Qualitätsurteil: Lebenslänglich
Sensoren spielen oft eine sicherheitsrelevante Rolle im Auto. Deshalb muss ihre Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs garantiert sein. Mit experimentellen Methoden und Computersimulationen tragen Bosch-Forscher zur „lebenslänglichen“ Funktion mikromechanischer Bauelemente bei.
Das ist kein einfaches Geschäft, denn die Forscher müssen quasi in die Zukunft blicken und alle möglichen Fehlerquellen und Beeinträchtigungen der Sensorfunktion ausschließen. Schließlich soll der Sensor im arktischen Winter genauso gut arbeiten wie bei subtropischen Temperaturen. Und das vom ersten Tag an bis zu einer typischen Lebensdauer von üblicherweise 15 Jahren.
Deswegen werden bei Bosch die Sensoren der Mikrosystemtechnik (MST) in allen Phasen der Produktentwicklung auf Zuverlässigkeit durchgecheckt – beginnend in der frühen Designphase über die Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zu Aspekten der Großserienfertigung.
Diese ganzheitliche, methodische Vorgehensweise hat zwei Vorteile: Potentiell auftretende Mängel und kostenträchtige Nachbesserungen werden schon früh ausgeschlossen. Das Gleiche gilt nach der Auslieferung: Es besteht nur eine geringe Gefahr von Ausfällen bei Fahrzeugen im Feld.
Fertigungsspezialisten sprechen bei der Ausfallhäufigkeit von Bauteilen von „ppm“ (parts per million; Teile pro Million). Bei zwei ppm hieße das beispielsweise, von einer Million Sensoren würden zwei schon vor der angestrebten Lebensdauer von 15 Jahre ausfallen. Das scheint fast vernachlässigbar zu sein. Doch angesichts der hohen Stückzahlen gelieferter MST-Sensoren ist es das Ziel von Bosch, die Ausfallrate noch weiter zu drücken. Das prinzipielle Problem hierbei ist nur, dass viel zu wenige fehlerhafte Sensoren vorhanden sind, um sie einer statistisch aussagekräftigen Untersuchung zu unterwerfen. Der methodische Ansatz bei Bosch: Mit zusätzlichen Experimenten und Computersimulationen werden die Sensoren auf Zuverlässigkeit getrimmt. Um die gewonnene Lebensdauer abzuschätzen, werden die Sensoren besonderen Härtetests unterzogen sowie künstlich gealtert.
Beispiel Drehratensensor: Das Herzstück des elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) besteht aus einer Vielzahl freigeätzter Stege. Diese filigranen Bauteile müssen auch unvorhergesehene, extreme Beanspruchungen meistern, ohne zu zerbrechen. So gehört zur Standardtestprozedur beispielsweise ein freier Fall des Sensors aus rund 1,20 Metern Höhe. Beim Aufschlag treten negative Beschleunigungen bis zum 30000fachen der Erdbeschleunigung auf. Kein einfacher „Fall“ für die Zuverlässigkeitsexperten. Welche Spannungen treten auf? Wo sind diese kritisch?
Mit Teststrukturen untersuchen die Forscher das Materialverhalten unter diesen extremen Bedingungen. Die mikromechanischen Teststrukturen durchlaufen dabei denselben Herstellprozess wie ein ESP-Sensorelement: Polykristallines Silizium wird auf ein Substrat abgeschieden. Anschließend wird das Strukturelement herausgeätzt. Besondere Beachtung erfahren kritische Stellen, die bruchgefährdet sind – Engstellen, Knicke und Winkel, Übergänge von breiten zu schmalen Materialabschnitten. Im Experiment werden die Teststrukturen so lange unter wachsende mechanische Spannung gesetzt, bis sie zerbrechen. Die Forscher erhalten dadurch wertvolle Materialparameter, mit denen die Sensoren ausgelegt werden. Darüber hinaus haben sie Computersimulationen zur Hand. Sie geben konstruktive Hinweise, um die Bruchfestigkeit noch weiter zu erhöhen. Das methodische Ineinandergreifen von Experiment und Simulation liefert Ausgangsdaten, um die Sensoren immer weiter zu verbessern.
