Aktuelle Projektergebnisse

Im Leistungszentrum Mikro/Nano werden zwei, in ihren Eigenschaften sich ergänzende RoHS-konforme Ansätze für mikro-elektro-mechanische Ultraschallwandler (Micromachined Ultrasonic Transducer - MUT) verfolgt – die CMUT-Technologie für kapazitiv angesteuerte Wandler und die PMUT-Technologie für piezoelektrische Wandler unter Verwendung von AlN als aktivem Material. 

Ein Beispiel, welches die Zusammenarbeit im LZ Mikro/Nano sehr gut illustriert, ist die Realisierung neuartiger Ultraschallwandler auf Basis kapazitiv angesteuerter mikro-elektro-mechanischer Bauelemente (Capacitive Micromachined Ultrasonic Tranducer - CMUT). Der Entwurf dieser Bauelemente erfolgt gemeinsam durch das Fraunhofer IIS/EAS und das Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden. Im 200 mm Reinraum des IPMS werden die CMUT-Bauelemente auf Basis der Entwurfsergebnisse hergestellt. Die nachfolgende Aufbau- und Verbindungstechnik sowie die Integration in einen wasserdichten Sensorkopf wird vom Zentrum für mikrotechnische Produktion an der TU Dresden vorgenommen.

Abb. 1 zeigt einen solchen Sensorkopf in Prototypenform. Das Besondere an der hier verbauten CMUT-Chipgeneration ist, dass die 6-10 individuell elektrisch ansteuerbaren Aktuator-Sensor-Kanäle als konzentrische Ringe ausgebildet sind. Dies erlaubt eine alleine durch die elektrische Ansteuerung einstellbare Tiefenfokussierung (siehe Abb. 2), d.h. variierbare Messtiefe und räumliche Auflösung.

Ein solcher Sensorkopf kann für sonografische und auch photoakustische Messverfahren genutzt werden. Mögliche Einsatzgebiete sind in der Medizintechnik und Biomedizin, z.B. in miniaturisierten Ultraschallmessköpfen für die Endoskopie, sowie in der industriellen Mess- und Prüftechnik. 

Ein weiteres Beispie mit dem gleichen Ringlayout ist eine Technologieplattform für die Waferlevelfertigung von piezoelektrischen, mikromechanischen Ultraschallwandlern (PMUT), welche von den Forschungspartner des Fraunhofer ENAS und der TU Chemnitz erfolgreich demonstriert wurde. Im LZ Mikro/Nano fanden hierfür die notwendigen technologischen Entwicklungen für die Realisierung von Wandlern im Bereich von 3-15 MHz statt.

Die Forschungspartner des Fraunhofer ENAS und der Technischen Universität Chemnitz haben hierbei unter anderem eine Technologieplattform für eine Waferlevelfertigung von piezoelektrischen, mikromechanischen Ultrachallwandlern (engl. piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, PMUT) im Bereich 3-15 MHz entwickelt. Ziel der Technologieplattform ist es flexible, individuelle, kostengünstige und innovative Ultraschallsensoren, explizit für die Anforderungen von kleinen und mittelständigen Betrieben, applikationsnah umzusetzen.

Das Konsortium konnte für eine komplexe, fokussierbare Sensorkonfiguration einen Technologiezweig auf Basis von piezoelektrischem Aluminiumnitrid entwickeln. Dieser erlaubt es Arrays aus mehreren tausend Einzelelementen ringförmig als Cluster oder einzeln anzusteuern. Bei den Einzelelementen handelt es sich um frei bewegliche Membranen auf Basis von Silizium mit einem piezoelektrischen Wandler. Die Arbeitsfrequenzen der Elemente können durch Geometrieänderung an die Applikationen angepasst werden. Ein Schlüssel bei der Herstellung ist die Kompensation des intrinsischen Stresses des heterogenen Schichtstapels mit hohen Aspektverhältnissen. Die Membranen, bestehend aus bis zu sieben Materialien, haben einen Durchmesser von bspw. 100 µm bei einer Höhe von circa 2 µm. Die Technologieplattform ermöglicht eine homogene Herstellung, sowohl von mehreren tausend Einzelelementen auf einem Chip, als auch die reproduzierbare Fabrikation auf dem Wafer. 

Im Rahmen des Leistungszentrums wurde ein neues Herstellungskonzept für faltbare Elektroniksysteme unter Nutzung waferbasierter Technologien entwickelt.

Hierbei werden auf 300mm Si Wafern flexible, polymerbasierte Umverdrahtungsebenen auf einen Siliziumträger aufgebaut. Darauf folgend, werden mittels RIE Ätzprozess Kavitäten bis auf die Polymerschicht eingeätzt. Dadurch liegen die Umverdrahtungsebenen an diesen Stellen frei und können gefaltet werden. Vorher werden die starr-flex Aufbauten vom Trägerwafer entfernt und bestückt.

