizium-Keramik-Träger mit Dünnfilm- und Dickschichtmetallisierungen, die elektrisch und thermisch sehr gut leitfähig sind. Diese einzigartige Kombination ermöglicht eine starke Miniaturisierung der Sensoren und die Integration verschiedener Funktionen. Das Thüringer Projektkonsortium schafft mit der SiCer-Technologie die Voraussetzungen für eine Sprunginnovation in der Sensortechnologie. Die neuen Sensoren halten sowohl eine starke mechanische Beanspruchung aus, als auch Temperaturen bis 600 Grad Celsius. Da sie so klein sind, lassen sie sich sehr gut in andere elektronische Komponenten integrieren.

Fest verbunden: Der strukturierte 4“ SiCer Wafer (elektrostatischer Baukasten, VIA electronic GmbH) und der erste SiCer Sensor mit elektronischen und fluidischen Bauelementen auf der Oberseite und das Silizium-Mikrosystem auf der Unterseite. (5micron GmbH)

Technologische Bibliothek

Ziel des HIPS-Bündnisses ist es, eine SiCer-Technologieplattform aufzubauen. Sie besteht aus einer Art Bibliothek von getesteten Technologien und Funktionselementen, die Bausteine zur Entwicklung komplexer Sensorsysteme sind. Entsprechend der geplanten Anwendungen sollen die Sensoren sieben verschiedene Größen messen: Temperatur, Druck, CO2-Konzentration, Feuchte, Widerstand und Intensität. Eine solche Plattform ermöglicht die Herstellung von Sensoren mit höchster Leistungsfähigkeit, auf kleinstem Bauraum und bei maximaler Zuverlässigkeit. Die Strategie des Konsortiums ist aussichtsreich, denn Sensorsysteme werden künftig eine zentrale Rolle bei der Digitalisierung der Industrie, in der Überwachung von Umwelt- und Produktionsprozessen aber auch in speziellen Anwendungsgebieten wie Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation oder Medizintechnik spielen. Immer strengere gesetzliche Vorschriften – auch zur Einsparung von Rohstoffen und der Reduktion von Treibhausgas-Emissionen – sind ein wesentlicher Treiber dieser Entwicklungen.