High-Tech-Hochzeit: Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie

„Die Nano-Mikro-Integration hat zunächst eine technische Seite. Sie führt dazu, dass die Verbindung von Nanomaterialien mit Sensoren und Aktoren zu immer kleineren und leistungsfähigeren Mikrosystemen führt. Integration bedeutet aber auch die schwierige Aufgabe, die Menschen – Unternehmer, Forscher, Wissenschaftler – aus den beiden Querschnittstechnologien zusammen zu bringen“, so Prof. Dr. Helmut F. Schlaak von der TU Darmstadt, Vorstandsvorsitzender des mst-Netzwerks. In der Kombination beider Technologien sieht Schlaak enormes Potential auch für den Indu-striestandort Rhein Main. Gemeinsames Ziel sei es, bis zum Jahr 2010 einen Mikro- und Nanosystemtechnik-Cluster Rhein-Main mit über 100 Firmen und Forschungseinrichtungen aufzubauen. Derzeit sind 27 Mitglieder im mst-Netzwerk angeschlossen: sieben Institute und 20 Firmen aus dem Rhein-Main-Gebiet.

„Das Rhein-Main-Gebiet inklusive Mainz und Aschaffenburg soll durch den Verbund von Forschung und Anwendung zu einer der führenden Mikrosystemtechnik-Regionen in Deutschland werden“, ergänzt Dr. Dieter Kreuziger, Geschäftsführer der HA Hessen Agentur. Das Potential an modernen Arbeitsplätzen in Hessen könnte auf diesem Gebiet bis zu 100.000 betragen. Um die Zusammenarbeit zu verstärken, hat das mst-Netzwerk Rhein-Main, das durch die Hessen Agentur und das TechnologieTransferNetzwerk Hessen unterstützt wird, einen Industrie-Hochschul-Arbeitskreis „Nano-Mikro-Integration“ gegründet. Ziel ist der Ausbau und die Intensivierung der gemeinsamen Forschung und des Wissenstransfers in die Industrie. Derzeit laufen im mst-Netzwerk sechs Forschungskooperationen mit einem Volumen von über 1,5 Mio Euro.

Die Mikrosystemtechnik ist in den vergangenen 20 Jahren stark gewachsen. Große Sensoren aus Silizium wie Drucksensoren, Drehratensensoren, Thermopiles und Beschleunigungssensoren wurden in reger Forschungstätigkeit soweit entwickelt, dass sie von Feuerzeug- auf Knopfgröße schrumpften. Je kleiner, desto kostengünstiger in Produktion und Energieverbrauch bei der Anwendung, so die Logik. Fanden Drucksensoren früher aufgrund ihrer Größe und Eigenschaft nur in Flugzeugen Platz, werden diese heute serienmäßig in Autos und in der Medizintechnik eingesetzt. Nicht nur das: mit der Verkleinerung der Sensoren geht auch eine Verbesserung bestehender Bauelemente einher. Drehratensensoren finden sich im Elektronischen Stabilitätsprogramm (ESP) bei Automobilen. Mit Thermopiles in Wärmebildkameras und kontaktlosen Thermometern lässt sich Temperatur berührungslos messen – beispielsweise zur Energieeinsparung von Gebäuden. Beschleunigungssensoren verbindet der Verbraucher mit dem Airbagauslöser im Auto. Weitere Anwendungsbranchen der Mikrosystemtechnik neben Medizin- und Automobiltechnik Nachrichtentechnik, Konsumgüterindustrie, Umwelt- und Gebäudetechnik, Chemie, Pharma und Biotechnologie.

Immer kleiner, stabiler, empfindlicher

„Der Trend in der Mikrosystemtechnik geht hin zu immer kleineren, immer kostengünstigeren, noch stabileren und empfindlicheren Sensoren“, so Prof. Schlaak.

Da trifft es sich gut, wenn der Bräutigam Nano heißt und Materialien in die Ehe bringt, die vollkommen neue Eigenschaften in der Oberfläche, Glätte, Festigkeit und Stabilität aufweisen. Auch in der Nanotechnologie heißt das Credo: kleiner, besser, vielseitiger. Das Ergebnis einer Integration wären verbesserte, verkleinerte, stabilere und empfindliche Sensoren mit neuen Nano-Eigenschaften – und neue Produkte, wie Vorträge von Dr. Monika Kursawe, Director Business Development Chemicals bei Merck KGaA, Darmstadt oder Prof. Dr. Jörg Schneider, Sprecher des Forschungsschwerpunktes Nanomaterialien an der TU Darmstadt sowie Thomas Martin, Siemens VDO Automotive, Babenhausen zeigen.

T-Shirts lesen Herzfrequenz

Das Pharmaunternehmen Merck beispielsweise forscht im eigenen Labor an der TU Darmstadt über druckbare elektronische Bauelemente. Ziel ist es, in Zukunft alles und überall aufdrucken zu können. Kunststoff-Folien oder Textilien dienen als Trägermaterial. Gedruckte Metallpulver oder Kohlenstoffpartikel bestimmen die elektronischen Eigenschaften und können dabei sogar so bunt sein wie früher die Drucktinte. Wenn es schon Anoraks mit eingebautem MP3-Player gibt: warum sollte es nicht T-Shirts aus Nanomaterial geben, die künftig die Herzfrequenz ablesen? So wird erforscht, wie viel und was sich an elektronischen Eigenschaften drucken lässt.

