Forscher entwickeln neuartige Methode zur Herstellung von MEMS-Technologien

Mit dem 3D-Druck können nun kundenspezifische Sensoren für Roboter, Herzschrittmacher und mehr hergestellt werden. Der Durchbruch, den Forscher der Königlichen Technischen Hochschule KTH erzielten, könnte die Herstellung kundenspezifischer mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) auf Chipbasis grundlegend verändern. Diese Mini-Maschinen werden in großen Mengen für Hunderte von Elektronikprodukten wie Smartphones und Autos hergestellt, wo sie für die Positionsgenauigkeit sorgen.

Für die spezialisierte Herstellung von Sensoren in kleineren Stückzahlen, wie z. B. Beschleunigungsmesser für Flugzeuge und Schwingungssensoren für Industriemaschinen, erfordern MEMS-Technologien jedoch eine kostspielige Anpassung.

Frank Niklaus, der die Forschung an der Königlichen Technischen Hochschule KTH in Stockholm leitete, sagt, dass die neue 3D-Drucktechnik, die in Nature Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht wurde, eine Möglichkeit bietet, die Einschränkungen der herkömmlichen MEMS-Fertigung zu umgehen.

“Die Kosten für die Entwicklung des Herstellungsprozesses und die Optimierung des Gerätedesigns lassen sich nicht auf geringere Produktionsmengen umlegen”, sagt er. Das Ergebnis ist, dass die Ingenieure vor der Wahl stehen, entweder suboptimale MEMS-Bauteile von der Stange oder wirtschaftlich unrentable Anlaufkosten zu wählen.

Andere Produkte mit geringen Stückzahlen, die von dieser Technik profitieren könnten, sind Bewegungs- und Schwingungssteuerungseinheiten für Roboter und Industriewerkzeuge sowie Windkraftanlagen.

Die Forscher stützten sich auf ein Verfahren namens Zwei-Photonen-Polymerisation, mit dem hochauflösende Objekte mit einer Größe von nur wenigen hundert Nanometern hergestellt werden können, die jedoch keine Sensorfunktionalität besitzen. Zur Herstellung der Wandlerelemente wird eine Technik namens Schattenmaskierung verwendet, die ähnlich wie eine Schablone funktioniert. Auf der 3D-gedruckten Struktur stellen sie Merkmale mit einem T-förmigen Querschnitt her, die wie Regenschirme wirken. Anschließend wird das Metall von oben aufgetragen, so dass die Seiten der T-förmigen Strukturen nicht mit dem Metall beschichtet werden. Das bedeutet, dass das Metall an der Spitze des T elektrisch vom Rest der Struktur isoliert ist.

Mit dieser Methode lassen sich in nur wenigen Stunden etwa ein Dutzend kundenspezifischer MEMS-Beschleunigungsmesser mit relativ preiswerten kommerziellen Fertigungswerkzeugen herstellen. Die Methode kann für das Prototyping von MEMS-Bauteilen und die Herstellung kleiner und mittlerer Serien von Zehntausenden bis zu einigen Tausend MEMS-Sensoren pro Jahr auf wirtschaftlich tragfähige Weise eingesetzt werden, sagt Niklaus.

“Dies 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. Skalierbarkeit ist nicht nur ein Vorteil in der MEMS-Produktion, sondern eine Notwendigkeit. Diese Methode würde die Herstellung vieler neuer, maßgeschneiderter Geräte ermöglichen.”

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