Kapazitiver, fluidischer 360-Grad-Neigungswinkelsensor in MID-Technik

Im Prinzip sieht alles ganz einfach aus. Das Messprinzip basiert auf der Kapazitätsänderung einer neigungsabhängigen Differenzial-Kapazitäts-Anordnung. Diese Art von Neigungssensoren ermittelt den Lagewinkel eines Objektes in Bezug auf das Gravitationsfeld der Erde. Das fertige Produkt hält Kräne in normaler Lage oder bewahrt sie vor dem Umkippen, sorgt bei Baggern für die Ermittlung der Positionen der einzelnen Anbaugeräte oder hilft bei der Nivellierung von hochgenauen Werkzeugmaschinen. Bei OP-Tischen oder Windkraftanlagen sind sie Teil des Monitoring/Überwachung der Schrägstellung, der Rotorblätter und der Türme. Bei zur Energiegewinnung installierten Solarparks werden die Panels dem Sonnenstand nachgeführt – ohne Neigungswinkelsensor undenkbar. Darüber hinaus kommt der Sensor in zahlreichen weiteren Branchen zum Einsatz, wie etwa in den Laserdistanzmessgeräten von Leica Geosystems. Hier sorgt der Neigungssensor für die Ermittlung der korrekten Distanzwerte.

Allrounder: Der 360-Grad-Neigungswinkelsensor mit Alu-Gehäuse der Schutzart IP 67 arbeitet hochpräzise und ist für den Temperaturbereich von -40 °C bis hin zu +85 °C geeignet. 2E Mechatronic

Den Entwicklern von Leica Geosystems waren die damals am Markt befindlichen Neigungssensoren nicht präzise genug. Daher schloss sich ein Forschungsquintett bestehend aus 2E Mechatronic, Leica Geosystems, dem Stuttgarter Institut der Hahn-Schickard-Gesellschaft, Micro-Mountains-Applications und Gruner zusammen, um jenen hochgenauen, flüssigkeitsbasierten Neigungswinkelsensor zu entwickeln, der im Jahr 2009 in dem von Leica Geosystems lancierten neuen Hochleistungs-Laserdistanzmesser Disto D8 zum Einsatz kommen sollte. 2E Mechatronic übernahm in der Folge das Patent sowie die Fertigung der Sensoren und baute daraus über die Jahre ein neues Geschäftsfeld auf. Zur Bestätigung der Technologieführerschaft führte Leica im Jahr 2014 eine erneute Benchmarkanalyse durch, mit dem Ergebnis: Der Neigungswinkelsensor ist nach wie vor der genaueste Sensor in seiner Preisklasse. Folglich kommt der Sensor nun auch in der Nachfolgegeneration von Leicas Hochleistungs-Laserdistanzmesser zum Einsatz.

Strömungssensor in 3D-MID Technik

Den Kernbaustein des thermischen Strömungssensors bildet eine extrem dünne Membran aus Siliziumnitrid. Mit unter 1 mm² Fläche und etwa 2 μm Dicke zeichnet sie für die thermische Entkopplung der auf ihr befindlichen Elemente verantwortlich. 2E Mechatronic

Das Funktionsprinzip des Neigungssensors beruht auf der Kapazitätsänderung einer neigungsabhängigen Differenzial-Kapazitäts-Anordnung. Zwei Gehäusehälften und eine Distanzscheibe schaffen eine zylindrische Kavität. Diese Kavität wird zur Hälfte mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt. An einer Stirnseite der zylindrischen Kavität sind zwei halbkreisförmige Elektroden, an der anderen Stirnseite eine kreisförmige Elektrode integriert. Wird das Gehäuse geneigt, behält die dielektrische Flüssigkeit aufgrund der Gravitationskraft ihre Lage bei. Über die Elektrodenkonfiguration wird eine vom Neigungswinkel abhängige Differenzkapazität zwischen den Elektrodenpaaren gebildet. Das wird von einer Elektronik erfasst und ausgewertet. Gegenüber konventionellen Versionen lässt sich der Neigungswinkelsensor als 360-Grad-Variante einsetzen. Der Sensor mit interner Temperaturkompensation arbeitet mit einer Genauigkeit von < ± 0,1 Grad über den gesamten Messbereich und lässt sich auf der ganzen Welt, gleichgültig an welchem Ort, verwenden, da die ermittelten Messwerte unabhängig von der Größe der Erdbeschleunigung am Messort sind.

