Elektrotechnikund Elektronikin Bayern PROFILE

PORTRÄTSPERSPEKTIVEN

SONDERTEILSENSORIK

... für Innovationen von morgen

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Ihr Direkteinstieg zu Trends in zehn Technologien und Branchen.

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Bildquelle: Fotolia IV

Elektrotechnik und Elektronik sind Schlüssel-technologien für nachhaltiges Wachstum inBayern.

Sie bieten hervorragende Perspektiven auf denGebieten Forschung und Entwicklung, Pro-duktion, Vertrieb und Dienstleistungen.

Die Sensorikkompetenz erfährt dabei einebesondere Ausprägung. In der Wirkung ist sieein Innovationstreiber ersten Ranges undbedient Anwenderbranchen wie Automobil,Medizin, Umwelt u. a.

Für die großen Zukunftsaufgaben in denBereichen Energie, Mobilität und Gesundheitsind bayerische Produkte und Dienstleistungenvorbildlich und weltweit gefragt. EntnehmenSie folgenden Beiträgen

welche optimierten Analysemethoden für dieHalbleiterelektronik hilfreich sind,

wo Unternehmensvernetzung, Innovations-und Kompetenzförderung strategisch genutztund Synergien erhöht werden können,

wie Leiterbahnen und Sensoren für bioelekt-ronische Chips einsetzbar sind,

welche neue Chancen sich für Hersteller undAnwender elektrischer Antriebssysteme er-geben.

„Elektrotechnik und Elektronik in Bayern“ gibtAntworten auf aktuelle und innovative Themen!

Walter Fürst, Geschäftsführer

Editorial

Hohe Innovationsdynamikin Bayerns Elektroindustrie

Impressum:

Herausgeber: media mind GmbH & Co. KG.Volkartstr. 77, 80636 MünchenTelefon: 0 89 / 23 55 57-3Telefax: 0 89 / 23 55 57-47ISDN (MAC): 0 89 / 23 55 57-59E-mail: mail@media-mind.infowww.media-mind.info

Verantwortlich: Walter Fürst, Jürgen Bauernschmitt

Gestaltung + DTP Jürgen Bauernschmitt

Druckvorstufe: media mind GmbH & Co. KG.

Verantwortl. Redaktion: Ilse Schallwegg

Druck: Druckerei Frischmann, Amberg

Erscheinungsweise: 1 mal jährlich

© 2013/14 by media mind GmbH & Co. KG., MünchenKein Teil dieses Heftes darf ohne schriftliche Genehmigung derRedaktion gespeichert, vervielfältigt oder nachgedruckt werden.

Editorial 3

VorwortBertram Brossardt

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WirtschaftsstandortBayern

8

Bayern – Partner der Welt und

Wirtschaftsstandort mit Zukunft

Kontakt: media mind GmbH & Co. KG

Forschungsstellefür Energiewirtschaft e.V.

7

Energierationalität für ein ressourcen-schonendes EnergiesystemAutor: Dipl.-Volksw. Jochen Habermann

Forschungsstelle für Energiewirtschaft

Raster-Sonden-Mikroskopie

10

Raster-Sonden-Mikroskopie, Analyse-verfahren für die HalbleiterelektronikAutoren: Prof.-Dr.-Ing. Günther Benstetter, Prof. Dr. Werner Frammelsberger, Hochschule Deggendorf

Produktionelektrischer Antriebe

18

Neue Chancen für Hersteller und Anwender

elektrischer Systeme

Autor: Dipl.-Ing. Alexander KühlFriedrich -Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

MTS Systemtechnik GmbH

liefert maßgeschneiderte Lösungen

Kontakt: MTS Systemtechnik GmbH

MTS Systemtechnik GmbH 17

Maschinenfabrik Reinhausen:

Erfolg in globalen Nischen der Energietechnik

Kontakt:MASCHINENFABRIK REINHAUSEN GMBH

MASCHINENFABRIKREINHAUSEN GMBH

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4. US

SonderteilSensorik

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Elektronik 30

Elektronik@Medizin = Medizinelektronik

Kontakt: M.A. Karolin Herzog,Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf, TU München,Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik

Bayerisches ClustermanagementSensorik

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Sensorik Kompetenznetzwerk

Kontakt/Ansprechpartner: Dr. Hubert SteigerwaldStrategische Partnerschaft Sensorik e.V.Bayerisches Clustermanagement Sensorik

BioelektronischeSensorchips

24

„Geschüttelt, nicht gerührt!“

Inkjet-Druck von bioelektronischen Sensorchips

Autoren: N. Mzoughi, M. Remm, B. Neumann, H. Grothe,Prof. Dr. rer. nat. B. Wolf, Heinz Nixdorf-Lehrstuhl

MICRO-EPSILONMesstechnik GmbH & Co. KG

28

Weltweit führend –

Sensoren, Messsysteme und Prüfanlagen

Kontakt:MICRO-EPSILON Messtechnik GmbH & Co. KG

VISION ENGINEERING LTD. 35

Digitale Handlupe für die portable Inspektion

Autor: Stefan Summer, Central Europe Marketing ManagerVISION ENGINEERING LTD.

22Anzeige media mind motion

Die deutsche Elektrotechnik- und Elektronik-

Industrie ist ein Wachstums- und ein Jobmotor.

Dabei spielt der Standort Bayern für die Branche

eine erhebliche Rolle: Im Freistaat erwirtschaftet sie

einen Großteil ihres Umsatzes. Nach dem Fahr-

zeugbau belegte die bayerische Elektrotechnik- und

Elektronik-Industrie mit einem Gesamtumsatz von

63 Milliarden Euro im Jahr 2011 Platz zwei der

gewichtigsten Industriezweige. Bei der Beschäf-

tigung lag sie mit rund 215.000 Arbeitnehmern sogar

auf der Spitzenposition.

Mit ihrem starken Fokus auf Forschung und

Entwicklung sowie auf den Außenhandel steht die

Elektrotechnik- und Elektronik-Industrie in Bayern

gut da. Wirft man einen Blick auf die Exportzahlen

wird die internationale Rolle der Branche deutlich:

So hat die bayerische Elektronik-Industrie 2011

Waren im Wert von fast 28 Milliarden Euro expor-

tiert. Der Anteil deutscher Unternehmen bei

Produkt-Neueinführungen der gesamten Branche

liegt bei gut 80 Prozent. Die Betriebe setzen mit

ihren Innovationen Trends – ob für den Bereich

Embedded Systems, für die Elektromobilität, für die

Gesundheitsinfrastruktur, für Smart Grids oder Smart

Home, Energieeffizienz oder in der Unterhal-

tungselektronik.

Bayern bietet für innovationsstarke Unternehmen

leistungsfähige Rahmenbedingungen und eine gute

Unternehmenskultur. Einerseits durch die zahlrei-

chen Lehr- und Forschungseinrichtungen. Im

Verbund mit ihnen entwickeln die Betriebe im

Freistaat, was am Weltmarkt gefragt ist.

Andererseits zeichnen sie sich durch ihre Effizienz

bei der Entwicklung und Produktion sowie ihre

hohen Qualitätstandards aus. Schließlich ist Bayern

bekannt für seine stark prozessoptimierten und

flexiblen Produktionssysteme. Durch die vielfäl-

tigen Kooperationsmöglichkeiten mit Dienstleis-

tungsunternehmen können die Unternehmen der

Nachfrage nach individualisierten Problem-

lösungsangeboten und einer intelligenten Ver-

knüpfung von industriellem Produkt sowie ergän-

zenden Services nachkommen.

Zur Stärkung des Industrie- und damit auch des

Elektrotechnik- und Elektronik-Standorts Bayern

trägt auch die Staatsregierung bei. Zum Beispiel för-

dert sie mit der so genannten „Cluster Offensive“ die

Vernetzung verschiedenster Akteure und bringt

Unternehmen, Dienstleister und Kapitalgeber

zusammen.

Die Aussichten der bayerischen Elektrotechnik-

und Elektronik-Industrie sind mehr als gut. Mit

ihrem Anspruch an Qualität und Leistung sowie

ihrer Innovationsfähigkeit erfüllt sie die besten

Voraussetzungen, um weiter im boomenden

Exportgeschäft tätig und besonders in den Emerging

Markets erfolgreich zu sein.

Bertram Brossardt

Hauptgeschäftsführer der vbw –Vereinigung der Bayerischen Wirtschaft e. V. und der

bayerischen Metall- und Elektro-Arbeitgeber bayme vbm

Vorreiter in Forschung undEntwicklung

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Die Forschungsstelle für Energie-wirtschaft e.V. (FfE) wurde 1949 ge-gründet. Als neutrale Institution be-fassen wir uns auf wissenschaft-licher Grundlage mit energietech-nischen und energiewirtschaftlichenThemen, insbesondere auf demGebiet der Energieanwendung. Wirerstellen Studien zu aktuellen Fra-gestellungen des Energiesektors, wie

MobilitätIndustrielle Anlagen undProzesseErzeugung und MarktSpeicher und NetzeRessourcen und KlimaschutzGebäude und Geräte

Als gemeinnütziger Verein hat dieFfE viele Mitglieder aus Energiewirt-schaft, Industrie, Wissenschaft undVerwaltung sowie Privatmitglieder.Sie ist seit Jahrzehnten kompetenterAnsprechpartner für Energieversor-ger, Industrie, Landes- und Bundes-ministerien, Kommunen und Planer –in allen Fragen der Energieerzeugung,-verteilung und -anwendung. Der-zeit beschäftigt die FfE etwa 40 Mit-arbeiter und Studenten. Eines unse-rer Satzungsziele ist die Aus- undWeiterbildung des wissenschaftli-chen Nachwuchses in Deutschland;wir betreuen Diplom-, Bachelor-und Masterarbeiten verschiedenertechnischer Studienrichtungen.

Bereits seit 1977 veranstaltet die FfEim zweijährigen Rhythmus eineFachtagung, die sich mit aktuellenThemen der Energieversorgung aus-einandersetzt. Unsere diesjährigeFachtagung steht unter dem Motto„Energieeffizienz und erneuerbareEnergien im Wettbewerb – derSchlüssel für eine Energiewendenach Maß“ und zieht zwei Jahre nachden politischen Beschlüssen zurEnergiewende eine Bilanz. Nebenden Schwerpunkten Steigerung derEnergieeffizienz, erneuerbare Ener-gien, Netze, Speicher und Kapazitäts-markt wird auch die europäische

Bedeutung des deutschen Energie-konzeptes thematisiert.Welcher Deckungsanteil regenera-tiver Energien ist kostenoptimal, wosind Effizienzsteigerungen wirkungs-voller? Sind die ambitionierten Zieledes Energiekonzeptes sinnvoll undnoch zu erreichen? Antworten aufdiese und weitere Fragen werdenSie auf der FfE-Fachtagung vom29.-30. April 2013 in der ResidenzMünchen finden. Weitere Informationen demnächstunter: www.ffe.de/fachtagung2013

Energierationalität für einressourcenschonendes

Energiesystem

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Forschungsstellefür Energiewirtschaft e.V.

Am Blütenanger 7180995 MünchenTel: +49 (0)89 158 121-63Fax: +49 (0)89 158 121-10E-mail: JHabermann@ffe.dewww.ffe.de

Dipl.-Volksw.Jochen Habermann

Autor:

Energieeffizienz underneuerbare Energien

im Wettbewerb

Abb. 2: Die letzte FfE-Fachtagung fand 2011 gemeinsam mit dem Symposium der

Bayerischen Akademie der Wissenschaften statt

Abb. 1: Forschungsgebiete der FfE e.V.

Der Freistaat Bayern ist mit über70.000 km2 das größte, mit 12,4Mio. Einwohnern nach Nord-rhein-Westfalen das zweitgrößteBundesland in Deutschland.Neben den unstrittigen Vorteilenals Lebens- und Freizeitstandortgenießt Bayern vor allem alsHigh-Tech- und Dienstleistungs-standort weltweit einen ausge-zeichneten Ruf. Im europäischenVergleich werden bei nahezu allengesamtwirtschaftlichen Daten Spit-zenwerte erzielt.

In einer beispiellosen Aufholjagdhat sich Bayern seit dem Ende desZweiten Weltkriegs vom Agrar-staat mit überdurchschnittlichhoher Arbeitslosigkeit und unter-durchschnittlicher Wertschöpfungzu einem wirtschaftlichen Kraft-zentrum ersten Ranges ent-wickelt. Eine im bundesdeutschenVergleich niedrige Arbeitslosen-quote, ein deutlich höherer Anteilan Selbstständigen und eine starkeZuwanderung vor allem in denletzten zehn Jahren belegen dieseAussage. Mit dem rasanten Auf-schwung Bayerns ging eine über-durchschnittliche Beschäftigungs-

dynamik einher. So wuchs dieZahl der sozialversicherungs-pflichtig Beschäftigten um knappein Viertel und damit wesentlichstärker als in allen anderen Bun-desländern.

Im Rahmen einer offensiv ge-prägten Wirtschaftspolitik ver-folgt die bayerische Staatsregie-rung vier strategische Hauptziele:

Kostenentlastung der Wirtschaftim globalen Wettbewerb

Freisetzung marktwirtschaftlicherDynamik zugunsten von mehrWachstum und BeschäftigungUnterstützung der Wirtschaft imStrukturwandel auf der Linie„neue Produkte, neue Betriebe,neue Märkte“Weiterer Auf- und Ausbauder Infrastruktur

Unter dem Motto „Sparen — Re-formieren — Investieren“ werdenStaat und Verwaltung in Bayernfit für die Zukunft gemacht.

