Systemintegration in der Mikrosystemtechnik
Nachbericht
Systemintegration in der Mikrosystemtechnik
- Mikrosystemtechnik ist Innovationstreiber in zahlreichen Branchen
- MEMS ermöglichen sogar Lösungen für globale Herausforderungen
- 100 Experten beim ersten BAIKEM-Forum mit Fraunhofer und Siemens
Die Mikrosystemtechnik ist eine wichtige Querschnittstechnologie. Sie kombiniert Mikro-Sensorik und -Aktorik mit einer leistungsfähigen Steuerungselektronik. Dadurch entstehen immer kleinere und intelligentere Mikrosysteme. Mikro-Elektro-Mechanischen-Komponenten (MEMS) regulieren z. B. die Airbagauslösung und das elektronische Stabilitätsprogramm in Fahrzeugen, steuern das automatische Umschalten zwischen Hoch- und Querformat bei Mobiltelefonen oder dienen als Wetterstation und Höhenmesser in Armbanduhren.
Potenziale für Neuentwicklungen existieren in nahezu allen Bereichen - in Materialforschung, Bauteilentwicklung, Fertigungstechnik sowie in vielfältigen elektronischen Endprodukten. MEMS sind deshalb 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.
„Intelligente MEMS ermöglichen - für uns unsichtbar und deshalb nahezu unbemerkt - immer wieder neue Funktionen in vielfältigen Produkten und sind ein wesentlicher Innovationstreiber in zahlreichen Branchen", erläuterte Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH in seiner thematischen Einführung zum Kooperationsforum „Systemintegration in der Mikrosystemtechnik". Das Kooperationsforum wurde am 10. Mai 2011 von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM zum ersten Mal gemeinsam mit der Fraunhofer Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT und Siemens ausgerichtet. Mehr als 100 Experten und 13 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:
- Systemintegration ist Schlüsseltechnologie für die Mikrosystemtechnik
- Neues Kompetenzzentrums für Systemintegration in München
- Best-Practice Beispiele von Forschungskooperationen
- Bayern Innovativ bietet Chancen der Vernetzung
Systemintegration ist Schlüsseltechnologie für die Mikrosystemtechnik
Die Mikrosystemtechnik kombiniert Methoden der Mikromechanik, der Mikrofluidik und der Mikrooptik, aber auch Entwicklungen der Mikroelektronik, der Biotechnologie und der Nanotechnologie, indem sie Materialien und Komponenten aus diesen Technologien in neue intelligente Mikrosysteme integriert.
Diese MEMS sind zum Teil nur wenige Millimeter groß und müssen durch ihren vielseitigen Einsatz in unterschiedlichsten Branchen stets neuen technologischen Anforderungen gerecht werden, wie erhöhter Funktionalität, Zuverlässigkeit, Lebensdauer oder „Intelligenz". Aber erst die Integration dieser MEMS in ein Makrosystem, wie ein Mobiltelefon oder Automobil, ermöglicht Produktinnovationen.
Die Systemintegration umfasst also in zweierlei Hinsicht Techniken zur Integration von Komponenten zu einem intelligenten Gesamtsystem und bildet somit eine besonders wichtige Rolle in der Mikrosystemtechnik. Dr. Thomas Scheiter, Leiter des Global Technology Fields ´Microsystems´ bei Siemens Corporate Technology in München, erläuterte dies u. a. in seiner Präsentation über die Verfahren für die Herstellung von Mikrosystemen. Von 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.
Denn während klassische MEMS nur nach einem vorprogrammierten Schema „fühlen", „bewerten" und „handeln", werden die „Smart Systems" der Zukunft zur Selbstdiagnose fähig sein und weitgehend autonom agieren - also zumindest ansatzweise „denken", „verstehen" und „lernen" können.
Neues Kompetenzzentrum für Systemintegration in München
Vor diesem Hintergrund hat SIEMENS gemeinsam mit dem Fraunhofer EMFT in München die Gründung des Center für Mikrosystemintegration München" CMM initiiert. Das CMM ist eine Innovationsplattform, um Kompetenzen bei der Technologie- und Produktentwicklung in der Mikrosystemtechnik zusammenzubringen und zugänglich zu machen, so Prof. Dr. Karlheinz Bock, Kommissarischer Leiter des Fraunhofer EMFT.
Mit der Gründung des CMM ist eine Keimzelle für ein neues Kompetenzzentrum in der Mikrosystemtechnik in Bayern entstanden. Das CMM ist als Innovationsplattform für MEMS konzipiert, bei der die Partner ihre Ressourcen und ihre umfangreiche Expertise bündeln. Diese umfasst silizium-basierte Technologien für MEMS-Fertigung auch mit Einsatz neuer Materialien, aber auch die Bereiche der Aufbau- und Verbindungstechnik und der Mikro-Nano-Integration.
