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Vereine - J. Oberhammer

Joachim Oberhammer

"Die Welt ins Kleine erweitern "

Joachim Oberhammer
Zur Person:
• Geboren 1975, aufgewachsen beim "Bouda" in Mühlen
• Sohn von Luisa und Hubert Oberhammer
• Gewerbeoberschule Bozen, Fachrichtung Informatik, 1990-1995
• Diplomstudium der Elektrotechnik an der TU Graz, 1995-2000
• Doktorat in Mikrosystemtechnik an der KTH in Stockholm, 2001-2004
• Post-doc Aufenthalt in Singapur, 2004
• Leiter einer Forschungsgruppe in RF MEMS an der Koniglich technischen Universität in Stockholm seit 2005

Die Welt, so wie wir sie wahrnehmen, spielt sich in relativ begrenzten Dimensionen ab. Nach unten hin ist es die Größenordnung von Millimetern, die wir mit unseren Sinnen noch wahrnehmen können. Nach oben hin ist unsere Vorstellungskraft auf Kilometer begrenzt. Sicherlich, einige von uns mögen schon mehrere Tausende von Kilometern in den Urlaub geflogen sein, aber so wirklich vergegenwärtigen kann man sich diese Distanzen nicht. Trotz dieser eingeschränkten Sicht müssen wir uns bewusst sein, dass die menschliche Skala von Millimetern bis Kilometern nur einen Bruchteil unserer Welt beschreibt. Nach oben hin erweitern sich riesige Dimensionen: der Mond umkreist die Erde in einem Abstand von etwa 384000 Kilometer; die Entfernung zur Sonne, 146 Millionen Kilometer, scheint kaum fassbar, und interstellare Distanzen werden sogar in Lichtjahren gemessen. Das Licht vom der Sonne am nächsten liegenden Stern braucht mehr als vier Jahre bis zur Erde; im Vergleich dazu braucht das Licht für die Strecke vom Ellebogen zum Handgelenk nur etwa eine Nanosekunde, also den Milliardsten Teil einer Sekunde. D.h. die Skala oberhalb unserer täglichen Dimensionen ist wesentlich umfangreicher als die uns gewohnte. Und wie schaut es nun nach unten aus? Kann man die Skala auch nach unten erweitern?

In seiner berühmten Nobelpreisrede im Jahre 1959 hat der Physiker Richard Feynman vorausgesagt, dass auch „nach unten sehr viel Raum“ besteht (der Titel seiner Rede war „There’s plenty of room at the bottom“). Er hat behauptet, dass es möglich sein wird, die ganze Encyclopedia Britannica, ein damals bereits 24-bändiges Lexikon, auf die Spitze einer Stecknadel zu schreiben. Noch vor Ende des letzten Jahrhunderts wurden mit der sogennanten Elektronenstrahl-Lithographie die technischen Voraussetzungen zum Meistern dieser Aufgabe erfüllt. Auch der Raum nach unten ist wesentlich weiter als die uns gewohnte Skala, und, im Gegensatz zu den interstellaren Dimensionen, zum Großteil auch schon technisch beherrschbar. Die Mikrochips in einem Computer wie ihn jeder zuhause stehen hat, sind nur wenige Quadratmillimeter bis einen Quadratzentimeter groß und beherbergen Strukturen mit Abmessungen von nur 60 Nanometern (ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters oder der milliardste Teil eines Meters). Zum Vergegenwärtigen der Gesamtspanne dieser Dimensionen kann man sich vorstellen, dass, falls man einen solchen Chip auf die Größe von Mitteleuropa bringen würde, die kleinsten Strukturen nur so groß wie ein Badehandtuch wären. Und es geht noch kleiner: mittlerweile kann man sogar einzelne Atome manipulieren, d.h. sub-molekulare Dimensionen von weniger als einem Nanometer Größe. Sub-atomare Teile werden auch schon seit einiger Zeit erforscht aber die Handhabung solcher Elemente bereitet sich noch als äußerst schwierig (von den Kosten ganz zu schweigen …).


