Ein neuartiges, multimodales Baukastensystem aus Sensoren und intelligenter Auswerteelektronik mit integrierter KI ermöglicht jetzt eine schnellere und effizientere Sensofizierung und Produktrealisierung, speziell für die Märkte LifeScience, Medizintechnik und BioTech.

Die Karriere eines Entwicklers oder einer Entwicklerin wird meist schon in jungen Jahren geprägt. Zum Geburtstag oder zu Weihnachten gibt es die ersten Baukästen, mit denen spielerisch das Zusammenbauen der ersten Modelle von Gebäuden oder Fahrzeugen erlernt wird. Später im Beruf am Schreibtisch steht man vor der Herausforderung für Produkte mit zunehmender Komplexität möglichst schnell optimale Lösungen zu finden, die – insbesondere auch für neue Anwendungen wie im Internet of Things (IoT) – mehrere verschiedene Sensorelemente und eine autarke Energieversorgung benötigen.

Hier kommen die Partner accensors und GED Gesellschaft für Elektronik und Design mit ihren bahnbrechenden neuen Entwicklungen ins Spiel. Gemeinsam wurde das Know-how aus der langjährigen Zusammenarbeit mit Forschungsinstituten und ihren eigenen Erfahrungen vereint, um Entwicklern eine Baukastenlösung anzubieten, die eine Integration von Sensoren und Auswerteeinheiten mit entsprechender Energieversorgung erheblich erleichtert.

Die Idee: Ähnlich wie die Hersteller der Baukästen, die unsere Kindheit geprägt haben, setzen accensors und GED auf ein multimodales Baukastensystem. Dieses System besteht aus einzelnen Sensoren sowie Elektronik- und Softwaremodulen, die sich individuell zusammenfügen lassen, um kundenspezifische Sensorsysteme und Auswerteeinheiten zu realisieren. Das Ergebnis ist eine schnelle, kosteneffiziente Lösung für die Herausforderungen der Sensorintegration in Industrie-4.0-Anwendungen für die Entwicklung von Cyber-physischen Systemen (CPS) mit einem deutlich schnelleren „Time to Market“.

accensors SMD Foliensensoren: Innovative Sensoren, einfach wie Sticker

Die sensorische Komponente dieses Systems bilden die hochmodernen SMD-Foliensensoren von accensors. Diese Sensoren ermöglichen es, präzise Messungen durchzuführen, indem sie wie Sticker einfach aufgeklebt werden. Mit einer Größe von nur 7,60 mm x 5,60 mm und einer aktiven Messfläche von Ø 2,5 mm bieten sie eine bemerkenswerte Leistung auf kleinstem Raum. Diese Sensoren sind ready-to-use und können problemlos an verschiedenen Kontaktierungspunkten angebracht werden, um eine Vielzahl von Parametern wie pH-Wert, Temperatur, chemische- und bioelektrische Größen zu messen. Dank additiv hergestellter Sensortechnologie ermöglicht accensors eine einfache Massenproduktion, welches die Verfügbarkeit und Skalierbarkeit der Sensoren erhöhen. Die Flexibilität dieser Sensoren macht Messungen auch abseits von starren PCBs möglich, was ihre Anwendbarkeit in verschiedenen Branchen wie der Medizintechnik, Biotechnologie und Lebensmittelindustrie erweitert.

GED SensorNode: Konfigurierbares Sensor-Modulsystem

GED ergänzt mit dem SensorNode Hard- und Software Baukasten die Möglichkeit für die einfache Konfiguration eines miniaturisierten leistungsstarken Multi-Sensorsystems. Mit Steckmodulen, die nicht größer wie ein Stück Würfelzucker sind (16x 18 mm), ist der GED-SensorNode äußerst kompakt und kann selbst in engsten Bauraumverhältnissen eingesetzt werden. Dank integriertem Bluetooth-Funk, Akku sowie optionalem Energy Harvesting sind keine Kabel notwendig. Neben dem Controller- und Energiemodul stehen weitere Module mit

