Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMSDie Kernkompetenz »Smart Sensor Systems« beschäftigt sich mit der Realisierung von Sensorsystemen. Dies umfasst alle Schritte von der Sensorauswahl über die Entwicklung einzelner Schaltungskomponenten zur Signalverarbeitung bis hin zum Systementwurf aller Stationen der Entwicklung. An Sensoren werden diverse Typen wie elektrische, mechanische, magnetische, thermische sowie optische Sensoren unterstützt. Für die Realisierung hochintegrierter Sensorsysteme bietet die Kompetenz außerdem umfangreiche ASIC-Entwicklung vom einfachen Signalverstärker bis hin zum komplexen Signalverarbeitungs-IC mit eingebettetem Mikrocontroller. Dazu werden am Fraunhofer IMS nicht nur die fortschrittlichsten verfügbaren mikroelektronischen und mikrosystemtechnischen Verfahren genutzt, sondern auch drahtlose Kommunikation und künstliche Intelligenz sind wichtige Säulen, um die Grenzen des Machbaren in der Sensortechnik stetig zu erweitern. Entwicklungsbegleitend existieren verschiedene Labore zur Charakterisierung und Test von Teilkomponenten und Systemen.
Smart Sensor Systems
Das Fraunhofer IMS – Kompetenter Forschungs- und Entwicklungspartner für Smarte Sensorsysteme
© Fraunhofer IMS
Kernkompetenz Smart Sensor Systems
Schwerpunkte der Kernkompetenz »Smart Sensor Systems« sind:
Integrierte Sensorsysteme
Gemäß den Anforderungen entwickeln wir für Sensoren spezifische Ausleseschaltungen zur Signalverarbeitung. Dazu gehören z. B. Offset-Korrektur, einstellbare Verstärkung, Filter und Analog/Digital sowie Digital/Analog-Wandler. Hier liegen insbesondere Erfahrungen mit Sigma-Delta- und SAR-Umsetzern vor. Für anspruchsvolle Anwendungen können besonders rauscharme Systeme entwickelt werden, ebenso gehören Autozero- und Choppertechniken zum Schaltungsportfolio am Fraunhofer IMS. In Kombination mit umfangreichen Digitalteilen entstehen so gemischt analog/digitale Systeme auf einem einzigen Siliziumchip. Dieses Konzept nutzen wir auch für Spezialanwendungen wie z. B. für Hochtemperatur-ICs, die noch bei Temperaturen bis zu 300 °C betrieben werden können.
Beim System-on-Chip Design bieten wir Entwicklungen sowohl auf von FPGA-basierten Lösungen als auch von kundenspezifischen ASIC-Lösungen an. Dabei kommen u. a. eingebettete Mikrocontroller, wie z. B. eine Fraunhofer IMS eigene RISC-V Implementierung (RV32IMC) zum Einsatz. Spezifische Befehlssatzerweiterungen für RISC-V wurden zur effizienten Lösung von Spezialaufgaben, wie z. B. der künstlichen Intelligenz, erstellt. Hardware-Beschleuniger erlauben die Umsetzung von KI-Algorithmen oder Verschlüsselungsverfahren. Als junges Forschungsgebiet wurde der Bereich integrierter neuronaler Netzwerke aufgenommen. Weitere Informationen zum Thema integrierte Sensorsysteme finden Sie hier unter Integrierte Sensorsysteme.
Drahtlose- und Transpondersysteme
Transpondersysteme – insbesondere Sensortranspondersysteme – und Sensornetzwerke bieten innerhalb der Kernkompetenz »Smart Sensor Systems« eine hervorragende technologische Basis für die drahtlose Erfassung und Übertragung von Identifikations- und Sensordaten, insbesondere bei beweglichen, rotierenden oder anderweitig schwer zugänglichen Objekten. Damit liefert diese Technologie einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung des »Internet der Dinge« (Internet of Things / IoT). Durch die drahtlose Kommunikation und Energieversorgung eröffnen sich neue Anwendungen und Einsatzbereiche, zum Beispiel auch in der Medizin, um zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken Messdaten aus implantierten Sensoren zu erhalten. Andere interessante Einsatzfelder finden sich in den Bereichen Bauwirtschaft und Logistik. Durch die Nutzung höherer Frequenzbereiche bis hin zu SHF- Transpondern können ultrakompakte Sensorlösungen entstehen, die auch in metallischen Umgebungen eingesetzt werden können. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Drahtlose- und Transpondersysteme.
Optische Systeme
Aktuelle Themenfelder im Bereich optischer Systeme sind die 3D-Sensorik, in der neueste Detektoren und Systeme für LiDAR (Light-Detection-and-Ranging) entwickelt werden. LiDAR ist ein laufzeitbasiertes Messverfahren (time-of-flight) zur Bestimmung von Objektabständen und kommt u. a. als Sensorik für autonomes Fahren und in der Industrierobotik zum Einsatz. Weitere Themen sind sehr schnelle Zeilensensoren mit höchster Objektschärfe, die eine erhöhte Empfindlichkeit und Zeitauflösung bei der zeitlich gesteuerten Raman-Spektroskopie ermöglichen und die Einbettung von CCDs in den CMOS-Prozess (Embedded CCD) für Bildsensoren im Weltraum. Darüber hinaus finden Entwicklungen an Einzelphotonen-Detektoren für das Quantum Imaging mit verschränkten Photonen und an Silizium Photomultiplier Detektoren (SiPM) für den Einsatz in bildgebenden Verfahren der Nuklearmedizin statt. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Optische Systeme.
Für die Entwicklung unserer Sensorlösungen stehen der Kernkompetenz Smart Sensor Systems moderne, in der Industrie übliche Standard-Tools zur Verfügung. Diese erlauben z. B. die umfassende Simulation auf Schaltungs- und Systemebene, Finite-Elemente und optische Simulationen und darüber hinaus die Analyse von Feldverteilungen durch 3D-Simulationen. Der automatisierte Schaltungsentwurf nutzt die Modell-basierte Code-Erstellung und erlaubt die Synthese von komplexen Digitalteilen auf der Basis von Verilog/VHDL-Code. Durch konsequent durchgeführtes Hardware-/Software-Codesign wird die gleichzeitige und verzahnte Entwicklung von Hard- und Softwareteilen unterstützt.
Messtechnische Ausstattung und Labore
Für den Test und die Verifikation der entwickelten Sensorsysteme stehen in der Kernkompetenz »Smart Sensor Systems« umfangreiche Testmöglichkeiten mit Messgeräten und Laboren zur Verfügung. In den Testlaboren des Fraunhofer IMS werden z. B. ASICs automatisiert auf Waferebene oder als gehäustes Bauteil geprüft. Einige Sensoren und Sensorsysteme können sogar unter Beaufschlagung der entsprechenden Messgrößen automatisiert getestet werden. So werden Drucksensorsysteme mit Druckpulsen beaufschlagt und für den Test optischer Systeme stehen entsprechende Illuminatoren zur Verfügung. In der HF-Kammer des Fraunhofer IMS können Versuche unter Abschirmung äußerer elektromagnetischer Felder durchgeführt werden, was insbesondere für die Charakterisierung von Transpondersysteme wichtig ist.
Das Leistungsspektrum der Kernkompetenz »Smart Sensor Systems« erstreckt sich von Konzept- und Machbarkeitsstudien über die Erstellung kompletter Designs, dem Designsupport beim Kunden bis hin zur Übernahme des kompletten Supply-Chain Managements.
