Antriebstechnik

Miniaturisierung bestimmt die Zukunft

Die Mikrosystemtechnik MST zählt zu den systemischen Technologien unseres Jahrhunderts. Kein Fachgebiet kann auf solch energiearme Instrumente integrierter Intelligenz verzichten, um den bekannten existenziellen Herausforderungen mit Erfolg zu begegnen. In dieser innovativen, wissensintensiven Querschnittsdisziplin besitzt Deutschland eine internationale Führungsposition, weil unser Land über weltweit tonangebende Produktions- und Forschungsstandorte verfügt. Durch ihre fruchtbare Kooperation untereinander gelang es Deutschland, die erwähnte Spitzenrolle – selbst gegenüber den stärksten Konkurrenten USA und China – einzunehmen.

Mikrosysteme im Vergleich zu einem Golfball (Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM)

Interdisziplinäre Mikrosysteme verbinden die Natur- mit den Ingenieurwissenschaften kostengünstig zu einer neuen Qualität. Unter Anwendung von Mikro- und Systemtechniken aus beiden Bereichen werden Einzelfunktionen zu einem Gesamtsystem verknüpft, welches sich dadurch auszeichnet, über mehr als die Summe seiner Detaileigenschaften zu verfügen. Mikroelektronik wird hierbei mit optischen, mechanischen, fluidischen, chemischen oder biologischen Prinzipien auf kleinstem Raum kombiniert. Neuartige aktorische, sensorische sowie signal- und prozessverarbeitende Produkte höchster Effizienz entstehen. Zugeschnittene Materialien und Fertigungsverfahren mit Dimensionen im Mikro-Nano-Bereich bereiten den Boden.

Komplett eigenständige Produkte im Mikrometermaßstab stehen mit ihrer Umwelt in ständiger Wechselwirkung. Drei Dinge vor allem leisten sie für ihre Aufgaben des Entscheidens und Reagierens: fühlen/erfassen, aus-/bewerten und handeln.

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Anwendungen

Die Vielzahl von immer sensibleren Applikationsmöglichkeiten umfasst neben Informations- und Kommunikationstechnik Umwelt, Energie, Gesundheit/Medizin, mobile Diagnostik, Pharmazie, Biologie sowie Verkehrswesen, Logistik, Konsumgüter und Maschinentechnik (Bild). Gleichzeitig profitieren Luft- und Raumfahrt wie Optik von dieser Entwicklung. Oft unbeachtet sind derartige „Miniaturen“ bereits als winzige, unsichtbare Helfer in das tägliche Leben eingezogen (Bild), ohne dass es den Nutzern vollständig bewusst wurde. Mikrosystemprodukte helfen etwa, unsere Heizungs- und Lüftungsanlagen zu optimieren, Fahrzeuge jeder Art sicher, komfortabel und energiesparend zu lenken oder ärztliche Eingriffe für Patient und Operateur zu erleichtern.

Weitere repräsentative Beispiele sind:

  • (Smart Label) eröffnen für Warendistribution und Produktion erhebliches Potenzial bei der Optimierung der Logistik. Die MST stellt in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht die Schlüsseltechnologie zur Umsetzung entsprechender Anforderungen an Transponder, Lesegeräte, Antennen und Sensorikfunktionen dar. Nur durch sie entstehen leistungsstarke, verlässliche und kostengünstige Smart-Labels.
  • modernster MST wird beim Sturz des Notebooks vom Schreibtisch blitzschnell die Festplatte ausgeschaltet, zuvor werden die Daten gesichert. Bisher hätte solches Missgeschick das Geräte-Aus bedeutet.
  • mikroverfahrenstechnischem Weg entstehen für die Energieversorgung der Zukunft neuartige Leitungssysteme („ein Kabel für alle Fälle“), die alternativ so unterschiedliche Stoffe wie Strom, Daten oder kryogene Medien transportieren können.
  • Miniaturisierung bioanalytischer Verfahren ermöglicht kostengünstig die Verwirklichung benutzerfreundlicher und autonomer Analysesysteme. Lab-on-a-Chip bietet die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem nur chipkartengroßen Kunststoffsubstrat (Bild). Die vollautomatisierte, integrierte Analyse aus winzigen Mengen von Probenmaterial entsteht unmittelbar am Ort des Bedarfes, beim Patienten.
  • das Übertragen der Mikrostrukturierung aus der Elektronik auf die Brennstoffzellentechnik wird mit Mikrobrennstoffzellensystemen (Bild), die Wasserstoff oder Methanol verarbeiten, ein signifikanter Meilenstein auf dem Wege zu progressiver Energieversorgung portabler Elektronikprodukte (Laptops, Kameras, Werkzeuge o. ä.) erreicht. Darüber hinaus eröffnet ihre Kombination mit Batterien interessante Anwendungen für netzferne Einsätze.
  • völlig neuen Aufbau der Halbleiterchips für die Informationstechnik eröffnet die MST. Bei zukünftigen Schaltkreisen – in 3D-Architektur nämlich – ragen dann in einer Höhe von wenigen Nanometern Transistoren wie Säulen aus der Chipfläche. Folgt man jüngsten Ergebnissen der Forscher des US-amerikanischen MIT, entstehen winzige Schaltkreise sogar aus Molekülen, die sich selbsttätig zu sinnvollen Mustern anordnen. Der Durchmesser dazu erforderlicher Silizium-Nanodrähte beträgt den 25.000sten Teil eines menschlichen Haares.
  • erlaubt dauerhaft die autarke Stromversorgung dezentraler Geräte (Sensoren im Ex-Bereich).

Wirtschaftliche Bedeutung

Produktinnovationen basieren sehr oft auf Neuerungen dieser Art. Schon 2000 verbuchte die deutsche Industrie mit Komponenten und kompletten Mikrosystemen einen Umsatz von 4,2 Milliarden Euro. Ihre ökonomische Bedeutung steigt außerdem über eine Hebelwirkung (Leverage Effect) auf mehr als das 25-fache, sobald diese zukunftsträchtige Technologie in die Anwendung gelangt. Ohne derartige Bestandteile behaupten sich nämlich viele Erzeugnisse nicht. Solche Systeme sind von fundamentaler Bedeutung für die Wettbewerbsfähigkeit der gesamten Industrie – weltweit. Für die auf diesem Felde aktiven, oft mittelständischen Unternehmen werden weiterhin zweistellige Wachstumsraten bei höchster Wertschöpfung prognostiziert. Außerdem verbinden sich gegenwärtig mit ihnen direkt oder mittelbar etwa 760.000 Arbeitsplätze.

Joachim Krause

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