Entwicklung von Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS)

Besser sehen und tasten

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Der Entwurf von Mikro-Elektromechanischen Systemen (MEMS) steht vor einem technologischen Umbruch: In einem Forschungsprojekt wollen Experten eine universelle Entwurfsmethodik für MEMS entwickeln, die die Lücken zwischen Elektronik- und Mechanik-Design, der Fertigung sowie der anschließenden Integration in Produkte schließt.

Der Autor ist Ralf Popp, Projektmanagement, Edacentrum GmbH, Hannover

Mikro-Elektromechanische Systeme (MEMS) sind winzige Bauelemente, die Beschleunigung, Druck, Entfernung, Temperatur, Licht oder chemische Konzentrationen auf sehr kleinem Raum messen und elektronisch verarbeiten können. Sie sorgen mithilfe von leistungsfähigen und kompakten Sensor- und Aktorsystemen beispielsweise dafür, dass sich Airbags rechtzeitig vor dem Aufprall eines Autos aufblasen, der Gefäßdruck oder Sauerstoffgehalt im Bereich der Intensivmedizin gemessen wird oder Digitalkameras wackelnde Bewegungen ausgleichen. In dem unlängst gestarteten Forschungsprojekt „Schaltplanbasierter Entwurf von MEMS für Anwendungen in Optik und Robotik“ – kurz MEMS2015 – erkunden Experten aus Forschungseinrichtungen und Industrie völlig neue Methoden für die Entwicklung dieser Bauelemente. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und von der Robert Bosch GmbH koordiniert. Ziel ist es, erstmalig eine universelle Entwurfsmethodik für MEMS zu entwickeln, die die Lücken zwischen Elektronik- und Mechanik-Design, der Fertigung sowie der anschließenden Integration in Produkte schließt.
MEMS-Marktpotenzial lässt sich um 50 % steigern
Mit den neuen Methoden lassen sich neuartige Sensor- und Aktorsysteme entwickeln: Damit können beispielsweise Roboter künftig besser sehen und tasten. Mit einer Art Baukastensystem wollen die MEMS2015-Forscher die Lücken zwischen der Chip- und Sensorfertigung sowie der anschließenden Integration der Bausteine in Produkte schließen. Die Möglichkeiten einer breiten MEMS-Anwendung im professionellen und sicherheitsrelevanten Umfeld werden damit deutlich erweitert. Zudem können kleine und mittlere Unternehmen dank der neuen Methoden in Zukunft auch MEMS entwerfen und viel häufiger und in größerer Vielfalt als heute in ihre Produkte integrieren. Das MEMS-Marktpotenzial lässt sich so um bis zu 50 % steigern.
Bilder werden direkt auf die Netzhaut projiziert
Die neuen Entwicklungsansätze für MEMS ermöglichen künftig ganz neue Lösungen in den Leitanwendungen Optik und Robotik. So sind weitreichende Anwendungen von Mikrospiegel-Arrays denkbar, wie sie bereits heute in Projektoren eingesetzt werden. Damit können etwa einmal Bilder über eine Art Brille direkt auf die Netzhaut projiziert werden. In der Robotik können Kraftfühler und Profilometer entwickelt werden, die Oberflächen noch genauer als bisher analysieren beziehungsweise einen äußerst genauen Tastsinn nachbilden. Die Ergebnisse des Projekts werden im Rahmen des Vorhabens anhand realer MEMS-Prototypen überprüft, die dadurch auch als Demonstratoren fungieren.
„Das Projekt ermöglicht Innovationen im Geräte- und Anlagenbau durch leistungsfähige Sensor- und Aktorsysteme auf der Basis von zukunftsweisenden MEMS- und Chip-Technologien“, erklärt Dr. Mirco Meiners von Bosch Automotive Electronics und Projektkoordinator von MEMS2015. „Die klar fokussierte BMBF-Förderung unterstützt die Unternehmen dabei, ihren Innovationsvorsprung bei zentralen technologischen Themen zu behaupten und neue innovative und komplexe Produkte zu entwickeln.“
Die Qualität und vor allem die Produktivität des Entwurfs von MEMS würden durch das Projekt auf ein neues Niveau gehoben, ergänzt Prof. Dr. Ralf Sommer, wissenschaftlicher Geschäftsführer des Instituts für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH, einer der acht Projektpartner. „Elementare Dinge, wie ein schaltplanbasierter Entwurf, werden im Mikroelektronik-Design bereits erfolgreich genutzt.“
Diese werden jetzt auf den MEMS-Entwurf übertragen. Das bietet den Anwendern enorme Vorteile: MEMS2015 ermöglicht zum einen neue, hochkomplexe Produkte wie Mikrospiegel-Arrays und beschleunigt deren Markteinführung. „Zum anderen werden wir durch das Projekt langfristig einen Lego-Bausteinähnlichen Entwurf ermöglichen, der gerade auch kleinen und mittelständischen Unternehmen zugute kommt“, betont Sommer. „Sie werden dadurch in die Lage versetzt, sich ihre Lösungen individuell und maßgeschneidert in einem flexiblen MEMS- und Elektronik-Baukastensystem zusammenzusetzen.“
Acht Partner aus Forschung und Industrie
Das auf drei Jahre angelegte und vom BMBF im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung und dem Förderprogramm IKT2020 mit rund 3,5 Mio. Euro unterstützte Forschungsprojekt bündelt die Potenziale von acht Partnern aus Forschung und Industrie: Cadence Design Systems GmbH, Carl Zeiss SMT GmbH, Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme GmbH, Robert Bosch GmbH, Technische Universität München, Tetra Gesellschaft für Sensorik, Robotik und Automation mbH, Universität Bremen und X-FAB Semiconductor Foundries AG.
Das Projektmanagement übernimmt die Edacentrum GmbH in Hannover. Das Edacentrum ist eine unabhängige Institution zur Unterstützung von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet Electronic Design Automation (EDA). Es wurde von führenden deutschen Mikroelektronik-Unternehmen gegründet und während seiner Aufbauphase vom BMBF gefördert.
Das Edacentrum initiiert, begutachtet und begleitet industriegeführte und vom BMBF geförderte EDA-F&E-Projekte und bietet ein umfangreiches Spektrum an Dienstleistungen rund um EDA an, insbesondere ein Projektmanagement für F&E-Projekte. Weiterhin unterstützt es die Bündelung vorhandener EDA-Kompetenz an deutschen Forschungseinrichtungen durch die Stimulation von EDA-Clusterforschungsprojekten und von EDA-Netzwerken sowie durch Kommunikationsplattformen für die EDA-Community.
Edacentrum, Tel.: 0511 762-19697, E-Mail: popp@edacentrum.de
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