Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik in Kooperation mit den Leibniz-Instituten FBH und IHP
Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik in Kooperation mit den Leibniz-Instituten FBH und IHP

Unser institutsübergreifendes Technologieangebot im Bereich »MEMS Aktoren«

© Fraunhofer IPMS

MEMS Aktoren

Die Technologieplattform »MEMS Aktoren« konzentriert sich auf Design, Materialien & Prozesse, Systemintegration & Materialcharakterisierung und ebenso auf Gerätetest & Zuverlässigkeitsbewertungen.

 

  • Design (analog und mixed-signal Design, Design für Zuverlässigkeit, funktionale Sicherheit und raue Umgebungen)
  • Material- und Prozessentwicklung für Massen- und Oberflächen-Mikromechanik, inklusive Epitaxie, Si-Ätzung (advanced Si-etching) und piezoelektronischen Materialien
  • Entwicklung von Geräten wie optische Scanner, räumliche Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators SLM) und akustischen Aktoren
  • Advanced Packaging, Mikrostrukturierung von Silizium und MEMS/NEMS-Packaging Methoden; z. B. hermetisches Glas-Packaging, Wafer-Level Capping können als ausgereifte Gerätetechnologien angeboten werden
  • Test und Charakterisierung von Materialien und Geräten (auch in rauen Umgebungen); zerstörungsfreie Analyse von Materialien ist in hervorragender Qualität weitgehend möglich, Geräte-Verschleiß kann bewertet werden, hetero-integrierte Systeme können charakterisiert werden
  • Zuverlässigkeitstests sind unter verschiedenen Belastungsszenarien durchführbar, Zuverlässigkeitsanalyse unter verschiedenen Belastungen ist möglich
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Smartpump: Mikrodosierung für die Medizin

© Fraunhofer EMFT
Mikrofluidsystem für die Tumortherapie. Microfluidic system for tumor therapy.

Ziel der Smartpump-Plattform ist es, Ansprechzeit und Genauigkeit von Gassensoren mithilfe einer Mikropumpe signifikant zu verbessern.

 

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MEMS/CMOS Integration

© Fraunhofer IPMS

Die Institute Fraunhofer IMS und Fraunhofer IPMS entwickeln in einer sehr leistungsfähigen Kooperation Prozesse zur Integration von Aktoren auf CMOS Backplanes.

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MEMS-Varaktoren

© Fraunhofer IPMS
MEMS-Varaktor-Array auf PCB für einen parametrischen Verstärker

Die industrielle Entwicklung wird durch kognitive Systeme vorangetrieben, die künstliche Intelligenz mit fortschrittlichen Sensoren kombinieren. Die wachsende Nachfrage nach solcher Sensortechnologie entspricht den steigenden Anforderungen an Präzision, Effizienz, Vielfalt und Langzeitstabilität in verschiedenen Branchen. Selbst die bereits auf dem Markt erhältlichen Sensorsysteme können von der Integration eines intelligenten Varaktor-Tuners erheblich profitieren.

Fraunhofer IPMS entwickelt innovative und hochintegrierbare MEMS-Varaktoren mit großer Durchstimmbarkeit der Bauelementkapazität für verschiedene Anwendungen. Dank der adaptiven Anpassung von Impedanz und Frequenz durch die MEMS-Varaktoren gewinnen bestehende Sensorlösungen neue Vorteile, wie z. B. die Kompensation von Störsignalen oder Störungen, die Durchführung von Inline-Kalibrierungen oder die Erweiterung von Messbereichen. Unsere Varaktor-Tuner bieten außerdem große Dynamikbereiche und eine hervorragende Integrierbarkeit in verschiedene Systeme.

Anwendungen finden sich in der Sensorik, der Kommunikationstechnik sowie in Industrie und Automatisierung.

