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Entwicklungsbörse Mikrotechnik


 

Erfolgsgeschichte

Dichtesensor: Schneller Transfer vom Prototyp zum Produkt mit dem MEMS Foundry Service

Wie ist der Mineralgehalt von Mineralwasser? Wann enthält Biogas genug Methan, um ins Erdgasnetz eingespeist werden zu können? Kleinste Änderungen der Dichte von Flüssigkeiten oder Gasen messen, ist wichtig für viele Anwendungen und das Kerngeschäft der TrueDyne Sensors AG in Reinach, Schweiz. Möglich wird dies durch einen MEMS-Chip, der zusammen mit Hahn-Schickard in Villingen-Schwenningen in kurzer Zeit entwickelt wurde und dort in Serie gebaut wird. Herzstück des Chips ist ein freistehender Siliziumkanal mit einem Querschnitt vom 160×200 µm (nur vier Mal dicker als ein menschliches Haar), der auf einem Glassubstrat sitzt. Durch Löcher im Glassockel strömt das Fluid in den Kanal, welcher über Plattenkondensatoren in Resonanzschwingung versetzt wird. Diese Resonanzschwingung wird ebenfalls über Plattenkondensatoren kapazitiv erfasst. Je nach Dichte und Viskosität des Fluides ändern sich die Resonanzfrequenz und die Güte des Kanals. Um die hochgenaue Messung von Umgebungseinflüssen zu entkoppeln, befindet sich der Kanal unter einem Siliziumdeckel, der ein Vakuum einschließt. Um solch einen komplexen Chip zu fertigen, sind insgesamt 4 Wafer und mehr als 100 Prozessschritte notwendig.

 

Aktuelle Verbundprojekte

An den Forschungsinstituten CiSFraunhofer IWS und Hahn-Schickard arbeiten wir schon seit einigen Jahren erfolgreich an der Herstellung und Anwendung von reaktiven Multischichtsystemen (RMS). Neben dem Ni/Al-RMS als Standardsystem zum reaktiven Fügen wird das neuartige Zr/Si-RMS als interessante Alternative angesehen. Gegenüber dem Ni/Al-Standard bietet das Zr/Si-System einige Vorteile, wie höheren Energiegehalt, was dünnere Schichten und den Einsatz von Hartloten ermöglicht, sowie weniger Rissbildung, was neue Anwendungen in der Mikrosystemtechnik ermöglichen wird.

Im Rahmen eines neuen Forschungsprojekts der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) der AiF möchten wir die reaktive Bondtechnologie auf Basis der Zr/Si-Systeme optimieren und für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik vorbereiten. Für dieses Projekt suchen wir Firmen, die das Projekt begleiten, indem sie an regelmäßig stattfindenden Projektsitzungen teilnehmen und/oder das Projekt durch Bereitstellung von Versuchsmaterial oder Dienstleistung unterstützen.


Ihre Vorteile im projektbegleitenden Ausschuss:

  •  Greifen Sie direkt auf die Projektergebnisse zu
  •  Bringen Sie Ihre Ideen ein
  •  Steuern Sie das Projekt aus Ihrer Praxissicht

Die Automatisierung von gewerblichen Wäschereien schreitet stetig voran, insbesondere um Produktivität, Nachhaltigkeit und Sicherheit von Prozessen zu erhöhen sowie Kosten zu reduzieren. Diese Tendenz birgt jedoch auch die Notwendigkeit für ein intelligentes Monitoring der komplexen Maschinenabläufe. Speziell in Wäschereien ist dies von hoher Bedeutung, um beispielsweise die Qualität der Waschprozesse (z.B. die Entfernung von Flecken) und Hygienestandards zu sichern und weiter zu verbessern. Weiterhin kann durch die Einbindung von intelligenten Sensoren zur kontinuierlichen Datenerfassung bzw. Monitoring ein wirtschaftlicher Einsatz von Abwasserrecyclinganlagen gewährleistet werden. Bisher werden jedoch in der Wäschereibranche nur langsam und punktuell neue Trends der Industrie 4.0, wie intelligente Sensoren in Verbindung mit künstlicher Intelligenz, umgesetzt. Zukünftig ist jedoch ein Wandel zu „intelligenten Wäschereien“ unausweichlich, um weiter ökonomisch und ökologisch sinnvolle Dienstleistungen anbieten zu können. Die Entwicklung eines intelligenten Sensorkonzepts für Wäschereien wäre ein erster Schritt zur Vollautomatisierung dieses Industriezweigs.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines intelligenten Sensorkonzepts für gewerbliche Waschprozesse. Durch die gezielte Integration und Kombination von Sensoren in spezifische Prozessschritte (z.B. Klarwäsche, Spülprozess) sowie der Nutzung von künstlicher Intelligenz wird ein effektives Monitoring des Waschvorgangs angestrebt. Mithilfe des neuentwickelten Monitoringkonzepts soll eine Steigerung der Prozessqualität erzielt werden. Weiterhin kann die Beschaffenheit des Abwassers dokumentiert werden. Diese Daten können genutzt werden, um erstmalig einen wirtschaftlichen Abwasserrecyclingprozess für Wäschereien zu entwickeln.

