↓ Was ist nano3DSense?
nano3DSense ist ein patentiertes maskenloses Lithographieverfahren, das es ermöglicht, neuartige sensoraktive Nanomaterialien zur Kräfte-, Druck- oder Dehnungsmessung nanometergenau und dreidimensional auf kundenspezifischen Unterlagen aufzudrucken (3D Nanodruck). Unsere elektronisch auslesbaren Sensoren werden in modernen Elektronenmikroskopen (SEM) additiv im 3D-Druckverfahren hergestellt und erreichen Linienbreiten von unterhalb 10 Nanometer, bei einer Positioniergenauigkeit von weniger als 2 Nanometer. Die Kantenrauigkeit der Sensoren liegt bei unterhalb 1 Nanometer.
nano3DSense ist – im Gegensatz zu den meisten anderen Mikrostrukturierungsverfahren – ein maskenloses Lithographieverfahren und Einzelschrittprozess, mit dem der einfache Aufbau von sowohl 2D- als auch 3D-Sensorstrukturen möglich ist. Dabei sind die Sensoren bereits nach der Herstellung im 3D-Druck sofort für die Messung einsatzbereit.
Da nano3DSense kein Silizium oder Silizium verarbeitende Prozesse (Reinraum, Masken, Belichtung, Stepper, Nasschemie usw.) benötigt, lassen sich konsequent mehr als 250 bekannte Prozessschritte aus der Mikrosystemtechnik einsparen. Daher ist nano3DSense sowohl für die „Schnelle Prototypenentwicklung“ („Rapid Prototyping“), z.B. in F&E, als auch für die adaptive Serienproduktion, z.B. für hoch profitable dedizierte Kleinserien, bestens geeignet.
↓ Warum wurde nano3DSense entwickelt?
Konventionelle Verfahren zur Kräfte-, Druck- oder Dehnungsmessung (wie z.B. optische, piezoelektrische, piezoresistive und kapazitive Methoden) stoßen hinsichtlich ihres Miniaturisierungspotentials häufig an ihre physikalischen Grenzen.
Bei den optischen Verfahren beispielsweise, stellt die Beugungsgrenze des Lasers, die nicht kleiner als 1,4 µm (HWFM, „Half Width at the Full Maximum“) werden kann, eine natürliche Barriere für die weitere Miniaturisierung von optischen Sonden dar.
Ähnlich sieht es mit anderen Sensoren, wie z. B. Piezoresistoren, aus. Da diese komplizierte Dotierungsprozesse im Reinraum erfordern, ist das Miniaturisierungspotential üblicherweise hier bereits mit Abmessungen von 20–50 µm ausgeschöpft.
Bei der Wahl der Kraftunterlage sind traditionelle Verfahren zur Kräftemessung außerdem meist auf Silizium beschränkt und können maximal nur in der Ebene (2D) arbeiten.
Mit nano3DSense sind der Miniaturisierung und bei der Wahl der Kraftunterlage praktisch keine Grenzen mehr gesetzt. Im Bedarfsfall werden Sensorgrößen bis unterhalb 10 nm erreicht, die auf eine große Anzahl unterschiedlicher Materialien einfach aufgedruckt werden und sofort einsatzbereit sind. nano3DSense bietet als weiteren Vorteil die Möglichkeit, Sensoren sogar auf Kraftunterlagen mit beliebiger dreidimensionaler (3D) Geometrieform, direkt aufzubringen.
↓ Warum ist Miniaturisierung überhaupt wichtig?
- Miniaturisierung führt zu kleineren Sensoren, die besser für mikroskopische Details aus der Messumgebung geeignet sind. Die Leistungseigenschaften, wie z.B. Empfindlichkeit und Signalqualität (Signal-Rausch-Pegel), nehmen mit zunehmender Verkleinerung des Sensors in der Regel ebenfalls zu.
