Chairman Prof. Dr. Roland Zengerle
beim Mikrosystemtechnik Kongress
In der Mikrosystemtechnik liegt Deutschland in der Weltspitze. So der eindeutige Tenor zum Mikrosystemtechnik Kongress 2005, der vom 10. - 12. Oktober im Konzerthaus Freiburg stattfand. Als gemeinsame Veranstaltung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), des VDE, der VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) und der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH (VDI/VDE-IT) fußt der Kongress als neue Veranstaltung auf den Wurzeln der VDE MICRO.tec.
Die Resonanz übertraf die Erwartungen bei weitem. Ursprünglich hatten die Veranstalter mit rund 400 Teilnehmern gerechnet, tatsächlich folgten aber 800 Experten der Einladung, ein Ergebnis das nach Einschätzung von Experten wie VDE-Präsidiumsmitglied Professor Stephanus Büttgenbach, die Bedeutung der Mikrosystemtechnik als Querschnittstechnologie verdeutliche. "Mikrosystemtechnik ist sehr vielseitig und birgt viel Potenzial für Innovationen", unterstrich Ministerial Dirigent Dr. Wolf-Dieter Lukas vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).
Bereits die "nackten Zahlen" sprechen ihre eigene Sprache. So zählt die junge Schlüsseltechnologie mit einem weltweiten Marktvolumen im dreistelligen Milliardenbereich und Wachstumsraten von 16 Prozent zu den großen Hoffnungsmärkten der Zukunft. Der "Hebeleffekt" für die Mikrosystemtechnik wird internationalen Experten zufolge sogar auf das 25-fache geschätzt. So reflektierte auch das Spektrum der Fachbeiträge in beeindruckender Weise den interdisziplinären Charakter der Mikrosystemtechnik: Innovative Technologien zur Verbesserung der Mensch-Maschine-Schnittstelle und Mikrosysteme in der Automobiltechnik standen ebenso auf der Tagesordnung wie ultraflache Mikrobatterien, Biosensoren, Lab-on-a-Chip Systeme und neue Anwendungen im Bereich der Medizintechnik.
Mikrotechnische Innovationen im Automobil
Nach Angaben von Dr.-Ing. Rainer Kallenbach vom Bereich Automotive Electronics der Reutlinger Robert Bosch GmbH werden die elektronischen Systeme künftiger Fahrzeuggenerationen nachhaltig durch Mikrotechnik-Komponenten geprägt sein. "Kernelemente neue Funktionen sind intelligente Sensoren, leistungsfähige Steuergeräte und mechatronische Aktoren", verdeutlichte der Experte. Seiner Vision zufolge könnten - auf vernetzte Elemente aufbauend - sämtliche Fahrzeugfunktionen künftig elektronisch gesteuert werden.
Allerdings räumte Kallenbach ein, dass diese Vision einige erhebliche Herausforderungen beinhalte. Die Beherrschbarkeit komplexer vernetzter Systeme in der Entwicklungsphase gehörten ebenso dazu wie die marktverträgliche Preisgestaltung des Endprodukts Auto bei wachsendem Elektronikanteil. Hinzu kämen die erhöhten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer trotz zugrunde liegender hochkomplexer Elektroniksysteme. "Die Erfüllung dieser Anforderungen bedingt einen ganzheitlichen Ansatz", argumentierte Kallenbach. Hierzu gehörten innovative Ansätze für neue Systemarchitekturen, standardisierte Schnittstellen und neue Software-Architekturen.
Ein breites Einsatzfeld der Mikrosystemtechnik im Automobil wird auch auf die so genannten Fahrerassistenzsysteme entfallen, die Experten zufolge in der Fahrzeugentwicklung des 21. Jahrhunderts eine Schlüsselrolle einnehmen werden. "Diese sollen nicht nur dazu beitragen, den Fahrer zu entlasten und ihm das Fahren zu erleichtern, sondern auch die Sicherheit für die Fahrzeuginsassen und die anderen Verkehrsteilnehmer erhöhen, um der Vision vom autonomen Unfall vermeidenden Fahrzeug ein Stück näher zu kommen", argumentierte Thomas Lorenz von der Hella KGaA Hueck & Co. in Lippstadt.
Mensch-Maschine-Schnittstelle wurde bislang vernachlässigt
Fahrerassistenzsysteme sind Einrichtungen, die mit Hilfe externer Sensorik Informationen aus dem Fahrzeugumfeld erfassen und innerhalb gewisser Grenzen in der Lage sind, das Fahrgeschehen zu analysieren und den Fahrer bei der Längs- und Querregelung des Fahrzeugs auch in normalen Verkehrssituationen zu unterstützen. "Hierbei spielt die Interaktion mit dem Fahrer über die so genannte Mensch-Maschine-Schnittstelle eine zentrale Rolle, ein Faktor, der bislang häufig unterschätzt oder vernachlässigt wurde", verdeutlichte Lorenz. Einerseits, so Lorenz, solle dem Fahrer die technisch bestmögliche Unterstützung gegeben werden. Auf der anderen Seite müssten die Systemgrenzen eindeutig kommuniziert werden, um Missverständnisse im Umgang mit dem System zu vermeiden. Dieser Zielkonflikt sei insbesondere bei Applikationen mit warnendem Charakter von Bedeutung.