MEMS-Sensoren zur Verfügung, wie Gyro- und Beschleunigungssensor, akustische- und optische Sensoren, Kraft- und Drucksensoren, die ein  breites Spektrum an hochintegrierter Sensorfunktionalität abdecken. Das neueste Modul ist das Messmodul für die amperometrische-voltametrische Messung und Impedanzmessung, welches auf einem hochintegrierten ASIC-Baustein basiert. Für die Echtzeitübertragung auch in rauer Umgebung stehen Module mit Drahtschnittstellen für I2C, USB und das neue Single Pair Ethernet (SPE) zur Verfügung. Die Module können nach Bedarf zusammengesteckt werden und konfigurieren sich selbstständig über Plug & Play.

Der zugehörige dritte Baukasten für die Softwaremodule besteht aus der Embedded Software mit Konfigurierbarkeit des Sensor-Frontends über die Draht- oder die BLE-Schnittstelle. Mit der „SN-App“ können Multi-Sensorwerte sowie Alarmierungen per Smartphone oder Tablett direkt an den Bediener übermittelt werden. Für die lokale Bedienung und Datenanzeige dient die SN-Hostsoftware, die auf dem PC läuft. Die Embedded Software des SensorNode verfügt über eine leistungsstarke, programmierbare Multisensor-Datenvorverarbeitung sowie zuschaltbare spezielle Datenfilter. Mit diesen innovativen Funktionen lasen sich die Datenmengen im Netz und auf den Servern erheblich reduzieren. Das bietet auch eine optimale Basis bei multisensorische Anwendungen für „Predictive Maintenance“.

„KI on the Edge“ Framework

Mit dem vierten Baukastenmodul „AIfES“ können Funktionen für die Künstliche Intelligenz und dem Machine Learning  programmiert werden, die lokal auf dem 32bit SensorNode Mikrocontroller laufen. Die Basis ist ein Feedforward Neural Network (FNN), welches in nahezu allen Parametern konfigurierbar ist und auch tiefe Netzstrukturen ermöglicht. Das Künstliche Neuronale Netz (KNN) wird nur mit einer Hauptfunktion konfiguriert und berechnet. Regressions- und Klassifizierungsaufgaben sind möglich. Der Netzaufbau kann an die aktuelle technische Aufgabe angepasst werden. AIfES steht für „Artificial Intelligence for Embedded Systems“, ein AI-Framework vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS, und wurde im Rahmen des BMBF-Forschungsprojekts KiNo gemeinsam vom IMS und GED auf den Mikrocontroller des SensorNode portiert.

Übersicht der Ki:

-Anzahl der Inputs und Outputs sind frei definierbar

-Anzahl der Hidden-Layer und der Neuronen pro Layer sind frei definierbar.

-Unterschiedliche Aktivierungsfunktionen mit Zusatzparametern: Sigmoid, Softsign, ReLU, PReLU, Softmax

Partner für die Zukunft der Sensorfizierung

Die Partnerschaft zwischen accensors und GED ermöglicht es Entwicklerinnen und Entwicklern jetzt, hochpräzise Sensoren und innovative Mess-, Auswertungs- und Datentransferelektronik schnell und kostengünstig zu konfigurieren. GED bietet umfassende Unterstützung bei der Anpassung des SensorNode an kundenspezifische Anforderungen. Dieses Baukastensystem eröffnet eine aufregende Zukunft für die Sensorimplementierung, in der Kreativität und Technologie miteinander verschmelzen. Die Idee der Spielzeug-Baukästen ist nun mit der Technologie verbunden, um eine Welt mit intelligenteren, sensorgestützten Produkten in kürzester Zeit zu realisieren.

Weiter Informationen zu accensors finden Sie hier.

Dieser Artikel ist im Dezember 2023 in der Fachzeitschrift „Markt und Technik“ erschienen. Den Originalartikel finden Sie hier zum Download.