Der Neigungswinkelsensor bestimmt ständig die exakte Position der Anbauteile und liefert damit die Basis für die GPS-Steuerung. 2E Mechatronic

Um dies realisieren zu können, haben das Institut der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung, 2E Mechatronic, Micro-Mountains-Applications und Gruner eine vollkommen neue Lösung für einen Strömungssensor entwickelt. Es entstand ein Sensor, mit dem einfach und kostengünstig kleinste Differenzdrücke wie <1.000 Pa oder Durchflüsse <10 ml/min Luft gemessen werden können. Jeweilige Anschlüsse lassen sich innerhalb unterschiedlichster Anwendungen modular adaptieren. Das aber gelang nur durch die Anbindung der sensorischen Elemente des MEMS-Chips an die dafür geeignete Gehäuselösung. Die wiederum musste Fluidtechnik, Mechanik und Elektrik störungsfrei integrieren. Für dieses Verfahren wurden auf dem Weg zum Ergebnis mehrere Konzepte verfolgt. Die Lösung: Der mit feinwerktechnischen Toleranzen gefertigte Strömungskanal wurde durch die Integration der Strukturen in den Sensorchip selbst auf das wesentlich genauere Lithographie-Niveau der Mikrotechnik gebracht.

Figurbetont ins MID-Gehäuse gepackt

Das Bauteil wird über ein miniaturisiertes dreidimensionales MID (Mechatronic Integrated Device) an übergeordnete Systeme angebunden. Doch der eigentliche Clou wird bereits in diesem Stadium deutlich: Der Sensor im neuentwickelten Bauelement lässt sich wie ein SMD auf gängige Bestückautomaten bestücken. Den Kernbaustein des thermischen Strömungssensors bildet eine extrem dünne Membran aus Siliziumnitrid. Mit einer Fläche von weniger als 1 mm² und einer Dicke von etwa 2 μm zeichnet sie für die thermische Entkopplung der auf ihr befindlichen Elemente verantwortlich: Ein Heizelement in der Mitte und zwei Temperatursensoren außen. Dünne Schichten aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid schützen gegen Medieneinflusse.

Am Ende war das Bauteil kleiner als ein Stückchen Würfelzucker. Die Entwickler von 2E Mechatronic konzipierten ein SMD-fähiges MID-Gehäuse für Sensorchips mit monolithisch integrierten Kanälen. Logischerweise ist dieses MID-Gehäuse an das Layout des Sensorchips mit integriertem Kanal angepasst. Die Ein- und Ausgänge befinden sich an den Ausgängen der so genannten Chiptasche. Alle elektrischen Anschlussflächen werden auf ein Standardmaß von 2,54 mm gebracht. Die Anschlüsse sind symmetrisch auf beiden Seiten des nach außen abgeschrägten Gehäuses angeordnet, sind einfach zu metallisieren und fügen sich nahtlos in konventionelle Bestückungsprozesse. Das weitere Bondpad dient ausschließlich der Befestigungssymmetrie.

Mit dem Evaluations-Kit können Nutzer den Neigungswinkelsensor vier Wochen kostenlos testen. 2E Mechatronic

Der Chip selbst wird einfach geklebt. Nur die Kanalöffnung und ihre Dichtung gilt es, im Auge zu behalten, ebenso die Wahl des richtigen Materials: Die Polymerformulierung LCP (Liquid Crystal Polymer) Vectra E840i LDS von Ticona wurde als das Material für den Spritzguss ausgewählt. Die Schmelze entspricht einer kristallinen Flüssigkeit. Da LCP-Moleküle auch in der Schmelze stark geordnet bleiben, gleiten sie unter Scherbeanspruchung problemlos aneinander entlang, wodurch eine sehr niedrige Schmelzeviskosität erreicht wird. Dadurch lassen sich auch sehr dünne Wände füllen und feinste Merkmale reproduzieren. Sie weisen nur geringe oder keine Schwindung auf und erfordern nur sehr kurze Einfrier- oder Erstarrungszeiten. Dieses schnelle Füllen der Form und die kurzen Kühlzeiten bedeuten kürzere Zykluszeiten und eine hohe Produktivität. Per Laser werden Keime und Füllstoffpartikel im geplanten Leiterbahnbereich für die spätere Metallisierung freigelegt. Die nicht vom Laser betroffenen Bereiche bleiben unberührt. Vor der eigentlichen Metallisierung sind die Bauteile gründlich zu reinigen, um den durch das LDS entstandene Abtrag zu entfernen. Dafür gibt es neben dem Ultraschallverfahren und der Reinigung mit Wasserhochdruck auch die CO2-Schneestrahlreinigung, die in diesem Zusammenhang einige Vorteile bietet.