Imec entwickelt integrierte berührungslose Schnittstellen auf Basis von ultraschallbasiertem haptischem Feedback.

(Bild: Imec)

Die Anzahl der Sensoren und Aktoren in Industrie- und Konsumgeräten war noch nie so hoch wie heute. Laut einem Bericht von Global Market Insights überstieg der Markt für Industriesensoren im Jahr 2019 die Marke von 20 Milliarden US-Dollar. Bis 2026 lässt die Nachfrage in Sektoren wie Fertigung, Energiewirtschaft und Gesundheitswesen die weltweiten Lieferungen von Industriesensoren auf über drei Milliarden Einheiten ansteigen. Eine beeindruckende Zahl und gleichzeitig nur die Hälfte dessen, was in der Bildgebungsbranche zu beobachten ist. IC Insights schätzt, dass die Auslieferungen von Bildsensoren bereits im Jahr 2020 sechs Milliarden Einheiten übersteigen werden. Was nicht weiter verwunderlich ist, wenn man bedenkt, dass heutzutage in jedem Smartphone durchschnittlich mehr als drei Kameras stecken.

Skalierbarkeit von Sensoren und Aktoren ermöglicht Marktzugang

Der Schlüssel zu diesen immensen Wachstumszahlen liegt in der Skalierbarkeit der Sensor- und Aktorgeräte und ihrer Bausteine. Skalierbarkeit im Sinne von „Herstellungskapazität zu akzeptablen Kosten“ und Skalierbarkeit oft auch im Sinne von „Verkleinerung ihres Formfaktors, um in eingebettete oder mobile Geräte zu passen“. Abhängig von den gewünschten Spezifikationen kann beispielsweise der aktuelle Preispunkt einer Highend-Infrarotkamera bei bis zu zehntausend Euro liegen. Damit ist sie nur für eine eingeschränkte Anzahl von Anwendungsbereichen wie etwa der Raumfahrt zugänglich. Sobald sich ähnliche Fähigkeiten zu einem Bruchteil der Kosten und der Größe integrieren lassen, kann es zu einer Explosion neuer Märkte und Anwendungsfälle in Branchen wie etwa Biowissenschaften, Sicherheit, Instrumentierung oder Agro-Food kommen. Der derzeitige Ansatz, III-V-Materialien und Flip-Chip-Montage zu verwenden, wird nicht ausreichen, um die notwendige Miniaturisierung und kosteneffiziente Fertigung zu erreichen. Hierfür ist die hochskalierbare CMOS-basierte Technologie auf 200- oder 300-mm-Wafern ein unverzichtbarer Faktor.

Neben diesen mengenorientierten Zielen sucht die Branche auch nach neuen Möglichkeiten, Sensor- und Aktorlösungen zu integrieren. Zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, um bestimmte Anwendungen in die engere Auswahl einer größeren Anzahl von Endanwendern zu bringen. Als Beispiel lassen sich die Trends bei mobilen Displays heranziehen, um eine Vorstellung von den Möglichkeiten in einer breiten Palette von Anwendungen zu bekommen. OLED-Displays entwickeln sich zur dominierenden Technologie für Mobiltelefone und Uhren. Es besteht kaum noch die Notwendigkeit, die Auflösung weiter zu erhöhen, aber der Trend geht dahin, das Display so groß wie den Bildschirm zu machen. Dies hat zur Folge, dass die Sensoren, die im Frontdisplay integriert sind, nicht sichtbar sein dürfen: Umgebungslichtsensor, Näherungssensor, Selfie-Kamera, Fingerabdrucksensor, Gesichtserkennung, Herzschlag. Darüber hinaus können wir in Zukunft erwarten, dass weitere Sensoren ihren Weg ins Display finden wie etwa eine integrierte 5G-Antenne oder haptisches Feedback.

Technologieschmiede Imec

Durch die Verarbeitung eines Dünnfilm-Multilayer-Stapels mit einer photoaktiven Schicht, die im Infrarotbereich empfindlich ist (rechts), auf einer Silizium-Ausleseschaltung (ROIC), hat imec einen IR-empfindlichen CMOS-Sensor (links) geschaffen, der für die Massenproduktion geeignet ist.

Durch die Verarbeitung eines Dünnfilm-Multilayer-Stapels mit einer photoaktiven Schicht, die im Infrarotbereich empfindlich ist (rechts), auf einer Silizium-Ausleseschaltung (ROIC), hat imec einen IR-empfindlichen CMOS-Sensor (links) geschaffen, der für die Massenproduktion geeignet ist. Imec

Imec konzentriert sich auf zwei Bereiche: die Miniaturisierung und die Entwicklung neuer Sensor- und Aktormodalitäten; beides unter Nutzung des vorhandenen Halbleiter-Know-hows. Was neue Modalitäten betrifft, so ist die Entwicklung einer Kurzwellen-Infrarot-CMOS-Kamera ein gutes Beispiel für einen aktuellen Erfolg. 2019 demonstrierte das Forschungszentrum eine kameraintegrierte Lösung, die es Si-basierten CMOS-Sensoren ermöglicht, kurzwellige Infrarot-Wellenlängen zu detektieren, die normalerweise aufgrund physikalischer und optischer Gesetze für sie unerreichbar sind.