Wir suchen Sie als Partner im Projektbegleitenden Ausschuss:

Für die fachliche Begleitung des Projekts werden Firmen für den projektbegleitenden Ausschuss gesucht (insbesondere kleine und mittlere Unternehmen), die das Projekt aktiv unterstützen.

Ihre Vorteile im Projektbegleitenden Ausschuss:

  • Greifen Sie direkt auf die Projektergebnisse zu
  • Bringen Sie Ihre Ideen ein
  • Steuern Sie das Projekt aus Ihrer Praxissicht

Voraussichtliche Projektlaufzeit: Q4 2019 – Q1 2022

Ziel des geplanten Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen, optischen Beschleunigungssensors mit hybrider Aufbautechnik. Die Messung basiert auf der Beugung kohärenten Laserlichts an diffraktiven Silizium-Mikrostrukturen auf einem MEMS-Element und der Detektion von Beugungsmaxima durch Fotodioden.  Eine Beschleunigung bewirkt eine Bewegung der diffraktiven Struktur und dadurch eine modulierte Intensität auf den Fotodioden in Form von Sinus- und Cosinus-Signalen, die digital mithilfe einer „Arctan-2-Interpolation“ weiterverarbeitet werden und so eine höhere Messauflösung ergeben. Weiter wirkt sich die Anwendung eines präzisen Bestückungsverfahrens (Active Alignment) der optischen Einheit vorteilhaft für diese Lösung aus. Dieses Verfahren erspart ein aufwändiges Nachjustieren optischer Komponenten eines jedes einzelnen Sensors. Stattdessen werden während der Montage bereits alle optischen Komponenten hochgenau zueinander bestückt. Das Sensorelement in Silizium erlaubt eine Skalierbarkeit des Sensors, mit dem Unterschied, dass sich keine aktiven Schaltungsteile auf dem Silizium befinden.

Wir suchen Sie als Partner im projektbegleitenden Ausschuss:

Für die fachliche Begleitung des Projekts werden Firmen für den projektbegleitenden Ausschuss gesucht, die einerseits die Rahmenbedingungen mitgestalten können und andererseits – falls möglich – Geräte zur Verfügung stellen oder eine Auswahl der o.g. Alterungstests durchführen können.

Ihre Vorteile im projektbegleitenden Ausschuss:

  • Greifen Sie direkt auf die Projektergebnisse zu
  • Bringen Sie Ihre Ideen ein
  • Steuern Sie das Projekt aus Ihrer Praxissicht

Voraussichtliche Projektlaufzeit: Q4 2019 – Q1 2022

Für miniaturisierte optische sowie fotoakustische Gassensoren werden Infrarotemitter mit freitragenden Heizern entwickelt. Durch eine möglichst geringe thermische Masse soll eine möglichst effiziente Modulierbarkeit erreicht werden. Zusätzlich wird einstellbarer MEMS Filter in Fabry-Perot-Konfiguration untersucht. So soll zusätzlich eine möglichst hohe Flexibilität hinsichtlich der emittierten Wellenlängen erreicht werden. Dies ermöglicht die Anregung und damit die Identifizierung von verschiedenen Gasen. Die Modulation der IR-Strahlung bis in der kHz-Bereich ist notwendig für die akustische Detektion der Gase.

Während des Projektes wird das Abstrahlverhalten im IR-Spektralbereich optimiert. Dazu werden physikalische Modelle weiterentwickelt, sowie finite Elemente und Raytracing-Simulationen durchgeführt. Die beiden Komponenten werden zunächst einzeln untersucht, bevor sie zu einem monolithischen MEMS Bauteil verbunden werden. Abschließend wird der IR-Emitter hinsichtlich Bandbreite und maximaler Modulationsfrequenz charakterisiert und die Ergebnisse hinsichtlich der Eignung für unterschiedliche Messprinzipien diskutiert.

Wir suchen Sie als Partner im projektbegleitenden Ausschuss:
Für die fachliche Begleitung des Projekts werden Firmen für den projektbegleitenden Ausschuss gesucht, die einerseits die Rahmenbedingungen mitgestalten können und andererseits – falls möglich – Geräte oder Reagenzien zur Verfügung stellen können.

