Faszinierende Welt der Mikrosysteme

Transkript

1 Faszinierende Welt der Mikrosysteme Dr. Lars Heinze VDI/VDE-IT,

2 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Einführung Beispiel für Mikrosysteme im Alltag Quelle: Robert Bosch GmbH

3 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Einführung Was ist Mikrosystemtechnik? In einem Mikrosystem werden unter Anwendung verschiedener Mikro- und Systemtechniken mehrere Einzelfunktionen zu einem miniaturisierten, intelligenten Gesamtsystem verknüpft. Dabei wird Mikroelektronik mit optischen, mechanischen, fluidischen, chemischen oder biologischen Vorgängen auf engstem Raum kombiniert, so dass sensorische, aktorische und signalverarbeitende Funktionen realisiert werden. In der Mikrosystemtechnik werden Naturwissenschaften mit empfinden Ingenieurwissenschaften interdisziplinär vernetzt. Sensor entscheiden Signalverarbeitung reagieren Aktor

4 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Potenziale Mikrosystemtechnik bringt konventionelle Branchen voran Meistens wirken Mikrosysteme im Verborgenen Viele konventionelle Technologien werden durch Mikrosystemtechnik aufgewertet, z.b. in: Maschinen- und Anlagenbau Medizintechnik Luft- und Raumfahrttechnik Gebäudetechnik Dezentrale Intelligenz mit Bussystemen Tele-Haus mit intelligenter Mikrosystemtechnik Der Maschinen- und Anlagenbau braucht viele hochzuverlässige, kundenspezifische Sensoren Bildquellen: AS International Association e. V. (1), Universität der Bundeswehr München (2), VDMA e. V. (3)

5 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Potenziale Der Markt für Mikrosystemtechnik wächst 40 Weltweite dynamische Entwicklungen in Vergangenheit und Zukunft 65 Mrd. US $ 200 Mrd. US $ Prognose (ex ante Evaluation MST) 35 Mrd. US $ Hebeleffekt bei Nutzung von MST in Produkten: Ø Faktor 25 Prognose 2005 (NEXUS) Mrd. US $ Mrd. US $ Mikrosysteme Ø WR 18% / a ,9 Mrd. US $ MST-Komponenten Ø WR ~25% / a 11,5 Mrd. US $ Bildquellen: NEXUS, VDI/VDE-IT

6 Mikrosystemtechnik - mehr als die Summe ihrer Teile Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Technologie Die intelligente Integration in kompakte Systeme ermöglicht völlig neue Funktionen Mikroelektronik Mikromechanik Mikrooptik Mikrofluidik Nanotechnologie M i k r o s y s t e m

7 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Technologie Mikrooptik Kleine Optik für guten Überblick Aktive mikrooptische Komponenten (Mikrolaser, Faserlaser, LED s) Passive mikrooptische Komponenten (Linsenarrays, Filterarrays) Faser- und integrierte Optik Optische Sensoren und Anzeigesysteme (CCD-Chips, RGB- Quellen) Aufbau- und Verbindungstechnik zur Ein- und Auskopplung optischer Signale 3 System für in-vivo Histologie 1 2 Mikrooptischer Abstandssensor Mikrooptische Komponenten Bildquellen: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH (1), Silicon Sensor AG (2), Universitätsklinikum Tübingen (3)

8 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Technologie Mikrofluidik Verfahrenstechnik und Chemie auf engem Raum Mikro- und Nanotiterplatten Mikromischer und Mikroreaktoren Durchflusssensoren und Mikropumpen Mikroanalysesysteme und High-Throughput Screening Verfahren Nanotiterplatten mit kleinsten Kavitäten für die 2 pharmazeutische Wirkstoffentwicklung Mikrostrukturierter Wärmetauscher 1 Bildquellen: Forschungszentrum Karlsruhe (1), Laser-Laboratorium Göttingen (2)

9 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Technologie Nanotechnologien: z. B. Polymerelektronik Plastik statt Sand: Kunststoffe ersetzen Silizium Funktionspolymere mit optimierter chemischer Struktur für verschiedene Low-Performance-Anwendungen Einmischen von Nanopartikeln zur Erweiterung des Eigenschaftsspektrums Verwendung von preiswerten Drucktechniken für die Fertigung von Leiterbahnen, Antennen, Displays, Transistoren, Batterien, Sensoren, ICs Elektronikfertigung von Rolle zu Rolle Integration von dünnem, flexiblen Mikrochips aus Silizium in leistungsstarke polymerelektronische Anwendungen Folie mit Source- und Drain-Elektrode Dispensieren von P3HT Laminieren Rolle-zu-Rolle-Fabrikation eines Polymer-Transistors Drucken der Gate-Elektrode Bildquelle: Fraunhofer IZM München

