Leuchtturm Mobilität RES-RTFIR Ingo Herrmann, Robert Bosch GmbH Stuttgart,

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1 Leuchtturm Mobilität RES-RTFIR Ingo Herrmann, Robert Bosch GmbH Stuttgart,

2 Projektübersicht RES-RTFIR: "Dünne ungekühlte (RT) FIR Bildsensoren mit nanoskaligen Absorberschichten" Industrie-Partner: Binder Elektronik GmbH, Robert Bosch GmbH, Trumpf GmbH und Co KG Instituts-Partner: Fraunhofer IWM Freiburg, IMS-Chips Stuttgart Laufzeit: 10/ /2014

3 Projektziele Weiterentwicklung massenfertigungserprobter Siliziummikromechanikprozesse zu einer kostengünstigen Plattformtechnologie für niedrig- bis hochauflösende Sensorarrays zur Detektion von Wärmestrahlung Entwicklung eines hochfunktionalen rauscharmen Auswerte-IC Entwicklung eines kostengünstigen Herstellungsprozesses für Linsen für den Wellenlängenbereich der thermischen Strahlung Aufbau eines Demonstrators mit 320 x 240 Bildpunkten Applikationsuntersuchung in den Bereichen Kraftfahrzeug-Nachtsicht Industrieanlagentechnik (Überwachung von Laser-Maschinen) Ambient Assisted Living (Sturzdetektion bei Nacht)

4 Was bringt's? RTFIR-Plattformtechnologie für kostengünstige FIR- Bildsensoren und Optiken ermöglicht die Erschließung von Märkten in vielen unterschiedlichen Anwendungsgebieten, die bislang aus Kostengründen nicht wirtschaftlich sinnvoll erreichbar waren Die von BOSCH und IMS entwickelten Bildsensoren sowie der von FhG IWM entwickelte Heißformgebungsprozess für Linsen können in Zukunft auch und gerade den kleinen und mittleren Unternehmen der Clusterregion neue Chance für Innovative Produkte eröffnen

5 FPGA-Board Rev 1.1 LEDs, Schalter, Taster USB 2.0 Signalkond. 6-lagen HDI mit Bild-, Buried-Vias, 85 x 55mm, Line/Spaces > 100 µm 2x 60 polige Abschlüsse zum Sensor-Board auf BOT Herausforderungen: FPGA und DDR2-RAM: differential Pairs und SI- Aspekte USB2.0 Schnittstelle mit SI-Aspekten Schaltreglerdesign mit SI- und Leistungsaspekten Gestaltung der Power-, Masseplanes und Supplypfade FPGA Power- Supply Con. Level 0 DDR-RAM JTAG FLASH Demonstrator FPGA-Board V1.1 Oberseite Darstellung der Funktionsbereiche

6 SensorBoard Trumpf Rev lagen Multilayer, 85 x 55 mm, Line/Spaces > 150 µm 2x 60 polige Abschlüsse zum FPGA-Board Spannungsversorgung, Sockel für Sensorchip auf TOP Signalkonditionierung und ADCs auf BOT Demonstrator Unterseite 3D Entwurf Oberseite

7 SensorBoard SMO120 Rev1.0 4-lagen Multilayer, 85 x 55mm, Line/Spaces > 150 µm 2x 60 polige Abschlüsse zum FPGA-Board Signalkonditionierung, ADCs, Sockel für Sensorchip und Test-/Debuganschlüsse auf TOP Spannungsversorgung, digitale I/O-Isolation auf BOT 3D Entwurf mit virtuellem Sensorchip Herausforderungenen: Gestaltung der Powerund GND-Planes Placement und Routing der digital isolierten I/O-Signale PCB-Oberseite PCB-Unterseite

8 LensHolder IWM Rev 1.0 Herausforderung Trägerboard: Konstruktion und Umsetzung umlaufende konische Kavität im PCB 3D Entwurf Trägerboard Oberseite mit Linsenhalterung (blau) Konstruktionszeichnung Linsenhalterung

