KD OptiMi - Kompetenzdreieck Optische Mikrosysteme - Jena

Schwerpunkt der Forschungsarbeiten des KD OptiMi sind multifunktionelle optische Mikrosysteme. Ziel ist die schnellere und bessere Vermarktung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten als Grundlage für nachhaltiges Wachstum am Produktionsstandort Deutschland.

Die Akteure des Kompetenzdreiecks, die Friedrich-Schiller Universität Jena, die Technische Universität Ilmenau, das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und die Photovoltaik GmbH in Erfurt, vereinen Kompetenzen in den Schlüsseltechnologien Optik und Photonik sowie den Mikro- und Nanotechnologien und decken die gesamte Innovations- und Wertschöpfungskette vom ganzheitlichen Design über die Darstellung von Einzelkomponenten bis hin zur hybriden Integration und dem Prototypenbau auf dem Gebiet der optischen Mikrosysteme ab.

Die Ziele

Optische Mikrosysteme der nächsten Generation werden sich deutlich von der klassischen Subsystem-Strategie der Mikrosystemtechnik unterscheiden. Heute dominieren technische Lösungen, bei denen einzelne Komponenten, z.B. ein Scanner oder ein Sensor mit standardisierter elektronischer Schnittstelle ein (Sub-)System definieren, das dann mit anderen (Sub-)Systemen zum anwendungsbezogenen System integriert wird. Zukünftig wird aber die Systemauslegung sehr viel breiteren Gebrauch von den Fähigkeiten der Mikrosystem-Komponenten machen.

Hierzu ist eine vollständige Systemintegration durchzuführen, die von der optischen Komponente bis zur Systemregelung alle Aspekte bereits beim Systementwurf anwendungsspezifisch berücksichtigt. Dadurch gelingt es, die Vorteile der einzelnen Technologien optimal auszunutzen und ggf. durch die Miniaturisierung entstehende Defizite zu kompensieren. Unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit und Effizienz kann beispielsweise auf zahlreiche zusätzliche Schnittstellen und damit auf Elektronik (z.B. Mikrocontroller in den Subsystemen) verzichtet werden, was sowohl die Fertigungskosten als auch die Betriebskosten reduziert.

Die thematischen Schwerpunkte

In der Pilotphase (2008 bis 2010) wurden übergreifende Entwicklungs- und Technologieplattformen etabliert sowie erste Demonstratoren unter Einbeziehung optischer und elektronischer, optischer und mechanischer beziehungsweise optischer und fluidischer Funktionen entwickelt.

Darauf aufbauend werden Beispiele für Demonstratoren für die Zukunftsmärke Energie, Gesundheit und Umwelt entwickelt, wobei Forschung, Ausbildung und Transfer mit folgenden Leitzielen vernetzt werden:

  • Entwicklung multifunktioneller kompakter optischer Mikrosysteme zur Lösung dringender Zukunftsfragen
  • Ausbau des Prozess- und Applikationswissens für Systemlösungen in den Branchen Energie, Umwelt und Gesundheit
  • interdisziplinäre Ausbildung auf dem Gebiet der optischen Mikrosysteme
  • Partner der deutschen Industrie im Themenfeld optischer Mikrosysteme

Teilprojekt Mikrooptisches Akkommodationssystem (Markt: Gesundheit)

Verlust der menschlichen Akkommodationsbreite im Lauf der Jahre und künstliches Akkommodationssystem mit aktiv-optischem Subsystem im Kapselsack

Mit zunehmendem Alter verliert der Mensch seine Akkommodationsfähigkeit durch zunehmende Versteifung der Augenlinse, d.h. die Fähigkeit, Objekte in unterschiedlichen Gegenstandsweiten scharf auf die Netzhaut abbilden zu können. Während die abnehmende Akkommodationsfähigkeit durch Sehhilfen kompensiert werden kann, sind bei einer Linsentrübung (Grauer Star) die Entfernung der Linse und die Implantation einer Intraokularlinse (IOL) notwendig. Da diese Ersatzlinse jedoch starr ist, ist nach der Operation ebenfalls keine Akkommodationsfähigkeit mehr vorhanden. Zwar besteht inzwischen die Möglichkeit der Implantation multifokaler Intraokularlinsen, die die Akkommodation zum Teil ersetzen können, jedoch geht dies zu Lasten des Kontrastsehens.
   