10 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Förderung Rahmenprogramm Mikrosysteme Ein Programm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

11 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Förderung BMBF-Förderung: Stets auf Engpässe in der MST-Entwicklung ausgerichtet Mikrosystemtechnik-Förderung seit 1990: Sukzessive Verlagerung der Förderung von der Technologie zur Anwendung technologieorientiert anwendungsorientiert schwerpunktorientiert Förderungs- Förderkonzept Rahmenprogramm schwerpunkt MST MST Mikrosysteme MST Mikrotechniken - Systemtechniken - MST-Anwendungen - Konzentration auf - Komponenten - Fokussierung auf - Neue Produkte besonders Anwendungsfelder aussichtsreiche - Prototyp-Entwicklungen Schwerpunkte - flexible Ausgestaltung Bildquelle: VDI/VDE-IT

12 Mittelstand investiert in Mikrosystemtechnik Seit Beginn des Rahmenprogramms Mikrosysteme im Jahr 2004: Start von 104 Projekten Förderung des BMBF: 141,4 Mio. Der größte Teil der Mittel geht an die Industrie. Die beteiligten Unternehmen investieren ebenfalls in erheblichem Maße: Gesamtvolumen der Projekte: 260,2 Mio. Besonders engagiert sind kleine und mittelständische Unternehmen.

13 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Förderung Innovationsbereiche Das BMBF fördert die Mikrosystemtechnik in vier industrie- und gesellschaftspolitisch wichtigen Innovationsbereichen: Life Sciences Industrielle Prozesse Mobilität Systemintegration

14 Rahmenprogramm Mikrosysteme: bisherige Schwerpunktthemen Mikro-Nano-Integration für die Mikrosystemtechnik Deadline: Autonome vernetzte Sensorsysteme Deadline: Aus- und Weiterbildung in der Mikroverfahrenstechnik Energieautarke Mikrosysteme Intelligente Technische Textilien Applikationszentren für die Mikrosystemtechnik Mikrobrennstoffzelle Integrierte Mikrosysteme für biotechnologische Anwendungen (biomst) Präventive Mikromedizin Mikrosystemtechnik für Smart-Label-Anwendungen in der Logistik (MST-Smart-Label) Mikrosystemtechnik für Fahrerassistenzsysteme Erstanwendung von rechnergestützten Werkzeugen für den Entwurf und die Simulation in der Mikrosystemtechnik Mikroverfahrenstechnik, Neue Chemie => Strese (Heinze) Mess- und Prüftechnik für die Herstellung von Mikrosystemen Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Förderung => Hartwig Bildquelle: Metro

15 Autonome Vernetzte Sensorsysteme (mst-avs) Ein autonomes vernetztes Sensorsystem besteht aus vielen kleinen Mikrosystemen, die am Untersuchungsobjekt verteilt werden kann Parameter seiner Umgebung wie z.b. Vibrationen oder Temperatur messen und verarbeiten kann drahtlos Daten senden und empfangen verfügt über eine unabhängige Energieversorgung kann jahrelang dezentral z.b. die Funktionsfähigkeit einer Fertigungsanlage überwachen In welchen Programmen fördert das BMBF? im Rahmenprogramm Mikrosysteme im Förderungsprogramm IT-Forschung 2006 (Forschungsbereich Kommunikationstechnologien ) Einsendeschluss für Ideenskizzen: 15. Dezember 2006 Bildquelle: FhG-IZM

16 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Themenschwerpunkte Energieautarke Mikrosysteme Energieautarke Mikrosysteme sind autarke, mobile und leicht nachrüstbare Mikrosysteme, die ihre zum Betrieb sowie zum Daten- und Informationsaustausch erforderliche Energie drahtlos aus dem Umfeld entnehmen eröffnen neue Möglichkeiten für intelligente Textilien, Medizin, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Haustechnik, Messtechnik, Informationstechnik, Produktion und Logistik Warum Förderung von energieautarken Mikrosystemen? Bevor die industrielle Fertigung von energieautarken Mikrosystemen beginnen kann, sind noch einige grundlegende Fragen zu klären. Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht bei den zu verwendenden Energiewandlungsprinzipien, beim Energiemanagement, bei der Miniaturisierung und Systemintegration sowie bei der Fertigung.

