Forscher entwickeln kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von MEMS-Bauteilen

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie z. B. Beschleunigungssensoren, werden in vielen Branchen eingesetzt, u. a. in der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik und der Medizintechnik. MEMS werden mit Hilfe von Halbleiter-Großserientechniken effizient in sehr hohen Stückzahlen hergestellt. Für die kosteneffiziente Herstellung spezialisierter MEMS-Bauteile in kleinen und mittleren Stückzahlen sind diese Verfahren jedoch nicht geeignet. Daher sind Anwendungen, die kundenspezifische MEMS-Bauteile für Märkte mit kleinen und mittleren Stückzahlen von weniger als 5000-10.000 Bauteilen pro Jahr erfordern, äußerst schwer effizient zu realisieren.

Der 3D-Druck von MEMS-Bauteilen könnte die effiziente Realisierung und Produktion von MEMS-Bauteilen in diesen kleinen und mittleren Stückzahlen ermöglichen. Die derzeitigen Mikro-3D-Drucktechnologien sind jedoch nur begrenzt für den Druck funktionaler MEMS geeignet. Hierin demonstrieren wir einen funktionalen 3D-gedruckten MEMS-Beschleunigungsmesser, der durch 3D-Druck mittels Zwei-Photonen-Polymerisation in Kombination mit der Abscheidung eines Dehnungsmessstreifen-Wandlers durch Metallverdampfung hergestellt wurde.

Nun haben Forscher der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) die Reaktionsfähigkeit, die Resonanzfrequenz und die zeitliche Stabilität des MEMS-Beschleunigungsmessers charakterisiert und eine neue Methode zu additiven Fertigung dieser entwickelt. Ihre Ergebnisse zeigen, dass der 3D-Druck von funktionalen MEMS ein praktikabler Ansatz ist, der die effiziente Realisierung einer Vielzahl von kundenspezifischen MEMS-Bauteilen ermöglicht und neue Anwendungsbereiche erschließt, die mit konventioneller MEMS-Fertigung nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.

Kostenreduktion

Mit ihrer neuen Methode wollen die Forscher die Kosten für MEMS (mikroelektromechanische Systeme) senken, da diese bei geringen Produktionsmengen nicht rentabel sind. Besonderer Fokus wurde auf Beschleunigungsmesser gelegt, wie aus der Arbeit hervorgeht.

In großen, industriellen Stückzahlen sind MEMS nicht so kostspielig, wie bei kleineren Stückzahlen, was oftmals die Entwicklung neuer Prototypen hindert. Deshalb wählen Konstrukteure immer wieder schlechte Stangenware, um ihre Entwicklungen zu testen.

“Die neuen Möglichkeiten, die 3D-gedruckte MEMS bieten, könnten zu einem neuen Paradigma in der MEMS- und Sensorherstellung führen”, sagt Frank Niklaus, Forscher am KTH Royal Institute of Technology. “Skalierbarkeit ist nicht nur ein Vorteil in der MEMS-Produktion, sondern eine Notwendigkeit. Diese Methode würde die Herstellung vieler neuer, maßgeschneiderter Geräte ermöglichen.”

Neues Verfahren

Mittels zwei-Photonen-Polymerisationsverfahren werden die Sensoren gedruckt, was ihm ein höchstes Maß an Genauigkeit und eine hochauflösende Größe von nur wenigen hundert Nanometern verleiht.

Damit der Sensor schließlich funktioniert, muss noch ein weiteres Verfahren durchgeführt werden, das Shadow-Masking. Nachdem eine t-förmige Struktur aufgebracht wurde, wird der Körper teilweise mit Metall bedeckt, wobei die T-Form ein “Schild” vor dem Metall bietet. Nach dem Aufbringen, ist der Rest des Körpers elektrisch isoliert.

Durch die Zusammenführung dieser zwei Methoden ergab sich eine enorme Zeitersparnis bei der Herstellung solcher Sensoren und es war den Forschern möglich dutzende Sensoren in wenigen Stunden herzustellen.

“Das war bisher nicht möglich, da die Anlaufkosten für die Herstellung eines MEMS-Produkts mit herkömmlicher Halbleitertechnologie in der Größenordnung von Hunderttausenden von Dollar liegen und die Vorlaufzeiten mehrere Monate oder mehr betragen”, so Niklaus.

“Die neuen Möglichkeiten, die 3D-gedruckte MEMS bieten, könnten zu einem neuen Paradigma in der MEMS- und Sensorherstellung führen.”

Die vollständige Arbeit finden Sie hier.

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