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MEMS in Sachsen: Wirtschaft und Forschung – starke Partner mit Erfolgsbilanz

Derzeit werden Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS) in großen Mengen vor allem für die Automobilindustrie und für Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik hergestellt. Besonders wichtig sind MEMS aber auch für die Steuerungs- und Automatisierungstechnik. Die digitale Transformation der Wirtschaft ist ohne MEMS nicht möglich. Denn auch für das »Internet der Dinge« und Dienste schaffen sie die Verbindung zwischen der analogen Welt und den digitalen Netzwerken.

Sachsen treibt diese Prozesse aktiv voran. So ist im Freistaat Sachsen eine beeindruckende und ergiebige Forschungslandschaft entstanden, die international hohes Ansehen genießt.

Spitzenforschung aus Sachsen – MEMS für den Weltmarkt

Dr. Sven Zimmermann (l.), Leiter der Abteilung Schichtabscheidung am Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM), bringt jungen Studieninteressenten regelmäßig am „Tag der offenen Tür“ die Mikrotechnologie näher.
Dr. Sven Zimmermann (l.), Leiter der Abteilung Schichtabscheidung am Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM), bringt jungen Studieninteressenten regelmäßig am »Tag der offenen Tür« die Mikrotechnologie näher.  © TU Chemnitz – Bildarchiv der Pressestelle/Wolfgang Thieme

Wenn es um smarte Systeme geht, genießt insbesondere die Technische Universität (TU) Chemnitz mit ihrem Zentrum für Mikrotechnologien (ZfM) weltweit hohes Renommee. Gegründet wurde dieses Forschungszentrum 1991 durch Professor Dr. Thomas Geßner.

Er holte 1995 den DFG-Sonderforschungsbereich »Mikromechanische Sensor- und Aktorarrays« an die Hochschule, dessen Laufzeit aufgrund der herausragenden Forschungsergebnisse durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) bis 2006 insgesamt dreimal verlängert wurde.

Der international hoch geachtete Wissenschaftler, 2016 leider viel zu früh verstorben, engagierte sich für die schnelle Überführung von Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung. Hierzu zählen Sensoren, Aktoren und Arrays wie z. B.: hochgenaue Beschleunigungssensoren und Drehratesensoren für den Einsatz in Navigationssystemen, Anzündelemente für Airbags, Mikrospiegel für die Ablenkung von Laserstrahlen, Scanner sowie Lab on Chip Systeme.

Professor Geßner hat dazu auch die Gründung des Fraunhofer-Institutes für Elektronische Nanosysteme ENAS Chemnitz mitinitiiert. Beide Forschungseinrichtungen befinden sich auf dem Smart Systems Campus. Heute wird die Forschung am ZfM durch zwölf Professoren und Honorarprofessoren gemeinsam gestaltet.

Martin Möbius (l.) und Jörn Langenickel (r.) vom Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz demonstrieren den fluoriszierenden Effekt einer QuantumDot-Schicht, die in einen Faserverbundwerkstoff integriert wurde.
Martin Möbius (l.) und Jörn Langenickel (r.) vom Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz demonstrieren den fluoriszierenden Effekt einer QuantumDot-Schicht, die in einen Faserverbundwerkstoff integriert wurde. Einfluss auf die Stärke der Photolumineszenz können mechanische Belastungen nehmen, indem sie durch eine piezoelektrische Schicht in elektrische Ladung umgewandelt werden, die wiederum den photoluminiszierenden Effekt der QuantomDots beeinflusst.  © Fraunhofer ENAS/TU Chemnitz

Die Forscher am Fraunhofer ENAS entwickeln intelligente Systeme für verschiedene Anwendungen in der Industrie. Ihr Leistungsspektrum reicht von Einzelkomponenten über Technologien für die Fertigung bis hin zu Systemkonzepten und Technologien zur Systemintegration. Ihre Partner aus der Wirtschaft begleiten die Forscher bei Bedarf von der ersten Idee für eine Innovation bis zum Test am Prototyp.

So wurden im Bundesexzellenzcluster MERGE am Fraunhofer ENAS und dem Zentrum für Mikrotechnologien der TU Chemnitz mehrschichtige Sensorfolien mit eingebetteten fluoreszierenden Nanopartikeln entwickelt. Mit diesem neuen System können mechanische Belastungen in Bauteilen visualisiert werden. Zudem benötigen die Nanosensoren keine Energieversorgung. Damit ermöglichen sie eine energieautarke Überwachung großer Flächen bzw. Bauteile mit nahezu jeder beliebigen Form. Kritische Belastungen ließen sich beispielsweise in Rotorblättern von Windkraftanlagen, Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen oder Arbeitsschutzkleidung wie Helmen überprüfen.

MEMS-Reinraum am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden.
MEMS-Reinraum am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS, Dresden.  © Fraunhofer IPMS

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS übernimmt für seine Kunden die Entwicklung von Produkten und Technologien auf dem Gebiet der Mikro-(Opto)-Elektro-Mechanischen Systeme (MEMS und MOEMS).
Auch eine Pilotfertigung oder den Technologietransfer bieten die Wissenschaftler an. Die Forschungseinrichtung verfügt dafür über einen modernen MEMS-Reinraum mit 200-Millimeter-Fertigungslinie, in dem MEMS und MOEMS nach industriellen Standards gefertigt werden.

