Sicherheit, Komfort, emissionsfreier Betrieb und Wirtschaftlichkeit sind seit jeher die Ziele der Automobilindustrie und ihrer Nutzer. Der Schlüssel zur Erreichung dieser Ziele liegt in der Elektrifizierung und Vernetzung von Fahrzeugen. Voraussetzung dafür ist die zeitnahe Erfassung verschiedenster Informationen, was den umfassenden Einsatz diverser Sensoren in Fahrzeugen unweigerlich erfordert. Herkömmliche Sensoren sind oft groß, schwer und teuer, was ihren Einsatz in Automobilen stark einschränkt. In den letzten Jahren hat sich die MEMS-Technologie (Mikroelektromechanische Systeme), die auf der Technologie integrierter Halbleiterschaltungen (ICs) basiert, deutlich weiterentwickelt. Mit dieser Technologie lassen sich diverse Miniatursensoren herstellen, die mechanische, magnetische, thermische, chemische und biologische Größen erfassen und detektieren können. Diese Sensoren sind klein, energiearm, bieten viele neue Funktionen, lassen sich einfach und präzise in Serie fertigen, haben niedrige Stückkosten und können problemlos zu großflächigen und multifunktionalen Arrays konfiguriert werden. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Anwendungen im Automobilbereich. Anfang der 1980er-Jahre begann die Massenproduktion von miniaturisierten piezoresistiven Multiplex-Absolutdrucksensoren, die die früheren Drucksensoren mit LVDT-Technologie ablösten. Miniaturisierte Beschleunigungsmesser werden seit Mitte der 1980er-Jahre in Airbags von Kraftfahrzeugen eingesetzt; sie sind bis heute die am weitesten verbreiteten und in Serie gefertigten Miniatursensoren in Automobilen. Die großflächige Anwendung von Miniatursensoren wird sich jedoch unweigerlich über die Motorsteuerung und Airbags hinaus ausdehnen. In den nächsten fünf bis sieben Jahren werden Anwendungen wie Motorbetriebsmanagement, Abgas- und Luftqualitätskontrolle, ABS (Antiblockiersystem), Fahrdynamikregelung, adaptive Navigation und Fahrzeugsicherheitssysteme (wie Airbags, Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung) einen riesigen Markt für die MEMS-Technologie eröffnen. Die weltweite Automobilproduktion wird voraussichtlich von 47,5 Millionen Fahrzeugen (einschließlich Bussen, Sonderfahrzeugen und leichten Nutzfahrzeugen) im Jahr 2000 auf 54 Millionen Fahrzeuge im Jahr 2005 steigen. Der Markt für Automobilelektronik hatte im Jahr 2000 ein Volumen von 22,7 Milliarden US-Dollar und wird bis 2005 voraussichtlich auf 30,9 Milliarden US-Dollar anwachsen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 6,3 % entspricht. Entsprechend steigen die Kosten für Elektronik pro Fahrzeug von 477 US-Dollar im Jahr 2000 auf 572 US-Dollar im Jahr 2005. Laut Fachliteratur betrug der Markt für Automobilsensoren im Jahr 2000 6,17 Milliarden US-Dollar (904 Millionen Einheiten) und soll bis 2005 auf 8,45 Milliarden US-Dollar (1,268 Milliarden Einheiten) anwachsen. Dies entspricht Wachstumsraten von 6,5 % (in US-Dollar) bzw. 7,0 % (in Einheiten). Nordamerika hielt im Jahr 2000 mit 47 % den größten Marktanteil an Automobilsensoren, gefolgt von Europa (26 %), Japan (22 %) und Südkorea (5 %). Geschwindigkeits- und Positionssensoren machten im Jahr 2000 38 % des gesamten Marktes für Automobilsensoren aus (in US-Dollar), gefolgt von Sauerstoffsensoren (20 %), Luftmassenmessern (13 %), Beschleunigungsmessern (11 %), Drucksensoren (10 %), Temperatursensoren (5 %) und sonstigen Sensoren (3 %). Die wichtigsten Wachstumsbereiche für Automobilsensoren von 2000 bis 2005 umfassten: Beschleunigungssensoren für die Fahrdynamikregelung und Airbags; Drucksensoren für Getriebe, Bremsen, Kühlung, Reifen und Kraftstoffsysteme; Gierratensensoren für die Fahrdynamikregelung, Überschlagwarnung und GPS-Backup; Positionssensoren für Raddrehzahl sowie Nockenwellen-, Achsen- und Pedalpositionserkennung; Feuchtigkeitssensoren zur Überwachung des Innenraumklimas; Sensoren für Sonnenlicht, Regen und Luftfeuchtigkeit; und Abstandssensoren zur Nahfeld-Hinderniserkennung und Kollisionsvermeidung. Automobilkomponenten müssen zahlreiche Anforderungen hinsichtlich Umgebungsbedingungen, Zuverlässigkeit und Kosten erfüllen. Sie müssen insbesondere verschiedenen widrigen Einflüssen wie hohen und niedrigen Temperaturen, Vibrationen, Stößen, Feuchtigkeit, korrosiven Atmosphären und elektromagnetischen Störungen standhalten und für die Massenproduktion geeignet sein, die in der Regel eine Million Einheiten pro Jahr übersteigt. Dies ist nicht nur für die Massenproduktion von Automobilen notwendig, sondern auch unerlässlich, um die hohen Investitionen in Entwicklung und Fertigung zu amortisieren. Darüber hinaus muss ihre Zuverlässigkeit der Lebensdauer von Automobilen entsprechen, die bis zu 10 Jahre bzw. 240.000 Kilometer betragen kann. Kurz gesagt, bieten Automobilkomponenten „Qualität auf Militärniveau zu zivilen Preisen“. Die überwiegende Mehrheit der Miniatursensoren besteht aus Silizium. Silizium ist bekanntlich in hochreinem Material leicht verfügbar, besitzt hervorragende mechanische Eigenschaften und ist leicht. Es weist verschiedene Sensoreigenschaften auf, darunter den photoelektrischen, den piezoresistiven und den Hall-Effekt, und ermöglicht die einfache Herstellung von Sensoren mit integrierten Signalerfassungs- und -verarbeitungsschaltungen. Das gängigste Verfahren für Miniatursensoren ist die Silizium-basierte Mikrobearbeitung, abgeleitet von ausgereiften Halbleiterprozessen, mit der sich eine große Anzahl nahezu identischer mechanischer Strukturen gleichzeitig herstellen lässt. Daher bieten Miniatursensoren neben Vorteilen wie geringer Größe, niedrigem Gewicht und geringem Stromverbrauch eine hohe Zuverlässigkeit und sind deutlich günstiger als Sensoren, die mit herkömmlichen elektromechanischen Technologien und Verfahren gefertigt werden. Die MEMS-Technologie ist auf dem besten Weg, die Standardtechnologie für Automobilsensoren zu werden. Einem aktuellen Bericht von Roger Grace Associates/Nexus zufolge werden die Umsätze mit MEMS-Produkten für die Automobilindustrie von 1,75 Milliarden US-Dollar im Jahr 2000 auf 2,27 Milliarden US-Dollar im Jahr 2005 steigen, was einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 16,9 % entspricht. Aufgrund der Vorteile miniaturisierter MEMS-basierter Sensoren hinsichtlich Kostensenkung und Leistungssteigerung in automobilen Elektroniksystemen ersetzen sie zunehmend Sensoren auf Basis traditioneller elektromechanischer Technologien. Frühe Mehrkanal-Absolutdrucksensoren wurden weitgehend durch miniaturisierte Sensoren