Institut für Mikrotechnologien (IMtech)

Hochschule RheinMain Fachbereich Ingenieurwissenschaften

Jahresbericht 2011

www.imtech-fhw.org

Redaktion: A. Meier, F. Völklein Rüsselsheim, den 17. 05. 2012

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Inhalt

1. Mitglieder und Mitarbeiter des IMtech

2. Wissenschaftlicher Beirat des IMtech

3. Profil (Schwerpunkte in Forschung und Lehre) des IMtech

3.1 Forschungsschwerpunkte

3.2 Aufgaben des IMtech im Bereich Lehre und Wissenstransfer

3.3 Ausstattung: Neue Geräte in 2011

3.4 Mitgliedschaften in nationalen und internationalen Vereinigungen

4. Forschungsprojekte

4.1 Öffentlich geförderte Projekte

4.1.1 PROFIL-NT (NANOTHERM)

4.1.2 DISMAT (LOEWE 3)

4.1.3 DFG Priority Program (SPP 1386): Nanostrukturierte Thermoelektrika

4.1.4 Nicht-invasive Therapieüberwachung der Cardio-Augmentation

4.1.5 Entwicklung eines Kreislaufsimulators für Fluss- und Druckmessungen

4.1.6 MIKROVAK

4.1.7 MIDES

4.1.8 Forschung für die Praxis 2010: Multifunktionales Bioimplantat

4.1.9 EU-Projekt "Nanowiring - Marie-Curie Initial Training Network"

5. Kooperationen ohne Projektmittel

5.1 Ausgasratenmessung an Cryo-tauglichen Epoxiden

5.2 Optische Sensor-Substrate

6. Publikationen und Öffentlichkeitsarbeit

6.1 Wissenschaftliche Publikationen (Fachzeitschriften, Bücher, Tagungen)

6.2 Bachelor-/Diplom-/Masterarbeiten und Studienarbeiten

6.3 Öffentlichkeitsarbeit

6.4 Preise

6.5 IMtech-Wanderung

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1. Mitglieder und Mitarbeiter des IMtech

Professoren

Prof. Dr. H.-D. Bauer (stellvertretender Direktor IMtech)

Prof. Dr. A. Brensing

Honorarprof. W. Jacoby, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt

Prof. Dr. K. M. Indlekofer, SB ITE

Prof. Dr. W. Kleinekofort

Prof. Dr. U. Langbein

Prof. H. Reisinger

Prof. Dr. G. Stein, SB MNDU

Prof. Dr. F. Völklein (amtierender Direktor IMtech)

Wissenschaftliche und technische Mitarbeiterinnen/Mitarbeiter

H.J. Beck, technischer Mitarbeiter

M. Grau, wissenschaftlicher Mitarbeiter

R. Groß, wissenschaftlicher Mitarbeiter

G. Hemer, technische Mitarbeiterin

D. Huzel, wissenschaftlicher Mitarbeiter

B. Loutfi-Krauß, wissenschaftliche Mitarbeiterin

A. Meier, wissenschaftlicher Mitarbeiter

H. Reith, wissenschaftlicher Mitarbeiter

P. Schlett, wissenschaftlicher Mitarbeiter

M. Schmitt, wissenschaftlicher Mitarbeiter, seit 06/2011 Effgen Schleiftechnik, Herrstein

A. Stern, wissenschaftlicher Mitarbeiter

S. Stille, seit 2008 Leybold Optics, Alzenau

Studentische Mitarbeiterinnen/Mitarbeiter (zeitweilige Projektmitarbeiter)

P. Breckner, Medizinische Messtechnik uns Signalverarbeitung

D. Conradi, Vakuumtechnik/Mikrotechnologie

N. Detrez, Optik/Mikrotechnologie; Medizinische Messtechnik uns Signalverarbeitung

Ch. Halfpap, Optik/Mikrotechnologie

Ch. Hallbauer, Nanotechnologie

M. Huster, Mikrotechnologie

Ch. Kasparek, Optik/Mikrotechnologie

O. Lebau, Medizintechnik

P. Matten, Mikrotechnologie

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M. Morawitz, Optik/Mikrotechnologie

C. Oster, Medizinische Messtechnik uns Signalverarbeitung

T. Reimer, Nanotechnologie

N. Sobel, Vakuumtechnik

2. Wissenschaftlicher Beirat des IMtech Alexander Bracht Hessen Agentur; Wiesbaden Leiter hessen-nanotech alexander.bracht@hessen-agentur.de Prof. Dr. Michael Huth Goethe-Universität Frankfurt/Main Physikalisches Institut michael.huth@physik.uni-frankfurt.de Dr. Torsten Rossmann Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst, Wiesbaden Torsten.Rossmann@hmwk.hessen.de

Bild 1: Mitglieder des IMtech anlässlich der Jahresversammlung 2010

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3. Profil (Schwerpunkte in Forschung und Lehre) des IMtech 3.1 Forschungsschwerpunkte Die bisherige Ausrichtung des IMtech wurde auch in den F&E-Projekten des Jahres 2011 und

in der Lehre fortgeführt, erweitert und vertieft. Die Ausrichtung konzentriert sich auf die

Schwerpunkte Photonik (Wellenleiter, diffraktive optische Elemente (DOE), Laser-

Strahlformer) Mikrosystemtechnik/Nanotechnologie (FHprofUnt MIKROVAK, BMBF-MiDes,

DFG- und EU-Projekt zur Charakterisierung und Integration von Nanodrähten) und

Medizintechnik (Kreislaufsimulator, Cardio-Augmentation, Multifunktionales Bioimplantat,

miniaturisierte Systeme). Insbesondere durch die erfolgreiche Bearbeitung und Erweiterung

von Projekten zur Medizintechnik ist ein neuer profilbildender Schwerpunkt entstanden.

Ausgehend von den bisherigen Arbeiten zu medizintechnischen Diagnose- und Therapie-

verfahren für kardio-vaskuläre Erkrankungen soll ein neues Forschungsfeld „Miniaturisierte

medizintechnische Systeme“ aufgebaut werden.

Eine der größten Herausforderungen des Gesundheitssystems ist die Behandlung chronischer

Erkrankungen, sowohl unter dem Gesichtspunkt des Behandlungserfolgs als auch unter

gesundheits-ökonomischen Aspekten. Kennzeichnend für chronische Erkrankungen sind ein

oftmals progredienter Verlauf, häufige ambulante Behandlung und Re-Hospitalisierung,

intensiver Medikamenteneinsatz und eine überhöhte Inzidenz im Alter. Mit dem zukünftigen

Forschungsansatz wird das Ziel verfolgt, medizintechnische Systeme für die engmaschige

Anwendung insbesondere im häuslichen Umfeld der betroffenen Patienten anzubieten. Dies

eröffnet mehrere Vorteile: Morbidität und Mortalität hängen oftmals entscheidend von der

frühzeitigen Diagnose einer Krankheitsveränderung ab, Akutereignisse können automatisiert

erkannt und entsprechende Hilfsmaßnahmen ausgelöst werden, die Medikation lässt sich

besser in ihrer Wirkung beobachten und steuern. Die Etablierung in der Patientenversorgung

setzt sehr einfach zu bedienende, komfortable und robuste Systeme für die zuverlässige

Erfassung von Vitalparametern voraus. Miniaturisierte, kabellose Sensoren für die Integration

in Textilien, Fixierung auf der Haut oder subkutane Implantation spielen dabei zukünftig eine

entscheidende Rolle. Exemplarisch seien ein optischer Flusssensor für die nächtliche

Überwachung von Hypertonie und Schlaf-bezogener Atemstörung oder ein Körperschall-

mikrophon zur Beurteilung der kardialen Funktion in Kombination mit Fluss-Druck-Messungen

genannt. In Verbindung mit einer Bedieneinheit und einer telemedizinischen Anbindung

(optional) kann damit eine kontinuierliche Verlaufskontrolle realisiert werden.

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Bild 2: Systemaufbau für die engmaschige Kontrolle von Vitalparametern

Das Forschungsgebiet fügt sich in die Hightech-Strategie des BMBF ein, die eine Förderung

u.a. von Medizintechnik, Mikrosystemtechnik für die Medizintechnik und Präventionsforschung

vorsieht. In Hinblick auf das Einwerben von Drittmitteln kann von einem kontinuierlich guten

Spektrum an Förderprogrammen ausgegangen werden.

Bild 3 stellt zusammenfassend die F&E-Schwerpunkte des IMtech dar. Diese bilden sich in

den bearbeiteten F&E-Projekten, den Studien-, Bachelor- und Masterarbeiten sowie

Laborprojekten (siehe Punkt 6.3) und den laufenden Promotionsverfahren ab.

Bild 3: Forschungsschwerpunkte des IMtech

Medizintechnik

- Bioimplantate

- Kreislaufsimulator

- Cardio-Augmentation

- Miniaturisierte Systeme

Mikrosystemtechnik/

Nanotechnologie

- Mikrosystem-Design

- Mikro-Sensoren

- Zell-Kalorimetrie

- Nanodrähte

Photonik

- Schicht-Wellenleiter

- Strahlteiler, Strahlformer

- diffrakt. opt. Elemente

Miniaturisierte Sensoren

- z.B. subkutan implantierbar oder in Textil integriert - Kommunikationsschnittstelle - Signalvorverarbeitung

Bedieneinheit

- z.B. Smart-Phone, Tablet-PC - Benutzerinformation - Signalverarbeitung - Datenfernübertragung

Telemedizinischer Service

- Datenaufbereitung - Kontrolle und Archivierung - Erkennung von Akutereignissen - Patientenfeedback

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3.2 Aufgaben des IMtech im Bereich Lehre und Wissenstransfer

Die wachsende Zahl von Promotionsstellen im Institut hat u.a. zur Folge, dass Studierende in

Zusammenarbeit mit den Doktoranden in F&E-Projekte eingebunden werden. Die

Doktoranden leisten einen wertvollen Beitrag für die praxisnahe Wissensvermittlung innerhalb

des Fachbereichs und bereiten Studierende z.B. durch Betreuung von Laborprojekten auf die

Anforderungen anwendungsorientierter F&E-Tätigkeit im späteren Berufsfeld vor. Dazu dient

auch das im MSc-Studienprogramm „Angewandte Physik“ enthaltene Forschungssemester,

das einige Studierende im IMtech absolvierten.

Im WS 2011 wurde von Mitgliedern des IMtech erneut der Laborkurs Mikrosystemtechnik

für ca. 30 Studierende des Studiengangs Mechatronik/Mikrosystemtechnik der FH Frankfurt

(dreitägiger Intensivkurs für jeweils 10 Studierende) im Reinraum bzw. im Labor Vakuum-

technik/Dünnschichttechnologie durchgeführt (Bild 4).

Bild 4: Studierende der FH Frankfurt im Reinraum des IMtech (Laborkurs Mikrosystemtechnik;

WS 2011; Betreuung durch G. Hemer, F. Völklein, zeitweise M. Schmitt, H. Reith, A. Meier)

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Im AK 7 (Aus- und Weiterbildung) des Optence-Netzwerkes wirken IMtech-Mitglieder an der

Koordination von Lehr- und Weiterbildungsveranstaltungen zur Optik für Studierende der

Hochschule RheinMain, Hochschule Darmstadt und TH Mittelhessen (Gießen-Friedberg) mit.

3.3 Ausstattung: Neue Geräte in 2011

- Mikromanipulator Leitz 823104 inkl. Stereomikroskop Leitz 805097

- RF Plasma Barrel Etcher PT 7150, kapazitiv gekoppelt, Fisons Instruments

- Mikrowellen-Plasma-System TePla 100-E, Technics Plasma GmbH

- Tischsputteranlage Sputter Coater S150B, Edwards

- Plasma Emissions Monitor PEM 04, Von Ardenne Anlagentechnik GmbH

3.4 Mitgliedschaften in nationalen und internationalen Vereinigungen

Wissenstransfer, vorwiegend in Kooperation mit regionalen industriellen Partnern, vollzieht

sich u.a. über eine breite Mitwirkung von IMtech-Mitgliedern in regionalen Netzwerken. Die

Netzwerktätigkeit ermöglicht auch die Vermittlung von Industriepraktika für Studierende sowie

die Durchführung von Bachelor- und Masterarbeiten in Firmen der Region.

IMtech ist über seine Mitglieder Prof. Dr. H.-D. Bauer, Prof. Dr. U. Langbein und Prof. Dr. F.

Völklein Mitglied im Kompetenznetzwerk Optence, dem Kompetenznetz für Optische Techno-

logien in Hessen/Rheinland-Pfalz. Prof. Dr. U. Langbein und Prof. Dr. H.-D. Bauer sind im

Arbeitskreis 7 (Aus- und Weiterbildung), Prof. Dr. F. Völklein im Arbeitskreis 2 (Mikrooptik)

tätig. Im AK 7 werden u.a. im Verbund mit der Hochschule Darmstadt und der TH Mittelhessen

neue Lehrangebote auf Bachelor- und Master-Basis abgestimmt und aktuelle Lehrangebote

ausgetauscht.

IMtech ist Gründungsmitglied im mst-Netzwerk Rhein-Main; Prof. Dr. F. Völklein ist Mitglied

des Vorstandes und mit Dr. M. Simon Leiter des AK Mess- und Sensortechnik/Mikrooptik.

Die Hochschule RheinMain ist Mitglied im NanoNetzwerkHessen (NNH) und wird dort durch

Prof. Dr. H.-D. Bauer vertreten. (näheres zum NNH unter www.nanonetzwerkhessen.de).

Prof. Dr. H.-D. Bauer ist Mitarbeiter im Netzwerk NEnA (“Nanotechnology Entrepreneurship

Academy”), welches Existenzgründerinnen im Bereich Nanotechnologie unterstützt.

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Prof. Dr. W. Kleinekofort ist Mitglied der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik

(DGMP), der Vascular Access Society (VAS) und der European Society for Artificial Internal

Organs (ESAO).

