Deutscher Zukunftspreis 2008 Bosch-Team eröffnet der Oberflächen-Mikromechanik neue Märkte

Bundespräsident Horst Köhler hat in Berlin den mit 250.000 Euro dortierten deutschen Zukunftspreis 2008 an Dr. Jiri Marek und Dr. Michael Offenberg von Bosch sowie Dr. Frank Melzer von Bosch Sensortec verliehen. Das Forscherteam hat mit seiner Arbeit die Voraussetzung für die Serienproduktion mikromechanischer Sensoren geschaffen.

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Sensoren gelten als Schlüsselelemente für Geräte, die auf ihre Umwelt reagieren. Für künftige Entwicklungen ist wichtig, dass Sensoren deutlich kleiner, leistungsfähiger, preisgünstiger und energiesparender werden als bisher. Dafür haben Marek, Offenberg und Melzer die Voraussetzungen geschaffen: Sie entwickelten neue Prozesse für die Herstellung von Sensoren auf Siliziumchips, für die „Oberflächen-Mikromechanik“ und erschlossen den Weltmarkt in der Automobil- und Konsumgüterindustrie. Damit gelang der Durchbruch zur industriellen Großserienfertigung für Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS).

„Diese hohe Auszeichnung des Bundespräsidenten für unser Team erfüllt uns mit Stolz. Sie ist zugleich Anerkennung und Motivation für alle unsere Mitarbeiter, die gemeinsam dieses Geschäftsfeld erfolgreich erschlossen haben“, sagte Dr. Siegfried Dais, stellvertretender Vorsitzender der Bosch-Geschäftsführung. „Wir freuen uns, dass wir Forschern und Entwicklern ein kreatives und herausforderndes Umfeld bieten können als Basis für solche herausragenden Leistungen.“

Die Mikromechanik ist grundsätzlich abgeleitet aus der modernen Halbleitertechnik. Bei ihr geht es darum, mit Verfahren der Mikroelektronik und zusätzlichen Schlüsselprozessen winzige mechanische, bewegliche Bauteile herzustellen, die Funktionen ausführen – etwa als Sensoren präzise Druck oder Beschleunigung messen, in Druckköpfen von Tintenstrahldruckern saubere Schriften aufs Papier bringen oder die körperliche Aktivität herzkranker Menschen kontrollieren.

Bei der Herstellung wurden bislang vor allem Verfahren der Volumen-Mikromechanik eingesetzt. Diese lässt sich wirtschaftlich und technisch aber nur für Bauteile in hochwertigen und größeren Geräten nutzen, etwa für Autos oder Industrieanlagen. Für die breite Anwendung in der Consumer-Elektronik sind solche Sensoren zu aufwändig, zu groß und ihr Strombedarf ist zu hoch.

Oberflächen-Mikromechanik als Schlüssel für kostengünstige Sensoren

Dem Bosch-Team zusammen mit Mitarbeitern aus Forschung, Entwicklung und Fertigung gelang es, die komplexen Bauteile von Sensoren durch Prozesse der Oberflächen-Mikromechanik zu realisieren. Die Strukturen und Bauteile werden auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe aufgebaut und dabei extrem dicke polykristalline Siliziumschichten aufgebracht.

Die Bosch-Forscher erzeugen mit ihren neuen Prozessen in den aufgetragenen dicken Siliziumschichten feinste Strukturen mit senkrechten Wänden, stellen so bewegte Massen und frei schwingende Federelemente her und graben maßgenau Vakuumkammern in das aufgebrachte Silizium.

Zusätzlich kombinieren sie die Sensoren mit der elektronischen Auswerteschaltungen und versiegeln ihre Elemente hauchdünn und auf kleinstem Raum gegen Umwelteinflüsse. Dies alles in Dimensionen von tausendstel Millimetern und zu Kosten, die selbst für komplexe Sensorsysteme bei wenigen Euro liegen.

Die fünf wichtigen Schlüsselprozesse, die bei Bosch entwickelt wurden, sind:

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

Mikromechanische Sensoren eröffnen neue Anwendungen

Die Fortschritte bei der Miniaturisierung erschließen solchen Sensoren neue Anwendungen in der Konsumelektronik. So schaltet der Beschleunigungssensor BMA 150 von Bosch schaltet das Handydisplay zwischen Hoch- und Querformat um, passend dazu, wie das Handy gerade gehalten wird.

Im Laptop eingebaut registriert der Sensor aber auch, wenn das Gerät vom Tisch fällt und schützt noch vor dem Aufprall auf den Boden die Festplatte vor Datenverlust. In Navigationssystemen misst der mikromechanische Drucksensor die Höhe auf 25 cm genau und erlaubt mit genauen Ortsangaben die mobile Navigation auch in Gebäuden und für automatische Notrufsysteme.

Andere Anwendungen mikromechanischer Sensoren in der Consumer-Elektronik sind Wetterstationen oder Höhenmesser in Armbanduhren, Trainingskontrollsensoren in Schuhen oder in der Sportbekleidung sowie intuitive Bedienkonzepte für Mobiltelefone, Fernbedienungen oder Spielekonsolen, die auf Antippen oder Lageänderungen reagieren.

Mehr als 200 Millionen Sensoren pro Jahr

Bosch stellt derzeit pro Jahr mehr als 200 Millionen mikromechanische Sensoren her – in Summe sind es bereits 1 Mrd. Stück. Rund 2 000 Mitarbeiter sind bei Bosch in diesem Bereich beschäftigt. Mit den steigenden Produktionszahlen wächst auch der Bedarf an Halbleiterschaltungen für die elektronische Signalverarbeitung der Sensoren. Deshalb errichtet Bosch am südwestdeutschen Standort Reutlingen eine neue Fertigungsanlage für die Herstellung von Halbleitern auf 200-Millimeter-Wafern, die 800 neue Arbeitsplätze bieten wird – mit 600 Mio. € die größte Einzelinvestition des Unternehmens.

Die Consumer-Elektronik ist für mikromechanische Sensoren ein neuer Markt, den es zu erschließen gilt. Dafür wurde 2005 die Bosch Sensortec gegründet, bei der inzwischen mehr als 50 Mitarbeiter tätig sind.

Der Markt für mikromechanische Sensoren wird weiterhin stark wachsen – insbesondere auf dem Gebiet der Konsumelektronik, denn weltweit arbeiten Elektronikentwickler daran, viele Funktionen elektronischer Geräte mit mikromechanischen Sensoren noch anwenderfreundlicher zu machen.

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