abgelöst. Heutzutage lassen sich Sensorelement und Signalverarbeitungsschaltung dieser Sensoren auf einem einzigen Chip integrieren, was die Größe deutlich reduziert, die Zuverlässigkeit erhöht und gleichzeitig Störungen minimiert. In anderen druckempfindlichen Anwendungen, insbesondere in rauen Umgebungen (wie Motoröl und Kühlflüssigkeit), werden typischerweise diskrete kapazitive Keramik-Druckschalter eingesetzt. Diese werden zunehmend durch Silizium-Dehnungsmessstreifen (meist in kostengünstigen, robusten Gehäusen) oder piezoresistive Chips (in silikonölgefüllten Gehäusen mit Edelstahl-Membranendkappen) ersetzt. Zu den Herstellern dieser Produkte gehören Keller, Measurement Specialties, SSI Technologies, Fasco und Integrated Sensor Solutions (ISS)/Texas Instruments. Massenstromsensoren werden üblicherweise mit diskreten Hitzdrahtelektroden gefertigt, miniaturisierte Sensoren von Bosch, die mittels Oberflächenmikrobearbeitung hergestellt werden, bieten jedoch deutliche Vorteile. Aufprallsensoren für Airbags haben sich von einfachen Kugel-Rohr-Sensoren zu miniaturisierten und integrierten Beschleunigungsmessern weiterentwickelt. Zu den wichtigsten Herstellern zählen Analog Devices (ADI), Motorola, SensoNor und Nippondenso. Motorolas miniaturisierte Beschleunigungsmesser sind in Abbildung 2 dargestellt. Auch Raddrehzahlsensoren (für ABS und Fahrdynamikregelung), die weit verbreitet sind, entwickeln sich von traditionellen variablen magnetoresistiven (VMR) Sensoren hin zu Hall-Effekt-, anisotropen magnetoresistiven (AMR) und Riesenmagnetoresistiven (GMR) Sensoren. Die obige Analyse und die Beispiele verdeutlichen, dass die Miniaturisierung die wichtigste Entwicklungsrichtung für aktuelle Automobilsensoren ist. Dieser Abschnitt analysiert die wichtigsten Anwendungen von Miniatursensoren in Automobilen, darunter Sicherheitssysteme, Komfortverbesserungen, Diebstahlschutz, Motor- und Antriebsstrangüberwachung sowie Fahrzeugüberwachung und Selbstdiagnose. Airbags sind und bleiben ein Hauptanwendungsgebiet von MEMS. Die verwendeten siliziumbasierten Beschleunigungsmesser haben typischerweise einen Messbereich von 50 g. Abgesehen von ADI bestehen herkömmliche Beschleunigungsmesser weiterhin aus Multi-Chip-Komponenten, die aufbereitete Signale liefern. ADI verwendet ein fortschrittlicheres monolithisches Integrationsverfahren, bei dem das beschleunigungsempfindliche Element und die zugehörige Signalaufbereitungsschaltung gleichzeitig auf demselben Chip gefertigt werden (siehe Abbildung 3). Viele Hersteller haben die Verwendung von Druckluft als Ersatz oder Ergänzung der üblicherweise in Airbags verwendeten natriumbasierten Sprengstoffe erforscht. Sensoren zur Messung des Druckluftzylinderdrucks wurden untersucht, praktische Anwendungen sind jedoch noch nicht verfügbar. Fahrwerksysteme müssen auch bei schnellen Kurvenfahrten, auf unebenen Oberflächen sowie bei plötzlichem Beschleunigen und Bremsen ein gutes Fahrverhalten gewährleisten. Viele Systeme verwenden eine geschlossene Regelung. Vollaktive Systeme sind sehr teuer (2500–4000 US-Dollar), ihre hydraulischen Getriebe verbrauchen viel Energie und erhöhen das Gewicht erheblich. Obwohl diese Systeme die Fahrzeugleistung verbessern, erhöhen sie auch die