Innovations in Microsystems
Nachbericht
- Mikrosystemtechnik ist Innovationstreiber in zahlreichen Branchen
- Querschnittstechnologien setzen wichtige Impulse für Neuentwicklungen
- 130 Experten aus 10 Ländern auf Kongress „Innovations in Microsystems"
Die dynamische Weiterentwicklung der Mikrosystemtechnik ist Impulsgeber für Innovationen in der Elektronik und Basis für vielfältige Produktinnovationen in zahlreichen Branchen. Beispiele sind optische Mikrosysteme für die minimal-invasive Chirurgie in der Medizintechnik, Mikrofestplatten für mobiles Computing, Druckköpfe moderner Tintenstrahldrucker in der IuK-Branche sowie Beschleunigungs- und Drehratensensoren im Bereich Automotive zur Auslösung von Airbags.
Die Mikrosystemtechnik kombiniert Methoden der Mikromechanik, der Mikrofluidik und der Mikrooptik, aber auch Entwicklungen der Mikroelektronik, der Biotechnologie und der Nanotechnologie, indem sie Bauelemente und Komponenten aus diesen Bereichen zu neuen Systemen integriert. In intelligenten Mikrosystemen wirken Sensoren mit Aktuatoren und mikroelektronischen Bauelementen für Datenspeicherung und -verarbeitung als System zusammen.
„Die Mikrosystemtechnik ist eine sehr spezielle Querschnittstechnologie - klein und auf den ersten Blick nicht sichtbar, aber von hoher Innovationsdynamik und essentiell für die Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme", erläuterte Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH in seiner thematischen Einführung zum Kongress „Innovations in Microsystems". Der Kongress wurde am 16. und 17. März 2010 in München bereits zum dritten Mal in Folge von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM in enger Zusammenarbeit mit dem Fachverband für Mikrotechnik IVAM, dem Europäischen Mikrosystemtechnik Netzwerk NEXUS und dem ZVEI Bayern sowie der Bayerischen Cluster Neue Werkstoffe und Medizintechnik ausgerichtet. Mehr als 130 Experten aus 10 Ländern und 18 Aussteller kamen nach München, um praxisnahe Einblicke in aktuelle technologische Entwicklungen zu geben und Kooperationen für neue Produktentwicklungen anzustoßen.
Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt geordnet:
- Mikrosystemtechnik bleibt ein Wachstumsmarkt
- Beispiele für erfolgreiche Innovationen in Schlüsselbranchen
- Neue Fertigungsansätze und Massenproduktion als Erfolgsfaktor
- Viel versprechende offene Plattform für die Initiierung von Innovationen
Mikrosystemtechnik bleibt ein Wachstumsmarkt
Das weltweite Umsatzvolumen von Produkten, in denen Mikrosysteme integriert sind, liegt bei mehreren hundert Milliarden USD. Patric Salomon, Berliner Repräsentant von NEXUS bestätigte, dass selbst vor dem Hintergrund aktueller wirtschaftlicher Herausforderungen in den kommenden Jahren mit zweistelligen jährlichen Wachstumsraten zu rechnen sein wird und die Mikrosystemtechnik einer der großen Zukunftsmärkte bleibt.
Antrieb findet diese Entwicklung dadurch, dass Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) durch ihren vielseitigen Einsatz in unterschiedlichsten Branchen stets neuen technologischen Anforderungen gerecht werden müssen, wie erhöhter Funktionalität, Zuverlässigkeit, Lebensdauer oder „Intelligenz". MEMS sind damit ein essentieller Schlüssel für die Lösung von Herausforderungen mit gesellschaftlicher Relevanz, wobei Themen wie Energie und Umwelt, Sicherheit und Mobilität sowie Gesundheit und demographischer Wandel im Vordergrund stehen.
Die Mikrosystemtechnik sucht z. B nach besseren Lösungen in den medizintechnischen Bereichen Diagnose, Behandlung und Therapie, ist Grundlage für Assistenzsysteme im Themenfeld Ambient Assisted Living (AAL) für die Erhöhung der Lebensqualität älterer Menschen und hilft bei der Erfüllung ökonomischer und ökologischer Vorgaben, wie der Reduktion von Fertigungskosten oder dem Erreichen von Umweltschutzauflagen.
Anschauliche Beispiele, wie mit Hilfe der Mikrosystemtechnik die Nutzung von Ressourcen effizienter und durch die Verwendung recyclebarer Materialien umweltfreundlicher gestaltet werden kann, finden sich zahlreich vor allem im Bereich Automotive, denn „Automotive ist die Mutter der Mikrosystemtechnik in Deutschland", so Dr. Uwe Kleinkes vom IVAM in Dortmund.