Prof. Dr. U. Langbein ist Mitglied der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, der Deutschen

Gesellschaft für angewandte Optik und der Optical Society of America.

Prof. Dr. F. Völklein ist Mitglied der European Thermoelectric Society (ETS) und der

Deutschen Physikalischen Gesellschaft.

Regionale Netzwerke mit aktiver Beteiligung von IMtech-Mitgliedern

OPTENCE: AK 7 (Aus- und Weiterbildung)

AK 2 (Mikrooptik)

MST-Netzwerk Rhein-Main

AK Mess- und Sensortechnik/Mikrooptik

Nanonetzwerk Hessen

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4. Forschungsprojekte

4.1 Öffentlich geförderte Projekte

4.1.1 PROFIL-NT (NANOTHERM)

gefördert durch BMBF (FKZ PNT51505), Förderprogramm „Forschungsprofil in Neuen Technologien“

Projektpartner: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt

Heimann Sensor GmbH, Dresden/Eltville

Goethe-Universität, Frankfurt am Main

Projektleitung: Prof. Dr. F. Völklein

Das NANOTHERM-Projekt wurde nach 3 Jahren Laufzeit im Mai 2011 abgeschlossen. Es

hatte grundlegende Untersuchungen zur Charakterisierung von Nanodrähten und FEBID-

Schichten zum Inhalt, mit dem applikativen Ziel, neue thermische Mikrosensoren und Sensor-

Arrays durch Integration thermoelektrischer Nanodrähte zu entwickeln. Vom Projektpartner

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung wurde unter Anwendung hochbeschleunig-

ter Ionen eine Technologie zur Herstellung von Nanodrähten in Polycarbonat-Templatfolien

entwickelt (Ion-Track-Technologie). Im NANOTHERM-Projekt wurden mit dieser Technologie

thermoelektrische Nanodrähte aus V/VI-Verbindungshalbleitermaterialien, insbesondere Bi-,

BiSb- und Bi2Te3-Nanodrähte, hergestellt, charakterisiert und in Bauelemente integriert.

Aktuelle theoretische Untersuchungen zeigen, dass sich die thermoelektrischen Eigenschaften

von niederdimensionalen Systemen signifikant von den Transporteigenschaften in Massiv-

materialien unterscheiden. Insbesondere wird eine Steigerung der thermoelektrischen

Effektivität z in Nanostrukturen prognostiziert. Durch die Entwicklung der experimentellen

Methoden und den Aufbau entsprechender Mikrosysteme zur Messung der thermo-

elektrischen Transporteigenschaften wurden die Voraussetzungen für eine experimentelle

Verifizierung des Einflusses von klassischen bzw. Quanten-Size-Effekten auf die thermo-

elektrische Effektivität von nanostrukturierten Materialien geschaffen.

Die thermoelektrische Effektivität ist der entscheidende Parameter für den Wirkungsgrad der

thermoelektrischen Energiewandlung und bestimmt dadurch die Güte aller auf den

thermoelektrischen Effekten beruhenden Bauelemente. Eine Erhöhung von z führt z.B. bei

thermoelektrischen Sensoren und Sensor-Arrays zur Steigerung der Detektivität D* bzw. des

Signal-Rausch-Verhältnisses. Hauptaufgabe des Projektes war deshalb die Untersuchung

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der thermoelektrischen Materialparameter an einzelnen Nanodrähten bzw. an Nano-

strukturen mit quasi eindimensionalem Ladungs- und Wärmetransport. Hierzu waren

schwierige experimentelle Probleme zu bearbeiten, für die in der relevanten Fachliteratur

bisher keine Lösungsansätze dokumentiert sind. Die Bestimmung der thermoelektrischen

Effektivität z = S²σ/λ erfordert die Messung der drei Transportparameter S (Seebeck-

Koeffizient), σ (elektrische Leitfähigkeit) und λ (Wärmeleitfähigkeit). Die wichtigste Aufgabe

des NANOTHERM-Projektes bestand in der Entwicklung von Messmethoden und der dafür

erforderlichen Mikrostrukturen zur Bestimmung der genannten Transportkoeffizienten an

singulären und an eingebetteten Nanodrähten mit quasi 1D-Transportmechanismen. Darüber

hinaus wurden die Messmethoden in Kooperation mit der Goethe-Universität Frankfurt

(Physikalisches Institut) auch auf nanogranulare FEBID-Schichten (Bild 5) angewendet, um

deren thermoelektrische Eigenschaften zu bestimmen.

Bild 5: Nanogranulare FEBID-Schichten, die zur Messung ihrer elektrischen Eigenschaften auf vorstrukturierten Au/Cr-Mikrokontakten abgeschieden wurden (Quelle: C. Schwalb, Goethe-Universität Frankfurt)

Bild 6: Lineare I/U-Kennlinie als Indikator „Ohmscher“ Kontakte an einem Bi-Nanodraht

Hierzu waren zunächst Probleme hinsichtlich der Handhabung/Positionierung und der

elektrischen Kontaktierung einzelner Nanodrähte als Voraussetzung für alle nachfolgenden

elektrischen Messungen zu bearbeiten. Anforderungen an die Kontaktierung waren die

Realisierung

- „Ohmscher“ Kontakte mit linearer I/U-Kennlinie (Bild 6)

- langzeitstabiler Kontakte ohne Beeinflussung der Nanodrähte durch das Kontaktierungs-

material (z.B. durch Diffusionsprozesse, Bild 7)

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Bild 7: EDX-Analyse im Zentrum eines Bi2Te3-Nanodrahtes zwischen Cu-Kontaktschichten

mit dem Nachweis unerwünschter Diffusion von Cu-Kontaktmaterial in den Nanodraht

Die experimentelle Bestimmung der thermoelektrischen Effektivität erforderte die Messung

von S, σ und λ an ein und demselben Nanodraht. Während es für die Messung der

elektrischen Leitfähigkeit etablierte Vier-Punkt-Methoden gibt, waren für die Messung der

Wärmeleitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten neue Messmethoden und entsprechende

Mikrochips zu entwickeln.

Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit λλλλ war die Präparation von freitragenden

Nanodrähten erforderlich. Der theoretische Zusammenhang zwischen der Messgröße

(Widerstandsänderung) und der gesuchten Wärmeleitfähigkeit wurde für einen Nanodraht

durch Lösung der Wärmeleitungsgleichung mit innerer Wärmequelle ermittelt. Schließlich

musste ein Vakuum-Messplatz aufgebaut werden, da alle thermischen Messungen unter

Hochvakuum-Bedingungen auszuführen sind, um Wärmeverluste durch Konvektion

Cu

Analysis area

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auszuschließen. Dieser Messplatz wurde hinsichtlich der elektrischen Messdatenerfassung

vollständig automatisiert und ermöglicht Messungen im Temperaturbereich 80 – 400 K.

Hinsichtlich der Präparation freitragender Drähte wurde das RIE-Verfahren eingesetzt und für

thermoelektrische Drahtmaterialien optimiert. Durch FEM-Simulationen (Bild 8) wurde gezeigt,

dass die für das Messverfahren erforderlichen Wärmesenken-Bedingungen auf den λ-

Mikrochips tatsächlich gegeben sind. Messungen der Wärmeleitfähigkeit wurden erstmals an

Pt-Nanodrähten und an BiSbTe-Nanodrähten durchgeführt.

Bild 8: FEM-Simulation der Temperaturverteilung in einem geheizten Nanodraht auf einem λ-

Chip (links); Temperaturverlauf im Nanodraht auf und zwischen den Wärmesenken (rechts)

Für die Messung des Seebeck-Koeffizienten wurde ein Konzept und eine Messplattform zur

Bestimmung von S an einem einzelnen Nanodraht entwickelt. Das Hauptproblem der

Messung besteht darin, dass an relativ kurzen Nanodrähten von typisch 10 µm Länge eine

hinreichend große Temperaturdifferenz von etwa 1 K erzeugt werden muss, um zuverlässig

messbare Thermospannungen zu erhalten. Eine solche Temperaturdifferenz bedeutet aber

die Realisierung eines Temperaturgradienten von 105 K/m. Die zweite Schwierigkeit liegt in

der präzisen Messung der tatsächlichen Temperaturdifferenz am Nanodraht an zwei

Messpunkten (den Kontaktierungsstellen), die nur ca. 10 µm voneinander entfernt sind. Zur

Lösung der dargestellten Probleme wurde mit Methoden der 3D-Mikrostrukturierung ein S-

Mikrochip zur Messung von S und σ an einem einzelnen Nanodraht entwickelt. Dieser dient

als Messplattform für die systematische Untersuchung der Seebeck-Koeffizienten

thermoelektrischer Nanodrähte in Abhängigkeit von ihrer Geometrie (Size-Effekte) und von der

jeweiligen Materialzusammensetzung. Mit FEM-Simulationen (Bild 9) wurde die Temperatur-

verteilung im S-Chip als Funktion der Heizleistung ermittelt und gezeigt, dass die

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erforderlichen Temperaturgradienten zur präzisen Messung der Thermospannungen verfügbar

sind. Durch die Abscheidung von FEBID-Deponaten auf dem S-Chip (Bild 10, Kooperation mit

Goethe-Universität Frankfurt) konnte erstmals der Seebeck-Koeffizient von nanogranularen

FEBID-Schichten bestimmt werden.

Bild 9: FEM-Simulation der Temperaturvertei-

lung im S-Chip bei einer Leistung der Heiz-

schicht von 4 mW

Bild 10: FEBID-Deponat zwischen den Kon-

takten des S-Chip zur Messung des Seebeck-

Koeffizienten

Die Messungen des Seebeck-Koeffizienten wurden verknüpft mit den Messungen der

elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit, so dass daraus experimentelle Daten

der thermoelektrischen Effektivität von Nanodrähten und FEBID-Deponaten gewonnen werden

konnten.

Eine weitere Aufgabe des Projektes bestand darin, thermoelektrisch effektive Nanodrähte

durch Entwicklung von Methoden der Mikro-Nano-Integration als funktionsbestimmende Kom-

ponenten in thermoelektrischen Sensoren und Sensor-Arrays einzusetzen. Dazu wurden

Technologiekonzepte zur Integration von thermoelektrischen Nanodrähten in Sensoren

und Sensor-Arrays entwickelt (Bild 11). Aus dieser Zielstellung resultierten komplexe

Anforderungen hinsichtlich der Entwicklung von Methoden der Mikro-Nano-Integration.

Gegenüber herkömmlichen thermoelektrischen Thermopiles und Thermopile-Arrays, die mit

Technologien der Dünnschichttechnologie, photolithographischen Strukturierung und mikro-

mechanischen Ätztechnik hergestellt werden, zeigt ein Sensordesign mit Nanodrähten eine

erhebliche Verbesserung wesentlicher Sensorkenngrößen wie Detektivität, Noise Equivalent

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Power (NEP) Signal-Rausch-Verhältnis und thermische Zeitkonstante. Hierzu wurden

numerische Abschätzungen der zu erwartenden Sensorparameter anhand von thermischen

Leitwertmodellen durchgeführt (Tabelle 1).

Bild 11: Technologiekonzept zur Herstellung von Thermopiles aus p- bzw. n-Nanodraht-

Bündeln in Templatfolien

Durch Integration von Nanodrähten werden zukünftig neuartige Sensoren und Sensor-Arrays

entstehen, die

- die theoretisch mögliche Nachweisgrenze bzw. Detektivität und NEP erreichen

- wesentlich kürzere Ansprechzeiten gegenüber herkömmlichen Thermopiles aufweisen

- hinsichtlich der Packungsdichte der Pixel den bisher bekannten Thermopile-Arrays deutlich

überlegen sind.

gemeinsame Kontaktierung für Abscheidung von n-Nanodrähten

gemeinsame Kontaktierung für Abscheidung von p-Nanodrähten

Substrat

n-Nanodrähte

Substrat

Templatfolie mit Kanälen

p-Nanodrähte

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Tabelle 1: Vergleich der Sensorparameter eines Nanodraht-Thermopiles mit einem konventionellen Dünnschicht-Thermopile (jeweils bei Einsatz im Vakuum, d.h. ohne Konvektionsverluste) Sensorparameter Nanodraht-Thermopile Dünnschicht-Thermopile

Empfindlichkeit (V/W) 2000 300

Detektivität (cm√Hz/W) 2⋅109 0,8⋅109

Zeitkonstante (ms) 3,2 40

Pixel-Fläche 40 x 20 µm² 300 x 300 µm²

Zur Umsetzung des Technologiekonzeptes wurden auf Templatfolien mikrostrukturierte

Elektroden (Bild 12) zur selektiven elektrochemischen Abscheidung von p- bzw. n-Nanodraht-

Bündeln erzeugt. Für die Untersuchungen zur selektiven und lokal definierten Abscheidung

von Nanodraht-Bündeln wurde im IMtech eine Galvanik-Station aufgebaut und Projektarbeiten

zur Optimierung der Abscheideprozesse durchgeführt. Es konnte erstmals die durch

Mikroelektroden lokal definierte Abscheidung von Bi-Nanodrähten demonstriert werden.

