Dieses Projekt wird gefördert durch die deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Mechanischer Stress Sensor = Verspannungssensor
Abbildung 2: Layout der Sensorelemente [12].
Abbildung 3: Testchip mit sieben verteilten Stresssensoren [12].
In aufstrebenden Anwendungsbereichen wie Gesundheitsüberwachung, industrieller Automatisierung und fortschrittlicher Robotik besteht ein zunehmender Bedarf an kostengünstigen, hochintegrierten und dennoch genauen mechanischen Spannungsmesssystemen. Die derzeit am häufigsten verwendeten mechanischen Spannungssensoren basieren auf Kondensatoren. Obwohl diese Sensoren in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet sind, liefern sie immer noch nur begrenzte Informationen aus dem eingehenden Stimulus.
Mit dem Fortschritt auf dem Gebiet der Robotik in den letzten Jahrzehnten gab es ein beispielloses Wachstum in der Erforschung von Stresserkennungsmechanismen. Eines der zentralen Forschungsthemen konzentriert sich auf piezoresistive Systeme zur Herstellung von taktilen Sensoren für künstliche Haut. Während die piezoresistive Eigenschaft von Halbleitern seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung ist [1-4], werden durch die Kombination mit Polymerverbundwerkstoffen ständig Verbesserungen erzielt, um robustere und flexiblere Sensoren zu schaffen. In der aktuellen Literatur [5], [6], wo Materialien wie Graphen und CNT verwendet werden, wird oft die Empfindlichkeit und Leistung der Stresssensoren verbessert. Obwohl das vielversprechende Ergebnisse zeigt, sind nicht-traditionelle Herstellungsschritte erforderlich, die eine Verwendung in großem Maßstab verhindern.
Die Verwendung von Sensoren auf Siliziumbasis bietet dort einen großen Vorteil gegenüber Verbundmaterialien. Das piezoresistive Verhalten von Silizium hängt von seiner Ausrichtung ab, weswegen sich die Spannungsempfindlichkeit mit der Richtung der angelegten mechanischen Spannung verändert. Diese inhärente Richtungsempfindlichkeit von Silizium macht es einfach, zwischen orthogonalen Spannungskomponenten zu unterscheiden und ist daher der kapazitiven Erfassung überlegen. Darüber hinaus können diese Sensoren hergestellt werden innerhalb der Grenzen der derzeit verfügbaren Herstellungstechnologie hergestellt werden, was sie ideal für kommerzielle Anwendungen macht.
Aktuelle Veröffentlichungen [7–11] nutzen die bekannten Vorteile der CMOS-Technologie, nämlich die Massenproduktion von kostengünstigen und funktionsreichen Lösungen, und bieten auch Beispiele für hochmoderne Dehnungsmessstreifen, die Gewicht messen können oder Verformung von Objekten und Ausrüstung. Darüber hinaus haben diese Systeme bereits Anwendung in kieferorthopädischen Brackets gefunden [10], [11] und können sogar die Eigenschaften der menschlichen Haut nachahmen [7].
Als Ergänzung zur Literatur erweitern wir unsere in [12] vorgestellte verwandte Arbeit, die einen vollständig integrierten CMOS-Spannungssensor bietet, der gleichzeitig einen großen Dynamikbereich, einen geringen Stromverbrauch und Robustheit über Temperatur- und Prozessvariationen aufweist. Darüber hinaus ist das Sensorsystem darauf ausgelegt sowohl die Größe als auch den Winkel der mechanischen Spannung zu messen. Durch die Kombination dieser beiden Informationen zielen wir auf zwei Hauptanwendungen ab: On-Chip-Sensoren für die mechanische Belastungsbewertung und Stresssensoren für die vorausschauende Wartung (Industrie 4.0) und andere Anwendungsfälle für das Internet der Dinge (IoT) (z. B. elektronische Haut).
On-Chip-Sensoren ermöglichen die Untersuchung unterschiedlicher Arten von IC-Gehäusen hinsichtlich mechanischer Beanspruchung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen. Verteilte Sensorelemente in ICs liefern zudem Informationen über lokale absolute Spannungswerte sowie Spannungsgradienten zwischen den Sensorelementen.
Während wir den Kompromiss zwischen Fläche, Leistung und Kosten im Auge behalten, können wir die Leistung des Sensors ändern, um verschiedene anwendungsspezifische Anforderungen zu erfüllen. Durch die Erweiterung des Prinzips, das in [12] gezeigt wird, können wir die Stressempfindlichkeit weiter erhöhen und Stresswerte im Bereich einiger zehn Kilo-Pascal messen. Bei solch niedrigen Belastungswerten wird das 1/f-Rauschen, insbesondere beim Arbeiten in niederfrequenten Anwendungen, zur größten Herausforderung. In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten gebräuchlichen Rauschunterdrückungstechniken entweder auf Kosten hoher Leistung oder Fläche gehen, wird das Finden einer optimalen Lösung für Anwendungen entscheidend, bei denen mehrere solcher Chips in einem verteilten Netzwerk verwendet werden müssen. Daher zielt die aktuelle Arbeit am Lehrstuhl darauf ab, intelligente Lösungen zu finden, um dieses Problem zu lösen.
[1] M. Meyers and K. Chawla, Mechanical Behavior of Materials. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 2009, pp. 86–92.
[2] Y. Kanda, “Piezoresistance effect of silicon,” Sens. Actuators A, Phys., vol. 28, no. 2, pp. 83–91, Jul. 1991.
[3] Y. Kanda, “A graphical representation of the piezoresistance coefficients in silicon,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-29, no. 1, pp. 64–70, Jan. 1982.
[4] F. Fruett and G. C. M. Meijer, The Piezojunction Effect in Silicon Integrated Circuits and Sensors. Norwell, MA, USA: Kluwer, 2003, pp. 42–44.
[5] Gong, Tianxun, et al. "Highly responsive flexible strain sensor using polystyrene nanoparticle doped reduced graphene oxide for human health monitoring." Carbon 140 (2018): 286-295.
[6] Seong, M.; Hwang, I.; Lee, J.; Jeong, H.E. A Pressure-Insensitive Self-Attachable Flexible Strain Sensor with Bioinspired Adhesive and Active CNT Layers. Sensors 2020, 20, 6965.
[7] Y. Mahsereci, S. Sailer, H. Richter, and J. N. Burghartz, “An ultrathin flexible CMOS stress sensor demonstrated on an adaptive robotic gripper,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 1, pp. 273–280, Jan. 2016.
[8] J. L. Ramirez and F. Fruett, “Multi-terminal piezoMOSFET sensor for stress measurements in silicon,” in Proc. 31st Symp. Integr. Circuits Syst.Design (SBCCI), Aug. 2018, pp. 1–6.
[9] J. L. Ramirez and F. Fruett, “Integrated octagonal mechanical stress sensor with temperature compensation,” IEEE Sensors J., vol. 18, no. 14, pp. 5707–5714, Jul. 2018.
[10] M. Kuhl et al., “A telemetric stress-mapping CMOS chip with 24 FETbased stress sensors for smart orthodontic brackets,” in Proc. IEEE Int. Solid-State Circuits Conf., Feb. 2011, pp. 108–110.
[11] M. Kuhl et al, “A wireless stress mapping system for orthodontic brackets using CMOS integrated sensors,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 48, no. 9, pp. 2191–2202, Sep. 2013.
[12] U. Nurmetov et al., "A CMOS Temperature Stabilized 2-D Mechanical Stress Sensor With 11-bit Resolution," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 55, no. 4, pp. 846-855, April 2020.