- Bei speziellen Anwendungen mit großem Datenaufkommen (z.B. Analytik, Echtzeitmessungen von Kräften), lässt sich die Geschwindigkeit bzw Durchsatz der Signalverarbeitung mit miniaturisierten Systemen erheblich steigern.
Wenn besondere Anforderungen auf engstem Raum (z.B. an minimalinvasive Systeme) gelegt werden, kommen die Vorteile der nano3DSense am besten zum tragen. Bei gleichem Messbereich jedoch verbesserten Leistungsdaten kann ein Messwandler (Transducer) auf Basis von nano3DSense bis um einem Faktor 100 fach kleiner gefertigt werden, als z.B. herkömmliche Piezoresistoren.
↓ Warum sind Sensoren auf Basis von nano3DSense bis zu 500 mal empfindlicher als herkömliche Halbleitersensoren, z.B. Piezoresistoren ?
Die Sensitivität von nano3DSense kann ganz nach Ihren Wünschen und Bedarf den tatsächlichen Anforderungen angepasst werden. Die mechanische Verbiegung eines Substrates (z.B. Krafthebel (Cantilever), Druckmembran) durch eine von außen hervorgerufene Kraft hängt stark vom E-Modul (Young’s Module) E sowie der Dicke des Substrates ab. Sie ist gegeben durch die Stoney’sche Gleichung (Bild unten). Unten stehende Tabelle vergleicht einen handelsüblichen Halbleiter-Piezowiderstand mit nano3DSense Sensoren für unterschiedliche Materialien und Dicken. Durch eine optimale Variation von Geometrie und Materialsteifigkeit kann eine bis zu 550 fach höhere Materialverbiegung erzielt und damit die Sensitivität drastisch verbessert werden. Nur mit nano3DSense können Dehnungssensoren auf unterschiedlichen Materialien und Geometrien einfach und mit hoher Sensitivität aufgedruckt werden. Konventionelle Piezoresistoren bieten diesen Vorteil nicht, da sie aufgrund des komplizierten Dotierungsprozesses eine Mindestdicke des Substrates (typischerweise 1-3 µm) sowie Silizium als Baismaterial erfordern.
Bild und Tabelle: Die mechanische Verbiegung Δz eines Cantilevers (eingespannter Biegebalken) aufgrund einer äußeren Kraft hängt stark von der Dicke t sowie dem E-Modul (Young’s Module) E ab (Stoney’sche Gleichung).Unter Verwendung von weichen und dünnen Materialien kann die Empfindlichkeit drastisch verbessert werden.
↓ Kann ich mit nano3DSense ein stabiles Sensorsignal erwarten? (z.B. im Vergleich mit Piezoresistoren)
Sensoren zur Kraft-, Druck- oder Auslenkungsmessung auf Basis von nano3DSense sind leistungsfähige langlebige Messvorrichtungen, die sowohl für Kurzeitmessungen, als auch im Dauerbetrieb über ausgezeichnete Leistungsmerkmale verfügen. Gleichgültig ob im hochfrequenten Dynamikbetrieb oder für statische Messungen.
Ein mittels nano3DSense im 3D-Druck hergestellter Nanosensor ist aus einem robusten Nanokompositmaterial aufgebaut, das aus nanogranularen Metallgruppen besteht, die statistisch verteilt in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet sind (ähnlich wie man es von „Cermets = (Ce)ramic + (Met)allic“ kennt).