Der im Projekt verfolgte neue Ansatz ist ein smartes Mikrosystem, das anstelle einer Intraokularlinse im Kapselsack des Auges implantiert wird und dort autark je nach Akkommodationsbedarf die Brechkraft eines integrierten aktiv optischen Elementes anpasst. Im Rahmen des Verbundprojekts sollen Komponenten zur Akkommodationsbedarfserfassung und zur Brechkraftveränderung sowie die Häusung für den Einsatz in diesem intelligenten Implantat zur Wiederherstellung der Akkommodationsfähigkeit entwickelt werden. So soll die Änderung der Refraktion z.B. durch Verschiebung der beweglichen Linse eines Drei-Linsensystems (Triple-Optik) erfolgen, wobei die beiden feststehenden Linsen in das Glasgehäuse des Implantats integriert sind. Zur Akkommodationsbedarfserfassung wird der Pupillen-Nahreflex zunächst mittels medizinischer Studien untersucht, als technische Lösung entwickelt und als Funktionsmuster realisiert. Die Nutzung des Werkstoffes Glas als Gehäusematerial bietet einerseits den Vorteil, dass optische Elemente direkt realisiert werden können und das Material per se bereits biokompatibel ist. Zur Gestaltung der optischen Freiformoberflächen und der Gehäusekavitäten werden geeignete Glasstrukturierungsverfahren entwickelt.

Teilprojekt Green Manufacturing-Lasermaterialbearbeitung (Markt: Energie)

Dem Werkzeug Licht kommt in der energie- und ressourceneffizienten Produktion eine Schlüsselfunktion zu. Der Laser als Energieträger ermöglicht gerade bei der Herstellung miniaturisierter Produkte neue Fertigungsmethoden mit höchster Flexibilität, Präzision und Kosteneffizienz. Heute vollzieht sich hier der Wandel von der klassischen mechanischen und elektronisch orientierten Fertigung hin zu photonisch gestützten Techniken. Die Präzisionsbearbeitung mit dem Laser erfordert optische Online-Messtechniken zur genauen Positionserfassung und Regelung von Werkzeug und/oder Werkstück sowie eine unter allen Einsatzbedingungen optimale Strahlqualität. Mithilfe optischer Triangulationsverfahren und unter Nutzung mehrerer hochintegrierter, aber kostengünstiger Interferometer- Scanner-Systeme (sog. Mikrotracker) ist die Strahlpositionierung auch in kinematisch nicht exakt bestimmten, bewegten Systemen möglich. Dazu wird ein Referenzspiegel (Cat Eye) am Tool Center Point oder am Werkstück eingemessen. Die Kombination mit einem hochleistungstauglichen deformierbaren Spiegel für die Optimierung der Strahlqualität des Bearbeitungslasers erlaubt die präzise Zuführung der Prozessenergie.

Im Projekt werden ganzheitliche Ansätze zum Design hoch integrierter mikro-optomechatronischer Systeme erforscht, die auf Vorarbeiten zu mikrosystembasierten Trackern und deformierbaren Spiegeln aufbauen. Optische, struktur- und thermomechanische sowie statische und dynamische Eigenschaften, aber auch die Regelung des Systems werden unter Nutzung der mikrosystemtechnischen Fertigungstechnologien optimal aufeinander abgestimmt. So wird der deformierbare Spiegel Sensorik als Signalquelle für neuartige MIMO-Regelungssysteme enthalten. Diese werden quasi-monolithisch in ultradünne Mehrlagensubstrate aus LTCC-Keramik als passiver Sensorik zusätzlich zu aktiver Fluidik integriert. Weiterhin erfolgt die Hybridintegration mehrerer optischer Mikrotracker zur Generierung präziser Ortsinformationen.

Teilprojekt Optoflutronics: Mehrparameter-Screening (Markt: Umwelt)

Beispielhafter Kreislauf mit verschiedenen Analysemodulen. Hauptmodul Mikrobioreaktor mit AlGaN/Sensorik und optischen Manipulationsmöglichkeiten

