Multisensorsysteme sind eine entscheidende Grundlage für den Erfolg von Industrie-4.0-Anwendungen: Sie erfassen, verarbeiten und übertragen auf kleinstem Raum mehrere Messgrößen wie Druck, Beschleunigung und Temperatur. Nicht nur Maschinen, sondern auch Werkstücke werden zunehmend mit intelligenten Sensorsystemen ausgestattet, so dass jedes Produkt seinen Bauplan und Fertigungszustand melden kann. Auf Basis dieser Zustandsdaten organisiert und überwacht sich die Produktion weitgehend selbst.

Die Entwicklung solcher Multisensorsysteme für I4.0-Anwendungen ist technisch anspruchsvoll: Es gilt, auf engstem Raum zwei Technologien zu verbinden – zum einen mikroelektromechanische Sensoren (MEMS), die mechanische Größen wie Druck oder Beschleunigung messen, und zum anderen mikroelektronische Sensor-Komponenten, die beispielsweise Temperatur, Lichtstärke oder chemische Konzentrationen bestimmen. Die fertigen Systeme müssen zudem möglichst energieeffizient große Datenmengen verarbeiten und robust genug sein, um im industriellen Umfeld zuverlässig zu funktionieren.

Andere Ansprüche an die Entwicklungs- und Fertigungsprozesse für die Sensorik entstehen dadurch, dass Anwendungen in Industrie 4.0 besonders vielfältige Sensorsysteme benötigen. Der Prozess der Entwicklung solcher Sensorsysteme von der Idee über die Spezifikation und Umsetzung in einen Schaltplan bis zum fertigen Schaltkreis muss daher flexibel und standardisiert sein, um Sensoren selbst in kleinen Mengen auch ohne unmittelbaren Zugang zur Halbleiter-Technologie-Entwicklung ökonomisch sinnvoll herstellen zu können.

Sensorik von KMU geprägt

Ziel des ‚Romulus‘-Projektes ist, die Multisensorik-Entwicklung zu vereinfachen und zu beschleunigen, um letztlich die Schritte bis zum fertigen Produkt so zu standardisieren und zu verfeinern, dass auch kleine Stückzahlen kostengünstig zu produzieren sind. Die deutsche Sensorik-Branche ist überwiegend geprägt von kleinen und mittelständischen Unternehmen, die in der Regel nicht selbst alle Leistungen abdecken können, die für die Entwicklung und Produktion von Multisensorsystemen notwendig sind. Daher sind sie auf eine enge Zusammenarbeit mit Halbleiter-Herstellern und Dienstleistern für Forschung und Entwicklung angewiesen. Auch an dieser Stelle setzt das ‚Romulus‘-Projekt an und stimuliert diese Zusammenarbeit, um so den Entwurfs- und Fertigungsprozess zu entflechten und zu standardisieren. Künftig sollen KMU sowohl Entwicklungsleistungen als auch elektronische Bauteile wie aus einem großen Baukasten auswählen und zusammenstellen können – je nachdem, welche Lösung ein Kunde für seine ganz spezielle Industrieanwendung benötigt.

Qualifizierte Standard­prozesse als Ziel

Ein Ziel von Romulus ist also die Entwicklung und Erprobung neuer Verfahren, mit deren Hilfe sich robuste, energieeffiziente Multisensorsysteme auch in begrenzter Anzahl effizient umsetzen und kosteneffizient fertigen lassen. Die Verfahren umfassen industrielle, technologische Möglichkeiten sowie neue rechnergestützte Entwurfsmethoden. Bei der Umsetzung in einen Schaltplan stehen Robustheit und Energie-Effizienz der Systeme im Mittelpunkt der Entwicklung. Qualifizierte Standardprozesse sind das Ziel für die spätere Fertigung der Sensorsysteme.

