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Mikrosystemtechnik
Interview mit Prof. Dr. rer. nat. Christoph Kutter, Direktor der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien (EMFT)
Die Mikrosystemtechnik entwickelt sich aus ihren technologischen Grundlagen heraus immer stärker in die Anwendungen hinein. Über diesen Wandel sprach die TiB mit Prof. Dr. rer. nat. Christoph Kutter von der EMFT in München. An der EMFT wird seit 2010 an der Entwicklung von Sensoren und Aktoren geforscht; die Wissenschaftler arbeiten an funktionellen Molekülen, Siliziumtechnologien, Folientechnologien, Mikropumpen und gesamten Systemen bis zur Prototypenreife. Im Gespräch ging Kutter zudem näher darauf ein, was unter Mikrosystemtechnik zu verstehen ist und welche Probleme durch diese gelöst werden können.
Technik in Bayern: Herr Professor Kutter: Was genau versteht man unter Mikrosystemtechnik?
Prof. Christoph Kutter: Mikrosystemtechnik ist die Miniaturisierung von elektromechanischen Komponenten. Wichtig dabei ist die Verwendung von Halbleitertechnologie, sprich: man verwendet Technologien, mit denen man Höchststückzahlen herstellen kann wie in der Chipfertigung. Am Ende landet man dann bei sehr hoher Qualität zu günstigen Preisen. Man möchte Sensoren kleiner und günstiger, sie aber durchaus auch besser, integrierbarer und weniger leistungshungrig machen. Diese ganzen Dinge kommen in der Mikrosystemtechnik zusammen.
Ganz wichtig ist das Thema Batchfertigung, bekannt aus der Halbleitertechnologie. Man nimmt übrigens auch Halbleitertechnologieanlagen für die Fertigung von Mikrosystemen. Auf einem 8"-Wafer mit 30.000 mm2 können Sie beispielsweise 30.000 Mikrosysteme à 1 mm2 produzieren. Das sind unglaubliche Stückzahlen. Eine große Rolle bei den Mikrosystemen spielen der Preis, die Qualität, weniger Leistung und die Integrierbarkeit.
Im Englischen gibt es den Begriff Mikrosysteme nicht, hier wird oft das Wort MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) verwendet. Ich würde den Begriff äquivalent zum Deutschen verwenden, obwohl wir jetzt auch chemische, biologische und optische Sensoren ohne mechanischen Anteil haben.
TiB: Welche Probleme können mit Mikrosystemtechnik besser als mit anderen Technologien gelöst werden?
Prof. Kutter: Die Mikrosysteme, oder die MEMS, sind mit der Automobilelektronik groß geworden. Zum Beispiel braucht ABS Sensoren, die detektieren, ob sich das Rad noch bewegt oder schon steht. Ein Airbag braucht Sensoren, die anzeigen, ob er auslösen muss oder nicht, ich brauche hier Beschleunigungssensoren oder auch Drucksensoren. Einer der großen Meilensteine in der Entwicklung der Mikrosysteme – und auch im Bereich der allgemeinen Verkehrssicherheit – war das Elektronische Stabilitätsprogramm ESP. Daimler hat ESP damals in alle Fahrzeuge eingebaut und die Unfallzahlen sind deutlich gesunken.
TiB: Nun müssen das ja nicht unbedingt miniaturisierte Systeme sein. Man könnte es doch auch ganz klassisch lösen?
Prof. Kutter: Ja sicher, aber jetzt kommt der Punkt: Die Gyroskope, die Bosch in den ersten Modellen verbaut hat, waren makroskopisch groß, also etliche Zentimeter mit einigen cm3 Volumen. Man könnte jetzt sagen, dass im Auto Platz ist, und das stimmt ja auch, aber das kostet natürlich auch mehr Geld. Und durch die Verwendung von Mikrosystemen wird es sehr viel billiger. Der Preisverfall ist wirklich gigantisch, da geht es nicht mehr um Prozent, da geht es um Faktoren und das über viele, viele Jahre. Gleichzeitig sind Sie besser und leistungsärmer geworden.
