Team 2

Smarte Sensoren erobern Konsumelektronik, Industrie und Medizin

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Die Welt der Mikromechanik
Die Mikromechanik ist in den Achtziger Jahren aus der Halbleitertechnik entstanden. Ihr Ziel ist es, mit Methoden der Halbleitertechnik (Beschichten, Strukturieren, Ätzen) Siliziumscheiben – sogenannte Wafer – so zu bearbeiten, dass sehr kleine mechanische Strukturen und Bauteile entstehen. Eines der bekanntesten Systeme, das mit solchen mikromechanischen Sensoren arbeitet, ist das von Bosch entwickelte Elektronische Stabilitäts-Programm (ESP), der Schleuderschutz für das Kraftfahrzeug, dessen Einsatz nach aktuellen Studien 30 bis 50 Prozent aller Schleuderunfälle mit Todesfolgen verhindern kann.

Wesentliche Vorzüge der Mikromechanik sind:

  • winzige Strukturabmessungen von wenigen Mikrometern als Voraussetzung für kleine Sensoren;
  • die Möglichkeit, mit den kostengünstigen Methoden der Halbleitertechnik kleine, leistungsfähige, und energiesparende Sensoren zu fertigen;
  • eine kostengünstige Fertigung von vielen tausend Bauelementen auf einem Silizium-Wafer.

Bei der Produktion dieser Bauelemente werden derzeit zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren eingesetzt: die Volumen-Mikromechanik und die Oberflächen-Mikromechanik.

  • Bei der Volumen-Technik werden die benötigten Strukturen aufwendig und relativ großflächig in einen Silizium-Wafer eingearbeitet.
  • Die Oberflächen-Mikromechanik hingegen baut auf der Oberfläche des Silizium-Wafers frei bewegliche Strukturen – Massen und Federelemente – auf mit dem zusätzlichen Vorteil, dass sie deutlich kleiner sind und sich gut mit Prozessen der Halbleitertechnik bearbeiten lassen.

Mikromechanische Sensoren wurden bislang fast ausschließlich im Automobil eingesetzt, um Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu senken, mit Airbag-Systemen die Insassen zu schützen oder über das ESP-System ein Schleudern zu verhindern. Der breite Einsatz in der Consumer-Elektronik blieb hingegen bisher ausgeschlossen. Die Sensoren waren bis dato zu groß, verbrauchten zu viel Strom und waren in der Herstellung zu teuer.

Die Consumer-Elektronik stellt an die mikromechanischen Sensoren andere Anforderungen:

  • Der verfügbare Bauraum ist extrem knapp, etwa in Mobiltelefonen, Laptops oder mobilen Navigationsgeräten.
  • Der Stromverbrauch darf nur minimal sein, damit mobile Energiespeicher wie Batterien eine lange Laufzeit haben.
  • Bei extrem kurzen Lebenszyklen der Produkte müssen die Entwicklungszeiten kurz sein.
  • Die Herstellungskosten müssen deutlich niedriger sein als in der Automobiltechnik.

Die aktuelle Innovation
Dem nominierten Bosch-Forscher-Team gelang es, eine Reihe von Prozessen für die Oberflächen-Mikromechanik zu entwickeln und in eine Großserienfertigung umzusetzen. Damit hergestellte Sensoren erfüllen die Ansprüche der Consumer-Elektronik und erschließen ihr eine ungeahnte Palette neuer Funktionen. Die bei Bosch entwickelten Prozesse gelten in Fachkreisen als technischer Durchbruch für die industrielle Nutzung der Oberflächen-Mikromechanik.


Die fünf wichtigen Schlüsselprozesse, die bei Bosch entwickelt wurden, sind:
  • Die Abscheidung und Strukturierung von Schichten aus polykristallinem Silizium bis zu einer Dicke von 20 Mikrometern. Diese sind für möglichst große, frei bewegliche Massen auf kleinstem Raum, etwa in Beschleunigungssensoren erforderlich.
  • Tiefenätzen – der DRIE- oder „Bosch-Prozess“. Damit gelang es, im Silizium maßgenau sehr tiefe Gräben mit senkrechten Wänden zu erzeugen.
  • Das Gasphasenätzen, um die Opferschicht besonders einfach und zuverlässig zu entfernen.
  • Die Dünnschichtkappe im „MEMS-first-Prozess". Sie bietet auf kleinstem Raum einen hermetischen Abschluss der mikromechanischen Bauteile gegen Umwelteinflüsse.
  • Der „APSM-Prozess“ (Advanced Porous Silicon Membrane) für Drucksensoren. Er erzeugt unter einer monokristallinen Silizium-Membran einen exakt definierten Hohlraum mit Vakuum. So können hochpräzise, kleine und kostengünstige Drucksensoren zusammen mit der Auswerteelektronik auf einem Chip erzeugt werden.