In einem Interview mit der Fachzeitschrift Elektronik. Elektronikfertigung (Ausgabe 22 vom 31. Oktober 2023) äußert sich GED Geschäftsführer Hanno Platz zum Stand und den Perspektiven der additiven Fertigung von Elektronik (AME). Aktuell befassen sich vornehmlich Forschungsprojekte mit dem Thema – in der Industrie ist die Menge der additiv gefertigten 3D-Elektronik-Serienprodukte noch überschaubar. Hanno Platz erklärt die Gründe dafür und wie sich dieser Stillstand überwinden lässt. Artikel hier auch als PDF.

Additive Fertigung zwischen Showstoppern und Pionieren

Als „Showstopper“ bezeichnet der GED Geschäftsführer „die aktuell fehlenden CAD-Funktionen für die 3D-Elektronik.“ Weiterzuentwickeln seien auch „Tools für die Planung und Simulation der Fertigungsabläufe für die hochintegrierte räumliche Elektronik.“  EDA-Hersteller seien aufgefordert, 3D-eCAD-Tools zu entwickeln – nicht nur die schon aktiven „Pioniere der additiven Elektronikfertigung in Deutschland“ würden zugreifen. Denn: Sowohl Großunternehmen als KMU seien unterwegs in Sachen additive Fertigung. Platz verweist auch auf Forschungsprojekte wie flugfähige „Möwen“, „Ameisen“ mit Schwarmintelligenz, „Roboter-Lbellen“.

Zunächst würden die 3D-Produkte Erfolg haben, die beispielsweise durch „funktionale Integration“ oder „absolute Verkleinerung“ etwa „eine ganz neue Möglichkeit“ oder „eine besonders hohe Performance“ bieten. Kommerziellen Erfolg verspricht etwa die Medizintechnik, auch wenn die Zulassung der Produkte schwierig sei und viel Zeit brauche. In den verschiedensten Branchen könne additive Fertigung auch und gerade zu nachhaltigeren Lösungen beitragen. Nicht zuletzt verweist Hanno Platz auf konkrete Projekte zur additiven Fertigung im eigenen Haus.

Das Interview enthält neben technischen Details und Hinweisen auch eine Übersicht über die fünf Klassen der additiven Fertigung.

Weitere Informationen finden Sie in einem Whitepaper des FED-Arbeitskreises 3D-Elektronik (26 Seiten), das Sie hier kostenlos downloaden können.

Das Rezertifizierungsaudit für die Normen ISO 13485:2016 und ISO 9001:2015 stellte GED in diesem Jahr vor besondere Herausforderungen, die das Unternehmen mit Erfolg bestand. Beispielsweise kamen völlig neu organisierte Prozesse auf den Prüfstand.  Das mit sechs Tagewerken angesetzte Überwachungs- und Rezertifizierungsaudit hat die DEKRA Certification GmbH Ende April 2023 durchgeführt.

GED hatte die Abläufe für die Entwicklung von Medizinprodukten auch aufgrund der neuen MDR-Vorschriften (MDR, Medical Device Regulation) komplett überarbeitet. Die Neuerungen konnten teilweise für die Entwicklung der Industrieprodukte übernommen werden und haben sich bereits positiv ausgewirkt. Das Qualitätsmanagementsystem beider Bereiche hat die Zertifizierungsstelle gründlich geprüft und für gut befunden.

Erfahrungsplus durch Zertifizierung

Zusätzlich fand auch das Überwachungsaudit für das GED-Medizinprodukt EQUIVert® gemäß der EU-Verordnung nach 2147/745 Artikel 120(3) statt. Die DEKRA als „Benannte Stelle“ hat dabei erstmals nach den neuen, deutlich schärferen Kriterien der MDR geprüft. Vorausgegangen waren hier zehn Monate intensiver Vorbereitung inklusive einer betriebswirtschaftlichen Gap-Analyse, die GED mit einem Beratungsunternehmen umgesetzt hat. Hinzu kam die Berücksichtigung neuer technischer Anforderungen. So hat GED die EQUIVert-Produkte bereits nach dem deutlich höheren MDR-Reglement entwickelt, etwa hinsichtlich der EMV-Grenzwerte. Dennoch ergab die Analyse einen größeren Aufgabenkatalog für die Anpassung an die neuen gesetzlichen Vorschriften. Hierzu zählt insbesondere die konkrete Planung einer PMCF-Studie (Post Market Clinical Follow-Up).