Kosten deutlich, was ihren Einsatz in Serienfahrzeugen einschränkt. Viele Hersteller haben jedoch semiaktive Fahrwerksysteme eingeführt. Einige davon verwenden Wegsensoren an den Stoßdämpfern und zahlreiche lineare Beschleunigungsmesser. Anwendungen, die Beschleunigungsbereiche im Bereich von ±2 g erfordern, bieten hervorragende Möglichkeiten für den Einsatz von Mikrosensoren. Seit der Mercedes S-Klasse von 1995 werden Silizium-basierte Drucksensoren zur Messung des Drucks in den Hauptbremszylindern eingesetzt. Neben Winkelgeschwindigkeitssensoren werden Beschleunigungssensoren, Lenkradwinkelsensoren und Raddrehzahlsensoren zunehmend in der Fahrdynamikregelung verwendet. Die meisten Fahrzeuge nutzen jedoch nur Raddrehzahlsensoren (ABS, Traktionskontrolle). Aktuell kosten einzelne Drehratensensoren wie die mikromechanischen Oberflächengyroskope von Bosch oder die Stimmgabelgyroskope von Systron Donner und Matsushita etwa 25 US-Dollar und werden hauptsächlich in Oberklasse-Limousinen wie Mercedes (S-Klasse), BMW und Cadillac eingesetzt. Mehrere namhafte Automobil- und Teilehersteller arbeiten an der Entwicklung kostengünstigerer Systeme. Preisgünstigere, auf MEMS basierende Drehratensensoren werden den Einsatz dieser Systeme in günstigeren Fahrzeugen ermöglichen. Aktuelle Navigationssysteme kombinieren GPS (Global Positioning System) und elektronische Karten auf CD-ROMs mit Raddrehzahlsensoren und Drehratensensoren oder Magnetkompassen. Solche Systeme sind jedoch derzeit mit rund 1800 US-Dollar teuer und nur als optionales Zubehör erhältlich. MEMS-Sensoren werden in diesen Anwendungen eine immer wichtigere Rolle spielen und den Preis solcher Systeme in naher Zukunft unter 900 US-Dollar senken. Die Druckmessung in Klimaanlagenkompressoren von Kraftfahrzeugen bietet ein bedeutendes Anwendungspotenzial für die MEMS-Technologie. Aktuell werden andere Technologien (wie beispielsweise die keramischen kapazitiven Drucksensoren von TI) eingesetzt. Viele MEMS-Unternehmen entwickeln jedoch aktiv entsprechende Miniatursensoren, um in diesem großen Markt zu konkurrieren. Die elektronische Motorsteuerung gilt seit Langem als eines der Hauptanwendungsgebiete der MEMS-Technologie in Automobilen. Delco, Motorola und Bosch haben Millionen von Mehrkanal-Drucksensoren produziert. Der von diesen Geräten gemessene Mehrkanal-Ansaugdruck kann zur Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet werden. Es wird daran gearbeitet, diese Geräte durch Luftmassenmesser zu ersetzen. Derzeit verfügbare Produkte nutzen diskrete Hitzdraht-Windgeschwindigkeitsmessmethoden, die sperrig und teuer sind. Bosch stellte 1995 einen neuen Luftmassenmesser auf Basis von Dünnschichttechnologie vor. Viele Organisationen evaluieren diesen miniaturisierten Sensor derzeit. Neben Mehrkanaldruck und Luftmassenmesser benötigen Motorsteuergeräte auch atmosphärische Druckparameter, um anhand berechneter Höheninformationen ein optimales Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bestimmen. Die MEMS-Technologie wird in diesen Anwendungen eine zunehmend wichtige Rolle spielen. Die Zylinderdruckmessung ist entscheidend für die Optimierung der Motorleistung. Piezoelektrische und faseroptische Technologien sind aufgrund der hohen Temperaturen