Prof. Dr. Ignaz Eisele, Hauptabteilungsleiter Nano Materialien und Si-Technologie, Fraunhofer EMFT, München gab detaillierte Einblicke in den am CMM vorhandenen Pool sich ergänzender leistungsfähiger Anlagen und in die Expertise der Gründungsmitglieder Fraunhofer EMFT, Siemens CT, Süss Microtech, Ketek und Landshut Silicon Foundry. Damit ergeben sich vielfältige Möglichkeiten für die kundenspezifische Fertigung - von Prototypen über Kleinserien bis hin zu Großserien - und für gemeinsame Kooperationen in geförderten Forschungsprojekten.
Rainer Käsmaier, Director Technical Marketing & Project Management bei der LFoundry GmbH in Landshut ergänzte 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.
Best-Practice Beispiele von Forschungskooperationen
Ein Großteil des Forums wurde dafür genutzt, erfolgreiche Zusammenarbeiten von Partnern bei der Umsetzung kreativer und innovativer Ideen in Produkte darzustellen. Entsprechend teilten sich auch die Partner die Redezeit.
Beispiel Medizintechnik:
Es wurde die Entwicklung leistungsfähiger Detektoren für den weltweit ersten Biograph mMR Tomographen vorgestellt, der simultane Magnetresonanz- und Positronen-Emissons-Aufnahmen ermöglicht. „Ein bedeutender Fortschritt in der Medizintechnik, denn Ärzte können nun erstmals die Lage von Organen und den Zellstoffwechsel in einem Bild darstellen - wichtig nicht nur bei Krebs und Demenz", so Dr. Harry Hedler, Siemens Healthcare, München. Die damit schnellere Erkennung von Krankheiten ermöglicht verbesserte Therapien und Wirkstoffentwicklungen für Patienten.
Entscheidend für die Verwirklichung der Anlage war die Entwicklung eines kompakten Silizium Photomultipliers, der auch in großen Magnetfeldern zuverlässig arbeitet. Dies konnte durch die Kombination der Erfahrungen aus der Röntgenspektroskopie der Firma Ketek und Know How des Fraunhofer EMFT in der Systemintegration erreicht werden.
Beispiel Automobil und Kommunikation:
Speziell für den Markt der Elektronik in rauer Umgebung werden derzeit bei LFoundry in Landshut unterschiedlichste spezifische MEMS-Sensoren in Forschungskooperationen entwickelt und gefertigt. Ein Anwendungsbeispiel ist das, im Rahmen des vom Förderprogramm „Informations- und Kommunikationstechnik" durch die bayerische Staatsregierung geförderte, Projekt MEESAR. „Ziel ist dabei die Verbesserung der Empfangsqualität eines satellitengestützten Radiosystems im Automobil", so Prof. Dr. Lindenmeier, Institutsleiter, Hochfrequenztechnik und mobile Kommunikation, Universität der Bundeswehr, München, der auch die Arbeiten des dritten Kooperationspartners Delphi Deutschland GmbH präsentierte. Er stellte Ergebnisse eines Zwei-Antennensystems mit im System integrierter Vorauswertung vor, das im Empfang nahezu keine Abschattungseffekte z. B. durch Bäume hat. Dabei ist das System so klein, dass es auch in bisherigen Antennen-Haiflossen untergebracht werden kann.
Beispiel Hochfrequenztechnik:
Die Verbesserung der Signalqualität ist ein kontinuierliches Entwicklungsziel für alle kabellosen Technologien - wie z. B. WLAN, Bluetooth, 3G, Gb Ethernet. In der Informations- und Kommunikationstechnologie gilt es deshalb u. a. das Phasenrauschen eines Oszillators zu reduzieren, um zu vermeiden, dass die Trennschärfe abnimmt oder es zu Modulationsfehlern kommt, die wiederum eine höhere Bitfehlerrate bewirken. Prof. Dr.-Ing., Dr. h.c. mult. Ulrich L. Rohde, Geschäftsführer der Rohde Familien Holding, München und Thomas Hüllen, Technical Manager, Synergy Microwave GmbH & Co. KG, Berlin erläuterten detailliert, wie die Mikrowellen-Referenzfrequenzerzeugung mit extrem niedrigen Phasenrauschen dazu beitragen kann, hohe Datenübertragungsraten auch auf größere Entfernungen zu realisieren sowie die Genauigkeit von HF-Systemen über eine hochpräzise Clock zu verbessern.
Beispiel Mikrofluidik:
Auch Entwicklungen aus dem Bereich der Mikrofluidik finden zunehmend Anwendung in MEMS.
Dr. med. Hans Helmut Niller vom Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene der Universität Regensburg präsentierte die Entwicklung eines fluidischen Systems für die Bio-Sensorik als Teilvorhaben eines gemeinsamen Projektes mit EADS Innovation Works. Entwickelt wurde ein fluoreszenz-basiertes Schnelltestsystem zur Bestimmung der mikrobiologische Belastung von Wasser. Durch speziell entwickelte Filter werden die Bakterien nicht, wie bei konventionellen Filtermaterialien, im Filter angesammelt, sondern befinden sich auf der Oberfläche des Filtermaterials. Deshalb kann der Filter nach dem Fluoreszenz-Test einfach gereinigt und wieder verwendet werden.
