Flexible Desktop Factory zum Prüfen und Montieren von Mikrosystemen

Boese, Christoph

Die gesamtwirtschaftliche Bedeutung von Mikrosystemen ist nach wie vor ungebrochen. Auch in Zukunft werden sie in vielen Bereichen des Lebens eine große Rolle spielen. Die Anforderungen sind dabei sehr vielschichtig, sodass vor allem eine hohe Funktionsdichte und die Diversifikation von Mikrosystemen zukünftig dominante Einflussfaktoren sein werden. Zudem werden die Produktionszahlen aufgrund der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten steigen und die Miniaturisierung wird weiter zunehmen. Ein Ansatz dieser Entwicklung gerecht zu werden ist es, Mikrosysteme hybrid zu integrieren. Für hybride Mikrosysteme ist jedoch eine geeignete Prüf- und Montagetechnik zwingend erforderlich. Eine Analyse des Standes von Wissenschaft und Technik ergab, dass derzeit vor allem Insellösungen den Markt auf diesem Gebiet dominieren. Ganzheitliche Geräte, speziell für Mikrosysteme, existieren nicht. Vor diesem Hintergrund wurde in der vorliegenden Arbeit eine flexible Desktop Factory für das Prüfen und Montieren von Mikrosystemen entwickelt. Die wesentlichen Ziele dabei waren zum einen die derzeit vorherrschenden hohen Prüf- und Montagekosten zu senken und zum anderen den Automatisierungsgrad in der Mikroproduktion zu steigern. Die Systementwicklung wurde dafür wie folgt gegliedert. In einem ersten Schritt wurden wichtige Anforderungen für die Desktop Factory identifiziert und das Gesamtsystem in Subsysteme unterteilt. Zudem wurde mit dem Mikrosynchronmotor ein hybrides Mikrosystem als Demonstrator definiert. Zu den Subsystemen zählen u. a. das Positioniersystem, die Maschinensteuerung, das Bildverarbeitungssystem, das Werkzeugwechselsystem mit Prüf- und Montagewerkzeugen und die Software. Anschließend wurden die Subsysteme ausgelegt und auf einer schwingungsgedämpften Plattform zu einem Gesamtsystem zusammengesetzt. Um die Verwendung mit unterschiedlichen Mikrosystemen, Materialien und Oberflächen zu gewährleisten, lag der Fokus auf größtmöglicher Flexibilität und Kompatibilität. Ferner wurde mit verschiedenen Untersuchungen die Funktionsweise der Desktop Factory hinsichtlich der formulierten Anforderungen überprüft. Dazu zählten u. a. das Messen geometrischer Größen, die Identifikation von Merkmalen, die Durchführung von Zuverlässigkeitsuntersuchungen und die Bestimmung von Fertigungstoleranzen. Abschließend wurde anhand des Demonstrators eine komplette Prozesskette aus Prüf- und Montageprozessen präsentiert. Wesentlich hierbei war: das Finden von Passpaarungen, die Montage von Rotoren auf Statoren und eine abschließende Funktionsprüfung. Im Ergebnis konnte die Funktionalität der Desktop Factory nachgewiesen werden.

The overall economic impact of MEMS still remains high. Also in the future they will play a major role in daily life. Thereby, the requirements are varying. Especially the functional density and the MEMS diversification will be dominant factors of influence prospectively. Furthermore the production output will increase due to the manifold fields of application as well as the miniaturization. A hybrid MEMS integration is one approach fulfilling market requirements. However, for hybrid MEMS a suitable mounting and testing technique is coercively necessary. Isolated mounting and testing applications are predominating this market presently, analyzing state of the art solutions. Holistic systems especially for MEMS do not exist. Against this background in the presented work, a flexible desktop factory for mounting and testing of MEMS was developed. Thereby the main goals were reducing test and mounting costs on one hand and increasing the degree of automation for MEMS production on the other. The system development was structured as follows. In a first step important requirements within the context of the desktop factory were identified and the system was divided in subsystems. In addition, a micro synchronous motor consisting of a stator and a rotor was defined as a demonstrator. The subsystems are: the positioning system, the machine control, the machine vision system, the tool changer with test and mounting tools and the control software. Subsequently the subsystems were configured and merged on a vibration-cushioned platform made of granite. To ensure the usability with different MEMS, materials and surfaces, the development was focused on flexibility and compatibility. Moreover several studies were made verifying the functionality of the desktop factory regarding the verbalized requirements. This includes inter alia the measurement of geometric quantities, the identification of features with the machine vision system, the execution of reliability tests and the determination of fabrication tolerances. Finally, by means of mounting and testing the demonstrator, a complete process chain consisting of different mounting and testing steps was presented. At this juncture the significant tasks were finding matching stator / rotor pairs, the mounting of rotors and stators and the final function test by electric conduction. As a result the functionality of the desktop factory could be demonstrated.

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Boese, Christoph: Flexible Desktop Factory zum Prüfen und Montieren von Mikrosystemen. Aachen 2014. Shaker. ISSN: 1433-1438.

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