Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS, Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme EAS
Universelle Sensorplattform (USeP)
Universelle Sensorplattform (USeP)

Intelligente Multisensorsysteme

Sensor-Plattform USeP: High-Tech IoT-Systeme für den Mittelstand

Die »Universelle Sensor-Plattform« (USeP) legt den Grundstein dafür, dass auch kleinere Systemanbieter den Entwicklungs- und Fertigungsaufwand für hochintegrierte Systeme im Umfeld des Internets der Dinge (IoT) schultern können. Nach dem Baukastenprinzip können sich dafür Mittelständler an verschiedenen modularen und konfigurierbaren Plattformelemente bedienen, um ihre Ideen und Visionen individuell umzusetzen.

Basis der Universellen Sensor-Plattform ist die in Dresden entwickelte GLOBALFOUNDRIES 22FDX®-Technologie: Mit dem hochintegrierten Chipaufbau nach dem Prinzip »Silizium auf einem Isolator« (Fully-Depleted SOI) werden besonders stromsparende und kostengünstige Chips möglich. USeP ist deshalb besonders geeignet für IoT-Systeme mit einem hohen Bedarf an lokaler Signal- und Datenverarbeitungsleistung bei gleichzeitig geringer Leistungsaufnahme (Edge Computing). Damit Unternehmen die universelle Sensorplattform möglichst lange nutzen können, ist zudem sichergestellt, dass sich die Ergebnisse auf die nächsten Generationen der verwendeten Halbleitertechnologie übertragen lassen.

Entwickelt wurde die Plattform von einem Konsortium aus vier sächsischen Fraunhofer-Instituten, bestehend aus dem Fraunhofer IPMS, Fraunhofer ENAS, Fraunhofer IZM/ASSID sowie dem Fraunhofer IIS/EAS, das die Projektleitung inne hatte. Unterstützt wurden sie durch das Fraunhofer IIS, das Fraunhofer IZM, das Fraunhofer AISEC sowie den Halbleiterhersteller Globalfoundries Dresden. Das Start-up Sensry wird die Plattform und deren Weiterentwicklung in Kooperation mit den Technologiepartnern in Produkte überführen, um damit kundenspezifische Sensor- und Kommunikationslösungen anzubieten.

Zentrale Elemente von USeP

Die Sensor-Plattform USeP verbindet modernste Aufbau- und Packaging-Technologien mit neuesten Halbleiter-Entwurfsmethoden und erlaubt die Integration unterschiedlicher Sensoren. Dabei setzen die Projektpartner auf eine zentrale Steuer- und Recheneinheit mit zahlreichen kabellosen und kabelgebundenen Kommunikationsschnittstellen, die unter anderem die Verwendung einer breiten Auswahl an gängigen Sensoren und Aktoren gestatten. Neben der Systemarchitektur mit integrierten Baublöcken, die je nach Bedarf genutzt werden können, bietet die Plattform auch Lösungen für die Hardware- und IT-Sicherheit.

Zentrale Steuer- und Recheneinheit (USoC)

Auf Basis der zukunftsweisenden Open-Source-Prozessortechnologie RISC V und neuester Halbleitertechnologie erfüllt der Systemkern höchste technische Anforderungen und ist für die Meßwerterfassung in zahlreichen Einsatzgebieten geeignet. Mit dem SoC werden das Erfassen sowie die schnelle Vorverarbeitung und Auswertung von Sensordaten direkt im System möglich (Edge Computing) sowie die unmittelbare Reaktion auf detektierte Ereignisse.

Breite Sensorenauswahl

Die in der Standardausführung integrierte Sensorik deckt bereits das Erfassen eines Großteils möglicher Messgrößen ab. Hierzu gehören die bi- und triaxiale Beschleunigung, Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Luftdruck, Gas (VOC), Lage und Vibration. Dabei ermöglicht das USeP-Sensor-Level eine kundenspezifische Anpassung der benötigten Sensorik. Weitere Sensoren können bei Bedarf auf dem Board-Level ergänzt werden.

Integrierte Hardware- und IT-Sicherheit

Für das festgelegte Sicherheitskonzept wurden von Fraunhofer eigens Hardware-Komponenten erarbeitet und auf der 22FDX®-Technologie umgesetzt. Dazu gehören leistungsfähige kryptografische und weitere sicherheitsrelevante Funktionen auf Blockebene. Sie garantieren die Sicherheit der erfassten Daten und die Resilienz der gesamten Plattform.

Vorqualifizierte Packaging-Lösungen

Um einen möglichst hochleistungsfähigen und individualisierbaren Systemaufbau zu erreichen, kommen in der Sensor-Plattform neuartige Integrationstechnologien für die Package-Verdrahtung des SoC und des Packages zum Einsatz. Dafür wurde eigens eine Capping-Technologie basierend auf Thermocompression-Molding entwickelt, die ein zuverlässiges und vorproduzierbares Package ermöglicht. Durch ein flexibles Verdrahtungsverfahren können Anbieter zudem individuelle Sensorkonfiguration umsetzen.

Individuelles Board

Auf dem individualisierbaren Board-Level finden sich neben der Energieversorgung des Systems auch zahlreiche Schnittstellen zur Integration kundenindividueller Sensoren, z. B. für die Messung von Schall, Verformung oder Bilddaten. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Kommunikationsschnittstellen, wie Ethernet, WLAN, Bluetooth, CAN-FD, HyperRAM oder Anschlüsse für Aktuatoren.

Modulare Bauweise ermöglicht die Entwicklung individueller Sensorknoten

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