Hierbei handelt es sich um dienächste, konsequent auf die „High-Tech-Offensive“ und die Offensive„Zukunft Bayern“ folgende Stufeoffensiver bayerischer Innovations-politik. Durch die Clusterpolitikwird das bestehende Angebot anstaatlichen Maßnahmen zur Inno-vationsförderung durch die Organi-sation der Netzwerkbildung vonWirtschaft und Wissenschaftergänzt. Grundsätzlich lassen sichdie Cluster unterteilen in

High-Tech-Clusterz. B. Biotechnologie, Luft-und Raumfahrt, Medizintechnik,Umwelttechnologie

Bayern –Partner der Welt undWirtschaftsstandort

mit Zukunft

8

WirtschaftsstandortBayern

Bewährtes Element„Clusterpolitik“

Offensive Wirtschaftspolitik

Erfolgreiche Aufholjagd

Der Freistaat Bayern zählt heute zu den wirtschaftsstärksten Regionen in Europa.Dank einer offensiven Wirtschaftspolitik und einer erstklassiken Infrastruktur ist undbleibt Bayern ein Standort mit Zukunft. Für nahezu alle Branchen existiert ein pro-duktives Netz aus „Global Playern“ und eine breite Schicht leistungsfähiger kleinerund mittlerer Unternehmen zur Sicherung von Wachstum und Beschäftigung.

Deutschland und Bayern

Der Freistaat Bayern istflächenmäßig das größte,gemessen an den Einwohnernnach Nordrhein-Westfalendas zweitgrößte Bundeslandin Deutschland

Produktionsorientierte Clusterz. B. Automotive, Energie-technik, Logistik, Sensorik

Querschnittstechnologienz. B. Nanotechnologie,Neue Werkstoffe, MechatronikMit der Clusterpolitik sollen Im-pulse gesetzt werden, um dieDynamik zwischen Unternehmenund Forschungseinrichtungen zuintensivieren und Kooperations-möglichkeiten zu optimieren.

Die Struktur der bayerischen Wirt-schaft ist robust und zukunftsorien-tiert. Ein produktives Netz aus„Global Playern“ und eine breiteSchicht leistungsfähiger kleiner undmittlerer Unternehmen in Industrie,Handwerk und Dienstleistungsge-werbe sichert wirtschaftliche Stärke.Im Industriebereich dominieren

Branchen wie Automotive undMaschinenbau, Bio- und Medizin-technik sowie Energie- und Ver-kehrstechnik. Im Dienstleistungs-sektor nimmt Bayern als Versiche-rungs-, Banken- und Börsenplatzin Deutschland Spitzenplätze ein.Die Infrastruktur ist in denSchlüsselbereichen Verkehr, Energieund Telekommunikation erstklassik.Die große Zahl ausländischer

Unternehmen, die sich in denletzten Jahren und Jahrzehntenim Süden Deutschlands niederge-lassen haben, beweist die hoheAttraktivität Bayerns als interna-tionaler Innovationsstandort fürhochwertige Forschungs- undEntwicklungsaktivitäten und Pro-duktionen.Last but not least verfügt Bayernüber eine Vielzahl attraktiver „wei-cher“ Standortfaktoren: ein Kul-turangebot von Weltrang, intakteUmweltbedingungen, einen hohenFreizeitwert, Weltoffenheit, innereSicherheit sowie soziale und politi-sche Stabilität.

Quelle:Bayerisches Staatsministeriumfür Wirtschaft, Infrastruktur,Verkehr und Technologie

Für die Zukunft gerüstet

9Wirtschaftsstandort Bayern

Wieskirche Nürnberg

Europäisches Patentamt

Flughafen München

Messe München

Der weltweite Halbleitermarktwird voraussichtlich im Jahre 2012ein Volumen von knapp über 300Milliarden US Dollar haben [1].Der Marktanteil von integriertenSchaltungen (ICs) liegt bei 81,7%des Marktvolumens. Der Anteilan ICs setzt sich zusammen aus82,7% digitale ICs und 17,3%analoge ICs. Diskrete Halbleiter-bauelemente (6,8%), optischeHalbleiter (ca. 8,7%) sowie Sen-soren und Aktoren (ca. 2,8%)haben einen Marktanteil vonzusammen etwa 18,3%.Betrachtet man durchaus unter-schiedliche Teilbereiche derHalbleiterelektronik wie bei-spielsweise die Mikro- undNanoelektronik, die Leistungs-elektronik oder die Optoelektro-nik, so zeigen sich schnell ge-meinsame Herausforderungen:

Strukturen und Bauelementemüssen kontinuierlich leistungs-fähiger und kompakter werden.Sie sollen neue Anwendungsge-biete erschließen und gleichzeitigkostengünstig und in hohenStückzahlen zu fertigen sein.Dazu werden neue Materialienund Funktionselemente einge-setzt, gleichzeitig müssen Qua-litäts- und Zuverlässigkeitsan-forderungen eingehalten oder ver-bessert werden.Daraus erwachsen vielfältige An-forderungen an moderneAnalyseverfahren. Auf der einenSeite müssen sie Schritt haltenmit der rapiden Strukturverklei-nerung, die vor allem die Sili-ziumtechnologie vorgibt. Auf deranderen Seite müssen neue Mate-rialien mit völlig unterschied-lichen Eigenschaften charakteri-siert werden. Das Spektrum reicht

von organischen Halbleitermate-rialien mit weichen Oberflächenbis zu harten und ultrahartenHalbleitern wie Galliumnitridoder Siliziumcarbid. Nicht zuletztdie vieldiskutierte Energiewendeforciert den Einsatz der beidenletztgenannten Materialien als viel-versprechende Grundmaterialienfür leistungselektronische Bauele-mente.Neben der Erfassung der Topo-graphie müssen auch verschiede-ne physikalische oder chemischeEigenschaften der Halbleiter-strukturen vermessen werden.Dazu eignet sich insbesondere dieRaster-Sonden-Mikroskopie, diemit ihren vielfältigen Verfahreneine große Bandbreite an Metho-den für die Erforschung, Entwick-lung und Analyse von Halbleiter-bauelementen und Materialienbesitzt [2, 3, 4, 5, 6, 7].

Raster-Sonden-Mikroskopie Analyseverfahrenfür die

Halbleiterelektronik

10

Raster-Sonden-M

ikroskopie

Eine erfolgreiche Entwicklung und Fertigung von elektronischen Bauteilen und Systemenerfordert leistungsfähige und kontinuierlich optimierte Analysemethoden. Viele der not-wendigen Analyseverfahren sind aufgrund der hohen Personal- und Sachaufwendungenmittlerweile so aufwändig geworden, dass sie von einzelnen Industrieunternehmen undKMUs (kleinen und mittleren Unternehmen) nicht mehr in Eigenregie getragen werden können.Die Arbeitsgruppe Mikro- und Nanoanalytik an der Hochschule Deggendorf trägt der Ent-wicklung Rechnung. Das Grundkonzept der Arbeitsgruppe liegt in dem Ansatz, innovativeAnalyseverfahren, die ein hohes Know-how und eine kontinuierliche Weiterentwicklungbenötigen, an der Hochschule zu konzentrieren und Unternehmen und Forschungseinrich-tungen als Entwicklungs- und Dienstleistungspartner zur Verfügung zu stehen. Die Raster-Sonden-Mikroskopie spielt dabei aufgrund ihrer extrem hohen Auflösung, ihres weitenAnwendungsspektrums sowie ihres enormen Entwicklungspotenzials eine zentrale Rolle.

Einleitung

Topographiesignal wird aus derAuslenkung des Cantilevers bzw.aus dem Höhensignal an den Pie-zo generiert.Das AFM stellt drei fundamentaleMessmodi zur Verfügung. DieSpitze ist entweder direkt in Kon-takt mit der Oberfläche (Kontakt-Modus, Contact-Mode, Cont-AFM) oder sie wird im Abstandvon einigen zehn Nanometernüber die Oberfläche geführt(Non-Contact-Mode, NC-AFM)(Bild 3). Cont-AFM hat ein sehrgutes Signal-Rauschverhältnis, weistaber einen hohen Verschleiß derSpitze auf und kann ggf. auch dieProbe beschädigen. Beim NC-AFM gibt es weder einen Ver-schleiß der Spitze noch eineBeschädigung der Probe, aber dasSignal-Rausch-Verhältnis ist er-heblich schlechter. Eine dritteMethode liegt genau dazwischenund vereint die Vorteile beiderMethoden. Es ist dies IC-AFM(IC-Modus, Intermittent-Contact-Mode) (Bild 3). Dabei wird dieSpitze nahe ihrer Resonanzfre-quenz (60-450kHz) betrieben undist deshalb am Ende der Bewegungin Richtung der Oberfläche nursehr kurz in Kontakt mit der Pro-benoberfläche. Dadurch wird derVerschleiß der Spitze im Vergleichzum Contact-Mode vermindert,gleichzeitig erhält man ein deutlichhöheres Signal-Rauschverhältnisals beim Non-Contact-Mode.Für Raster-Sonden-Untersuchun-gen im Bereich der Halbleiterbau-elemente und –Materialien werdenbevorzugt AFM basierte Verfahrenund Methoden eingesetzt, da sieweder eine aufwändige Vakuumum-gebung benötigen, noch auf die Ver-wendung leitfähiger Sonden undProben limitiert sind. Zudem stehenvielfältige Messmodi zur Verfügung[2, 3, 4, 5, 6]. Bild 4 zeigt ein moder-nes Raster-Kraft-Mikroskop [12],das an der Hochschule Deggendorfzum Einsatz kommt. Nachfolgendwerden einige Anwendungen derRaster-Kraft-Mikroskopie vorge-stellt.

Das Prinzip des Raster-Tunnel-Mikroskops beruht auf der Aus-wertung eines elektrischen Tun-nelstroms zwischen Sonde undProbe. Beide müssen leitfähig seinund sich im Hochvakuum befin-den. Der Tunnelstrom ist abhän-gig vom Abstand zwischen Spitzeund Probe und wird während derMessung konstant gehalten.Die Funktion des AFM beruhtauf der Kraftwirkung zwischenRastersonde und Probe. Die wir-kende Kraft wird detektiert undzur Einstellung des Abstandeszwischen Spitze und Probe sowiezur Generierung des Topogra-phiesignals genutzt. Das AFMbenötigt im Gegensatz zum STMkein Vakuum als Messumgebung

und die Topografiemessung kannauch mit nicht leitfähigen Spitzenund Proben durchgeführt werden.Der prinzipielle Aufbau einesAFM ist im Bild 1 zu sehen [10].Die Rastersonde (Bild 2) befindetsich am Ende eines Hebelarms(engl. Cantilever), der sich auf-grund der Kraftwechselwirkungzwischen Rastersonde und Probeverbiegt [11]. Auf die Rückseitedes Cantilevers wird ein Laser-strahl gerichtet, der hier reflek-tiert und durch ein Spiegelsystemauf einen Detektor gelenkt wird.Die Detektorsignale steuern übereinen Rückkoppelmechanismuseinen Piezo an, mit dessen Hilfedie Sonde in vertikaler und hori-zontaler Richtung gegenüber derProbe positioniert wird. Das

11Raster-Sonden-Mikroskopie

Alle Methoden der Raster-Son-den-Mikroskopie beruhen aufdemselben Prinzip. Die zu unter-suchende Probe wird mittelseiner Sonde bzw. Messspitze miteinem Radius von nur wenigenNanometern bis zu mehrerenzehn Nanometern in einemRaster aus Zeilen und Messpunk-ten je Zeile abgetastet. Im ein-fachsten Fall ist ein hochauflö-sendes Bild der Probentopogra-phie das Ergebnis.Es lassen sich im Wesentlichenzwei Gruppen von Raster-Son-den-Mikroskopen unterscheiden.Das Raster-Tunnel-Mikroskop(Scanning Tunnelling Microscope,STM) [8] und das Raster-Kraft-Mikroskop (Atomic Force Micros-cope, AFM) [9].

Abb. 1:Grundprinzip eines AFM mit zusätz-lichem Applikationsmodul zur Strommes-sung (Conductive-AFM) [10]

Abb.3:Grundlegende AFM Mess-Modi

Abb.2:Hochauflösende Platin-Messsondemit einem Spitzenradius unter 8 nm. Diesentspricht etwa dem 10.000 Teil des Durch-messers eines menschlichen Haares [11]

Raster-Sonden-MikroskopiePrinzipien

In der Halbleiteranalyse im Allge-meinen und in der Siliziumtech-nologie im Besonderen spielt dieLadungsträgerverteilung in denBauteilstrukturen eine entschei-dende Rolle. Ein gängiges Prinzipzur Messung der Ladungsträger-verteilung mit dem Raster-Son-den-Mikroskop beruht auf derKapazitätsmessung zwischen Spit-ze und Probe. Standard Scanning-Capacitance-Microscopy (Standard-SCM) [6,13] ist ein elektrisches Messverfah-ren im Kontakt-Modus und benötigteine leitfähige Spitze sowie einzusätzliches elektronisches Applika-tionsmodul zur Signalerzeugung

und Detektion. Topographie undKapazitätssignal werden simultanaufgezeichnet. Bild 5 zeigt einBeispiel der Überlagerung derTopographie mit einem zweidi-mensionalen Ladungsträgerprofils[2]. Standard-SCM zeigt jedochbislang noch Schwächen bei derexakten Lokalisierung von pn-Übergängen. Außerdem ist diemetallbeschichtete Spitze einemhohen Verschleiß ausgesetzt, weilStandard-SCM im Kontakt-Modus arbeitet. Die Metallschichtauf der Spitze reibt sich ver-gleichsweise schnell ab und dieMessung wird unsicher und insta-bil. Des Weiteren kontaminiertder Abrieb die Probenoberflächeund die Spitze kann sogar auf-

grund der hohen Drücke dieOberfläche beschädigen.Die Nachteile von Standard-SCMkönnen weitgehend durch einneues, an der Hochschule Deg-gendorf entwickeltes Verfahrenumgangen werden. Das neue Ver-fahren basiert ebenso auf demPrinzip der Kapazitätsmessung,arbeitet aber im Gegensatz zuStandard-SCM praktisch ver-schleißfrei im IC-Modus. DieMethode heißt deshalb auch IC-SCM [14] und grenzt sich imBezug zu Standard-SCM dahin-gehend ab, dass kein ständigerKontakt zwischen Messsonde undProbe besteht. Durch die weitge-hende Eliminierung der lateralenKräfte zwischen Rastersonde undProbenoberfläche lässt sich dasSpektrum der zu analysierendenWerkstoffe von sehr weichen biszu ultraharten Materialien erwei-tern ohne die Probenoberflächeoder die Rastersonde zu schädigen.Neben dem Vorteil des praktischverschleißfreien Messens hat IC-SCM auch eine verbesserte Orts-auflösung gegenüber Standard-SCM (Bild 6). Außerdem eröffnetIC-SCM die Möglichkeit zwi-schen Metall- und Halbleiter-strukturen zu unterscheiden.Dies ist wichtig, weil neben derLadungsträgerverteilung die exak-te Lage von Metallisierung undKontaktierung der Halbleiter-struktur entscheidend für diezuverlässige Funktion des Bauteilsist. In Bild 7 ist im IC-SCM-Bilddie Metallisierung deutlich zuerkennen, im Kontakt-SCM-Bild(Standard-SCM) ist dies nicht derFall.

Organische Halbleiter

Derzeit entstehen neue Massen-märkte für dünne und flexibleelektronische Komponenten, dieunter dem Sammelbegriff „Ge-druckte Elektronik“ zusammenge-fasst werden können. Durch deneinfachen Aufbau, z.B. auf Poly-

12 Raster-Sonden-Mikroskopie

Abb. 4:Raster-Kraft-Mikroskope Dimenson ICON, Bruker Corporation [12],mit angebautemStromsensor und verschiedenen Proben auf dem runden Messtisch

Abb. 5:Überlagerung eines zweidimensionalen Ladungsträgerprofils mit der Topographieeiner Speicher- Zelle, aufgenommen mit Standard-SCM [2]

Raster-Sonden-Mikroskopiezur Analyse neuer Materialien

Raster-Sonden-Mikroskopiein der Siliziumtechnologie

estersubstraten, können dieseKomponenten preiswert in Ver-packungen und anderen Erzeug-nissen integriert werden. Bei-spielsweise finden „RFID“ (RadioFrequency Identifikation)-Mar-kierungen Anwendungen zur

kontaktlosen Identifizierung vonProdukten. Aber auch sogenannte„Smarte Objekte“, die als kombi-nierte Systeme aus verschiedenenKomponenten der Polymerelek-tronik bestehen, gewinnen zuneh-mend an Bedeutung. Ein zentra-les Kernstück dieser Systeme sindFeldeffekttransistoren aus organi-schen Materialien. Bild 8 zeigt das

Lichtmikroskopiebild eines einfachenorganischen Feldeffekttransistors(OFET) [15].Das Raster-Sonden-Mikroskopkann zur hochauflösenden elektri-schen Charakterisierung vonorganischen Filmen sehr gut ein-

gesetzt werden [16]. Dies istwichtig, weil die Homogenität derorganischen Schicht auf Nanome-ter-Ebene eine wichtige Rolle

spielt und beispielsweise Alte-rungsmechanismen, die die Funk-tion der Komponenten mit derZeit beeinträchtigen, noch nichtoder nur teilweise verstandensind. Bild 9 zeigt die Topographie unddas Tunnelstrombild des organi-schen Halbleiters Pentacene [15].Zwischen den Körnern zeigt sichim Tunnelstrombild (rechts) einerhöhter Stromfluss (dunkle Stel-len). Bei organischen Schichtenist zu beachten, dass diese ver-gleichsweise weich sind undAFM-Methoden im Kontakt-Modus nicht oder nur bedingt zurCharakterisierung geeignet sind.Bild 10 zeigt, dass hohe lateraleKräfte zu einem ungewollten Ab-trag der organischen Schicht füh-ren können und damit die Mes-sung negativ beeinflussen [17].Aus diesem Grund wurde Bild 9mit Torsional-Resonance-Tunne-ling-AFM (TR-TUNA) [18] auf-genommen. Im Gegensatz zuherkömmlichen Tunneling-AFM(TUNA) [19] bzw. Conductive-AFM (C-AFM) [20], das imKontakt-Modus arbeitet und zurAufnahme von Bild 10 verwendetwurde, ist die Beeinflussung derorganischen Schicht mit TR-TUNA vernachlässigbar.Ebenso wie TR-TUNA kann IC-SCM, das bereits im vorherigenAbschnitt beschrieben wurde,auch bei Polymer Filmen einge-setzt werden [16]. Ein Beispiel

13Raster-Sonden-Mikroskopie

Abb.7:Querschliff einer Halbleiterstruktur. Aufbau a) und Vergleich zwischen IC-SCM-Bild b)und Kontakt-SCM-Bild c) [14]

Abb.9:Topographie (links) und Tunnelstrombild (rechts) des organischen HalbleitersPentacene. Zwischen den Körnern zeigt sich ein erhöhter Stromfluss [15]

Abb.8: Lichtmikroskopbild eines Organi-schen Feldeffekttransistors (OFET)mit einerKanalbreite von 10 µm [15]

Abb.6:Raster-Kapazitäts-Mikroskopie an Halbleiterstrukturen:Vergleichende Aufnahmendes herkömmlichen Kontakt-SCM und des an der HDU Deggendorf entwickelten neuen Ver-fahrens (IC-SCM). Es zeigt sich eine erhöhte Ortsauflösung im Kapazitätsbild [14]

wird in Bild 11 gezeigt. Dadurch,dass die Spitze nicht dauernd inKontakt mit der Oberfläche derProbe ist, werden bei IC-SCMlaterale Kräfte weitgehend elimi-niert und die Beeinflussung derProbenoberfläche minimiert. Selbst nach mehreren Durchläu-fen der Messung sind Ver-schleißerscheinungen von Mess-spitze und Probe praktisch nichterkennbar. Das Funktionsprinzip von C-AFM ist im Bild 1 zu entnehmen,während in Bild 12 die Prinzipienvon IC-AFM und TR-TUNA inZusammenhang mit organischenSchichten dargestellt sind. ZurMessung elektrischer Größen isteine entsprechende Spannungs-bzw. Stromquelle sowie eine Aus-werteelektronik erforderlich. Quel-

len und Auswerteelektronik sindjeweils in speziellen Applikations-modulen zusammengefasst.

Halbleiter der Leistungs- und

Optoelektronik

Neben dem Silizium als geläufigs-tem Ausgangsmaterial für Stan-

dard-ICs, gewinnen in der Leis-tungselektronik zunehmend dieMaterialien Siliziumcarbid (SiC)und Galliumnitrid (GaN) an

Bedeutung. Die Gründe dafürsind vielfältig und liegen u.a. inder hohen Temperaturbeständig-keit, der hohen Packungs- undLeistungsdichte bei geringen Ver-lustleistungen sowie - insbeson-dere beim GaN – in höherenSchaltfrequenzen. Galliumnitrid

wird bereits seit vielen Jahrenerfolgreich in der Optoelektronikals Basismaterial für LED (LightEmitting Diode) und Halbleiterla-ser eingesetzt. Im Vergleich zumSilizium weisen die Ausgangsma-terialien noch eine signifikanthöhere Defektdichte auf. In Er-mangelung geeigneter Substratemüssen beispielsweise GaNSchichten epitaktisch auf Saphiroder SiC Trägern abgeschiedenwerden. Durch die unterschiedli-chen Gitterkonstanten entstehenFehlanpassungen und Gitterde-fekte wie beispielsweise Verset-zungen, die zu Ausfällen undLeckpfaden führen können oderZuverlässigkeitsrisiken mit sichbringen.

14 Raster-Sonden-Mikroskopie

Abb. 10:Topographiebild einer P3HT Schichtnach einer AFM Messung im Kontaktmo-dus. An den Umkehrpunkten der Sonde amlinken und rechten Rand der Scan-Fläche(rot gekennzeichnet) sind Materialanhäu-fungen zu beobachten [17]

Abb. 11:C-SCM Bild einer P3HT Schicht (Dicke 10nm). IC-SCM ermöglicht die simultane Darstel-lung der Topographie (links) und der zweidimensionalen Kapazitätsverteilung (rechts) [16]

Abb. 12: Prinzipieller Aufbau von IC-AFM (links) und TR-TUNA (rechts) am Beispiel von Anwen-dungen an organischen Halbleitern.Links wird eine P3HT Schicht untersucht, ein organischerp-Halbleiter, während rechts ein organischer Isolator untersucht wird [16]

Abb. 13: Topographie (links) und Tunnelstrombild (rechts) einer epitaktischgewachsenen GaN Schicht zeigt die Wachstumsterrassen sowie den Zusammenhangzwischen Oberflächen-Fußpunkten von Versetzungen und Strom-Leckpfaden,simultan bestimmt durch PeakForce TUNA [17]

Zur mikroskopischen Untersu-chung dieser Effekte sind dieVerfahren der Raster-Sonden-Mik-roskopie bestens geeignet. Jedochunterscheiden sich diese Materia-lien signifikant vom Silizium hin-sichtlich der analytischen Anfor-derungen. Beispielsweise sind siewesentlich härter und führen beiRSM basierten Analysemethodenim Kontakt-Modus zu einer star-ken Degradation der AFM-Spit-zen und einem Verlust an Auflö-sungsvermögen. Die etabliertenRSM Verfahren müssen deshalbkontinuierlich angepasst und opti-miert werden.In Bild 13 ist die Oberfläche einerGaN Schicht zu erkennen sowieFußpunkte von Versetzungen, dieals Oberflächenpits in Erschei-nung treten [17]. Mit Hilfe einerspeziellen Tunnelstrommethodik(PeakForce TUNA) [21], bei derdie Rastersonde nur kurzzeitig inKontakt mit der Probenoberflächetritt, können einerseits Leckströ-me aufgezeichnet werden undandererseits Oberflächendetailswie Terrassenstrukturen mit Stu-fenhöhen im Bereich wenigerNanometer nachgewiesen wer-den. Damit lassen sich unmittelbarWachstumsbedingungen von Schich-ten mit elektrischen Eigenschaf-ten der erzeugten Strukturen kor-relieren.

Neben den klassischen Halbleiter-materialien eignen sich RSM Ver-

fahren auch zur Charakterisierungvon kohlenstoffbasierenden Schich-ten und Strukturen wie beispiels-weise Diamant, Graphen, CarbonNanotubes oder amorphen Koh-lenstoffschichten. Letztere sindsehr hart und besitzen gleichzeitigeinen niedrigen Reibwert. Siewerden häufig als Schutzschich-ten, beispielsweise in Festplatten-speichern, eingesetzt. Durch einpartielles Abtragen der oberstenAtomlagen in Form eines Gitter-rasters sowie einer anschließen-den Tunnelstrommessung lässtsich mit Hilfe von RSM Verfah-ren prüfen, ob sich an der Ober-fläche einer harten amorphenKohlenstoffschicht eine ultradün-ne Graphitschicht befindet, diedie tribologischen und elektri-schen Eigenschaften der Ober-fläche beeinflusst (Bild 14) [22].Die Verfahren der Raster-Son-den-Mikroskopie sind sehr uni-versell und beschränken sich nichtnur auf die diskutierten Anwen-dungsfälle. Sie bieten weite Ein-satzbereiche in Wissenschaft undTechnik und verfügen über einhohes Zukunftspotenzial. Bei-spielsweis rücken in den letztenJahren verstärkt auch Anwendun-gen in der Biologie in den Vor-dergrund [23].

[1] „World Semiconductor TradeStatistics, WSTS,“ 2012.[Online]. Available:http://www.wsts.org/content/down

load/2311/15662.[Zugriff am 14 11 2012].

[2] T. Schweinbock, S. Scho-mann, D. Alvarez, M. Buzzo,W. Frammelsberger, P. Breit-schopf und G. Benstetter,„New trends in the application ofscanning probe techniques infailure analysis,“ MicroelectronicsReliability, Bd. 44, Nr. 9-11,pp. 1541-1546, 2004.

[3] H. Kumar Wickramasinghe,„Development of the technologyand applications of the scanningprobe microscope,“ Microscopyand Analysis, Bd. 26, Nr. 6,pp. 27-30, 2012.

[4] G. Benstetter, R. Bibergerund D. Liu, „A review of advan-ced scanning probe microscopeanalysis of functional films andsemiconductor devices,“Thin Solid Films, Bd. 517,Nr. 17, pp. 5100-5105, 2009.

[5] W. Frammelsberger,G. Benstetter, J. Kiely undR. Stamp, „C-AFM-based thick-ness determination of thin andultra-thin SiO2 films by use ofdifferent conductive-coatedprobe tips,“Applied Surface Science, Bd. 253, Nr. 7, pp. 3615-3626,2007.

[6] G. Benstetter, P. Breitschopf,W. Frammelsberger, H. Ran-zinger, P. Reislhuber undT. Schweinboeck, „AFM-basedscanning capacitance techniquesfor deep sub-micron semicon-ductor failure analysis,“Microelectronics Reliability,Bd. 44, Nr. 9-11, pp.1615-1619, 2004.

[7] M. Lanza, M. Porti, M. Nafria,G. Benstetter, W. Frammels-berger, H. Ranzinger, E. Loder-meier und G. Jaschke, „Influenceof the manufacturing process onthe electrical properties of thin

Abb. 14: Topographie (links) und simultan gemessene Stromdichteverteilung (rechts)einer nanostrukturierten DLC Schicht, zeigt nach gitterförmigem Abtragen der obers-ten Atomlagen einen erhöhten Stromfluss durch die verbleibenden Inseln dergraphitähnlichen Oberflächenschicht [22]

15Raster-Sonden-Mikroskopie

Weitere Anwendungen

Referenzen

(< 4 nm) Hafnium based high-kstacks observed with CAFM,“Microelectronics Reliability, Bd. 47,Nr. 9–11, pp. 1424-1428, 2007.

[8] G. Binnig, H. Rohrer,C. Gerber und E. Weibel,„Surface studies by scanningtunneling microscopy,“ PhysicalReview Letters, Bd. 49, Nr. 1,pp. 57-61, 1982.

[9] G. Binnig, C. F. Quate undC. Gerber, „Atomic Force Micro-scope,“ Physical Review Letters,Bd. 56, Nr. 9, pp. 930-933, 1986.

[10] G. Benstetter, W. Fram-melsberger, T. Schweinboeck,R. J. Stamp und J. Kiely, „Con-ducting atomic force microscopystudies for reliability evaluation ofultrathin SiO2 films,“ in IntegratedReliability Workshop 2002 - FinalReport, IEEE, Hrsg., pp. 21-28.

[11] G. Benstetter, „Qualitäts-sicherung mikroelektronischerSysteme und Oberflächen,“ inForschungsbericht 2011, Hoch-schule Deggendorf, Hrsg.,Deggendorf, 2011, pp. 55-59.

[12] Bruker Corporation,„Dimenson Icon,“ 2012. [Online].Available:http://www.bruker.com/en/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/dimension-icon/overview.html.[Zugriff am 14 11 2012].

[13] Bruker Corporation,“Scanning Capacitance Microsco-py (SCM),“ 2012. [Online].Available:http://www.bruker.com/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/modes/modes/nanoelectrical-modes/scm.html.[Zugriff am 20 11 2012].

[14] R. Biberger, „Entwicklungund Optimierung dynamischerMethoden der Raster-Sonden-Mikroskopie zur Charakterisie-

rung von Halbleiterstrukturen,“Helmut-Schmidt-UniversitätHamburg, 2012.

[15] A. Hofer, „Projekt Polymer-elektronik,“ in Forschungsbericht2011, Hochschule Deggendorf,Hrsg., Deggendorf, 2011,pp. 46-47.

[16] A. Hofer, R. Biberger,B. Wilke, G. Benstetter undH. Goebel, „Capacitance andConductivity Mapping of OrganicFilms and Devices with Non-Contact SPM Methods,“ inInternational Workshop onScanning Probe Microscopy, Mainz,2011.

[17] A. Hofer, G. Benstetter,R. Biberger, C. Leirer undG. Brüderl, „Analysis of crystaldefects on GaN based semicon-ductors with advanced scanningprobe microscope techniques,“in The 6th International Conferenceon Technological Advances of ThinFilms & Surface Coatings ,Singapore, 2012.

[18] Bruker Corporation,„Torsional Resonance TunnelingAFM (TR-TUNA),“ 2012.[Online]. Available:http://www.bruker.com/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/modes/modes/nanoelectrical-modes/tr-tuna.html.[Zugriff am 20 11 2012].

[19] Bruker Corporation,„Tunneling AFM (TUNA),“2012. [Online]. Available:http://www.bruker.com/en/roducts/surface-analysis/atomic-force-microscopy/modes/ modes/nanoelectrical-modes/tuna.html.[Zugriff am 20 11 2012].

[20] Bruker Corporation, „Con-ductive AFM (C-AFM),“ 2012.[Online]. Available:http://www.bruker.com/products/surface-analysis/atomic-force-

microscopy/modes/modes/nanoelectrical-modes/c-afm.html.[Zugriff am 20 11 2012].

[21] Bruker Corporation,„PeakForce TUNA,“ 2012.[Online]. Available:http://www.bruker.com/en/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/modes/modes/nanoelectrical-modes/pf-tuna.html.[Zugriff am 23 11 2012].

[22] D. Liu und G. Benstetter,„Conducting atomic force micros-copy for nanoscale electron emis-sions from various diamond-likecarbon films,“Applied Surface Science,Bd. 249, Nr. 1–4, pp. 315-321, 2005.

[23] C. Frewin, Hrsg., AtomicForce Microscopy Investigationsinto Biology - From Cell toProtein, InTech, 2012.

Autoren:

Hochschule DeggendorfFakultät Elektrotechnikund Medientechnik

Edlmairstr. 6 + 894469 Deggendorf

Hochschule DeggendorfFakultät Maschinenbauund Mechatronik

Edlmairstr. 6 + 894469 Deggendorf

Kontakt:Tel.: +49 (0)991 3615 513Fax: +49 (0)991 3615 513E-mail:guenther.benstetter@hdu-deggendorf.de

Prof. Dr.-Ing.GüntherBenstetter

Prof. Dr.WernerFrammelsberger

16 Raster-Sonden-Mikroskopie

Zu unserem Kundenkreis zählenweltweit namhafte Firmen von derMobilfunkbranche, Medizintechnik,Elektronik-, Luftfahrt- und Autoin-dustrie, bis hin zu öffentlichen Auf-traggebern.Mit 60 Beschäftigten entwickelnund fertigen wir Komponenten,Geräte und Systeme nach Ihrenindividuellen Vorgaben. Unsereelektronischen Produkte umfassenz.B. Koaxrelais, Abschwächer,Leistungsteiler, Signalverteilungs-anlagen, HF Matrizen, konfektio-nierte Koaxkabel und vieles mehr.Komplizierte Schalt- und Verteil-aufgaben im HF-Bereich habenuns zu einem führenden Hersteller

von Relaisschaltfeldern werden las-sen. Für die Mobilfunkbranche lie-fern wir – rund um den Globus –Schirmboxen, Funkfeldnachbildun-gen und Smart Antenna Simulatoren.Zum Ansteuern unserer Geräte undSysteme bieten wir Softwarelösun-gen und/oder binden gewünschteProgrammabläufe in unsere Geräte-software ein.Im eigenen Haus verfügen wir übermehrere moderne CNC-Fertigungs-zentren, mit denen wir Präzisions-frästeile mit hohen Anforderungennach Kundenvorgaben produzieren.Bei Bedarf übernehmen wir gernedie Konstruktion für Sie. AufWunsch werden die Teile komplett

montiert, bestückt, getestet und/odervermessen. Unser Mechanikprogramm bietetauch Standardgehäuse aus Alumini-um, wie z.B. Profil-, Fräs-, Kasset-ten- und 19“-Einschubgehäuse.Der Vertrieb von koaxialen Steck-verbindern und konfektioniertenKabeln der Firma IMS Connectorsrundet unser Produktangebot ab.

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Für den HF-, EMV- und Mechanikbereich

Elektrische Antriebe und deren Pro-duktion – ein immer wichtiger wer-dendes Thema. Die positiven Zah-len und die begeisterte Resonanzverdeutlichen die Bedeutung derE|DPC als gemeinsame Kommuni-kationsplattform für Experten ausWissenschaft und Industrie im Be-reich der Produktion elektrischerAntriebe.Für Hersteller und Anwendervon elektrischen Antriebssystemenbieten sich zahlreiche neue Chan-cen. Denn nur durch den Einsatzleistungsfähiger elektrischer An-triebe können Herausforderungenwie Energieeinsparung, E-Mobi-lity, CO2-Reduzierung und diefortschreitende Automatisierung ge-löst werden. Um diese Chancen zuergreifen, müssen Produktionspro-zesse optimiert, die Leistungsfähig-keit, insbesondere der mobilen elekt-rischen Antriebe, verbessert undneue Wertschöpfungsketten aufge-baut werden.Die Electric Drives ProductionConference bietet dabei eine hoch-wertige Informations- und Diskus-sionsplattform zum Erfahrungsaus-tausch und zur Wissensweitergabefür Experten, Wissenschaftler undUnternehmer rund um die Produk-tion elektrischer Antriebe.In 16 Vortrags- und einer Posterses-sion mit insgesamt fast 80 Präsenta-tionen informierte die E|DPC überaktuelle Trends und Entwicklungen.Neben Präsentationen zu Anwen-dung und Gestaltung elektrischer

Maschinen, neuen Materialien undelektronischen Komponenten, com-puterintegrierten Fertigungsverfah-ren und umweltorientierten Produk-tionsprozessen, innovativen Ferti-gungs- und Montagetechnologienwurde in einer Session auch auf dieIntegration und Produktion vonLeistungselektronik eingegangen.Der Vortagende der ersten Präsen-tation aus dieser Session, Dr. Schulzvon Infineon Technologies, sieht inder Wärmeleitpaste einen oft unter-schätzten aber entscheidendenBestandteil im Aufbau von Leis-tungselektronik. Für die Herstellungdieser Hochleistungs-Schicht wer-den eine Reihe von Details, die beiMaterial und Produktionsprozessbedacht werden müssen, benötigt,dass es der Beanspruchung durch dieLeistungsmodule standhält. DasModul, die Wärmeleitpaste und denApplikationsvorgang als eine inte-

grierte Lösung anzubieten, ist einSchritt zu einer sichereren und ein-facheren Produktion. Es sind weni-ger Bearbeitungsschritte nötig, diethermische Eigenschaften verbes-sern sich und eine hohe Langzeit-stabilität wird erreicht.Ein weiterer wichtiger Punkt, denDr. Matzka von der Audi AG prä-sentierte, ist die methodische Inte-gration von Elektromotoren fürElektro- und Hybridautos in denvirtuellen Validierungsprozess. Da-bei wird zuerst eine analytische De-montage des physikalischen Modelsdurchgeführt, um die Herstellungs-schritte zu bestimmen. Diese wer-den auf ein bereits existierendesProduktionsschema übertragen undanschließend ein virtuelles Vali-dierungskonzept erstellt. Dadurchkönnen Fehler- und Risikoquellenfrühzeitig entdedeckt werden, wasden Einsatz von Schutzmaßnahmen

Neue Chancen fürHersteller und Anwenderelektrischer Antriebssysteme

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Im Rahmen der E|DPC 2012 fanden 16 Vortragssessions mit über 60 Vorträgen statt

möglich macht. Zuletzt wurdezusätzlich ein Entwurf des Arbeits-platzes mit DELMIA V5 erstelltum einen virtuellen Menschen zuintegrieren, mit ergonomische Ana-lysen in der virtuellen Validationdurchgeführt werden können.Im Motorraum moderner Autos istmöglichst geringer Platzverbraucheinzelner Bauteile ein wichtigerPunkt, weshalb eine hohe Integra-tionsstufe der Komponenten neueChancen für elektronische Bedien-einheiten von Automobilen sind, soRandoll von der Daimler AG. Dieneuen anspruchsvollen Konstruktio-nen bieten die Möglichkeit Draht-längen zu verringern und Verbin-dungsdrähte mit eingebauten An-schlüssen zu ersetzen, was unge-wünschte Induktivitäten verringert.Daraus wiederum folgt die Möglich-keit, die Spannung pro Schalter zuerhöhen, wodurch sich die Leis-tungsdichte der Module, bei gleich-bleibenden Halbleiterschaltern, er-höht. Mit einer Integration vonKomponenten in PCB Technologieentstehen neue spezielle Anforde-rungen. Wegen veränderter Tempe-raturabläufe und Vibrationslastenmüssen neue Dauerprüfungen fest-gelegt und vom Zulieferer überprüftwerden. Neben der E|DPC wurde im Rah-men der parallel veranstaltetenE|TEV, der 1. internationalen Kon-ferenz zur Energieübertragung inElektrofahrzeuge, in insgesamt 16

Fachvorträgen der weltweit aktuelleStand im Bereich kontaktloserEnergieübertragungstechnologien so-wie Marktvoraussetzungen undEinführungsszenarien präsentiert.Prof. Covic von der University ofAuckland, Neuseeland sprach inseinem Vortrag über die Vorteilevon kontaktloser Energieübertra-gung für den Einsatz im Verkehr. ImMoment sind die kritischen Punktenoch der Anordnung der Magneteund die kreisförmigen Pads, welchekeine ausreichende Übertragung derEnergie auf die Straße ermöglichen.Diese Probleme können durch einanderes Design der Spulen, z.B. inForm von zwei D und einem Q,sowohl für den dynamischen alsauch für den stationären Ladevor-gang gelöst werden. Vorteile wärenein erhöhter Kopplungsfaktor undeine Standby-Funktion. Die He-rausforderung ist nun, ein günstiges,robustes und effiziertes Hauptsys-tem für Verkehrswege anzulegen.Über den Aufbau, die Möglichkei-ten, Chancen und Einschränkungenvon kontaktloser Energieübertra-gung und Datentransfer sprachenReferenten des IFAK Magdeburg.Da induktive Übertragungssystemeoftmals in Resonanz arbeiten, isteine Optimierung von Magnetensys-tem und Leistungselektronik wich-tige Voraussetzung für den Aufbauder kontaktlosen Übertragungssys-teme bei hoher Leistung und Effizi-enz. Ebenfalls wichtig sind die

Minimierung von Luftspalten undeine geringe Abstrahlung, welchedurch Filter oder kreisförmigeStrukturen der Pads realisiertwerden können. Die Auszeichnung des Best Papersging 2012 an Benjamin Bickel vonder Universität Erlangen-Nürnbergfür seinen Vortrag über eine Ferti-gungszelle für das Bewickeln undZusammenbauen eines segmentier-ten Stators für PM-taktsynchroneMaschinen für Hybridfahrzeuge undan Kazayuki Yamamoto von Mitsu-bishi Electric, Amagasaki, Japan, wel-cher über die Entwicklung von kern-geteilter Motorproduktionstechnikmit Einbau durch Presseinpassungreferierte.In der begleitenden Ausstellung, prä-sentierten 27 namhafte Firmen neueMaterialien, Fertigungstechnologienund Produkte für Elektromotoren.Abgerundet wurde die Veranstaltun-gen durch die Besichtigung von Her-stellern und Forschungsinstituten inder Metropolregion Nürnberg. Die E|DPC 2013 wird vom 29. –30. Oktober 2013 wieder in Nürn-berg stattfinden. Autoren haben bis28.02.2013 die Möglichkeit, Kurz-beiträge einzureichen. WeitereInformationen ab sofort unterwww.edpc.eu.

Autor:

Dipl.-Ing.Alexander Kühl

Lehrstuhl für Fertigungsautoma-tisierung und ProduktionssystematikFriedrich-Alexander-Univesrsität

Erlangen-Nürnberg

Fürther Str. 246b90429 NürnbergTel.: +49 911 5302-9066Fax: +49 911 5302-9070E-mail:Alexander.Kuehl@faps.uni-erlangen.dewww.faps.uni-erlangen.de

19Produktion elektrischer Antriebe

In der begleitenden Ausstellung präsentierten zahlreiche namenhafte Unternehmenihre Fertigungstechnologien im Bereich der Produktion elektrischer Antriebe

Die in Regensburg ansässige Maschi-nenfabrik Reinhausen GmbH (MR)ist mit 24 Tochtergesellschaften inglobalen Nischen der Energietechnikerfolgreich. Im Geschäftsjahr 2011erwirtschafteten 2.700 Mitarbeitereinen Umsatz von über 600 Millio-nen Euro. Mehr als 50 % des welt-weiten Stromverbrauchs wird mitMR-Produkten geregelt.Kerngeschäft ist die Regelung vonLeistungstransformatoren in Über-tragungsnetzen. Diese erfolgt mitHilfe von Stufenschaltern undUmstellern, die das Übersetzungs-verhältnis der Primär- zur Sekun-därwicklung an wechselnde Lastver-hältnisse anpassen und zusammenmit weiteren innovativen Produktenund Dienstleistungen eine störungs-freie Stromversorgung sicherstellen.Weitere bedeutende Geschäftsberei-che sind der Bau von Prüffeldern fürNetzkomponenten, die Herstellungvon Verbundhohlisolatoren sowieSysteme zur Vermeidung von

Netzrückwirkungen durch Erzeugerund Verbraucher. Bewusst auf einenanderen Kundenkreis zielen Softwareund Beratung zur effizienten Steue-rung variantenreicher Fertigungs-systeme sowie Beschichtungsprozes-se mit Hilfe der Plasmatechnik. Kun-den sind Hersteller von Hochspan-nungsgeräten und -anlagen, Energie-versorgungsunternehmen sowie diestromintensive Großindustrie.Die Aktivitäten des REINHAUSEN-Konzerns werden von Regensburgaus gesteuert. Hier befinden sichdie Geschäftsleitung, Vertrieb undMarketing, Forschung und Ent-wicklung sowie hoch qualifizierteArbeitsplätze weiterer Wertschöp-fungsstufen, darunter auch wesent-liche Teile der Produktion. MitHilfe erheblicher Investitionen inProdukte, Prozesse, Mitarbeiterund Standorte werden aktuell dieVoraussetzungen für eine Fortset-zung des kontinuierlich hohenWachstums geschaffen.

MaschinenfabrikReinhausen:

Erfolg in globalen Nischen der Energietechnik

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REINHAUSEN-Konzern:

Zahlen, Daten, Fakten

Geschäftsführer:Dr. Nicolas Maier-Scheubeckund Michael Rohde

Leistungsportfolio:Mess-, Steuer-, Regelungs- und Automa-tisierungstechnik für Transformatoren,Systeme zur Regelung von Strom-Vertei-lungsnetzen und zur Vermeidung vonNetzrückwirkungen, stationäre und mo-bile Prüftechnik, Isolatoren aus Verbund-stoffen, Software und Beratung zurSteuerung variantenreicher Fertigung,Anlagen zur Oberflächenmodifikationmit Hilfe der Plasmatechnik.

Standorte:Amerika: Embu (Brasilien); Charlotte, Dal-las, Humboldt (USA); Montreal (Kanada).Asien: Hongkong, Shanghai, Suzhou(China); Kuala Lumpur (Malaysia); Jakar-ta (Indonesien); Rockdale (Australien);Seoul (Korea); Yokohama (Japan). Europa: Regensburg, Berlin, Dortmund,Dresden, Erfurt, Oberursel, Wiebelsheim(Deutschland); Ljubljana (Slowenien);Luxemburg (Luxemburg); Mailand (Ita-lien); Moskau (Russland); Vallentuna(Schweden).Mittlerer Osten, Indien, Afrika: Chennai(Indien); Dubai (VAE); Johannesburg(Südafrika); Zanjan (Iran).

Kontakt:

MASCHINENFABRIK REINHAUSENGMBH

Falkensteinstr. 893059 RegensburgTel.: +49 941 4090-0Fax : +49 941 4090-7001E-mail:sales@reinhausen.comwww.reinhausen.com

GRIDCON® iTAP® - die Weltneuheit der Maschinenfabrik Reinhausen. Erhöht die Auf-nahmefähigkeit des Verteilungsnetzes für erneuerbare Energien. Die Lösung für einewirtschaftliche Energiewende made by MR

Sensorik

Das Netzwerk der StrategischenPartnerschaft Sensorik (SPS) bildetim Rahmen der Cluster-Offensivedes Freistaats Bayern die Cluster-plattform für den Bereich Sensorik.Mit seinen rund 55 Mitgliedernund 200 Akteuren bietet er nebender Unternehmensvernetzung, Inno-vationsförderung und Kompetenz-bildung zahlreiche konkrete Vor-teile für seine Mitgliedsunterneh-men, -institutionen und somit fürdie gesamte Region an. Dazu zählen beispielsweise dieUnterstützung bei der Suche nachgeeigneten Kooperationspartnernsowie die Vermittlung, Aus- undWeiterbildung von qualifiziertenFachkräften. Auch im Bereich Mes-sen ist das Netzwerk aktiv, zumBeispiel mit einem Gemeinschafts-stand in Kooperation mit verschie-denen Mitgliedsfirmen bei derSensor+Test in Nürnberg.Das Netzwerk ist in einer Regionund einer Branche aktiv, die stetigim Wandel ist. Es entwickelt zumBeispiel Lösungen zu Themen wiedem Fachkräftemangel und demdemografischen Wandel, veranstal-tet technologische Weiterbildungenund Foren und bringt Unternehmenaktiv zusammen. Als dynamischer und innovativerVerein ist er ein ausgezeichneterKooperationspartner zur Nutzungvon Synergien. Hier sind allen vorander gegenseitige Austausch bei Ver-

anstaltungen und die Nutzung derjeweiligen Expertise von enormerBedeutung. Im Bereich Öffentlich-keitsarbeit profitieren die Unterneh-men und Partner unter anderem vonden SPS-News, dem Clustermaga-zin der SPS. Hier werden Themenaus allen Bereichen des ClustersSensorik dargestellt. Auch Unter-nehmensbesuche bieten den Mit-gliedsunternehmen die Möglichkeit,sich einem breiten und dennochspezifischen Netzwerk zu präsentie-ren. Des Weiteren ist das Clusterauf zahlreichen Messen und Veran-staltungen für seine Mitglieder aktivund dient auch online unterwww.sensorik-bayern.de seinen Part-nern als Medium. Unternehmen in Clustern undNetzwerken sind produktiver undinnovativer, weil sie auf ein dichtesNetz von spezialisierten Zulieferern,einschlägigen Forschungseinrichtun-gen, Experten und Partnern inräumlicher Nähe sowie eine breitePalette an staatlichen Fördermög-lichkeiten zur Finanzierung ihrerForschungs- und Entwicklungs-Vor-haben zugreifen können. Durch die Nutzung von Synergienerhöhen sich die Innovationskapa-zitäten und schaffen einen Nährbo-den für völlig neuartige Produkteund Technologien, oft über Fach-und Branchengrenzen hinweg. DieSPS legt den Schwerpunkt derAktivitäten auf die Abwicklung von

Kooperationsprojekten, Beantragungvon Förderprojekten und Inten-sivierung von FuE-Vorhaben derMitglieder und Kunden. Als Clus-terplattform arbeitet sie mit einerVielzahl an Unternehmen und wis-senschaftlichen Einrichtungen ausdem Cluster Sensorik zusammenund hat somit einen schnellenZugriff auf die Sensorik-Kompe-tenz in Industrie und Wissen-schaft. Über die 100%ige Tochtergesell-schaft der SPS – die Sensorik BayernGmbH – erhalten Mitglieder ex-zellente Kontakte in den entspre-chenden Förderstellen und bei zu-ständigen Projektträgern. EineChancensteigerung bei FuE-För-deranträgen.

SensorikKompetenznetzwerk

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Strategische Partnerschaft Sensorik e.V. Bayerisches ClustermanagementSensorik

BioPark III Josef-Engert-Str. 13 93053 Regensburg Tel.: (09 41) 63 09 16 - 0 Fax (09 41) 63 09 16 - 10 E-mail: info@sensorik-bayern.de

Dr.Hubert Steigerwald

Geschäftsleitung

Kontakt / Ansprechpartner:

Produktiv und informativ:Bayerisches Clustermanagement Sensorik

Von James Bond wissen wir, dasser seinen Wodka-Martini „ge-schüttelt, nicht gerührt!“ trinkenwill. Aber auch in der Technik gibtes Fälle, wo die Durchmischungvon Flüssigkeiten auf die eine oderandere Art vorteilhafter ist. EinBeispiel dafür ist die Vorbehand-lung bestimmter „Tinten“ für denInkjet-Druck, mit dem am HeinzNixdorf-Lehrstuhl für Medizini-sche Elektronik der TechnischenUniversität München Leiterbahnenund Sensoren für bioelektronischeSensorchips auf Polymerfoliengedruckt werden. Ziel dieser Ar-beiten ist die kostengünstige Her-stellung von Einwegchips, die u.a.die in den letzten Jahren am Lehr-stuhl entwickelten Lab-on-ChipSysteme [1] auf Silizium- [2],Glas- [3] und Keramikchips [4](Abb. 1) für die patientenindividuel-le Tumor-Diagnostik und -Thera-pie in Zukunft weitgehend er-setzen sollen.Krebs ist eine der weltweit häufigs-ten Erkrankungen mit steigenderTendenz. Es zeigt sich dabei aberimmer mehr, dass jeder Krebspa-tient eine individuelle Therapiebenötigt. Oft ist der Einsatz meh-rerer Chemotherapien notwendig,weil nicht jeder Tumor gleich aufbestimmte Zytostatika reagiert, jau. U. sogar resistent dagegen wer-den kann [5]. Aktuelle Mikrosensor-Technologi-en bieten die Möglichkeit, mit bio-elektronischen Sensoren den Ein-fluss eines Chemotherapeutikumsauf die Vital-Parameter von Tu-morzellen und Geweben auf

einem Sensorchip zu erfassen unddamit die Eignung und Dosierungeines für diesen individuellenTumorpatienten einsetzbaren Me-dikaments vor der Therapie zutesten. Damit können dem Patien-ten unwirksame Therapieversucheerspart und die die Lebensqualitätdrastisch einschränkenden Neben-wirkungen einer Chemotherapiedeutlich reduziert werden [6]. An unserem Lehrstuhl wurdendafür bioelektronische Sensorchipsentwickelt, die in der Mikroumge-bung der Tumorzellen den Sauer-stoffverbrauch der Zellen, dieAnsäuerung des Zellkulturmedi-ums durch den Zellstoffwechsel

und morphologische Strukturände-rungen der Zellen erfassen. In denspeziell dafür von uns entwickeltenTestsystemen können so Tumor-zellen oder Gewebeschnitte vonPatienten auf einzelnen Sen-sorchips [7] oder in sensorbestück-ten Multiwellplatten [8] mit bis zu24 Proben (Abb. 2) gleichzeitigunter quasi-in-vivo Bedingungenauf ihre Chemosensitivität getestetwerden [9].Die erforderlichen Sensorchips aufGlas, Keramik und Silizium wer-den derzeit noch mit Dünnschicht-prozessen gefertigt, wie sie auch inder Halbleitertechnologie Anwen-dung finden.

„Geschüttelt, nicht gerührt!“Inkjet-Druck

von bioelektronischenSensorchips

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Abb. 1: Bioelektronischer Keramikchip mit IMOLA (Intelligent Mobile Lab) Auswertesystem(Foto: cellasys GmbH)

Und hier zeigt sich, dass sich dieTinten dann besonders gut druckenlassen, wenn die Durchmischungder einzelnen Komponenten nichtmit einem Magnetrührer erfolgt,sondern durch Schütteln. Dieserderzeit noch von Hand durch-geführte Mischvorgang soll nun ineinen reproduzierbaren techni-schen Prozessschritt überführtwerden.Die gedruckten Kohlenstoff-Elek-troden (Abb. 4) zeigen zwar prinzi-piell eine deutlich niedrigere Leit-fähigkeit als metallbasierte Elekt-roden. Mit Hilfe verschiedenerNachbehandlungen kann der Leit-wert aber noch erhöht werden.Erreicht wird derzeit etwa ein Pro-mille im Vergleich zu metallischenLeiterbahnen.

Wird eine höhere Leitfähigkeitbenötigt, z. B. für längere Zulei-tungen oder Kontakte, so könnenauch Silbernanopartikel oder aufSilbersalzen basierende Disper-sionen [10] gedruckt werden.Auch hier ist jeweils noch einespezielle Nachbehandlung erfor-derlich, um höhere Leitwerte zuerzielen, z.B. durch thermischesSintern. Für Kunststoff-Folien istdiese Methode aber nur bedingtgeeignet, da hier schon bei Tem-peraturen um 200 °C Verformun-gen auftreten. Deshalb werden inden letzten Jahren zunehmendalternative Sinter-Methoden un-tersucht, wie z.B. Mikrowellen-Sintern [11], photonisches Sin-tern oder chemisches Sintern[12]. Erreichbar ist derzeit etwaein Zehntel des Leitwerts vonmetallischem Silber.

besteht dabei aus einer Glaskapil-lare mit 30 µm, 50 µm oder 70 µmÖffnung, aus der die „Tinten“-Tropfen durch piezoelektrisch er-zeugte Druckimpulse herausge-schossen werden (Abb. 3). So können einzelne Tröpfchenoder daraus zusammen gesetzteLinien aus unterschiedlichen Mate-rialien für Leiterbahnen und Sen-soren direkt auch auf flexibleKunststofffolien gedruckt werden.Während bei der herkömmlichenfotolithografischen Herstellungs-technologie zur Änderung desLayouts stets erst die Herstellungneuer Fotomasken erforderlich ist,genügt hier eine einfache Ände-rung der Druckbefehle an einemWindows-PC, die dann unmittel-bar ausgeführt werden können. Solassen sich unterschiedliche Sen-sor-Designs in kurzer Zeit struktu-rieren und miteinander verglei-chen.Als Substrate für die gedrucktenChips verwenden wir biokompa-tible, transparente Folien wie z.B.PET (Polyethylenterephthalat). Daspäter auf diesen Chips lebendeZellen sowohl mit der Folie alsauch mit den gedruckten Sensor-Elektroden in Kontakt kommen,müssen diese Elektroden ebenfallsaus einem biokompatiblen Materialhergestellt werden. Während inder Dünnfilmtechnologie überwie-gend Gold- und Platin eingesetztwerden, bieten hier Kohlenstoff-Elektroden eine kostengünstige,biokompatible Alternative. Als„Drucktinte“ werden dazu aufKohlenstoffnanopartikeln basieren-de Dispersionen verwendet. Der Anteil der Nanopartikel in die-sen Tinten muss genau eingestelltwerden. Einerseits soll möglichstviel Material enthalten sein, umden Widerstand der gedrucktenLeiterbahnen zu reduzieren, ande-rerseits dürfen nicht zu viele undmöglichst keine zu großen, agglo-merierten Partikel enthalten sein,um ein Verstopfen der Mikrokapil-lare des Druckkopfes zu verhin-dern.

25Bioelektronische Sensorchips

Um die Herstellungskosten vonEinweg- Sensorchips für Massen-anwendungen zu senken und siedamit auch für andere Anwendun-gen nutzbar zu machen (Pharma-screening, Wasser- und Umwelt-monitoring, Toxizitätsuntersuchun-gen, Lebensmittelüberwachungetc.), wird derzeit an der Techni-schen Universität München imRahmen des BMBF-Verbundpro-jekts „PRINTS“ am Heinz Nix-dorf-Lehrstuhl für MedizinischeElektronik unter Leitung von Dr.H. Grothe untersucht, ob sichSensorchips mit gleichwertigenEigenschaften auch auf Polymerfo-lien drucken lassen.Als Druckprozess wird hierzunächst ein spezieller Inkjet-Druck eingesetzt. Der Druckkopf

Abb. 2:Vollautomatisches High-ContentScreening-System für sensorgestützteMultiwellplatten (oben rechts)

Abb. 4: Mikroskopaufnahme einergedruckten, ca. 130 µm breiten Leiterbahnaus CNTs (Kohlenstoff-Nanoröhrchen)

Abb. 3: Glaskapillaren-Druckkopf (a) mitPiezo-Impuls Anregung (b) und Kontroll-kamera (c)

Abb. 5 zeigt die Elektrodenstruktu-ren eines auf Folie gedrucktenSensorchips. Grundstruktur der Sensoren istdabei in den meisten Fällen eineinterdigitale Elektrodenstruktur(IDES, Abb. 6), deren Impedanzals elektrische Messgröße dient.

Wachsen später Zellen auf so einerStruktur, so lassen sich aus dengemessenen ImpedanzänderungenRückschlüsse auf die Besiedlungs-dichte sowie, etwa bei Zugabe vonMedikamenten, auf morphologi-sche Änderungen der Zellen zie-hen. Wird eine IDES mit einempH-empfindlichen Material bedeckt,lassen sich stoffwechselbedingteÄnderungen im Mikromilieu derZellen detektieren, die ebenfallsAufschluss über die Zellvitalitätund deren Beeinflussung durcheinen zugeführten Wirkstoff ge-ben. Als druckbare biokompatiblepH-empfindliche Materialien wur-den hier bereits P3HT, ein or-ganisches Halbleitermaterial, sowie

spezielle CNTs untersucht [13].Hierbei zeigt sich bei tiefen Fre-quenzen eine deutliche Abhängig-keit der Impedanz vom pH-Wert(Abb. 7; die rechte der beidenIDES-Strukturen oben rechts istmit CNTs beschichtet).Derzeitige Untersuchungen be-schäftigen sich u.a. mit druckbarensauerstoffempfindlichen Materia-lien, mit denen Änderungen desSauerstoffgehalts im Mikromilieuder Zellen und damit indirektderen Sauerstoffverbrauch über-wacht werden können. Auch hiersind spezielle CNTs aussichtsrei-che Kandidaten. Die am Lehrstuhl erarbeiteteTechnologie kann über die Her-stellung bioelektronischer Sen-sorchips hinaus auch in anderenBereichen eingesetzt werden, woEinweg-Sensoren in wässrigerFlüssigkeit eingesetzt werden sol-len. So wird derzeit hier auchuntersucht, welche Sensorik sichfür einen druckbaren Einweg-Sen-sorchip eignet, der zum Test vonTrinkwasser eingesetzt werdenkann. So ein Chip könnte bei derim Rahmen der neuen europäi-schen Trinkwasserverordnung ge-forderten jährlichen Untersuchung

der Wasserqualität in jedem Haus alsSchnelltest für einige Wasserpara-meter Verwendung finden.

[1] Wolf, B., Brischwein, M., Gro-the, H., Stepper, C., Ressler, J.,Weyh, T.: Lab-on-a-chip systemsfor cellular assays. In: Urban, G.(ed.) BioMEMS. Series: Micro-systems (2006) 16, 269-308, Sprin-ger-Verlag, Dordrecht (NL) 2006,ISBN-10:0-387-28731-0, ISBN-13:978-0-387-28731-7.

[2] Wolf, B., Kraus, M., Brischwein,M., Ehret, R., Baumann, W., Leh-mann, M.: Biofunctional hybridstructures – cell-silicon hybrids forapplications in biomedicine and bio-informatics. Bioelectrochemistry andBioenergetics (1998) 46, 215-225.

[3] Grothe, H., Brischwein, M.,Henning, T., Motrescu, E.R., Otto,A.M., Pilawa, P., Rampf, R., Remm,M., Stepper, C., Teschner, G.,Wolf, B.: Multisensor test chips forliving cells on glass substrate. 2ndEuropean Medical and BiologicalEngineering Conference, Vienna,December 04-08 2002. IFMBEProceedings Vol I, 330-331.

26 Bioelektronische Sensorchips

Literatur

Abb. 5: Auf Folie gedruckte Elektroden-strukturen

Abb.6:Gedruckte interdigitale Elektroden-struktur (IDES), Fingerbreite 150 µm

Abb. 7: Normierte Impedanzspektren einer mit CNTs bedeckten IDES in Lösungen mitunterschiedlichen pH-Werten

[4] J. Ressler, J., Grothe, H.,Brischwein, M., Wolf, B.: Low-cost biosensors: ceramic-basedmulti-parametric sensorchip forfunctional screening. Biomedizi-nische Technik (2005) 50, Supple-mentary vol. 1, Part 1, 531-53.

[5] Hall, M. D., Handley, M. D.,Gottesman, M. M.: Is resistanceuseless? Multidrug resistance andcollateral sensitivity. Trends inPharmacological Sciences (2009)30, 546 -556.

[6] Kleinhans, R., Brischwein, M.,Wang, P., Becker, B., Demmel, F.,Schwarzenberger, T., Zottmann,M., Niendorf, A., Wolf, B.: Sen-sor-based cell and tissue screeningfor personalized cancer chemo-therapy. Medical and BiologicalEngineering and Computing,(2012) 50, 117–126.

[7] Wiest, J., Stadthagen, T.,Schmidhuber, M., Brischwein, M.,Ressler, J., Raeder, U., Grothe, H.,Melzer, A., Wolf, B.: Intelligentmobile lab for metabolics in envi-ronmental monitoring. AnalyticalLetters (2006) 39, 1759 – 1771.

[8] Lob, V., Geisler, T., Brisch-wein, M., Uhl, R., Wolf, B.:Automated live cell screeningsystem based on a 24-wellmicro-plate with integrated micro fluidics.Medical and Biological Enginee-ring and Computing (2007) 45,1023-1028.

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[10] Valeton, J., Hermans, K.,Bastiaansen, C., Broer, D., Perela-er, J., Schubert, U., Crawford, G.,Smith, P.: Room temperature pre-paration of conductive silver fea-tures using spin-coating and inkjetprinting. J. Mater. Chem. (2010)20, 543–546.

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[12] Magdassi, S., Grouchko, M.,Berezin, O., Kamyshny, A.: Trig-gering the sintering of silvernanoparticles at room temperatu-re. ACS Nano (2010) 4,1943–1948.

[13] Mzoughi, N., Abdellah, A.,Gong, Q., Grothe, H., Lugli, P.,Wolf, B., Scarpa, G.: Characte-rization of novel impedimetricpH-sensors based on solution-processable biocompatible thin-film semiconducting organic coa-tings. Sensors & Actuators: B.:Chemical (2012) 171, 537-543.

Das Projekt “PRINTS”, FKZ16SV5393, wird dankenswerter-weise gefördert vom BMBF.

Weitere Informationen:Dr. H. Grothe, Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elekt-ronik, Technische UniversitätMünchen, Arcisstr. 21, 80290München.http://www.lme.ei.tum.de

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Autoren:

Heinz Nixdorf-Lehrstuhlfür Medizinische ElektronikTechnische Universität München

Arcisstr. 2180290 MünchenTel.: 089 289 22949Fax: 089 289 22950www.lme.ei.tum.de

Prof. Dr. rer. nat.

Bernhard Wolf

N. Mzoughi

M. Remm

H. Grothe

B. Neumann,

Danksagung

Micro-Epsilon bietet das weltweitbreiteste Spektrum an Sensoren,Messsystemen und Prüfanlagen fürgeometrische Größen. Seit über40 Jahren löst der Sensorik-Spe-zialist schwierige und außerge-wöhnliche Aufgaben für die Mes-sung von Größen, wie Weg, Ab-stand, Position, und Temperatur.Die Produktpalette umfasst induk-tive Sensoren, Lasersensoren, kon-fokal-chromatische Sensoren, kapa-zitive Sensoren, Wirbelstromsen-soren. Farbsensoren, Bildverarbei-tungssysteme, Temperatursensoren,Prüfanlagen und OEM-Sensorenrunden das Programm ab. Mitüber 600 Mitarbeitern, mehr als3000 Ingenieurjahren an kumu-lierter Erfahrung in der Weg- undAbstandsmessung, und zahlrei-chen Patenten ist das Unterneh-men global ein angesehener Part-ner der Industrie und Forschung.Ein dichtes Vertriebsnetzwerk ausTochtergesellschaften in Amerika,England, Frankreich, Schweiz,Tschechien und China repräsen-tiert die globale Kompetenz in derMess- und Sensortechnik. So kön-nen Kunden rund um den Globusfachmännisch beraten und tech-nisch unterstützt werden. Senso-ren und Messsysteme von Micro-Epsilon sind in der Forschung undEntwicklung, in Prüfständen, inFertigungsstraßen und direkt inMaschinen oder Prüfanlagen imEinsatz. Vom kleinen Unterneh-men bis zum Global Player,Micro-Epsilon Sensoren helfenüberall Grenzen zu überschreiten.

Als führendes Unternehmen in derSensorik für geometrische Größenbietet Micro-Epsilon eine breitePalette an Ethernet/EtherCAT-fähi-gen Messtechnik. Ethernet-Netz-werk-Technik überzeugt durch Zu-verlässigkeit, hohe Datenübertra-gungsraten, einfache Integrations-möglichkeit in bestehende Netzeund geringe Hardware Kosten.