Dr. Alois Friedberger, Leiter des Teams für chemische und biologische Sensoren bei EADS Innovation Works, München, erläuterte mögliche Anwendungen dieses Sensors in Luft- und Raumfahrt. Daneben stellte er ein zweites Projekt für mikro-fluidische Systeme vor, welches im Rahmen des Förderprogramm „Mikrosystemtechnik" durch die bayerische Staatsregierung gefördert wird: Die Entwicklung eines Mikrotriebwerks für Satelliten.
Weil Satelliten immer kleiner werden, wächst der Bedarf an Triebwerken mit sehr kleinen Schüben für eine präzise Lageregelung. Flüssigtreibstoff-Triebwerke mit konventionellen feinwerktechnischen Methoden weiter zu miniaturisieren, ist kaum möglich. Mit Hilfe der Mikrosystemtechnik sollen deshalb Mikrotriebwerke mit einem Schub von 1 mN für unbemannte Raumfahrtanwendungen entwickelt werden
Markus Kagerer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter des Lehrstuhls für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik an der TU München erläuterte, wie mittels Laserablationsverfahren eine schnelle Prototypenfertigung dieser Mikrotriebwerke an der TU München realisiert wurde. Eine Batch-Prozessierung ermöglicht zudem die Herstellung ganzer Triebwerksarrays. Der Vorteil gegenüber konventionellen Antrieben ist die exakte Dosierung des Schubs und die redundante Ausführung, da der Ausfall einzelner Mikrotriebwerke nicht mehr zum Gesamtausfall des Systems führt.
Beispiel Biotechnologie:
Die Natur dient der Mikrosystemtechnik immer noch als Vorbild, denn sie entwickelt komplette Systeme aus Strukturen im Mikrometermaßstab, die mit ihrer Umgebung in ständiger Wechselwirkung stehen. So haben beispielsweise neue Erkenntnisse in der Bionik und der Nanotechnologie das Verständnis von Proteinen fundamental verändert. Bisher war vergleichbar wenig bekannt, wie nicht nur die Biochemie von Proteinen verschiedenste Zellfunktionen regulieren kann, sondern wie Zellen Proteine als mechanische Schalter nutzen um zum Beispiel die physikalischen Eigenschaften von medizinischen Implantaten oder von biologischen Materialien zu ertasten. „Auch Bakterien nutzen mechanische Nanoschalter um sich in ihrer Umgebung bei Bedarf festklammern zu können", so Prof. Viola Vogel, die zum Abschluss des Kooperationsforums einen Blick in die Zukunft wagte und in ihrem Vortrag der Frage nachging, wie diese biologischen Nanoschalter funktionieren und wie man sie in eines Tages für medizinische und technische Anwendungen nutzen kann.
Bayern Innovativ bietet Chancen der Vernetzung
Mit diesen praxisnahen Einblicken in aktuelle Entwicklungen sollten unter den Teilnehmern Kooperationen angestoßen werden durch horizontale Vernetzung der Technologieexperten sowie durch vertikale Vernetzung mit den potenziellen Anwendern, von der Sensorik über Mechatronik und Medizintechnik bis zur Luft- und Raumfahrt. Dafür war die begleitende Fachausstellung mit 13 Ausstellern ebenfalls ein idealer Anlaufpunkt.
Als Partner im „Haus der Forschung" unterstützt Bayern Innovativ Firmen und Institute im Zugang zu Förderprogrammen auf Landes-, Bundes- und EU Ebene, wie Prof. Dr. Josef Nassauer erläuterte. So konnte kurzfristig Dr. Elisabeth Reese noch in das Vortragsprogramm mit eingebunden werden, Geschäftsstellenleiterin der VDI/VDE Innovation+Technik GmbH, Projektträger des Förderprogrammes „Mikrosystemtechnik Bayern".
Partner im „Haus der Forschung" sind neben der Bayern Innovativ das ITZB, Innovations-und Technologiezentrum Bayern, die Bay. Forschungsstiftung BFS und die Bay. Forschungsallianz BayFor.
Eine wichtige Kooperationsplattform für zukünftige Innovationen stellt auch die Themenreihe „Innovations in Microsystems" der Bayern Innovativ GmbH dar, die bereits seit 10 Jahren Experten und Anwender regelmäßig aus dem gesamten Spektrum der Wertschöpfungskette zusammenführt: dem Schaltungsentwurf, der Chip-Herstellung, der Baugruppen-, Komponenten-, Mikrosystem- und Endgeräte-Fertigung sowie wichtige akademische Einrichtungen und Anwenderbranchen.
Jürgen Frickinger, Projektleiter BAIKEM bei der Bayern Innovativ, Nürnberg, zog dementsprechend eine positive Bilanz des Kooperationsforums, 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
