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Das CiS Forschungsinstitut plant die Beantragung eines F&E-Kooperationsprojektes.

Auf der Grundlage der in den letzten Jahren erfolgten Entwicklungen im Bereich MEMS-basierter Sensorelemente für mechanische Größen wie Kraft, mechanische Spannung und Druck sowie den Fortschritten im Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik, die es ermöglicht, solche Sensorelemente mit individuell geformten Substratkörpern zu verbinden und der Tatsache, dass sich der Leichtbau als nachhaltige und energie- sowie ressourcenscho-nende Alternative zu herkömmlichen Technologien entwickelt, möchte das CiS neue Anwendungsfelder im Bereich Leichtbau identifizieren und adressieren. Damit wird ein Beitrag zur CO2-Reduktion geleistet.

Potentielle Anwendungen umfassen die Erfassung von mechanischen Belastungen in Form von Kräften, mechanischen Spannungen und Schwingungen sowie Temperaturbelastungen durch in die Leichtbauteile integrierte MEMS-Sensoren. Dies ist insbesondere beim Belastungsmonitoring über die Lebensdauer notwendig und kann Aussagen für die innovative Konstruktion und Fertigung von Leichtbauteile für die Wasserstoffwirtschaft, die Land-wirtschaft (Landmaschinen), Biogasbehälter sowie Fahrräder und andere umweltfreundliche Fortbewegungsmittel liefern.

Die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH konnte sich in den zurückliegenden Jahren wesentliche Kompetenzen bei der Entwicklung und Fertigung von miniaturisierten siliziumbasierte Mikrosensoren erarbeiten.

Der Si-DMS besitzt eine Grundfläche von ca. 500 x500 µm² bei einer Dicke von ca. 15 µm. Vier Widerstände sind in den Chip implantiert worden. Bei Einwirken einer mechanischen Spannung längs zu einer Chipkante werden zwei Widerstände longitudinal, d. h. längs der Richtung des elektrischen Stromflusses, und zwei Widerstände transversal, d. h. quer zur Richtung des elektrischen Stromflusses, mechanisch belastet. Die so entstehenden Änderungen des elektrischen Widerstandes führen zu einem Brückensignal der Wheatstoneschen Messbrücke.

Das Aufbringen des Si-DMS auf den Probekörper erfordert große Sorgfalt. Eine langzeitstabile und sichere Verbindung zwischen Si-DMS und dem Probekörper muss auch bei Temperaturänderungen gewährleistet sein. Gleichzeitig muss die mechanische Spannung an der Oberfläche des Probekörpers auf den Si-DMS übertragen werden. Einflüsse durch Drift- und sonstige Alterungseffekte sowie Hysteresen sind auszuschließen.

Ein erfolgreiches Anwendungsbeispiel dieser Technologie ist die Überwachung von mechanischen Verbindungen mittels Sensoren in sicherheitsrelevanten Bereichen. Diese Fragestellung gewinnt zunehmende Bedeutung für Industrie, Verkehr und Energiewirtschaft. Die Anforderungen an die Sensoren sind hoch. Sie müssen langzeitstabil befestigt werden, nicht in die vorhandene Konstruktion eingreifen und Schnittstellen integrieren, um Messdaten digital zu verarbeiten. Silizium-Dehnmessstreifen (Si-DMS) sind aufgrund ihrer Kompaktheit und des hohen Koppel-faktors sehr gut geeignet, mechanische Spannungen auf metallischen Probekörpern wie Schrauben, Rohren und Flanschen zu ermitteln. Darüber hinaus wurden im Rahmen von Forschungsprojekten verschiedene weitere Ansätze verfolgt, die jedoch noch zu keinem nachhaltig verwertbaren Ergebnis geführt haben. Das Potential der Technologie ist jedoch erheblich viel größer. Im Bereich Leichtbau liegen bisher bekannte Potentiale z.B. in (Aufzählung nicht abschließend):