Neue Sensoren in die industrielleProduktion zu integrieren ist auf-wändig. Dagegen spart ein Mess-system mit einem Mehrkanal-Controller viel Arbeit, Zeit undGeld. So bietet der Universal-Con-troller CSP2008 eine flexibleLösung für die Automatisierung vonMaschinen und Anlagen im dynami-schen Industrieumfeld. CSP2008

verrechnet bis zu sechs Sensorsig-nale: zwei Sensoren werden perSchnittstelle direkt an den Con-troller angeschlossen. Vier weite-re werden modular über separateModule mit dem Controller ver-bunden. Bei Anwendungen mitmehreren Sensoren, z.B. Höhen-messung; Koplanaritätsmessung,Ebenheits- und Rundheitsmessun-gen, werden Signale direkt imController verrechnet.Der CSP2008 ist echtzeitfähig bis100 kHz. Die Messwerte könnenvor Ort am Controller abgelesenwerden oder per Ethernet zumLeitstand übertragen werden. Die(Fern-) Bedienung erfolgt vom Ar-beitsplatz aus im Webbrowser. DerController ist per Weboberflächekonfigurierbar. Die Bedienoberfläche– Web Browser – bedarf keinerzusätzlichen Software-Installation.

Weltweit führend – Sensoren, Messsysteme

und Prüfanlagen

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Universal-Controllerfür die Produktion

Universal-Controller CSP 2008 bearbeitet bis zu 6 Sensorensignalen und kann leicht in das

vorhandene System integriert werden

In der laufenden Produktion werdenoft einzelnen Sensoren mit inte-grierten Controllern eingesetzt. MitEtherCAT (echtzeitfähiges Ether-net-basiertes Feldbussystem) kön-nen die Messwerte synchronisiertwerden. Zum Beispiel in der Mine-ralwollproduktion. In der Produkti-on wird Mineralwolle deutlich brei-ter und dicker als die vorgebeneGröße gefertigt. Am Ende der Pro-duktion werden die Bahnen besäumtund auf Normdicke abgefräst. Beidiesem Schritt entsteht unnötigerAbfall und Belastung der Fräswerk-zeuge. Um den Produktionsaufwandzu optimieren und Abfall zu redu-zieren, wird vor dem Fräsen dieDicke der Bahn gemessen. Einge-setzt werden dazu zwei Laser-Tri-angulations-Sensoren optoNCDT2300. Sie arbeiten mit einerGeschwindigkeit bis zu 49 kHz undsind daher für die Qualitätskontrollein der Linie bestens geeignet. DieDicke errechnet sich aus demAbstand der Mineralwolle zum Sen-sor und der Auflage. Die Sensorenmessen die Bahn jeweils von untenund von oben. Sie sind über Ether-CAT mit dem PC verbunden. DieDicke der Mineralwolle ergibt sichaus der Differenz der beiden Mess-werte. Hohe Bandbreite, hoheGeschwindigkeit und eine synchro-ne Datenübertragung über Ether-CAT gewährleisten eine stabile undgenaue Messwerterfassung. Neben den genanten Sensor-Modellen, bietet Micro-Epsilonkapazitive Messsyteme, Laser-Pro-fil-Scanner und Inline Farbmesssys-teme mit Ethernet/EtherCAT-An-schluss.

mit unterschiedlichen Messberei-chen benötigt. Je kleiner der Mess-bereich, desto genauer können diethermische Ausdehnung, Durch-biegung usw. bestimmt werden.Da die Kenndaten und die Ab-stimmung auf ferromagnetischeund nicht-ferromagnetische Werk-stoffe der Wirbelstrom-Wegsen-soren der Serie eddyNCDT 3100im Sensor hinterlegt sind, könnendie Sensoren einfach und ohne er-neute Kalibrierung an einen und dengleichen Controller abwechselndangeschlossen werden. Das Mess-system wird direkt über dieEthernetschnittstelle vom PCbedient.

29MICRO-EPSILON Messtechnik GmbH & Co. KG

Im Unterschied zur Produktion,ist die Herausforderung einesLabors oder eines Prüfstandes diegeforderte Flexibilität, da die Auf-gaben und eingesetzte Sensorenhäufig gewechselt werden. Fürden Einsatz in der Qualitätssiche-rung, Prüflabor und Entwicklungeignet sich das Wirbelstrom-Wegmesssystem eddyNCDT 3100.Zum Beispiel bei der Qualitäts-kontrolle in der Spindelfertigung.Da hier Spindel in unterschied-lichen Längen und Durchmessergefertigt werden, werden für dasoptimale Messergebnis Sensoren

Kontakt:

MICRO-EPSILON MesstechnikGmbH & Co. KG

Königbacher Str. 1594496 OrtenburgTel.: +49 8542 168-0Fax: +49 8542 168-90info@micro-epsilon.dewww.micro-epsilon.de

Flexibles Wegmesssystemfürs Labor

Lasersensorenfür die Qualitätskontrolle

in der Fertigungslinie

Kompaktes Wirbelstrom-Messsystem eddyNCDT 3100 für flexiblen Einsatz

Hoch dynamischer Laser-Triangulations-Sensor optoNCDT 2300 mit integriertem Controller

In den letzten fünfzig Jahrenhaben Elektronik und Mikroelekt-ronik in weit größerem Umfangpolitische, wirtschaftliche undsoziale Veränderungen bewirkt alsjemals eine Technologie zuvor.Elektronik hat einen Beitrag zurEmanzipation breiter Bevölke-rungsschichten geleistet, techni-sche Prozesse effizienter gestaltetund unser Alltagsleben durchausbequemer gemacht [1]. Am Heinz Nixdorf-Lehrstuhl fürMedizinische Elektronik der Tech-nischen Universität München(HNLME) werden seit vielen Jah-ren Forschungsarbeiten für denEinsatz von Mikroelektronik in derpersonalisierten Medizin durchge-führt.Eine wichtige Grundlage derÜberlegungen und Methoden zurpersonalisierten Medizin liegt inder Zellforschung, genauer in derautomatisierten Wirkstoffsuche anZellen. Zellen integrieren ständigverschiedene Signale physikalischerund chemischer Natur aus ihrerUmwelt, um daraus ein angemesse-nes Verhalten zu "berechnen". DieFrage nach der Art und Weise die-ser Berechnung führt zu einemhochkomplexen und parallel arbei-tenden Netzwerk der intrazel-lulären Kommunikation, das sichbis heute einer vollständigenModellierbarkeit entzieht. Somanifestiert sich dieses Verhaltenbeispielsweise als Entscheidungüber Zellteilung oder Zelltod, alsAktivierung bestimmter Stoff-

wechselwege oder als Produktionund Freisetzung von Proteinen.Die Beobachtung solcher zellulärerSignalverarbeitungsprozesse ist imWesentlichen der Inhalt funktiona-ler zellulärer Versuche, wie sieetwa bei pharmakologischen Wirk-stofftests in großem Umfangdurchgeführt werden.Innerhalb der Forschungsarbeitenam HNLME wurde in diesemZusammenhang der sogenannte„Intelligent Microplate Reader“entwickelt. Durch den Einsatz pla-narer elektrochemischer und opto-chemischer Mikrosensoren werdenauf dieser multiparametrischenSensorplattform mehrere Funkti-onsparameter der Zellphysiologiegleichzeitig untersucht. Die Zell-und Gewebekulturen werden in

speziellen Sensor-Testplatten kulti-viert und in Echtzeit analysiert, sodass die Messdaten auch mit sta-tistischen Methoden auswertbarsind. Die Hardware der IMR-Plattform besteht aus einem Pipet-tierroboter, einem Klimatisierungs-system, wahlweise einer Auslese-einheit für optochemische Senso-ren oder einem vollautomatisiertenProzessmikroskop sowie einerelektronischen Einheit zum Ausle-sen elektrischer Impedanzsenso-ren. Die Zellen bzw. Gewebepro-ben werden auf einer sensorbe-stückten Multiwellplatte (Abb. 1)kultiviert. Die Anwendungsgebiete dieses Sys-tems reichen von der zellbiologi-schen und pharmakologischen For-schung über klinisch-diagnostischeTests bis hin zur Umweltanalytik.In laufenden Versuchen wird der-

Elektronik@Medizin =Medizinelektronik1

30

Elektronik

Abb. 1: Pipettierroboter und Mikrotiterplatte des IMR. Die Auswahl der Medien erfolgtvollautomatisiert aus bis zu sieben verschiedenen Gefäßen. Das Medium wird mit Hilfedes 24-fach-Pipettierkopfes in allen Wells der Mikrotiterplatte gleichzeitig ausgetauscht,die Zellen werden vollautomatisch mikroskopiert und ihr Metabolismus analysiert

1) Beitrag nach Auszügen aus: Bernhard Wolf (Hrsg.), „Bioelektronische Diagnose- und Therapiesysteme - m3: microelectronicmeets medicine®“,ISBN: 978-3-8440-0831-9, 2012, Shaker Verlag Aachen.

Vitalität von Hefezellen unter-sucht werden. Ihre Genome las-sen sich in ihrer systemischenmetabolischen Wirkungskette mitdem des menschlichen Stoff-wechsels vergleichen womit dieDaten auf humane Testansätzetransferierbar sind.Das im Projekt entwickelte neueBauelement (cellristor®2) misst dieVeränderung der metabolischenAktivität vor und nach Zugabe derTestsubstanz, und leitet die analogaufbereiteten, digital verarbeitetenDaten an eine Internetdatenbankweiter. Nach der Messdatenanaly-

se erhält der Nutzer direkte Rück-meldung und entsprechende Er-gebnisse aus der Bewertung vonSubstanzen.

Neben der Bioanalyse entwickeltund realisiert der Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elek-tronik seit mehr als zehn Jahreninnovative, elektronische Konzepte,die eine möglichst selbstbestimmteLebensführung und Erhaltung derGesundheit in jedem Alter erlau-ben [2, 3]. Unter Einbeziehungsensorgestützter Telemedizingerä-te und modernster IT-Technologieentstehen hier vielfältige Produkteund Lösungen. Beispielsweise

Toxizität von Stoffen, sowiederen Wirkung auf den Men-schen, präzise erfasst werden: Injüngster Vergangenheit wurdenvermehrt minderwertige Lebens-mittel wie „Gammelfleisch“ oder

„gepanschter Wein“ in Umlaufgebracht, welche lediglich durchzeit- und kostenintensive Unter-suchungen in Speziallabors analy-siert werden konnten. Mit einemam HNLME entwickelten, minia-turisierten Handheld Gerät(„Mikrola“), können solche Ana-lysen inzwischen einfach undschnell vor Ort durchgeführt wer-den (Abb. 3). Hierbei werdenlebende Zellen als Signalwandlerbenutzt: durch Beobachtung derVeränderungen ihres Verhaltensermöglichen sie es, Aussagen zurToxizität des zugegebenen Stof-fes zu geben. In den dazu durch-geführten Versuchen konnte derEinfluss von handelsüblichen Obst-Spritzmitteln (Fungizide) auf die

31Elektronik

zeit insbesondere der Einfluss ver-schiedener Chemotherapeutika aufhumane Tumorproben erforscht, so-wie eine klinische Studie dazu vor-bereitet.Eine weitere Methode der Wirk-stoffsuche an Zellen ist die der„label-free cell-based assays“. Beidiesen Versuchen – sehr häufig ineinem Ressourcensparenden „cell-on-a-chip“ Format realisiert –werden Zell- oder Gewebekultu-ren durch Mikrosensoren in Real-zeit analysiert. Im Gegensatz zuvielen Assays, bei denen Aktivitä-ten einzelner Signalwege beob-achtet werden, steht hier eher dasintegrale Reaktionsverhalten derZelle im Mittelpunkt. DieseMethode wird seit einigen Jahrenerfolgreich durch das am Lehr-stuhl entwickelte IMOLA-IVD(Abb. 2) Messsystem zusammenmit der cellasys GmbH, umge-setzt. Neuerdings kann das zellba-sierte Messsystem auch durch dieKombination mit dreidimensiona-len Gewebeschnitten für Toxi-zitätsanalysen eingesetzt werden[1].So wurden kürzlich dreidimensio-nale Leber-Zellen auf BioChipsimmobilisiert und deren Reaktionauf toxische Substanzen unter-sucht. In bisherigen Tests wurdenmeist zweidimensionale Zellenimmobilisiert. Dabei behalten dieZellkulturen jedoch nicht all ihreEigenschaften bei, wodurch dieseVersuche weniger aussagekräftigfür bestimmte toxikologische Effek-te am Menschen sind.Auch im Bereich der Lebensmit-telanalyse kann durch die Anwen-dung speziell entwickelter bio-elektronischer Mikrosensoren die

Telemedizinische Lösungenfür Diagnostik und Therapie

Abb. 2: IMOLA-IVD zur Durchführung der „label-free cell-assays“ und ein Analysechip

Abb. 3: Mobile Bioanalyseplattform zur Verwendung in der Bioanalytik mit Cellristoren

2) Cellristor ist ein eingetragenes Markenzeichen des Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der TechnischenUniversität München.

spielt das entwickelte COMES®3-System (COgnitive MEdizinischeSysteme) hierbei eine besonderswichtige Rolle. COMES® ist einemobile Diagnose- und Therapie-plattform. Sie ermöglicht die Ver-knüpfung von biomedizinischenSensoren für die Erfassung vonBlutdruck, Glucose, Aktivität, Ge-wicht u.v.m., mit elektronischenMedien und telematisch orientier-ten Datenbanken.Regelmäßige Messungen physio-logischer Parameter geben dembehandelnden Arzt und demPatienten durch das System einenÜberblick über die gesundheit-liche Entwicklung des jeweiligenNutzers. Mit der speziell entwickeltenCOMES Applikation für einSmartphone oder die Set TopBox, werden die Werte vondrahtlos angebundenen Sensoreneinfach erfasst und an COMES®

sicher übertragen. Die Daten, Aus-wertungen und Rückmeldungenkönnen an den Endgeräten odermittels Web Browser verfolgtwerden.Die Rückmeldungen an den Pati-enten können zum Beispiel auchin Form von akustischem „Bio-feedback“ erfolgen. Das heißt, daßakustische Signale metabolische

und zentralnervöse Funktionenmodulieren und physiologischeWirkungen beim Menschen her-vorrufen können. Speziell dieblutdrucksenkende Wirkung be-stimmter iterativer Klangmusterals Interventionsmöglichkeit beiessentieller Hypertonie wird mitCOMES® untersucht.Neben nichtmedikamentösen Thera-pien wie dem akustischen Bio-feedback, können ebenso zirkadi-ane oder genderspezifische Ein-flüsse auf den Blutdruck- bzw.den Therapieverlauf erforschtwerden [4].

In Zusammenarbeit mit der send-sor GmbH wurde eine weitereMethode zur telemedizinischenDiagnose und Therapie von Atem-wegserkrankungen erarbeitet undumgesetzt. Bei dieser Methodewird ein System, bestehend auseinem Spirometer zur Diagnosefür den Arzt, einem telemedizini-schem Peak-Flow-Messgerät zurÜberwachung des Krankheitsver-laufes und einem telemedizini-schen Inhalator, eingesetzt. DasSpirometersystem ist so aufgebaut,dass bei der Diagnose alle für dieTherapie nötigen Werte erfasstund sofort elektronisch an dasPeak-Flow-Meter und den Inhala-tor übertragen werden. Somit kannauf die Bestimmung des maximalenPeak-Flow seitens des Arztes ver-zichtet werden. Ebenso hat er dieMöglichkeit die Mitarbeit seinesPatienten zu verifizieren. Dieserhingegen wird telemedizinischüber die notwendige Medikamen-teneinnahme informiert und kannsich bei Bedarf beispielsweise auchdaran automatisch erinnern lassen.Der Patient profitiert von der ver-einfachten Messtechnik, da er einauf ihn besser abgestimmtes The-

32 Elektronik

Telemedizinische Diagnoseund Therapie von

Atemwegserkrankungen

3) COMES® ist eine Entwicklung des Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München und seinen Partnern sowie eingetragenes Warenzeichen desHeinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der Technischen Universität München.

Abb. 4: Das COMES® Gesamtkonzept: Cognitive Medizinische Systeme als intelligentestelemedizinisches Assistenzsystem begleiten den Nutzer in allen Lebenslagen und zujedem Ort

Abb. 5: Spirometer mit telematisch angebundenem Applikator mit geregelterWirkstoffabgabe

rapieverfahren verwenden kann.Die Messergebnisse seiner Unter-suchung können zum Beispiel imFalle einer Asthmatherapie direktfür seine im häuslichen Umfelddurchgeführte, eigenverantwortli-che Therapie verwendet werden.

Mit den großen Fortschritten inder Mikrosystemtechnik der letz-ten Jahrzehnte können intelligenteSysteme realisiert werden, diekontinuierlich relevante Parameterin Geweben und Gewebsflüssig-keiten messen. Außerdem befindensich geschlossene Regelsysteme -sogenannte Closed-Loop-Systeme- in der Entwicklung: diese könnenfeedbackgesteuert Wirkstoffe überein lokal implantiertes Dosiersys-tem abgeben. In unseren Laborenwurde in drei Forschungsprojekten(„INTELLITUM“, „THEMIC“und „EvoPot“) in dreijähriger For-schungsarbeit die prinzipielleUmsetzbarkeit solcher Systemedemonstriert. Ziel dabei war es,die aus der in-vitro Forschungbekannten Messprinzipien auf einein-vivo Umgebung zu portieren.Auf dem Weg zum Closed-Loop-System war die „intelligente Zahn-schiene“ für Bruxismus-Patienteneine wichtige Entwicklungsplatt-form. Sie erlaubt die Erprobungvon diagnostischen und therapeuti-schen Maßnahmen mittels sensori-scher und aktorischer Komponen-ten im Körper des Menschen ohneEinsatz aufwändiger Implantations-methoden und den damit verbun-denen Risiken [5,6]. Die Biss-Aktivitäten werden beidieser Methode mittels eines pie-

zoelektrischen Sensorsystems ge-messen und drahtlos an einenEmpfänger übertragen, der sich amSchlafplatz oder am Körper desbetroffenen Patienten befindet.Eine PC-Software erlaubt eineAnalyse hinsichtlich des Zeitpunk-tes, der Intensität und Häufigkeitvon Knirsch-Aktivitäten [7].Gleichzeitig ist ein sofortiges takti-les (Vibration) oder akustischesBiofeedback über den Empfängermöglich [8].

Der Gelöstsauerstoff Status imGewebe liefert wichtige Informa-tionen zu Krankheits- und Hei-lungsprozessen und kann als Indi-kator für Interventionen verwendetwerden [9]. Hierzu wurde zusätz-lich die Möglichkeit untersucht, die

Sensorik mit einer implantierbarenWirkstoffpumpe zu koppeln, umso direkt lokal in Abhängigkeit desmetabolischen Zustandes desGewebes Medikamente freizuset-zen. Gerade in der Tumortherapieist dies eine vielversprechendeAlternative zu systemischen Ansät-zen und den damit einhergehen-den Nebenwirkungen [10].

Die hier vorgestellten Beispielezeigen, dass Elektronik undMikroelektronik im Laufe derletzten Jahre einen erheblichenBeitrag zur Verbesserung vonDiagnose und Therapie leistenkonnten. In weiteren Schritten istes nun nötig, diese Ergebnisse in

praktische Therapiemodelle zuintegrieren und die Vergütungs-szenarios zu etablieren. Denn der moderne Mensch alsmündiger Patient möchte beiBehandlungskonzepten mitspre-chen und mitentscheiden. Voraus-setzung dafür ist Wissen undVerständnis beim Patienten, wel-ches er sowohl durch den behan-delnden Arzt erhalten kann, alsauch – alternativ und ergänzend –durch objektive, neutrale undunabhängige Informationssyste-me, wie sie am Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elekt-ronik in Zusammenarbeit mitIndustriepartnern, entwickelt wer-den.Der Informations- und Signalver-arbeitung kommt neben Fragender Datensicherheit und Verifika-tion zukünftig eine große erfolgs-relevante Bedeutung zu.

Die hier beschriebenen For-schungsarbeiten konnten nur mitdankenswerter Förderung durchdie Heinz Nixdorf Stiftung, dieBayerische Forschungsstiftung, dasBundesministerium für Bildungund Forschung, die Deutsche For-schungsgemeinschaft, sowie demBund der Freunde der Techni-schen Universität München e.V.,durchgeführt werden. Auch unse-ren zahlreichen Kooperationspart-nern aus Wissenschaft und In-dustrie sei an dieser Stelle für dieerfolgreiche Zusammenarbeit sehrherzlich gedankt, sowie allen Mit-arbeitern und Studenten, die zudiesen Ergebnissen beigetragenhaben.

33Elektronik

Telemedizinische Implantatefür Diagnose und Therapie

Ausblick

Danksagung

IntelliTuM –Intelligentes Implantat

zum Tumor Monitoring

Abb. 6: Intelligente Zahnschiene

Abb.7: Implantierbarer Metabolismus-Sensor mit Auswerteelektronik und Telemetrieeinheit(links) und Komponenten eines Closed-Loop Systems zur minimal-invasiven Tumordiagnostikund Therapie (rechts)

[1] B. Wolf, P. Friedrich,K. Herzog, et al.: „Elektronik fürein gesundes Leben“, in: Medizin-technik in Bayern, pp.18-27,media mind GmbH & Co. KGMünchen, 2011.

[2] B. Wolf, „Einrichtung zurFrüherkennung von kritischenGesundheitszuständen, insbeson-dere bei Risikopatienten,“Offenlegungsschrift DE 100 06598 A 1, DPMA, 2001.

[3] B. Wolf: „Mobilfunk-gestütztemedizinische Wissensbasis mitsensorisch interaktiven Mobiltele-fonen,“ Biomedizinische Technik,Health Technologies, vol. 2,pp. 156-158, 2005.

[4] P. Friedrich, D. Maroun, R.Weber, P. Martius, B. Wolf,“Innovative acoustic BiofeedbackInterventions for Hypertension,”presented at the World Congresson Medical Physics and BiomedicalEngineering, Munich, GermanySeptember 7 - 12, 2009, O. Dössel,W. C. Schlegel Ed.,IFMBE Proceedings 25/VII, 2009,p. 23-26, ISBN 978-3-642-03884-6Springer Verlag Heidelberg.

[5] J. Clauss, M. Sattler, W.-D.Seeher, B. Wolf, “In-vivo monito-

ring of bruxism with an intelligenttooth splint –Reliability andvalidity,” presented at the WorldCongress on Medical Physics andBio-medical Engineering 2009,IFMBE Proceedings, vol. 25/XI,pp. 108, 2009.

[6] K. Vahle-Hinz, J. Clauss,B. Wolf, O. Ahlers, „Vergleich einesdrahtlosen Bruxismus-sensors zurIntegration in eine Okklusions-schiene mit EMG-Messungen,“presented at the DGFDT 2008 –41. Jahrestagung der DeutschenGesellschaft für Funktionsdiagnos-tik und Therapie, Bad Homburg,Germany, November 28-29, 2008.

[7] K. Vahle-Hinz, J. Clauss,W.-D. Seeher, B. Wolf,A. Rybczynski, M.O. Ahlers,“Development of a wirelessmeasuring system for bruxismintegrated into occlusal splint,”Journal of CraniomandibularFunction 1, vol. 2, pp.125, 2009.

[8] G. Clark, J. Beemsterboer,J. Rugh, “The treatment of noctur-nal bruxism using contingentEMG feedback with an arousaltask,” Behav-. Res. & Therapy,vol. 19, pp. 451- 455, 1981.

[9] P. Vaupel, „The role ofhypoxia-induced factors in tumor

progression,“ The Oncologist, vol. 9, p. 10, 2004.

[10] K. Aigner, „RegionaleChemotherapie beim primärenund metastasierten Mamma-karzinom,“ Deutsche Zeitschrift fürOnkologie, vol. 41, pp. 61-64, 2009.

34 Elektronik

Kontakt:

Technische Universität MünchenHeinz Nixdorf-Lehrstuhlfür Medizinische Elektronik

Tel: 089/28922967herzog.ka@tum.de

Technische Universität MünchenHeinz Nixdorf-Lehrstuhlfür Medizinische Elektronik

Tel: 089/28922948wolf@tum.deTheresienstr 90 / Gebäude N380333 Münchenwww.lme.ei.tum.de/

M.A.Karolin Herzog

Prof. Dr. rer. nat.Bernhard Wolf

Literatur

CamZ ist die erste fertigungsge-eignete digitale Handlupe mit4,3” TFT LCD-Display, bei derein Bild intern gespeichert undüber USB am PC weiterverar-beitet werden kann. Eine interneKamera überträgt das Bild direktauf das Display der Lupe.Das Ergebnis ist eine gestochenscharfe und kontrastreiche Ab-bildung mit einer einstellbaren4-14 fachen Vergrößerung. PerKnopfdruck werden die Bildereingefroren und bei Bedarf inden internen Speicher abgelegt. Für jegliche Arten von Inspektio-nen auch an unzugänglichenStellen, für die mobile Doku-mentation von Fertigungs- oderMontagefehlern, bei der schnel-len und mobilen Einstufung vonfehleranfälligen Prozessen, oderwenn Sie Probleme, Fehler, etc.

als Bild erfassen und an andererStelle, Ort oder Abteilung disku-tieren wollen. Für einfache Mess-vergleiche lässt sich auch ein ver-stellbares X,Y Raster einblenden,oder ein ganzflächiges 1 mmRaster.Geliefert wird CamZ zur ergo-nomischen Ein-Hand-Bedienungim sicheren Transportkoffer in-klusive USB-Übertragungskabel,sowie Ladegerät.Geeignet für den Einsatz in derElektronik, Mechanik, Kunst-stofftechnik, Medizintechnik,Pharmazie, Biologie, Labor,Wareneingangs- und Ausgangs-kontrolle, Entwicklung- undDesign und überall dort, woschnell digital betrachtet, ver-größert und dokumentiert wer-den muss – in einem Schritt miteinem Tool!

Vision Engineering entwickelt undfertigt seit über 50 Jahren führendeoptische Systeme. Die patentierteoptische Technologie bietet dem An-wender signifikante und herausragen-de Vorteile. Durch die weltweit ein-zigartige okularlose Betrachtungswei-se wird die Augenbelastung und Kör-perermüdung drastisch reduziert.Der Anwender geniest eine relaxtePosition vor dem Mikroskop undeine unvergleichbare Bewegungsfrei-heit von Kopf und Schulter/Nacken-apparat.Der Name „Vision Engineering”steht für fortschrittliche Entwicklun-gen, exzellente optische Technologieund ergonomisch vorteilhafte Pro-dukte. Das Produktportfolio umfasstStereosysteme vom einfachen Be-trachtungssystem im niederen Ver-größerungsbereich, bis zu hoch ver-größernden Stereomikroskopen mithohem Kontrast, hoher Auflösungund unvergleichbarer dreidimensio-naler Betrachtung.

Digitale Handlupe für die

portable Inspektion

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Stefan Summer

Central EuropeMarketing Manager

Autor:

Exzellente optischeTechnologie und ergonomisch

vorteilhafte Produkte

CamZ – Digitale Handlupe

MagazinreiheZukunftstechnologien in Bayern

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