Bild 12: Mikrostrukturierte Elektroden zur selektiven elektrochemischen Abscheidung von p-

bzw. n-Nanodraht-Bündeln auf Polycarbonat-Templatfolie

Durch das ProfilNT-Projekt sind folgende neue Kooperationen etabliert worden:

Goethe-Universität Frankfurt, Physikalisches Institut, Prof. Dr. Huth

- Untersuchungen zu nanogranularen FEBID-Schichten mit den entwickelten Messmethoden

NANOSS GmbH Darmstadt, Dr. Kaya

- Design und FEM-Simulationen zur Integration von FEBID-Schichten in Drucksensoren

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Universität Hamburg, Institut für Angewandte Physik, Prof. Dr. Nielsch

- Bestimmung thermoelektrischer Eigenschaften von V/VI-Nanodrähten in Alumina-Template

Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (FhG-IAF) Freiburg, Dr. Cimalla

- Untersuchungen der Wärmeleitfähigkeit von Metalloxid-Schichten

BASF SE Ludwigshafen, Dr. Schidleja

- Messungen der thermoelektrischen Eigenschaften von Schichtsystemen

TU Darmstadt, Institute of Materials Science, Prof. Dr. Ensinger

- Aufbau eines Nanodraht-Sensors zur Sprengstoffdetektion

Im Rahmen des Projektes wurden zwei kooperative Promotionen (in Kooperation mit der

Goethe-Universität Frankfurt, Physikalisches Institut, AG Dünne Schichten, Prof. Dr. M. Huth)

durchgeführt, die in 2012 durch öffentliche Disputation der Dissertationen abgeschlossen

werden (Doktoranden M. Schmitt und H. Reith). Außerdem wurden mehrere Bachelor-,

Diplom-, Master- und Projektarbeiten im Zusammenhang mit dem ProfilNT-Projekt vergeben:

T. Reimer, Projektarbeit: Ausrichtung von Nanodrähten mittels Dielektrophorese (2011),

T. Reimer, Bachelor-Arbeit: Bewegen von Nanodrähten mittels Dielektrophorese (2011)

Ch. Hallbauer, Projektarbeit: Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten an dünnen

Schichten/Aufbau eines Messplatzes (2010)

N. Ouhajji, Diplomarbeit: Charakterisierung des Seebeck-Koeffizienten von Dünnschicht-

systemen (2011)

Ch. Hallbauer, Bachelor-Arbeit: Messung der Temperaturabhängigkeit des Seebeck-

Koeffizienten von dünnen Schichten (2011)

M. Mitulla, Studienarbeit: Aufbau und Inbetriebnahme eines Galvanikplatzes zur Herstellung

von Bismut-Nanodrähten (2009)

M. Grau, Bachelor-Arbeit: Mikrogalvanische Abscheidung von Nanodrähten in

Polycarbonatfolien mit strukturierten Rückelektroden (2010)

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4.1.2 DISMAT (LOEWE 3)

gefördert durch Innovationsförderung des Landes Hessen; LOEWE Förderlinie 3: KMU Verbundvorhaben und MPP-KMU-Modell- und Pilotprojekte

Projekttitel: Diffraktive Strahlformungselemente für die Lasermaterialbearbeitung

Projektpartner: TOPAG Lasertechnik GmbH, Darmstadt

GD Optical Competence GmbH - “GD Optics”, Sinn

Projektleitung: TOPAG GmbH

Im stetig wachsenden Markt der Lasermaterialbearbeitung werden prozessangepasste

Strahlprofile, z.B. quadratische und ringförmige Lichtverteilungen mit konstanter Intensität oder

vorgegebenem Intensitätsverlauf oder auch Fokusarrays benötigt. Prozessrelevante

Zielvorgaben sind dabei z.B. ein gleichmäßiger Materialabtrag bei der Laserablation, bzw.

saubere Schnittkanten beim Schneiden und Bohren. Die Bilder 13 und 14 zeigen z.B.

Trennfugen nach dem Laserschneiden von Schichten auf Silizium-Solarzellen, die mit

konventionellem Gauß-förmigem Strahlprofil und mit geformtem homogenem Intensitätsprofil

(TopHat-Profil) realisiert wurden.

Bild 13: Trennfugen nach dem Laserschnei-

den von Schichten auf Silizium-Solarzellen,

die mit konventionellem Gauß-förmigem

Strahlprofil gefertigt wurden

Bild 14: Trennfugen nach dem Laserschnei-

den von Schichten auf Silizium-Solarzellen,

die mit geformtem homogenem Strahlprofil

(TopHat-Profil) realisiert wurden

Solche Strahlformungsaufgaben können aufgrund fertigungsbedingter Einschränkungen bei

der Formgebung mit konventionellen (refraktiven) Optiken in der Regel nicht erzeugt werden.

Diffraktive optische Elemente (DOE) unterliegen diesen Einschränkungen nicht. Mit Hilfe von

Beugungsstrukturen lassen sich daher nahezu beliebige Lichtverteilungen realisieren. Bisher

entwickelte Strahlformungselemente (SFE) für die Lasermaterialbearbeitung konnten sich

aufgrund mehrerer Nachteile nicht am Markt durchsetzen. Die Ursachen betreffen Mängel im

SFE-Design und in der DOE-Fertigung. Im inzwischen abgeschlossenen DISMAT-Projekt

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konnten diese Probleme weitgehend beseitigt und effiziente sowie kostengünstige SFE

realisiert werden, die Marktakzeptanz erreichen, nachdem folgende Aufgaben gelöst wurden:

- Neu- und Weiterentwicklungen bei Berechnung, Layout und Design

- Technologieentwicklung zur Mikrostrukturierung von SFE und von Prägestempeln für DOE

- Weiterentwicklung von isothermen Glasprägetechniken für die Abformung von SFE als Basis

für eine ökonomische Massenfertigung

Als wichtigste Fertigungstechnologie wurde die Ionenstrahl-Ätztechnik (Ion Beam Etching,

IBE) etabliert (Bild 15), mit der die Strukturierung von Glasoberflächen und Prägestempeln in

der erforderlichen optischen Oberflächenqualität möglich ist.

Anlage zur Ionenstrahlätzung mit Ar+, 1,5 kV

Bild 15: Prozessfolge (links) und Anlage (rechts) zur Strukturierung von Prägestempeln für

SFE mit Ion Beam Etching (IBE)

Bild 16 zeigt die mit IBE strukturierte Glasoberfläche eines SFE mit lateralen Struktur-

dimensionen von ca. 2 µm. In Bild 17 ist ein SFE im Fokus (Strahltaille) eines Laserstrahls

positioniert und die Strahlformung zum TopHat-Profil am Schirm hinter dem SFE

dokumentiert, während Bild 18 die homogene Intensitätsverteilung im TopHat-Strahlprofil

zeigt. Durch die erfolgreiche Entwicklung kostengünstiger SFE konnte der Kooperations-

partner TOPAG bereits erste Strahlformer in Kombination mit Materialbearbeitungslasern bei

Belichten und Entwickeln des Resist

hνννν Maske

Resist entfernen

Prägestempel

Belacken mit Photoresist

Ionenstrahlätzen des Prägestempels

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namhaften Anwendern vermarkten bzw. einem Praxistest durch externe Systemintegratoren

unterziehen, u.a. bei Fa. Bosch, Stuttgart, Fa. Manz Automation, Reutlingen und Fa.

Alphanov, Frankreich.

Bild 16: Mit IBE strukturierte

Glas-Oberfläche eines SFE

Bild 17: SFE, positioniert im

Fokus eines Laserstrahls,

mit TopHat-Strahlformung

Bild 18: Homogene Intensitäts-

verteilung eines TopHat-Strahl-

profils

Die Ergebnisse wurden u.a. im Jour. of Laser Micro/Nanoengineering Vol.6, No.1, 2011, in der

Zeitschrift LaserTechnik Heft 3/2011 und durch Vorträge (siehe z.B. E. Jäger: „Diffraktive

Optiken für die Lasermaterialbearbeitung“ auf der BMBF-Veranstaltung „Ergebnispräsentation

Mikrooptiken“, Aachen 22. Feb. 2011) publiziert sowie auf mehreren Messen (Bild 19) bzw.

Workshops vorgestellt.

Bild 19: Präsentation von SFE durch den Kooperationspartner

TOPAG Lasertechnik anlässlich der Messe Photonics West

Weitere Produktpräsentationen:

- LOB, Berlin 03/2010

- ISL Symposium Chemnitz 10/2010

- Workshop „Laserstrahlformung“ BLZ, Nürnberg 03/2011

- DPG-Tagung Dresden 03/2011

- UKP-Workshop, des ILT Aachen in Holland 04/2011

Wesentliche Ergebnisse des DISMAT-Projektes wurden durch eine Schutzrechtsanmeldung

gesichert:

Focus Beam Shaper; Fundamental Beammode Shaping

DE-Patent Nr. 10 2010 005 774, Veröffentlicht am 03. März 2011

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Die erfolgreiche Bearbeitung des DISMAT-Projektes wurde vom Projektträger anlässlich der

Abschlussevaluierung als „sehr gutes“ Ergebnis eingestuft (Bild 20) und mit dem Hessischen

Kooperationspreis 2011 des Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

(siehe Punkt 6.5) ausgezeichnet.

Bild 20: Abschlussbewertung des DISMAT-Projektes durch den Projektträger HessenAgentur

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4.1.3 DFG Priority Program (SPP 1386): Nanostrukturierte Thermoelektrika

Theorie, Modellsysteme und kontrollierte Synthese

gefördert durch Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG (VO 613/2-1)

Projekttitel: Thermoelectric transport properties of individual bismuth and

bismuth compound nanowires

Projektpartner: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt

Projektleitung: Prof. Dr. F. Völklein

Im Rahmen des Projektes läuft eine kooperative Promotion (Doktorand D. Huzel) an der

Goethe-Universität Frankfurt und es wurden mehrere Studienarbeiten bzw. Laborprojekte im

Master-Studiengang „Angewandte Physik“ vergeben (siehe Punkt 6.3).

Im Zentrum des Projektes stand bisher die Entwicklung eines z-Chip (Bild 21), mit dem die

drei thermoelektrischen Transportkoeffizienten (Seebeck-Koeffizient, elektrische Leitfähigkeit,

Wärmeleitfähigkeit) von Nanodrähten gleichzeitig gemessen werden können. Dieser Mess-

aufbau ermöglicht die Bestimmung der thermoelektrischen Effektivität z eines einzelnen Nano-

drahtes. Im Gegensatz zu vorherigen Messplattformen wird nun erst der Chip durch Lithogra-

phie und Mikrostrukturierung gefertigt und anschließend werden Nanodrähte aus einer Lösung

aufgebracht. Mit elektrischen Kontakten versehene und ineinandergreifende Cantilever

erlauben die 4-Punkt-Kontaktierung des Nanodrahtes und damit die präzise Messung seiner

elektrischen und thermischen Leitfähigkeit.

Bild 21: Ausschnitt (Teile von Cantilevern) des z-Chip

zur Untersuchung von Nanodrähten (links) und auf zwei

Cantilevern mit FEBID fixierter Nanodraht (rechts)

Bild 22: Mikroblende zur Deposition

von Kontaktschichten auf Nanodräh-

ten zwischen z-Chip-Cantilevern

Für Messungen der Seebeckspannung wird der Chip auf einer heizbaren bzw. kalten Cu-

Wärmesenke montiert (Bild 23). Es kann somit eine Temperaturdifferenz zwischen den

22

Fingern erzeugt werden, die wiederum am Nanodraht eine an den elektrischen Kontakten

abgreifbare Thermospannung hervorruft.

Bild 23: z-Chip (3) zwischen warmer und kalter Kupferwärmesenke (1,2). Dieser Aufbau kann

in einem Vakuummessplatz für Messungen zwischen 240 - 400 K eingesetzt werden.

Zur Charakterisierung des z-Chips wurden Messungen der Temperaturverteilung an den

Cantilevern durchgeführt. Damit ist es nun möglich, von der Temperatur an den Wärmesenken

bzw. an den „massiven“ Bereichen des Chips auf die Temperatur der Finger zu schließen.

Weiterhin mussten Kontaktierungsprobleme an den Nanodrahtenden beseitigt werden. Durch

Aufbringen der Nanodrähte aus der Lösung entsteht nur ein unzureichender hochohmiger

Kontakt zu den Cr/Au-Kontaktschichten. In Kooperation mit der Goethe-Universität Frankfurt

konnten diese Kontakte nachträglich mit einem FEBID-Prozess verbessert werden, indem ein

metallhaltiges Deponat über die Kontaktstellen geschrieben wurde (Bild 21).

Alternativ wurde eine Technologie zur Herstellung von Schattenmasken (Bild 22) entwickelt,

mit denen durch nachträgliche Beschichtung der Nanodraht-Kontaktstellen Ohmsche Kontakte

realisiert werden sollen. Diese vielversprechende Methode umgeht das Beschädigungsrisiko

durch Transport und den begrenzten zeitlichen Zugriff auf die FEBID-Geräte in Frankfurt.

Unter Verwendung dieser Schattenmasken soll zukünftig vor der Beschichtung eine Ionen-

strahlätztechnik mit Xe-Ionen zur zerstörungsfreien Entfernung von Oxidschichten an den

Nanodraht-Oberflächen eingesetzt werden. Erste Experimente zum Aufbau der Ionenquelle

und zum Ion Beam Etching (IBE) an Bi-Oberflächen verliefen erfolgreich.

23

Mit Blick auf spätere Anwendungen von BiSb-Nanodrähten wurden erste Untersuchungen zu

Langzeitstabilität und thermischer Stabilität von BiSb-Schichten unter Strombelastung und bei

Temperaturzyklen durchgeführt.

Erfolgreich verlief die Begutachtung der Projektergebnisse durch das international besetzte

DFG-Gutachtergremium im Physikzentrum Bad Honnef und die Ausarbeitung des Projektan-

trages für die zweite Phase des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1386, so dass erneut ein

DFG-Forschungsprojekt für 3 Jahre bewilligt wurde. Schwerpunkt der zukünftigen Forschungs-

arbeiten werden vor allem Untersuchungen zur Stabilität und Zuverlässigkeit von Nanodrähten

sein. Außerdem stehen neue Konzepte zur Realisierung von thermoelektrischen Bauelemen-

ten mit in Templaten eingebetteten Nanodraht-Bündeln im Fokus (Bild 24). Alternativ zu der

bisher üblichen Ion-Track-Technologie sollen durch Modifikation des Ionen-Einstrahlwinkels

thermoelektrische 3D-Nanodraht-Netzwerke hergestellt und charakterisiert werden.

