Zu den technologischen Grundlagen

Was ist ein Mikrosystem?

Klein und leistungsfähig: Die Natur als Vorbild 

Das Prinzip der Mikrosystemtechnik (MST) ist im Grunde eine Erfindung der Natur und damit so alt wie das Leben auf der Erde. Jedes Lebewesen besteht aus einer Vielzahl von speziellen Mikrosystemen - Zellen, die meist nur wenige Mikrometer klein sind. Ein Mikrometer entspricht 0,000001 Meter, also einem Millionstel Meter. Trotz ihrer geringen Größe ist solch eine Körperzelle ein unglaublich leistungsfähiges System: Sie wandelt Energie, produziert Bausteine und Signalstoffe für den Körper, erzeugt und leitet elektrische Signale, kommuniziert mit Nachbarn und entfernten Partnern und kann sich sogar selbst reparieren und vermehren. Je nach Art ihrer Aufgabe im Körper ist die Zelle dabei auf die eine oder andere Tätigkeit spezialisiert.

Die Vielfalt und Leistungsfähigkeit dieser natürlichen Mikrosysteme ist eine beeindruckende Leistung der Natur. Seit Beginn der 90er Jahre macht sich der Mensch viele der Natur zu Grunde liegenden Prinzipien gezielt für die Entwicklung von technischen Systemen zu Nutze. Mikrosysteme sind leistungsfähige kleine Systeme, die viele Aufgaben besser und preiswerter erfüllen als ihre in konventioneller Technik gefertigten "großen Vorbilder".

Mikrosystemtechnik: Die unsichtbare Revolution

Es gibt heute bereits unzählige Geräte und Anwendungen, in denen die Mikrosystemtechnik eine zentrale Rolle spielt. Nahezu unsichtbar und von vielen unbemerkt übernehmen Mikrosysteme unter anderem in der Kommunikationstechnik, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Umwelttechnik, der Chemie und Pharmazie, der Energietechnik, der Logistik, der Haus- und Gebäudetechnik, im Automobilbau und in der Medizintechnik wichtige Aufgaben. Sie führen Automobile sicher, komfortabel und energiesparend durch den Straßenverkehr, helfen bei der Reinhaltung von Luft und Wasser, assistieren Ärzten bei Operationen und Untersuchungen, stellen Arzneimittel her, steuern Heizung und Lüftungsanlagen, überwachen Fertigungsprozesse und vieles mehr.

Ganze Systeme statt vieler Einzelteile

Nicht nur in der Anwendung, sondern auch in ihrem Aufbau sind Mikrosysteme schon fast so vielfältig wie ihre Vorbilder aus der Natur. Entwickelt hat sich die Mikrosystemtechnik aus der Mikroelektronik heraus. Mitte der 80er Jahre wurde damit begonnen, immer mehr elektronische Funktionen auf einem Baustein zu vereinen. Das Besondere der Mikrosystemtechnik im Vergleich zur Mikroelektronik zeigt sich schon in ihrem Namen, denn ihr zentrales Merkmal ist der systemische Charakter. Allen Mikrosystemen ist gemeinsam, dass verschiedene Funktionen, Materialien, Komponenten und Technologien - meistens in Verbindung mit Komponenten der Mikroelektronik - in einem integrierten System miteinander verknüpft werden. Die Mikrosystemtechnik vereint dabei so unterschiedliche Basistechnologien wie die Mechanik, die Optik, die Fluidik, aber auch neue Technologiefelder, wie beispielsweise die Polytronics oder neue Materialien. Wie die biologischen Zellsysteme sind aber auch Mikrosysteme weit mehr als die Summe ihrer Teile: Die intelligente Integration in kompakte Systeme ermöglicht völlig neue Funktionen.