Aus der Zertifizierung der eigenen Produktlinie hat GED sehr wertvolle Erfahrungen für die Dienstleistungen im Bereich Medizinprodukte gewonnen. Hier bietet GED für Kundenprojekte einen Full-Service an: vom Konzept über die Hard- und Softwareentwicklung bis hin zur Lieferung kompletter Geräte. Zusammen mit einem erfahrenen Beratungsunternehmen kann das Unternehmen auch die gesamte Zulassung nach ISO 13485 für Medizinprodukte übernehmen.

Als zertifizierter Partner unterstützen wir Sie gern mit der Entwicklung und Herstellung von Industrieprodukten nach ISO 9001 und Medizinprodukten nach ISO 13485. Dabei steht GED für kundenspezifische Lösungen mit optimaler Technik und einem Höchstmaß an Sicherheit und Qualität.

Die Zertifikate (deutsch und englisch) können Sie auf unserer Website hier einsehen und herunterladen!

Leiterplattenlayout: Design Challenge 25 Gbit – Highspeed PCB-Design für PCIe Gen. 4 und andere

Steigende Signalübertragungsraten im Multi-Gigabit Bereich erfordern spezielle Designtechniken

Aktuelle neue Schnittstellen-Standards wie PCIexpress 4.0 sowie neue FPGA-Generationen ermöglichen Übertragungsraten bis 2000 Mbit/s. Die Bandbreite des integrierten PCI-Express-Controllers gen 4.0 ermöglicht Bandbreiten von 8-32 Gbit/s.

Auch bei der weit verbreiteten Schnittstelle „Universal Serial Bus“ werden mit USB 3.0 bereits Signalraten von 5 Gbit/s erreicht, mit USB 3.1 ist sogar eine Datenrate von bis zu 10 Gbit/s möglich. Schon für USB 3.0 wird für die 5 Gbit/s eine entsprechende Leitertopolgie benötigt, damit die Übertragung störungsfrei arbeitet.

Der Videostandard „Ultra High Definition Video“ UHD-1 (4k) nutzt eine Datenrate von mehr als 10,2 Gbit/s, weshalb HDMI in der Version 2.0 bis zu 18 Gbit/s liefern kann. Hauptänderung ist die Anhebung der maximalen Bandbreite auf 18 Gbit/s, wodurch Ultra-HD-Inhalte mit 60 Bildern pro Sekunde wiedergegeben werden können.  Allerdings wurde übergangsweise auch eine kleinere Datenrate mit der niedrigen Farbquantisierung 8 Bit und 4:2:0 erlaubt, um vorhandene HDMI-1.4-Chips nutzen zu können. Eine weitere Hürde stellt die neue Kopierschutz-Norm HDCP-2.2 dar, die in vollwertigen HDMI-2.0-Anschlüssen vorgeschrieben ist.

Um diese hochfrequenten Signalgeschwindigkeiten störungsfrei auf der Leiterplatte zu übertragen, sind entsprechende Topologien und angepasste Leiterbahnrouting-Methoden erforderlich. Die LVDS-Signalübertragung benötigt eine differentielle Signalführung mit gleicher Leitungslänge für Hin- und Rückleiter. Die Signale erfordern einen Lagenaufbau mit angepasstem Wellenwiderstand (Impedanz). Der Lagenwechsel mittels Vias und Microvias muss besonders beachtet werden, um Impedanzsprünge zu minimieren. Zur Reduzierung der HF-Rückstrompfade sind Stitching Vias sinnvoll. Um Stubs zu vermeiden, sollte manbei langen Highspeed-Leitungen, die über mehrere Lagen geführt werden, die Vias in Backdrilling ausführen. Neben dem Einsatz von entsprechenden Highspeed-Laminaten gibt es weitere neue Routingtechniken, die Störungen entgegenwirken können, wie abgerundete Leiterbahnen oder auch das Zig-zag-Routing.