Bild 24: Herstellung von p- und n-Nanodraht-Bündeln in konventioneller Ion-Track-

Technologie (oben) und Realisierung von Nanodraht-Netzwerken durch Modifikation des

Ionen-Einstrahlwinkels (unten)

(e) (f) (g) (h)

n-type NWs p-type NWs

substrate

contact-bridge

24

4.1.4 Nicht-invasive Therapieüberwachung der Cardio-Augmentation

gefördert durch BMBF-AiF (FKZ: KF2604101UL0),

Zentrale Innovationsförderung Mittelstand (ZIM)

Projektpartner:

TU Dresden, Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik

Born GmbH, Dingelstädt

RBM elektronik-automation GmbH, Leipzig

Projektleitung: Prof. Dr. A. Brensing

Projektziel ist die Entwicklung eines neuen Therapieverfahrens auf Basis der Konterpulsation

für Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz zur Anwendung im häuslichen und klinischen

Umfeld. Als Herzinsuffizienz bezeichnet man das Unvermögen des Herzens, ausreichend Blut

zu befördern. Die Herzinsuffizienz ist Ausdruck verschiedener Krankheitsformen und gegen-

wärtig die häufigste Todesursache in den entwickelten Industrieländern. In Deutschland liegt

der Anteil der behandlungsbedürftigen herzinsuffizienten Patienten (Schweregrad III und IV)

bei 1,6 Millionen, die jährlichen Neuerkrankungen werden mit 500.000 Patienten angegeben.

Die derzeitigen Behandlungsoptionen sind die chirurgische Behandlung des Grundleidens

(z.B. Bypassoperation bei koronarer Herzkrankheit), kardiologische interventionelle Therapie-

verfahren (z.B. Stent-Applikation, Ballondilatation), medikamentöse konventionelle Therapie

und aggressive herzchirurgische Intervention (Kunstherz). Trotz dieser Behandlungsmöglich-

keiten ist für die Erkrankung eine häufige Progredienz bei einem hohen Grad an Morbidität

typisch. Die Herzinsuffizienz stellt heute hinsichtlich der Behandlungskosten sowie der

Folgekosten durch Re-Hospitalisierung bei Dekompensation den größten Kostenfaktor im

deutschen Gesundheitssystem dar.

Das neue Therapiesystem besteht aus einer Strumpfhose mit integrierten Elektroden, einer

elektrischen Stimulations- und Bedieneinheit und einer Überwachungseinheit zur Erfassung

und Bewertung mehrerer bio-medizinischer Parameter. Durch elektrische Stimulation der

Beinmuskulatur in der diastolischen Phase werden die großen Beingefäße gequetscht und

dadurch eine retrograde Flusswelle erzeugt (Konterpulsation). Wegen der geschlossenen

Aortenklappe in der diastolischen Phase wird die retrograde Flusswelle in periphere Gefäße

des Kapillarbetts gedrängt. Das bewirkt einerseits eine bessere Perfusion der Kapillaren und

andererseits wegen deren Weitung eine Verminderung des effektiven Gefäßwiderstands. In

25

Folge dessen sinkt die kardiale Nachlasst und das Herz kann sich erholen (Cardio-

Augmentation).

Die eigene Aufgabenstellung in diesem Projekt umfasst die nicht-invasive Therapieüber-

wachung der Cardio-Augmentation und die Triggerung der elektrischen Beinstimulation. Für

die Therapieüberwachung werden Karotis-Pulskurvenmessungen mittels neuartiger optischer

Reflexionssensoren, Phonokardiographie und Elektrokardiographie in Kombination gebracht.

Daraus sollen die kardialen Parameter Austreibungszeit und Vorspannungszeit bestimmt

werden, die im Zusammenhang mit dem Herzzustand stehen. Die zentralen Arbeitsgebiete

sind die Entwicklung einer robusten Messtechnik für den klinischen Einsatz und die Erstellung

von Algorithmen zur zuverlässigen Bestimmung dieser Parameter. Für die Triggerung der

elektrischen Beinmuskulatur in der diastolischen Phase wird durch Analyse der Pulswelle im

Ohrläppchen das Schließen der Aortenklappe bestimmt und unter Berücksichtigung der Puls-

wellenlaufzeit der Triggerimpuls gesetzt. Die Triggereinheit wird auf Basis eines µ-Controllers

der Atmel-AVR-Familie mit Schnittstelle für die zentrale Bedien- und Stimulationseinheit

realisiert.

Das Projekt läuft bis Ende April 2012 und soll anschließend in die klinische Erprobung

überführt werden.

4.1.5 Entwicklung eines Kreislaufsimulators für Fluss- und Druckmessungen

Projektpartner und Auftraggeber:

TU Berlin, Fachbereich Mathematik, Comutational Cardiovascular Physiology

Projektverantwortlicher (IMtech): Prof. Dr. A. Brensing

In Kooperation mit dem Institut für Mathematik der Freien Universität Berlin wird ein

anatomisch und physiologisch originalgetreuer Simulator des menschlichen arteriellen Kreis-

laufs auf Basis von MRT-Daten entwickelt. Über spezielle Zugangsstellen werden Datensätze

mit Druck- und Flussverläufen generiert, die die Basis für die mathematische Modellbildung

des arteriellen Kreislaufs bilden. Pathologische Zustände im menschlichen Kreislauf wie

Stenosen oder Aneurysmen können durch entsprechende Veränderungen am Simulator

nachgebildet werden. Das Ziel des Projekts ist die Diagnose krankhafter Veränderungen im

arteriellen System durch Analyse der Fluss- und Druckverläufe.

26

Bild 25: Kreislaufsimulator zur Untersuchung arterieller Störungen (links) mit pulsatilem

Membranpumpenantrieb (Ventricular Assist Device, rechts)

4.1.6 MIKROVAK

gefördert durch BMBF (FKZ 17004X10), Förderprogramm FHprofUnt

Projekttitel: Entwicklung und Charakterisierung von Mikrosensoren (MEMS) für

vakuumtechnische und gassensorische Anwendungen (MIKROVAK)

Projektpartner: Pfeiffer Vacuum GmbH, Aßlar

MessKonzept GmbH, Frankfurt/Main

Heimann Sensor GmbH, Dresden/Eltville

Projektleitung: Prof. Dr. F. Völklein

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Herstellung neuer thermischer Mikrosensoren

(MEMS) für die Messung des Druckes in verdünnten Gasen (Vakuummessung im Grob-, Fein-

und Hochvakuumbereich von 103 - 10-5 mbar) oder der Zusammensetzung von Gasgemischen

(z.B. der H2-Konzentration in N2). Das zugrundeliegende Messprinzip beruht in beiden Fällen

27

auf der Wärmeleitfähigkeit der Gase, die sich mit dem Druck (Vakuumsensoren) und mit der

Gaszusammensetzung ändert.

Konventionelle Vakuummeter nach dem Wärmeleitungsprinzip („Pirani-Sensoren“) sind nur bei

Vakua > 10-3 mbar druckempfindlich und benutzen „Hitzdrähte“ von ca. 10 cm Länge, die in

entsprechend langen Messröhren aufgespannt werden und nicht weiter miniaturisierbar sind.

Im Projekt werden durch Technologien der Mikrosystemtechnik Mikrosensoren (Pirani-

Sensoren) entwickelt, die eine um zwei Größenordnungen bessere Druckempfindlichkeit (d.h.

bis 10-5 mbar) aufweisen und durch ihre Miniaturisierung (typische Chipgröße 2x2x0,5 mm³) in

Vakuumapparaturen integrierbar sind. Der Projektpartner Pfeiffer Vacuum GmbH (Weltmarkt-

führer bei der Herstellung von Turbomolekularpumpen) wird im Rahmen des Projektes die

neuen Sensoren in Turbomolekularpumpen integrieren und testen, um Pumpen mit einem

innovativen Produktmerkmal auf den Markt zu bringen.

Für den Projektpartner MessKonzept GmbH werden thermische Mikrochips (WL-Gassenso-

ren) entwickelt, die sich durch höhere Empfindlichkeit der Gaskonzentrationsmessung,

bessere Stabilität bei aggressiven Gasgemischen und Einsetzbarkeit unter Hochtemperatur-

Bedingungen (bis 400 °C) auszeichnen.

Simulationen des thermischen Verhaltens zeigten, dass jeweils ein spezieller Sensorchip für

den unteren Druckbereich zwischen 1 - 10-5 mbar (mit der internen Bezeichnung VAC_03) und

ein Sensorchip für den oberen Druckbereich zwischen 1 - 1000 mbar (Bezeichnung VAC_04,

Bild 26) erforderlich ist. Aus den Ergebnissen resultierten Maskenentwürfe für die beiden

Sensorchips VAC_03 und VAC_04, die vom Maskenhersteller compugraphics jena in

photolithographische Maskensätze für die Chipfertigung umgesetzt wurden.

Bild 26: Sensorchips VAC_04 für den Druckbereich 1 - 1000 mbar

28

Die Technologie für die Herstellung der Sensortypen VAC_03 und VAC_04 wurde entwickelt

und die Sensoren in einer auf 4-Zoll-Wafern basierenden Fertigungslinie (Prototypenfertigung

mit > 100 Chips pro Wafer) hergestellt. Die Sensoren VAC_03 und VAC_04 wurden nach

Aufbau entsprechender Messplätze hinsichtlich ihrer Parameter charakterisiert. Sie zeigen die

in den Simulationen berechneten Kennlinien. Durch das innovative Design ist eine

Erweiterung des Empfindlichkeitsbereichs sowohl zu kleinen Drücken hin bis zu 10-5 mbar als

auch zu großen Drücken bis 1000 mbar gelungen und damit ein wesentliches Projektziel

erreicht.

Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für die Kombination von Sensorchips mit

Reflektoren und für die Realisierung eines kompletten Sensormoduls mit VAC_03 und

VAC_04 auf einem gemeinsamen TO8-Gehäuseträger wurde entwickelt und abgeschlossen.

Ein Schaltungsentwurf und eine entsprechende mikroelektronische Schaltung für die

Signalverarbeitung wurde vom Projektpartner Heimann Sensor GmbH erstellt, so dass der

Sensor VAC_03 bereits mit Signalverarbeitung als Druckanzeigegerät am Markt angeboten

wird. Ein entsprechendes Datenblatt wurde erarbeitet und dient als Grundlage für die

Präsentation des Sensormoduls bzw. Druckanzeigegerätes.

Aufgrund der bisher erzielten Ergebnisse wurde ein Vortrag “MEMS micro-Pirani sensor

with high sensitivity in the 10-5 mbar pressure range” zur „5th CCM international

conference on pressure metrology“ in Verbindung mit der „4th international conference IMEKO

TC16“, Berlin, May 2-5, 2011 gehalten, der große positive Resonanz fand.

Ein zweiter Vortrag „MEMS Pirani type vacuum sensor with extended sensitivity range“

wurde gemeinsam mit dem Projektpartner Heimann Sensor GmbH zur “Sensor + Test” 2012

in Nürnberg angemeldet. Das Manuskript der Publikation fasst die erzielten Ergebnisse in

kompakter Form zusammen und ist deshalb in den Jahresbericht eingefügt.

Aufgrund der signifikanten Erweiterung des Empfindlichkeitsbereichs signalisiert die NASA

Interesse am Sensorchip VAC_03 als Vakuumsensor für die geplante Marsmission. Ein

entsprechendes Angebot für die Lieferung von 10 Testchips wurde erstellt und vom

Projektpartner Heimann Sensor GmbH an die NASA übermittelt.

Die Zusammenarbeit mit den Projektpartnern erfolgte durch Projekttreffen unter Beteiligung

aller Partner, durch bilaterale Zusammenkünfte sowie im Rahmen des MST-Netzwerkes

Rhein-Main, hier vor allem im Arbeitskreis Mess- und Sensortechnik/Mikrooptik.

Projekttreffen am 10. 02. 2011:

Ort: Pfeiffer Vacuum GmbH, Berliner Straße 43, Aßlar

Themen: Diskussion eines Dual-Sensorchips mit angepasster Geometrie

29

Projekttreffen am 12. 12. 2011:

Ort: Pfeiffer Vacuum GmbH, Berliner Straße 43, Aßlar

Themen: Diskussion erster Ergebnisse der Kombination von zwei Sensorchips (VAC_03 und

VAC_04) zu einem Dual-Sensormodul und Spezifikationen der Gehäuseformen

Bilaterale Treffen:

- mit Heimann Sensor GmbH insgesamt 3 Treffen zum Aufbau eines Sensormoduls aus den

Sensorchips VAC_03 und VAC_04, zur Erarbeitung eines Datenblatts für VAC_03 und zur

Erarbeitung einer Publikation anlässlich der „Sensor + Test“ in Nürnberg

- mit MessKonzept GmbH ein Treffen zur Diskussion der Verwendung des Sensorchips

VAC_04 für die Messung von Gaskonzentrationen in binären Gasgemischen

- Der Projektpartner Pfeiffer Vacuum führte im Firmen-eigenen Mess- und Prüflabor

umfangreiche Messungen an den entwickelten Sensorchips VAC_03 durch. Die Ergebnisse

wurden dokumentiert, an IMtech in Prüfberichten übermittelt und bei einem bilateralen Treffen

diskutiert.

MEMS Pirani type vacuum sensor with extended sensitivity range

F. Völklein**, A. Meier**, C. Dütsch*, M.Grau**, J. Schieferdecker*, M. Simon*, K. Storck* * Heimann Sensor GmbH, Grenzstraße 22, D-01109 Dresden; ** RheinMain University of Applied Sciences, Institute for Microtechnologies (IMtech), Am Brückweg 26, 65428 Rüsselsheim Abstract Heimann Sensor together with RheinMain University of Applied Sciences have developed a new vacuum sensor with an extended measuring range. While most of conventional and MEMS Pirani type vacuum gauges detect pressures between 103 mbar and 10-3 mbar [1-8], the new sensor extends the measuring range down to 10-5 mbar. By using thermal simulations a chip has been designed where the non-pressure-dependent thermal conductance is significantly reduced. The results of sensor characterization are presented. A modified chip has been specially designed for measurements in the range from 103 mbar to 1 mbar. By integrating both chips in the same housing we provide a Pirani type vacuum sensor that shows a pressure-dependent signal from 103 mbar down to 10-5 mbar.

1. Introduction Several years ago IMtech together with Heimann Sensor introduced miniaturized Pirani type vacuum sensors. These thermal sensors use a thin film heater/sensor structure. Its temperature increase depends on the thermal conductance of the surrounding gas and therefore on gas pressure. The temperature dependent resistor is patterned by microlithography of a metal film with high temperature coefficient. It is deposited on a thin membrane layer that has been fabricated by silicon micromachining on a silicon chip. Such miniaturized vacuum sensors open new application fields because of their small size and power consumption. However, for some of these applications an improved measuring sensitivity below 10-3 mbar is required. This improvement has been achieved by an optimized chip design and advanced fabrication technologies.

30

2. Thermal Model and Simulation

For the thermal modelling the membrane with the deposited thin film resistor (Fig 1) is considered as an isothermal heated area A with pressure-dependent temperature increase Tp – To related to the ambient temperature (To). Heat flux occurs from the heated area to the surroundings (heat sinks) via thermal conduction through membrane and metal connection lines (GL), via radiation from the membrane surfaces (GS) and via pressure-dependent thermal conduction through the ambient gas G(p), resulting in a total thermal conductance G: G = GL + GS + G(p) (1) For a sensitivity increase at low pressures we have to accomplish GL and GS as small as possible. GL can be decreased by reducing the cross sections of the resistor metal lines and by using a membrane that is suspended on 4 cantilevers instead of a fully supported closed membrane. GS can be reduced by a decreased membrane area and by reducing its emissivity. But since G(p) also scales with the area its optimum size has to be identified by using specific design rules [9]. The reduction of emissivity has been achieved by deposition of metal layers on both sides of the membrane. An additional insulating layer between the heating/sensing resistor and the reflecting layer avoid electrical short-circuits of the resistor. G(p) can be approximated by the sum of two conducting gas columns of cross section A and length d1 (distance between membrane and chip header) and d2 (distance between membrane and housing), respectively. G(p) ∝ λgas(p,d1) A/d1 + λgas(p,d2) A/d2 (2) The thermal conductivities of the gas λgas(p,d1) and λgas(p,d2), respectively, depend on specific gas parameters, the pressure-dependent mean free path of the gas molecules and the distances d1, d2 between the membrane and ambient surfaces of temperature To. For low pressures (pd1, pd2 < 10-5 m · mbar) λgas(p,d1) and λgas(p,d2) become directly proportional to pd1 and pd2, respectively, which results in: G(p) ∝ A p (3)

3. Sensor Design Using the results of FEM simulations a chip with suspended membrane and optimized geometrical dimensions has been designed. Two compensation resistors RK(To) are patterned besides the heating /sensing resistor RP(Tp) on the bulk silicon rim of the chip.

Fig. 1: Sensor chip with thin film resistor on a suspended membrane and two compensation resistors The recommended readout for the vacuum sensor by using a Wheatstone bridge circuit with constant bridge voltage supply UB is shown in Figure 2.

31

Fig. 2: Wheatstone bridge circuit for readout of the vacuum sensor The signal voltage U(p) depends on the bridge voltage supply UB and the relative resistance change ∆RP/RP of the resistor RP(Tp). U(p) ≈ UB∆RP/4RP ≈ UB ß (Tp-To)/4 (4) Resistors with large temperature coefficients ß generate higher signal variations than resistors with small ß-values. Therefore, Nickel films with β up to 5.5·10-3/K are used as thin film resistors.

4. Thermal Conductances After chip fabrication on 4-inch (100) silicon wafers and chip separation, a micromachined silicon bridge is placed on the top side of the chip (with distance d2 = 50 µm between membrane and silicon bridge). The sensor parameters, presented in this chapter, are determined on chips mounted on headers and covered with such silicon bridges. The temperature coefficient of the applied Ni film was determined by evaluating the resistance-temperature curve RP(To). Between room temperature and 80 °C it can be approximated by a linear characteristic but for a wider temperature range the curve shows a non-linear behaviour. Since G(p) can be neglected in the UHV-range, measurements of the conductances GL plus GS are performed at vacuum pressures close to 10-7 mbar. The resistor is heated with power N and the temperature increase T - To of the membrane is determined by using the RP(To) curve of the heating/sensing resistor. Then, the thermal conductance can be calculated by G = N / (T-To) (5) By measuring G = GL+GS at UHV conditions and calculating GL by using the thermal conductivities of the Ni film and membrane material, respectively, the thermal conductances have been evaluated. The formerly offered chip design VAC-01 with fully supported closed membrane suffers from a large thermal conductance GL and, therefore, low sensitivity below 10-3 mbar. The new redesigned chips VAC-02 and VAC-03 are distinct with respect to membrane area A and shape of the 4 cantilevers. The measured thermal conductances are summarized in Table 1. Table 1: Thermal conductances of various chip designs VAC-1, VAC-2 and VAC-3, respectively

Chip type Membrane area A (mm²) GL (10-6 W/K) GS (10-6 W/K)

VAC-01 1.44 (closed membrane) 21.2 2.05

VAC-02 0.70 0.80 0.80

VAC-03-k 1.78 0.42 0.91

VAC-03-g 4.00 0.51 1.51

These values demonstrate a significant reduction especially for GL. Since GL and GS are now in the same order of magnitude the further decrease of GS becomes more important. Both terms have been reduced in comparison to G(p) thus increasing the pressure sensitivity of the chip.

UB Rp(Tp) RK(To)

R1 R1

U(p)

chip

32

5. Sensor Packaging The sensor chips are die bonded to transistor outline headers, depending on the chip size either on a TO39 or on a TO8 header. The heating/sensing resistor RP on the thermally isolated membrane and one of the reference resistors RK on the silicon rim of the chip are connected to the pins by wire bonding. A metallic cap with a small opening (≈ 1mm²) for pressure exchange is fixed on the header by high-current welding. Figure 3 shows the geometrical dimensions of sensors mounted in TO39 packages. Based on the simulation models and the successful confirmation of the theoretical results by the measurements of sensor characteristics, further chips for specific pressure ranges can be designed and optimized. VAC-03 has been especially designed for high sensitivity between 1 mbar and 10-5 mbar. Pirani type sensors usually suffer from low sensitivity in the pressure range 10 mbar to 103 mbar, since the mean free path of gas molecules becomes small compared to distances (d1, d2) between heated surfaces and heat sinks. However, micromachining offers the chance to realize very small distances (in the µm range) between heated membranes and “cold” surrounding areas and thus for an increased pressure sensitivity in the rough vacuum and atmospheric pressure range. The fact that a chip at these vacuum pressures requires only small heated area and chip size is an additional advantage. This makes it easier to integrate such a small chip together with VAC-03 chips into the same housing. Figure 4 shows the chip type VAC-04, designed for high sensitivity between 1 mbar and 103 mbar, mounted together with a VAC-03 chip on a 12 pin TO8 header. The VAC-04 chip size amounts to 1 x 1 mm². Such combinations of VAC-03 and VAC-04 provide pressure-dependent signals from 103 mbar down to 10-5 mbar by using the appropriate chip in the corresponding pressure range.

Fig. 3a: Sensor drawing with pin dimensions Fig. 3b: Picture of sensors in TO39 housings

Fig. 4: Two vacuum sensors chips (VAC-03 and VAC-04) for different pressure ranges combined on a 12 pin TO8 header

6. Sensor Performance The following curves (Fig 5 to Fig 7) show the signal voltages versus pressure U(p) measured with different chip types. The Wheatestone bridge curcuits (Fig 2) have been zeroed at atmospheric

33

pressure. A voltage supply UB = 3 V and a corresponding heating power of about 200 µW (dissipated in RP and RK, respectively) have been applied for all measurements.

Fig. 5: Signal voltage U(p) as function of pressure for chip type VAC-02 (UB = 3 V)

Fig. 6: Signal voltage U(p) as function of pressure for chip type VAC-03-g (UB = 3 V)

34

0

5

10

15

20

25

30

1 10 100 1000

p (Torr)

U(p

) (m

V)

Fig. 7: Signal voltage U(p) as function of pressure for chip type VAC-04 (UB = 3 V)

7. Temperature Drift Besides gas pressure the resistances RP(Tp) and RK(To) are also influenced by the drift of the ambient temperature To. For constant voltage supply UB and constant pressure p an increase of To leads to a decrease of the signal voltage U(p,To) due to increasing thermal conductivity of gases and increasing radiation conductance. This pressure-independent signal drift has to be compensated by appropriate modifications of the readout circuit or by electronic compensation of the drift characteristic [10]. A useful modification of the Wheatstone bridge circuit to reduce the signal drift U(p,To) is shown in Fig 8. An external resistor Rext with a temperature coefficient β = 0 is additionally integrated in the circuit. Efficient compensation effects can be observed, if RK(To) ≈ Rext ≈ 2 RP(To). By smart adaptation of the resistance and ß values the undesirable signal drift of the bridge output voltage can be significantly reduced. Fig 8: Wheatstone bridge circuit with external resistor Rext (temperature coefficient β = 0) for temperature compensation of U(p,To)

RP(Tp)

Rext RK(To)

R1

R1

U(p,To)

UB

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8. Summary Miniaturized Pirani type vacuum sensors have been manufactured using thin film heating/sensing resistor structures on thin suspended membranes. Thermal simulations have been performed to analyze the various terms that contribute to the thermal conductance between heated resistor and surroundings. Based on these theoretical results new designs have been realized that minimize the pressure- independent terms and thus maximize the pressure sensitivity of the chips. Deposition parameters, microlithography and micromachining processes have been successfully adapted to fabricate chips on 4-inch (100) oriented silicon wafers. Various chip types are available, which have been optimized with respect to sensitivity for the pressure range 103 mbar to 1 mbar (VAC-04) and the pressure range 1 mbar to 10-5 mbar (VAC-03). Both chip types can be integrated into the same TO housing. Thus we have built a new generation of miniaturized vacuum sensors that can detect vacuum pressure over 8 orders of magnitude. The small size of the sensors together with the wide range of sensitivity will open new application fields for this MEMS Pirani type vacuum sensors. References [1] Wutz, Handbuch Vakuumtechnik, K. Jousten (Ed.), Vieweg 2006 [2] A.W. van Herwaarden, P.M. Sarro, Double-Beam Integrated Thermal Vacuum Sensor, Jour. of Vacuum

Science and Technology 5 (1987) 2454-2457 [3] F. Völklein, W. Schnelle, A vacuum microsensor for the low vacuum range, Sensors and Materials, Vol. 3

(1991), 41-48 [4] P. K. Weng, J.-S. Shie, Rev. Sci. Instr., Vol. 65 (1994), 492-499 [5] O. Wenzel, C.K. Bak, The MicroPiraniTM: a solid-state vacuum gauge with wide range, Vakuum in Forschung

und Praxis 4 (1998), 298-301 [6] Patentschrift CN101256105 (2008), J. Zhang, Y. Jin, J. Zhou: Monocrystalline silicon transverse miniature

MEMS Pirani meter and preparation method thereof [7] Patentschrift JP2007147344 (2007), K. Mitsutera: Thin film Pirani vacuum sensor and vacuum measuring

device [8] USPatent 7087451B2 (2006), L.R. Arana, Y.L. Zou, J. Heck: Microfabricated hot wire vacuum sensor [9] EP 94 120 290.5 (1994), F. Völklein, J. Schieferdecker: Mikrovakuumsensor mit erweitertem

Empfindlichkeitsbereich [10] USPatent 7331237B2 (2008), M. Borenstein: Technique for improving Pirani gauge temperature

compensation over its full pressure range

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4.1.7 MIDES

gefördert durch BMBF (FKZ 01M3193E), Förderinitiative KMU-innovativ, Bereich Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT)

Projekttitel: Mikrosystem-Design-Flow für KMUs (Kurzbezeichnung: MiDes)

Projektpartner: micro-part GmbH+Co.Is.KG, Eltville

Universität Siegen, FB Elektrotechnik und Informatik

Goethe-Universität Frankfurt, Institut für Informatik

arteos GmbH

Fa. Aurion GmbH (Unterauftragnehmer)

Projektleitung: micro-part GmbH; Projektverantwortl. (IMtech): Prof. Dr. F. Völklein

Im Projekt MiDes soll eine Entwurfs-Methodik erarbeitet werden, die Produktneuentwicklungen

von Mikrosystemen insbesondere für KMUs erleichtert. Der angestrebte Design-Flow umfasst

alle Schritte und alle Disziplinen, die zum Entwurf und zur Realisierung eines modular

aufgebauten mikrosystemtechnischen Produktes notwendig sind. Der Mikrosystem-Design-

Flow wird bei IMtech auf mikrosystemtechnische Produkte (Demonstratoren) angewendet und

damit einem „Proof of Concept“ unterworfen. MiDes ist speziell auf die Bedürfnisse kleinerer

und mittlere Unternehmen abgestimmt. Die offene Struktur bildet auch die Basis für spätere

Weiterentwicklungen und Ergänzungen.

IMtech trägt insbesondere durch zwei Arbeitspakete (AP) zum Projekt bei:

AP 23: Entwurf und Fertigung nicht-elektronischer Komponenten unter Anwendung von FEM-

Simulationen

AP 32: Technologieentwicklung für Demonstratoren

Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten war bisher die FEM-Simulation der nicht-

elektronischen Komponenten der Demonstatoren (Drucksensoren) mit folgenden Ergebnissen:

A) Implementierung des FEM-Simulationstools COMSOL-Multiphysics (speziell des

MEMS-Moduls) am IMtech

B) Entwurf und Erstellung von 2D- bzw. 3D-Modellen für

a) thermische Drucksensoren

b) piezoresistive Drucksensoren

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Das prinzipielle Design der thermischen Drucksensoren zeigt Bild 27. Um auch im Druck-

bereich bis 10-5 mbar noch Druckänderungen detektieren zu können, sind extrem geringe

thermische Leitwerte der Sensorstrukturen erforderlich. Deshalb wird eine Heiz-/Sensor-

schicht auf extrem dünner, an vier Stegen freitragend aufgehängter Si3N4-Membran positio-

niert. Zur Reduktion von Strahlungsverlusten wird diese Heiz-/Sensorschicht bzw. Membran

mit einer low-emissivity Goldschicht „verspiegelt“. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit wird der

Membranbereich mit einer anisotrop geätzten Si-Brücke (mit Au-Verspiegelung) abgedeckt.

Bei gegebener Heizleistung führen Änderungen des Gasdruckes zu einer Widerstands-

änderung der Heiz-/Sensorschicht. Diese Widerstandsänderung wird mit Wheatstonescher

Brückenschaltung als Signalspannung detektiert.

Bild 27: Prinzipielles Design der thermischen Drucksensoren (Demonstratoren)

C) FEM-Simulation thermischer Drucksensoren in einem 2D- bzw. 3D-Modell

Berechnet wird in diesem Simulationsprozess die Temperaturverteilung im freitragenden

Membranbereich als Funktion der in der Heizschicht umgesetzten Heizleistung und des

Gasdruckes p (mit 10-5 mbar < p < 1000 mbar). Bild 28 zeigt als Beispiel die im 2D-Modell

generierte Maschenstruktur des freitragenden Membranbereichs und Bild 29 bzw. 30 die

Silizium-Chip

anisotrop geätzte „Si-Brücke“

Gap d

freitragende Membran (300 nm Si3N4)

Heizschicht

Bondpads

Ätzgrube Schnitt

Draufsicht (ohne „Si-Brücke“)

38

berechnete Temperaturverteilung bei einer Heizleistung von 100 µW und p = 1013 mbar.

Bild 28: Maschenstruktur des freitragenden Membranbereichs im 2D-Modell zur Berechnung

der Temperaturverteilung

Bild 29: Temperaturverteilung im freitragenden Membranbereich bei einer Heizleistung von

100 µW und p = 1013 mbar.

39

Bild 30: Lineplot des Temperaturverlaufs diagonal durch den freitragenden Membranbereich

bei einer Heizleistung von 100 µW und p = 1013 mbar

Anhand der simulierten Temperaturverteilungen in der Heiz-/Sensorschicht wurde deren

Widerstandsänderung als Funktion des Druckes ermittelt. Die Ni-Heiz-/Sensorschicht wird als

veränderlicher Widerstand (mit bekanntem TK) in einer symmetrischen Wheatstone-Brücke

mit einer Versorgungsspannung von 3 V betrieben. Das Ergebnis der Simulation zeigt Bild 31

(Signalspannung als Funktion des Druckes). Wesentliches Resultat der Simulation ist die

Tatsache, dass mit dem gewählten Chipdesign eine Detektion von Druckänderungen bis in

den Bereich von 10-5 mbar möglich ist.

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

180,00

200,00

0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

p / Torr

U /

mV

Bild 31: Signalspannung U(p) als Funktion des Druckes bei einer Versorgungsspannung der

Brückenschaltung von 3 V

40

Außerdem wurde ein detailliertes 3D-FEM-Modell (Bild 32) des thermischen Drucksensorchips

erarbeitet und durch einen hierfür konfigurierten Messplatz auf seine Prognosefähigkeiten

getestet. Das 3D-FEM-Modell berücksichtigt dabei alle relevanten Einflüsse wie Wärmeleitung

in den Materialien des Sensors, druckabhängige Wärmeübertrag durch das Gas und

Strahlungseinflüsse. Am Messplatz wurden für das 3D-FEM-Modell relevante Materialdaten

ermittelt. Die Geometrie des Sensors wird auf Grund der dominierenden Strahlungsverluste in

der 3D-Simulation nicht vereinfacht. Durch eine vollständige Parametrisierung der Material-

eigenschaften und Geometrie sind „theoretische Experimente“ möglich. Alle Parameter

können explizit variiert und so die optimalen Sensoreigenschaften erfasst werden. Für den

direkten Vergleich werden die Ergebnisse in entsprechende Signalspannungen umgerechnet,

so dass neben dem qualitativen auch ein quantitativer Vergleich mit den Messungen an den

Prototypen möglich ist.

Bild 32: Übersicht der vollständigen

Modellgeometrie

Bild 33: Experiment mit zwei gekoppelten

Prototypen des Demonstrators

Durch das detaillierte FEM-Modell konnten weiterführende Experimente mit gekoppelten

Sensoren (Bild 33) interpretiert werden. Das gekoppelte System zeigt ein druckabhängiges

Verhalten, dass in Kombination mit dem Signal eines einzelnen Sensors eine höhere

Empfindlichkeit im Bereich unterhalb 10-5 mbar verspricht. Durch die direkte Kontrolle der

Modellgüte anhand der experimentellen Charakterisierung der Prototypen kann eine konkrete

Bewertung der Effizienz neuer Optimierungsansätze getroffen werden.

41

D) FEM-Simulation piezoresistiver Drucksensoren in einem 3D-Modell

Das prinzipielle Design der piezoresitiven Drucksensoren zeigt Bild 34. Auf anisotrop geätzten

dünnen Si- bzw. Si3N4-Membranen werden durch das FEBID-Verfahren piezoresistive Schich-

ten aufgebracht (Bild 34). Druckänderungen im Vergleich zum Referenzdruck pref führen zu

Membrandurchbiegungen (Strain), die eine entsprechende Widerstandsänderung der piezore-

sistiven FEBID-Schichten hervorrufen. Diese wird wiederum in einer Brückenschaltung als

Signalspannung detektiert. Hinsichtlich der elektronischen Signalverarbeitung werden für

beide Sensortypen äquivalente Ausgangssignale (Spannungswerte einer Brückenschaltung)

bereitgestellt. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit bei kleinen Drücken wird in einer zweiten

Sensor-Version die Membrandurchbiegung durch eine zusätzliche Mikrostruktur „übersetzt“.

Durch FEM-Simulation wurde die Verstärkungswirkung dieses Designs (s.u.) analysiert.

Bild 34: Prinzipielles Design der piezoresitiven Drucksensoren: FEBID-Schichten auf dünner

Membran

Berechnet wurden in diesem Simulationsprozess die Membrandurchbiegungen (von Si- bzw.

Si3N4-Membranen unterschiedlicher Dicke und Kantenlänge) und der maximale Strain

(Dehnung) für FEBID-Schichten, die direkt auf die Membran bzw. auf einer zusätzlichen

Mikrostruktur, die durch die Membrandurchbiegung ausgelenkt wird, aufgebracht sind. Die

Bilder 35-36 zeigen als Beispiel die Verteilung der mechanischen Spannung (Stress) bzw. der

Dehnung (Strain) in einer Membran (Kantenlänge 4 mm, Dicke 10 µm, Referenzdruck pref = 1

bar) bei p = 0,9 bar. Die Simulationen ergaben, dass mit FEBID-Schichten direkt auf

Membranen Druckänderungen deutlich unterhalb 1 mbar nicht mehr aufgelöst werden können.

Deshalb wurde ein Design mit einer zusätzlichen Mikrostruktur (Verstärkungswirkung) durch

FEM-Simulationen analysiert.

EBID-Schichten Membran

Si-Chip pref

p

42

Bild 35: Verteilung der mechanischen Spannung (Stress) in einer Membran (Kantenlänge 4

mm, Dicke 10 µm, Referenzdruck pref = 1 bar) bei p = 0,9 bar

Bild 36: Lineplot der Dehnung (Strain) von Membrankante zu Membrankante in einer

Membran (Kantenlänge 4 mm, Dicke 10 µm, pref = 1 bar) bei p = 0,9 bar

Die Bilder 37-38 zeigen als Beispiel die Verteilung der mechanischen Spannung (Stress) und

der Dehnung (Strain) in einer Membranstruktur gemäß Bild 34 für einen Referenzdruck pref = 1

mbar an einer Membran (Kantenlänge 10 mm, Dicke 2 µm) und an einer zusätzlichen

Mikrostruktur, die durch die Membran ausgelenkt wird (Verstärkungseffekt), bei p = 10-3 mbar.

43

Bild 37: Lineplot der Dehnung (Strain) in der

Membran (Kantenlänge 10 mm, Dicke 2 µm)

einer Sensorstruktur gemäß Bild 34 für pref =

1 mbar bei p = 10-3 mbar

Bild 38: Lineplot der Dehnung (Strain) ent-

lang einer zusätzlichen Mikrostruktur (Ver-

stärkungseffekt) für pref = 1 mbar bei p = 10-3

mbar

Im Vergleich von Bild 37 und 38 ist ersichtlich, dass die maximale Dehnung an der

zusätzlichen Mikrostruktur (-0,0028) um etwa den Faktor 5 größer ist als die maximale

Dehnung an der Membrankante (-0,0006), d.h. ein Verstärkungseffekt möglich ist. Dies zeigt

auch Bild 39, in dem die maximale Dehnung an der zusätzlichen Mikrostruktur bzw. die

maximale Dehnung und Durchbiegung an der Membran für verschiedene Drücke p bei pref = 1

mbar dargestellt sind. Aus Bild 39 ergeben sich unmittelbar die Kennlinien den Signal-

spannung U(p) als Funktion des Druckes. Da die relative Widerstandsänderung über den K-

Faktor direkt mit dem Strain gemäß

StrainKR

R⋅=

∆

verknüpft ist, erhält man für eine symmetrische Brückenschaltung mit zwei FEBID-Schichten

als veränderliche Messwiderstände bei einer Versorgungsspannung UB = 2 V und einem K-

Faktor der FEBID-Schichten von 10 die Signalspannung

[ ] [ ]VStrainUR

RVpU B ⋅=

∆= 10

2

1)(

Die Simulationen (Bild 39) demonstrieren, dass man mit einem Sensorchip mit zusätzlicher

Mikrostruktur (Verstärkungseffekt) Druckänderungen bis 10-3 mbar mit dem piezoresistiven

Messprinzip detektieren kann (mit einer Signalspannungsänderung von 0,5 mV bei einer

Druckänderung von 10-2 mbar auf 10-3 mbar).

44

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

0,003

0,001 0,01 0,1 1

p (mbar)

Str

ain

, zm

ax (

m)

Str ain_Can

Str ain_Mem

zmax (m)

Bild 39: Maximale Dehnung (Strain) an der zusätzlichen Mikrostruktur (Verstärkungseffekt)

bzw. maximale Dehnung (Strain) und Durchbiegung (zmax) an der Membran für verschiedene

Drücke p bei pref = 1 mbar

Silizium-Cantilever mit Metall-Kontaktschichten (Bild 40) wurden unter Verwendung von SOI-

Wafern mikrolithographisch hergestellt und nanogranulare FEBID-Schichten mit hohem K-

Wert durch den Kooperationspartner Goethe-Universität Frankfurt auf die Cantilever deponiert.

Durch den an der Goethe-Universität installierten Messplatz konnte eine definierte Auslenkung

auf die Cantilever (Bild 41) übertragen, die Dehnung der FEBID-Schichten und deren

Widerstandsänderung gemessen und so der K-Wert experimentell bestimmt werden.

Bild 40: Detail eines Silizium-Cantilevers (10 µm dick) mit Cr/Au-Kontaktschichten und FEBID-Sensorschicht

Bild 41: Auslenkung des Cantilevers durch Tastspitze (Messung des K-Wertes von FEBID-Schichten, Goethe-Universität Frankfurt, Quelle C. Schwalb)

45

In Bild 42 ist der Messchip mit Cantilever und Kontaktpads sowie dessen elektrische

Kontaktierung auf dem Probenhalter gezeigt.

Bild 42: Messchip mit Cantilever und Kontaktpads (Design Goethe-Universität Frankfurt,

Herstellung IMtech) sowie dessen elektrische Kontaktierung auf dem Probenhalter am

Messplatz der Goethe-Universität (rechts, Quelle C. Schwalb)

4.1.8 Forschung für die Praxis 2010: Multifunktionales Bioimplantat

gefördert durch die Forschungskampagne „Forschung für die Praxis 2010“ der Hessischen Hochschulen für angewandte Wissenschaften

Projekttitel: Mikrofunktionales Bioimplantat zur Erfassung der Vitalität von Zellen

Projektbearbeitung: Prof. Dr. W. Kleinekofort (Projektleiter)

Prof. Dr. F. Völklein

Kooperationspartner: Institut für Mikrotechnologien (IMtech)

Deutsche Klinik für Diagnostik (DKD), Aukammallee 33, D-65191 Wiesbaden

Laufzeit: 01.11.2010 – 31.10.2011

Ausgangsfragen und Zielsetzungen des FuE-Projekts

Zur Vermeidung von Abstoßungsreaktionen wird bei der Entwicklung von Implantaten die

Verbesserung der Biokompatibilität durch eine Besiedlung der Implantatoberfläche mit

lebenden Zellen des Empfängers angestrebt. Ein ungelöstes Problem stellt jedoch bisher die

kontinuierliche Überwachung der Vitalitätsparameter der Zellbeschichtung vor der Implantation

dar. Die Ausgangsfrage des Projektes war, ob man die Vitalität einer Zellschicht über das

Wachstumsverhalten und die Zellproduktion an der Oberfläche des Implantats mittels

Kalorimetrie untersuchen kann. Der stoffwechselbedingte Energieumsatz sollte über die

Wärmeabgabe des Zellverbundes an einen Mikro-Temperatursensor bzw. Wärmeleistungs-

46

sensor bestimmt werden. Zur Überprüfung des Funktionsprinzips sollten die Sensoren mit

vitalen Zellstämmen unter Verwendung von Bäckerhefe beschichtet werden. Im Vordergrund

stand hierbei zunächst das Monitoring von einfachen Zellverbänden.

Primäre Zielsetzungen des Projektes waren a) die Entwicklung und Fertigung eines

geeigneten Sensorchips für die Kalorimetrie sowie b) der Aufbau eines Messsystems zur

Erfassung von Wärmeleistungen auf der Sensoroberfläche.

Darstellung der erreichten Ergebnisse und Meilensteine

Nanokalorimetrische Methoden zur Messung und Überwachung der Zellaktivität, wie sie im

Projektrahmen durchgeführt wurden, sind in der einschlägigen Fachliteratur bisher nicht

publiziert. Der Begriff „Nanokalorimetrie“ signalisiert in diesem Kontext die wissenschaftliche

und technische Herausforderung, Wärmeleistungen im Nanowatt-Bereich, wie sie durch den

Stoffwechsel lebender Zellen bzw. Zellhaufen entstehen, zu detektieren.

Si chip

hot contact of Bi/Sb thermocouple

cold contact of Bi/Sb thermocouple

Si3N4 membrane Bi films Sb films

Au layer: thermal platform

thin film heater

A B

top view

cross sectional

view A-B

contact pads of Bi/Sb thermopile

contact pad of thin film heater

Si3N4 film cells

47

Bild 43: Schema des im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelten Chips. Die Zellen auf

der Sensoroberfläche sind rot dargestellt.

Im Rahmen des Projektes wurde der in Bild 43 dargestellte Chip sowie der zugehörige

Messaufbau (Bild 44) entwickelt und unter Verwendung von Hefezellen getestet. Zusätzlich

wurde ein rauscharmes Messsystem zur Detektion von Temperaturänderungen im mK-

Bereich aufgebaut.

Bild 44: Integration des mikrokalorimetrischen Chips innerhalb einer Kupferabschirmung (zur

Stabilisierung der Umgebungstemperatur T0).

Für die Optimierung des Sensor-Designs wurden FEM-Simulationen der Temperaturverteilung

als Funktion der Heizleistung durchgeführt, um zu klären, ob die erforderliche Sensitivität des

Kalorimeters erreicht werden kann. Bild 45 zeigt die Temperaturverteilung im sensitiven

Membranbereich (Farbcodierung bzw. als LinePlot zwischen den Membrankanten) bei einer

Heizleistung von 1 µW.

Bild 45: FEM-Simulation der Temperaturverteilung im Membranbereich (als Farbcodierung

bzw. als LinePlot zwischen den Membrankanten) bei einer Heizleistung von 1 µW

d

electrical connections

T0

T

T0

T0 T0

T0

48

Sensorchips (Bild 46) wurden mit Methoden der Dünnschicht-Technologie, mikrolithographi-

schen Strukturierung und anisotropen Ätztechnik auf 4-Zoll Siliziumwafern gefertigt. Jeder

Chip hat eine ca. 300 nm dünne Si3N4-Membran, auf der sich ein Dünnschicht-Thermopile zur

Temperaturmessung und eine elektrische Heizschicht befindet, die eine messbare und der

Zellvitalität äquivalente Heizleistung erzeugen kann. Die Chips sind hinsichtlich der

verwendeten Materialien (Si, Si3N4, Edelmetalle für die Heizschicht) biokompatibel. Auf der

Membranoberfläche können nach der Chipfertigung durch Beschichtung (Magnetronsputtern)

die für die Zellansiedlung benötigten Titanschichten abgeschieden werden.

Zur Überprüfung des Funktionsprinzips wurden die Sensoren biokompatibel beschichtet und

mit vitalen Zellstämmen (Bäckerhefe) belegt. Die Zellsuspension wurde auf eine Konzentration

von 1x109 Zellen/ml verdünnt und im Sprühverfahren auf die Sensoroberfläche aufgetragen.

Hierdurch konnten sich auf der Sensoroberfläche von ca. 4X4 mm2 rund (0,8-1,0).106 Zellen

ansiedeln, deren entsprechende Leistung von (5-6).10-7 Watt kalorimetrisch erfasst werden

konnte. Somit wurde die nanothermische Aktivität des Stoffwechsels der Zellen direkt

überwacht. Die ersten Signalkurven zur Kalibrierung des Sensors sind in Bild 47 dargestellt

und belegen die Realisierbarkeit des physikalischen Messprinzips (proof of principle) sowie die

Umsetzung des Forschungskonzeptes durch den entwickelten und auf die spezifische

Anwendung hin optimierten Mikrosensors (proof of concept).

Bild 46: Sensorchip mit 40 in Reihe geschalteten Thermoele-menten und integrierter Heiz-schicht auf einer 300 nm dünnen Si3N4-Membran; die Zellen sind im Zentrum der Membran auf

Bild 47: Proof of concept – die gemessene Spannungsän-

derung beim Erhitzen der Sensorfläche ist proportional zur

applizierten Heizleistung und wird für d > 5 mm unabhängig

vom Abstand d zwischen Sensor und Kupferabschirmung

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 100 200 300 400 500 600

heating power N (µW)

sig

nal

vo

ltag

e U

(µV

)

d=0.3mm

d=2.5mm

d=5mm

d=8mm

49

einer Ti-Schicht platziert Zusammengefasst konnten im Rahmen des Projekts folgende Meilensteine erreicht werden:

• M1: Chipdesign und Sensorik / Messplattform

• M2: Biokompatible Oberflächenvergütung

• M3: Zellbeschichtung und Charakterisierung

• A4: Zusammenführung der Ergebnisse, Vorbreitung einer Publikation

Perspektiven für die Einwerbung von Drittmitteln und Folgeprojekten

In Folgeprojekten sollen nun auf der Basis der im Rahmen der Forschungskampagne 2010

gewonnenen wissenschaftlichen Ergebnisse die verwendeten Hefezellverbände durch

humane Zelllinien wie beispielsweise Keratinozyten ausgetauscht werden. Zunächst steht

jedoch die prospektive, randomisierte und reproduzierbare Testung des neu entwickelten

Sensorchips im Vordergrund. Ein weiteres Ziel ist die Überprüfung des gewählten

Forschungsansatzes sowie der Arbeitshypothese (proof of concept), um in Folgeprojekten die

Übertragung der Ergebnisse auf humane Zellstämme und die Entwicklung eines mikro-

funktionalen Bioimplantats voranzutreiben. Es ist geplant, nach Publikation der ersten

Ergebnisse diesen Entwicklungsweg weiter zu beschreiten und weitere Drittmittel

einzuwerben. Prototypen der Chips wurden zur Vorbereitung der Deposition von Herzmuskel-

zellen der Hochschule Aschaffenburg (Prof. Dr. Ch. Thielemann) zur Verfügung gestellt; ein

gemeinsames Projekt zur Charakterisierung der Aktivität dieser Zellen ist geplant.

Verwertung der Ergebnisse und geplante Publikationen

Eine Publikation in „Sensors and Actuators“ befindet sich derzeit in Vorbereitung:

F. Völklein, O. Lebau, A. Meier, W. Kleinekofort; Microcalorimetric sensor for the detection of

metabolic heating power of biological cells.

Darstellung der durchgeführten Maßnahmen in der Nachwuchsförderung

Im Rahmen des Projekts führte Herrn O. Lebau, Studierender des BA-Studiengangs

„Physikalische Technik“ seine Bachelorarbeit „Mikrofunktionales Bioimplantat zur Erfassung

der Vitalität von Zellen“ aus. Aufbauend auf den Ergebnissen plant er, während seines

Masterstudiums „Angewandte Physik“ die F&E-Arbeiten zur Nanokalorimetrie fortzuführen.

50

4.1.9 EU-Projekt "Nanowiring - Marie-Curie Initial Training Network"

Finanzierung eines Doktoranden (ESR09) an der HS-RM aus diesem Projekt;

kooperative Promotion mit der Universität Valencia (Spanien)

Projektverantwortlicher (HS-RM): Prof. Dr. K.M. Indlekofer

Laufzeit: 2010 - 2014

Weitere Informationen sind unter www.nanowiring.eu zu finden.

Nanowiring - Marie Curie Initial Training Network

EU Frame Programme 7 (FP7-PEOPLE-2010-ITN)

Nanotechnology based on semiconductor nanowires promises a new generation of devices,

benefiting from large surface to volume ratios, small active volumes, quantum confinement

effects and integration in complex architectures on the nanoscale. The main technological

issues that the joint research programme intends to address within the project are the

following: semiconductor nanowires for sensors, optoelectronic, nanoelectronic and energy

harvesting applications.

The main objective of the network is to embed a pool of postgraduates and young researchers

in a multidisciplinary framework of research and development activities in the emerging field of

science and applications based on semiconductor nanowires. The integration of 10 European

universities and research institutions, and two leading companies as full partners in the ITN

underlines the strategic importance of the proposed research subject and approach. The

active participation of the private sector gives additional value to the training of the early state

researchers. The project started officially on 01. November 2010, with a duration of 4 years.

Hochschule RheinMain is one the partners within the Nanowiring ITN, contributing to work-

package 3. The research within this workpackage focuses on quantum optics and quantum

transport in semiconductor nanowires, with a strong emphasis on possible applications in

quantum information processing and novel opto-electronic devices.

At Hochschule RheinMain, a numerical simulation tool for nanowire-based multi-gate transistor

structures will be developed, based on a nonequilibrium Green’s function formalism (NEGF).

Few-electron Coulomb charging effects are incorporated by use of a multi-configurational

quantum approach (MCSCG). The analysis of transport properties and electronic structure of

realistic nanowire-FETs will be done in collaboration with Nanowiring partners.

51

Bild 48: Schema eines Nanodrahtes mit Gateoxid und Gate-Elektrode (links) sowie simulierte

Potentialverteilung (drain voltage versus gate voltage)

5. Kooperationen ohne Projektmittel 5.1 Ausgasratenmessung an cryo-tauglichen Epoxiden

(in Koperation mit GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt)

Es wurden zahlreiche cryo-taugliche Epoxide im Ausgasraten-Messplatz des IMtech (Labor für

Vakuumtechnik/Dünnschichttechnologie) hinsichtlich ihrer Gasabgabe (integrale und massen-

spektrometrische Messung) bei Ausgasungszeiten bis zu 1000 h untersucht. Die Unter-

suchungen sind von Bedeutung für den späteren Einsatz der Epoxide als Komponenten von

Detektorsystemen, die unter UHV-Bedingungen und bei tiefen Temperaturen im FAIR-Projekt

der GSI installiert werden sollen.

5.2 Optische Sensor-Substrate

(in Kooperation mit der University of Western Ontario, Kanada (UWO) und mit der Fa.

Layertec, Mellingen)

Es wurden zwei Substratsätze für die UWO fertiggestellt und mittels m-Linien-Spektroskopie,

spektraler Reflektometrie und per AFM charakterisiert. Die Substrate sind stabil gegenüber

chemischen und Ultraschall-Reinigungsprozeduren. Die Messungen zeigen, dass der Schicht-

Brechungsindex gegenüber dem Volumenmaterial angestiegen ist; die Homogenität der

Schichtdicke (± 25 nm) muss noch verbessert werden. Die Wellenleiter können jeweils drei

Moden in s- und p-Polarisation führen, die sich selektiv anregen lassen.

52

Zur Auswertung der Messungen wurde das am IMtech in Kooperation mit dem Ingenieurbüro

DOOS entwickelte Simulationstool ATSOS genutzt. Die Sensorsubstrate werden als Objekt-

träger zur evaneszenten Dunkelfeld-Beleuchtung in der Fluoreszenz-Mikroskopie an der UWO

eingesetzt. Weitere Projektdetails wurden im Jahresbericht 2010 ausführlich beschrieben. Der

Projektleiter (Prof. Dr. U. Langbein) hat den ersten Einsatz der Sensorsubstrate an der UWO

während eines 4-wöchigen Forschungsaufenthalts in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. S. Mittler

begleitet (siehe Bild 49).

Mit Experten aus der Region (MPI für Polymerforschung, Mainz; FH Aschaffenburg) wurde im

Juli 2011 ein Workshop "Neue Experimente mit planaren optischen Wellenleitern"

durchgeführt.

