Jenseits des bisher Machbaren

Die Universität Ulm auf der Hannover-Messe Industrie 2002

Das Neueste aus der Abteilung Mess-, Regel- und Mikrotechnik der Universität Ulm, der Abteilung Elektronische Bauelemente und Schaltungen (EBS) sowie der Gesellschaft für Diamantprodukte (GfD) ist vom 15. bis 20. April 2002 in Hannover zu sehen: auf der „Hannover Messe Industrie“ präsentieren die Wissenschaftler den aktuellen Stand ihrer Entwicklungen, in Verbindung mit den Universitäten Konstanz, Stuttgart und Tübingen sowie den Fachhochschulen Aalen und Mannheim, die sich auf der Industriemesse einen Stand mit den Ulmern teilen.

Hochgeschwindigkeits-Miniatur-Testsystem

Miniaturisierung bringt Schnelligkeit und Präzision. Dies gilt nicht nur für Chips mit ihren Millionen Speicher- und Prozessorelementen, sondern auch für eine Vielzahl von mechanischen und elektromechanischen Systemen. Die Verkleinerung von Sensoren und Aktoren auf Mikrodimensionen erschließt ganz neue Anwendungen in allen Bereichen der Technik sowie in den Biowissenschaften. Entwicklung und Herstellung dieser MEMS (micro-electro-mechanical systems) sind eine Herausforderung an das Können der Mikrosystemexperten. Da die Schaltprozesse in solchen Systemen sich mit rasender Geschwindigkeit vollziehen, sind ebenso winzige, rasend schnell reagierende, transportable Testeinrichtungen gefragt. Eine solche haben die Ulmer Mess-, Regel- und Mikrotechniker (Projektsprecher Dipl.-Phys. Claus Maier) entwickelt.

In Fachkreisen sind die Experten um Abteilungschef Prof. Dr. Eberhard Hofer bereits bekannt für ihre subtilen Hochgeschwindigkeitsmessungen. Auf der Suche nach einem Verfahren, die Tröpfchenbildung in Tintenstrahldruckern in Echtzeit zu verfolgen, hatten sie eine Spezialkamera eingerichtet, bei der das Bild des Objekts, von einem Mikroskop vergrößert, in acht gleichartige Bilder aufgeteilt wurde. Extrem kurz hintereinander abgefragt, lieferten diese acht Kanäle dann Bildsequenzen mit einer Zeitauflösung von 10 Nanosekunden, 100 Millionen Bilder pro Sekunde.

An ihrem neuen Messstand, den die Forscher in Hannover vorstellen, kann die Dynamik in Mikrosystemen in zwei Raumrichtungen gleichzeitig untersucht werden. Eine speziell entwickelte Optik ermöglicht zwei zueinander senkrechte Blickrichtungen. Für die eine Blickrichtung wird die erwähnte Mehrkanal-Hochgeschwindigkeitskamera eingesetzt, die andere in entsprechender Weise von einer viel kleineren hochsensitiven Videokamera beobachtet. Diese Stereomessapparatur, ursprünglich ein teurer Spezialaufbau, haben die Ulmer Mess-, Regel- und Mikrotechniker schließlich zu einem kleinen mobilen Meßsystem mit spezieller Ansteuerungs- und Prozesssynchronisationselektronik weiterentwickelt: MinVis. Sämtliche Komponenten wurden auf das Wesentliche reduziert, dennoch garantiert MinVis präzise Informationen. Die Einsatzmöglichkeiten des nicht nur kleinen, sondern auch kostengünstigen Systems reichen von Funktionspräsentationen bis zu produktionsnahen Funktions- und Qualitätstests.