Kleiner ist feiner

Aufgrund ihres kleinen Formats - einzelne Komponenten messen nicht selten nur wenige Mikrometer - sind Mikrosysteme besonders Raum- und Gewicht sparend. Genutzt wird dies z. B. in der Automobiltechnik, in der auch bei Kleinwagen eine Vielzahl von technischen Funktionen auf kleinstem Raum untergebracht werden muss, sowie auch in der Medizintechnik. Bei chirurgischen Eingriffen mit der sogenannten minimalinvasiven Therapie hinterlassen die kleinformatigen Instrumente keine oder nur minimale Verletzungen am Körper. Aufgrund ihrer geringen Größe sind Mikrosysteme mobil und flexibel einsetzbar - beispielsweise in der Umwelttechnik bei der Analyse von Wasserproben - außerdem energiesparend, Ressourcen schonend und kostengünstig in der Fertigung.

Anschluss für die Nanowelt...

Durch ihre integrierende Funktion ist die Mikrosystemtechnik ein idealer Vermittler zwischen der Nanowelt - deren vielfältige Möglichkeiten derzeit von der Wissenschaft erschlossen werden - und unserer Alltagswelt im Makromaßstab. Die meisten neuen Entwicklungen der Nanotechnologie sind ohne Mikrosystemtechnik gar nicht nutzbar. Die in winzigsten Strukturen operierende Nanotechnologie - ein Nanopartikel ist im Vergleich zu einem Fußball so klein wie dieser im Vergleich zur Erde - wird erst über mikrosystemtechnische Schnittstellen fassbar und kann damit in verschiedenen Produkten eingesetzt werden. Über die integrierende Funktion der Mikrosystemtechnik werden die Möglichkeiten der Nanotechnologie für die Makrowelt erschlossen.

... und die Biologietechnologie

Auch die lebendige Sphäre der Biologie rückt mit Hilfe der Mikrosystemtechnik näher an die Technik heran. Mikrosysteme mit Komponenten der Biotechnologie verknüpfen die organische und die anorganische Welt miteinander. Mit Biochips beispielsweise können Ärzte schnell und kostengünstig die Blutwerte ihrer Patienten überprüfen.

Mit der Mikrosystemtechnik in die Zukunft

Angesichts des breiten Spektrums an Einsatzmaterialien, Funktionalitäten und Anwendungen sind Mikrosysteme heute schon nahezu so vielfältig wie die Vorbilder aus der Natur. Und wie diese entwickelt sich auch die Mikrosystemtechnik ständig weiter. Die Entwicklung in der Mikrosystemtechnik wird zukünftig aus zwei grundsätzlichen Richtungen geprägt werden:

• Zum einen wird die Mikrosystemtechnik in vielen neuen Anwendungen Einzug halten. Eine wesentliche Aufgabe von Forschung und Entwicklung wird es sein, in Branchen mit hohem Anwendungspotenzial marktfähige Produkte zu generieren. Neben den Branchen, in denen die MST längst nicht mehr wegzudenken ist Automobiltechnik, Medizintechnik oder Teile der IuK-Branche, stehen vor allem Branchen mit geringerer Durchdringung, aber hohen Potenzialen, im Mittelpunkt des Interesses. Dazu gehören z. B. die Chemie- und Pharmaindustrie oder der Maschinen- und Anlagenbau. Eine wichtige Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung sind kostengünstige Fertigungsverfahren, die gleichzeitig individualisierte Produkte ermöglichen.
• Zum anderen spielt die Mikrosystemtechnik eine zunehmend wichtige Rolle als sogenannte "Enabling"-Schlüsseltechnologie, die über die skalenvertikale (Nano - Mikro - Makro) und die Technologie übergreifende (z. B. Biotechnologie, Nanotechnologie, Mikroelektronik) Systemintegration Anwendungsmöglichkeiten für neue Technologien und Materialien erschließt. Um diese Chancen in vollem Umfang nutzen zu können, ist es erforderlich, die technologischen Grundlagen zu sichern und kontinuierlich weiter zu entwickeln.

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