Bild 49: Prof. Dr. U. Langbein während des Forschungsaufenthaltes an der UWO in der

Arbeitsgruppe von Prof. Dr. S. Mittler (vordere Reihe, 2. von links)

53

6. Publikationen

6.1 Wissenschaftliche Publikationen (Fachzeitschriften, Bücher, Tagungen) T. Burnus, G. Bihlmayer, D. Wortmann, Y. Mokrousov, S. Blügel, and K. M. Indlekofer: Screening of external electrical fields for different graphene nanoribbons DPG Tagung, Dresden (Germany) 2011, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, DY9.11 and TT8.11 (2011) B. Loutfi-Krauß, A. Stern, Ch. Fleckenstein, C. Nalenz, H.-J. Rupprecht, C. Oster, D. Fritzsche, A. Brensing: Non-invasive simultaneous monitoring of plethysmogram, phonocardiogram and electrocardio-gram for the estimation of cardiac function In Proceedings 45. Jahrestagung der Dt. Gesellschaft für Biomedizinische Technik, 2011 Paul Schlett, Andreas Brensing, Stefan Bernhard: Cardiovascular simulator for in-vitro arterial circulation studies In Proceedings 45. Jahrestagung der Dt. Gesellschaft für Biomedizinische Technik, 2011 Darryl K. Knight, Rebecca Stutchbury, Daniel Imruck, Christopher Halfpap, Shigang Lin, Uwe Langbein, Elizabeth R. Gillies, Silvia Mittler, and Kibret Mequanint: Focal Contact Formation of Vascular Smooth Muscle Cells on Langmuir−Blodgett and Solvent-Cast Films of Biodegradable Polyester amides; Applied Materials & Interfaces, im Druck U. Langbein: Neues vom Licht: Zur Natur des Photons / Lichtmikroskopie: Die Überwindung der klassischen Auflösungsgrenzen; Öffentlicher Vortrag im Rahmen der Rüsselsheimer Hochschultage am 09.11.2011 U. Langbein: Unsichtbares sichtbar machen: Zur Renaissance der Licht-Mikroskopie; Öffentlicher Vortrag im Rahmen des Symposiums "Das Phänomen des Lichts in Wissenschaft und Kunst" im Atelierhaus Vahle, Darmstadt am 07.05.2011 G. Raciukaitis, E. Stankevicius, M. Gedvilas, C. Bischoff, E. Jäger, U. Umhofer, F. Völklein: Laser processing by using diffractive optical laser beam shaping technique Proc. of LPM2010 – the 11th International Symposium on Laser Precision Microfabrication Jour. of Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 6, No.1, 2011 C. H. Schwalb, C. Grimm, M. Baranowski, R. Sachser, F. Porrati, P. Das, J. Müller, H. Reith, F. Völklein, A. Kaya, M. Huth: A Tunable Strain Sensor using Nanogranular Metals; Small-Nano-Micro; DOI: 10.1002/smll. M. Boehme, F. Völklein, W. Ensinger: Low cost chemical sensor device for supersensitive pentaerythritol tetranitrate (PETN) explosive detection based on titanium dioxide nanotubes Sensors and Actuators B: Chemical 158 (2011) 286-291

54

B. Forg, F, Herrmann, J. Schieferdecker, W. Leneke, M. Simon, K. Storck, F. Völklein: Thermopile Sensor Array with Improved Spatial Resolution, Sensitivity and Image Quality Sensor&Test, Nürnberg, 2011 P. Kowina, M. Freimuth, K. Gütlich, W. Kaufmann, H. Rödl, N. Sobel, F. Völklein: Pre-Amplifier Impedance Matching for Cryogenic BPMs Proceedings of DIPAC2011, Hamburg, Germany, 2011 F. Völklein, M.C. Schmitt, H. Reith, D. Huzel: Microchips and Methods for the Characterisation of Thermoelectric Transport Properties of Nanostructures in CRC Thermoelectrics Handbook (Ed. D.M. Rowe), Thermoelectrics and its Energy Harvesting; Taylor&Francis, Boca Raton (USA), 2011 D. Huzel, H. Reith, M.C. Schmitt, O. Picht, S. Müller, M.E. Toimil-Molares, F. Völklein: Characterization and Application of Thermoelectric Nanowires In NANOWIRES – Implementations and Applications (Ed. by Abbass Hashim) INTECH Open Access Publisher, ISBN 978-953-307-318-7 (June 2011) F. Völklein, H. Reith, M.C. Schmitt, D. Huzel, R. Neumann, M.E. Toimil-Molares, T.W. Cornelius, S. Müller, O. Picht: Characterization and applications of thermoelectric nanostructures Thermoelectric Spring School, German Priority Program SPP 1386 and DFG, März 2011, Köln D. Huzel, H. Reith, M.C. Schmitt, F. Völklein, R. Sachser, M. Huth: Investigation of thermal and electrical properties of individual nanostructures using specially designed microchips DPG Spring Meeting, März 2011, Dresden F. Völklein, H. Reith, M.C. Schmitt: Thermoelektrische Schichten und Nanodrähte – Charakterisierung und Anwendung Wiss. Kolloquium der Universität Hamburg, Institut für Angewandte Physik, 15. 07. 2011 M.C. Schmitt, H. Reith, D. Huzel, F. Völklein: New measuring techniques for the investigation of thermoelectric properties of nanowires European Conference on Thermoelectrics (ECT), September 2011, Thessaloniki, Greece M. E. Toimil-Molares, S. Müller, O. Picht, F. Völklein, H. Reith, M. Schmitt, C. Trautmann, R. Neumann: Nanosized thermoelectric model systems – Bismuth compound nanowires via ion-track technology; MRS 2011 meeting, Boston (USA), 2011 G. Stein, E. Wünstel, W. Travnicek-Pagaimo: Reifenabrieb in Feinstaub - Bewertung auf Basis einer neu entwickelten Messmethode VDI-Fachtagung „Neue Entwicklungen bei der Messung und Beurteilung der Luftqualität“, Baden-Baden, Mai 2011, Vortrag und VDI-Berichte 2113 G. Stein, E. Wünstel, W. Travnicek-Pagaimo: Reifenabrieb in Feinstaub - kein Grund zur Panik! Gummi Fasern Kunststoffe, Erscheinungsdatum Juli 2012

55

G. Stein, E. Wünstel, W. Travnicek-Pagaimo: Tyre Wear in Particulate Matter - No Need to Panic! Rubber Fibers Plastics Internat., zur Veröffentlichung angenommen G. Stein: Entwicklung einer Analysenmethode auf Basis Pyrolyse-GC/MS zur Bestimmung des Reifenabriebs in Feinstaub VWR International, ChromForum, Hochschule für angewandte Wissenschaften, Hamburg, März 2011 (Vortrag) G. Stein, E. Wünstel, W. Travnicek-Pagaimo: Reifenabrieb in Feinstaub - kein Grund zur Panik! DKG Fachtagung 2011 „Green Rubber Industry“, Fulda, Mai 2011 (Vortrag) A. Meier: Mikrostrukturierung von Glas am IMtech Workshop "Neue Experimente mit planaren optischen Wellenleitern", Hochschule RheinMain, Rüsselsheim, Juli 2011 D. Huzel: Thermoelektrische Nanoelemente Vortrag im Rahmen des Absolvententreffen, HS-RM, Rüsselsheim, Juli 2011 6.2 Bachelor-/Diplom-/Masterarbeiten und Studienarbeiten Michael Strasser: Entwicklung eines gittergekoppelten Sensors für Kinetik-Messungen an CYTOP-Fluorpolymer Alexander Stern: Triggerung des elektrischen Konterpulsationsverfahrens Paul Schlett: Entwicklung eines Herz-Kreislaufsimulators Patrick Breckner: Entwicklung eines Gerätes zur Phonokardiografie, Plethysmografie und Elektrokardiografie Cornelius Oster: Entwicklung einer Messsteuerung und Messdatenerfassung für die simultane Aufzeichnung von Phonokardiographie, Plethysmographie und Elektrokardiographie Michael Ebert: Entwicklung und Charakterisierung einer modularen Chip-on-Board LED-Zeile Andreas Müller: Charakterisierung organischer Halbleiter für LED-Anwendungen

56

Mario Grau: Halbautomatisierte Wellenleitercharakterisierung mittels Auswertung von Transmissionsspektren Michael Morawitz: Herstellung und Charakterisierung planarer Stufenindex-Wellenleiter mit Koppelgitter Oliver Hentschel: Vergleichende Charakterisierung eines akustooptischen mit einem elektrooptischen Modulator Patrick Matten: Messplatzintegration eines Faserspektrometers Doreen Konradi: Untersuchung der Dickenabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten von durch Elektronenstrahl bedampften dünnen Nickelschichten Markus Huster: Simulation eines mechanischen Vakuumsensors Mario Grau: Tischsputteranlage S150B Sputter Coater: Bestimmung von Homogenität und Rate des Schichtwachstums Christian Kasparek: Oberflächencharakterisierung von Wellenleitern mittels Rasterkraftmikroskopie Nicolas Sobel: Desorptionsratenmessungen Björn Aulmann: Intelligente Haussysteme für erneuerbare Energiesysteme Tobias Reimer: Bewegen von Nanodrähten mittels Dielektrophorese Florian Vogt: Alternative Board-to-Board Verbindungstechnik Nicolas Detrez: Aufbau und Test einer Interferenz-Lithographie-Station zur Strukturierung von planaren optischen Wellenleitern Lukas Urban: Aufbau und Inbetriebnahme eines Teststandes für die Bestimmung von Druckprofilen in einer SIS18-ähnlichen Vakuumumgebung Murat Yildiz: Konstruktion eines einfach temperierbaren Schwarzen Strahlers zum Test von Infrarotsensoren

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6.3 Öffentlichkeitsarbeit

Wie in den vorangegangenen Jahren wurde auch für 2011 ein IMtech-Kalender

„Mikrotechnologien an der Hochschule RheinMain“ (Bild 50)

der sich großer Nachfrage erfreut, von Grit Hemer (Design und Redaktion) erstellt.

Bild 50: Titelblatt

„Mikrotechnologien an der

Hochschule RheinMain“ des

IMtech-Kalenders 2011

Bild 51: MikroSystemTechnik

Kongress 2011, 10. – 12. Oktober,

Darmstadt

Gemeinschafts-Messestand des

mst-Netzwerk RheinMain

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6.4 Preise

Das IMtech ist gemeinsam mit den Kooperationspartnern TOPAG Lasertechnik GmbH,

Darmstadt und GD Optical Competence GmbH, Sinn Gewinner des 5. Hessischen Koopera-

tionspreises. Das F&E-Projekt DISMAT (LOEWE 3), gefördert durch Innovationsförderung des

Landes Hessen (KMU Verbundvorhaben, siehe Punkt 4.1.2) wurde mit dem 1. Preis

ausgezeichnet.

Bild 51: Verleihung des Hessischen Kooperationspreises 2011 anlässlich des Hessischen

Transferforums durch den Hessischen Minister für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

D. Posch und die Hessische Ministerin für Wissenschaft und Kunst E. Kühne-Hörmann

Presse: Rüsselsheimer Echo, Mainspitze, Wiesbadener Kurier

DISMAT – Maßgeschneiderte Laserstrahlen

DISMAT – so lautet der Name eines der Projekte, die am 5. Dezember 2011 im Rahmen des Hessi-

schen Transferforums von Staatsminister Dieter Posch mit dem diesjährigen Hessischen Kooperations-

preis ausgezeichnet wurden. Hinter diesen sechs Buchstaben verbirgt sich die Entwicklung neuartiger

Beugungsoptiken, mit deren Hilfe sich Lichtstrahlen vorteilhaft ablenken, fokussieren, formen oder teilen

lassen. 31 Monate dauerte die Zusammenarbeit in diesem Projekt, das federführend von der Darm-

städter Firma TOPAG Lasertechnik in enger Zusammenarbeit mit GD Optical Competence GmbH aus

Sinn und dem Institut für Mikrotechnologien (IMtech) der Hochschule RheinMain durchgeführt wurde.

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„Alle Forschungspartner haben ihre Kernkompetenzen in das Projekt eingebracht und ein neuartiges

Strahlformungskonzept sowie eine kostengünstige Glasprägetechnik realisiert“, fasst Dr. Erwin Jäger

von TOPAG das Ergebnis dieser erfolgreichen Kooperation zusammen. Die Erforschung Diffraktiver

Optiken begann mit einer Diplomarbeit bei TOPAG. Bereits nach einem Jahr ergaben sich hieraus inter-

essante und verwertbare Ergebnisse. Parallel hierzu meldeten immer mehr TOPAG-Kunden ihren Be-

darf an neuartigen Beugungsoptiken für Hochleistungslaser an. Die Idee für ein Forschungsprojekt war

geboren. Für die Umsetzung fand TOPAG mit dem IMtech unter Leitung von Prof. Dr. F. Völklein und

der Firma GD Optical Competence zwei kompetente Kooperationspartner in der Region. Mit diesen

bestand bereits seit Jahren eine enge Verbindung über das Kompetenz-Netzwerk Optence e.V.

Neue Absatzmärkte als Zielsetzung

„Unser Ziel war es, eine Technik zu entwickeln, die kostengünstig ist und in Serienproduktion gehen

kann“, so Dr. Jäger. Während TOPAG als Konsortialführer dieses Projektes seine langjährige Kompe-

tenz in der Applikation kundenspezifischer Lasersysteme für Lasermaterialbearbeitung einbringt, bietet

das IMtech alle Voraussetzungen, die benötigt wurden, um Diffraktive Optiken im Reinraum zu produ-

zieren. GD Optical Competence lieferte das fundierte Know-how auf dem Gebiet der Glasprägetechnik.

Von Anfang an wurden die Prototypen von DISMAT von Anwendern unter realen Bedingungen auf ihre

Praxistauglichkeit getestet. Die Rückmeldungen flossen dann jeweils in die Projektarbeit mit ein. Mit der

Entwicklung von Diffraktiven Strahlformungsoptiken für die Lasermaterialbearbeitung (DISMAT) können

die drei Kooperationspartner jetzt ganz neue Anwendungen und Absatzmärkte erschließen. So

beispielsweise in der Lasermaterialbearbeitung, der Solarzellenfertigung, der Medizintechnik sowie der

LED-Produktion. Namhafte Hersteller für LED-Mikrostrukturen sowie Kunden aus den USA und Israel

haben bereits ihr Interesse an dem neuen Konzept angemeldet.

Vertrauensvolle Kooperation für Folgeprojekt

Im Rahmen unseres DISMAT-Projektes hat sich eine vertrauensvolle Basis zwischen allen Partnern

entwickelt, die auf dem Austausch von Spezialwissen und Synergien beruhte und für jede Partei einen

Gewinn darstellte. So haben die Konsortialpartner mit den Ergebnissen von DISMAT Neuland betreten.

Für TOPAG waren dies die geprägten Optiken in der Hochleistungslasertechnik, für GD Optical

Competence die Entwicklung eines neuartigen Glasprägeverfahrens und für das IMtech die Möglichkeit,

sein Know-how im Bereich der Mikrotechnologie zu erweitern und neue Forschungsfelder zu

erschließen. Die Partner sehen sich durch ihren Erfolg in ihrem Vorhaben bestätigt, sich ständig über

neue Produkte weiterzuentwickeln und so am Markt zu behaupten. Deshalb ist es nur natürlich, dass

sich inzwischen bereits ein Folgeprojekt aus DISMAT ergeben hat, an dem sich wieder alle drei

Konsortialpartner beteiligen und ihre unterschiedlichen Kompetenzen zusammenführen werden.

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6.5 IMtech-Wanderung

Die IMtech-Wanderung 2011, hervorragend organisiert von A. Meier, führte in und durch den

Odenwald. Impressionen ......