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MEMS-Scannerspiegel

© Fraunhofer IPMS
Customer Evaluation Kit für quasi-statische MEMS Scanner
© Fraunhofer IPMS
MEMS-Scannerspiegel

Scannerspiegel, entweder resonant oder quasi-statisch betrieben, sind die Technologie der Wahl, wenn es darum geht, Licht mit sehr kompakten Systemen gezielt abzulenken. In den vergangenen Jahren hat das Fraunhofer IPMS mehr als 50 verschiedene resonante MEMS-Scanner entwickelt, die als ein- oder zweidimensional ablenkende Elemente oder auch zur optischen Weglängenmodulation eingesetzt werden. Mögliche Scan-Frequenzen reichen von ca. 0,1 kHz bis zu 100 kHz.

Die Anwendungsbreite erstreckt sich von Strichcode-Lesesystemen über die 3D-Messtechnik bis hin zur Laserprojektion, Spektroskopie und Fokuslagenmodulation. Ein praktisches Beispiel ist ein Scannerspiegel mit Beugungsgitter für spektroskopische Anwendungen. Dieser wird seit 2007 kommerziell von der HiperScan GmbH, einer Ausgründung des Fraunhofer IPMS, in einem neuartigen Nahinfrarot-Mikrospektrometer angeboten. Darüber hinaus beschäftigt sich das Fraunhofer IPMS mit anwendungsspezifischen Scannerspiegeln z. B. für Fourier-Transform-Spektrometer, die konfokale Mikroskopie, hochminiaturisierte Displays, ultrakompakte Laserprojektionssysteme, für die Bildaufnahme in Endoskopen sowie für die Abstandsmessung (Triangulation).

Neben den resonanten Scannern werden auch quasistatisch auslenkbare Mikroscanner für Anwendungen wie das Laserstrahlpositionieren oder vektorielles Scannen entwickelt.

Gerne entwickeln wir kundenspezifische Scanlösungen für Ihre Anwendung und liefern qualifizierte MEMS-Scanner-Dies und Scan-Engines in größeren Stückzahlen mittels Pilotfertigung.

Damit Kunden die Technologie in ihrer Anwendung einfach testen können, bietet das Fraunhofer IPMS ein Evaluation Kit an.

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Flächenlichtmodulatoren / Spatial Light

© Fraunhofer IPMS
256x256 pixel Mikrospiegel-Array (Kippspiegel)
© Fraunhofer IPMS
Evaluation Kit mit Mikrospiegel-Array und Steuerelektronik.

Flächenlichtmodulatoren (Spatial Light Modulators, SLMs) werden verwendet, um die Eigenschaften von Licht, z.B. Helligkeit, Phase oder Polarisation gezielt zu verändern.

Die am Fraunhofer IPMS entwickelten Flächenlichtmodulatoren bestehen aus Arrays von Mikrospiegeln auf Halbleiterchips, wobei die Anzahl der Spiegel je nach Anwendung von einigen hundert bis zu mehreren Millionen variiert. Die Spiegelabmessungen sind 4 μm oder größer. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer IPMS die Elektronik und Software zur Steuerung des Spiegelarrays.

Die einzelnen Spiegel können je nach Anwendung gekippt oder vertikal ausgelenkt werden. Hochauflösende Kippspiegelarrays mit bis zu 2,2 Millionen Einzelspiegeln werden von unseren Kunden als hochdynamische programmierbare Masken für die optische Mikrolithographie im ultravioletten Spektralbereich eingesetzt. Weitere Einsatzgebiete sind die Halbleiterinspektion und Messtechnik sowie perspektivisch Quantencomputing und Materialbearbeitung. Damit Kunden die Technologie in ihrer Anwendung einfach testen können, bietet das Fraunhofer IPMS ein Evaluation Kit an.

