Einsatz der MID-Technik am Beispiel von Magnetfeldsensoren

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Hahn-Schickard, Stuttgart - Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.

Den Gradienten erfassen und Störfelder eliminieren

Das zweite MID-basierte Magnetfeldsensorsystem erfasst den räumlichen Verlauf eines Magnetfeldes in einem kleinen Volumen. Dazu werden Magnetfeldsensorchips eingesetzt die selbst bereits dreidimensional messen können. Vier solche Sensoren werden so angeordnet, dass sie auf den Ecken einer virtuellen gleichseitigen Pyramide positioniert sind. Durch differentielle Auswertung können so die Gradienten in alle Raumrichtungen berechnet werden können.

Ein solches System ist dann beispielsweise in der Lage die Position und Ausrichtung eines bekannten Magnetfeldes, unabhängig von unbekannten Störfeldern, zu detektieren. Dies ist ein unschätzbarer Vorteil wenn z.B. ein Permanentmagnet auf einem Elektromotor zur Positionsüberwachung eingesetzt werden soll. Doch auch hier besitzen die Sensorchips keine isotrope Empfindlichkeit. Auf dem MID werden sie deshalb unter definierten Winkeln zueinander ausgerichtet, um diesen Effekt etwas zu kompensieren.

Genauigkeit spielt für dieses System eine große Rolle. Daher erfolgt die Montage der Sensorchips in Flip-Chip-Technik mit nichtleitendem Klebstoff (Non Conductive Adhesive – NCA). Die mit Au-Studbumps versehenen Sensorchips werden unter Druck und Temperatur am Bestückungsort platziert. Der vorher aufgebrachte NCA vernetzt innerhalb weniger Sekunden und erzeugt so eine mechanisch und elektrisch sichere Verbindung.

Da der Sensorchip währenddessen vom Bestückkopf in Position gehalten wird, kann eine sehr hohe Lagegenauigkeit des Chips auch nach der Montage erreicht werden. Notwendige passive Bauelemente werden mittels bleifreiem Reflowlöten möglichst nah am Sensorchip direkt auf dem MID aufgebaut. Die Auswertung der Sensorsignale übernimmt ein Mikrocontroller in der Peripherie. Das MID-Sensorsystem kann dann ebenfalls wie ein SMD auf einer Leiterplatte aufgelötet oder leitfähig geklebt werden. Zur Kontaktierung sind auch hier auf der Unterseite Kontakthöcker, sogenannte MID Bumps integriert, welche eine zuverlässige Verbindung ermöglichen.

Wo sind neue Anwendungen mit MID besonders sinnvoll

Die beiden vorgestellten Magnetfeldsensorsysteme sind als Ergebnis eines Forschungsprojektes der industriellen Gemeinschaftsforschung in dieser Form keine kommerziell erhältlichen Produkte, bieten jedoch eine ideale Basis für eine Produktentwicklung. Vor allem aber veranschaulichen sie deutlich, welche Vorteile aus dem Einsatz der MID-Technik erwachsen können, wenn anspruchsvolle Herausforderungen einer neuen Anwendung mit einer kreativen, innovativen Idee beantwortet werden. Auch in Zukunft kann MID-Technik insbesondere dann zu einer Problemlösung beitragen, wenn miniaturisierte Produkte eine frei gestaltbare räumliche Form oder die dreidimensionale Anordnung von Funktionselementen nutzen wollen. Derzeitige Entwicklungen, z.B. im Hinblick auf neue und verbesserte Materialien mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit sowie robusten mechanischen Eigenschaften, machen die Technik auch für Anwendungen wie z.B. LED-Beleuchtungen immer interessanter.

Das HSG-IMAT betreibt seit mehr als 15 Jahren F&E auf dem Gebiet der kunststoffbasierten Mikrosysteme. Mit der TransferFab steht den Kunden nun seit gut zwei Jahren auch eine Fertigungsinfrastruktur zur Verfügung, die es ermöglicht ein neues Produkt von der Idee über die ersten Prototypen bis hin zum Serieneinstieg oder auch zur Kleinserie aus einer Hand zu betreuen.

Das IGF-Vorhaben 17163 N der Forschungsvereinigung Hahn-Schickard-Gesellschaft wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

* Dr. Ulrich Keßler leitet die Gruppe Mikromontage am Institut für Mikroaufbautechnik bei der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. in Stuttgart.

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