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pte20221004003 Forschung/Entwicklung, Technologie/Digitalisierung

Passgenaue Sensoren per 3D-Druck erstellt

Schwedische Forscher sehen neue Drucktechnik als "Game Changer" für MEMS-Produktion


Roboter: Sensoren für künftige Maschinen effizienter herstellbar (Bild: pixabay.de/TheDigitalArtist)
Roboter: Sensoren für künftige Maschinen effizienter herstellbar (Bild: pixabay.de/TheDigitalArtist)

Stockholm (pte003/04.10.2022/06:10) -

Mit einem neu entwickelten 3D-Druckverfahren lassen sich bald maßgeschneiderte Sensoren für Roboter, Herzschrittmacher und andere Geräte herstellen. Diese lassen sich zur günstigen Fertigung passender elektronischer "Maschinen" in Insektengröße nutzen, die neue Anwendungen in der Robotik, medizinischen Geräten und anderen Bereichen ermöglichen. Das Verfahren kann den Forschern der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) zufolge die Herstellung kundenspezifischer mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) auf Chipbasis grundlegend verändern. Details sind in "Nature Microsystems & Nanoengineering" nachlesbar.

Kosten sinken beträchtlich

Solche Mini-Maschinen werden in großen Mengen für zahlreiche Elektronikprodukte verwendet, darunter Smartphones und Autos, und sorgen für eine exakte Positionierung. Für die spezialisierte Herstellung von Sensoren in kleineren Stückzahlen, etwa Schwingungssensoren für Industriemaschinen, erfordern MEMS-Technologien jedoch eine kostspielige Anpassung. KTH-Forschungsleiter Frank Niklaus sieht in der neuen 3D-Drucktechnik eine Möglichkeit, 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", so Niklaus. Im Ergebnis stünden Ingenieure vor der Wahl, suboptimale MEMS-Bauteile von der Stange oder wirtschaftlich unrentable Anlaufkosten zu nehmen. Andere Produkte mit geringen Stückzahlen, die von der neuen Technik profitieren könnten, sind Bewegungs- und Schwingungssteuerungseinheiten für Roboter und Industriewerkzeuge sowie Windkraftanlagen.

Schattenmaskierung eingesetzt

Die KTH-Forscher haben für ihr 3D-Druckverfahren die Zwei-Photonen-Polymerisation angewendet. Diese ermöglicht hochauflösende Objekte mit einer Größe von wenigen hundert Nanometern, die jedoch keine Sensorfunktionalität besitzen. Zur Produktion der Wandlerelemente nutzten die Experten eine Technik namens Schattenmaskierung, die ähnlich wie eine Schablone funktioniert. Auf der 3D-gedruckten Struktur ließen sich Merkmale mit einem T-förmigen Querschnitt herstellen, die wie Regenschirme wirken. Anschließend wird Metall von oben aufgetragen, sodass die Seiten der T-förmigen Strukturen nicht mit Metall beschichtet werden. Daher ist das Metall an der Spitze des "T" elektrisch vom Rest der Struktur isoliert.

Mit dieser Methode lassen sich in wenigen Stunden etwa ein Dutzend kundenspezifischer MEMS-Beschleunigungsmesser mit relativ preiswerten kommerziellen Fertigungswerkzeugen herstellen. "Die Methode kann für das Prototyping von MEMS-Geräten 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."

(Ende)
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