Alles Mikro

Auf der Hannover Messe 2003 zeigt das Forschungszentrum Karlsruhe innovative Mikrosystemtechnik

Ein neuartiger mikrooptischer Abstandssensor, Mikro-Heizelemente aus elektrisch leitfähiger Keramik, ein Mikro-Durchflussmesser für kleinste Fluidmengen und der Prototyp eines Mikrowärmetauschers aus Kunststoff – das Forschungszentrum Karlsruhe präsentiert auf der Hannover Messe 2003 einen Querschnitt seiner neuesten Entwicklungen in der Mikrosystemtechnik. Gemeinsam mit Industrie- und Verbundpartnern werden in Halle 6, Stand A 26, innovative Anwendungen aus den Bereichen Sensorik, Mikrooptik, Mikrofluidik, elektronische Nasen und Mikroverfahrenstechnik vorgestellt.

In Kooperation mit Mitsubishi Electric hat das Forschungszentrum einen mikrooptischen Abstandssensor von der Idee bis zur Musterfertigung entwickelt. Der Abstandssensor kann in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise in der Automatisierungstechnik oder der Robotik. Auf weniger als einem halben Quadratzentimeter sind alle Bauteile untergebracht: eine mikro-optische Bank mit Linsen und Spiegeln sowie eine elektro-optische Platine mit Laser, Photodiode, Photodetektor und Elektronik. Die Funktionsweise der Abstandssensoren beruht auf dem Triangulationsprinzip.

Die Markteinführung neuer Sensorsysteme wird vor allem durch fehlende Fertigungstechniken aufgehalten. Um den Abstandssensor und andere optische Mikrosysteme fit für die wirtschaftliche Verwertung zu machen, fördert der im Forschungszentrum Karlsruhe angesiedelte Projektträger des BMBF für Produktion und Fertigungstechnologien das Vorhaben „Mikro-FEMOS – Mikro-Fertigungstechniken für hybride mikrooptische Systeme“. Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie entwickelt das Forschungszentrum Karlsruhe in diesem Projekt modulare Fertigungs-, Montage- und Automatisierungskonzepte, um die Tauglichkeit des Abstandssensors für die Serienfertigung unter Beweis zu stellen. Mit dem modularen Aufbau ist es möglich, auch kleine und mittlere Unternehmen in die Wertschöpfungskette der Sensorherstellung einzubeziehen, indem sich diese Firmen auf eine spezielle Fertigungstechnik spezialisieren.

Mikrostrukturapparate aus Metall, die in den letzten Jahren im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt wurden, finden Verwendung in vielen Industriezweigen. Mit Mikrostrukturapparaten aus Kunststoff sollen nun neue Anwendungsfelder und Fertigungsmethoden erschlossen werden. Apparate wie Mikro-Mischer, Gegenstrom- und Kreuzstrom-Wärmetauscher aus Hochleistungs-Kunststoffen können auch aggressiven Chemikalien standhalten. Mit den transparenten Apparaten werden zudem thermische oder chemische Prozesse „einsehbar“. Darüber hinaus arbeiten Wissenschaftler des Forschungszentrums an Mikrostrukturapparaten aus photoempfindlichen Kunststoffen. Die Apparate werden mit Hilfe eines präzise geführten Lasers aus einem flüssigen, durch die Belichtung polymerisierenden Kunststoff hergestellt. Mit diesem so genannten „Rapid Prototyping“-Prozess lassen sich veränderliche Geometrien schnell und einfach direkt aus einem dreidimensionalen Computermodell erstellen.

In den Life Sciences besteht – beispielsweise für die Dosierung von Medikamenten – zunehmender Bedarf an hochpräzisen Messgeräten für kleine Substanzmengen. Im Forschungszentrum wurden nun Mikro-Sensoren für die Messung kleinster Fluidmengen entwickelt. Der Sensor basiert auf dem so genannten thermisch anemometrischen Prinzip: Gemessen wird die elektrische Leistung, die benötigt wird, um die Abkühlung eines im Gas- oder Flüssigkeitsstrom hängenden „Heizdrahtes“ zu kompensieren.

Geringer Probenverbrauch, geringe Materialkosten und gleichzeitige Messung verschiedener Proben: Solche Testplattformen für Substanzen in der pharmazeutischen Industrie sind nur mit Mikrosystemtechnik zu realisieren. Das Forschungszentrum Karlsruhe hat deshalb mit seinem Kooperationspartner Greiner Bio-One GmbH neuartige Mikrotiterplatten aus Kunststoff hergestellt. Mittels der vom Forschungszentrum entwickelten Vakuumheißprägetechnik konnten 96 gleichartig ausgebildete, mikrofluidische Lab-on-a-Chip-Strukturen auf einem Trägersystem untergebracht werden. Mit Elektroden versehen und luftdicht verschlossen, ermöglichen sie die parallele Analyse von DNA oder Proteinen mittels Elektrophorese.

Neuartige miniaturisierte Heizelemente auf der Basis elektrisch leitfähiger keramischer Materialien finden Anwendungen in der Mikrosystemtechnik, in der chemischen Verfahrenstechnik, aber auch in der Kraftfahrzeugtechnik. Sie können in Luft, unter Inertgas oder im Vakuum bei Temperaturen bis 1300°C betrieben werden. Sie besitzen eine hohe Verschleißfestigkeit, eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und sind auch in kleinsten Dimensionen leicht zu bearbeiten.

Das Forschungszentrum Karlsruhe ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, die mit ihren 15 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 2,1 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands ist. Die insgesamt 24 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.