Nach der Entwicklung der Herstellungstechnologie wurde ein am Fraunhofer IIS-EAS entworfenes Waferlevel Package am Fraunhofer IZM-ASSID gefertigt und für Bestückungstest zur Verfügung gestellt.

Im Ergebnis entstand ein sehr kompaktes Wafer Level Package welches kompatibel mit den für die Schaltung geplanten Bauelementen ist und potentiell eine hermetische Verkapselung ermöglicht.

Im LZ Mikro/ Nano wurde neue ein neuer flexibler Interposer auf Basis von Parylene entwickelt und realisiert. Als Demonstrator diente dabei ein Sensorsystem mit einem MEMS-Beschleunigungssensor inkl. zugehörigem Auswerteschaltkreis (ASIC), Mikroprozessor, Energieversorgung und Antenne.

Der Entwurf des Systems erfolgte gemeinsam durch das Fraunhofer IIS/EAS in Dresden. In den Reinräumen des ZfM der TU Chemnitz und des Fraunhofer ENAS wurde dann der flexible Interposer auf Basis der Entwurfsergebnisse hergestellt und anschließend umfangreich charakterisiert. Der flexible Interposer besteht aus mehreren metallischen Umverdrahtungsebenen die sich auf einem Parylene-Substrat befinden und durch weitere Parylene-Schichten, die als Dielektrikum zwischen den Umverdrahtungsebenen fungieren, getrennt sind. Neben der Entwicklung der Technologie stellt dabei insbesondere die Entwicklung der entsprechenden Durchkontakte durch die Parylene-Dielektrika einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt dar.

Die Abbildung zeigt ein Foto (a) bzw. eine lichtmikroskopische Aufnahme (b) einer der hergestellten Parylene-Leiterplatte mit zwei Umverdrahtungsebenen aus Gold. Neben ihrer hohen Flexibilität, chemischer Inertheit und Transparenz des Trägermaterials zeichnet sich die Leiterplatte dabei insbesondere durch die Verwendung ausschließlich biokompatibler Materialien sowie eine Gesamtdicke von unter 20 µm aus. Im Folgeprojekt werden aktuell die zugehörigen Methoden der Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt, um Bauelemente auf die Leiterplatte integrieren zu können.

Im LZ Mikro-/Nano wurde in Zusammenarbeit von fünf Fraunhofer-Instituten und drei Universitäten eine Technologieplattform zur Umsetzung von Industrie 4.0 im Maschinenbau erarbeitet. Diese soll die Integration von mikroelektronischen und mikromechanischen Elementen in Maschinenbauteile demonstrieren und Wege zur Realisierung neuartiger strukturintegrierter, intelligenter Maschinenbaukomponenten aufzeigen. Einsatzszenarien dieser neuen Technologie sind die Zustandsüberwachung, die vorausschauende Wartung und die adaptive Prozessteuerung.

Im Projektverlauf wurden verschiedene Sensorringe für die Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben mit Doppelmutter entwickelt. Diese können sowohl bei der Erstausstattung, als auch bei der Anlagenmodernisierung zwischen den beiden Mutterhälften der Doppelmutter montiert werden. Abb. 1 zeigt beispielhaft eine Flansch-Doppelmutter mit moniertem Sensorring.

Die Daten- und Energieübertragung erfolgt drahtlos zu einem ebenfalls im Projekt entwickelten IoT-Gateway. Die Sensorringe können mit unterschiedlichen Sensoren ausgestattet werden, wobei die Messgrößen Temperatur, Kraft und Beschleunigung bzw. Vibration besonders zur Überwachung des Zustandes von Kugelgewindetreiben geeignet sind. Je nach Anwendungsfall und den Datenraten der ausgewählten Sensoren können die Sensorringe mit einer Datenübertragung per Bluetooth Low Energy oder RFID aufgebaut werden.

Abb. 2 zeigt einen Sensorring mit drahtloser Energieversorgung und drahtloser Datenübertragung per Bluetooth Low Energy. Integriert sind neben einem Datenlogger und dem Energiemanagement, Sensoren zur Messung der Vorspannkraft und Temperatur. Die Erarbeitung von verschiedenen Sensorringen zur Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben und als Demonstratoren der entwickelten Technologieplattform, konnte nur durch die hervorragende Zusammenarbeit der beteiligten Fraunhofer-Institute erreicht werden (siehe Abb. 3).

Die entwickelte Technologieplattform kann prinzipiell zur Überwachung einer Vielzahl von Maschinenbauteilen eingesetzt werden. Über die Zustandsüberwachung hinaus, können die damit gewonnenen Daten zur Verbesserung des Prozessverständnisses und der OEE verwendet werden.