Das Angebot des IPMS umfasst die ganze Wertschöpfungskette, von Beratung und Prozessentwicklung über die Entwicklung und Fertigung von Prototypen sowie Test und Charakterisierung bis hin zu Pilotfertigung und Foundry-Dienstleistungen (= Unternehmen aus der Mikroelektronik, die in ihren Halbleiterwerken Produkte für andere Halbleiterunternehmen herstellen).

So hat das IPMS in Zusammenarbeit mit dem französischen Automobilzulieferer SAGEM einen Prozess zur Herstellung von Drucksensoren für Hydrauliksysteme entwickelt, der hohe Ausfallsicherheit bei gleichzeitig geringen Kosten gewährleistet. Er wird heute mit Stückzahlen von 300.000 bis 500.000 Stück pro Jahr bei führenden französischen Automobilherstellern eingesetzt.

Die Integration von Mikrosystemtechnik, Elektronik und gedruckten Komponenten in individualisierte Massenprodukte ist ein Thema im Fraunhofer-Leitprojekt »Go Beyond 4.0«. Unter der Führung des Fraunhofer ENAS werden Fertigungsstrategien für die Herstellung von Kleinserien und Unikaten unter Massenproduktionsbedingungen erarbeitet. Ziel dieser Arbeiten ist es, die wirtschaftlichen Vorteile der Massenfertigung zu nutzen und dennoch individualisierte Produkte herstellen zu können.

IoSense
Auftakt des Projektes »IoSense« in Dresden am 19. Mai 2016 mit dem damaligen sächsischen Ministerpräsidenten Stanislaw Tillich (M.). Der Freistaat förderte gemeinsam mit dem Bund das Projekt zur Stärkung der Region  © Infineon

Forscher der Fraunhofer-Institute sind auch an einem weiteren bedeutenden Forschungsprojekt beteiligt, das von Infineon Dresden geleitet wird: In dem europäischen Vorhaben »Power2Power« arbeiten 43 Partner aus 8 Ländern gemeinsam an neuartigen Leistungshalbleitern mit höherer Leistungsdichte und verbesserter Energieeffizienz. Das Projekt mit einem Gesamtvolumen von 74 Millionen Euro ist Teil von ECSEL, dem europäischen Förderprogramm für Mikroelektronik.

Erfolgreich abgeschlossen wurde in 2020 zudem das ECSEL-Projekt »IoSense«. Das Pilotlinienprojekt unterstützte Partner aus 6 Ländern dabei, neue Sensortechnologien und kostengünstige Fertigungsmethoden zu entwickeln. Das Volumen betrug 65 Millionen Euro. Die EU förderte das Vorhaben mit 14,7 Millionen Euro. Sachsen und das Bundesministerium für Bildung und Forschung beteiligten sich gemeinsam mit 5,2 Millionen Euro.

Ebenfalls erfolgreich beendet ist das ECSEL-Projekt »Advanced Distributed Pilot Line for More-than-Moore Technologies« (Admont). Sein Ziel war die Zusammenführung der bei verschiedenen Partnern verteilten Expertise zu einer Pilotlinie für More-than-Moore-Technologien im Raum Dresden. Beteiligt waren 19 Partner aus 6 europäischen Ländern. Koordiniert wurde das Projekt von X-FAB Dresden.

Der Freistaat Sachsen fördert als erste europäische Region gemeinsam mit der Bundesregierung Projekte des ECSEL-Programmes. Die Landesregierung will damit Wertschöpfung und Arbeitsplätze am Standort sichern und dazu beitragen, dass Sachsen ein erfolgreicher Standort sowohl für die Forschung als auch für die Produktion bleibt.

Sächsischer Auftakt für die „Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland“
Sächsischer Auftakt der »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland« am 8. August 2017 (v.l.): Dr. Eva-Maria Stange (damals Sächsische Staatsministerin für Wissenschaft und Forschung), der damalige Ministerpräsident Stanislaw Tillich und Stefan Müller (damals Parlamentarischer Staatssekretär bei der Bundesministerin für Bildung und Forschung) mit Prof. Hubert Lakner (Vorsitzender des Lenkungskreises der Forschungsfabrik Mikroelektronik) und Prof. Georg Rosenfeld (Mitglied des Vorstands der Fraunhofer-Gesellschaft).  © Fraunhofer IPMS

13 Forschungsinstitute – 11 Institute aus dem Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik und die Leibniz Institute FBH und IHP – haben im August 2017 ein neues Kooperationsmodell »Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland« ins Leben gerufen. Sie bündeln darin ihre technische Ausstattung und modernisieren die Laborlinien für Mikroelektronik-Technologien. Den Kunden aus Wirtschaft und Wissenschaft wird so die Wertschöpfungskette für die Mikro- und Nanoelektronik aus einer Hand angeboten.

Für den Ausbau der Forschungsausstattung stellt das Bundesministerium für Bildung und Forschung 350 Millionen Euro zur Verfügung. Allein 100,8 Millionen Euro des Zukunftsprogramms gehen an die vier in Sachsen beteiligten Fraunhofer-Institute. Damit stärkt der Bund die Innovationsfähigkeit der Halbleiter- und Elektronikindustrie in Deutschland und Europa im globalen Wettbewerb.

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