Perfekt konzipiert für anspruchsvolle Anforderungen
Sensoren auf Basis des nano3DSense 3D-Drucks sind perfekt konzipiert, um auch anspruchsvollen Sensoranforderungen, wie z.B. Temperaturbeständigkeit und Härte, elastische Deformierbarkeit und sehr stabile elektrische Eigenschaften, zu genügen. Nachfolgende Abbildungen zeigen beispielsweise Stabilitätskurven (Degradationskurven), die sowohl in Kurzzeit- als auch Langzeitmessungen über ein hervorragendes Leistungsverhalten verfügen. Mit Hilfe einer Vollbrücke aus vier identischen nano3DSense-Sensoren, beispielsweise, lassen sich exzellentes Linearitätsverhalten und – dank der sehr geringen Sensorabmessungen – ein extrem niedriger Leistungsverbrauch erzielen. Querempfindlichkeiten, z.B. hervorgerufen durch Temperaturdrift, können ohne weitere Kompensationsvorrichtungen wirkungsvoll behoben werden.
In rauer Umgebung unter Beweis gestellt
nano3DSense wurde für extreme Arbeitsbedingungen konzipiert und unter anspruchsvollen Messaufgaben getestet, wie z.B. in der Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy, AFM). Nachfolgende Abbildungen zeigen Rasterkraft-Bildaufnahmen, die mit einem auf einem kommerziell erhältlichen AFM-Cantilever voll integrierten nano3DSense -Sensor gerastert wurden. Für den Einsatz im Rasterkraftmikroskop muss ein Kraftsensor normalerweise größten mechanischen und elektrischen Belastungen standhalten. Da der AFM-Cantilever samt integriertem Sensor unter hohen mechanischen Schwingungen (> 1 Hz) betrieben wird, sind für ein einziges gerendertes Rasterbild oft mehrere Milliarden Biegezyklen erforderlich. Kraftsensoren auf Basis der nano3DSense -Technologie können mühelos unter solchen und anderen rauen Bedingungen (z.B. Flüssigkeiten, hohe Temperaturen > 500°C) betrieben werden und stellen ausgezeichnete Leistungsdaten mit hoher Beständigkeit sowohl im Kurzeit- als auch Langzeitbetrieb bereit.
Weitere Informationen finden Sie in unseren Artikel, der von Wissenschaftsverlag „Nature“ in der September 2016-Ausgabe des „Nature Communications” Magazins veröffentlicht wurde.
↓ Ist nano3DSense für die Sensor-Serienfertigung geeignet?
Ja. nano3DSense ist ein voll automatisierter Batch-Prozess, der er erlaubt, Sensoren von gleich bleibender Qualität in Stückzahlen zu mehreren hunderttausend pro Jahr und Produktionsgerät in Serie zu fertigen. Unsere patentierte 3D-Nanodruck-Technologie wurde von Anfang an entworfen, um höchsten Qualitätsstandards, wie Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit, zu genügen.
Bild: Serienfertigung im Batch-Prozess von Kraft- und Drucksensoren mit nano3DSense auf Wafer-Ebene genügt höchsten Qualitätsstandards
Bild: An gleichbleibende Qualität unserer Sensoren im Batchprozess legen wir die höchsten Maßstäbe
↓ Was bedeutet „Plattform-Technologie“ und wie kommt nano3DSense in meine Applikation?
nano3DSense wurde als universell einsetzbare Sensorik-Plattform und für eine Vielzahl von Anwendungen aus der Kraft-, Dehnungs-, und MEMS/NEMS-Sensorik entwickelt und optimiert.
Dort wo Miniaturisierung und Adaptivität an die Messumgebung in Industrie und F&E entscheidend sind, können die Vorteile von nano3DSense am besten ausgereizt werden. Dank der hohen Flexibilität werden auch schwierige Aufgabenstellungen aus der Messtechnik bedient, die mit traditionellen Verfahren nicht oder nur noch aufwendig zu lösen sind.
Dabei fungiert nano3DSense als flexibler Signalwandler (Transducer) zwischen der Messgröße und den Anwendungen unserer Kunden (siehe Grafik).
Durch physikalische Schnittstellen, die wir gemeinsam mit unseren Kunden definieren, schaffen wir eine dediziert Brücke, die die zentralen Mess-Anforderungen des Endkunden optimal mit den Applikationen (Hard- und Software) verbindet.
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