Man könnte die Aufzählung noch lange mit weiteren Beispielen fortführen. Natürlich bringen die neuen Bauteile und Schnittstellen auch ein komplexeres Powering mit sich. Oft werden 5 – 8 verschiedene Spannungen benötigt, die i. d. R. mit hochgetakteten Linearreglern erzeugt werden. Diese müssen nach festen Regeln designt werden und sind in einem Lagenaufbau für das Powerkonzept entsprechend einzuplanen. Die Referenzflächen für impedanzbehaftete Signale müssen möglichst homogen sein und die Vias dürfen den HF-Rückstromweg möglichst wenig behindern. Das ist gerade bei hochpoligen Finepitchsteckern, die mitten auf der Leiterplatte liegen, oft eine Herausforderung.

Bei komplexen Multilayern wird es zunehmend erforderlich, die Homogenität der Versorgungsflächen, die für die zuverlässige Signalübertragung und die EMV-Festigkeit wichtig sind, mittels „Power Integrity Simulation“ zu überprüfen.

Speicherdichten erhöhen sich zunehmend, DDR4

Die DDR-SDRAM-Technologie hat ihre vierte Generation erreicht;DDR4-SDRAM-Schnittstellen erreichen eine maximale Datenrate von 3,2 Gbit/s (d.h. eine Taktrate von 1,6 GHz). Beim Design gibt es vier wichtige Anforderungen für die Platzierung und das Routing von DDR4-SDRAM-Schnittstellen mit Multi-Gigabit-Übertragung. Diese großen Herausforderungen umfassen die Routingtopologie und das Terminierungssystem für die Netze mit mehreren Speichern, das eine Routing-Technik mit geringem Übersprechen erfordert. Es werden spezielle Designmethoden eingesetzt, um die Impedanzsprünge aufgrund von Durchkontaktierungen zu minimieren.

Die Routing-Technik für mehrere Speicherbausteine erzeugt mit der herkömmlichen Art von Routing mit Baumtopologie sogenannte „Trace Stubs“, die die Signalintegrität des Übertragungskanals verschlechtern. Die Wirkung von Stubs ist unten in der Formel erläutert, nach der die Resonanzfrequenz oder die Bandbreite der Übertragungsleitung umgekehrt proportional ist zur Stublänge. In der herkömmlichen Baumtopologie führt der „Trace Stub“ mit der Zunahme der Anzahl von Speichern zu unerwünschten Verlängerungen, die Störungen hervorrufen.

• f o = Resonanzfrequenz (Hz)
• c = Lichtgeschwindigkeit (1.18×10 ¹⁰ Zoll/s)
• stub_length in inches
• D_k = Dielektrizitätskonstante

Der Einsatz von verlustarmen Materialien, sogenannte „High speed laminate“ wie Megtron (Panasonic) oder I-Tera (Isola), wird ebenso erforderlich wie ein „backdrilling“ von durchgehenden Vias. Für das Routing der Leiterbahnen ist ein Tuning der Leitungslängen erforderlich und das mit sehr engen Toleranzen. Ohne diese Designmaßnahmen ist eine zuverlässige Signalübertragung nicht mehr möglich.

Zur Steigerung der Zuverlässigkeit und auch zum Qualitätsnachweis der Gigbit-Übertragungssysteme setzt GED das SI-Simulationswerkzeug Hyperlynx von Siemens (ehem. Mentor Graphics) ein. Damit lässt sich die Signalintegrität in Form der Augendiagramme simulieren. Mittels „Presimulation“ kann bereits bei der Planung der Topologie des Multilayers eine Prüfung der berechneten Impedanzwerte vorgenommen werden.