im Zylinder zwar praktisch, ihre hohen Kosten schränken jedoch ihren Einsatz ein. Abgasrückführungssysteme (AGR) werden derzeit in Fahrzeugen von Ford und Chrysler verwendet. In diesen Systemen werden keramische kapazitive Drucksensoren durch miniaturisierte piezoresistive Siliziumsensoren ersetzt. Stufenlos verstellbare Getriebesysteme erfordern die Messung des Hydraulikflüssigkeitsdrucks. In diesem Bereich bieten miniaturisierte Drucksensoren, die durch verschiedene Methoden vom Arbeitsmedium isoliert sind, breite Anwendungsmöglichkeiten. Fasco, Measurement Specialties, Integrated Sensor Solutions (kürzlich von TI übernommen) und SSI Technologies entwickeln miniaturisierte Sensoren für diese Anwendungen. Sie alle integrieren siliziumbasierte CMOS-ASIC-Hybridschaltungen, die über EEPROM programmiert werden. Eine wichtige Anwendung der MEMS-Technologie in diesem Bereich ist die Reifendrucküberwachung. Der korrekte Reifendruck ist sowohl für sicheres Fahren als auch für Kraftstoffeffizienz unerlässlich. Es existieren bereits mehrere Echtzeit-Reifendrucküberwachungssysteme. Miniaturisierte Drucksensoren auf Basis der MEMS-Technologie sind ideale Sensoren. Mit der Einführung von Runflat-Reifen wurden diese Messsysteme in vielen neuen Fahrzeugmodellen verbaut. Der Einsatz von Runflat-Reifen macht Reserveräder und Wagenheber überflüssig. Die Clinton-Regierung in den USA erließ 2004 ein Gesetz, das die Ausstattung aller Pkw in den USA mit solchen Systemen vorschrieb. Dadurch entstand ein riesiger Markt für Miniatur-Drucksensoren, um den Hersteller wie Lucas NovaSensor, Motorola und Sensonor aktiv konkurrieren. Auch die Motorölüberwachung bietet ein wichtiges Anwendungsgebiet für die MEMS-Technologie. Das größte Hindernis für den Einsatz dieser Systeme ist ihr Preis. Die Miniatur-Drucksensoren müssen in Motoröl bei sehr hohen Temperaturen einwandfrei funktionieren, und ihr Silizium-Sensorchip muss vom Arbeitsmedium isoliert sein. Der Preis für einen vollständig integrierten Sensor mit kompletter Signalaufbereitungsschaltung sollte zwischen 5 und 7 US-Dollar liegen. Drucksensoren können auch zur Überwachung des Dampfdrucks in Tanks für flüchtige Kraftstoffe eingesetzt werden, um Kraftstoffdampflecks zu verhindern. In naher Zukunft werden Anwendungen im Automobilbereich weiterhin einen wichtigen Markt für die MEMS-Technologie darstellen. Herkömmliche Mehrkanal-Absolutdrucksensoren und Airbag-Beschleunigungssensoren wurden heute fast vollständig durch Miniatursensoren ersetzt. In Bereichen wie der Messung von Raddrehzahl, Kühlsystemdruck, Motoröldruck und Bremsdruck werden MEMS-basierte Sensoren in Betracht gezogen oder ersetzen bereits bestehende Produkte. Darüber hinaus wird der Einsatz von Miniatursensoren in vielen neu entwickelten Systemen geprüft. Die Vorteile hinsichtlich Preis, Zuverlässigkeit und Größe machen Miniatursensoren zur bevorzugten Wahl für die Messung verschiedener Parameter in Automobilen. Diese Vorteile haben sich in der Praxis bereits bewährt. Miniatursensoren für Automobile genießen hohes Interesse bei Forschungseinrichtungen und Herstellern, und es wird prognostiziert, dass ihre Forschung, Produktion und Anwendung in den nächsten 5–7 Jahren ein rasantes Wachstum erfahren werden.