Die Kultivierung von Zellen und die Untersuchung des komplexen Antwortverhaltens auf Wirkstoffe oder toxische Substanzen spielt eine zentrale Rolle in Medizintechnik, Biotechnologie und Pharmaforschung. Die Mehrzahl der zum Einsatz kommenden Testsysteme (Assays) basieren auf optischen Ausleseverfahren, da diese sehr breit angewendet werden können. Allerdings werden sie in sehr spezialisierter Weise auf den zu untersuchenden Parameter abgestimmt. Um aber die komplexen Effekte von Wirk- und Giftstoffen in Zellkultursystemen oder Mikroorganismen abbilden zu können, ist die Erfassung möglichst vieler physiko-chemischer Parameter bei vertretbarem Aufwand nötig. Im Teilprojekt „Optoflutronics – MST-Toolbox für das Mehrparameter-Screening“ bildet die Zusammenführung mikrofluidischer, mikrooptischer und mikromechanischer Komponenten zu einem kompakten Gesamtsystem die Grundlage für das gleichzeitige schnelle Messen mehrerer Parameter.

Das Handling der Zellen erfolgt in miniaturisierten optofluidischen Systemen, zum einen auf der Basis von Mikrobioreaktoren und zum anderen in Mikrofluidiksegmenten unter Ausnutzung der Segmented-Flow-Technik. Zum optischen Monitoring der Zellen werden hochkompakte optofluidische Baugruppen wie multispektrale Fluoreszenzmodule und Module zur Streulicht- und Trübungsmessung erforscht. Durch Multiplexen mehrerer Module kann der Informationsgewinn noch erhöht werden. Auf diese Weise kann das komplexe Antwortverhalten von 3-D-Zellaggregaten oder ein dosisabhängiges Antwortverhalten von Zellen auf toxische Substanzen und Substanzkombinationen, von Pharmazeutika und allgemein von Xenobiotika untersucht werden. Die erforschten Mikrosysteme bieten somit das Potenzial zur Lösung bestehender Probleme bei In-Vitro-Assays und bieten großes Potenzial in verschiedenen Anwendungsbereichen der Life Sciences.

Multifunktionelle Silizium-Detektoren (Plattformprojekt)

Detektoren bzw. komplexe Opto-Sensoren sind wichtige Schlüsselkomponenten optischer Mikrosysteme, die letztlich durch ihre Eigenschaften in Verbindung mit einer effektiven Anbindung an elektronische Signalvorverarbeitungen (SVV) die Funktionalität des Gesamtsystems mitbestimmen. Das Vorhaben ist thematisch auf zwei Forschungsbereiche ausgerichtet:

  • die Einbindung von Durchkontaktierungen („through silicon vias“ – TSV) in die Technologie von Si-Detektoren bzw. Si-Opto-Sensoren als Voraussetzung für hybride 3-D-Montagetechnologien Si-Detektoren/Si-Opto-Sensoren auf SVV-CMOS-IC’s und
  • die Erweiterung der Funktionalität von Si-Detektoren einerseits durch die technologische Einbindung nano-optischer Strukturen und andererseits durch eine Erhöhung der Empfindlichkeit von Si-Dektoren durch Realisierung neuer Konzepte für Si-Photomultiplier.

Im Rahmen dieses Projektes werden die Technologie der TSV für Opto-Sensoren und eine Bibliothek für SVV-Schaltungskomponenten für Si-Detektoren/Si-Opto-Sensoren entwickelt. Die SVV-Schaltungskomponenten werden im Rahmen des Plattformprojektes als CMOS-IC’s realisiert. Parallel dazu wird die AVT für hybride 3-D-Opto-Sensoren entwickelt. Im Ergebnis dieser Forschungsvorhaben werden Demonstratoren kompakter Si-Detektoren/Si-Opto-Sensoren entstehen, deren Eigenschaften ebenfalls Gegenstand der Forschungen sein werden.

Die Partner

  • Friedrich-Schiller-Universität, Institut für Angewandte Physik, Jena
  • Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikro- und Nanotechnologien MacroNano®
  • CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH, Erfurt
  • Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena
  • Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme, Dresden/Hermsdorf
  • Karlsruhe Institut für Technologie KIT, Institut für Angewandte Informatik/Automatisierungstechnik
  • Universität Tübingen, Department für Augenheilkunde der Augenklinik
  • Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Toxikologie
  • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung, Leipzig
  • Universität Bremen, Institut für Umweltsensorik

Kontakt

Prof. Dr. Andreas Tünnermann
Sprecher des KD OptiMi
Friedrich-Schiller-Universität (FSU) Jena
Institut für Angewandte Physik
Max-Wien-Platz 1
07745 Jena
E-Mail: Andreas.Tuennermann[at]uni-jena.de
http://www.optimi.uni-jena.de



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