- Erfassung mechanischer Belastungen über die Lebenszeit von Leichtbauteilen in den Bereichen Wasserstoffwirtschaft, Biogasanlagen, Luftfahrt, Landmaschinenbau, Fahrräder und andere umweltfreundliche Fortbewegungsmittel

- Schaffung von mechanischen Funktionselementen in Leichtbauteilen

- Erfassung von Temperaturbelastungen in Leichtbauteilen

- Erfassung der Messdaten 24/7 möglich

- Datenspeicherung und Übertragung möglich

- Datengrundlage für KI-gesteuerte Konstruktions- und Fertigungsoptimierung

Das CiS Forschungsinstitut plant in einem neuen Projekt im Rahmen auf Grundlage dieser Technologien gemeinsam mit Partnern aus der Industrie neue Anwendungen zu erschließen. Ziel ist dabei, ein Projektantrag zu stellen.

Aufgrund der Vielzahl an denkbaren Lösungsansätzen und dem bisher nur rudimentären Verständnis der Marktsituation und Marktbedürfnissen, sollen für die Vorauswahl und Vorbereitung eines solchen Projektantrages die Leistungen eines Innovationsgutscheins genutzt werden.

Liefer- und Leistungsumfang

Um die Grundidee für weitere Anwendungen der Si-DMS-Technologie für sensorische Anwendungen im Bereich Leichtbau auszubauen, sind im Rahmen des Innovationsgutscheins folgende Leistungen als Unterauftrag vorgesehen:

1. Erarbeitung einer definierten Aufgabenstellung

Aus den potentiellen Ansätzen ist eine konkrete Zielanwendung unter Berücksichtigung der im angestrebten Förderprogramm (Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB)) genannten Anforderungen und Vorgaben abzuleiten.

2. Gewinnung der notwendigen Kooperationspartner

Die im angestrebten Förderprojekt erforderlichen Partner sollen vorrangig KMUs sein, welche die gesamte Wertschöpfungskette von Forschungsgrundlagen bis zum Produkt abdecken können. Dies sind insbesondere:

A) Partner mit Expertise im Bereich Materialien für Leichtbau und deren Verarbeitung

(Partner 1)

B) Partner mit Expertise im Bereich der Elektronikentwicklung (Partner 2)

C) Partner mit Expertise im Bereich der Softwareentwicklung (Partner 3)

D) Partner mit Marktzugang sowie Möglichkeiten zur Herstellung und Bewertung der Prototypen. (Partner 4)

Es ist zu überprüfen, ob das geplante Förderprojekt mit der ausgearbeiteten Zielstellung und dem Verbundpartnerkonsortium gemäß den Förderrichtlinien des Förderprogrammes förderfähig ist.

3. Recherchen und Marktanalysen

Folgende Punkte sind dabei zu bearbeiten:

- Für einen erfolgreichen FuE-Verbundantrag ist es erforderlich, die zu erzielenden Vorteile, der sich aus den Ergebnissen des Förderprojektes ergebenden Lösungen zu identifizieren und hinsichtlich ihres Marktpotentials zu bewerten Das CiS Forschungsinstitut benötigt darum einen detaillierten Überblick zu bestehenden Lösungen und Produkten mit vergleichbarer Zielanwendung, sowie eine Einschätzung zu den damit verbundenen wesentlichen Vor- und Nachteilen. Die technischen Anforderungen (Sensitivität, Selektivität, Messbereich, Auflösung,...) der potentiellen Anwender sowie die Parameter von am Markt bereits verfügbaren Lösungen sind zu analysieren.

- Im Rahmen einer Literatur- und Patentrecherche soll der Stand der Wissenschaft und Technik mit vergleichbarer Zielanwendung und technologischer Herangehensweise näher betrachtet werden. Insbe-sondere kritische IP soll damit frühzeitig identifiziert werden, um diese bei der Planung und Gestaltung des Fördervorhabens entsprechend berücksichtigen zu können.