Bedeutung der Innovation
Die Oberflächen-Mikromechanik hat bereits zu ersten Produkten geführt, die einen Eindruck von den Marktchancen geben: Bosch-Beschleunigungssensoren messen Beschleunigungen bei sehr geringer Stromaufnahme und besitzen sogar eine „Wake-up-Funktion“, durch die sie sich bei Bewegung selbst aktivieren. Sie werden in Laptops verwendet, um bei grober Erschütterung die Festplatte zu schützen oder in Handys, um das Menü durch die Neigung zu steuern.
Handys lassen sich mittels Beschleunigungssensoren bedienen. Werden die Mobiltelefone in einer bestimmten Lage abgelegt, so schalten sie die Anrufe automatisch stumm. Mit bewegungssensitiven Fernbedienungen können TV-Geräte „aus dem Handgelenk heraus“ bedient werden.
Beschleunigungssensoren in Sportkleidung analysieren Bewegungsabläufe von Sportlern, um das Training zu optimieren.
Drucksensoren der Bosch Sensortec werden in hochpräzise Navigationsgeräte eingebaut. Das erlaubt in großen Gebäuden eine Höhenortung auf 25 Zentimeter genau und damit auch die mobile Navigation.
Moderne Mittelklasse-Automobile enthalten schon heute knapp 100 hochgenaue, intelligente Sensoren, die das Fahren sicherer, sauberer, sparsamer und komfortabler zu machen. Mit noch kleineren, robusteren und preisgünstigeren Sensoren eröffnen sich weitere Einsatzperspektiven, insbesondere hinsichtlich Senkung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen sowie mehr Sicherheit.
Der „APSM-Prozess“ ebnet auch den Weg für extrem dünne, hochwertige Halbleiter-Chips, an denen in der mobilen Elektronik ein schnell wachsender Bedarf besteht, etwa in elektronischen Pässen oder in Funketiketten (RFID).

Mikromechanik für die Konsumelektronik
Neben Druckköpfen für Tintenstrahldrucker und Mikrospiegel für elektronische Projektoren sind Sensoren ein großes Segment im Markt für mikromechanische Bauelemente. Führender Hersteller mikromechanischer Sensoren ist die Bosch-Gruppe. Bosch setzte 2006 mehrere hundert Millionen Dollar mit mikromechanischen Sensoren für die Automobiltechnik um. Heute werden bereits jährlich mehr als 200 Millionen Stück gefertigt.
Mit den neuen Prozessen der Oberflächen-Mikromechanik erschließt sich der Markt der Konsumelektronik mit hohen Zuwachsraten. In den nächsten fünf Jahren, so die Marktprognosen, sollen sich die Umsätze bei mikromechanischen Sensoren verdoppeln. Wichtigstes Standbein wird weiterhin der Automobilbereich sein. Bosch beschäftigt heute hierfür etwa 2.000 Mitarbeiter. Verbunden mit dem Zuwachs bei Sensoren steigt auch die Nachfrage nach dafür notwendigen integrierten Auswerteschaltungen. Dies ist einer der Gründe für den Bau einer neuen Halbleiterfertigung in Reutlingen. Mit 600 Millionen Euro ist dies für Bosch die größte Einzelinvestition. 800 neue Arbeitsplätze werden dort entstehen.
Durch die Gründung der Bosch Sensortec GmbH (http://www.bosch-sensortec.com) im Jahr 2005 bringt Bosch seine Erfahrung bei mikromechanischen Sensoren auch in die neuen Märkte außerhalb des Automobils ein. Dadurch entstehen weitere neue Arbeitsplätze. Bosch Sensortec beschäftigt weltweit mehr als 50 Mitarbeiter. Weiteres Wachstum in dem sich schnell entwickelnden Markt ist absehbar.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Smarte Sensoren erobern Konsumelektronik, Industrie und Medizin “ wurde vom „Bundesverband der Deutschen Industrie“ vorgeschlagen.