Wissensbasierte Überprüfung mikrotechnologischer Fertigungsabläufe

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein wissensbasiertes System zur Konsistenzprüfung von mikrotechnischen Fertigungsabläufen. Die Inhalte führen von einer allgemeinen Betrachtung des Entwurfs in der Mikrotechnik und der noch benötigten Unterstützung im fertigungsgerechten Entwurf hin zur Vorstellung und Implementierung eines geeigneten Lösungskonzepts. Des Weiteren sind die Einbindung in eine bestehende Konstruktionsumgebung sowie die Verdeutlichung des Entwurfsvorgehens durch Beispiele Gegenstand der Ausarbeitung. Der Entwurfsprozess in der Mikrotechnik verlangt im Gegensatz zu den verwandten Domänen der Mikroelektronik und Mechatronik eine wesentlich stärkere Betonung der Fertigungsgerechtheit. Dies ist bedingt durch die Vielfalt einsetzbarer Fertigungsmethoden, die in der Regel nur sehr eingeschränkt zueinander kompatibel sind und zudem meist nur begrenzte Möglichkeiten zur Materialbearbeitung bieten. Aufgrund mangelnder Entwurfsunterstützung ist der Entwickler auf fundierte technologische Erfahrung angewiesen. Eine zeit- und kostenaufwändige iterative Optimierung des Bauteildesigns in Entwurf und Fertigung ist daher häufig die Regel. Entwurfswerkzeuge müssen diesen besonderen Anforderungen der Mikrotechnik gerecht werden. Bei den bisherigen Bemühungen, diesen Aspekt des Entwurfs mikrotechnischer Bauteile stärker zu berücksichtigen, lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Herstellbarkeit konkreter Mikrostrukturen mit einzelnen Fertigungstechnologien. Hinsichtlich der technologischen Wechselwirkungen innerhalb der Fertigung wird in Analogie zur Mikroelektronik versucht, diese Probleme durch die Standardisierung von Fertigungsprozessen, kompatiblen Prozessfolgen und Komponenten zu umgehen. Die hierbei notwendige Festlegung auf bestimmte Technologien und deren Einstellungen führt jedoch zu einer Einschränkung der Lösungsmöglichkeiten. Der Entwurf domänenübergreifender Anwendungen, die z.B. elektromechanische, fluidische, optische oder andere Funktionselemente beinhalten, ist auf diese Weise bislang nicht möglich. Nur wenige Werkzeuge versuchen dagegen, eine Untersuchung der Wechselwirkungen von Technologien direkt in den Entwurf einzubeziehen, indem Inkonsistenzen in Fertigungsabläufen automatisiert erkannt werden. Die derzeit bestehende Unterstützung auf diesem Gebiet ist allerdings noch sehr elementar. Das in dieser Arbeit entwickelte Werkzeug RUMTOPF nutzt den aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz stammenden Ansatz der regelbasierten Systeme, um diese Problemstellung des mikrotechnischen Entwurfs zu adressieren. Die Philosophie des Gesamtsystems liegt darin, seitens des Anwenders möglichst wenig technologisches Expertenwissen vorauszusetzen. Das zur Definition und Prüfung einer Fertigungsprozessfolge benötigte Wissen kann in im Netzwerk verfügbaren Wissensbasen bereitgestellt werden. Da die Strukturierung dieser Basen entscheidenden Einfluss auf die Flexibilität und Erweiterbarkeit des Gesamtsystems hat, wurden angepasste objektorientierte Datenmodelle zur Wissensrepräsentation von Technologien, Fertigungsabläufen und Kompatibilitätsbeziehungen entwickelt und implementiert. Den gleichen Stellenwert haben geeignete Anwenderschnittstellen, die zum einen zum Erwerb zusätzlichen Wissens und zur Information des Anwenders dienen, zum anderen die Nutzung dieses Wissens zur Konsistenzprüfung von Fertigungsabläufen ermöglichen. Dem Anwender wird daher u.a. eine graphische Oberfläche geboten, mit der Prozessfolgen einfach aus dem vorhandenen Technologiewissen konfigurierbar sind. Die schrittweisen Änderungen des zu fertigenden Mikrobauteils werden für jeden Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung visualisiert. Mit technologie-orientierten Regeln kann die definierte Prozessfolge auf mögliche Wechselwirkungen der eingesetzten Prozessierung geprüft werden. Hierzu wird die Diagnosekomponente des Werkzeugs genutzt, welche mit dem Anwender zur Meldung und Erklärung gefundener Mängel kommuniziert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Möglichkeiten zur Formulierung von komplexen, möglichst allgemeingültigen Zusammenhängen gelegt, um die Inkompatibilitäten der Fertigung flexibel und kontextbezogen beschreiben zu können. Eine entsprechende Regelbeschreibungssprache wurde entwickelt. Für die Verwendung der erstellten und geprüften Prozessplänen in der Praxis wird die Möglichkeit zum Ausdruck gegeben. Ein generelles Defizit der Entwurfsunterstützung in der Mikrotechnik ist die mangelnde Integration der vorhandenen Werkzeuge. Sie stellen in sich Insellösungen dar, die lediglich einen konkreten Bereich des fertigungsgerechten Entwurfs abdecken können. Zusätzlich zur Prüfung der technologischen Wechselwirkungen ist die Fertigbarkeit der geometrischen Zielvorgaben durch den jeweiligen Fertigungsprozess zu untersuchen. In diesem Bereich ist bereits umfangreiche Entwurfsunterstützung vorhanden, sodass eine Integration der vorgestellten Anwendung mit technologiebezogenen Werkzeugen vollzogen werden kann. Das Vorgehen wurde am Beispiel des am Institut für Mikrotechnik entwickelten Ätzsimulationsprogramms SUZANA aufgezeigt. Abschließende Beispiele zur Herstellung einer planaren Mikrospule und eines 3D-Beschleunigungssensors zeigen die Möglichkeiten und eine generelle Vorgehensweise bei der Nutzung des Werkzeuges. In der Praxis wird ein paralleler Entwurf von Mikrobauteil und Fertigungsablauf angestrebt. Funktionale und somit geometrische Aspekte müssen bezüglich ihrer Herstellbarkeit mit einzelnen Technologien sowie im Rahmen der Gesamtfertigung untersucht werden. Dieses iterative Vorgehen, das bislang häufig erst in der Herstellung stattgefunden hat, kann somit in den eigentlichen Entwurfsprozess eingebunden und somit der fertigungsgerechte Entwurf in der Mikrotechnik umfassend unterstützt werden