Diamant setzt neue Standards

Weit jenseits dessen, was konventionelle Mikrosystemtechnik vermag, liegen die Perspektiven der CVD-Diamant-Technologie. Mit seinen exzellenten mechanischen, thermischen und elektrochemischen Eigenschaften, seiner geringen Wärmeleitfähigkeit, seiner Fähigkeit, sowohl elektrische Ladungen zu transportieren als auch zu isolieren, eignet sich der künstlich hergestellte Edelstoff für mikrotechnische Anwendungen wie wohl kein anderer, setzt neue Qualitätsstandards und erschließt eine Fülle nie dagewesener Anwendungsmöglichkeiten. Was sich alles mit CVD-Diamant besser oder was sich überhaupt nur mit CVD-Diamant machen lässt, erkunden die Wissenschaftler in der Abteilung Elektronische Bauelemente und Schaltungen (EBS) der Universität Ulm. Sie gehören seit Jahren zu den Pionieren der Diamant-Mikrotechnologie und haben in jüngster Vergangenheit unter anderem praktisch unzerstörbare Druck- und Beschleunigungssensoren für den Einsatz in chemisch aggressiven Umgebungen entwickelt, Ultraviolettsensoren für tiefes UV-Licht gebaut und Herzablationskatheter mit Diamantmikrochips aus Kunstdiamant bestückt.

Als Unterlage (Substrat) kann, wie bei herkömmlichen Mikrochips, Quarzglas oder Silizium dienen; auch 100prozentige CVD-Diamantchips sind machbar. Der Trick der Ulmer EBSler besteht darin, die Kohlenstoffatome in einer Dampfwolke auf das Substrat aufzubringen, so dass der Niederschlag eine jeweils atomar-feine Co-Schicht hinterlässt. Dampfschicht für Dampfschicht lassen sich mit dem CVD-(Chemical Vapor Deposition)Verfahren nicht nur makellose Diamantoberflächen herstellen, sondern auch, in einer Art atomarer Batik, strukturierte Beschichtungen mit jeweils speziellen Leitereigenschaften. Dadurch stehen dem einzigartigen Kunst-Stoff die verschiedensten Anwendungsgebiete offen, mehr noch: es steht zu erwarten, dass die neue Technologie viele Einsatzbereiche erschließen wird, an die bisher noch nicht einmal zu denken war. Drei erfolgreiche Beispiele ihrer Experimente – Diamant-Bauteile für Tintenstrahldrucker, einen Beschleunigungssensor und eine Hochfrequenz-Mikro-Steuerungseinheit – zeigen die Forscher auf der Industriemesse in Aktion.

Un(z)ersetzliches Material

Was bei den Ingenieurwissenschaftlern im Technikum funktioniert hat, bringt die GfD, Gesellschaft für Diamantprodukte mbH, eine Ausgründung der EBS, an den Anwender. Mit ihren Skalpellen aus Kunstdiamant, präsentiert auf der Biotechnica 1999, sorgten die Gründer, nebenbei Bundessieger im McKinsey-Existenzgründerwettbewerb „Start Up“, seinerzeit für eine Sensation. Begonnen hatte die Erfolgsgeschichte der Firma vor rund fünf Jahren mit der Herstellung und Vermarktung ultrascharfer Diamantskalpelle für mikrochirurgische Operationen. Aus dem Spezial- entwickelte sich rasch ein anpassungsfähiges Universalwerkzeug, das in der Folgezeit für UV- und Röntgenstrahlungsmessung, Gasflußdetektion in aggressiven Gasen, in Temperatur-, Druck-, Kraft- und Beschleunigungssensoren, aber auch als Mikroheizelement für Tintendrucker zum Einsatz kam – mit brillanten Ergebnissen. Beständig arbeiten die Praktiker an der weiteren Perfektionierung ihrer Werkzeuge. Sie haben ein Skalpell mit CVD-Diamantklinge in ergonomischem Design entwickelt. Extras wie Titangriff und Klingenschutzmechanismus gehören heute zum Produktprogramm. Ihre 2002er CVD-Diamant-Kollektion präsentiert die GfD in Hannover unter dem Titel „Neue Perspektiven mit Diamant“.