Beispiele für erfolgreiche Innovationen in Schlüsselbranchen
In einer impulsgebenden Präsentation für den Bereich Automotive zeigte Anton Müller von Infineon Technologies aus München die Perspektiven von Mikrosystemen im Zukunftsfeld Elektromobilität auf. So steigern Stromsensoren die Leistungsfähigkeit von Li-Batteriestacks durch Cellbalancing, Druck- und Konzentrationssensoren verbessern die Leistung von Brennstoffzellen während drahtlose Sensornetzwerke die Kommunikation im Power Grid und mit der Infrastruktur, z.B. für Abrechnungssystemen, ermöglichen. Die Sicherheit hat darüber hinaus höchste Priorität im Bereich Automotive. Dr. Michael Kandler, System Design-In Manager bei der SensorDynamics AG im österreichischen Graz-Lebring zeigte am Beispiel eines hochkomplexen mehrdimensionalen Beschleunigungs-Gierraten-Sensors, wie durch eine integrierte Selbstkontrolle Ausfallsicherheiten in der Sensorik deutlich erhöht werden.
Die von Dr. Uwe Kleinkes präsentierte Marktanalyse des Branchenverbandes IVAM belegt, dass die Medizintechnik neben Automotive den zweiten herausragenden Zielmarkt für technologische Innovationen aus der Mikrosystemtechnik darstellt. Als Antwort auf die Herausforderungen des demographischen Wandels können Homecare-Lösungen die Kosteneffizienz in der Gesundheitsversorgung verbessern. Die Mikrosystemtechnik liefert hier die entscheidenden Beiträge für Miniaturisierung, einfache Bedienbarkeit und hohe Zuverlässigkeit. Dr. Roland Stangl von der PARItec GmbH erläuterte, wie intelligente Entwicklungen in der Mikrofluidik die Wirksamkeit medizinischer Verfahren im Bereich Medikamentenapplikation oder Blutanalyse signifikant verbessern können.
In unserer Gesellschaft nehmen die Wünsche nach mehr Mobilität, Individualität und Komfort stetig zu. Damit steigt gleichermaßen der Bedarf nach technischen Assistenzsystemen, z.B. zur einfacheren Bedienbarkeit von Geräten oder für bessere Navigation in Städten und auf dem Land. Bei Bosch Sensortec arbeitet man deshalb bereits intensiv an entsprechenden Lösungen für die nächste Generation von Mobiltelefonen. Dr. Wolfgang Schmitt, Product Manager in Reutlingen präsentierte die Fortschritte bei der Entwicklung von Beschleunigungs- und Drehratensensoren, die dabei helfen sollen, mobile Geräte intuitiver bedienen zu können. Ferner sollen Drucksensoren zur Bestimmung von Luftdruckänderungen in Mobiltelefone integriert werden und damit sowohl Wetterprognosen als auch Höhenmessungen ermöglichen. In Kombination mit Schrittzähler, elektronischem Kompass und GPS-System ermöglichen Mobiltelefone der Zukunft nicht nur eine exaktere Fußgängernavigation in Städten sondern sogar die Bestimmung der Position auch bzgl. des Stockwerkes innerhalb eines Gebäudes. Vorraussetzung für die Markteinführung sind aber kostengünstige Sensorsysteme aus der Massenproduktion.
Neue Fertigungsansätze und Massenproduktion als Erfolgsfaktor
Um auch in Zukunft Lösungsansätze für stetig steigende technologische Herausforderungen zu finden, treten zunehmend neue Fertigungskonzepte in den Mittelpunkt der angewandten Forschung. „Bislang Bewährtes darf nicht einfach nur kleiner gemacht werden", so Prof. Paddy French von der niederländischen Universität in Delft, es werden stattdessen vermehrt neue Fertigungsansätze benötigt.
„Gerade wirtschaftlich schwierige Zeiten bieten hier Chancen für neue Geschäftsmodelle, wie dem Foundry-Konzept und ermöglichen wirtschaftliche Fertigung auch in Deutschland!", bestätigte Gerhard Spitzelsberger, Chief Technical Officer (CTO) bei der LFoundry GmbH in Landshut. Er beschrieb aus Sicht einer Halbleiter-Foundry, wie in der Mikroelektronik die Fertigung entsprechend „more Moore" zunehmend an Bedeutung verliert, da neue Lösungen aus der Mikrosystemtechnik mit „more than Moore" leistungsfähigere Systeme zum Ziel haben. Während bei „more Moore" durch stetige Miniaturisierung lediglich die Rechenleistung von ICs oder die Speicherkapazität von DRAMs erhöht wird, ermöglicht „more than Moore" intelligentere Systeme zur Datenerfassung und Interaktion und damit eine weit größere Vielfalt an Produktinnovationen in zahlreichen Märkten.