Senkspiegel-Arrays können zum Beispiel zur Wellenfrontkontrolle in adaptiven optischen Systemen eingesetzt werden. Diese Systeme können Wellenfrontstörungen in weiten Spektralbereichen korrigieren und dadurch die Bildqualität verbessern. Im Vergleich zu alternativen flüssigkristallbasierten Technologien ermöglichen Mikrospiegel deutlich höhere Modulationsfrequenzen. Die Fähigkeiten der Bauteile finden besonderes Interesse in den Bereichen Holografie, Astronomie und Mikroskopie sowie in der räumlichen und zeitlichen Laserstrahl- und Laserpulsformung. 

Eine neue Entwicklung des Fraunhofer IPMS ist eine Kombination aus Kipp- und Senkspiegel (Piston-Tip-Tilt).

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WIssenschafltliche Exzellenz im Bereich MEMS Aktoren

Die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland zeigt mit ihren 13 Mitgliedsinstituten der Fraunhofer-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft Forschungsleistungen von internationaler Exzellenz. Damit trägt die FMD dazu bei, dass Deutschland und Europa einen Spitzenplatz in der Forschung und Entwicklung einnehmen. Einige ausgewählte Forschungshighlights und Leuchtturmprojekte im Bereich rund um MEMS Aktoren finden Sie nachfolgend.

Die Liste aller Publikationen für die Technologieplattform MEMS Aktoren zum Download:

Selektives Niedertemperaturbonden – reaktives Bonden

Mittels CuO/Al oxidbasierter reaktiver Multilagen gefügter Silizium-Glas Waferverbund und gesputterter Multilagenstapel
© Fraunhofer ENAS
Mittels CuO/Al oxidbasierter reaktiver Multilagen gefügter Silizium-Glas Waferverbund und gesputterter Multilagenstapel
  • Niedertemperaturfügeverfahren zur Integration von heterogenen Wafern, Chips und Komponenten basierend auf selbstausbreitenden Exothermen Reaktionen
  • seleketiver Wärmeeintrag aus der Zwischenschicht selbst
  • hohe Ausbreitungs- ( >1 m/s) und sehr hohe Fügegeschwindigkeit ( < 1 s)
  • strukturierte integrierte Schichten auf Chip und Waferebene
    angepasste Materialsysteme für Verschiedene Anwendungen (CuO/Al, Pd/Al)
  • weltweit erste ECD iRMS zur direkten Abscheidung auf Leiterplatten und Keramiksubstraten (Pd/Sn)

Kooperationen:

AiF / IGF-Projekt reMMi
 

Veröffentlichungen:

  • Hertel S, et al. (2020): Electroplating of Pd/Sn Multilayers for Reactive Bonding in Packaging and Assembly Applications, in 2020 IEEE 8th Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC). doi: 10.1109/ESTC48849.2020.9229651)
  • Wiemer M, et al.(2020): Selective Heat Input for Low Temperature Metallic Wafer Level Bonding, in 2020 ECS Trans. 98 183. doi: 10.1149/09804.0183ecst)
  • Vogel K, et al.(2021): Reactive Bonding, in 3D and Circuit Integration of MEMS chapter 14. doi: 10.1002/9783527823239.ch14

Weiterführende Informationen: 

ENAS Forschungsschwerpunkt: Wafer-to-Wafer-Bonden / Reaktives Bonden

Selektives Niedertemperaturbonden – induktives Waferbonden

© Fraunhofer ENAS
Größenvergleich: Kupfer-Makrospule und Bondrahmen
© Fraunhofer ENAS
Kupfer-Mikrospule mit Kontaktpads
  • neuartige Waferbond-Technologie für das Packaging mikrosystemtechnischer Systeme mit metallischen Zwischenschichten
  • selektiver, sehr schneller (∆T > 100 K/s) und energieeffizienter Wärmeeintrag in die metallische Füge-/Zwischenschicht
  • weltweit erstmalige Verwendung planarer Mikrospulen (Cu-ECD, < 500 µm) für die Induktionserwärmung (bisherige Spulen: Kupferprofilrohre > 2 mm)
  • Verwendung von Induktionsgeneratoren (f ≈ 2 MHz) und Plasmageneratoren (f ≈ 40 MHz) für die induktive Energiebereitstellung