Bericht zum Seminar über Elektro-CAD (Sommersemester 2000)

Die rechnergestützte Produktentwicklung erfolgt heutzutage in einem interdisziplinären Arbeitsprozeß, innerhalb dessen Experten verschiedener Ingenieurbereiche und Branchen ihr Fachwissen und Können mittels modernster Software-Werkzeuge in sogenannte Produktmodelle einbringen. Derartige Produktmodelle verkörpern die informationstechnische Datenbasis eines zu entwickelnden bzw. zu fertigenden Produktes und sind zur Gestaltung eines effizienten Produktentwicklungsprozesses mittlerweile obligatorisch. Eine der Schlüsseltechnologien der rechnergestützten Produktentwicklung ist der Bereich des Computer Aided Design, kurz CAD, innerhalb dessen die konstruktive Modellierung des Konstruktionsobjektes erfolgt. Während die CAD-Technologie in den Anwendungsbereichen Mechanik bzw. Maschinenbau bereits seit vielen Jahren etabliert ist - und heute einen immens hohen Entwicklungsstand aufweist - befindet sich die Entwicklung von effizienten Werkzeugen zur rechnergestützten Konstruktion elektrotechnischer bzw. elektromechanischer Produkte auf einem weitaus niedrigeren technologischen Niveau. Die Gründe hierfür mögen zum Teil historisch bedingt sein, denn die Entwicklung von Elektro-CAD-Werkzeugen (E-CAD) hat erst rund zwanzig Jahre nach der Entwicklung von Mechanik-CAD-Werkzeugen (M-CAD) eingesetzt, da schlichtweg bis dato kaum Bedarf an solchen Werkzeugen für die Elektrokonstruktion bestand. Ferner unterscheiden sich Maschinenbau und Elektrotechnik in bezug auf Aufbau und Darstellung von CAD-Modellen stark voneinander, so daß die für den M-CAD-Bereich entwickelten Werkzeuge nicht ohne weiteres für die Verwendung im E-CAD-Umfeld angepaßt werden konnten. Seit Mitte der Neunziger Jahre beschäftigen sich zahlreiche Wissenschaftler, E-CAD-Anwender und Systementwickler verstärkt mit der Entwicklung einer neuen (dritten) Elektro-CAD- Systemgeneration, welche den zukünftigen Anforderungen an ein modernes Electrical Engineering gerecht werden soll