Viele dieser MEMS-Applikationen beruhen auf interdisziplinären Impulsen. Ideen für innovative Technologien holen sich Forscher wie Anwender hierbei sowohl aus der Bio- und Nanotechnologie als auch aus Entwicklungen in Mechanik, Werkstofftechnologie, Fluidik und Optik.
„Die Natur nutzt z. B. Nanostrukturen, um die Farbeffekte von Schmetterlingsflügeln zu erzielen", so Dr. Norbert Weber von Fraunhofer IIS in Erlangen, der in seinem Vortrag perfekt an die Ausstellung im Deutschen Museum anknüpfte, welche die Kongressteilnehmer im Rahmen des Abend-Events in die Welt der Bionik und Nanotechnologie entführt hatte. "Mit bionisch inspirierten metallischen Nanostrukturen lassen sich nicht nur tolle Farbeffekte erzielen, gerade in der optischen Sensorik ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten für die Herstellung miniaturisierter optischer Komponenten wie von Farb- oder Polarisationsfiltern", wie Weber aufzeigte. Diese lassen sich direkt in die Pixel einer CMOS-Kamera integrieren und bieten neue Möglichkeiten in der Materialprüfung oder auch als ortsauflösender Eissensor für Fahrsicherheit im Automobil.
Ein anderer Ansatz für optische Mikrosysteme wird am Karlsruher Institut für Technologie verfolgt. Über das LIGA-Verfahren werden mittels Röntgenlithographie Prägestempel für mikrooptische Systeme erstellt. In einem anschließenden Heißprägeprozess entstehen so komplette Systeme wie Spektrometer oder Interferometer. „Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Systemintegration mit Kopplung der Mikrooptik an die elektronischen Komponenten dar", wie Dr. Jürgen Mohr, vom Karlsruher Institut für Technologie am Beispiel hochpräziser Diagnostikwerkzeuge für die Medizin aufzeigte.
Weitere Möglichkeiten der Mikrostrukturierung bieten Femtosekundenlaser. Durch Effekte aus der nicht-linearen Optik ermöglichen sie im Fokus ein präzises Schneiden ohne Wärmeeintrag. „Dies ermöglicht nicht nur neue Ansätze bei der Bearbeitung von Kunststoffen oder Keramik, sondern auch das hochpräzise Schneiden biologischer Materialien", so Prof. Dr. Holger Lubatschowski von der Rowiak GmbH, Hannover. Da der Schneidprozess ausschließlich im Fokus stattfindet, können so auch drei-dimensionale Flächenstrukturen herausgearbeitet werden.
Auch Entwicklungen aus dem Bereich der Mikrofluidik finden zunehmend Anwendung in MEMS. Hierbei lassen sich grundsätzlich zwei Ansätze unterscheiden: die Fertigung aus Glas/Plastik oder Silizium als Grundwerkstoff. Kunststoff wird derzeit zunehmend für Microarrays eingesetzt, die bis zu 10.000 parallele Messkanäle pro cm2 ermöglichen, wobei Flüssigkeitsmengen im Bereich von Nano-Litern verwendet werden. Die Anwendungen liegen u. a. in der Entwicklung neuer Wirkstoffe in der pharmazeutischen Industrie. „Preisgünstige, selbstkontrollierte Mikropumpen und Ventile aus Kunststoff bieten sich hier als Dosiersysteme an", wie Dr. Frank Bartels von der Bartels Mikrotechnologie GmbH, Dortmund betonte. Weitere Anwendungen sind Fluidik in Plastikkarten oder Mikroreaktoren, in denen Flüssigkeiten, z. B. für Analytik, chemische Synthese oder in der Lebensmittelindustrie gezielt gemischt werden. Die besondere Herausforderung liegt hier in der Beherrschung der Strömungs-, Diffusions- und Benetzungseigenschaften.
Ein anderer Ansatz wird bei der digitalen Fluidik verfolgt, die auf dem Einsatz von Siliziumchips beruht. Hier werden einzelne Flüssigkeitströpfchen über das elektrische Schalten von Benutzungseigenschaften über den Siliziumchip bewegt. Diese können dann gezielt mit anderen Wirkstoffen vermischt werden. Dr. Claude Vauchier vom CEA-LETI Minatec in Grenoble, Frankreich präsentierte Wafer-gefertigte Systeme, auf denen komplette Abläufe für biochemische Analysen integriert sind. Diese Systeme ermöglichen eine in-Situ Diagnostik von Flüssigkeiten oder auch Gasen. Weiterhin wird so eine schnelle, und patientennahe Labordiagnostik möglich. Mittelfristig ist sogar eine Diagnostik für jedermann angedacht.