Im Zuge der zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Systeme wächst zwangsläufig auch die Nachfrage nach immer kleineren Energiespeichern. Da konventionelle kleine Batterien wie Knopfzellen und Foliebatterien hinsichtlich der Ankontaktierbarkeit, Integrierbarkeit und Energiedichte beim Einsatz von Mikrosystemen starken Einschränkungen unterliegen, muss grundsätzlich über neue Ansätze nachgedacht werden. Krystan Marquardt von der TU Berlin gehört zu denjenigen, die sich zu diesem Thema gründliche Gedanken gemacht haben. Dabei herausgekommen ist ein neues Verfahren zum Aufbau und zur Verkapselung ultraflacher Batterien.
Leistungsstarke Batterien in Chipgröße
Für diese und ähnliche Batterietypen gibt es eine stark wachsende Nachfrage. So erfordern autark arbeitende, vernetzte Sensoren, multifunktionale Chipkarten, Low Cost Datenlogger und Wearable Computing-Anwendungen immer kleinere Mikrobatterien. Aber auch medizinische Anwendungen wie Systeme zum drahtlosen Patientenmonotoring, Hörgeräte und elektronische Mikroimplantate gelten als Einsatzbereiche mit großem Marktpotenzial. Sehr flache und integrierbare Lithiumbatterien wurden unter anderem von der US-amerikanischen Inifinite Power Solutions Inc. entwickelt. Bei diesem Verfahren werden sämtliche Komponenten komplett in Dünnfilmtechnik abgeschieden. Ein gravierender Nachteil besteht aber darin, dass bei diesem Verfahren nur geringe Aktivmaterialdicken aufgebaut werden können und die erzielbaren Gesamtkapazitäten dementsprechend gering sind.
Bei dem Vorhaben, Mikrobatterien verbesserte Energiedichten einzuverleiben, konnten Marquardt und seine Mitarbeiter offenbar eine wichtige Hürde nehmen. "Zur Realisierung dieses Ziels mussten wir den Anteil an Verkapselungsmaterial und anderer sekundärer Komponenten wie Stromableiter und Elektrodendurchführungen drastisch reduzieren", erklärte Marquardt. Auf diesen Überlegungen basierend sei eine Aufbau- und Verkapselungstechnik für die Herstellung von sehr dünnen aufladbaren Lithium-Batterien in Chipgröße entwickelt worden. Hierbei habe man Energiedichten von bis zu 20 Wh/ltr bei Batteriehöhen von 210 Mikrometer auf einer Batteriefläche von 0.93 cm2 erzielen können. Die Batterien, die bei einer Fläche von 0.1 bis 1 cm2 eine Höhe von einigen Hundert Mikrometer besitzen, seien im Mehrfachnutzen auf Wafer-Ebene herstellbar.
Von der DNA-Analytik zum "IntelliDrug"
Im Bereich der Biosensorik liessen unter Anderem integrierte Sensorsysteme für biochemische Analysen die Tagungsteilnehmer aufhorchen. Ein im Bereich Corporate Technology der Siemens AG hergestelltes Sensorsystem ist beispielsweise in der Lage, die Effizienz von DNA-Analysen zu erhöhen. "Das wesentliche Merkmal molekularer biochemischer Sensoren ist die Ausnutzung hochspezifischer Bindungseigenschaften von Biomolekülen", erklärte Sensor-Entwickler Christian Paulus. Die technologische Plattform basiert auf einem Standard-CMOS Prozess mit einer minimalen Strukturbreite von 0.5 Mikrometern. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche eines einzelnen Sensors mit einer Schicht aus bekannten identischen Fängermolekülen funktionalisiert. Auf diese Weise werden die Rezeptoren via chemische Kopplung mit der Sensoroberfläche verbunden. Jedes der immobilisierten Fängermoleküle kann anschließend mit einem komplementären Zielmolekül in der Testflüssigkeit einen Komplex bilden und auf dieses Weise spezifisch eine Sorte von Molekülen auf der Sensoroberfläche anreichern. Aufgabe des Transducers ist es dann, die Komplexbildung in ein detektierbares Signal zu übersetzen.
Zu den interessanten Entwicklungen, die anlässlich der Tagung im Bereich der Medizintechnik vorgestellt wurden, gehörte beispielsweise das erste intelligente Medikamenten-Mikrodosiersystem für den Mundraum. Es befindet sich in der Entwicklungspipeline des in Villingen-Schwenningen ansässigen Instituts für Mikro- und Informationstechnik, kurz HSG-IMIT genannt. Im Fokus des Projekts "IntelliDrug" steht die Entwicklung einer neuen Generation intelligenter Mikrodosiersysteme, die unter anderem einen alternativen Lösungsansatz zur Behandlung von Sucht- und chronischen Erkrankungen bieten wird. Ziel der Entwicklung ist ein Dosiersystem für den Einsatz im Mundraum welches in der Lage ist unterschiedliche Medikamente, angepasst an die Bedürfnisse eines jeweiligen Patienten, über einen Zeitraum von Tagen, Wochen oder Monaten abzugeben. Der angestrebte Dosiermechanismus wird eine Dosiereinheit, eine Sensorik zur Überwachung des im System verbleibenden Medikaments, sowie eine Einheit zur Regelung der Medikamenten-Abgabe umfassen. Nach Angaben des Systementwicklers Dipl.-Ing. Jörg Kohnle wird das Mikrosystem neue Ansätze in der Therapeutik eröffnen, wodurch bislang nicht verfügbare Möglichkeiten in den Bereichen von Pharmazie und Medizin zu erwarten seien.
Rolf Froböse