Informationen auf Windschutzscheiben

Näher am derzeit alltäglichen Leben: Eine Nano-Mikro-Integration ermöglicht es schon heute, über Head-up-Displays Informationen auf Sichtfelder an der Windschutzscheibe zu projizieren. Wie ein Diaprojektor werden von der Armatur aus zum Fahrer hin Informationen wie Geschwindigkeit, Drehzahl, empfohlene Fahrtrichtung, Bedrohungen etc. auf die Windschutzscheibe geworfen.

Die Linsen des Head-up-Diplays werden mit großen diffraktiven optischen Elementen im Nanomaßstab versehen. Erst damit kann dem Fahrer effektiv geholfen werden. Damit wird der separate Navigator an der Armatur überflüssig. Staumeldungen erscheinen im Sichtbild des Fahrers an der Windschutzscheibe. Siemens entwickelt weiter hierzu und baut bereits erste Exemplare in Automobile der Oberklasse.

ABS in zweiter Generation

Ein weiteres Beispiel, dass Nano-Mikro-Integration nicht erst Zukunftsmusik ist, sondern bereits angewendet wird: Magnetoresistive Sensoren, die sowohl als Basis für die Automatisierung von Maschinen als auch für die Drehzahlmessung der Räder in Autos verwendet werden. Hiermit lassen sich Distanzen und Drehzahlen messen. Bekannt ist diese Anwendung auch als Antiblockiersystem (ABS). Darüber informiert Jürgen Rühl, Leiter Technologiemanagement & Patentwesen bei Lust Antriebstechnik GmbH, Lahnau.

Überwindung physischer Grenzen

Über das Forschungsprojekt zu neuen Nano-Drähten aus Metallen und ihre Anwendungen berichtet Winfried Korb, Geschäftsführer von arteos GmbH. Diese wären wichtig für höchst empfindliche Gas-Sensoren. Doch momentan stoßen die Entwickler noch an physische Grenzen: je kleiner die Nano-Drähte und Bauelemente werden, desto schwieriger lassen sie sich handhaben. Haben diese erst einmal Dimensionen erreicht, dass man die Einzelteile nicht mehr sehen kann, ist es schwierig damit zu arbeiten. Hier hilft eine Zusammenarbeit zwischen der GSI und der TU Darmstadt mit der Fachhochschule Rüsselsheim, dieses Problem zu bearbeiten.

Jobmotor Mikrosystemtechnik

Rund 680.000 Arbeitsplätze sind in Deutschland direkt mit der Mikrosystemtechnik verbunden. Deutschland erzielte im Jahr 2000 mit Mikrosystemen laut Bundesministerium für Bildung und Forschung einen Umsatz von 4,2 Mrd. Euro.

Nach Schätzungen des europäischen Netzwerks NEXUS liegen die weltweiten Wachstumsraten um 20 Prozent pro Jahr. Die Integration erschließt zusätzliche Anwendungen und Märkte. Als Zukunftsfelder mit hohem Marktpotential gelten zum Beispiel mikrosystemtechnische Lösungen für Biotechnologie und Life Science, Mikrofluidik und Mikrooptoelektronik.

Im Jahr 2005 gab es in Hessen 300 Unternehmen in den Bereichen Material- und Oberflächentechnologie, Nanotechnologien, Mikrosystemtechnologie sowie Optische Technologien. 100 Arbeitsgruppen an den hessischen Hochschulen Uni Kassel, FH Fulda, Uni Marburg, Uni Gießen, FH Gießen-Friedberg, Uni und FH Frankfurt, FH Wiesbaden, TU und HS Darmstadt beschäftigten sich mit diesem Forschungsbereich. Der Weltmarkt Nanotechnologie umfasst in diesem Jahr 100 Mrd. US-Dollar. Bis 2014 soll er mehrere tausend Mrd. US-Dollar betragen.

Die Mikrosystemtechnik gilt als Technologietreiber, die am Anfang vieler Wertschöpfungsketten steht. Ihr Einsatz führt in vielen Branchen zu Umsatzsteigerungen vom 10 bis 50-fachen des Umsatzes der eigentlichen Mikrosystemtechnik-Komponente. In den nächsten fünf bis zehn Jahren, so die Vorausschau, wird der Markt für Mikroelektronik stürmisch wachsen. Das Rhein-Main Gebiet hat dabei gute Chancen, sich als einer der führenden deutschen Standorte für Mikrosystemtechnik zu entwickeln.

Kontakt:
Mikrosystemtechnik-Netzwerk Rhein-Main e.V., Geschäftsführer: Dipl-Ing. Richard Jordan, Tel. 06151-871284, Mail jordan@darmstadt.ihk.de
oder:
Manager mst-Netzwerk Rhein-Main e.V., Dr. Guido Tschulena, Tel. 06081-56168, Mail tschulena@mst-rhein-main.de

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Christiane Pötter HA Hessen Agentur GmbH

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