Die Adaption komplexer Neuentwicklungen in kostengünstige Fertigungsverfahren ist hier entscheidend, um eine Massenproduktion und damit den gewünschten „Return of Invest" sicherzustellen. Ein positives Beispiel dafür, dass dies nicht nur in Asien möglich ist, präsentierte Katrin Weilermann von SUSS MicroTec Lithography in München. Über Methoden des Wafer Level Packaging konnten die Fertigungskosten von CMOS-Kameras signifikant gesenkt werden konnten, indem eine Massenfertigung von Kameralinsen auf Siliziumscheiben entwickelt wurde.
Zunehmend werden auch neue Materialien in Fertigungsprozesse integriert. Piezo-Düsen für die Erzeugung feinster Flüssigkeitsstäube bei Inhalatoren, Werkstoffe mit elektrisch-schaltbarer Benetzungseigenschaft für die digitale Fluidik oder elektrorheologische Flüssigkeiten für die Kraftrückkopplung stehen exemplarisch für interdisziplinäre Herausforderungen bei der Mikrosystementwicklung.
„Bereits heute spielen Herstellerfirmen in der Mikrosystemtechnik fast auf der gesamten Klaviatur des chemischen Periodensystems, um die besten Materialeigenschaften zu errreichen", ergänzte Dr. Thomas Scheiter, Leiter des Global Technology Fields ´Microsystems´ bei Siemens Corporate Technology in München, der in seiner Präsentation die nötigen „Zutaten" und Verfahren für die Herstellung von Mikrosystemen zusammen fasste: Angefangen bei der Material- und Prozessentwicklung über das Design einzelner Komponenten bis zum Entwurf und der Integration kompletter Systeme muss die gesamte Wertschöpfungskette zusammenarbeiten um auch in Zukunft erfolgreich Innovationen in der Mikrosystemtechnik zu realisieren.
Viel versprechende, offene Plattform für die Initiierung von Innovationen
Vor diesem Hintergrund hat SIEMENS gemeinsam mit dem Fraunhofer IZM in München das „Centre for Microsystem Integration Munich (CMM)" gegründet. Das CMM ist laut Dr. Thomas Scheiter von Siemens Corporate Technology in München eine „offene Innovationsplattform", um Kompetenzen bei der Technologie- und Produktentwicklung in der Mikrosystemtechnik zusammenzubringen und zugänglich zu machen. Offen ist diese Plattform sowohl für industrielle und akademische Forschung als auch für neue Partner, speziell für klein- und mittelständischen Unternehme (KMUs).
Für diese KMUs aber auch für Universitäten und akademische Forschungseinrichtungen bietet die Landshut Silicon Foundry GmbH ebenfalls vielversprechende Perspektiven. Gerhard Spitzelsberger erläuterte die Angebote der Halbleiter-Foundry bezüglich der Fertigung multifunktionaler Mikrosysteme in Kleinserien entsprechend kundenspezifischer Anforderungen.
Eine wichtige Kooperationsplattform für zukünftige Innovationen stellt auch der Kongress „Innovations in Microsystems" dar, der bereits zum dritten Mal in Folge Experten und Anwender aus dem gesamten Spektrum der Wertschöpfungskette zusammenführte: dem Schaltungsentwurf, der Chip-Herstellung, der Baugruppen-, Komponenten-, Mikrosystem- und Endgeräte-Fertigung sowie wichtige akademische Einrichtungen und Anwenderbranchen.
Hierfür stehen Universitäten und Forschungsinstitute, wie DIMES, CEA-LETI Minatec, zahlreiche Fraunhofer Institute, das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik oder das Karlsruher Institut für Technologie sowie Anbieter und Hersteller aus der Mikrosystemtechnik wie Bartels Mikrotechnik, EnablingMNT, Infineon, PARItec, Rowiak, Sensitec, SensorDynamics oder Suss MicroTec Lithography und Anwender aus unterschiedlichsten Branchen, wie BMW, Bosch, Epson, EV Group, Fronius, Schaeffler Technologies und Siemens Corporate Technology.
Jürgen Frickinger, Projektleiter BAIKEM bei der Bayern Innovativ, Nürnberg, zog dementsprechend eine positive Bilanz des Kongresses, da es erneut gelang, umfassend über aktuelle technologische Trends und Anwendungsmöglichkeiten zu informieren sowie gezielt Teilnehmer zusammenzuführen mit Kohärenz in Wissen, Erfahrung und Ideen, um zielgerichtete Diskussionen über Kooperationen für Innovationen von morgen zu initiieren.
Bayern Innovativ unterstützt die Innovationsdynamik im Zukunftsfeld Mikrosystemtechnik weiterhin und wird deshalb bereits im kommenden Jahr die Themenreihe „Innovations in Microsystems" fortsetzen.
Ansprechpartner:
Jürgen Frickinger
Dr. Rupert Tkotz
Dr. Andreas Böhm
Research & Technology
Industrial Supply
