Sensoren op maat 3D-printen

Een nieuw ontwikkelde 3D-printtechniek kan worden gebruikt om rendabel elektronische ‘machines’ te maken voor geavanceerde toepassingen in onder meer robotica en medische apparatuur. De ontwikkeling wordt gezien als een doorbraak voor de productie van chipgebaseerde micro-elektromechanische systemen (MEMS).

Dergelijke mini-machines worden in grote hoeveelheden geproduceerd voor honderden elektronische producten, inclusief smartphones en auto's. Ze zorgen voor de nauwkeurigheid van de positionering. Maar voor de meer gespecialiseerde productie van sensoren in kleinere volumes, zoals versnellingsmeters voor vliegtuigen en trillingsensoren voor industriële machines, vereisen MEMS-technologieën duur maatwerk.
Frank Niklaus, die het onderzoek leidde aan het KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, zegt dat de nieuwe 3D-printtechniek, die is gepubliceerd in Nature Microsystems & Nanoengineering, een manier biedt om de beperkingen van conventionele MEMS-productie te omzeilen. "De kosten van de ontwikkeling van het fabricageproces en de optimalisatie van het ontwerp van het apparaat nemen niet af bij lagere productievolumes", zegt hij. Het resultaat is dat ingenieurs moeten kiezen tussen niet-optimale MEMS-apparaten uit de handel of economisch niet levensvatbare opstartkosten. Andere producten in kleine series die van de techniek zouden kunnen profiteren, zijn onder meer bewegings- en trillingregelaars voor robots en industriële gereedschappen, en windturbines.

‘Twee-foton polymerisatie'

De onderzoekers bouwden voort op een proces dat ‘twee-foton polymerisatie' wordt genoemd. Hiermee kunnen objecten met een hoge resolutie kunnen worden geproduceerd die slechts enkele honderden nanometers groot zijn. Maar zonder sensorfunctionaliteit. Voor de transducerfunctionaliteit wordt gebruikgemaakt vaneen techniek die schaduwmaskering wordt genoemd en die werkt als een sjabloon. Op de 3D-geprinte structuur vervaardigen zij elementen met een T-vormige doorsnede, die werken als paraplu's. Vervolgens brengen zij metaal aan van bovenaf, zodat de zijkanten van de T-vorm niet met het metaal worden bedekt. Dit betekent dat het metaal aan de bovenkant van de T elektrisch geïsoleerd is van de rest van de structuur.

Tot nu toe niet mogelijk

Met deze methode, zegt Niklaus, duurt het maar een paar uur om een tiental op maat ontworpen MEMS-versnellingsmeters te vervaardigen met behulp van relatief goedkope commerciële productiemiddelen. De methode kan worden gebruikt voor het maken van prototypen van MEMS-apparaten en het op economisch verantwoorde wijze vervaardigen van kleine en middelgrote series van enkele duizenden MEMS-sensoren per jaar.
"Dit is iets wat tot nu toe niet mogelijk was, omdat de opstartkosten voor de productie van een MEMS-product met behulp van conventionele halfgeleidertechnologie in de orde van honderdduizenden dollars liggen en de doorlooptijden enkele maanden of langer zijn. De nieuwe mogelijkheden van 3D-geprinte MEMS zouden kunnen leiden tot een nieuw paradigma voor MEMS- en sensorproductie. "Schaalbaarheid is niet alleen een voordeel bij MEMS-productie, het is een noodzaak. Deze methode zou de fabricage van vele soorten nieuwe, aangepaste apparaten mogelijk maken."