Innovative Chipintegration in Systeme der Mensch-Maschine-Interaktion

05. Mai 2021

In Bereichen wie Industrie 4.0, Smart Health, Smart Security und Automotive kommen zunehmend intelligente Systeme für die Mensch-Maschine- Interaktion zum Einsatz. Hierbei sind Sensorsysteme für den nonverbalen Informationsaustausch im Nahdistanz- und Kontaktbereich sowohl für die Funktionalität als auch die Sicherheit essentiell.

© Fraunhofer EMFT
Frank Vanselow.
© Fraunhofer EMFT
Messaufbau für einen achtkanaligen Ultraschalltransceiver-Chip.

Die wachsenden Anforderungen hinsichtlich einer energieeffizienten 3D-Erfassung und einer schnelleren Signalverwertung sind jedoch mit derzeit verfügbaren Lösungen nicht realisierbar. Fraunhofer-Forschende aus vier Instituten entwickeln im Projekt »ProtaktilUS« neue Ansätze. Die Ergebnisse sollen in eine modularisierte MEMS-Technologie- und Sensorplattform einfließen.

Herr Vanselow, was ist Ihre Aufgabe im Projekt?

Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus den Fraunhofer-Instituten IPMS, IKTS und IFF arbeiten wir an der erstmaligen Chipintegration hochauflösender kapazitiver und ultraschallerzeugender Elemente auf einer CMOS-kompatiblen Plattform. Konkret wollen wir die Leistungsfähigkeit unseres Ansatzes am Beispiel des reaktiven Greifens in der Robotik zur Handhabung und zur Identifikation unterschiedlich beschaffener Objekte demonstrieren. Unser Part hier an der Fraunhofer EMFT ist die Miniaturisierung der mehrkanaligen Hochspannungselektronik, die für die Ansteuerung der mikroelektromechanischen Ultraschallwandler benötigt wird.

Welche kniffligen Herausforderungen haben Sie bereits im Projekt gelöst?

Wesentliche Herausforderungen bestanden in der Synthese von Lösungsmöglichkeiten für die Reduktion der Zahl der externen Komponenten, der Hochspannungsansteuerung der MEMS Strukturen und die Umsetzung in eine vollintegrierte Lösung. Wir können nun zum Beispiel mit unserem Ansatz die Ultraschall CMUT-Elemente ohne externe DC-Blocking Elemente ansteuern und trotzdem im rauscharmen Vorverstärker mit Niederspannungstransistoren arbeiten. Diese Lösung wird uns in Zukunft die nächsten Schritte bei der Integration von Ansteuerelektronik und MEMS-Elementen entweder in einem System-in-Package oder monolithischen Ansatz ermöglichen.

Die Projektarbeiten sollen den Grundstein für ein neues Fraunhofer-Geschäftsfeld legen. Welche Erwartungen sind damit verbunden?

Mit den entwickelten Modulplattformen MEMS, Elektronik und Signalverarbeitung wollen wir zukünftig den Zugang zu weiteren Applikationsfeldern in industriellen, medizintechnischen, Consumer-orientierten und sicherheitsbezogenen Sektoren eröffnen.

Was fasziniert Sie an der Entwicklung neuartiger Schaltungstechnik besonders?

Seit vielen Jahren bin ich immer wieder davon begeistert, welche neue Aufgabenstellungen bei dem Entwurf integrierter Schaltungen und speziell bei dem Design von analogen Schaltungen auftreten. So werden wir für wichtige Themen auch in Zukunft neue Lösungen benötigen. Wie können wir zum Beispiel den Energiehunger des Internets durch neuromorphe oder Quantencomputer reduzieren oder wie können wir durch smarte Sensorlösungen beim Umweltschutz helfen? Das macht für mich die Faszination an diesem Thema aus.

 

Frank Vanselow studierte Elektrotechnik an der Ruhr-Universität Bochum. Nach seinem Abschluss 1991 entwickelte er bei der Grundig E.M.V. RF-Empfangs- und Sendemodule für die damals neuen digitalen Übertragungsformate für Rundfunk und Fernsehen. 1997 wechselte er zu Texas Instruments, wo er in verschiedenen Funktionen die Entwicklung von RFICs und DC-DC Konvertern unterstützte. Er leitete dort das internationale Entwicklungsteam für die Low- Power DC-DC Konverter. Seit 2016 befasst er sich als Gruppenleiter für die integrierte Schaltungstechnik an der Fraunhofer EMFT in München mit smarten Sensorsystemen, neuromorpher Hardware und Frequenzsynthese.