Europäisches Verbundprojekt Q2M entwickelt neuartige Methoden der Mikrofertigung

Forschungszentrum Karlsruhe, Fraunhofer IPMS, 20/10 PERFECT VISION und Steinbeis Transferzentrum ASICON sind die deutschen Projektpartner

Das Forschungszentrum Karlsruhe, das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme, die Firma 20/10 PERFECT VISION sowie das Steinbeis Transferzentrum ASICON sind die deutschen Partner von Q2M, einem EU-finanzierten Konsortium aus insgesamt zwölf Forschungsinstitutionen und High-Tech-Unternehmen. Das europäische Verbundprojekt soll neuartige Technologien für die Parallelfertigung von Mikrosystemen aus verschiedenartigen hochwertigen Materialien und Baugruppen entwickeln. Im Vordergrund stehen Anwendungen in den Bereichen Mikroventile, Mikrospiegel-Aktorsysteme und Komponenten für die drahtlose Kommunikation. Die EU fördert das dreijährige Vorhaben im Rahmen des 6. Rahmenprogramms mit 3,2 Millionen Euro. Hiervon erhalten die deutschen Partner einen Anteil von 763.000 Euro für die Entwicklung verbesserter Mikroaktoren auf der Basis von einkristallinem Silizium, von Formgedächtnislegierungen und piezoelektrischen Komponenten.

Mikrofertigungstechniken werden zur Produktion einer Vielzahl von Komponenten und Systemen eingesetzt, deren Strukturgrößen im Bereich einiger Millimeter bis hinunter zu 100 Nanometern liegen. Typische Einsatzgebiete sind die Fahrzeug-, Telekommunikations-, Druck-, Medizin- und Biotechnik.

Hochwertige Materialien, wie Formgedächtnislegierungen, piezokeramische Werkstoffe und bestimmte ultraflache einkristalline Silizium-Dünnschichten, eignen sich hervorragend für Sensor- und Aktor-Anwendungen in Mikrodimensionen. Die meisten Mikrostrukturierungstechniken stammen jedoch aus der IC-Fertigungstechnologie der Mikroelektronik. In der Regel lassen sich diese konventionellen Mikrotechnologien mit den so genannten „smart materials“ nur sehr schwer kombinieren. „Um diesen hochwertigen Materialien zum industrierelevanten Durchbruch zu verhelfen, sind neuartige Parallelfertigungsverfahren zu deren Integration in Mikrosysteme erforderlich“, so Manfred Kohl, Leiter der Mikroaktorik am Institut für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe.

Q2M (für „batch integration of high-quality materials to microsystems“) wurde eingerichtet, um die bestehenden technologischen Einschränkungen zu umgehen. Im Wesentlichen werden dabei zwei Strategien verfolgt: Zum einen werden die hochwertigen Materialien als Komponenten in neuartigen Verbundwerkstoffen verwendet. Zum anderen werden neuartige Transfer-Verbindungstechniken entwickelt. Verbundwerkstoffe können mit unterschiedlichsten Herstellungsverfahren der Mikrotechnik kombiniert werden. Transfer-Verbindungstechniken erlauben die Übertragung ganzer Schichten der hochwertigen Materialien auf mikrostrukturierte Halbleiter- oder Polymersubstrate im Rahmen einer Parallelfertigung. Dabei sollen Klebeverfahren oder fremdstofffreie Verbindungstechniken wie das Ultraschallschweißen eingesetzt werden.

Das Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt die Methoden zur Parallelfertigung abgeformter Polymer-Mikrostrukturen mit integrierten Aktoren aus Formgedächtnislegierungen und piezoelektrischen Werkstoffen. Die neuen Verfahren sollen bei der Entwicklung neuartiger Formgedächtnis- und Piezo-Mikroventile umgesetzt werden. Biotechnische und medizinische Anwendungen sind zwei vielversprechende Marktsegmente für solche mikrofluidischen Bauelemente. Die Mikroventile werden durch enge Zusammenarbeit mit Industriepartnern den Marktanforderungen angepasst. Einer dieser Partner ist ASICON, ein Steinbeis Transferzentrum. „Dank unseres Vertriebswesens können wir von ASICON nicht nur Rückmeldungen und Beurteilungen von größeren Herstellern, sondern auch von mittelständischen Unternehmen bieten“, erklärt Olaf Messing, der Geschäftsführer von ASICON und Verantwortliche für den Vertrieb mikrofluidischer Komponenten in Asien.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (Fraunhofer IPMS) konzentriert sich auf die Entwicklung von Mikrospiegel-Aktorsystemen, so genannten „spatial light modulators“ (SLM). Diese bestehen aus bis zu einer Million Mikrospiegeln, die unabhängig voneinander bewegt werden können. Mikrospiegel aus einkristallinem Silizium sollen durch neuartige Transfer-Verbindungstechniken direkt in die CMOS-Ansteuerelektronik integriert werden. Diese Vorgehensweise wird die Produktion von CMOS-MEMS-Mikrosystemen mit überlegenen optischen und mechanischen Eigenschaften ermöglichen. Ein wichtiger Einsatzbereich der SLM-Technologie ist die Augenheilkunde, ein Geschäftsbereich des Industriepartners 20/10 PERFECT VISION.

Das Q2M-Konsortium besteht zum einen aus akademischen Einrichtungen und Hightech-Unternehmen, von denen jeder ein Experte oder Pionier auf einem Kerngebiet dieser interdisziplinären wissenschaftlichen Herausforderung ist. Zum anderen besteht Q2M aus Anwendern der entwickelten Technologien. Diese Zusammenstellung verknüpft die Arbeiten innerhalb des Projektes mit den tatsächlichen industriellen Bedürfnissen und schafft zusätzlich die Basis für Weiterentwicklungen und Marktausschöpfung. Zusätzlich zu den deutschen Partnern umfasst das Konsortium die Cranfield University (UK), die Katholieke Universiteit Leuven (BE), Pondus Instruments AB (SE), IBM Research GmbH (CH), das Technical Research Centre of Finland VTT (FI), LK Products OY (FI) und das Royal Institute of Technology KTH (SE), das die Koordination des Projekts übernommen hat.

Die Internetseiten des Projekts finden Sie unter http://q2m.4m-net.org.

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 24000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Helmholtz-Gemeinschaft forschen in den Bereichen Struktur der Materie, Erde und Umwelt, Verkehr und Weltraum, Gesundheit, Energie sowie Schlüsseltechnologien.