Und jetzt kommt mit den Smartphones die dritte große Welle. Hier hat man die Sensoren, die durch die Automobilindustrie überhaupt erst marktreif geworden sind, übernommen und eingebaut. Hier ist die Größe absolut entscheidend, denn hier kann ich keinen großen Sensor einbauen. Aber auch der Preis spielt eine große Rolle und der dritte Punkt ist die Leistung. Der Leistungsbedarf wurde extrem reduziert und jetzt haben wir die Sensoren, die durch die Autos in den Markt kamen, heute alle in den Smartphones.
Der nächste große Schub, der aktuell läuft, sind sogenannte Kombos. Das heißt, man macht nicht mehr nur einen Beschleunigungssensor, sondern man packt das Gyroskop und das Magnetometer noch mit dazu. Dieses Paket nennt man 9DoF Sensor (9 Degrees of Freedom). Hier habe ich dann alle Beschleunigung- und Orientierungsgrößen in einem Paket. Darüber hinaus kann ich über Softwareauswertungen die Genauigkeit steigern, weil ich die verschiedenen Signale zusammenpacken kann. Übrigens kann man z.B. Drohnen und Quadrokopter heute nur deshalb bauen – auch in der Schule als Informatik-Projekte – weil man diese 9DoF Sensoren für einige Euro kaufen kann.
TiB: Welches sind die wichtigsten Forschungsthemen in der Zukunft?
Prof. Kutter: Also wir haben über die erste Stufe Sensoren im Auto und über die zweite Stufe Sensoren in der Kommunikation gesprochen. Jetzt folgt die dritte Stufe: Sensoren überall. Hier ist die Medizin ein großes Feld, aber durch die langen Zulassungszeiträume auch etwas kniffelig. Denken Sie nur an den Blutzuckersensor, den heiligen Gral der MEMS. Daran versuchen sich weltweit sehr viele Teams, viele leider erfolglos. Es wird heute an zahlreichen medizinischen Systemen gearbeitet, aber das braucht viel Zeit. Trotzdem gibt es im medizinischen Bereich ganz viele Themen, bei denen elektronische und MEMS-Systeme helfen können. Ganz prominent sind Hörgeräte und Cochlea-Implantate.
TiB: Und woran forscht die EMFT?
Prof. Kutter: Die Fraunhofer EMFT hat sich auf das Thema Sensorik für Mensch und Umwelt fokussiert. Wir sind von unserer technologischen Basis ein Mikroelektronik-Institut. Wir beherrschen die Silizium-Technologie und sind mit Vorreiter im Bereich der flexiblen Elektronik. Wir wollen Sensoren kleiner und günstiger, sie aber durchaus auch besser, integrierbarer und weniger leistungshungrig machen.
Aktuell sind wir dabei, die Mikroelektronik aus der Silizium-Welt und aus der Folien-Welt in Sensor und Aktor-Anwendung zu bringen. Dadurch, dass Sensorik und Aktorik Grundlagentechnologien sind, ist unser Spektrum sehr weit.
TiB: Der diesjährige MikroSystemTechnik Kongress „MEMS, Mikroelektronik, Systeme“ in München verspricht mit über 800 Teilnehmern schon jetzt eine Rekordbeteiligung. Sie sind der Chairman des Kongresses im Oktober. Welches sind die Schwerpunkte?
Prof. Kutter: Wir hatten 240 Einreichungen und haben die Papers jetzt festgelegt. Ich bin mir sicher, dass wir ein sehr schönes Programm haben, die Schwerpunkte sind: Anwendungen, Simulationen, RF-MEMS, Optische MEMS. Wir haben sehr viele Mikroaktoren, Mikro- und Nanointegration, Systemmigration, Aufbau- und Verbindungstechnik, Low-Power und Energy Harvester.
Natürlich auch die Themen Materialien und Sensoren für physikalische Größen, Mikrofluidik 1+2 und Biochemische Sensoren, auch ein sehr spannendes Gebiet. Ich glaube, dass wir mit der Zeit immer bunter werden, denn man sieht schon, dass es sehr stark in die Anwendungen geht. Die ersten Kongresse waren noch sehr technologisch geprägt und jetzt werden immer mehr Anwendungen gezeigt.
Das Interview führten Fritz Münzel und Silvia Stettmayer
Erstmals erschienen in: TiB Ausgabe 2017 September/Oktober