Gleichwertig zur Optimierung des sensitiven Elements ist die Betrachtung des Gesamtsystems – beispielsweise verpackt im Gehäuse auf einer Leiterplatte. In dieser Form wird der Sensor in der Regel ins Auto oder in Fahrzeugkomponenten eingebaut und muss den harten Umgebungsbedingungen trotzen: Im Innenraum des Fahrzeugs von -40 bis +85 Grad Celsius, am Motorblock gar bis +140 Grad Celsius. Vibrationen und Erschütterungen aller Art treten auf. Eine hohe Luftfeuchte kann ebenfalls zur Alterung beitragen. Tests in Klimaschränken gehören deswegen zur Standardprozedur: Ein 1000-maliger Temperaturschock über 180 Grad könnte beispielsweise einem beschleunigten Alterungseffekt von etlichen Jahren entsprechen. Des Weiteren kommen die Sensoren auf den „Schütteltisch“. Das gesamte, für Automobile relevante Frequenzspektrum bis zu einigen Dutzend Kilohertz kann hier durchgefahren werden. Mit einem so genannten Laser-Vibrometer kann gemessen werden, wie Leiterplatte und aufmontiertes Sensorgehäuse mitschwingen. Treten diese Schwingungen im Fahrzeug auf und fallen mit der Eigenschwingung eines Drehratensensors zusammen, ist dessen Signal verfälscht.
Mit der Lasermethode können die Forscher auch sicherstellen, dass sich keinerlei Gehäuseresonanzen durch Alterungsprozesse in Richtung Sensoreigenschwingung verschieben. Liegen Gehäusefrequenzen dicht oberhalb der Sensorfrequenz, so können diese den Forschungsergebnissen zufolge durch das alterungsbedingte Erweichen des Lotes auf die Sensorfrequenz zuwandern. In Experimenten wird dies durch eine künstliche Manipulation des Lotes untersucht. Im Computer wird das schwingfähige System – Leiterplatte, Lotverbindung, Gehäusebeinchen und Sensorgehäuse – modelliert und über eine Finite-Elemente-Simulation mit den experimentellen Daten abgeglichen. Mit derart „verifizierten“ Modellen ist es dann möglich, die Zuverlässigkeit zukünftiger Sensorelemente schon in der Designphase der Sensorentwicklung „einzubauen“.
Für eine hohe Zuverlässigkeit der Sensorbauelemente zahlt es sich aus, dass bei Bosch die Mikrosystemtechnik und daraus abgeleitete Sensoren als Schlüsseltechnik betrachtet werden. Das Detailwissen um die Materialparameter ist ebenso vorhanden wie Erfahrungen mit der Großserienproduktion in Millionen-Stückzahl. Design-Tools werden ebenso beherrscht wie der MST-Herstellprozess. Da die gesamte Prozesskette in einer Hand liegt, haben die Bosch-Mitarbeiter in allen Phasen der Produktentwicklung die geeigneten Stellknöpfe in Reichweite, um die Zuverlässigkeit noch um ein Weiteres hinauszudrehen.
Deswegen werden bei Bosch die Sensoren der Mikrosystemtechnik (MST) in allen Phasen der Produktentwicklung auf Zuverlässigkeit durchgecheckt – beginnend in der frühen Designphase über die Aufbau- und Verbindungstechnik bis hin zu Aspekten der Großserienfertigung.
Diese ganzheitliche, methodische Vorgehensweise hat zwei Vorteile: Potentiell auftretende Mängel und kostenträchtige Nachbesserungen werden schon früh ausgeschlossen. Das Gleiche gilt nach der Auslieferung: Es besteht nur eine geringe Gefahr von Ausfällen bei Fahrzeugen im Feld.
Fertigungsspezialisten sprechen bei der Ausfallhäufigkeit von Bauteilen von „ppm“ (parts per million; Teile pro Million). Bei zwei ppm hieße das beispielsweise, von einer Million Sensoren würden zwei schon vor der angestrebten Lebensdauer von 15 Jahre ausfallen. Das scheint fast vernachlässigbar zu sein. Doch angesichts der hohen Stückzahlen gelieferter MST-Sensoren ist es das Ziel von Bosch, die Ausfallrate noch weiter zu drücken. Das prinzipielle Problem hierbei ist nur, dass viel zu wenige fehlerhafte Sensoren vorhanden sind, um sie einer statistisch aussagekräftigen Untersuchung zu unterwerfen. Der methodische Ansatz bei Bosch: Mit zusätzlichen Experimenten und Computersimulationen werden die Sensoren auf Zuverlässigkeit getrimmt. Um die gewonnene Lebensdauer abzuschätzen, werden die Sensoren besonderen Härtetests unterzogen sowie künstlich gealtert.
Beispiel Drehratensensor: Das Herzstück des elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) besteht aus einer Vielzahl freigeätzter Stege. Diese filigranen Bauteile müssen auch unvorhergesehene, extreme Beanspruchungen meistern, ohne zu zerbrechen. So gehört zur Standardtestprozedur beispielsweise ein freier Fall des Sensors aus rund 1,20 Metern Höhe. Beim Aufschlag treten negative Beschleunigungen bis zum 30000fachen der Erdbeschleunigung auf. Kein einfacher „Fall“ für die Zuverlässigkeitsexperten. Welche Spannungen treten auf? Wo sind diese kritisch?