9 weiteres Vorgehen Geplante Tätigkeiten für 2013: Redesign SensorBoard Trumpf zu Rev. V1.1 (verbesserte Spannungsversorgung und digital isolierte IO-Signale) Redesign FPGA-Board zu Rev. V1.2 (Modifikation Spannungsversorgung und Detailverbesserungen) Design Sensorträger für Sensor-Board SMO120 Design Optikträgerboard mit verstellbarem Fokus Muster-/Serienfertigung Projekt-Demonstratoren Zuverlässigkeitstests an den Projekt-Demonstratoren Anwendungsszenario AAL mit Unterauftragnehmer FhG IESE

10 Stand Arbeitspakete Bosch Erster MEMS-Run erfolgreich fertiggestellt (mit IMS Chips), Prozess verifiziert, und Verbesserungspotential identifiziert Pixel charakterisiert, thermische und elektrische Funktionalität verifiziert Thermo-elektrisches Systemmodell aufgebaut und verifiziert Modularer Demonstrator für Chips aus Verifikation Wandlerkonzept (100 x 50 Pixel) aufgebaut

11 Ausblick Arbeitspakete Bosch Re-Design Pixelstrukturen (Anpassung an ASIC, Optimierung thermische und elektrische Performance) Herstellung finaler MEMS-Run (320 x 240 Pixel) Fertigstellung Chipstapel ASIC+MEMS Aufbau modularer Demonstrator für finale Chips Durchführung Anwendungsuntersuchungen

12 IR-Optiken: Herstellung und Qualifizierung Herstellung von IR-Linsen Präzisions-Blankpressprozess Chalkogenidgläser Temperatur C Pressdauer < 2 min hohe Oberflächengüte, keine Nachbearbeitung der optischen Wirkflächen erforderlich Qualifizierung von IR-Linsen Kontur der optischen Wirkflächen 5_1455x Interferogramm einer gepressten Linse aus Chalkogenidglas. Mittendicke Zentrierung, Achsversatz Oberflächenfehler, Rauheit Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

13 IR-Optiken: Boardlevel-AVT (mit Binder) Boardlevel-Fassung für die Halterung von gepressten IR-Linsen Montage und Justierung in festem Abstand vor dem Sensor Aufnahme der Linse auf der konkaven optischen Fläche (sphärisch) Ausrichtung und Klemmung der Linse auf der Planfläche am Rand der konvexen optischen Fläche (asphärisch) Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

14 IR-Optiken: Qualifizierung, Einsatztest Test der optischen Auflösung und praktischen Abbildungsqualität von gepressten Linsen im Strahlengang mit einem ungekühlten Detektor (Pyroview 384x288 Pixel) Linse 5_1457 Außenaufnahme bei ca. 20 C bei Tageslicht mit Sonnenschein Linse 5_1457 Auflösungstest mit NBS-Strichgitter Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

15 IR-Optiken: Optik-Design Anforderungen Bildfeldgröße: Sensor 8,96 x 6,72 mm Temperaturbereich: -40 bis 80 C Spektralbereich: 8 14 µm Sehfeld horizontal: ±16 Öffnung f#1,5 Linsen-Geometrie Meniskus-Linse aus IG6 Konvexfläche asphärisch R 0 =12,55mm Konkavfläche sphärisch R cc =-20,3 mm Durchmesser: 12 mm Mittendicke: 2,3 mm Brennweite: 11,5 mm IR-Linse Fenster Sensor Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

16 Technologie: Chipfilm -Prozess a b c d e f g h Evolution der MEMS-Pixelstruktur aus dem Basis-Chipfilm-Prozess des IMS: (a) primäre Kavität, (b) diverse Pixel-Strukturen, (c) Verdrahtung der Dioden, (d) Freistellen der Pixel durch Trenche, (e) weitere Pixel-Strukturen, (f) Referenz- Pixel, (g) ReferenzPixel bei n-gitterprozess, (h) Zeilen-/Spaltenverdrahtung 16 MST-BW-Cluster RTFIR / IMS 04/2013 / FH

