Ergebnisse und Leistungen 2002

IZFM HSG-IMATUniversität Stuttgart Hahn-Schickard-GesellschaftLehrstuhl Mikro-, Miniatur- und Zeitmeßtechnik Institut für Mikroaufbautechnik

100µm

Titelbild:

µECM-Technologie vom Entwurf biszum fertigen Bauteil

Ergebnisse und Leistungen 2002

Inhaltsverzeichnis

Organisationsstruktur 2

Vorwort 3

Siliziumresonatoren in Oberflächenmikromechanik 4

Konzeption eines elektrostatischen Miniaturventils in MID-Technik 6

Technologische Testbauteile für die AHMID-Fertigungslinie 8

Neue Verbindungstechniken für miniaturisierte Mikrofluidiksysteme aus Kunststoff 10

Laserstrukturierung von MID-Bauteilen 12

Laserstrukturiertes MID als Sensoraufnahme für eine intrakardiale Pumpe 14

Simulationstechniken in der Mikrosystemtechnik 16

Tooling und Verfahrensstrategien beim elektrochemischen Fräsen mit ultrakurzen Spannungsimpulsen (µECM) 18

Anlagen - Geräte - Verfahren 21

HSG-IMAT in Zahlen 22

Publikationen 23

Messebeteiligungen, Mitarbeit in Gremien 24

Lehrveranstaltungen, Studien- und Diplomarbeiten, Promotionen 25

Organe der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V. 26

Nachruf für Herrn Dipl.-Ing. Fritz Dürr 28

Anfahrtsplan 29

Universität StuttgartInstitut für Zeitmeßtechnik, Fein- und MikrotechnikLehrstuhl Mikro-, Miniatur- und ZeitmeßtechnikBreitscheidstr. 2 b · D-70174 StuttgartTelefon: ++49(711)121-3711 · Telefax: ++49(711)121-3705E-mail: izfm@izfm.uni-stuttgart.deWWW: http://www.uni-stuttgart.de/izfm

Hahn-Schickard-GesellschaftInstitut für MikroaufbautechnikBreitscheidstr. 2 b · D-70174 StuttgartTelefon: ++49(711)121-3712 · Telefax: ++49(711)121-3705E-mail: hsg-imat@izfm.uni-stuttgart.deWWW: http://www.uni-stuttgart.de/hsg-imat

Leitung: Prof. Dr. rer. nat. Heinz Kück

Organisationsstruktur

2

Lehrstuhl Mikro-, Miniatur- undZeitmeßtechnik

Leiter: Prof. Kück

Hahn-Schickard-Institut fürMikroaufbautechnik

Leiter: Prof. Kück

Abteilung TechnologieLeiter: Dr. W. Eberhardt

Fr. FasterdingFr. FlechtnerHr. SchulzHr. Spitznagel

Hr. AhrendtFr. GehrlachHr. MünchHr. PeinHr. SchlagFr. ScholzHr. SpritzendorferFr. Dr. Wang

Hr. Gmelin

Mechanische WerkstattHr. EylandtHr. Lechler

Hr. SeifertHr. GrabeinHr. Dr. OpreaHr. Schilling

CAD/CAM-TechnikenLeiter: Prof. Kück

Hr. SkibowskiHr. Dr. SchubertHr. AllgeierHr. Vogel

Hr. WarkentinHr. Benz Hr. Arnold

Fr. Liu

BauelementeLeiter: Prof. Kück

Hr. Mohr

Administrative Dienste Hr. BärlinFr. Hoffmann

Fr. IhleFr. BellezerFr. Hummel

Vorwort

3

Sehr geehrte Damen und Herren,

im Jahr 2002 wurden wichtige Wei-chen gestellt, um unser Know-how-Angebot in der Gehäuse- und Ver-bindungstechnik weiter zu entwi-ckeln. Mit der Installation einer leis-tungsfähigen Laserbelichtungsanla-ge ist uns ein rascher Einstieg in dieLaserstrukturierung von MID-Bausteinen gelungen, wobei wir aufunseren breiten Erfahrungen in derMetallisierung von Polymerwerk-stoffen aufbauen konnten. Dabeiwerden sowohl subtraktive Verfah-ren, z. B. bei metallisierten LCP-Bauteilen, als auch das voll additiveLaser Direkt Strukturierungsverfah-ren von LPKF eingesetzt. Nebender hohen Strukturfeinheit zeichnetsich die Laserstrukturierung insbe-sondere durch eine große Flexibili-tät und Redesignfreundlichkeit beider Leiterbildgestaltung aus.

Die hohe Leiterbahndichte der La-serstrukturierung ist eine wesentli-che Voraussetzung für den Einsatzder Flip-Chip-Technik auf MID-Bau-steinen. So eröffnet sich ein großesPotenzial für den effizienten Aufbauhöchst miniaturisierter Sensorenund Aktoren. In Verbindung mitKlebetechniken mit geringer thermi-scher Belastung der Polymerwerk-stoffe bietet sich eine interessanteAlternative zum Löten mit bleifreienLoten. Deshalb haben wir im ver-gangenen Jahr mit umfangreichenArbeiten zur Flip-Chip-Montage aufMIDs begonnen.

Mit dem erfolgreichen Abschlussdes AHMID-Verbundvorhabens imJuli letzten Jahres wurde die Heiß-präge-MID-Technik durch die Be-reitstellung geeigneter Fertigungs-anlagen um einen wesentlichenSchritt im Hinblick auf die indus-

trielle Umsetzung weiter gebracht.Das hat dazu geführt, dass bei derHeißprägetechnik im HSG-IMATnun die Entwicklung von Prototypenim Vordergrund steht.

Die Mikrospritzgießtechnik spielt beiunseren Arbeiten eine immer wich-tigere Rolle. Das betrifft insbeson-dere die mikromechanischen Sen-sor- und Aktorbauelemente, die wirauf der Basis selektiv metallisierterPolymere entwickeln. Darüber hin-aus konnten wir im vergangenenJahr auch erste vielversprechendeErgebnisse zu spritzgegossenenBauteilen für die Mikrofluidik erzie-len, die mit Hilfe geeigneter Verbin-dungstechniken zu komplettenmikrofluidischen Systemen gefügtwerden. Die kostengünstige Her-stellung ist eine Voraussetzung,mikrofluidische Systeme in großenStückzahlen als Einwegbauele-mente einzusetzen, z. B. in den LifeSciences.

Allerdings zeigen sich bei der Mik-rospritzgießtechnik deutlich diederzeitigen Probleme bei der Her-stellung der Formeinsätze für drei-dimensionale Strukturen mit Ab-messungen im Mikrometerbereichund Submikrometergenauigkeiten.Mit spanender Bearbeitung undMikroerodiertechnik kann die ge-wünschte Genauigkeit und Oberflä-chenqualität nicht immer erreichtwerden. Hier bietet das neue Ver-fahren des elektrochemischen Frä-sens mit ultrakurzen Spannungsim-pulsen völlig neue Möglichkeiten, daArbeitsspalte bis in den 100 nm-Bereich eingestellt werden könnenund die Bearbeitungswerkzeugepraktisch keinen Verschleiß er-leiden. Unsere ersten Arbeiten zei-

gen, dass feinste Strukturdetails inFormeinsätzen aus Edelstahl oderfeinste Bohrungen für Düsenstruktu-ren hergestellt werden können,weshalb wir uns künftig verstärkt mitdem elektrochemischen Fräsen mitultrakurzen Impulsen befassen wer-den. Dabei werden Fragestellungenzu spezifischen Anwendungen imVordergrund stehen, während sichunsere Kollegen im Fritz-Haber-Institut, wo das Verfahren erfundenwurde, an der Erweiterung der theo-retischen Grundlagen arbeiten.

Die Weiterentwicklung unserer Ar-beitsgebiete geht Hand in Hand miteinem kontinuierlichen Wachstumunserer Institute. Die Nachfragenach unseren F+E-Leistungen sei-tens der Industrie entwickelte sichmit einem Erlösanteil von über 40%sehr positiv. Die Neuprofilierungunserer Institute trägt also Früchte.Dafür ist es entscheidend, dass wiruns im HSG-IMAT auf industrierele-vante Themen konzentrieren undam IZFM spannende Grundlagen-projekte angehen. In diesem Sinneempfehlen wir uns auch für einekünftige Partnerschaft mit Ihnen.

Ihr

Heinz Kück

Siliziumresonatoren in OberflächenmikromechanikM. Giousouf *, H. Kück

In der Silizium-Mikromechanikkommen zwei wesentliche Herstel-lungsverfahren, nämlich die Volu-men-Mikromechanik und die Ober-flächen-Mikromechanik zur Anwen-dung. In der Volumen-Mikro-mechanik wird ein Siliziumwafer inseiner Gesamtdicke bearbeitet.Dagegen wird bei der Oberflächen-Mikromechanik im Vergleich zurWaferdicke eine dünne Silizium-schicht eingesetzt. Dabei kann die-se Schicht aus mono- oder polykri-stallinem Silizium sein.

Bei unseren bisherigen Arbeiten, diein den Jahresberichten 1998 und1999 beschrieben sind, wurdenSiliziumresonatoren für Anwendun-gen in der Uhrentechnik mit Volu-men-Mikromechanik hergestellt. Indiesem Bericht werden Resonato-ren mit Oberflächen-Mikromechanikvorgestellt, die gegenüber den zu-vor genannten den Vorteil von ge-ringeren Baugrößen und einergrundsätzlich CMOS-kompatiblenHerstellung aufweisen. Dabei wirdsowohl von der Silicon-On-Insulator(SOI)-Technologie als auch von derPolysilizium-Technologie Gebrauchgemacht.

Herstellungsverfahren

In Bild 1 ist ein Schnitt durch dieResonator-Bauelemente skizziert.Bei der SOI-Technologie wurdenSIMOX-Wafer mit einer ca. 30 µmdicken monokristallinen Silizium-schicht für die Resonatoren ver-wendet. Diese Schicht wird voneiner ca. 300 nm dicken Oxidschichtvom Substrat getrennt und wirdmittels eines Trockenätzprozessesstrukturiert. Das Freilegen der Re-sonatorstruktur geschieht am Ende

der Prozesskette durch Ätzen desSubstrates von der Unterseite her.Die Bauelemente wurden entspre-chend unserem Design im FhG-IMSin Dresden hergestellt.

Die Bauelemente in Polysilizium-Technologie wurden bei der Fa.Bosch in Reutlingen hergestellt.Dabei wird auf einem oxidiertenSilizium-Substrat eine ca. 10 µmdicke Polysiliziumschicht abge-schieden. Diese wird ebenfallsdurch Trockenätzen strukturiert.Schließlich wird die mikromechani-sche Struktur durch das selektiveÄtzen des Opferoxids freigelegt.Vorteilhaft hierbei ist die geringeBauhöhe des Bauelementes, da esim Gegensatz zur SOI-Variantenicht zusätzlich von unten verkapptwerden muss.

In Bild 2 ist ein Stimmgabelresona-tor in SOI-Technologie gezeigt.Entsprechende Stimmgabelreso-natoren wurden auch mit der Polysi-lizium-Technologie realisiert. UmResonatoren hoher Schwingungs-güte zu entwickeln, wurde ausge-hend von Überlegungen zur Aus-wirkung der Materialdämpfung einRingresonator entwickelt, der inBild 3 gezeigt ist. Diese Resonato-ren werden elektrostatisch zu reso-nanten Schwingungen angeregt.

Die Detektion der Schwingung er-folgt kapazitiv. Dabei wurden beiverschiedenen Resonatorvariantendie Elektroden entweder planparal-lel oder kammförmig ausgeführt.

Typische Abmessungen der Stimm-gabelresonatoren liegen bei denSOI-Varianten um 900 x 50 µm2

und bei den Polysilizium-Variantenum 300 x 15 µm2. Der Ringresona-tor hat einen Durchmesser vonca. 1 mm.

Ergebnisse

Bei den experimentellen Untersu-chungen werden alle Resonatorenim Hochvakuum, d. h. bei Drückenkleiner als 10-3 mbar betrieben.

Die Resonatoren wurden hinsicht-lich ihres elektromechanischenVerhaltens untersucht, d. h. dieFrequenzen und Güten, sowie dieAbhängigkeiten der Frequenzenvon den Antriebsspannungen undder Betriebstemperatur. Weiterhinwurde die Leistungsaufnahme vonverschiedenen Resonatorvariantenbestimmt.

Im Gegensatz zu den früherenStimmgabeln in Volumen-Mikro-mechanik konnten bei den hier vor-gestellten Schwingern die Frequen-

*

Bild 1: Schematischer Schnitt durch Silizium-Resonatoren mit SOI- und Polysilizium-Technologie.

seit 03/2001 bei Festo AG & Co., 73734 Esslingen

4

5

zen über genügend hohe Kapazi-tätsänderungen gemessen werden.Hierzu wurden eine Messverstär-kerschaltung und ein Netzwerkana-lysator eingesetzt.

Typische Resonanzfrequenzen derStimmgabeln liegen um 30 und60 kHz. Dabei weisen die Stimmga-beln zwei nahe beieinander liegen-de Schwingungsmoden auf, weil dieZinken in Phase oder gegenphasigschwingen können. Die Frequenzdes Ringresonators lag bei 45 kHz.Der Ringresonator hat im Fre-quenzbereich der Drehmode keineweitere Schwingungsmode.

Der Ringresonator erreicht Gütenbis zu 170.000 im Hochvakuum,wogegen die Güten der Polysilizi-um-Stimmgabeln um 100.000 unddie der SOI-Varianten um 45.000liegen.

Ein wesentliches Merkmal derStimmgabeln ist die stärkere Ab-hängigkeit der Schwingungsfre-quenz von der Betriebsspannung.Da die elektrostatische Kraft pro-

portional zum Quadrat der Span-nung ist, muss die Kraft für eineharmonische Kraftanregung lineari-siert werden, was durch Überlage-rung einer Gleich- oder Polarisie-rungsspannung mit der Wechsel-spannung möglich ist. Dabei ist dieAmplitude der Wechselspannungdeutlich geringer als die Polarisati-onsspannung. Bei Kammelektrodenist die Abhängigkeit der Frequenzvon der Polarisierungsspannunggeringer ausgeprägt. Der Ringreso-nator hat Kammelektroden, die fürdie Drehschwingung optimiert sind,so dass hier keine Abhängigkeit derFrequenz von der Spannung mess-bar war.

Die Temperaturabhängigkeit derFrequenz von SOI-Stimmgabelnliegt bei ca. �26 ppm/°C und beiden Polysilizium-Schwingern imMittel bei ca. �28 ppm/°C. Diese imVergleich zum Quarz hohen Tem-peraturkoeffizienten, können imgemessenen Temperaturbereichvon 10 .. 60°C als linear betrachtetwerden (vgl. Jahresbericht 1999).Die Temperaturabhängigkeit kann

durch Messung der Chip-Tempera-tur kompensiert werden. Bei einerTemperaturauflösung von 0,03°Cund anschließender elektronischerFrequenzkorrektur ergibt sich eineGanggenauigkeit der Siliziumuhr imBereich typischer low cost Quarz-uhren.

Wesentlich günstiger ist die Leis-tungsaufnahme elektrostatisch be-triebener Resonatoren, die im Fallevon Stimmgabeln um 0,01 nW unddamit um eine Größenordnunggeringer ist als bei Quarzstimmga-beln.

Kontaktperson:Prof. Dr. rer. nat. Heinz KückTel. ++49(711)121-3710E-mail heinz.kueck@izfm.uni-stuttgart.de

Bild 2: REM-Aufnahme eines Stimmgabelresonators, der inSOI-Technologie hergestellt ist.

Bild 3: REM-Aufnahme des Ringresonators, der mit Hilfe derPolysilizium-Technologie gefertigt wurde.

Konzeption eines elektrostatischen Miniaturventils in MID-TechnikM. Arnold, D. Warkentin, M. Oprea

6

Einleitung

In zahlreichen Anwendungen wiez. B. in der Automatisierung undMedizintechnik werden Miniaturven-tile benötigt. Die Miniaturisierungder Ventile erfordert neben neuenHerstellungstechnologien auch denEinsatz neuer Wandlerprinzipen.Die MID-Technologie bietet in Ver-bindung mit dem Mikropräzisions-spritzguss die Möglichkeit, elektro-statisch angetriebene Ventile aufzu-bauen. Das Potenzial dieser Ventileliegt im einfachen Herstellungs- undMontageprozess, dem kostengüns-tig aufgebauten Aktor sowie dergeringen Leistungsaufnahme. DasFunktionsprinzip eines normal ge-schlossenen 3/2 Ventils ist schema-tisch in Bild 1 dargestellt.

Elektroden

R P ASeitenansicht

VorderansichtDeckel

Boden

Wippe

Feder

Bild 1: Schematische Seitenansichtund Vorderansicht eines elektrostati-schen Ventils in MID-Technik

Das Ventil besteht aus einem Ge-häuse und einer beweglich gela-gerten Wippe. Im unbetätigten Zu-stand wird die Wippe durch eineRückstellfeder entgegen dem Uhr-zeigersinn gedreht, so dass derDruckanschluss (P-Düse) geschlos-sen wird. Durch Anlegen einer elekt-rischen Spannung an die Kamm-elektroden entsteht eine elektro-statische Kraft und somit ein Dreh-moment, dass die Wippe um diezentrale Lagerung dreht, den Ab-luftanschluss (R-Düse) schließt und

die P-Düse öffnet. Gleichzeitig wirddie Rückstellfeder weiter gespannt.Beim Abschalten der elektrischenSpannung wird die Wippe wiederdurch die Federkraft in die Grund-stellung bewegt. Über die jederzeitgeöffnete A-Düse können pneuma-tische Funktionselemente ange-steuert werden.

Elektrostatische Krafterzeugung

Die elektrostatische Kraft wirkt zwi-schen zwei unterschiedlich gelade-nen Körpern anziehend. Bestim-mend für die Größe der entstehen-den Kraft ist die Höhe der angeleg-ten elektrischen Spannung, diequadratisch eingeht, sowie die Ka-pazität, die sich über die Geometrieergibt. Bei den gewählten Kamm-antrieben sind vor allem der Luft-spalt zwischen den einzelnen Elekt-roden, die Länge der Kammelektro-den und die Anzahl der Elektroden-paare maßgebend.

Demonstrator

Aufbauend auf diesem Funktions-prinzip wurde ein Demonstrator ausMessing angefertigt, der über einenKammantrieb mit 33 Einzelelektro-den verfügt. Die Abmessungen desDemonstrators (l x b x h) sind24 mm x 20 mm x 5 mm.

Bild 2: Kammelektrode des De-monstrators

Anhand dieses Demonstrators wur-de die grundsätzliche Funktionswei-se eines elektrostatisch arbeitendenVentils nachgewiesen. Mit demDemonstrator können Drücke vonbis zu 10 bar geschaltet werden.

Schematischer Aufbau des MID-Ventils

Das Ventil in MID-Ausführung be-steht aus drei Kunststoffteilen sowiezwei Dichtungen und einem Feder-element. In Bild 3 ist eine Explo-sionszeichnung des Ventils darge-stellt. Der Gehäusedeckel, Gehäu-seboden und die Wippe werden ausLCP (Vectra E 820i Pd, Firma Tico-na) im Spritzguss hergestellt undanschließend mit einer dünnenKupfer-Nickel-Gold-Schicht außen-stromlos chemisch metallisiert.

GehäusedeckelDichtungen

Wippe

Federelement

Gehäuseboden

Bild 3: Explosionszeichnung des MID-Ventils

Nach dem Metallisieren erfolgt eineStrukturierung der Metallschichtdurch Laserablatieren. Dadurchwird die metallisierte Oberfläche derBauteile in mehrere leitende Berei-che unterteilt, die für die elektrischeBeschaltung und Funktion notwen-dig sind. Die Dichtungen bestehenaus NBR und das Federelementaus Stahlblech. Die Abmessungendes Ventils (l x b x h) sind19,2 mm x 14,7 mm x 6 mm.

Bauteile

Im Bild 4 ist der Gehäusebodengezeigt. Zwei Zapfen im Bodendienen zur Zentrierung und Befesti-gung der Feder. Ein Durchbruch imBoden dient der Spannungszufüh-rung für das Federelement, das denKontakt zur Wippe herstellt. Im

7

Weiteren ist ein am Rand umlau-fender Absatz zu sehen, welcherdie Zentrierung der beiden Gehäu-seteile bei der Montage gewähr-leistet. Als weiteres Funktionsele-ment ist ein Teil der Kammelektrodeim Gehäuseboden angeordnet.

Umlaufende Nutzur Ausrichtungder Gehäuseteile

Spannungs-zuführung

Zapfen zurFixierungder Feder

Isolierung Kamm-elektrode

Bild 4: Gehäuseboden

In Bild 5 ist der Gehäusedeckelgezeigt. Im Deckel sind die Lager-stellen für die Wippe sowie die Dü-sen angeordnet. Ebenfalls ist einTeil der Kammelektrode im Gehäu-sedeckel platziert.

Anschlag gegenVerschiebung

Kammelektrode

Isolierung

Lagerung

A-Düse

P-DüseR-Düse

Lagerung

Bild 5: Gehäusedeckel

Im Bereich der P- und R-Düse so-wie der Lagerstellen ist eine Isolati-on der Metallschicht durch Laser-ablation vorgesehen, um die gela-dene Wippe gegenüber dem Ge-häuse zu isolieren.

In Bild 6 ist die Wippe gezeigt. Siebesitzt neben den Lagerstellen und

den Dichtungssitzen für die P- undR-Düse auf beiden Seiten jeweilsKammelektroden. Seitlich sind dieAnschläge für die Rückstellfederangebracht. Die Ausbuchtungen anden Ecken sind zum Entformen desSpritzlings aus dem Werkzeug er-forderlich.

Elektroden

Anschlag fürRückstellfeder

Nut für Lagerung

Aussparungfür Dichtung

Zapfen für seitliche Begrenzungder Verschiebung

Nut fürLagerung

Anschlag fürRückstellfeder

Bild 6: Wippenansicht der dem Ge-häusedeckel zugewandten Seite

Das in Bild 7 gezeigte Federele-ment übernimmt sowohl mechani-sche wie auch elektrische Funktio-nen. Die Stützfedern halten dieWippe in den Lagerstellen.

Stützfeder

Rückstellfeder

Bild 7: Federelement

Die Rückstellung der Wippe in dieAusgangsposition nach Abschaltender Spannung wird durch die Rück-stellfedern gewährleistet. Die elekt-rische Spannungsversorgung derWippe wird durch die vier vorhan-denen Kontaktpunkte übernommen.

Neben analytischen Rechnungenwurde die Konstruktion und Ausle-gung der Bauteile auch durch FEM-Simulationen unterstützt. Bild 8zeigt z. B. Untersuchungen der

auftretenden Durchbiegungen amGehäuse unter Druckbelastung.

Bild 8: Simulation der Verformung desGehäuses unter Druckbelastung(Schnitt)

Zum Spritzgießen der Kunststoff-teile wurden Dreiplattenwerkzeugeaufgebaut. Die spritzgegossenenTeile sind in Bild 9 zu sehen.

Bild 9: Kunststoffbauteile: v. l. Gehäu-sedeckel, Wippe und Gehäuseboden.

Nach der Metallisierung und Struk-turierung der Kunststoffteile erfolgender Zusammenbau und die Inbe-triebnahme des Ventils.

Dieses Forschungsvorhaben wirdim Rahmen des Verbundprojekts"IMSIP" bearbeitet, das durch dasBundesministerium für Bildung undForschung (BMBF) über dasVDI/VDE-IT gefördert wird.

Kontaktperson:Dipl.-Ing. Daniel WarkentinTel. ++49(711)121-3708E-mail daniel.warkentin@izfm.uni-stuttgart.de

Technologische Testbauteile für die AHMID-FertigungslinieH. Seifert, C. Pein

HeißprägenKontaktbestückung

Opt. KontrolleÜbergabehandling

Dispensen

Bestücken

Löten

Endkontrolle

Im Frühsommer 2002 wurde dieFertigungslinie des vom BMBF überden Projektträger PFT gefördertenVerbundvorhabens AHMID * (Bild 1)erfolgreich in Betrieb genommen.Dafür wurden am HSG-IMATtechnologische Untersuchungenzum Heißprägen und Aufbau vonMID-Baugruppen durchgeführt.

Optimierung der Haftfestigkeitund Prägewulsthöhen

Die Anforderungen an die MID-Baugruppen werden u. a. hinsicht-lich des Einsatztemperaturbereichsimmer höher. Dazu wird der Einsatzvon entsprechend angepasstenneuen Hochleistungskunststoffenerforderlich. Deshalb haben dieverfügbaren Prozessparameterinsbesondere zur Haftfestigkeit undzur Prägewulstausbildung nur einebedingte Aussagekraft. Die Heiß-prägeparameter für die ausreichen-

de Haftfestigkeit der Leiterbahnenund für die Prägewulsthöhen müs-sen an den entsprechenden Kunst-stoffen effizient bestimmt werden.Die Höhe der Prägewülste beein-flusst den nachfolgenden Bestü-ckungs- und Lötprozess mit SMD-Bauteilen. Für diese Untersuchun-gen wurde das Testbauteil I (Bild 2)

mit dem dazugehörigen Spritz-gusswerkzeug und den Prüfvor-richtungen entwickelt. Die Test-strukturen bestehen aus einemeinheitlichen Einspann- und Hand-

lingbereich und den zu prüfendenLeiterbahnen. Die Leiterbahnbreitenbetragen 0,24, 0,54, 0,74 und1,04 mm.

Die im Folgenden beschriebenenErgebnisse wurden mit der �Ivo-tape� Folie der Fa. Bolta mit einerDicke von 35 µm und einem

Schichtaufbau von Cu/Sn gewon-nen. Die Definition der Prägewulst-höhe ist aus Bild 3 zu ersehen.Darin sind das Maß �A� die Präge-wulsthöhe, �B� die Höhe des ver-drängten Thermoplasten, und �C�die Einprägetiefe der Leiterbahn inden Thermoplast. Die Haftung ist

Bild 1: AHMID-Fertigungslinie für Heißpräge-MID-Baugruppen

Bild 2: Testbauteil I mit vier Teststruk-turen

AB

C

Leiterbahn Thermoplast

Bild 3: Definition der Prägewulsthöhe*H

Automatisierte Fertigungslinie füreißpräge-MID-Baugruppen

8

9

bei drei von vier untersuchten Lei-terbahnbreiten annähernd gleichgroß. Nur die Leiterbahn mit0,24 mm Breite hat eine etwas hö-here Haftung, wie aus Bild 4 er-sichtlich ist. Dies ist auf den beischmaleren Leiterbahnen größerenEinfluss der Verkrallungseffekte imRandbereich aufgrund der Präge-wulstausbildung zurückzuführen.

Der Heißprägeprozess wird über diePrägekraft, die Haltezeit und diePrägetemperatur definiert. In Bild 5� 7 ist der Einfluss dieser Parameterauf die Haftung und Prägewulsthö-he für den Kunststoff PA 6T/66Grivory HT2V-3H dargestellt.

Die Ergebnisse für eine Leiterbahn-breite von 0,54 mm sind in Tabelle 1für unterschiedliche Kunststoffezusammengefasst.

Thermoplast Haftung[N/mm]

Prägewulst-höhe [µm]

LCP/PPSVectra V 140 0,75 80

PPSFortron1140 L4 1,7 30

PA 6T/66Grivory HT2V-3H 1,5 50

PA 6/6T UltramidTKR 4355 G5 1,5 90

PBT UltradurB 4300 K6 0,95 250

Tabelle 1: Haftfestigkeit und Präge-wulsthöhen

Testbauteil II

Das zweite Bauteil wurde entwi-ckelt, um Erkenntnisse zu Bauele-

menten zu gewinnen, bei denensich das Leiterbild auf zwei odermehreren gegeneinander geneigtenEbenen befindet. Solche Bauteilesind u. a. vorteilhaft, wenn Kontakt-stifte senkrecht zur Normalen aufdie Bestückungsebene eingepresstwerden. Gleichzeitig sollte geklärtwerden, ob zwischen den Kontakt-stiften eine Leiterbahnführung aufdie 2. Bestückungsebene für einSMD-Bauteil der Größe 0603 reali-sierbar ist (Bild 8). Diese Anordnungerleichtert das Entflechten des Lei-terbildes wesentlich. Das gesamte

Leiterbild wurde mit der Leiterbahn-breite von 0,2 mm ausgeführt. AlsTestschaltung wurde eine Blink-schaltung mit zwei LEDs entworfen.Die Schaltung wurde so dimensio-niert, dass auf der Hauptbestü-ckungsebene SMD-Bauteile derGröße SOT23, 2917, 0805 und0603 bestückt werden. Mit den ent-sprechenden Optimierungen beimHeißprägeprozess sowie beim Dis-pensen, Bestücken und Dampfpha-senlöten der Bauteile konnte dieBaugruppe problemlos und mit ho-her Ausbeute gefertigt werden.

Kontaktperson:Ing. grad. Hansjörg SeifertTel. ++49(711)121-3716E-mail hansjoerg.seifert@izfm.uni-stuttgart.de

Bild 4: Abhängigkeit der Haftung vonder Leiterbahnbreite (PA 6/6T UltramidTKR 4355 G5)

2

3

4

5

6

7

1,2 1,4 1,6 1,8 2Haftung [N/mm]

rela

tive

Häu

figke

it

1,04 mm0,74 mm0,54 mm0,24 mm

Bild 5: Einfluss der Prägekraft auf dieHaftung und Prägewulsthöhe

60

80

100

120

140

160

1,0 1,4 1,8 2,2 2,6Haftung [N/mm]

Präg

ewul

sthö

he [µ

m]

Haltezeit 2,5 sHaltezeit 1,5 sHaltezeit 0,5 s

Bild 6: Einfluss der Haltezeit auf dieHaftung und Prägewulsthöhe

80

120

160

1,0 1,4 1,8 2,2 2,6Haftung [N/mm]

Präg

ewul

sthö

he [µ

m]

288 °C283 °C 278 °C

Bild 7: Einfluss der Prägetemperaturauf die Haftung und Prägewulsthöhe

Bild 8: Testbauteil II

40

60

80

100120

140

160

180

200

1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3Haftung [N/mm]

Präg

ewul

sthö

he [µ

m]

10000 N 9000 N 8000 N

Neue Verbindungstechniken für miniaturisierte Mikrofluidiksysteme aus KunststoffM. Münch, W. Eberhardt, M. Spritzendorfer

10

Einleitung

Durch mikrostrukturierte fluidischeElemente wie z. B. Kanäle und Dü-sen können kleinste Volumina mithohem Integrations- und Miniaturi-sierungsgrad bei geringstem Ener-gieverbrauch und mit hoher Präzisi-on gehandhabt werden. TypischeAnwendungen im Bereich der LifeSciences sind Dosierung von Medi-kamenten, Pipettieren in der medi-zinischen Diagnostik und paralleleDosierung einer Vielzahl verschie-dener Reagenzien für Screening-Analysen (HTS). Dabei können diefluidischen Bauteile meist nur ein-mal verwendet werden. Eine Reini-gung ist meist technisch unmöglichoder zu teuer. Dies macht einekostengünstige Produktion in hohenStückzahlen erforderlich. Somitbietet der Einsatz von Kunststoffengegenüber der Siliziumtechnologieentscheidende Vorteile. In diesemvon der AiF geförderten Vorhabenwird die Herstellung von Mikro-fluidikbauelementen aus Kunststof-fen durch Präzisionsspritzgießensowie verschiedene Fügetechnolo-gien zur Erzeugung geschlossenerMikrostrukturen erarbeitet. Das Vor-haben wird gemeinsam mit demHSG-IMIT bearbeitet, wo der Ent-wurf und Test der Strukturen durch-geführt wird. Im HSG-IMAT werdendie technologischen Arbeiten durch-geführt, insbesondere zu Bauteile-konstruktion, Werkzeugherstellung,Mikrospritzgießen und Fügetechnik.

Fluidische Geometrien

Als Teststruktur wurden zwei Bau-teile mit in der Mikrofluidik typischenGeometrien und Strukturen ent-worfen. Zum einen wurde einemikrofluidische Kanalstruktur reali-siert, die einen rechteckigen Kanal-querschnitt von 100 x 100 µm2 beieiner Kanallänge von etwa 300 mm

aufweist (�Racecourse�). Solchefluidischen Elemente können bei-spielsweise als Drossel, bei derStoffcharakterisierung oder zumTransport von Fluiden durch kapilla-re Kräfte eingesetzt werden. DieMikrokanäle weisen an ihren Endengroße Öffnungen zum Befüllen bzw.zum Abströmen des Fluids auf.Bild 1 zeigt die Geometrie Race-course mit vier Zentriersacklöchernzur Justierung eines Deckels sowieseitlichen Justierhilfen.

Bild 1: Schema Racecourse

Ein weiteres Beispiel ist ein Mikro-dosiersystem für kleinste Flüssig-keitsmengen (�Nanojet�). Hier fließtdas eingebrachte Fluid aufgrund ka-pillarer Kräfte in das Flüssigkeitsre-servoir der Struktur. Durch einenKraftstoß auf den Deckel wird eindefiniertes Flüssigkeitsvolumen ausder Düse abgegeben. Die kapillarenWiderstände sind dabei so bemes-sen, dass eine Rückströmung weit-gehend vermieden wird. Sowohl derBereich zwischen Öffnung und Re-servoir als auch die Düse weiseneinen Kanalquerschnitt von 100 x100 µm2 auf. Bild 2 zeigt die Geo-metrie Nanojet mit zwei spiegelbild-lichen Mikrodosiersystemen undvier Zentriersacklöchern.

Bild 2: Schema Nanojet

Der für die strukturierten Mikroflui-diksysteme entworfene Deckel wirdmit vier Zentrierdomen zentriert.

Werkstoffe

Die wichtigsten Anforderungen anKunststoffe für mikrofluidische An-wendungen sind gute Chemikalien-beständigkeit und optimales Ab-formverhalten. Eine ausreichendeoptische Transparenz ist für diefluidische Prüfung von Bedeutung.Interessante Werkstoffe sind somitABS bzw. MABS, PC und PEEK.Dabei stellt ABS / MABS eine kos-tengünstige Variante dar, währendder Hochleistungswerkstoff PEEKeine hohe mechanische Festigkeitund Temperaturbeständigkeit sowieeine sehr gute Chemikalienbestän-digkeit aufweist.

Werkzeugbau und Spritzgießen

Die Fertigung der Spritzgießwerk-zeuge für Mikrofluidiksysteme stellteine Herausforderung an den Werk-zeugbau dar. Auswechselbare Ein-sätze wurden vollständig durchHSC-Fräsen hergestellt. Hierbei istdie Oberflächenqualität von ent-scheidender Bedeutung. DurchOptimierung der Frässtrategiekonnten Oberflächen mit einer ho-hen Güte hergestellt werden, sodass die entsprechenden Spritzteilefür den nachfolgenden Fügeprozesseine ausreichende Genauigkeitaufweisen.

Bild 3: Düsenbereich Nanojet (ABS)

11

Weiterhin muss gewährleistet sein,dass der Verzug der Spritzlingeminimal ist, d. h. der Spritzgießpro-zess muss entsprechend optimiertwerden. Bild 3 zeigt die genaueAusbildung des Düsenbereichsbeim Nanojet.

Fügeverfahren

Die Herstellung von geschlossenenmikrofluidischen Strukturen kann mitKlebe- und Schweißverfahren erfol-gen. Beim Klebstoff-Transfer-Ver-fahren wird auf einem Wafer einesehr dünne Klebstoffschicht durchAufschleudern erzeugt. Die mikro-strukturierte Kanalplatte wird nunauf den beschichteten Wafer ge-stempelt (Bild 4) und anschließendmit dem Deckel gefügt. Danach wirdder Klebstoff ausgehärtet.

Bild 4: Prinzip des Klebstoff-Transfer-Verfahrens

Dabei werden je nach KunststoffUV-, licht- oder temperaturaushär-tende Klebstoffe eingesetzt. Beioptimaler Schichtdicke des Kleb-stofffilms können geschlosseneMikrostrukturen mit hoher Genauig-keit hergestellt werden (Bild 5).

Bild 5: Querschliff eines geschlosse-nen Mikrokanals aus PEEK

In Zusammenarbeit mit der FirmaLeister wurde als weiteres Verfah-ren das Laserdurchstrahlschweißenmit Hilfe einer geeigneten Maskedurchgeführt (Bild 6).

Bild 6: Prinzip des Lasermasken-schweißens

Hierbei besteht das mikrostruktu-rierte Bauteil aus einem bei der ein-gesetzten Laserwellenlänge(λ = 940 nm) absorbierenden Ther-moplast. Der Deckel ist aus einemtransparenten Kunststoff hergestellt.Zur Erzielung einer optimalen Ver-schweißung beider Komponentenist eine präzise Anpassung derMaske an die Strukturen notwendig(Bild 7).

Bild 7: Durch Maskenlaserschweißenmit Deckel versehene Mikrokanäle ausABS (Draufsicht)

Alternativ zu einem spritzgegosse-nen Deckel lassen sich zur Herstel-lung von geschlossenen Kanal-strukturen auch Folien einsetzen,welche mit Druck und Temperaturstoffschlüssig mit den strukturierten

Spritzlingen verbunden werden.Hierbei spielt die Werkstoffkompati-bilität von Folie und Spritzling einewesentliche Rolle. Als Folien eignensich beispielsweise Zweischichtfo-lien bzw. siegelfähige Folien. Füge-temperaturen und -drücke müssenso gewählt werden, dass die filigra-nen Strukturen durch den Fügepro-zess nicht zerstört werden. Bild 8zeigt einen geschlossenen Mikro-kanal hergestellt aus einem PE-Spritzling und einer PE-Folie mitHeißsiegelschicht.

Bild 8: Querschnitt durch einen mitFolie abgedeckten Kanal der Geomet-rie Racecourse aus PE

Bild 8: Querschnitt durch einen mitFolie abgedeckten Kanal der Geomet-rie Racecourse aus PE

Die Ergebnisse zeigen, dass beiSpritzlingen mit hoher Oberflächen-güte geschlossene Mikrokanalstruk-turen von hoher Qualität hergestelltwerden können. Die Anpassung vonFügeverfahren und Kunststoff eröff-net somit neue Möglichkeiten zurRealisierung von kostengünstigenMikrofluidikbauteilen.

Dieses Forschungsvorhaben (AiF-Vorhaben-Nr. 45 ZN) wird ausHaushaltsmitteln des Bundesmi-nisteriums für Wirtschaft und Tech-nologie über die Arbeitsgemein-schaft industrieller Forschungs-vereinigungen �Otto von Guerike�e.V. (AiF) gefördert.

Kontaktperson:Dipl.-Ing. Markus MünchTel. ++49(711)121-3715E-mail markus.muench@izfm.uni-stuttgart.de

Kanal-platte

StempelnWafer mit aufge-

schleudertem Kleb-stoff

Kunststoffspritzling (Racecourse)

Einbettmittel (Gießharz)Folie

500 µm

100 µm

scannenderLaser

Lasermaske

lasertrans-parenter Deckellaserabsor-bierendeKanalplatte

Kunststoff-spritzling(Racecourse)

Unstrukturierter Deckel

25 µm

Laserstrukturierung von MID-BauteilenD. Ahrendt, W. Eberhardt

12

Einleitung

Im Gegensatz zu anderen Verfah-ren der MID-Technologie ermöglichtdie Strukturierung von MID-Bau-teilen mittels Laserstrahlung ge-ringste Strukturbreiten bei maxima-ler Flexibilität. Bei der Laserstruktu-rierung wird kein bauteilspezifischesWerkzeug benötigt, das Layoutlässt sich schnell durch Änderungdes Belichtungsprogramms anpas-sen. Die berührungslose und nahe-zu kraftfreie Bearbeitung gestatteteine Strukturierung auch feinsterBauteile bei einfachem Handling.

Die Anlage

Seit Mai 2002 verfügt das HSG-IMAT mit der Microline3D der Fa.LPKF über eine Anlage zur 3D-Mik-rostrukturierung von MID-Bauteilen.Eine X-,Y- und Z- Achse sowie jeeine Dreh- und Kippachse ermögli-chen eine fast beliebige und hoch-genaue Positionierung der Bauteileauf dem Bearbeitungstisch (Bild 1).

Bild 1: Bearbeitungstisch der Anlage

Weiterhin wird über ein Scanner-system der Strahlfokus innerhalbeines Scanvolumens von 200 x200 x 50 mm3 hochdynamisch überdie Bauteiloberfläche geführt. Diedamit insgesamt 8 Achsen erlaubenso auch eine �über Eck�-Struk-turierung von Bauteilen nahezubeliebiger Geometrie (Bild 2). Durchden Einsatz eines Scanners sind,

abhängig vom eingesetzten Verfah-ren, Strukturierungsgeschwindig-keiten von über 1000 mm/s möglich.Auf Grund des besseren Absorpti-onsverhaltens vieler Metalle erfolgtdie Strukturierung von Metall-schichten mittels Laserstrahlung imUV-Bereich. Dazu wird die infraroteStrahlung eines Nd:YAG-Lasersmittels spezieller nichtlinearer Kris-talle in Strahlung mit einer Wellen-länge von 355 nm konvertiert. DerFokusdurchmesser liegt im Bereichvon 40 - 50 µm.

Bild 2: Strukturierung auf der Innen-seite eines �Kastens�

Momentan werden im HSG-IMATzwei prinzipiell verschiedene Struk-turierungsverfahren untersucht.

Laserablation

Bei der Strukturierung durch Laser-ablation wird die Metallschicht vonganzflächig metallisierten Oberflä-chen selektiv durch den Laserstrahlentfernt. Die so erzeugten Gräbenumranden elektrische Strukturen,d. h. Leiterbahnen oder Pads, undisolieren diese voneinander.

Die Metallisierung der Substrateerfolgt vor allem durch außen-stromlose chemische Abscheidungdes Schichtsystems Kupfer, Nickelund Gold. Bei der Ablation dickerMetallschichten kann es zur Ausbil-dung eines Schmelzewulstes kom-men (Bild 3). Die Wulsthöhe skaliert

dabei mit der Dicke der zu ablatie-renden Metallschicht.

Bild 3: Querschliff einer strukturiertenMetallschicht (Cu/Ni/Au auf LCP)

Somit eignet sich dieses Verfahrenvorzüglich zur Strukturierung vondünnen Metallschichten für Anwen-dungen in der Mikrosystemtechnik.Alternativ können dünne Start-schichten laserstrukturiert und an-schließend durch außenstromlosechemische Abscheidung von Nickelund Tauchgold verstärkt werden(Bild 4).

Bild 4: Querschliff einer strukturiertenKupferstartschicht nach Abscheidungvon chemisch Nickel und Tauchgold

Momentan lässt sich mit diesemVerfahren ein Pitch (Abstand derMitten zweier Leiterbahnen) vonunter 100 µm realisieren. FeinereStrukturbreiten erfordern eine Re-duzierung des Laserstrahl-Fokus-durchmessers.

Mit einem kleineren Fokusdurch-messer von ca. 25 µm und der da-mit einhergehenden höheren Inten-

13

sität im Fokus können künftig nochfeinere Strukturen in Metallschich-ten bei minimalem Wulst erzeugtwerden (Bild 5).

Bild 5: Querschliff einer strukturiertenMetallschicht (Cu/Ni/Au auf LCP, mitfeinerem Fokusdurchmesser)

Laserdirektstrukturierung undadditive Metallisierung

Bei der Laserdirektstrukturierungwird die Oberfläche speziellerKunststoffe mittels Laserstrahlungaktiviert, so dass bei einernachfolgenden außenstromlosenchemischen Metallisierung auf denbelichteten Bereichen selektivMetall abgeschieden wird.

Bild 6: Laseraktivierung von PBT-MID

Die Laseraktivierung führt zu einerAufrauung der Oberfläche, welcheauch für eine gute Haftung der Me-tallschicht notwendig ist (Bild 6). UmFremdabscheidung zu vermeidenist anschließend eine Reinigungnotwendig. Der Metallisierungspro-

zess beginnt mit der Abscheidungvon chemisch Kupfer (Bild 7). Aufdiese Kupferschicht lässt sich an-schließend außenstromlos che-misch Nickel sowie Tauchgold ab-scheiden.

Bild 7: Laserdirektstrukturierte Leiter-bahnen und Pads auf PBT-MID nachchemisch Kupfer

Derzeit stehen als laseraktivierbareKunststoffe PP-MID, PBT-MID undPA6/6T-MID zur Verfügung. Auf-grund der Anforderungen einerVielzahl von Anwendungen im Hin-blick auf Temperaturbeständigkeitsind vor allem PBT-MID undPA6/6T-MID sehr vielversprechen-de Werkstoffe. Weitere laserakti-vierbare Werkstoffe befinden sichbei LPKF derzeit in der Entwicklung.

Bild 8: Querschliff einer Leiterbahn aufPBT-MID

PBT-MID und PA6/6T-MID unter-scheiden sich stark im Hinblick aufihre Eignung für feinste Struktur-breiten. PBT-MID lässt sich mit etwa50 µm Leiterbahnbreite wesentlichfeiner strukturieren als PA6/6T-MID(Bild 8), wo die minimale Breite vonLeiterbahnen etwa 100 µm bei ei-

nem minimalen Pitch von 200 µmbeträgt.

Bild 9: Leiterbahnen auf PBT-MID

Bild 9 zeigt den Einfluss der Laser-parameter auf die erzielbarenStrukturbreiten von PBT-MID amBeispiel der Pulsfrequenz. Grund-sätzlich ist das Prozessfenster fürdie optimale Strukturierung undMetallisierung bei PBT-MID größerals bei PA6/6T-MID.

Bild 10: Querschliff eines Pads aufPA6/6T-MID

Bild 11: Querschliff eines Pads aufPBT-MID

Flächige Metallisierungen z. B. fürPads erhält man durch zeilenförmi-ges Abrastern der Fläche. Auchdabei unterscheiden sich beideMaterialien stark. Die Rauheit vonmetallisierten Flächen auf PBT-MIDist deutlich geringer als auf PA6/6T-MID (Bild 10, 11).

Kontaktperson:Dipl.-Ing. Dirk AhrendtTel. ++49 (711)121-3729E-mail ahrendt@izfm.uni-stuttgart.de

0

20

40

60

80

100

120

140

25 kHz 30 kHz 35 kHz 40 kHzPulsfrequenz

[µm

]

LeiterbahnbreiteMinimaler Pitch

Laserstrukturiertes MID als Sensoraufnahme für eine intrakardiale PumpeW. Eberhardt, D. Ahrendt, M. Oprea

14

Einleitung

Im Falle eines akuten Herzinfarktsoder nach erfolgter Operation amgeöffneten Thorax kann die Herz-funktion vorübergehend so starkeingeschränkt sein, dass einemechanische Unterstützung derPumpfunktion des Herzens für einegewisse Zeit notwendig ist. Hierfürwird derzeit von Impella ein intra-kardiales Pumpsystem mit hoherLeistungsfähigkeit und minimalinvasiver Platzierbarkeit angeboten(Bild 1).

Bild 1: Intrakardiale Pumpe (Impella)

Mit Hilfe eines Drucksensors ist einekontinuierliche Überwachung derPumpfunktion möglich. Derzeit wirddie Sensorik manuell aufgebaut. Dieelektrische Verbindung des Druck-sensorchips erfolgt mit Mikro-drähten. Mit dieser Technik ist dieGrenze der Miniaturisierung erreichtund es müssen neue Wege be-schritten werden. Weiterhin darf beigrößeren Stückzahlen die wirt-schaftliche Fertigbarkeit nicht außerAcht gelassen werden. Somiterscheint die MID-Technik für dieRealisierung neuer Konzepte sehrvielversprechend. Insbesondere dieVerbindung von Mikrospritzgussund Laserstrukturierung eröffnenneue Wege im Hinblick auf höchstePräzision von strukturierten Kunst-stoffteilen. Im Rahmen eines vom

BMBF geförderten Verbundprojektswird im HSG-IMAT gemeinsam mitden Partnern Impella, Buss Werk-stofftechnik und des IWE der RWTHAachen eine MID-Sensoraufnahmefür das Pumpengehäuse erarbeitet.

Sensoraufnahme in MID-Technik

Die Funktion der Sensoraufnahmeist primär die Fixierung und Positio-nierung des Drucksensorchips aufdem Pumpengehäuse, wobei dieBeeinträchtigung des Blutstroms imHinblick auf die Pumpleistung mini-miert werden muss. Weiterhin dientdie Sensoraufnahme als Träger fürdie elektrische Verdrahtung desSensorchips. Der empfindlicheSensorchip muss dabei so aufge-baut werden, dass durch die Mon-tage keine mechanischen Span-nungen im Chip entstehen. Weiter-hin muss der Chip vor Einflüssender Umgebung geschützt sein. Diedreidimensionalen Gestaltungs-möglichkeiten des Kunststoffspritz-gießens erlauben hierbei eine opti-male Formanpassung der MID-Sensoraufnahme an das kompletteBlutpumpensystem. Bild 2 zeigthierzu eine Modellansicht.

Bild 2: Modellansicht der intrakardialenPumpe mit MID-Sensoraufnahme

Eine Detailansicht ist in Bild 3 ge-zeigt. Der Drucksensorchip befindetsich in einer Vertiefung der MID-Sensoraufnahme. Die elektrischeKontaktierung des Chips sowie diemechanische Befestigung kanndurch spezielle Klebetechnikenerfolgen. Die elektrische Signalab-leitung erfolgt über vier Leiterbah-nen, welche über den Steg desPumpengehäuses und anschlie-ßend über das Motorgehäuse füh-ren. Die Sensoraufnahme wurde imHSG-IMAT konstruiert und bei BussWerkstofftechnik spritzgießtech-nisch hergestellt. Die anschließendeMetallisierung und Laserstrukturie-rung erfolgte im HSG-IMAT.

Bild 3: MID-Sensoraufnahme aufPumpengehäuse

Werkstoffe

Aufgrund der sehr filigranen Ab-messungen des MID-Teils werdensehr hohe Ansprüche an das Ei-genschaftsprofil des Kunststoffsgestellt. Neben sehr guter Fließfä-higkeit im Spritzgießprozess mussder Kunststoff metallisierbar sowietemperaturstabil sein und darf keinetoxischen Bestandteile enthalten.Somit eignet sich für diese Anwen-dung insbesondere LCP oderPEEK, wobei LCP das bessereFormfüllverhalten hat.

PVentricle

PAortaDrucksensor

Pumpen-gehäuse

MID-Sensor-aufnahme

Steg

Motorgehäuse

Pumpengehäuse

MID-Sensoraufnahme

Drucksensorchip

15

Die mechanischen Eigenschaftenspielen auch bei der Entformungder filigranen Teile beim Spritzgieß-prozess eine große Rolle. BeimVergleich von verschiedenen LCP-Typen hat sich der Typ VectraE 530i als am geeignetsten erwie-sen (Bild 4).

Bild 4: MID-Sensoraufnahme aus LCP

Metallisierung und Strukturierung

Vor der außenstromlosen Metallisie-rung von LCP erfolgt der Aufschlussdurch alkalische Vorbehandlung.Die Oberfläche wird hierbei aufge-raut, um eine gute Haftfestigkeit zuerzielen. Beim eingesetzten LCPVectra E530i erfolgt danach einekolloidale Palladiumaktivierung.Nach weiteren Zwischenschrittenerfolgt die Abscheidung von che-misch Kupfer. Die etwa 4 µm dickeKupferschicht wird anschließend miteinem frequenzverdreifachtenNd:YAG-Laser (Wellenlänge355 nm) durch Ablation strukturiert.Nach der Strukturierung erfolgt derweitere Schichtaufbau mit chemischNickel und abschließend Tauch-gold.

Bild 5: Metallisierte und strukturierteMID-Sensoraufnahme (LCP)

Die hohe dreidimensionale Komple-xität des MID erfordert hierbei eine

Laserbearbeitungsanlage mit hoherPositioniergenauigkeit im Dreidi-mensionalen sowie einer Laser-quelle mit geringem Fokusdurch-messer.

An der engsten Stelle im Bereichdes Steges über das Pumpenge-häuse laufen hierbei vier Leiterbah-nen über eine Gesamtbreite vonetwa 0,5 Millimetern, d. h. der Pitchbeträgt etwa 100 Mikrometer (Bild 5und 6).

Bild 6: MID-Sensoraufnahme im Be-reich des Steges über das Pumpenge-häuse

Neben LCP ist PEEK für Anwen-dungen im medizinischen Bereichvor allem wegen seiner hervorra-genden Biokompatibilität ein sehrinteressanter Werkstoff. Für dieMetallisierung von PEEK kann dieMetallabscheidung durch Sputtern(PVD) erfolgen. Für eine gute Haft-festigkeit ist hierbei eine Plasmabe-handlung vor der Metallabschei-dung notwendig. Ein anderes Me-tallisierungsverfahren für PEEKbeginnt mit der Konditionierungmittels gasförmigem SO3 nach ei-nem von der Fa. Schlötter entwi-ckelten Verfahren. Darauf erfolgt dieAbscheidung von chemisch Nickel-Bor. Diese Schicht wird nun laser-strukturiert und abschließend tauch-vergoldet. Grundsätzlich ist aucheine Strukturierung der komplettenSchichtfolge Nickel-Bor/Gold mög-lich. Die erforderlichen Schichtdi-cken sind aufgrund der minimalen

Strombelastung gering. Die Rauheitdes mittels PVD oder nach demVerfahren von Schlötter metallisier-ten PEEK ist im Gegensatz zu au-ßenstromlos metallisiertem LCPrelativ gering, was für die Aufbau-und Verbindungstechnik des Sen-sorchips sehr vorteilhaft ist. Bild 7zeigt eine Teststruktur auf unver-stärktem PEEK, welches nach demVerfahren von Schlötter metallisiertwurde.

Bild 7: Teststruktur auf metallisiertemPEEK

Ausblick

Eine Herausforderung vor allem anWerkzeugbau und Spritzgießtechnikist die Realisierung des komplettenPumpengehäuses aus Kunststoff.FEM-Simulationen hierzu habengezeigt, dass bei geeigneter Ausle-gung eine ausreichende mechani-sche Stabilität eines Pumpenge-häuses aus metallisiertem Kunst-stoff gegeben sein sollte. Insbeson-dere für die angestrebte Verkleine-rung des Pumpengehäuses er-scheint es notwendig, die Sensor-aufnahme im Pumpengehäuse zuintegrieren.

Kontaktperson:Dr. Wolfgang EberhardtTel. ++49 (711)121-3717E-mail eberhardt@izfm.uni-stuttgart.de

1 mm

0,5 mm

0,2 mm

Simulationstechniken in der MikrosystemtechnikR. Mohr, D. Warkentin

16

Einleitung

Simulation ist die Methode, beliebi-ge reale Vorgänge unter Zuhilfenah-me von Computern nachzuahmen.Als erstes benötigt man ein mathe-matisches Modell mit dem die we-sentlichen Veränderungen bei ei-nem Vorgang beschrieben werdenkönnen. Die Systemtheorie stelltdafür verschiedene Werkzeuge be-reit, mit denen globale Eigenschaf-ten der Modelle sowie qualitativeAussagen über ihr Verhalten ge-macht werden können.

Die Simulation gliedert sich im we-sentlichen in folgende vier Phasen:- Modellbildung- Parameterbestimmung- Untersuchung- Auswertung

Modellbildung

Als Modell eines Prozesses eignetsich grundsätzlich jedes System, beidem sichergestellt ist, dass es dieals wesentlich erachteten Zusam-menhänge und Vorgänge richtigwiedergibt.

Mathematische Beschreibung mitHilfe von Differenzialgleichungen

Reale Vorgänge werden mathema-tisch durch Differenzialgleichungenbeschrieben. Die Lösung übernimmtder Computer. In dem Fall, wenndie Differenzialgleichungen nur vonder Zeit abhängen, kann mit Hilfevon Computeralgebraprogrammenwie z. B. MAPLE, MATLAB oderMATHEMATICA eine Lösung ge-funden werden. Wenn die Differen-zialgleichungen zeit- und ortsab-hängig sind, müssen andere nume-rische Lösungsverfahren verwendetwerden, nämlich Differenzenverfah-ren und vor allem die Methode derFiniten Elemente.

Damit lassen sich Feldprobleme all-gemeiner Art lösen. Im Gegensatzzur rein mathematischen Beschrei-bung wird die reale Geometrie unddas Material des zu untersuchen-den Bauteils verwendet und in klei-ne Teilgebiete, die finiten Elemente,zerlegt. Für jedes dieser Elementewird eine Lösung der gewünschtenGröße berechnet. Es gibt zahlreichekommerzielle Programme zur FiniteElemente Analyse.

ANSYS von Swanson

ANSYS ist ein sogenanntes generalpurpose FE-Programm. Es bietetfolgende Analysemöglichkeiten:Strukturmechanik, thermische undfluidische Probleme, Elektromecha-nische Probleme.Die Stärke von ANSYS liegt ein-deutig bei der Strukturmechanik.Der Grund hierfür liegt in der Viel-zahl der Elemente mit denen dasGrundgebiet vernetzt werden kann.Beispielsweise wurde im IZFM dieSpannungsverteilung bei einemmikromechanischen Beschleuni-gungssensor berechnet.

Bild 1: Mechanische Spannungen beieinem mikromechanischen Beschleu-nigungssensor mit ANSYS berechnet.

MAXWELL von Ansoft

Dieses Finite-Elemente-Programmist eine Software für dreidimensio-nale elektromagnetische, elektro-mechanische und thermische Ana-lysen im 2D- und im 3D-Bereich.

Im 2D-Bereich: Elektrostatik undMagnetostatik, Wirbelstromproble-me, Gleich- und Wechselstrom-probleme (z. B. Widerstandsver-halten), thermische Probleme (z. B.Erwärmung eines Leiters infolgevon Strom) und transiente Berech-nungen, d. h. Änderung des Feldesbei Bewegung von Leitern u. a.

Im 3D-Bereich: Elektrostatik undMagnetostatik, Wirbelströme undthermische Problemstellungen so-wie ebenfalls transiente Berech-nungen.

Bild 2: Elektrisches Feld einer mikro-mechanischen Kammstruktur mitMAXWELL berechnet

FIDAP von Fluent

FIDAP ist ein Finite-Elemente-Pro-gramm zur Simulation fluidischerProbleme. In der Mikrosystemtech-nik wird damit z. B. das Füllverhal-ten kleiner Kanäle untersucht.

Bild 3: Simulation der Befüllung kleinerKanäle mit FIDAP. Die verschiedenenFarben zeigen den Grad der Befüllung.

17

Analogien

Eine häufig verwendete Methodezur Modellbildung ist die Aufstellungvon Analogien physikalischer Grö-ßen mit elektrischen Netzwerken.Beispielsweise werden Feder-Masse-Systeme mit Hilfe von Kon-densatoren und Spulen nachgebil-det. Damit lassen sich mechanischeSysteme mit Hilfe von elektrischenSystemen beschreiben und unter-suchen. Beispielsweise wird daselektromechanische System"Schwingquarz" durch das folgendeelektrische Ersatzschaltbild be-schrieben.

Bild 4: Elektrische Analogie einesSchwingquarzes.

Mit Hilfe dieses Ersatzschaltbildeskann z. B. das Verhalten in derNähe der Resonanzfrequenz be-schrieben werden. Die Analyse wirdmit einem elektrischen Netzwerk-analyseprogramm durchgeführt.Hierfür stehen am Institut PSpicevon MicroSim und SIMPLORERvon Ansoft zur Verfügung.

Bild 5: Impedanz des Schwingquarz inder Nähe der Resonanzfrequenz

Grafische Modelle

Die meisten Softwarepakete zurSimulation dynamischer Systeme

verwenden mittlerweile grafischeDarstellungen, die man als daten-oder signalflussorientierte Modell-bildung interpretieren kann.

Man unterscheidet zeitkontinuierli-che, zeitdiskrete Modelle und soge-nannte Zustandsmodelle. Ein Bei-spiel hierfür sind PETRI-Netze.Zeitkontinuierliche Modelle, wie siein der Analogrechentechnik ver-wendet wurden, sind heute nichtmehr üblich. Zeitdiskrete Modellesind für die Verarbeitung im Digital-rechner geeignet. Mit den Methodender digitalen Signalverarbeitung undder digitalen Regelung lassen sichviele Systeme sehr gut beschreibenund mit dem Computer simulieren.

Verwendete Programme sind dasmit MATLAB kombinierteSIMULINK und SIMPLORER.

Bild 6: Modell eines Feder-Masse-Systems mit SIMULINK

Bild 7: Grafische Animation des Feder-Masse-Systems aus Bild 6.

Zustandsmodelle

Die Beschreibung von Prozessenerfolgt mit Hilfe von Zustandsgra-phen (state graph analysis). Es gibt

endlich viele Zustände, in denensich das zu simulierende Systembefindet und die entsprechendenÜbergangsbedingungen (Transiti-on).

Bild 8: Grafische Elemente beimPETRI-Netz-Zustandsmodell

Mit Hilfe von Petri-Netzen kann manqualitative Aussagen über das Ver-halten sehr komplexer konkurrenterProzesse treffen.Die Zustandsanalyse ist mit denProgrammen MATLAB/SIMULINKund mit SIMPLORER möglich.

Zusammenfassung

Die Simulation spielt in der Mikro-systemtechnik eine zunehmendwichtige Rolle. Es müssen schonAussagen über das reale Systemgemacht werden können bevor esgefertigt ist. Simulation in der Mikro-systemtechnik erfordert sehr kom-plexe Modelle und die Berücksichti-gung vieler parasitärer Effekte. Diedafür erforderliche hohe Rechner-leistung, schnelle Prozessoren undviel Speicherplatz, sind inzwischenvorhanden.

Trotzdem benötigen Simulations-rechnungen Zeiten im Bereich von20 Minuten bis zu mehreren Stun-den. Vor allem Rechnungen zufluidischen Problemen sind in dieserHinsicht sehr aufwändig.

Kontaktpersonen:Dipl.-Ing. Rainer MohrTel. ++49(711)121-3713E-mail rainer.mohr@izfm.uni-stuttgart.de

Dipl.-Ing. Daniel WarkentinTel. ++49(711)121-3708E-mail daniel.warkentin@izfm.uni-stuttgart.de

QuarzimpedanzVM1.V (Realteil) [V]

f [Hz]

1

0.1m0.3m0.7m

2m

5m

20m

50m

0.2

32k 33k32.25k 32.5k 32.75k

R1

50k

C1

2.5f

L1

9500

C0

1p

Vorgänger- Zustand

Nachfolger-Zustand

Transition Marke

Mass-Spring System(Double click on the "?" for more info)

To start and stop the simulation, use the "Start/Stop"selection in the "Simulation" pull-down menu

s

1

x2dots

1

x2

Mux

x1 & x2

s+10

10

x1

1

wn^2

Double clickhere for

Simulink Help

?

Input

crtanim1

Animation function

ActualPosition

2*0.2

2*zeta*wn

Tooling und Verfahrensstrategien beim elektrochemischen Fräsen mit ultrakurzenSpannungsimpulsen (µECM)W. T. Gmelin

Anfang 2000 wurde erstmals daselektrochemische Mikrofräsen mitultrakurzen Spannungsimpulsenvorgestellt [1]. Die prinzipbedingthohe Präzision des Verfahrensdurch den auf wenige µm lokal be-grenzten anodischen Abtrag sowiedas berührungslose und werkzeug-verschleißfreie Arbeitsprinzip erlau-ben die ultrapräzise Strukturierungvon harten Werkstoffen und Kon-struktionswerkstoffen im Subminia-turmaßstab. Kaum ein anderesVerfahren hat ein vergleichbaresPotenzial beispielsweise die Ferti-gungsprobleme bei der Herstellungvon Spritzgussformen für die Mik-rotechnik oder aber auch einzelnerfunktioneller Konstruktionselementewie feinste Kanäle oder Verdü-sungselemente zu lösen. In Koope-ration mit dem FHI in Berlin wurdedaher am IZFM ein Demonstratoraufgebaut mit dem Ziel, diese neueTechnologie umzusetzen und zurHerstellung von Mikrospritzguss-werkzeugen und feinsten Konstruk-tionselementen zu nutzen. Dabeistanden erste Untersuchungen derProzessführung, Prozesssicherheitals auch die Fertigung von geeig-neten Werkzeugen im Vordergrund,deren Ergebnisse hier zusammen-gefasst dargestellt werden.

Verfügbare Werkzeugtypen

Analog zum Fräsen erfolgt die Be-arbeitung komplexer Bauelementedurch definierte Werkzeugbewe-gungen geometrisch definierterWerkzeuge. Dies setzt die Verfüg-barkeit geeigneter standardisierterund in ihren Dimensionen skalierba-rer Werkzeuge voraus, deren geo-metrische Genauigkeit durch diewerkzeugverschleißfreie Bearbei-tung mit µECM erhalten bleibt. Da-durch - und wegen der hohen Ab-bildungstreue des Verfahrens -gewinnt neben kleinsten erreichba-

ren Durchmessern insbesonderedie Spitzenform des Werkzeuges anBedeutung, welche der zu struktu-rierenden Geometrie angepasstwerden kann. Gräben mit geforder-ten, scharfkantigen Wand-Boden-Übergängen beispielsweise erfor-dern zylinderförmige Werkzeuge mitminimalsten Flächenübergangsra-dien. Wannenförmige Strukturele-mente mit größeren Übergangsra-dien oder Freiformflächen sind bes-ser mit Werkzeugen herzustellen,deren Spitze über einen Radiusverfügt. Um weitestgehend alleBearbeitungsfälle abzudecken sindim wesentlichen vier Werkzeugty-pen erforderlich; Zylinder- oderSchaftfräser, Radienfräser, Kugel-fräser und Gravierstichel (Spitze).Diese stehen jetzt auch für daselektrochemische Mikrofräsen mitultrakurzen Spannungsimpulsen zurVerfügung (Bild 1) und erweiternsomit die Einsatzfähigkeit des Ver-fahrens erheblich.

Herstellung standardisierterWerkzeuge

Die Werkzeugherstellung erfolgt imWesentlichen in drei Schritten:

1. Kontaktieren des Rohmaterialsan einem Werkstückträger.

2. Verjüngung des Schaftdurch-messers durch elektrochemi-sches Ätzen auf Sollmaß.

3. Bearbeiten des Drahtendesgemäß dem gewünschtenWerkzeugtyp.

Als Rohmaterial wird wegen seinerhohen Festigkeit ein Wolframdrahtmit einem Durchmesser von 50 µmeingesetzt. Zur einfachen Handha-bung wird der zunächst grob abge-längte Draht durch Widerstands-schweißen an einen Stahlstift ge-fügt, welcher Bestandteil des Werk-zeugträgers ist. Danach erst wird

BS

ild 1: Am IZFM hergestellte Werkzeugtypen aus Wolfram: Gravierstichel A,chaftfräser B, Radienfräser C, Kugelfräser D.

18

19

der Drahtdurchmesser elektroche-misch in NaOH-Lösung mit einemPlatindraht als Gegenelektrode aufwenige µm Durchmesser reduziert.Prozesskenngrößen hierbei sind imWesentlichen die Größe der ange-legten Gleichspannung sowie dieAnzahl der durch das System ge-flossenen Ladungsträger. Die ver-wertbare Werkzeuglänge variiertdabei nur mit der Eintauchtiefe desRohdrahtes in den Elektrolyten,wodurch Aspektverhältnisse größer200 realisierbar sind. Auch Mehr-fachverjüngungen über die Ge-samtlänge des Werkzeuges sindtechnisch problemlos möglich undspielen bei der Herstellung vonBohrungen mit einem kombiniertenSchrupp-Schlicht-Gang eine wichti-ge Rolle. Bild 2 zeigt eine REM-Aufnahme eines Werkzeuges miteinem Aspektverhältnis um 40 beieinem Durchmesser von ca. 25 µm.

Bild 2: REM Aufnahme eines Werk-zeuges. Zu sehen ist ein Teil desWerkzeugträgers (links), die Schweiß-naht sowie das verjüngte Werkzeug.

Am IZFM konnten Schaftdurchmes-ser bis 5 µm bei Werkzeuglängengrößer 1000 µm realisiert werden.Für die reproduzierbare Herstellungkleinerer Durchmesser ist eine au-tomatisierte Vorrichtung erforderlich,die sich momentan im Aufbau be-findet.

Der gezielten Durchmesserreduzie-

rung der Werkzeuge folgt die Spit-zenausformung je nach gewünsch-tem Werkzeugtyp (vgl. Bild 1). Da-bei werden folgende Technologieneingesetzt:

1. Elektrochemisches Ätzen mitniederfrequenter Spannung oderGleichspannung für die Herstel-lung der Spitzenform des Gra-vierstichels.

2. Elektrochemisches Ätzen mitultrakurzen Spannungsimpulsenfür die Herstellung der scharf-kantigen, zylinderförmigenWerkzeuge. Mit dieser Methodekönnen auch nahezu beliebigeQuerschnittsgeometrien herge-stellt werden.

3. Laserbearbeitung zur Herstel-lung der Kugel. Dabei wird Wolf-ram aufgeschmolzen und formtaufgrund der Oberflächenspan-nung im flüssigen Zustand eineKugel, deren Größe in Abhän-gigkeit der Pulsleistung variiert.

Damit stehen Grundlagen für repro-duzierbar herstellbare, hochfesteWerkzeuge bereit, deren Dimensio-nen sich mit hohen Aspektverhält-nissen bis in den Submikrometerbe-reich skalieren lassen. Der Bereit-stellung der Werkzeuge folgtenUntersuchungen der Werkzeugweg-und Bearbeitungsstrategien desneuen Verfahrens.

Werkzeugwegstrategien bei derµECM-Bearbeitung

Aufgrund der ähnlichen Werkzeug-führung des µECM-Verfahrens ge-genüber dem konventionellen Frä-sen kann ein standardisiertesCAD/CAM-Programm für die Da-tenbereitstellung eingesetzt werden.Aus Bauteildaten werden hierbeiunter Berücksichtigung der Pro-

zess- und Werkzeugdaten dieWerkzeugbahnen und Vorschubge-schwindigkeiten ausgegeben (NC-Satz). Wichtige Prozessinformatio-nen für das µECM-Verfahren fehlenallerdings gänzlich. Mit dem Ziel desErreichens einer hohen Prozesssi-cherheit müssen daher den NC-Sätzen folgende Werkzeugweg-strategien überlagert werden.

- Ausweichstrategien bei Werk-zeug-Werkstückkontakt

- Geschwindigkeitsanpassung beizu vielen Kontakten

- Additive Z-Zustellungen oderkünstliche seitliche Bahnbreiten-aufweitung (Bild 3)

- Plausibilitätstests zur Detektionvon Verunreinigungen, die zwi-schen Werkzeug und Werkstückals Isolator wirken, wodurch dasWerkzeug mangels Kontaktde-tektion verbogen werden kann.

NC-Vorgabe

Variante 1

Variante 2

Variante 3

Variante 4

Bild 3: Verschiedene Varianten derWerkzeugwegstrategie, die dem NC-Positioniersatz überlagert werden.

Dabei spielen neben den Prozess-parametern nicht nur Gefügestruk-tur, Korngrößen, Inhomogenitätenoder Fremdeinschlüsse des Werk-stoffes (Bild 4) sowie Verunreini-gungen des Elektrolyten eine wich-tige Rolle, sondern auch mechani-sche und steuerungstechnischeDefizite, denen bei der Wahl der

20

Strategie Rechnung getragen wer-den muss. Am IZFM durchgeführteUntersuchungen haben gezeigt,dass hier nicht eine einzelne Strate-gie zum Ziel führt, sondern eineanforderungsbezogene automati-sierte Auswahl verschiedener Ver-fahrensstrategien durchgeführt wer-den muss.

Bild4: Links oben und unten: Wand-strukturen in verschiedenen EdelstahlChargen (1.4301), die mit gleichenBearbeitungsparametern bearbeitetwurden. Gut sichtbar die weitaus grö-beren Unregelmäßigkeiten bei derunteren Struktur aufgrund unterschied-licher Korngrößen. Rechts: Freige-ätzte Legierungselemente, hierhöchstwahrscheinlich Mangansulfide.

Zwar erhöht sich dabei die Bear-beitungszeit, der Prozess verläuftjedoch sicher und passt sich denGegebenheiten bestmöglich an.

Bearbeitungsstrategien

Gegenüber den Verfahrwegstrate-gien werden Bearbeitungsstrategienwährend der Modellierung der NC-Daten am CAM-Arbeitsplatz fest-gelegt. Hierbei bietet sich an, ent-sprechende für das HSC-Fräsenentwickelte Prozeduren durch ge-eignete Parametrisierung auf dasµECM-Verfahren zu übertragen.Abweichungen ergeben sich aus

den grundsätzlich verschiedenenArbeitsweisen. Während beim HSC-Fräsen mit hohen Schnittgeschwin-digkeiten ein schneller Vorschub beigeringer Zustellung für Abtrag sorgt,kann beim µECM-Verfahren nurlangsam, dafür aber die gesamteTiefe ohne Zwischenzustellungbearbeitet werden. Auf die Verfüg-barkeit der Bearbeitungszyklen hatdies keinen Einfluss. Vom spiralför-migen Eintauchen bis zum Tief-bohrzyklus können alle Bearbei-tungszyklen angewandt werden.Durch Variation der Prozesspara-meter ist auch eine Schrupp- undSchlichtbearbeitung möglich, wobeidie Bearbeitungszeit deutlich redu-ziert wird (Bild 5).

Bild 5: Die obere Struktur wurde nurgeschlichtet, die untere Struktur zuerstgeschruppt, danach geschlichtet. Zeit-ersparnis: 64%

Ausblick

Bisherige Untersuchungen führtenam IZFM zu einer Anlagentechnik,mit der reproduzierbar kleineStrukturen hergestellt werden kön-nen und mit der weitere wichtigeFragestellungen beispielsweise derWerkstoffhomogenität und Legie-rung bearbeitet werden können.Bisher gewonnene Erkenntnissefließen dabei direkt in die Entwick-lung einer neuen Laboranlage ein,die sich momentan im Aufbau be-findet. Darüber hinaus sind auch

Arbeiten fortgeschritten, die sich mitdem Aufbau von neuen, leistungs-fähigen und schnelleren Pulstrei-bern beschäftigen.

Bild 6: Oben: Strukturierung einesMikrozahnrades (∅ 270 µm) in 1.4301Edelstahl durch ein Wolframwerkzeug(∅ 10 µm). Der REM-Aufnahme wur-den Werkzeugwegbahn und Kontur-verlauf überlagert. Unten: Von derSteuerung ausgegebene Kontaktposi-tionen zur Verifikation des Prozess-ablaufes.

Das Ziel der Herstellung komplexe-rer Strukturen (Bild 6) wie Formein-sätze für den Mikrospritzguss ist eingutes Stück näher gerückt.

[1] Schuster, R.; Kirchner, V.;Allongue, P.; Ertl, G.:Electrochemical micromachining,Science 2000, 289, 98-101.

Kontaktpersonen:Dipl.-Ing. Thomas GmelinTel. ++49(711)121-3714E-mail thomas.gmelin@izfm.uni-stuttgart.de

Prof. Dr. rer. nat. Heinz KückTel. ++49(711)121-3710E-mail heinz.kueck@izfm.uni-stuttgart.de

Anlagen - Geräte - Verfahren

21

Software-ToolsMechanische Konstruktion:

Pro/ENGINEER,AutoCAD

Elektromechanisches Design:ZUKEN EM Designer

CAD-CAM-Prozessoren:Cimatron,Intercim

Spritzgießsimulation:Moldflow Plastics Insight mit3D-Tool

FEM-Analyse:ANSYS, MAXWELL, FIDAP

Leiterplattenentwurf:EAGLE

Schaltungsanalyseprogramme:MicroSim Pspice, SIMPLORER

Computeralgebraprogramme:MAPLE, MATLAB/SIMULINK

DOE:Echip

Messdatenerfassung:TestPoint

HSC-Frästechnik5-Achsen-Präzisionsfräsmaschine:

Fehlmann Picomax 60 M

3-Achsen-Hochpräzisions-fräsmaschine:

PRIMACON PFM 24

SpritzgießtechnikZweikomponenten-Spritzgießmaschine:

Arburg 320S 500 � 60/60

Mikrospritzgießmaschine:Battenfeld Microsystem 50

LaserbearbeitungKrF-Excimer-Lasersystem:

Exitech LPX220iDiodengepumpter Nd:YAG-Laser:

Datronik IL00-08-QA1

3-D-UV-Laserbearbeitungsanlage:LPKF Microline3D

MetallisierungSelektive außenstromlose Metalli-sierung von Kunststoffen

Sputteranlage:Leybold-Heraeus Z400

Aufbau- und Verbindungs-technikAutomatischer SMD-Bestücker:

Fritsch Place All PA 908.580

Vollautomatisches 3-Achsen Dis-penssystem:

I&J Fisnar 500 LN

Dampfphasenlötanlage:IBL SLC-500

Vollautomatischer Ultraschall-Drahtbonder:

Hesse & Knipps Bond Jet 710

Manueller Flipchip-Bonder:Finetech Fineplacer 145

Halbautomatischer Bondtester:Dage Serie 4000

Heißprägepresse:Schmidt ServoPress 450 LV

Physikalische und chemi-sche AnalysetechnikRasterelektronenmikroskop:

EOL TESCAN 5130

Energiedispersive Röntgenmikro-analyse (EDX):

Oxford Instruments INCA �System 200

Röntgenfluoreszenz-Schicht-dickenmessgerät und Material-analysator:

Roentgenanalytik XrayComPact

Differential Scanning Calorimetry(DSC):

Netzsch DSC 204 Phoenix

Infrarotspektrometer:Bruker Vector 22

mit ATR-Einheit:Golden Gate (Diamant)

Optisches Längen- und Profil-messsystem:

UBM Optischer Taster UBF 60

3-D Tastschnitt-Profilometer:ATOS Surfascan 3CS

3-D Multisensor Koordinaten-messmaschine:

Werth VideoCheck-IP 400x400x200

Mikrohärteprüfgerät:Fischer Fischerscope H 100

Rotationsmikrotom mit motori-schem Antrieb:

Microm HM 355S

UmweltsimulationTemperaturschockschrank:

CTS TSS-70/130

Klimaprüfschrank:CTS CV-70/350

Vibrationsprüfung (Shaker):LDS V780 /HPA-K

Mess- und PrüftechnikElektronische, mechanische undoptische Messplätze

HSG-IMAT in Zahlen

22

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

in T�

1999 2000 2001 2002 2003

13001209

984

843

1195

Bild 1: Entwicklung des Haushalts mit Planzahlen für 2003

Bild 2: Gesamt-Investitionen mit Planzahl für 2003

Bild 3: Entwicklung der Mitarbeiterzahl mit Planzahl für 2003

1516

18

2224

0

5

10

15

20

25

1999 2000 2001 2002 2003

320348

374

482

240

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500in T�

1999 2000 2001 2002 2003

Mitgliedsbeiträge/SpendenDrittmittel (Bund, Land, EU)IndustrieFehlbedarf

Publikationen

23

Vorträge und Veröffentlichungen

M. Arnold,"Elektrostatisches Miniaturventil inMID-Technik",2. Öffentliches StatusseminarIMSIP: IntegrationsfähigesMikroventilsystem für dieIndustriepneumatik,HSG-IMAT, Stuttgart, 15.11.2002

L. Cagnon, V Kirchner, M. Kock,R. Schuster, W. T. Gmelin, H. Kücket al.,"Electrochemical micromachining ofstainless steel by ultrashort voltagepulses",angenommen für Z. Phys. Chem.(2003)

W. Eberhardt, Th. Gerhäußer,M. Giousouf, H. Kück, R. Mohr,D. Warkentin,"Innovative Concept for the Fabrica-tion of Micromechanical Sensor andActuator Devices Using SelectivelyMetallized Polymers",Sensors and Actuators A 97-98(2002) 473-477

W. Eberhardt,"Metallisierung und Strukturierungder MID-Sensoraufnahme",1. Öffentliches Statusseminar HIM2:Herzunterstützungssystem mitintegrierter Mikrosensorik,BMT 2002, Karlsruhe, 27.09.2002

W. Eberhardt,"Modulares Werkzeug für Durch-flusssensoren",PLUS 9/2002, E. G. Leuze Verlag

W. T. Gmelin, H. Kück,"Anlage zum elektrochemischenMikrofräsen mit gepulster Span-nung",Galvanotechnik 9/2002; E. G. LeuzeVerlag

H. Kück, W. T. Gmelin,"Elektrochemisches Fräsen alsUrformverfahren für Mikrostruktu-ren",Informationsforum ECM-Bearbei-tung, IMTEK, Freiburg, 09.04.2002

H. Kück,"MID: Molded InterconnectDevices",1st European Summer School onPrecision Assembly, Esslingen,08.-12.07.2002

H. Kück et al.,"Mikrofluidikelemente in Low-Cost-Spritzgießtechnik für Life Sciences",Vortrag auf der 75. Sitzung desWissenschaftlichen Rats der AIF,Magdeburg, 29.11.2002

F. Legewie, C. Nix, V. Zippmann,G. Spanier, W. Eberhardt,M. Oprea,"Herzunterstützungssystem mitintegrierter Mikrosensorik (HIM2)",36. Jahrestagung der DeutschenGesellschaft für BiomedizinischeTechnik (DGBMT) im VDE,Universität Karlsruhe,25.-27.09.2002

G. Munz et al.,"Integrated PiezoelectricMicrovalves with MID Technologyfor Industrial Automation",5. International Congress MID 2002,Erlangen, 25.-26.09.2002

M. Oprea,"Konstruktive Lösung einer Mikro-Sensoraufnahme",1. Öffentliches Statusseminar HIM2:Herzunterstützungssystem mitintegrierter Mikrosensorik,BMT 2002, Karlsruhe, 27.09.2002

C. Pein,"Heißpräge-MID-Baugruppe für denEinsatz in der Industriepneumatik",2. Öffentliches StatusseminarIMSIP: IntegrationsfähigesMikroventilsystem für dieIndustriepneumatik,HSG-IMAT, Stuttgart, 15.11.2002

F. Pöhlau, Th. Gerhäußer,W. Eberhardt,"Two-Schot MID withMicrostructures as Substrate forWire Bonding",5. International Congress MID 2002,Erlangen, 25.-26.09.2002

U. Scholz,"Ultraschall-Drahtbondtechnik zurKontaktierung in miniaturisiertenMID-Gehäusen",PLUS 9/2002, E. G. Leuze Verlag

U. Scholz et al.,"Ultrasonic Wire Bonding on Elec-troless Plated MIDs",5. International Congress MID 2002,Erlangen, 25.-26.09.2002

D. Warkentin et al.,"Miniature Flow Sensor Systemsand Accelerometers Based onMID",5. International Congress MID 2002,Erlangen, 25.-26.09.2002

D. Warkentin,"Sensor und Aktuatorsysteme mitkapazitiver Auslesung",Elektronik Automotive, WEKAFachzeitschriften-Verlag GmbH,Juni 2002

Patente

H. Kück, W. Eberhardt,A. Schumacher,"Schaltelement und Verfahren zurHerstellung desselben",DE 100 61 217 A 1,Offenlegungstag: 27.06.2002

Messebeteiligungen, Mitarbeit in Gremien

24

Messebeteiligungen

Innovationsbörse"Mikrosystemtechnik � Erfolgsfaktorfür die Miniaturisierung",Haus der Wirtschaft, Stuttgart,05.02.2002

Hannover-Messe Industrie,Stand des Landes Baden-Württemberg, 15.-20.04.2002

SMT, Systemintegration in der Mik-roelektronik,Nürnberg, 18.-20.06.2002

Tag der offenen Tür,Stand im Pfaffenwaldring 9,Universität Stuttgart,22.06.2002

Tag der offenen Türim WirtschaftsministeriumBaden-Württemberg,Stuttgart, 28.06.2002

Mitarbeit in Gremien

H. Kück:

Mitglied im Fachausschuss 4.1"Grundsatzfragen der Mikrosys-temtechnik" der GMM

Leiter des Fachausschuss 4.8"Mikrofertigung" der GMM

Mitglied im Wissenschaftlichen Ratder AiF

Mitglied im Fachbeirat des "Kom-petenznetz MAHREG Automotive"

W. Scheerer:

Mitglied im DIN (Deutsches Institutfür Normung e.V.) Normenaus-schuss Gleitlager

U. Scholz:

Arbeitsgruppe AG A2.4 "Bonden"des DVS

Lehrveranstaltungen, Studien- und Diplomarbeiten, Promotionen

25

Vorlesungen

H. Kück:Grundlagen der Mikrotechnik I mitÜbungen

H. Kück:Grundlagen der Mikrotechnik II mitÜbungen

H. Kück:Miniaturtechnik I mit Übungen

H. Kück:Miniaturtechnik II mit Übungen

H. Kück, R. E. Müller:Zeitmeßtechnik

B. Martin:Ausgewählte Meßverfahren derFein- und Mikrotechnik

R. Mohr:Elektronik für Mikrosystemtechniker

R. Mohr:Elektronische Bauelemente in derMikrosystemtechnik

H. Sandmaier, T. Strobelt:Bauelemente derMikrosystemtechnik

H. Sandmaier, T. Strobelt:Technologien derMikrosystemtechnik

B. Bertsche, E. Göde, H. Kück,E. Laurien, H. Seeger,E. Westkämper:Einführung in den Maschinenbau

Praktika

Hauptfachpraktikum in Miniatur- undMikrotechnik

Allgemeines Praktikum desMaschinenbaus

Elektronik-Praktikum fürFeinwerktechniker

Seminare

25.04.2002

cand. mach. M. TrostFlüssigkeitsbasierter Neigungssen-sor in MID-Technik

31.10.2002

cand. mach. G. NicolinLaserstrukturierung durch selektiveAblation von ganzflächig metalli-sierten Thermoplasten für die MID-Technik

21.11.2002

cand. mach. J. HutzschenreutherCharakterisierung eines Drucksen-sors

Exkursionen

Fa. Marquardt, Rietheim-Weilheim,14.05.2002,Teilnehmer: ca. 20 Studenten

Fa. Bosch, Reutlingen,29.01.2002,Teilnehmer: ca. 30 Studenten

Abgeschlossene Studienarbeiten

Berger, ReinhardMiniaturisierung eines Beschleuni-gungssensors in MID-TechnikBetreuer: Dipl.-Ing. D. Warkentin

Hutzschenreuter, JensCharakterisierung eines Drucksen-sorsBetreuer: Dipl.-Ing. D. Warkentin

Kapfer, AndréBerechnung des mechanischenSchwingverhaltens von Miniaturver-bindungen mit Hilfe der FE-MethodeBetreuer: Dipl.-Ing. T. Laufer

Nicolin, GisaLaserstrukturierung durch selektiveAblation von ganzflächig metalli-sierten Thermoplasten für die MID-TechnikBetreuer: Dipl.-Ing. D. Ahrendt

Trost, MonikaFlüssigkeitsbasierter Neigungssen-sor in MID-TechnikBetreuer: Dipl.-Ing. D. Benz

Abgeschlossene Diplomarbeiten

Arnold, MarkusAuslegung und Konstruktion einesVentils in MID-Technik unter Be-rücksichtigung der Bewegungser-zeugung durch elektrostatischeKräfteBetreuer: Dipl.-Ing. D. Warkentin

Rentz, RobertUntersuchungen zu einem neuarti-gen Aktuator für Mikroventile aufBasis von elektrostatischen Kräftenauf FluideBetreuer: Dipl.-Ing. M. Giousouf

Promotionen

M. Giousouf: Untersuchungen zuSiliziumresonatoren für die Uhren-technik (20.11.2002)

Organe der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.

26

Wissenschaftliche, finanzielle Kontrolle

HSG

Kontrolle

Mitgliederversammlung

etwa 60 Mitglieder StrategischeKontrolle

Vorsitzender: Dr. Tschermak von Seysenegg

jeweils 4 Mitglieder aus Wirtschaft,Wissenschaft und Behörden

Aufsichtsrat

Vorstand Dr. H. StallforthVorsitzender:

HSG-IMITProf. Dr.-Ing. H. SandmaierLeiter:

Sitz: Villingen-Schwenningen

HSG-IMATProf. Dr. H. KückLeiter:

Sitz: Stuttgart

27

Aufsichtsrat

MinDirigDr. Tschermak von SeyseneggWirtschaftsministeriumBaden-Württemberg

Professor Dr. rer. nat.Dr. h.c. Franz EffenbergerInstitut für organische Chemieund IsotopenforschungUniversität Stuttgart

Dr. Peter FritzForschungszentrum Karlsruhe(FZK)

Dipl.-Ing. (FH)Wolfgang KammerlanderHirschmann ElectronicsGmbH & Co. KG

OberbürgermeisterDr. Rupert KubonGroße Kreisstadt Villingen-Schwenningen

Professor Dr. Johann LöhnRegierungsbeauftragter fürTechnologietransfer Baden-Württemberg

Professor Dr. Wolfgang MenzAlbert-Ludwigs-UniversitätInstitut für Mikrosystemtechnik

RDir Dr. Thomas PflügerMinisterium für Wissenschaft,Forschung und Kunst Baden-Württemberg

Professor Dr. Rainer ScheithauerRektor der FachhochschuleFurtwangen

Senator e.h. Hans SchmidtGeschäftsführender Gesellschafterder Fa. Schmidt FeintechnikGmbH

Dr. Hans-Peter TrahRobert Bosch GmbH

Professor Dr. Dr. MichaelUngethümAESCULAP AG & CO. KG

RegierungsdirektorDr. Herbert ZeiselBundesministerium für Bildung undForschung

Vorstand

Vorsitzender:

Dr. Harald StallforthAESCULAP AG & CO. KG

Stellvertr. Vorsitzende:

Dr. Peter JungMarquardt GmbH

Dipl.-Ing. Uwe Remer2E mechatronic GmbH & Co. KG

Dipl.-Ing. Hans WeissGMS Gesellschaft für Mikro-elektronik und Sensorik mbH

Schatzmeister:

Dipl.-Ing. Hermann WürthnerISGUS J. Schlenker-GrusenGmbH

Ehrenvorsitzender:

Dr.-Ing. Wolfgang Berger

Wir sind Mitglied derArbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF)

Hauptgeschäftsstelle Bayenthalgürtel 2350968 Köln Telefon: (02 21) 3 76 80-0 Telefax: (02 21) 3 76 80-27 E-Mail: info@aif.deInternet: www.aif.de

Geschäftsstelle Berlin Tschaikowskistraße 4913156 BerlinTelefon: (0 30) 4 81 63-3Telefax: (0 30) 4 81 63-4 01E-Mail: gsb@aif.de

Nachruf für Herrn Dipl.-Ing. Fritz Dürr

28

Für viele Angehörige der Univer-sität und insbesondere des frühe-ren Uhreninstitutes war die Nach-richt, dass unser früherer Mitar-beiter Fritz Dürr am 10.09.02 ver-storben ist, überraschend und mitgroßem Bedauern verbunden.

Herr Dürr war der Sohn einesUhrmachermeisters aus Lomers-heim bei Mühlacker, geb. am14.02.1935. Es war daher ver-ständlich, dass er nach Abschlussder Volksschulausbildung zu-nächst eine Lehre als Uhrmacherabsolvierte, dann aber eine Ausbil-dung in einem Konstruktionsbüround eine Vorbereitung zur Reife-prüfung.

Hernach studierte er Maschinen-bau, Feinwerktechnik und Uhren-technik in Stuttgart. So wurde ereiner meiner ersten Schüler. Erinteressierte sich besonders für dieTribologie mit dem alten und wich-tigen Problem von Reibung, Ver-schleiß und Schmierung bei Uh-ren. Dies war auch das Themaseiner Diplomarbeit im Jahr 1966.Von da an diente er insbesondereder Tribologie als hervorragenderFachmann bis zu seinem Aus-scheiden aus dem Uhreninstitut imJahr 1998.

Er leitete die Arbeitsgruppe �Tri-bologie� mit den Gebieten: Prüfge-räte für Uhrenöle, deren Alterungund Verschleißprüfung, Verwen-dung bei Kunststoffen, Entwicklungneuer Schmiermittel und derenpraktische Anwendung, Epilamisie-rung, Einfluss der Rauigkeit, Ein-fluss der Drehzahl und anderesmehr.

Dabei entstanden über 80 Veröf-fentlichungen in den Fachzeit-schriften der Uhrentechnik undFeinmechanik, des VDI und der

Kunststoffe. Auf Vorträgen im In-und Ausland teilte er seine Kennt-nisse mit. In verschiedenen Ar-beitskreisen mit Angehörigen derIndustrie vermittelte er seine For-schungsergebnisse und erhieltdabei auch wertvolle Anregungen.

Herr Dürr war ein allseitig beliebterFachmann. Er blieb aber stetsbescheiden, lehnte daher aucheine eigene Dissertation ab. Per-sönlich war er stets gefällig und einguter Familienvater.

Wir trauern um einen lieben Mitar-beiter und Freund.

G. Glaser

Stuttgart, im September 2002

Anfahrtsplan

29

Bei Anreise mit PKW

Aus nördlicher Richtung (z. B. von Heilbronn überAusfahrt Zuffenhausen B10):� B10/B27 � B27 � Heilbronner Str. � Friedrichstr.� Schellingstr. � Kienestr. � Institutsparkplatz

Aus östlicher Richtung (z. B. über B10):� B10 � Richtung Stadtzentrum, B14� Hauptbahnhof, Arnulf-Klett-Platz � Friedrichstr.� Schellingstr. � Kienestr. � Institutsparkplatz

Aus südlicher Richtung (z. B. über B27):� B27, Unterführung (links Abbiegen) � Schloßstr.� Kienestr. � Institutsparkplatz

Aus westlicher Richtung (z. B. von Vaihingen (Stgt.),Autobahnkreuz Stuttgart):� B14 � Richtung Stadtzentrum � Rotebühlplatz� Fritz-Elsas-Str. � Schloßstr. � Holzgartenstr.� Breitscheidstr. � Institutsparkplatz

Bei Anreise mit Zug / S-Bahn

Vom Hauptbahnhof sind es ca. 10 min. bis zumInstitut. Weg: Friedrichstr. � Schellingstr. � Willi-Bleicher-Str.

Von der S-Bahn-Station "Stadtmitte" sind es ca.5 min. bis zum Institut. Weg: Ausgang Büchsenstr.� Büchsenstr., Richtung Liederhalle� Schloßstraße überqueren � rechts einbiegen indie Breitscheidstr. � Institutsparkplatz � Institut

Bei Anreise mit Flugzeug

Ab Flughafen mit S-Bahnlinie S2 nach Schorndorf� S-Bahnstation "Stadtmitte" aussteigen � AusgangBüchsenstr. � Büchsenstr., Richtung Liederhalle� Schloßstraße überqueren � rechts einbiegen indie Breitscheidstr. � Institutsparkplatz � Institut

Hinweise für PKW-Fahrer:Öffentliche Parkplätze befinden sich am Katharinenhospital und in der Kienestr.Parkplatz des Institutes: Bitte rechts vor der Schranke parken, im Institut anmelden und dann nach Öffnen derSchranke durch einen Institutsmitarbeiter auf dem Parkplatz einparken.Die Breitscheidstraße ist in Höhe des Kongresszentrums für den Kfz-Verkehr gesperrt.

Universität Stuttgart

Institut für Zeitmeßtechnik, Fein- und Mikrotechnik

Lehrstuhl Mikro-, Miniatur- und Zeitmeßtechnik

Breitscheidstr. 2 b

D-70174 Stuttgart

Telefon: ++49(711)121-3711

Telefax: ++49(711)121-3705

E-mail: izfm@izfm.uni-stuttgart.de

WWW: http://www.uni-stuttgart.de/izfm

Hahn-Schickard-Gesellschaft

Institut für Mikroaufbautechnik

Breitscheidstr. 2 b

D-70174 Stuttgart

Telefon: ++49(711)121-3712

Telefax: ++49(711)121-3705

E-mail: hsg-imat@izfm.uni-stuttgart.de

WWW: http://www.uni-stuttgart.de/hsg-imat

Redaktion

Ulrich Allgeier

Gestaltung

Ulrich Allgeier

Druck

E. Kurz & Co.70182 Stuttgart

© HSG-IMAT 2003