Ein weiteres Ziel ist es, Elementarkomponenten-Modelle für Sensoren und Aktoren zu erarbeiten, deren Genauigkeit und Geschwindigkeit die Erstellung realistischer Systemmodelle verschiedener Integrationsebenen ermöglicht. Geeignete Systemmodelle sind eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Integration geregelter Sensor-Aktor-Systeme in einer komplexen Herstellungsmaschine. Sie ermöglichen erst eine flexible, echtzeitfähige Fertigungsregelung bei einer großen Anzahl vernetzter Sensoren und Aktoren. Darüber hinaus sollen im Forschungsprojekt neue Industrie-4.0-Anwendungen identifiziert und bezüglich ihres Verbesserungspotenzials für Herstellungsmaschinen, deren Komponenten oder damit verbundene Prozesse bewertet und exemplarisch getestet werden, um so Entscheidungsgrundlagen für die Umsetzungen zu schaffen.

Sensoren für Industrie-4.0-Anwendungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie sich mittels integrierter digitaler Kommunikationsschnittstellen zu komplexen, dynamisch skalierbaren und rekonfigurierbaren, multifunktionalen Sensorverbünden vernetzen lassen. Besondere Bedeutung kommt dabei der räumlichen Integrationsdichte und Energie-Effizienz der Sensoreinheiten sowie der drahtlosen Vernetzung mit Hilfe von RFID- und Funktechniken zu. Dies ermöglicht erst die Integration sensorischer Intelligenz bis in Werkzeuge, Werkstücke und mobile Produktionseinheiten hinein.

Die Forschungsziele

Zwei übergeordnete Forschungszielstellungen von Romulus adressieren einerseits unmittelbar diese spezifischen technischen Anforderungen, zum anderen stehen Aspekte der Entwurfs- und Fertigungsökonomie für industrielle Multisensorsysteme im Vordergrund der geplanten Arbeiten:

• Entwicklung energieeffizienter Elektronikkomponenten (Ultra-Low Power) und drahtlose Kommunikationslösungen für integrierte Multisensoren.
• Erforschung PDK- und IP-orientierter Entwurfsverfahren für intelligente Multisensor-Mikrosysteme mit mikromechanischen und mikroelektronischen Sensorkomponenten. Zur Erläuterung: Das Foundry-Process Design Kit (PDK) bildet die Schnittstelle zwischen dem zur Fertigung verwendeten Foundry-Prozess und den vom Kunden zum Entwurf genutzten Design-Werkzeugen. Qualität und Vollständigkeit dieser Schnittstelle haben maßgeblichen Einfluss auf die mögliche Entwurfsautomatisierung und damit auf die Qualität der Kundendesigns sowie deren Produkteinführungszeit.

Die technischen Projektziele umfassen im Einzelnen:

• Eine stärkere Abstraktion des MEMS-Device-Entwurfs von der Technologie-Entwicklung mittels neuer, PDK-unterstützter Strukturkonstruktionsmethoden,
• die Steigerung der Entwurfssicherheit und Robustheit MEMS-basierter integrierter Elektroniksysteme mit Hilfe neuer rechnergestützter Entwurfsmethoden (EDA),
• die Erarbeitung einer standardisierten Mixed-Signal-IP-Plattform für den Entwurf, die Selbstkalibrierung und Selbstüberwachung sowie den Test vernetzter Multisensoren, insbesondere RFID-basierter Sensoren,
• die Erarbeitung spezieller CMOS-Schaltungskomponenten und PDK-Logikbibliotheken zur Implementierung von Ultra-Low-Power-Mixed-Signal-Schaltungen für Smart-Sensor- und Energy-Harvesting-Frontends,
• die Optimierung von Funklösungen hinsichtlich Latenz und Einsatzfähigkeit in metallisch geschirmten Umgebungen,
• die Validierung der neuen Technologien und Verfahren anhand des exemplarischen Entwurfs von Multisensor-Mikrosystemen für ausgewählte Industrie-4.0-Demonstrator-Anwendungen,
• die Erstellung angepasster MEMS-Modelle, die sich für die Modellierung des Systemverhaltens auf unterschiedlichen Integrationsebenen eignen, sowie
• die Identifikation, Bewertung und der Test weiterer Industrie-4.0-Anwendungen unter Berücksichtigung der Integration in ein soziotechnisches Gesamtsystem.

