Optoelektronische Ansteuerung für hochintegrierte MEMS auf Polymerbasis
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war das Schaffen der Grundlagen einer großintegrationsfähigen Technologieplattform für vollpolymere, aktorische Mikrosysteme, bei denen die Funktionalität des elektromechanischen Transducers durch eine monolithische Funktionsschicht intrinsisch aktiver Polymere mit ganz speziellen Aktor‐Sensor‐Eigenschaften, den sogenannten stimuli‐sensitiven Hydrogelen, übernommen wird. Dazu waren die materialsynthetischen, technologischen und konstruktiven Grundlagen der Großintegrationsplattform auf Basis des Modellsystems „temperatursensitive Hydrogele“, die über elektrothermische Schnittstellen angesteuert werden, zu erarbeiten. Am Beispiel eines hochaufgelösten taktilen Displays waren die technischen Einflussgrößen des Prinzips zu untersuchen, dessen Leistungsgrenzen abzuschätzen und die taktilen Darstellungsmöglichkeiten eines hydrogelbasierten Displays zu erforschen. Es entstand ein leistungsfähiges optoelektrothermisches Ansteuersystem auf Basis eines Business‐ Videoprojektors, welches befähigt ist, integrierte Schaltkreise mit temperatursensitiven Hydrogel‐Bauelementen zu betreiben. Es ist für Displays und mikrofluidische Schaltkreise optimiert und erlaubt einen schnellen Wechsel der Hydrogel‐ICs. Auf einer IC‐Fläche, die zwischen (4 x 4 und 10 x 10) cm² variierbar ist, wurde eine einzeln adressierbare Dichte von 566 Aktoren pro cm² und ein Rastermaß von 420 µm erreicht. Der technologische Anspruch des Entwurfs und der Realisierung großformatiger polymerer Mikrosysteme wie taktiler Displays, welche aufgrund ihrer Abmessungen die Möglichkeiten der verfügbaren Wafer‐basierten Technologien übersteigen, wurde im Vorfeld des Projekts nicht gesehen. In einem neu hinzugekommenen Arbeitspaket konnte eine Rapid‐Prototyping‐Technologie entwickelt werden, die es erlaubt, binnen weniger Tage großintegrierte Schaltkreise der maximalen Größe von 160 x 210 mm² vom Design zum fertigen Chip zu führen, und dies bei Material‐ und Verfahrenskosten im unteren bis mittleren zweistelligen Eurobereich. Die Synthese und Strukturierung der intrinsisch aktiven Polymere wurde am Modellsystem Poly(N‐ Isopropylacrylamid) durchgeführt. Es konnten optimale Syntheseparameter für die strukturierende Fotopolymerisation für Strukturauflösungen bis 20 µm und UV‐Proximity‐Belichtung bei optimierten aktorisch‐mechanischen Hydrogeleigenschaften gefunden werden. Die monolithischen Mikrochips lassen sich analog zu elektronischen Schaltkreisen einfachstmöglich durch Schichstrukturierungsprozesse herstellen. Die darstellbaren Informationen eines Displays werden von den Möglichkeiten der eingesetzten Modulatoren bestimmt. Die Hydrogel‐basierten Modulatoren zeigen reproduzierbare, multimodale Eigenschaften, die in der vorliegenden Kombination bislang unbekannt waren. Sie erfüllen eine Funktion als optischer Reflektionsmodulator (Reflektionsänderung um ca. 50%) sowie als taktiler Modulator mit zwei taktilen Funktionalitäten (Änderungen der Höhe um ca. 50 % und der elastischen Eigenschaften um ca. 80%). Anhand eines Displays mit 4320 Modulatoren bei ca. 300 Modulatoren pro cm² konnten erstmals die Darstellungsmöglichkeiten eines hochaufgelösten taktilen Displays untersucht werden. Nach ihrer erstmaligen Veröffentlichungen waren diese Displays Anfang 2009 Gegenstand zahlreicher nationaler und internationaler Beiträge in Publikumsmedien (Zeitungen, Zeitschriften, Radio) sowie von Besprechungen in Fachzeitschriften wie „Lab‐on‐a‐Chip“ und „The Scientist“. Das hier entwickelte Großintegrationskonzept ist das dritte für aktorische MEMS‐basierte Mikrosysteme nach der elektrostatischen Mikrospiegel‐Technologie und der Mikropneumatik, welche sich bislang nur in Nischenbereichen etablieren konnten. Vieles deutet darauf hin, dass unser LSI‐Konzept auf Basis intrinsisch aktiver Polymere signifikant breiter einsetzbar ist als die beiden anderen Technologien. Es ist bereits jetzt klar abzusehen, dass nicht nur bestehende Technologien effizient substituier‐ oder verbesserbar sind, sondern auch gänzlich neue technische Systeme realisiert werden können, die bislang undenkbar waren. Im Bereich der taktilen Displays steht unsere Technologie nicht nur für den Schritt hin zu hochaufgelösten multimodalen Displays, sondern auch für den Paradigmenwechsel weg von der extrem aufwändigen feinmechanischen Hybridintegration hin zu einfachen, leichten und flexiblen monolithischen Displacement‐Displays, welche für die „Ubiquitous electronics“ wie Smartphones und Tablet‐PCs von höchstem Interesse sind. Die neuartigen Darstellungsmöglichkeiten führten zu einem Konzept von 3D‐Displays einer gänzlich neuen Realitätsnähe, die virtuelle Objekte dreidimensional sicht‐ und fühlbar darstellen. Unser LSI‐Konzept ermöglicht die Realisierung mikrofluidischer LSI‐Systeme, von denen man sich ähnliche Skalierungseffekte für die Wissenschaftsdisziplinen und Industriezweige, die auf der Verarbeitung von Materialien beruhen, erhofft, wie sie die elektronische Datenverarbeitung für die Informationstechnik bewirkte. Unsere Plattform ermöglicht es auch, großintegrierte Schaltkreise zu entwickeln, welche statt elektronischer Information chemische Information mit transistorähnlichen Bauelementen verarbeiten. Diese „chemischen Schaltkreise“ offerieren völlig neue Paradigmen der Datenverarbeitung, bieten Möglichkeiten für bislang unmögliche Simulationen und können in unseren Visionen auf Knopfdruck Wunschmaterialien synthetisieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Synthesis and application of electro‐thermally sensitive gels. Adv. Sci. Technol. 61 (2008), 147‐156
K.‐F. Arndt, A. Richter, S. Klatt, G. Paschew
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Hydrogels for actuators. In G. Gerlach, K.‐F. Arndt (Eds.): Hydrogel sensors and actuators. Chapter 7. Springer Berlin 2009. ISBN 978‐3‐540‐75644‐6
A. Richter
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Optoelectrothermic control of polymer‐based highly integrated MEMS applied in an artificial skin. Adv. Mater. 21 (2009), 979‐983
A. Richter, G. Paschew
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Synthesis of stimuli‐sensitive hydrogels in µm‐range by radiation techniques and their application. In R. Barbucci (Ed.): Hydrogels: biological properties and application, Springer 2009. ISBN 978‐88‐470‐1103‐8.
K.‐F. Arndt, A. Richter, I. Mönch
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High‐resolution tactile display operated by an integrated „Smart Hydrogel“ actuator array. Proc. SPIE 7642 (2010), 764234
G. Paschew, A. Richter