Ihre Vorteile im projektbegleitenden Ausschuss:

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Voraussichtliche Projektlaufzeit: Q1 2019 bis Q4 2020

Im Rahmen eines AiF-Projektes soll eine neue Sensorik für weitgehend universell einsetzbare, kostengünstige und intelligente Schrauben entwickelt werden.

Im Zuge eines neuen Messprinzips wird hierbei eine barometrische Druckmessung mit hoher Empfindlichkeit auf Basis integrierter mikrotechnischer Low-Cost Sensoren eingesetzt. Dies erfordert nur minimale Änderungen der Schraubengeometrie und gewährleistet die grundlegende mechanische Funktionstüchtigkeit bei gleichzeitig integrierter Messung der Vorspannkraft und Temperatur.
Ziel des Vorhabens sind die Verifikation des Messprinzips, die detaillierte Ermittlung der Einsatzmöglichkeiten und –grenzen, sowie die Bereitstellung von Demonstratoren und Design-Richtlinien für den optimalen Systementwurf.

Wir suchen Sie als Partner im projektbegleitenden Ausschuss:

Für die fachliche Begleitung des Projekts werden branchenübergreifend Firmen für den projektbegleitenden Ausschuss gesucht, die die Anforderungen an Demonstratoren für den späteren Einsatz industriellen Umgebungen mitgestalten wollen und – falls möglich – Tests zur Verifikation des Messprinzips und Abgrenzung der Einsatzbereiche durchführen können, bzw. Geräte hierzu zur Verfügung stellen.

Ihre Vorteile im projektbegleitenden Ausschuss:

  • Bringen Sie Ihre Ideen und Anforderungen mit ein
  • Greifen Sie auf die Projektergebnisse zu
  • Nutzen Sie die Möglichkeit zum Test von Demonstratoren in Ihren eigenen Anwendungen

Ziel des geplanten Projekts ist die Erlangung eines tieferen Prozessverständnisses des reaktiven Fügens, insbesondere hinsichtlich der dynamischen Aspekte. Durch eine möglichst exakte Modellierung unter Einsatz moderner numerischer Simulationstools sollen die räumliche und zeitliche Wärme- und Spannungsverteilung sowohl innerhalb der Fügezone als auch im angrenzenden Bauteil ermittelt werden, um die optimalen Material- und Prozessparameter beim reaktiven Fügen ohne vorherige, aufwändige Versuchsreihen zu finden.Zusätzlich sollen der Zündvorgang und der Reaktionsverlauf genauer untersucht werden.

Im Rahmen des Projekts werden geeignete reaktive Multischichtsysteme (RMS) auf der Basis von Ni/Al, Zr/Al und Zr/Si entwickelt und für Versuche an Testsubstraten bereitgestellt. Nach dem Fügeprozess werden die Fügeverbindungen und die Fügepartner analysiert. Ein Vergleich der Ergebnisse mit der Simulation dient der Rückkopplung auf die Eingangsdaten der Modellierung. Bei erfolgreicher Verifizierung der Simulationsergebnisse werden ausgewählte Demonstratoren erstellt. Abschließend werden die gesammelten Erkenntnisse in einem Prozesshandbuch zusammengefasst.

Wir suchen Sie als Partner im projektbegleitenden Ausschuss:

Für die fachliche Begleitung des Projekts werden Firmen für den projektbegleitenden Ausschuss gesucht, die einerseits die Rahmenbedingungen mitgestalten können und andererseits – falls möglich – Geräte zur Verfügung stellen oder eine Auswahl der o.g. Alterungstests durchführen können.

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Voraussichtliche Projektlaufzeit: Q2 2019 – Q3 2021

Um die Langzeitstabilität und die Zuverlässigkeit von reaktiven Vielfachschichten wie Ni/Al für konkrete Produktanwendungen nachzuweisen, werden systematische und statistisch aussagekräftige Versuche beispielsweise durch thermische Auslagerung zwingend notwendig. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt darin, Alterungsprozesse der Fügeverbindungen auf mikroskopischer Ebene zu analysieren. Für die Durchführung werden einerseits die Geräte und das Know-how zur Herstellung und Qualifizierung der reaktiven Fügeverbindungen und andererseits die dazu passenden Qualifizierungsmethoden benötigt.

Zu Beginn des Projekts sollen neben den zu untersuchenden Materialien auch die Parameter für die Temperaturauslagerung bzw. die Temperaturwechseltests festgelegt werden.

