Biegbare drahtlose Sensoren und Millimeterwellensender in ultra-dünner SiGe BiCMOS Technologie Acronym: Bend-IT

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Ellinger; Professor Dr. Bernd Tillack
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 356463945

In Bend-IT sollen die weltweit ersten mechanisch flexiblen drahtlosen Sensoren im Millimeterwellenbereich erforscht und entwickelt werden. Das Projekt basiert auf sehr schneller komplementärer Silizium-Bipolar-Metall-Oxid-Halbleiter (BiCMOS) Technologie, welche unter 20 µm gedünnt wird, um mechanische Flexibilität zu ermöglichen. Die Technologie bietet Transistoren mit Transitfrequenzen bis 500 GHz. Somit sind sehr hohe Betriebsfrequenzen möglich, welche die Antennenabmessungen massiv reduzieren und deren Integration auf dem Chip erlauben. Dies senkt die Schaltungsabmessungen und Kosten für Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge (IoT). BiCMOS-basierte Temperatur, Licht und/oder Drucksensoren werden eingesetzt. Die Leistungsversorgung erfolgt durch flexible Batterien unseres Partners Varta. Somit sind erstmals extrem dünne und biegbare aktive Millimeterwellensensorsysteme realisierbar.Die zentralen wissenschaftlichen Fragen und Herausforderungen sind wie folgt: Welchen Einfluss hat das Dünnen auf die Bauelemente (wie z.B. die Antenne, Transistoren, Transmissionsleitungen, Kapazitäten, Induktivitäten und Widerstände) und Schaltungen bei so hohen Frequenzen? Als sehr vielversprechender Nebeneffekt wird die Dünnung die Substratverluste erniedrigen und die Performanz der Bauelemente erhöhen. Wie können wir das Dünnen und das Biegen modellieren? Das Dünnen kann durch die Anpassung der Parameter der bereits existierenden Bauelementemodelle berücksichtigt werden. Welche Effekte haben das Biegen und die erzeugte mechanische Belastung bei so hohen Frequenzen? Wie können wir die kompakten Chips bei Millimeterwellenfrequenzen im gebogenen Zustand messen? Hier machen wir uns den Umstand zu Nutze, dass im gebogenen Zustand die kontaktlose Messung des Systems mittels der integrierten Antennen möglich ist. Mehrere Ansätze werden untersucht, um den Einfluss des Biegens zu verkleinern und zu kompensieren. Beispiele: Stromspiegel mit sehr geringer Empfindlichkeit gegenüber dem Biegen, negatives Feedback, sowie Schaltungstopologien, welche gegenläufige Eigenschaften hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung haben. Damit ein komplettes Frontend mit den begrenzten Ressourcen realisiert werden kann, ist der Einsatz analoger Modulationsverfahren vorgesehen. Der Sensor moduliert einen 200 GHz Oszillator. Mittels eines Leistungsverstärkers wird das Sensorsignal verstärkt, um ein Ausgangssignal über 20 mW zu erzeugen. Schlussendlich wird das Signal via der auf dem Chip integrierten Antenne abgestrahlt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen