Inertialsensoren mit senkrecht stehenden Mikrodrähten

Ein Metalldraht, der wie ein Grashalm senkrecht auf einem Substrat steht, ist seitlich sehr biegsam und widersteht verhältnismäßig großen Kräften von oben oder unten. Diese Mikro-Nanodraht-Feder-Eigenschaften eines einzelnen Mikrodrahts kommen in einem neuartigen Inertialsensor zum Einsatz, bei dem der Draht an seiner Spitze einen Metallquader trägt – ähnlich einem umgekehrten Pendel (vgl. Teilabbildung a). Eine seitliche Beschleunigung von bis zu 10 g führt zum Neigen des Metallquaders, was die Elektronik differentiell kapazitiv auswertet. Je höher das Verhältnis von Drahtlänge zu Drahtdurchmesser (Aspektverhältnis), desto flexibler ist der Draht und desto kleiner kann der Metallquader sein [Springer 2013].

Zur Fertigung des Mikrosystems mit Metall-Draht und -Quader kommt Tiefenlithographie mit ultravioletter Strahlung (UV) bzw. Synchrotron-Röntgenstrahlung (XR) zum Einsatz. Dieses von Felix Greiner angewandte Verfahren ermöglicht die Fertigung polymerer Formen für die anschließende Abformung mittels Mikro- oder Nanogalvanik. Ein Trockenätzverfahren erlaubt es, die polymere Form abschließend zu entfernen und so das metallische Mikrosystem mit beweglichen Strukturen freizustellen. Je nach Varianten hat der tragende Draht beispielsweise eine Länge von 370 µm und einen Durchmesser von 47 µm bzw. eine Länge von 100 µm und einen Durchmesser von 1,7 µm (vgl. Teilabbildungen b und c) [IOP 2013].

Dieses Themenfeld leitet sich ab aus dem Förderprojekt INANOMIK (Integration und Anwendung von Nano-Drähten durch Mikro-Nano-Fabrikation und Mikro-Montage, BMBF, FK: 16SV3555, abgeschlossen) und ist Teil der Projekte INSIGHT (Integrationsorientierte Verfahren zur Herstellung hybrider Mikrosysteme,  BMBF, FK: 16SV5053, abgeschlossen), ELEMENT (ELektromechanische sEnsoren Mit Eindimensionalen NanoobjekTen, BMBF, FK: 16SV5475, laufend), MiNiMAL (BMBF KNMF 2010-004-000365, abgeschlossen) und "Out of Plane High Aspect Ratio Micro Wires as Suspension Elements in Interial Sensors" (BMBF KNMF 2012-008-000970, abgeschlossen).

Mikro-Nano-Integration (MNI)

Die Mikro-Nano-Integration (MNI) umfasst die Integration von Nanoobjekten, Nanostrukturen bzw. Effekten der Nanotechnologie in Mikrosysteme. Man spricht vom Top-Down-Ansatz beim Downscaling von Mikrostrukturen in den Nanometerbereich. Bei der Bottom-Up-Vorgehensweise werden dagegen Nanoobjekte gezielt und geordnet in Mikrosysteme eingebracht.

Unter dem Begriff Mikro-Nano-Integration werden die Integration von Nanoobjekten und -strukturen in die Mikro- und Makroebene sowie der Einsatz von Nanotechnologie-basierten Effekten in Mikrosystemen verstanden. Die MNI macht die Nanotechnologie „anschlussfähig“ für den Einsatz in neuen Produkten. Für komplexe Systemlösungen wird die MNI künftig eine Schlüsselfunktion übernehmen. Dabei werden zwei entgegengesetzte Vorgehensweisen verfolgt: Top-Down und Bottom-Up.

Der Top-Down-Ansatz entspricht im Wesentlichen der stetig fortgeführten Miniaturisierung. Die Prozesse der MST können immer kleinere Strukturen herstellen beziehungsweise bearbeiten, so dass die funktionalen Strukturen kleiner als 100 nm werden. Diese Vorgehensweise wird beispielsweise bei Silizium-basierten Mikrosensoren angewendet, bei denen durch Downscaling die Empfindlichkeit gesteigert wird.

Beim Bottom-Up-Ansatz werden Nanoobjekte in Mikrokomponenten integriert, und dadurch die Effektivität bzw. Funktionalität der Mikrosysteme verbessert. Eine besondere Herausforderung bildet das gezielte Einbringen der Nanoobjekte in die Mikrosysteme. Dazu werden Nanoobjekte in Mikrostrukturen nur an den Stellen synthetisiert, die zuvor durch geeignete Strukturierungsprozesse vorbereitet wurden. Ein anderer Weg nutzt die physikalischchemischen Prinzipien der Selbstorganisation aus, die sich durch die Selbstausrichtung und / oder Selbstmontage (Self-Assembly) von Nanoobjekten beschreiben lassen.


In dieser Arbeit findet der Bottom-Up-Ansatz Anwendung: 1-D Nanoobjekte, sogenannte Nanofasern, werden ins Mikrosystem eingebracht oder dort synthetisiert. Insbesondere metallische Nanodrähte eignen sich für die Integration ins Mikrosystem, denn

  • sie können mit niedrigen Temperaturen durch elektrochemische Abscheidung im Mikrosystem erzeugt werden.
  • ihre Geometrie ist in weiten Bereichen einstellbar. Mit speziellen Templatverfahren sind Aspektverhältnisse bis in die Nähe von 1000:1 möglich.
  • ihre Materialeigenschaften sind durch eine breite Palette elektrochemisch abscheidbarer Metalle sowie durch die Steuerung des Abscheideprozesses gut einstellbar.

Normung in der Nanotechnologie

In den letzten Jahren gab es viele Fortschritte in der Normung auf dem Gebiet der Nanotechnologie, allerdings gab es bisher keine strukturelle Übersicht dazu. Daher ist eine umfangreiche Mindmap entstanden, für die das Bild eine grobe Übersicht gibt.

 

Qualifizierte Übersicht (Kurzfassung) über die Nanotechnologie nach den technischen Spezifikationen der Internationale Organisation für Normung (ISO)

 

 

 

 

Contact

Technische Universität Darmstadt

Institute of Electromechanical Design

Microtechnology

Dr.-Ing. Felix Greiner

S3/06 131
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-5396
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