Bei der Planung des HDI-Multilayers sind i.d.R. mehrere verschiedene Impedanzen gefordert mit einer Toleranz von max. 10% und 0,5 dB Einfügungsdämpfung. Der Lagenaufbau, Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante (DK) und die Viatopologie bilden dafür die Basis. Eine saubere Leiterführung und ein optimaler Längenausgleich der Differential-Pair-Leitungen beim Routing stellen die Einhaltung der Toleranzen sicher.

Höhere Verbindungsdichte durch Bauteile-Miniaturisierung und steigende Anschlussanzahlen

Neue Bauteilegehäuse werden zunehmend kleiner und haben höhere Anschlusszahlen. LQFP, QFN oder MLP-Gehäusebauformen haben bis ca. 100 Anschlüsse bei einer Kantenlänge um die 5 mm. µBGA oder CSP-Bauteile erreichen bis weit über 1.000 Anschlüsse. Diskrete Bauteile gibt es in winzigen Gehäusebauformen wie 0201, Micro-MELF oder SOT-883 mit 3 Anschlüssen und mit einer Größe von nur 1 x 0,6 x 0,5 mm. Damit lassen sich inzwischen Miniaturisierungsgrade erzielen, die ehemals nur mit COB-Technik, also mit ungehäusten Bauteilen, erzielt wurden. Es gibt heute moderne FPGAS wie Kintex 7™ von XILINX, die bis zu 1.156 Anschlüsse (I/O´s) haben, oder auch ASIC-Bauteile mit über 2.500 Anschlüssen, mit Pitchmaßen bis runter auf 0,4 mm.

So genannte HDI-(High-Density-Interconnection) Leiterplattentechnologien, die eine höhere Verbindungsdichte durch Einsatz von Microvias (150 µm) und Burried Vias in Verbindung mit feinen Leiterstrukturen unter 150 µm haben, können die Verbindungsdichte einer Leiterplatte signifikant steigern und ermöglichen den Anschluss von Bauteilen mit hoher Pin-Dichte.  Je nach Größe und Anforderung werden heute auch Leiterstrukturen von 50 µm in Serie produziert. Künftig wird für Pitchmaße von nur 0,3 mm eine Leiterbreite von, zumindest partiell, nur 30 µm benötigt.

GED hat in den letzten Jahren viele Highspeed-Designs erfolgreich umgesetzt, die auf Anhieb funktioniert haben. Grundlage dafür sind Kenntnisse und Erfahrungen der PCB-Designer bei GED, die eine umfangreiche Planung der Leiterplattentechnologie und der Impedanzen vornehmen und viel Know-how in eine optimale Bauteileplatzierung stecken. Sofern gewünscht, wird eine Signal- und Powerintegritäts-Simulation durchgeführt. Der Rest ist dann gekonnte Handarbeit, denn GED nutz keine Autorouter, sondern verlegt alle Leitungen manuell. Dabei hilft lediglich ein interaktiver Router, den die modernen, leistungsstarken CAD-Werkzeuge wie beim Siemens XPEDITION CAD bieten. Durch die enge Zusammenarbeit mit den Leiterplattenherstellern werden die Material- und dfm Anforderungen abgestimmt, was letztlich zum First Time Right beiträgt.

GED unterstützt Sie mit über 35 Jahren Erfahrung und Spezialkenntnissen, setzt modernste CAD- und Simulationstools ein und verfügt über ein erfahrenes Spezialistenteam für die verschiedenen Aufgabenbereiche, auch bei komplexen und zeitkritischen Projekten.

Sprechen Sie mit uns über Ihre Anforderungen!

Newsletter-Teaser:

Neue Schnittstellen-Standards wie PCIexpress 4.0 sowie neue FPGA-Generationen ermöglichen Übertragungsraten bis 2000 Mbit/s. Die Herausforderung: Um diese hochfrequenten Signalgeschwindigkeiten störungsfrei auf der Leiterplatte zu übertragen, sind entsprechende Topologien und angepasste Leiterbahnrouting-Methoden erforderlich.