Ein weiteres Beispiel ist die Arbeit zur photoakustischen Bildgebung. Bei der photoakustischen Abtastung sendet eine Lichtquelle Strahlung einer bestimmten Wellenlänge in eine Probe, wo die Absorption eine thermische Ausdehnung bewirkt. Dadurch entstehen Schallwellen, die dann ein empfindliches Mikrofon aufnimmt. Photoakustische Systeme haben heute Benchtop-Größe und sind außerordentlich empfindlich. Durch den Einsatz von Halbleitertechnologien will das Imec hochempfindliche Mikrofone und Lichtquellen mit hoher spektraler Reinheit auf einem Chip integrieren und damit die photoakustische Sensorik auf eine neue Stufe heben.

Haptisches Feedback für Mensch-Maschine-Schnittstellen

Weiterhin nutzt die Forschungseinrichtung auch die Akustik, in diesem Fall Ultraschall, für haptische Feedbacksysteme. Haptisches Feedback ist eine aufkommende Mensch-Maschine-Schnittstelle, bei der eine Maschine ihren Bediener „berühren“ kann. Dazu löst ein solches System Mechanorezeptoren in der menschlichen Haut ohne physischen Kontakt aus. Dies fügt den derzeit verfügbaren Benutzerschnittstellen eine neue Dimension der Berührungslosigkeit hinzu und kann eine entscheidende Rolle in der berührungsarmen Ökonomie spielen, die sich voraussichtlich nach CoVID-19 entwickeln wird. Das Herzstück der ersten Generation von haptikbasierten Schnittstellen sind sperrige piezoelektrische Ultraschallwandler, die in der Anwendung umständlich sind, eine sehr feine Interaktion verhindern und die Möglichkeiten der Endproduktintegration einschränken. Das Ziel ist es, ein dichtes Array aus einem oder mehreren Ultraschallwandler-Typen im Großflächenformat zu entwickeln, um die Ausgangsleistung zu modulieren und den Ultraschallstrahl in der Luft in Abständen von wenigen Zentimetern bis zu einigen zehn Zentimetern präzise zu fokussieren.

Entwicklung von Sensor- und Aktor-Technologien für die Systemein- und -ausgabe

Wie an diesen Beispielen deutlich wird, ermöglicht die Kompatibilität mit der Halbleiterfertigung von Haus aus immer Skalierbarkeit, geht oft mit Miniaturisierung und oft auch mit verbesserter Leistung einher. Das Imec verstärkt nun seinen Fokus auf die Sensor- und Aktor-Technologien, die die Systemein- und -ausgabe ermöglichen. Diese interne Strategie baut auf zwei wesentlichen Grundlagen auf: Sie ist proaktiver in der Technologieentwicklung für Anwendungsbereiche mit hohem Potenzial und bringt diese ausgewählten Technologien auf ein höheres Technologie-Reife-Niveau. Bisher lag der Fokus bei Sensor- und Aktorentwicklungen hauptsächlich auf den zugrundeliegenden Fähigkeiten  und generischen Integrationsfähigkeiten. In der neuen Strategie wird das belgische Forschungszentrum seine Fähigkeiten weiter stärken und darüber hinaus proaktiver bei der Entwicklung von Prototypen und Systemdemonstratoren sein, basierend auf dem eigenen Wissen und den Erkenntnissen darüber, was diese vielversprechenden Märkte brauchen könnten.

Zwei dieser Bereiche könnten sicherlich die Biowissenschaften und die Industrieausrüstung sein. Für diese gibt es zahlreiche potenzielle Anwendungen für Sensor- und Aktor-Technologien und sie liegen nahe bei den anwendungsorientierten F&E-Bereichen von Imec. Im Berech Life Sciences sind optische und akustische Systemverbesserungen für die Diagnostik und Chirurgie vorstellbar. Auch die gesamte Industrie-4.0-Vision beruht auf sensor- und aktorgestützten Lösungen. Aber auch andere Sektoren bergen Potenzial. So könnte der Bereich Agrofood, der Schwerpunkt der One-Planet-Initiative von Imec, beispielsweise von der Integration von SWIR-Kameras auf Drohnen zur Ernteüberwachung oder der Verwendung von Ultraschalltechnologie zur Überwachung des Reifeprozesses von Obst profitieren. In der Abfallwirtschaft können kurzwelliges Infrarot oder andere elektromagnetische Wellen genutzt werden, um Kunststoffe zu sortieren, die im sichtbaren Licht nur schwer oder gar nicht zu unterscheiden sind.

Paul Heremans

Vizepräsident für Sensoren und Energietechnologien und Senior Fellow am imec

(prm)

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