Kooperationen:

  • ZIM-Kooperationsnetzwerk SCALE
  • AiF / IGF-Projekte InduBond und GeoTech
  • AiF / ZIM-Projekte Indu2Mikro und UHF-Bond

Veröffentlichungen:

  • Hofmann C, et al (2019): A Novel Method for MEMS Wafer-Level Packaging: Selective and Rapid Induction Heating for Copper-Tin SLID Bonding, in 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII). doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2019.8808256
  • Hofmann C, et al.: Verfahren zum Erwärmen einer Vielzahl von elektrisch leitfähigen Strukturen sowie Vorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren (Patentnummer: 10 2019 206 248 A1)
  • Wiemer M, et al.(2020): Selective Heat Input for Low Temperature Metallic Wafer Level Bonding, in 2020 ECS Trans. 98 183. doi: 10.1149/09804.0183ecst

Weiterführende Informationen: 

www.scale-netzwerk.de

Piezoelektrisch aktuierte Mikrospiegel

Aufegbauter Mikrospiegel mit piezoelektrischem AlN als Wandlermaterial.
© Fraunhofer ENAS
Aufegbauter Mikrospiegel mit piezoelektrischem AlN als Wandlermaterial.

Weltweit erster Mikrospiegel mit piezoelektrischem AlN als Wandlermaterial, der einen Auslenkwinkel von bis zu 25° realisieren kann (bisherige Konzepte schaffen Winkel von 2-4°).

Kooperationen:

  • AiF-Projekt PI MEMS Control
  • SAB-Nachwuchsforschergruppe E-PISA

Veröffentlichungen:

  • Meinel K, et.al. (2019): Piezoelectric Scanning Micromirror with Large Scan Angle Based on Thin Film Aluminum Nitride, in 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII), Germany, 2019, pp. 1518-1521. doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2019.8808723
  • Meinel K, et.al. (2020): Piezoelectric scanning micromirror with built-in sensors based on thin film aluminum nitride, in IEEE Sensors Journal, early access. doi: 10.1109/JSEN.2020.2997873
  • Meinel K, et.al. (2019): Piezoelectric scanning micromirror with built-in sensors based on thin film aluminum nitride, in IEEE SENSORS, Canada, 2019, pp. 1-4. doi: 10.1109/SENSORS43011.2019.8956929

Weiterführende Informationen: 

Piezoelektrische Mikrosysteme auf Basis von Aluminiumnitrid

Photonische Mikrosysteme – MEMS-on-CMOS

Mikrospiegel-Array
© Fraunhofer IPMS
Mikrospiegel-Array
  • > 1 Millionen individuell steuerbare Einzelspiegel mit hoher Integrationsdichte und Pixelgrößen bis 4 µm (weltweit einzigartig)
  • Führendes Institut zur Entwicklung kundenspezifischer, Mikrospiegelarray-basierter Flächenlichtmodulatoren (SLMs)
  • MEMS Bauelemente mit analoger/digitaler, Kipp-, Senk-Aktorik oder daraus kombinierter Funktionalität
  • Oberflächen-Mikromechanik Technologie (MEMS-on-CMOS) mit TiAl/USG als Struktur- u. Opferschichten
  • Reduzierung von Haftkräften an MEMS-Kontaktflächen implementiert durch den Einsatz von Antihaft-Schichten
  • Integrierte CMOS Ansteuerschaltung sowie externe Adresselektronik u. Dateninterface in kontinuierlicher Leistungs-Optimierung
  • Ziel: Strukturverkleinerung durch den Einsatz von DUV-Lithografie und Prozesskontrolle / Metrologie (z. B. Überdeckungsgenauigkeit, OVL) u. a. für den Einsatz im Bereich Holografie
  • Patentierte Technologie: US7424330, US 8531755, DE201510200626, DE102018215428

Kooperation:

EU-gefördertes Projekt SURPRISE (H2020)

Veröffentlichungen: 

  • Gehner A, et al. (2020): Novel CMOS-integrated 512x320 tip-tilt micro mirror array and related technology platform, in MOEMS and Miniaturized Systems XIX, Proc. of SPIE Vol. 11293, 1129302 (2020). doi: 10.1117/12.2543052
  • Dürr P (2019): MEMS Piston Mirror Arrays with Force-Balanced Single Spring, in MOEMS and Miniaturized Systems XVIII, Proc. SPIE 10931, 1093104 (2019). doi: 10.1117/12.2507007

Weiterführende Informationen: 

Intelligente Industrielösungen

 

 

Aluminium ECD​

Aluminium Bumps mit 30 µm Durchmesser für die Ultraschall-FlipChip Montage (Abscheide und Bond derzeit in Entwicklung)
© Fraunhofer ENAS
Aluminium Bumps mit 30 µm Durchmesser für die Ultraschall-FlipChip Montage (Abscheide und Bond derzeit in Entwicklung)
  • Al Galvanik aus ionischen Flüssigkeiten
  • Neuartige Prozessführung für die galvanische Al Beschichtung von Leiterplatten, Si Wafern oder Sondersubstraten ​
  • Vollflächige Abscheidung und Pattern Plating​
  • Viafilling und Bump Abscheidung​
  • Equipment für WL-Substrate bis 6 Zoll vorhanden​
  • Kooperation mit Firmenverbund für die Entwicklung industrieller Abscheideanlagen​

Kooperation: 

  • AIF/ZIM: Alma, Adept​
  • BMBF supported procect Aioli 

Veröffentlichungen:

 

  • Al Farisi M, et al. (2018): Aluminum Patterned Electroplating from AlCl3-[EMIm]Cl Ionic Liquid Toward Microsystems Application, in Micromachines 2018, 9(11), 589. doi: 10.3390/mi9110589
  • Hertel S. et al. (2018): Electrochemical deposition of reactive material systems for assembly and packaging, in Micro-Nano-Integration; 7th GMM-Workshop. (ISBN 978-3-8007-4789-4)​
  • Hertel S, et al. (2018): Galvanische Aluminium-Abscheidung auf unerschiedlichen Startschichten für die Leiterplatten- und Mikrosystemtechnik, in Jahrbuch Oberflächentechnik Band 74. (ISBN 978-3-87480-349-6)​

 

Weiterführende Informationen: 

Forschungsschwerpunkt Elektrochemische Abscheidung @ Fraunhofer ENAS

MEMS-Lautsprecher für mobile Anwendungen

In-Ear-Kopfhörer mit integrierten MEMS-Lautsprechern.
© Fraunhofer ISIT
In-Ear-Kopfhörer mit integrierten MEMS-Lautsprechern.
  • Weltweit leistungsfähigste integrierte MEMS-Lautsprechertechnologie
  • Hohe Wiedergabequalität, geringe Größe, hohe Effizienz
  • Antrieb über gesputterte piezoelektrische Dünnschichten

Kooperation: 

Fraunhofer-Projekt Smart Speaker

Veröffentlichungen:

  • Männchen A, et. al. (2019): Design and electroacoustic analysis of a piezoelectric MEMS in-ear headphone, in Audio Engineering Society Conference on Headphone Technology, 2019 USA. Online abrufbar unter: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-564755.html
  • Stoppel F, et al. (2018): New integrated full-range MEMS speaker for in-ear applications, in 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2018, pp. 1068–1071. doi 10.1109/MEMSYS.2018.8346744
  • Stoppel F, et al. (2017): Novel type of MEMS loudspeaker featuring membrane-less two-way sound generation, in Audio Engineering Society, Convention Paper, 143rd Convention 2017 USA. Online abrufbar unter: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-518560.html

Weiterführende Informationen: 

Akustische Systeme und Mikroantriebe

Flyer MEMS Aktoren

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