17 Integration des MPA in die Pixelzelle Links: Metamaterial Perfect Absorber (MPA)-Struktur in der Pixelzelle, rechts: zum Vergleich nur SiO 2 Die Absorption der MPA-Struktur ist um den Faktor 2,25 gegenüber der reinen Oxid-Oberfläche verbessert (im Wellenlängenbereich 7,5 15 µm) 17 MST-BW-Cluster RTFIR / IMS 04/2013 / FH

18 Stand ROIC-Design für RTFIR Die Aktivitäten bezüglich der Auslese-Elektronik (ROIC) haben folgenden Stand: Alle Funktionsblöcke entwickelt Alle Funktionsblöcke per Simulation ausgetestet Layout abgeschlossen Reticle-Montage und tape out in Arbeit Fertigung bei Foundry bis Ende 2. Quartal 2013 vorgesehen 18 MST-BW-Cluster RTFIR / IMS 04/2013 / FH

19 Ausblick bis zum Projektende Nach Fertigstellung der beiden Basis-Wafer (MEMS in Eigenfertigung, ROIC in Fremdfertigung) und erfolgreichem Aufbau der Chips (IMS-Variante) erfolgt eine messtechnische Evaluierung des Gesamtaufbaus (Demonstrator). Alle relevanten elektrischen und optischen Parameter, sowie alle messtechnischen Leistungsdaten des Chipverbunds (Eignung als Thermokamera-Sensor) werden in einer eigens für das RTFIR-Projekt beschafften IR-Mess-Umgebung erfasst und in einem Datenblatt niedergelegt. Der Zeitraum bis zum Projektende schließt auch ein eventuell notwendiges rework von Maskensätzen aus der MEMS-Fertigung für den Projektpartner Bosch ein. Durch die im Jahr 2012 aufgetretenen Verzögerungen durch Maschinenausfälle im Technologiebereich wurde ein Antrag auf Projekt-Verlängerung bis zum Juni 2014 notwendig, der noch nicht genehmigt ist. 19 MST-BW-Cluster RTFIR / IMS 04/2013 / FH

20 Leitapplikation: On-line Charakterisierung des Laserstrahls Onlineüberwachung des Werkzeugs Laser bzgl. Leistungsverteilung (Modenverteilung) Strahllage ( Pointing ) Fokuslage Integration in Strahlengang der Maschine Strahlteiler Laserstrahl Fokussierlinse RTFIR- Sensor Düse Blech TRUMPF TRUMPF TW565re

21 Ergebnisse Demonstrator ist realisiert Strahlauskopplung über ZnSe-Strahlteiler Gefaltete Abbildung über OAP* Mechanischer Shutter zur Belichtungssteuerung Wesentliche Risiken sind überprüft Industrietaugliche Strahlauskopplung Abberationsarme Abbildung Abberationsarme Abschwächung Erste Messergebnisse (PoC-Sensor) Leistungsverteilung ist abbildbar Dynamik und Auflösung gering im Vergleich zu Referenzmessung PoC-Sensor Referenzaufnahme Demonstrator CO 2 -Laserstrahldiagnostik * Offaxis Parabolic Mirror TRUMPF TRUMPF TW565re

22 Stand/Ausblick Arbeitspakete TRUMPF Konzept optisches System / Strahlungsauskopplung ist erstellt Auslegung und Konstruktion des optischen Systems ist abgeschlossen Herstellung und Integration des optischen Systems in eine Testmaschine ist abgeschlossen Tests der Optik laufen Nach Bereitstellung des RTFIR-Demonstrators: Inbetriebnahme des RTFIR-Demonstrators Erstellung der Software Erprobung und Verifikation der Anwendungstauglichkeit TRUMPF TRUMPF TW565re

23 Kontaktdaten Ingo Herrmann Projektkoordinator Robert Bosch GmbH Robert-Bosch-Platz Gerlingen Fon: +49 (711) Fax: +49 (711) Ingo.Herrmann@de.bosch.com Web: