Digitale Prozessketten für individualisierte Sensoren (DigiProSens 2) EU React

Im Projekt DigiProSens entsteht ein Maschinencluster für die branchenübergreifende Fertigung von individualisierten Sensoren und Mikrosystemen. Digitale und additive Fertigungstechnologien ermöglichen vielfältige Neuerungen für die Produktion von Multi-Material-Systemen. Die Technologien ermöglichen den effizienten und sparsamen Einsatz von Ressourcen und erhöhen die Designflexibilität und damit verbundene Optionen zur Individualisierung von Produkten für eine Fertigung ab Stückzahl 1.

Projektziel
Das Projektziel ist die Ergänzung des flexiblen Maschinenclusters für die 3D-Aufbau- und Verbindungstechnik am Hahn-Schickard Standort in Stuttgart durch Anlagen zum Aufbau individualisierter gedruckter und mittels maskenloser Interferenzlithographie mikrostrukturierter 3D-Sensoren. Die Softwareentwicklung ist ein wichtiger Baustein für digitale Prozessketten, die die herstellerübergreifende Verkettung der einzelnen Anlagen ermöglicht und dadurch zur Verringerung der Initialkosten beim Aufbau individualisierter Sensoren leistet.

Technologietransfer
Um Innovationsprozesse für Unternehmen zu beschleunigen, müssen die verfügbaren Geräte produktionstauglich sein. So könne Prozesse und Produkte, die zusammen mit industriellen Partnern, z.B. KMU, entwickelt wurden, mit geringem Aufwand in die Pilot- und Serienproduktion transferiert werden. Dadurch kann die Lücke zwischen anwendungsorientierter Forschung einerseits und industrieller Produktion andererseits geschlossen werden.

Im Einzelnen sind folgende zweckgebundene Investitionen geplant:

• Zusatzmodule für digitalen 5-Achs-Aerosoljetdruck
• Maskenlose Interferenzlithographie
• Software für digitale Prozessketten
• 3D-Modul für Pikosekundenlaser
• Voltammetriesystem zur Elektrolytanalyse
• Software zur Datenanalyse und Simulation

Zusatzmodule für digitalen 5-Achs-Aerosoljetdruck

Digitale Drucktechnologien zeichnen sich dadurch aus, dass das Layout am Rechner erstellt wird und anschließend kontaktlos volladditiv auf das Substrat übertragen werden kann. Dadurch ist es möglich, sehr ressourcenschonend und umweltfreundlich Oberflächen zu funktionalisieren. Die meisten dieser Verfahren sind für 2D-Substrate hervorragend geeignet und optimiert. Die zunehmende Nachfrage nach individuellen Produkten und der Intergration von Sensorik erfordert jedoch ein verstärktes Arbeiten mit dreidimensionalen Substraten. Aus diesem Grund wurde im vergangenem Jahr im Rahmen dieses Förderprogramms mit der Anschaffung einer Anlage begonnen, die es erlaubt gedruckte Strukturen auf 3 dimensionale Substrate zu übertragen. Die Ausschreibung der Anlage sieht eine Erweiterung des Systems um folgende Module vor: FFF-Einheit mit Extruder, Fräsheinheit, Plasmamodul, beheizbarer Substrattisch, SMD-Bestücker, Lasermodul, UV-Modul, Kamerasystem und Analysemöglichkeit. Durch die geplante Erweiterung der Anlage mit diesen Modulen können nicht nur 3D-Schaltungsträger sondern auch komplexe Schaltungen, welche in das Substrat integriert werden können, aufgebaut. Weiterhin kann durch die geplanten Erweiterungen auch eine größere Materialpalette eingesetzt werden. Die Schaltungsträger können dann beispielsweise als Retro-Fit Sensorik verbaut werden. Es ergibt sich somit die Möglichkeit verschiedene digitale additive Prozesse innerhalb einer Anlage zu kombinieren, um den maximalen Mehrwert auch für KMU innerhalb kürzester Zeit generieren zu können.

Maskenlose Interferenzlithographie

Die gezielte Ausnutzung von Oberflächeneffekten bietet im Hinblick auf sensorische und auch aktorische Funktionalitäten zahlreiche Möglichkeiten einer nahtlosen Integrationstechnologie. So können beispielsweise durch nanostrukturierte Oberflächen mit Strukturgrößen im Bereich der Wellenlänge des Lichtes neuartige markerfreie Detektionsverfahren für Krankheitserreger, Bakterien und Viren realisiert werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die gezielte Beeinflussung des Benetzungsverhaltens von Oberflächen, welches sowohl für mikrofluidische Anwendungen als auch für die Optimierung von tribologischen Effekten ausgenutzt werden kann.

Im Hinblick auf die im Hahn-Schickard Institut für Mikroaufbautechnik vorhandenen Prozessketten wurde für die Erforschung entsprechender Strukturierungen die maskenlose Interferenzlithographie ausgewählt, weil diese zum einen aufgrund des maskenlosen Strukturierungsvorgangs perfekt mit dem Grundgedanken der digitalen Prozessketten harmoniert und zum anderen auch eine Kompatibilität mit der am Institut sehr erfolgreich umgesetzten Strategie der kunststoffbasierten Replikationstechnologien (Thermoplast und Duroplast) aufweist. Diese Replikationstechnologien werden z.B. immer dort angewendet, wenn es auf die kostengünstige und massenweise Herstellung entsprechender Komponenten ankommt, wie dies beispielsweise für Anwendungen in der Point-of-care Diagnoastik charakteristisch ist.

Im Rahmen dieses Projekts sollen für grundlegende Forschungen zur maskenlosen Interferenzlithograhpie eine geeignete Laserlichtquelle sowie weitere benötige optische Komponenten angeschafft werden.

Software für digitale Prozessketten

Ein wesentliches Hindernis bei der Umsetzung von digitalen Prozessketten ist die fehlende Durchgängigkeit der Softwaretools für die Ansteuerung der einzelnen Prozessschritte. Bei der Herstellung von Sensorchips mittels MEMS-Technologie oder bei der Herstellung von Leiterplatten können direkt aus dem jeweils in einer spezifischen Software entwickelten Layout direkte Steuerdaten für die Produkionsmaschinen abgeleitet werden. Ähnliches gilt für die Herstellung von Frästeilen mittels spezialisierter CAD/CAM-Strecken und ebenso für die Herstellung von 3D-gedruckten Bauteilen aus einem Material.

Sobald aber die Grenze zwischen der Mechanik einerseits und der Elektronik andererseits in einem Bauteil aufgehoben wird, wie dies bei hybrid integrierten und individualisierten Mikrosystemen und Sensoren der Fall ist, müssen bis heute in zeitraubender Handarbeit die Softwaretools aus jeweils beiden "Welten" zusammengebracht werden. Dieser hohe Initialaufwand ist für Produkte, die in Großserie gefertigt werden, vernachlässigbar. Wird allerdings die individualisierte Herstellung von Sensoren und Mikrosystemen angestrebt, ist ein Software-Tool für das automatisierte Mechanik-Elektrik-Co-Design unumgänglich. Erste Ansätze derartiger Designsoftware sind bereits am Markt vorhanden. Im Rahmen dieses Projekts soll initial entschieden werden, ob auf die Weiterentwicklung einer kommerziell verfügbaren Software gesetzt wird, oder ob eine spezifisch für die Bedürfnisse des Hahn-Schickard-Instituts für Mikroaufbautechnik zugeschnittene Software benötigt wird.

Die Grundlagen für die Spezifikation wurden in dem vom MWAW geförderten Projekt DigiPro erarbeitet.

3D-Modul für Pikosekundenlaser

Ähnlich dem Aerosol Jet Verfahren ermöglicht auch die digitale Laserstrukturierung mittels eines bei Hahn-Schickard verfügbaren pikosekunden-gepulsten Lasers designflexible Sensorstrukturen vergleichbarer Strukturgrößen aufzubauen. Dabei kommt je nach Sensoranforderung eine Kombination aus Laserstrukturierung und außenstromloser / galvanischer Metallisierung (additiv) oder aus PVD Beschichtung und Laserablation (subtraktiv) zum Einsatz, wobei hier jeweils andere Schichtdicken und Materialkombination als beim Aerosol Jet Verfahren möglich sind. Bisher ist die Sensorentwicklung mit Hilfe des pikosekunden-gepulsten Lasers auf 2D beschränkt. Die Erweiterung um die 3D-Software und der dazugehörigen Optik/Sensorik eröffnet die Möglichkeit auch komplexere Bauteile hochpräzise zu strukturieren, um damit den steigenden Bedarf an individualisierten Sensorlösungen auf Freiformflächen bedienen zu können.

Voltammetriesystem zur Elektrolytanalyse

Die prozesssichere Abscheidung von Metallschichten mit außenstromlosen und galvanischen Verfahren erfordert eine prozessbegleitende Analyse der Metallelektrolyte. Vor allem ist z.B. die genaue Analyse der organischen Komponenten sowie Fremdmetallen in einem Elektrolyten für die Prozesssicherheit und die Qualität der abgeschiedenen Metallschichten entscheidend. Insbesondere bei metallisierten Sensorstrukturen sind reproduzierbare Schichteigenschaften von entscheidender Bedeutung für den späteren Einsatzbereich. Die Voltammetrie weist eine hohe Empfindlichkeit auf und ist auch problemlos in Proben mit hoher Salzkonzentration, also Metallelektrolyte, einsetzbar. Die Erweiterung der Analysetechnik eröffnet somit neue Möglichkeiten für eine erweiterte Prozesssicherheit des Metallisierungsprozesses innerhalb der laserbasierten digitalen Prozesskette.

Software zur Datenanalyse und Simulation

Rohdaten von individualisierten Sensoren müssen zunächst ausgelesen, analysiert, linearisiert und kompensiert werden. Hieraus leiten sich Berechnungs- und Linearisierungsvorschriften ab, die eine elektrische Messgröße des Sensors in die gesuchte physikalische Messgröße umsetzen und Quereinflüsse kompensieren. Dabei fallen während der Charakterisierung eines Sensors über den Messbereich der gesuchten physikalischen Messgröße sowie über Quereinflüsse wie z.B. Temperatur und Feuchte bei einem induvidualisierten Drucksensor, enorme Datenmengen an. Nur durch eine leistungsstarke Software zur Datenanalyse und Simulation sind diese handhabbar. Erst hierdurch werden Übertragungsfunktionen ableitbar die es auch erlauben werden, das Verhalten von Sensoren zu simulieren, immer mit dem Ziel die Übertragungsfunktion so einfach wie möglich zuhalten und gleichzeitig den Sensor und dessen Sensorsignale so genau wie möglich zu gestalten.