Mikrosystemtechnik

MEMS Mikroschalter
Eine kleine Spielerei: dieses insgesamt 0,2 Millimeter große Relief mit Schachspielern ist 70 Mikrometer tief in ein Silizum-Kristall geätzt. Die kleinsten Details sind nur einige Mikrometer groß.
© Joachim Oberhammer 2004

Die Mikrosystemtechnik befasst sich mit der Herstellung und der Anwendung von „Kleinstgeräten“ in der Größenordnung von wenigen Mikrometern (der tausendste Teil eines Millimeters) bis zu wenigen Millimetern. Typische Einzelteile solcher Mikrosysteme haben sub-Mikrometer Abmessungen und oft hat man aber mit Schichtdicken von wenigen Nanometern zu kämpfen. Die Herstellungsverfahren sind in der Regel dieselben wie in der Halbleiter-Mikroelektronik. Mikrosysteme erfüllen verschiedenste Aufgaben und können physikalische oder chemische Größen messen, wie z.B. Druck, Kraft, Gaskonzentrationen, optische Parameter oder biologische Substanzen. Oft haben sie auch aktive Funktionen, d.h. sie verfügen über mechanische Zangen, Ventile oder Mikrorelays und können so auch ihre Mikro-Umgebung aktiv verändern. Ein Beispiel ist das Manipulieren von biologischen Zellen, die selbst auch nur wenige Mikrometer groß sind. Aufgrund der ursprünglich vor allem mechanischen Funktionen, die meistens elektrisch kontrollierbar sind, hat sich für solche Geräte der Begriff mikro-elektromechanische Systeme, kurz MEMS, eingebürgert. Während die Mikrelektronik den Mikrosystemen Intelligenz einhaucht, fügt MEMS die Sinne und Manipulationsfuktionen („Gliedmaße“) hinzu. Der Einsatzbereich solcher Mikrosysteme ist keinesfalls auf das Forschungslabor begrenzt. MEMS begleiten uns bereits seit einigen Jahren im täglichen Leben: ein Neuwagen beherbergt zwischen 70 und 150 MEMS-basierte Sensoren, in digitalen Kameras befinden sich MEMS Sensoren und Aktuatoren, sogar Mobiltelefone sind seit letztem Jahr (2005) auch mit MEMS ausgerüstet. MEMS erweitert die Funktionen von technischen Geräten, macht sie kleiner und durch die optimierten Herstellungsverfahren der Halbleitertechnologie auch billiger. Außerdem ermöglicht MEMS viele sicherheitsrelevante Anwendungen: Airbags in Autos werden durch MEMS Beschleunigungssensoren ausgelöst, die zum Preis von wenigen Euros in sehr hohen Produktionsvolumen hergestellt werden. In wenigen Jahren muss jeder Autoreifen mit einem Drucksensor ausgestattet sein, um den Reifendruck ständig zu überwachen. MEMS Technologie hat auch in dieser Anwendung die alleinige Marktherrschaft. MEMS Sensoren werden auch in der Medizintechnik eingesetzt, z.B. bei minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen. Ein Beispiel ist ein nur hundert Mikrometer großer Drucksensor, ursprünglich an unserem Institut in Stockholm entwickelt, der an der Spitze eines Katheters über eine Beinvene in die Herzkranzgefäße eingeführt wird, um lebensbedrohende Gefäßverengungen festzustellen.


MEMS Forschung an der KTH in Stockholm

MEMS Mikroschalter
Abb. 2. Elektronenstrahlmikroskop-Aufnahme eines MEMS Mikro-schalters, den ich während meines Doktoratstudiums in Stockholm entwickelt hatte. Die abgebildete freistehende Struktur ist 800 µm lang und nur 1 µm dick
© Joachim Oberhammer 2002

Seit 1991 existiert an der Königlichen Technischen Universität (KTH) in Stockholm ein Forschungslabor mit 15-20 Mitarbeitern das sich mit MEMS für Anwendungen in Biotechnologie, Mikrooptik, Hochfrequenztechnik, biomedizinische Technik und Automobil-Sensorik beschäftigt. Seit Jänner 2005 leite ich eine kleine MEMS-Forschungsgruppe die zur Zeit (Frühjahr 2006) aus vier Doktoranden und mir besteht. Gelegentlich werden wir auch von Studenten unterstützt, die ihre halbjährige Diplomarbeit bei uns ausführen. Der Schwerpunkt meiner Gruppe liegt in RF MEMS, das sind Mikrosysteme die in Hochfrequenzanwendungen wie Telekommunikation und Radar eingesetzt werden. Wir entwerfen, fabrizieren und testen unsere Mikrosysteme selbst. Die Herstellung geschieht in einem sogenannten Reinraum, einem Spezial-Labor mit von Partikeln gefilterter Luft und konstant gehaltenen atmosphärischen Bedingungen, das man nur in Ganzkörperschutzanzügen betreten darf, da Partikel die der menschliche Körper absondert und Staub, der über die Kleidung in den Reinraum gelangen könnte, eine große Gefahr für die Mikrostrukturen darstellen, die selbst wesentlich kleiner als ein Staubkorn oder abfallende Hautschuppen sind. Im Gegensatz zu einem Biotechnologie-Labor, wo solche Maßnahmen die Menschen vor den Biosubstanzen schützen, haben die Ganzkörperschutzanzüge in einem MEMS/Halbleiter-Reinraum die Funktion, die herzustellenden Strukturen vor dem Menschen zu schützen. Als Rohmaterial dient uns meistens Silizium in äußerst reiner und einzel-kristalliner Form, das ausgezeichnete mechanische und elektrische Eigenschaften aufweist.


Das Forschungsmilieu in Schweden

Die Forschung in der Mikrosystemtechnik ist durch Industrienähe gekennzeichnet. Aufgrund der vielseitigen Anwendungen und der Größe von bereits vorhandenen und von potentiellen Märkten, findet viel Wechselwirkung zwischen Forschungsinstituten und Industrieunternehmen statt, was ein sehr fruchtbares Forschungsmilieu ergibt. Direkte Kooperationen mit Industrieunternehmen, die Teilnahme von Forschern an Firmenneugründungen und Involvierung in Patentrechte sind Synergieeffekte die die täglichen Forschungsaktivitäten bereichern. Die strategische Wichtigkeit der Mikrosystemtechnik sowie die Notwendigkeit der Unterstützung von universitärer und institutioneller Forschung in diesem Bereich und in anderen Neuen Technologien wie Bio-, Nanotechnologie oder Photonik wurde von Schweden, einem Land mit sehr hohen Lohn- und Lebenskosten, sehr richtig und frühzeitig erkannt. Die Regierung bemüht sich über verschiedene Körperschaften, finanzielle Unterstützung für vielversprechende Projekte zur Verfügung zu stellen. Das dadurch entstandene Umfeld schafft günstige Vorraussetzungen für professionelle Forschungstätigkeit, stimuliert mittel- bis langfristig die Schwedische Industrie durch Technologievorsprung und durch die Ausbildung von Fachkräften, was sich schlussendlich in der Zukunftssicherung der internationalen Konkurrenzfähigkeit Schwedischer Unternehmen niederschlägt.

Anschrift am Royal Institut of Technology in Stockholm
Joachim Oberhammer, Ph.D.
Microsystem Technology Lab Tel: +46 8 7906250
School of Electrical Engineering Fax: +46 8 100858
Royal Institute of Technology (KTH) Mobile: +46 70 6921858
office address: Osquldas vag 10, SE-100 44 Stockholm, Sweden
e-mail: Joachim Oberhammer

Kontaktinformation:
http://www.ee.kth.se/php/index.php?action=people&cmd=extended&peopleid=92
(in englischer Sprache)

 

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