17 Warum biomst? Biotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie für viele Industrien. Die Miniaturisierung von biotechnologischen Prozessen bringt zahlreiche Vorteile mit sich: - reduzierter Ressourcenverbrauch -kürzere Analysezeiten - höhere Durchsätze und erschließt neue Anwendungsmöglichkeiten - Biologische Analytik (z.b. integrierte Biosensorik) - Medizinische Diagnostik (z.b. Point-of-Care-Testing, neue Diagnostik- und Therapiekonzepte für eine patientenspezifischere individualisierte Medizin) - Arzneimittelentwicklung (z.b. Screening-Plattformen) Warum Förderung von biomst? Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Themenschwerpunkte Integrierte Mikrosysteme für biotechnologische Anwendungen (biomst) Deutschland ist Technologieführer auf dem Gebiet. Damit dies so bleibt, bedarf es einer verstärkten Integration einzelner mikrotechnischer Lösungen zu Gesamtsystemen

18 Mikrosysteme für Smart-Label-Anwendungen in der Logistik Warum Smart Label? RFID-Identifikationssysteme ( Smart Label ) eröffnen Kernbranchen der deutschen Volkswirtschaft Handel, Konsumgüterindustrie, Automobilindustrie und Elektronikindustrie neue Wege zur Optimierung der logistischen Prozesse in der Warendistribution und der Produktion ermöglichen den Aufbau flexibler Produktions- und Distributionssysteme leisten Beiträge für -die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen - eine bessere Versorgung der Kunden mit bedarfsgerechten Produkten -die Reduzierung der Verkehrsströme. Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Themenschwerpunkte Deutsche Unternehmen sind führend bei der Anwendung von Smart-Label-Systemen der Realisierung von Smart-Label-Transpondern und -Lesegeräten Rolle-zu-Rolle-prozessierte Folie mit Polymer-Testschaltungen Bildquelle: Fraunhofer IZM München

19 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Themenschwerpunkte Mikroverfahrenstechnik Was ist Mikroverfahrenstechnik? Mikroverfahrenstechnik ermöglicht Miniaturisierung der Chemischen Verfahrenstechnik Unit Operations (Reagieren, Mischen, Wärmetauschen) laufen in Mikrostrukturen ab Mikroverfahrenstechnik nutzt Fertigungstechnologien der MST zur Herstellung mikrostrukturierter Komponenten Warum Mikroverfahrenstechnik? Durch kurze Strecken in den Mikrostrukturen ergeben sich hohe Wärme- und Stoffaustauschkoeffizienten Dies ermöglicht: Mikroreaktionsanlage genaue Steuerung von Reaktionen, Unterdrückung von unerwünschten Nebenprodukten mehr Sicherheit bei explosiven, toxischen Stoffen beschleunigte Verfahrensentwicklung innovative Prozessführungen vor Ort, nach Bedarf verringerte Lager- und Logistikaufwendungen, geringeren Flächenbedarf Bildquelle: Ehrfeld Mikrotechnik GmbH

20

21 Quelle: IoLiTec GmbH

22 Mikrowärmeübertrager bei der Produktion von Biodiesel Ein elektrisch heizbarer Mikrowärmeübertrager (20 kw) wurde in einer Produktionsanlage für Biodiesel bis zu Durchsätzen von 1000 kg/h erfolgreich im Biowerk getestet. Ersatz des konventionellen und 3 Meter hohen Erhitzers durch einen Mikroapparat im Schuhschachtelformat ermöglicht effizienteren Energieeinsatz und einen kompakten Aufbau für dezentrale Biodieselproduktionsanlagen in Containern. Partner: Biowerk Sohland GmbH PPM-Energie Quelle: Forschungszentrum Karlsruhe

23 Zukünftige Entwicklungen in der MST: Smart Systems Integration - Heute Today: Smart User not Smart Phones

24 Smart Systems Integration - Zukunft Future: Smart Systems for Smart Users Smart Systems SSI Cognitive Sciences Biology MST Electronics Physics Chemistry Mechanics Optics Fluidics Quelle: VDI/VDE-IT Micro Systems

25 Faszinierende Welt der Mikrosysteme: Förderung Ansprechpartner Gefördert vom: Bundesministerium für Bildung und Forschung Projektträger: VDI/VDE Innovation + Technik GmbH Referat Mikrosystemtechnik Bonn - Mikrosystemtechnik - Steinplatz Berlin Tel.: Fax: mst@vdivde-it.de Bildquelle: VDI/VDE-IT