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Voraussichtliche Projektlaufzeit: Q1 2019 – Q4 2020

Ziel des geplanten Vorhabens ist die Erhöhung der Prozesssicherheit und die Erarbeitung von Methoden zum Prozessmonitoring bei der Herstellung von keramischen 3D-Schaltungsträgern.

Dazu gehört die Erarbeitung einer prozesssicheren Dotierung der Al2O3-Keramiken für eine nachfolgende Laseraktivierung und Metallisierung. Hierbei sollen die Dotierstoffkonzentration und –verteilung, der Einfluss auf die Gefügestruktur der Keramik sowie eine Erweiterung der Werkstoffpalette, z. B. auf ZTA-Keramiken, zentrale Aspekte der Untersuchungen sein. Eine verbesserte Prozesssicherheit der Laserstrukturierung und Metallisierung betrifft vor allem die Thematiken Fremdmetallisierung und Oberflächenrauheit der abgeschiedenen Metallschichten. Für ein Prozessmonitoring, welches die gesamte Prozesskette vom Keramikspritzguss über die Sinterung, Laserstrukturierung bis zur Metallisierung umfasst, soll eine geeignete Methodik, z. B. anhand Monitoring-Bauteilen mit Teststrukturen, erarbeitet werden.

Weiter sollen Untersuchungen zur Zuverlässigkeit von keramischen 3D Schaltungsträgern durchgeführt werden. Abschließend werden die erarbeiteten Erkenntnisse zu Richtlinien zur Prozessführung bei der Anfertigung von keramischen 3D Schaltungsträgern zusammengefasst.

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Ziel des Projekts ist die Erarbeitung von Technologien für Leichtbau-Serviceroboter am Beispiel einer Pflegeeinheit von vertikalen Begrünungen als Auge und verlängerter Arm des Gärtners. Pneumatische, textile Aktoren, welche zur Fortbewegung und als Manipulator an der Fassade dienen, in Kombination mit folienbasierten Elektronik- und Sensorsystemen sollen eine entscheidende Basis zur Realisierung von solchen neuartigen Servicerobotern bieten.

Im Projekt sollen folgende technologische Schwerpunkte erarbeitet werden:

  • Pneumatische Textile Aktuatoren (PTA) mit integrierten Sensorgarnen, welche die Grundlage für die strukturelle Überwachung bilden, zur Fortbewegung des Service-Roboters an der Fassade.
  • Folienbasiertes dehnbares System mit integrierten Sensoren z.B. für die Erfassung von Umweltparametern und Positionsdaten. Für die Anbindung des Foliensystems an die PTA und die Interaktion mit den integrierten Sensorgarnen ist eine mechanische und elektrische Verbindungstechnologie zu erarbeiten.
  • Komponente mit integrierter Kamera sowie Verarbeitung der Ansteuer- und Sensordaten sowie Verbindungstechnologie zu folienbasiertem System und textiler Struktur.

Abschließend wird mit den erarbeiteten Technologien ein Demonstrator aufgebaut, validiert und charakterisiert.

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Additive 3D Fertigungsverfahren und die Funktionalisierung der Bauteile erlangen in der Industrie im Zuge der zunehmenden Individualisierung von Produkten immer größere Bedeutung. Die Integration von Leiterbahnstrukturen kann hierbei z.B. durch das sogenannte LPKF-ProtoPaint®-Verfahren realisiert werden, bei dem das additiv gefertigte Bauteil mit einem LDS-Lack überzogen wird, der dann selektiv durch Laserstrukturierung für die außenstromlos chemische Metallisierung aktiviert wird.

Im geplanten Projekt soll nun ein Material entwickelt werden, welches LDS-Additive enthält und in der Additiven Fertigung durch UV-Belichtung verarbeitet werden kann. Aufbauend darauf soll ein Prozess erarbeitet werden, mit dem das additiv gefertigte 3D-Kunststoffbauteil mittels Laser strukturiert und außenstromlos selektiv metallisiert werden kann. Die zu erreichenden Strukturen sollten vergleichbar mit dem MID-Standard sein und einen Pitch von ca. 300 µm haben. Bei der Entwicklung des Werkstoffs sollen Fragestellungen der Verarbeitbarkeit und insbesondere der thermischen und thermomechanischen Eigenschaften, welche Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit funktionalisierter Produkte haben, berücksichtig werden.

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Voraussichtliche Projektlaufzeit: Q4 2019 – Q1 2022

 

Sie haben Interesse, an einem der Projekte mitzuwirken?
Gerne stehen wir Ihnen zu Verfügung.


Kontakt

Simon Herrlich
Mikrotechnik
Telefon: +49 (0) 7721 / 943-332
herrlich@technologymountains.de

Simon Herrlich

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