Mit Teststrukturen untersuchen die Forscher das Materialverhalten unter diesen extremen Bedingungen. Die mikromechanischen Teststrukturen durchlaufen dabei denselben Herstellprozess wie ein ESP-Sensorelement: Polykristallines Silizium wird auf ein Substrat abgeschieden. Anschließend wird das Strukturelement herausgeätzt. Besondere Beachtung erfahren kritische Stellen, die bruchgefährdet sind – Engstellen, Knicke und Winkel, Übergänge von breiten zu schmalen Materialabschnitten. Im Experiment werden die Teststrukturen so lange unter wachsende mechanische Spannung gesetzt, bis sie zerbrechen. Die Forscher erhalten dadurch wertvolle Materialparameter, mit denen die Sensoren ausgelegt werden. Darüber hinaus haben sie Computersimulationen zur Hand. Sie geben konstruktive Hinweise, um die Bruchfestigkeit noch weiter zu erhöhen. Das methodische Ineinandergreifen von Experiment und Simulation liefert Ausgangsdaten, um die Sensoren immer weiter zu verbessern.
Gleichwertig zur Optimierung des sensitiven Elements ist die Betrachtung des Gesamtsystems – beispielsweise verpackt im Gehäuse auf einer Leiterplatte. In dieser Form wird der Sensor in der Regel ins Auto oder in Fahrzeugkomponenten eingebaut und muss den harten Umgebungsbedingungen trotzen: Im Innenraum des Fahrzeugs von -40 bis +85 Grad Celsius, am Motorblock gar bis +140 Grad Celsius. Vibrationen und Erschütterungen aller Art treten auf. Eine hohe Luftfeuchte kann ebenfalls zur Alterung beitragen. Tests in Klimaschränken gehören deswegen zur Standardprozedur: Ein 1000-maliger Temperaturschock über 180 Grad könnte beispielsweise einem beschleunigten Alterungseffekt von etlichen Jahren entsprechen. Des Weiteren kommen die Sensoren auf den „Schütteltisch“. Das gesamte, für Automobile relevante Frequenzspektrum bis zu einigen Dutzend Kilohertz kann hier durchgefahren werden. Mit einem so genannten Laser-Vibrometer kann gemessen werden, wie Leiterplatte und aufmontiertes Sensorgehäuse mitschwingen. Treten diese Schwingungen im Fahrzeug auf und fallen mit der Eigenschwingung eines Drehratensensors zusammen, ist dessen Signal verfälscht.
Mit der Lasermethode können die Forscher auch sicherstellen, dass sich keinerlei Gehäuseresonanzen durch Alterungsprozesse in Richtung Sensoreigenschwingung verschieben. Liegen Gehäusefrequenzen dicht oberhalb der Sensorfrequenz, so können diese den Forschungsergebnissen zufolge durch das alterungsbedingte Erweichen des Lotes auf die Sensorfrequenz zuwandern. In Experimenten wird dies durch eine künstliche Manipulation des Lotes untersucht. Im Computer wird das schwingfähige System – Leiterplatte, Lotverbindung, Gehäusebeinchen und Sensorgehäuse – modelliert und über eine Finite-Elemente-Simulation mit den experimentellen Daten abgeglichen. Mit derart „verifizierten“ Modellen ist es dann möglich, die Zuverlässigkeit zukünftiger Sensorelemente schon in der Designphase der Sensorentwicklung „einzubauen“.
Für eine hohe Zuverlässigkeit der Sensorbauelemente zahlt es sich aus, dass bei Bosch die Mikrosystemtechnik und daraus abgeleitete Sensoren als Schlüsseltechnik betrachtet werden. Das Detailwissen um die Materialparameter ist ebenso vorhanden wie Erfahrungen mit der Großserienproduktion in Millionen-Stückzahl. Design-Tools werden ebenso beherrscht wie der MST-Herstellprozess. Da die gesamte Prozesskette in einer Hand liegt, haben die Bosch-Mitarbeiter in allen Phasen der Produktentwicklung die geeigneten Stellknöpfe in Reichweite, um die Zuverlässigkeit noch um ein Weiteres hinauszudrehen.
Ein Laserstrahl tastet die Gehäuseschwingungen eines Drehratensensors ab. Dazu ist der Sensor auf einem Schwingtisch befestigt, der fürs Auto typische Vibrationen simuliert.
