Forscher der Königlichen Technischen Hochschule in Schweden haben eine Methode für den 3D-Druck besonders kleiner, funktionaler, mikro-elektromechanischer Systeme vorgestellt. Diese sollen vor allem dort, wo Sensoren in kleineren Stückzahlen benötigt werden, zu deutlichen Kostenersparnissen führen. Für ihre Methode verwenden die Forscher die Zwei-Photonen-Polymerisation und die Schattenmaskierung.
Forscher der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) haben eine 3D-Druck-Methode vorgestellt, mit dem sich maßgeschneiderte Sensoren für Roboter, Herzschrittmacher und andere Geräte herstellen lassen könnten. Auf diese Weise könnten Geräte günstiger für passende elektronische „Maschinen“ in Insektengröße eingesetzt werden, die Anwendungen in der Robotik, medizinischen Geräten und anderen Bereichen ermöglichen.
Laut der Pressemitteilung der Forscher könnte ihre Arbeit die Herstellung kundenspezifischer mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) auf Chipbasis grundlegend verändern. In einem Artikel mit dem Titel „Micro 3D printing of a functional MEMS accelerometer“ im Fachjournal Nature Microsystems & Nanoengineering“ haben sie die Ergebnisse ihrer Entwicklung präsentieren.
Einsatzgebiete der mikro-elektromechanischen Systeme
Maschinen dieser Größe werden in großen Mengen für zahlreiche Elektronikprodukte verwendet. Dazu gehören Smartphones und Autos, in denen sie für eine exakte Positionierung sorgen. Um diese Sensoren in kleineren Stückzahlen zum Beispiel für Schwingungssensoren in Industriemaschinen herzustellen, müssen MEMS-Technologien kostspielig angepasst werden. KTH-Forschungsleiter Frank Niklaus möchte mit seinem 3D-Druckverfahren die Einschränkungen der MEMS-Fertigung umgehen.
Ingenieure würden laut Niklaus vor der Wahl stehen, suboptimale MEMS-Bauteile von der Stange oder wirtschaftlich unrentable Anlaufkosten hinzunehmen. Auch Bewegungs- und Schwingungssteuerungseinheiten für Roboter und Industriewerkzeuge sowie Windkraftanlagen könnten von seiner Arbeit profitieren.
Zwei-Photonen-Polymerisation und Schattenmaskierung
Bei der neuen Methode kommt die Zwei-Photonen-Polymerisation zum Einsatz, um nur wenige Hundert Nanometer kleine hochauflösende Objekte ohne Sensorfunktionalität anzufertigen. Mit einer Schattenmaskierung produzieren die Experten Wandlerelemente. Die Schattenmaskierung funktioniert wie eine Schablone. Auf der 3D-gedruckten Struktur werden Merkmale mit einem T-förmigen Querschnitt hergestellt, die wie Regenschirme wirken. Nun wird Metall von oben aufgetragen, um die Seiten der T-förmigen Strukturen nicht mit Metall zu beschichten, wodurch das Metall an der Spitze des „T“ elektrisch vom Rest der Struktur isoliert ist. So entstehen in wenigen Stunden rund ein Dutzend kundenspezifische MEMS-Beschleunigungsmesser mit relativ preiswerten kommerziellen Fertigungswerkzeugen.
Niklaus sagte:
„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. 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.“