Integration aus ‚Romulus‘-Sicht

Bild 1: Sichtweisen des Begriffs ‚Integra­tion‘ im Kontext elektronischer Sensorsysteme für Industrie-4.0-An­wendungen und (in rot oder blau) exemplarische Arbeits­gebiete im Projekt ‚Romulus‘.

© Hochschule Reutlingen

In der öffentlichen Diskussion der Bedeutung von ‚Industrie 4.0‘ besteht weitreichender Konsens dahingehend, dass es in erster Linie um die Integration und Vernetzung bestehender und evolutionär weiterentwickelter Ansätze zu informationstechnisch durchgängigen, intelligenten Produktionssystemen und Dienstleistungsprozessen geht.

Im Kontext elektronischer Sensorsysteme für Industrie 4.0 befasst sich das Romulus-Konsortium aus unterschiedlichen Blickwinkeln und in mehreren Ebenen der Systemhierarchie mit dem Begriff ‚Integration‘ und seiner Umsetzung in technische und organisatorische Lösungen für I4.0-Anwendungen. Die betrachteten Perspektiven sind in Bild 1 als Koordinaten-Achsen erkennbar: Die Grafik ordnet ausgewählte Beispiele für zugehörige spezifische Arbeitsgebiete und Ziele im Projekt ein, die nachfolgend einzeln dargelegt sind. In allen genannten Dimensionen werden Fortschritte im Grad der Integration angestrebt.

Die technologische Perspektive

Bild 2: Multifrequenz- und multisensorfähige RFID-Netzwerke integrieren ver­schiedene Kommunikationsstandards in der drahtlosen Sensortechnik.

© Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme

‚Funktionale Integration‘ bedeutet für das Romulus-Konsortium die Erforschung von Technologien und Entwurfsmethoden zur baulichen oder logischen Verknüpfung heterogener Sensorik-, Aktorik-, Elektronik- und Kommunikationsfunktionen (etwa MEMS, CMOS und RFID) zu einem als Einheit funktionierenden Sensorsystem beziehungsweise zu einer Fertigungsanlage. Eine exemplarische Zielstellung im Projekt (Arbeitsgebiet 1 in Bild 1) ist die Entwicklung eines Multifrequenz- und multisensorfähigen RFID-Netzwerks: Unter Verwendung verschiedener Sensoren sowie Kommunikationstechnologien soll eine einheitliche Schnittstelle zur Integration von Sensoren in RFID-Netzwerke für Industrie-Anwendungen entwickelt werden. Hierbei gilt es, einige Aspekte zu beachten wie etwa unterschiedliche Trägerfrequenzen, einen Mix aus passiver und semiaktiver Sensorik sowie die Verwendung analoger und digitaler Sensoren. Dadurch wird die technische Umsetzung eines solchen heterogenen Sensornetzwerks mit einer Datenschnittstelle zu Backend-Systemen beabsichtigt.

‚Räumliche Integration‘ bedeutet für Romulus die Miniaturisierung von Multisensoren mit Hilfe von Mikroelektronik- und Mikrosystem-Technologien. Eine exemplarische Zielstellung im Projekt (Arbeitsgebiet 2 in Bild 1) betrifft die Entwicklung eines monolithisch integrierten RFID-Multisensors. Ziel der Arbeiten hier ist die Entwicklung eines CMOS-ASIC mit einer Fläche von nur wenigen Quadratmillimetern, auf dem Sensoren für verschiedene physikalische Größen, Low-Power-Sensor-Auswerteschaltungen und ein RFID-Kommunikationsinterface integriert sind (Bild 2).